不同氮源處理對4 個木薯品種幼苗生長發育的影響

趙金鈴，潘晉龍，吳宇垚，韓昊祥，張懷方，陳 新，曾長英

（1. 海南大學 熱帶作物學院，?？?570228; 2. 中國熱帶農業科學院 熱帶生物技術研究所，?？?571101）

氮素是一種重要的常量營養元素，同時也是一種限制元素，對植物的生長發育起著重要的作用[1-2]，土壤中的氮素主要以硝態氮（NO3-）和銨態氮（NH4+）的形式被植物吸收[3-4]。硝態氮為負電荷，在土壤中易隨水流失，需要消耗還原力形成銨態進一步形成氨基酸以參與植物細胞生化過程及生理代謝。銨態氮為正電荷，本身是還原態氮，可以融合有機酸，形成氨基酸，但它們具體的作用條件和施用效果與不同的作物及種質有關。我國木薯（Manihot esculenta）多種植于貧瘠的地方，其土壤中的氮素分布不足且不均勻，需要外施氮肥來確保木薯的產量和品質[5-6]。木薯在農業生產中管理相對粗放，薯農通過種植高產的新品種及施用化肥來提高產量，而在木薯的生產過程中大多主要考慮通用復合肥或單質化肥的施用量，通常忽略氮磷鉀的營養配比、不同木薯種質對養分需求的差異以及對氮源喜好性不同。目前對木薯氮素利用的研究大都集中于氮磷鉀平衡施肥或施氮對木薯養分積累和塊根品質提高的影響，且對木薯氮素利用效率的研究也往往集中在單一氮源的種質鑒定和篩選上[7-9]，但是不同木薯品種對氮源的喜好性存在一定的差異，而對不同氮源響應方面的研究相對較少且滯后。因此，本研究選取4 個常見的木薯品種作為試驗材料，分析不同氮源（無氮、硝態氮、銨態氮）處理對不同木薯品種生理特性的影響，利用基因型差異開展木薯種質對不同氮源吸收偏好性的研究，致力于優異種質資源篩選及品種的遺傳改良，同時，也能在生產上為木薯的針對性氮源施肥提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料選取‘CH16’、‘SC16’、‘SC205’、‘17Q’等4 個木薯品種作為供試材料，其中‘CH16’和‘17Q’為國外引進品種，‘SC205’為國內主推品種，‘SC16’為‘SC205’和國外引進品種‘Q10’的雜交品種。木薯種莖均來自于中國熱帶農業科學院生物技術研究所澄邁基地。栽培基質為椰糠與貧營養土的混合物（V椰糠∶V貧營養土= 1∶1.5）。

1.2 試驗地概況試驗地點為海南大學農學試驗基地（35°41′N，109°43′E），該地區為熱帶季風性氣候，年均溫度為23～29 ℃，年平均降水量在2 000 mm 左右，年平均日照時數2 000 h 以上（來源于海南省氣象局，http://hi.cma.gov.cn/）。試驗田面積約為16 m2，在實驗田中起壟，按照品種進行木薯種莖種植，每2 天澆1 次水，不額外施肥，待木薯生根且根系生長到10～15 cm 后移栽至裝有栽培介質的營養缽（規格：9 cm×9 cm×32 cm）中以便后續試驗。

1.3 試驗設計試驗周期為40 d，木薯處于幼苗期。參考已有的木薯高低氮處理相關研究[10-11]，木薯施用營養液的正常氮素投入量一般認定為3～5 mmol·L-1，因此，本試驗設置營養液的濃度為3 mmol·L-1。共設置3 個不同的氮源處理：減氮均質處理（-N）、硝態氮均質處理（3 mmol·L-1NO3-）、銨態氮均質處理（3 mmol·L-1NH4+）；其余營養元素按照H.C 阿夫道寧營養液配置（NaH2PO4·H2O 0.0633 g·L-1，Na2HPO4·12H2O 0.0633 g·L-1，KCl 0.110 g·L-1，CaCl20.2327 g·L-1，MgSO4·7H2O 0.3433 g·L-1）[12]。木薯幼苗移栽后，每2 天澆1 次水，5 d 澆1 次營養液。

1.4 項目測定及方法樣品采集與形態指標測定：將木薯從土壤中取出后，輕輕抖落根系附著的泥土，用卷尺對木薯株高進行測量；隨后，分別取木薯的根、莖、葉，裝入已寫好標記的牛皮紙袋中，取完樣品后即刻對根、莖、葉進行質量測定；測定完成后，將莖和葉暫放冰箱保存，對根進行根系掃描，掃描儀器為 EPSON Expression 12000XL（USB）。待掃描完成后，將所有樣品放進烘箱，先105 ℃殺青40 min，再于80 ℃下烘至恒重，烘干后的樣品立刻進行質量測定和氮含量測定。

