硝態(tài)氮對不同耐氮性甘薯苗期根系生長和氮代謝的影響

王莎莎 段文學 張海燕 解備濤 汪寶卿 姜瑤 張立明

摘要：本試驗選用氮敏感型甘薯品種濟薯26（J26）和耐氮型品種徐薯32（X32）為材料，設置硝態(tài)氮濃度為0（N0）、7（N1）、14（N2）、28（N3）mmol/L共4個處理，采用Hoagland營養(yǎng)液水培法，研究不同硝態(tài)氮濃度對不同耐氮性甘薯品種根系生長和氮代謝的影響。結果表明，與N1和N3處理相比，N2處理可保持兩品種較高的根系長度、根體積、根表面積，較高的葉片和根系硝酸還原酶（NR）、亞硝酸還原酶（NiR）活性，較高的地上部鮮重以及根系鮮重。隨硝態(tài)氮濃度增加，兩品種葉片和根系硝態(tài)氮含量及SPAD值均顯著提高。在相同施氮量條件下，與徐薯32相比，濟薯26具有較大的根系總長度和根表面積，較高的葉片NiR活性、根系NR、NiR活性和硝態(tài)氮含量，氮素代謝水平高，硝態(tài)氮濃度對其調控效應明顯。

關鍵詞：甘薯;耐氮性;硝態(tài)氮;根系生長;氮代謝

中圖分類號：Q781 文獻標識號：A 文章編號：1001-4942（2022）01-0055-06

甘薯是我國重要的糧食作物之一，其產量的穩(wěn)定及增加對相關農業(yè)和產業(yè)的發(fā)展有著重要意義[1]。氮素是甘薯必不可少的營養(yǎng)元素之一，對促進葉綠素合成、化合物積累等方面具有重要作用，是影響其生長發(fā)育的重要因素[2]。生產中由于不合理施氮及降水分布不均，容易造成甘薯莖葉徒長，降低塊根產量。根系作為植物吸取水分和養(yǎng)分的重要器官，苗期發(fā)根量、生物量以及生理狀況等直接影響后期甘薯產量[3]。甘薯苗期根系活力、根系總長度、根表面積、根尖數量等決定養(yǎng)分和水分的吸收效率，根平均直徑和根體積則反映根系分化狀況[4]。有研究指出，在氮肥作為基肥條件下，甘薯的單株總根尖數、分化根根尖數以及根平均直徑等均隨著施氮量增加而降低;低量施氮能促進甘薯苗期根系生長，而適量和高量施氮對甘薯根系生長和分化的抑制作用表現非常明顯[5]。

目前關于硝態(tài)氮肥對作物影響的研究有很多，研究結果皆因物而異[6-8]。有學者指出，硝態(tài)氮肥能促進甘薯不同部位對氮素的累積[9，10];邱永祥等[11]研究表明，硝態(tài)氮有利于葉菜用甘薯保持較高的葉綠素a含量，促進光合速率，加快物質積累。有研究表明，適量缺氮有利于甘薯根系分化，促進纖維根向塊根分化，而高濃度的硝態(tài)氮能阻止甘薯根系分化[12，13]。李路瑤等[14]研究指出，施用硝態(tài)氮肥可以降低鹽脅迫對甘薯根系和葉片生理系統(tǒng)造成的不利影響;唐忠厚等[15]研究表明，硝態(tài)氮肥可以改善甘薯塊根淀粉物理特性，有利于甘薯最低粘度（HPV）和最終粘度（CPV）值增加。Walker等[16]指出，甘薯葉柄中的硝態(tài)氮質量分數比較敏感，可以作為反映作物氮素營養(yǎng)狀況的重要指標。由上看出，當前有關硝態(tài)氮對甘薯苗期根系生長和氮代謝影響的研究較少，而關于硝態(tài)氮對不同耐氮性甘薯品種在此方面影響的研究尚未見報道。本試驗采用Hoagland營養(yǎng)液水培法，研究硝態(tài)氮濃度對不同耐氮性甘薯品種苗期根系生長和氮代謝關鍵酶的影響，以期為探明甘薯徒長機理和氮肥合理運籌提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及設計

試驗于2020年在山東省農業(yè)科學院作物研究所人工氣候室進行。選用氮敏感型甘薯品種濟薯26（J26）和耐氮型品種徐薯32（X32）[17]作為供試材料。

試驗設置4個硝態(tài)氮濃度：0（N0）、7（N1）、14（N2）、28（N3）mmol/L。利用生長一致的甘薯幼苗在培養(yǎng)盆中進行Hoagland營養(yǎng)液水培試驗，以Ca（NO3）2 和KNO3 作為氮源，缺氮營養(yǎng)液中的Ca（NO3）2和KNO3分別用CaCl2和KCl替代，于培養(yǎng)后12天取樣。培養(yǎng)條件為晝/夜溫度（28±1）℃/（22±1）℃，相對濕度（80±2）%，光照時間16h。培養(yǎng)過程中每3天更換一次營養(yǎng)液。完全隨機排列，每處理12株薯苗，重復4次。