木薯氮含量測定：準確稱取已殺青并烘干打碎的木薯各部位樣品0.1000 g 于消煮管中，用濃H2SO4-H2O2消煮法進行消化，最后采用納氏試劑比色法測定溶液吸光度[13]，計算各部位氮素含量。其計算方法分別為：氮積累量等于氮含量乘以干質量；木薯各器官氮素分配比例等于該木薯各器官的氮素積累量除以植株氮素積累量再乘以100%；氮素生理利用效率（NPUE）等于干物質重除以氮積累量；氮效率系數（NEC）等于缺氮均質處理下全株氮素積累量除以硝態氮（銨態氮）均質處理下全株氮素積累量。

1.5 數據處理使用Excel 2021 進行匯總作圖，使用SPSS Statistics 23 進行差異性顯著分析。

2 結果與分析

2.1 不同氮源處理對4 個木薯品種幼苗生長情況的影響如圖1-a 和圖1-b 所示，NO3-和NH4+處理后，4 個木薯品種的整體長勢均優于-N 處理。其中，NH4+處理下的‘17Q’和‘SC205’的生物量增加最顯著，而‘CH16’和‘SC16’在NO3-處理下生物量高于NH4+處理，說明外施氮源能夠顯著促進木薯生物量的累積，并在不同品種間存在偏好性。

圖1 不同氮源處理對4 個木薯品種幼苗生長情況的影響

結合圖1-c 和圖1-d 分析，在NH4+處理下，‘17Q’株高增加，根冠比變大，從而導致生物量顯著高于-N 處理，說明‘17Q’的地上部和根系是同步增長；而‘SC205’株高和根冠比與-N 處理相比沒有差異，但是生物量最大，結合形態特征分析發現，生物量增大的原因是葉面積和根面積同步增加。有趣的是，‘SC16’的生物量在-N 處理與2 種氮源處理之間沒有顯著性差異，說明‘SC16’在幼苗期對施氮響應不敏感，或具有較高的耐低氮能力。

2.2 不同氮源處理對4 個木薯品種幼苗根系形態的影響根系的發育情況會影響整個植株的生長狀態，根系從土壤中吸收養分，并傳送到莖葉等部位，供給植株地上部的生長，而地上部長勢良好有利于植株根系的發育。通過根系掃描對4 個木薯品種的總根長、平均根莖、總根表面積、總體積等進行測定，結果如圖2 所示。從圖2 可知，NO3-處理能夠促進‘CH16’和‘SC16’根長、根表面積和根體積的增加，NH4+處理能夠促進‘SC205’和‘17Q’根長、根表面積和根體積的增加，但這種促進作用均不顯著，可能是由于氮濃度差異不大造成的；不同氮源處理對4 個木薯品種的平均根莖沒有顯著的影響，最大的根莖為0.68 mm，最小的為0.57 mm。以上結果表明，外加氮源對木薯根系發育的促進作用是通過增加根系的長度和分支來實現的，根系直徑沒有顯著變化；4 個木薯品種中，施加NO3-有利于‘CH16’和‘SC16’的根系發育，施加NH4+有利于‘SC205’和‘17Q’的根系發育。

圖2 不同氮源處理對4 個木薯品種幼苗的根系形態的影響

2.3 不同氮源處理對4 個木薯品種幼苗（根莖葉）氮含量的影響如圖3-a、圖3-b 和圖3-e 所示，-N 處理后，‘CH16’和‘SC16’根、葉及全株的氮含量顯著低于NO3-處理和NH4+處理，2 種氮源間比較，‘CH16’和‘SC16’的全株總氮含量沒有顯著性差異，說明，外施氮源施能夠促進‘CH16’和‘SC16’氮含量的累積，但2 種氮源間無顯著差異；從圖3-c和圖3-e 可知，相比于NO3-處理，‘SC205’葉的氮含量要高于-N 處理和NH4+處理，在莖中的氮含量低于-N 處理和NH4+處理，在根中的氮含量高于NH4+處理，略低于-N 處理，單株總氮含量顯著高于-N 處理和NH4+處理，說明，施加NO3-有利于‘SC205’氮含量的累積；從圖3-d 和圖3-e 可知，-N 處理后，‘17Q’根和莖中的氮含量均低于NO3-處理和NH4+處理，在葉中的氮含量遠高于NO3-處理和NH4+處理，分別為NO3-處理和NH4+處理的1.62 倍和2.39 倍，全株總氮含量顯著高于NO3-處理和NH4+處理，表明‘17Q’是一個耐低氮品種，在-N 條件下葉片的氮含量高，根中的氮含量低，根系吸收的氮素優先轉移到葉片中，促進葉片的生長，可能是對低氮脅迫的一種應對策略和適應機制。整體來看，3 種不同氮源處理后，4 個木薯品種各部位的氮含量從大到小依序為葉、莖、根，表明根系吸收的氮素大部分轉移到了葉中，少部分轉移到了莖中。