1.2 取樣方法

每處理取樣10株，將植株生長點（莖尖至第一片展開葉葉柄處）、葉片、葉柄、莖和根系部位分開，分別用于根系掃描特性、硝態(tài)氮含量及氮素代謝相關酶活性測定等。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 根系形態(tài)指標 將植株鮮樣在清水中洗凈后，用根系掃描儀掃描甘薯地下部，獲得的圖像利用DT-SCAN軟件對根系總長度、根表面積、根體積等形態(tài)指標進行分析。

1.3.2 植株鮮重及葉綠素含量 將植株沿莖基部剪斷，清洗干凈后稱量地上部及根系鮮重。用SPAD-502PLUS型葉綠素儀測量主莖第4片完全展開葉的葉綠素含量。

1.3.3 硝態(tài)氮含量及相關代謝酶活性 葉片和根系硝態(tài)氮含量及硝酸還原酶（NR）、亞硝酸還原酶（NiR）活性采用蘇州科銘生物技術有限公司的試劑盒測定。

1.4 數據處理

采用MicrosoftExcel2019進行數據整理與作圖，SPSS軟件進行統(tǒng)計分析，新復極差法進行顯著性差異檢驗。

2 結果與分析

2.1 硝態(tài)氮對甘薯葉片和根系硝態(tài)氮含量的影響

由圖1可見，隨硝態(tài)氮處理濃度增加，兩品種葉片和根系硝態(tài)氮含量顯著升高。同一施氮水平下，J26葉片硝態(tài)氮含量均顯著高于X32;N1和N2處理下，J26根系硝態(tài)氮含量顯著高于X32，N3條件下則無顯著差異。與X32相比，J26葉片和根系中可積累較多的硝態(tài)氮，表明J26對硝態(tài)氮反應較為敏感。

2.2 硝態(tài)氮對甘薯植株鮮重的影響

由表1看出，隨硝態(tài)氮濃度增加，J26地上部鮮重明顯增加，X32硝態(tài)氮處理的地上部鮮重顯著高于N0處理，但不同濃度處理間無顯著差異;N3處理下，X32地上部鮮重顯著低于J26。J26的N2處理根系鮮重最高，X32各施氮處理間根系鮮重無顯著差異。同一施氮水平下，X32根系鮮重顯著低于J26。表明硝態(tài)氮對莖葉和根系鮮重的影響存在品種間差異，J26對其反應明顯，且硝態(tài)氮濃度過大不利于其根系鮮重的增加。

2.3 硝態(tài)氮對甘薯葉片葉綠素含量（SPAD值）的影響

由圖2可見，隨硝態(tài)氮濃度增加，兩品種葉片SPAD值顯著增加。相同氮水平處理下，兩品種SPAD值無顯著差異。說明增施硝態(tài)氮有利于提高兩品種葉片SPAD值，但品種間差異不顯著。

2.4 硝態(tài)氮對甘薯根系生長的影響

由表2可見，在N0和N2水平下兩品種的根系總長度、根表面積和根體積均顯著高于其他處理。同一施氮水平下，J26根系總長度顯著高于X32。根表面積也表現出類似趨勢。N0和N2條件下，X32根體積顯著低于J26。表明適宜硝態(tài)氮濃度有利于兩品種苗期根系生長，硝態(tài)氮濃度過高則對根系生長產生抑制作用，同一氮素水平下J26根系生長較為旺盛。

2.5 硝態(tài)氮對甘薯葉片NR、NiR活性的影響

由圖3看出，X32葉片中N1、N2處理的NR活性顯著高于N0和N3處理，J26的N3與N2處理間無顯著差異，但顯著高于N0和N1處理。相同氮素條件下，X32葉片NR活性顯著高于J26。隨硝態(tài)氮濃度增加，J26葉片NiR活性持續(xù)上升，X32的N2與N3處理間無顯著差異，但顯著高于N0、N1處理。同一氮素水平下，X32葉片NiR活性顯著低于J26。表明適量施用硝態(tài)氮有利于提高兩品種葉片NR和NiR活性，J26葉片亞硝酸根還原能力較強。

2.6 硝態(tài)氮對甘薯根系NR、NiR活性的影響

由圖4看出，N2處理的J26根系NR活性顯著高于其他處理，X32各氮素處理間則無顯著差異。同一氮素水平下，J26根系NR活性顯著高于X32。J26根系NiR活性，N2與N3處理間無顯著差異，且均顯著高于其他處理;X32根系NiR活性，N2與N3處理間無顯著差異，N3處理顯著高于N0和N1處理。N2、N3處理下，X32根系NiR活性顯著低于J26。表明硝態(tài)氮對J26根系NR和NiR活性調控作用明顯，過高硝態(tài)氮濃度下，兩品種根系兩種酶活性不再提高，甚至降低。相同氮素條件下，J26根系硝酸根、亞硝酸根還原能力強。

3 討論與結論

研究表明，增施氮肥有利于甘薯莖葉生長和塊根膨大，但過量施用氮肥會造成甘薯莖蔓旺長、產量降低[18-20]。溫濤[21]研究指出，在整個生長發(fā)育過程中，甘薯地上部干物質積累會隨施氮量增加而增加，當施氮量低于300kg/hm2時塊根干重隨施氮量增加而增大，而大于300kg/hm2時塊根干重反而減少。本試驗對甘薯苗期地上部和根系生長的硝態(tài)氮調控效應研究表明，硝態(tài)氮對其影響存在品種間的差異：隨硝態(tài)氮濃度升高，濟薯26地上部鮮重呈明顯升高趨勢，而徐薯32地上部鮮重則無顯著變化。對于根系，適量硝態(tài)氮濃度有利于兩品種根系鮮重增加，過量則對根系生長產生一定的抑制作用。

根系為甘薯重要的吸收器官。根系的分布、活力水平、根系結構等都是影響產量的重要因素[22，23]。寧運旺等[24]研究指出，甘薯苗期施用氮肥時，根系長度、根表面積以及根總體積等均表現出下降趨勢，表明施氮會抑制甘薯根系分化。段文學[5]指出，在土壤氮濃度較高條件下，適量施氮對甘薯苗期根系分化的抑制現象已經出現，過量施氮對根系的不利影響則表現的更為明顯。本研究發(fā)現，在水培條件下，適量硝態(tài)氮可促進兩品種根系伸長和增粗，過量施氮則對其生長產生抑制，可能與較高的硝態(tài)氮濃度不利于地下部發(fā)根有關。氮敏感型品種濟薯26具有更長的根系和較高的根表面積，其纖維根更為發(fā)達，可能是其根系硝酸根含量高和氮代謝旺盛的原因之一。

氮肥形態(tài)對作物氮素代謝有很大的影響。研究認為，硝態(tài)氮肥最有利于甘薯根系、葉片和莖不同部位對氮素的累積[9，10]。作物中的硝態(tài)氮含量可以反映作物氮素營養(yǎng)狀況，可根據其含量的高低快速估測作物的氮素營養(yǎng)情況[25，26]。本研究中，隨硝態(tài)氮濃度增加，兩品種根系和葉片硝態(tài)氮含量均呈上升趨勢，與徐聰等[27]的研究結果一致。氮敏感型品種濟薯26根系和葉片硝態(tài)氮含量高于耐氮型品種徐薯32，根系硝態(tài)氮吸收能力和轉運能力強是其可能原因。NR是氮同化的限速酶，其活性是衡量植株生長的主要指標[28]，而NiR與NR具有調節(jié)耦合作用，聯合完成氮代謝的起始過程[29]。李程等[30]研究指出，適量施氮有利于提高玉米葉片NR活性，而過量施氮葉片NR活性則顯著降低。曹翠玲等[31]研究表明，小麥葉片和根系的NR活性均隨氮濃度的增加而增加。王玉波等[32]研究發(fā)現，甜菜葉片NiR活性與施氮量呈正相關。Munn等[33]指出，甘薯生長前期根系NR活性的增加能促進根系對硝態(tài)氮的吸收利用。本研究表明，適宜硝態(tài)氮濃度有利于提高兩品種葉片NR和NiR活性;對于根系，硝態(tài)氮對氮敏感型品種濟薯26的NR和NiR活性調控效應明顯，而對耐氮型品種徐薯32，兩種酶變化趨勢相對平緩，且濟薯26兩種酶活性均高于徐薯32，高氮條件下差異顯著，這是其耐氮性存在差異的重要原因。濟薯26根系NR和NiR較高的活性有利于其對硝酸根的分解，從而促進根系對硝酸根離子的吸收，其氮素代謝水平高于徐薯32。

綜上所述，與耐氮型品種徐薯32相比，氮敏感型品種濟薯26根系具有較高的NR和NiR活性、較長的根系長度和較高的根表面積，根系硝態(tài)氮同化能力強，根系和葉片硝態(tài)氮含量高，氮代謝水平高。硝態(tài)氮濃度對濟薯26莖葉鮮重、根系生長、NR和NiR活性調控效應更加明顯。