圖3 不同氮源處理對4 個木薯品種幼苗氮含量的影響

2.4 不同氮源處理對4 個木薯品種幼苗氮積累量和各器官氮素分配比的影響從表1 可知，-N 處理后，‘SC16’、‘SC205’、‘17Q’的總氮積累量顯著高于‘CH16’，表明‘CH16’是一個低效吸收品種；‘CH16’的總氮積累量遠低于NO3-處理和NH4+處理，但NO3-處理和NH4+處理之間不存在顯著性差異，表明，氮源的差異對‘CH16’的氮積累量沒有顯著影響，且‘CH16’是一個不耐貧瘠的木薯品種；‘SC16’的總氮積累量從大到小依序為NH4+、NO3-、 -N，其中根和莖的氮素分配比例最大的皆是NO3-處理，分別為22.23%和9.16%，葉的氮素分配比例最大的是NH4+處理，為80.5%，表明NH4+處理促進‘SC16’氮素向葉片的轉運；‘SC205’的總氮積累量從大到小依序為NH4+、NO3-、-N，且不同處理間差異顯著，NH4+處理是-N 處理和NO3-處理的2.75 倍和1.54 倍，相比于NO3-處理，NH4+處理莖的氮素分配比更大，根和葉的氮素分配比略小，表明，‘SC205’是一個喜銨品種，且銨態氮能夠促進‘SC205’莖的生長；‘17Q’的總氮積累量從高到低的順序為NH4+、NO3-、 -N，不同處理間無顯著性差異，根部和莖部氮素的分配比從大小的依序為NH4+、NO3-、-N，葉片氮素的分配比相反，從大到小依序為-N、NO3-、 NH4+，表明缺氮條件下‘17Q’吸收的養分會優先供給葉片生長，正常氮條件下，會優先供給根系生長；整體來看，不同氮源處理下4 個木薯品種各器官的氮積累量高低順序均為葉、根、莖，表明氮源的差異不影響木薯營養分配的優先順序。

表1 不同氮源處理下4 個木薯品種幼苗的氮積累量和各器官分配比

2.5 不同氮源處理對4 個木薯品種幼苗氮效率系數和氮素生理利用效率的影響氮效率系數可反映不同木薯品種耐低氮脅迫能力，氮效率系數越大說明該品種耐低氮脅迫能力越強。從表2 可知，無論是NO3-處理，還是NH4+處理，4 個木薯品種的氮效率系數大小排序均為‘17Q’、‘SC16’、‘SC205’、‘CH16’，說明‘17Q’和‘SC16’的耐低氮脅迫能力相對較強，是氮高效品種，‘SC205’和‘CH16’的耐低氮脅迫能力相對較弱，是氮低效品種。在氮素生理利用效率方面，-N 處理后，‘CH16’和‘SC16’的氮素生理利用效率高于另外2 個品種，施氮后的NPUE，除‘17Q’外，其他3 個品種均下降，2 種氮源間的NPUE 差異不顯著；‘SC16’和‘SC205’的氮素生理利用效率從高到低的排序均為-N 、NH4+、NO3-，‘SC16’對2 種氮源的NPUE差異不顯著，而‘SC205’對銨態氮的利用顯著高于硝態氮；‘17Q’的氮素生理利用效率從高到低的排順序為NH4+、NO3-、-N，也是對銨態氮的利用效率高于硝態氮。

表2 不同列的不同小寫字母表示4個品種不同處理間的差異顯著（P＜0.05）。

3 討 論

在農業生產中，外施氮肥只有30%～50%能夠被作物利用，剩余的都流失在土壤中，對環境造成污染，從而造成氮素利用效率（NUE）很低。在不同品種的木薯中，對硝態氮和銨態氮的氮素利用效率存在一定的差異，進而影響到木薯的根系發育，有研究表明，養分高效品種的根系比低效品種的根系發達[14]，這與本試驗的結果一致?！甋C205’在NO3-處理下的總氮積累量和氮素生理利用效率均小于NH4+處理，單株氮含量卻大于NH4+處理，表明‘SC205’對硝態氮的氮素利用效率較低，對銨態氮的氮素利用效率相對較高。本研究中，‘SC205’和‘17Q’的總氮積累量和氮素生理利用效率經NH4+處理后相對較高，而NO3-處理后相對較低，即銨態氮的氮素利用效率相對較高而硝態氮的氮素利用效率較低，其中‘17Q’對2 種氮源的吸收能力沒有顯著差異，且是4 個品種中氮效率系數最高的品種，表明是耐低氮能力最強的品種。相反，‘CH16’對硝態氮和銨態氮的利用效率無顯著差異，耐低氮能力最弱；有研究表明，通過施肥提高土壤養分含量能夠提高氮素在根部的分配而降低葉片的氮素分配[15-16]，本試驗中‘CH16’恰恰相反，-N 處理后，其總氮含量和根中分配比例顯著低于‘SC205’、‘17Q’、‘SC16’，而在根莖中的分配比例分別為25.05%和19.51%，高于其他品種，即吸收的氮截留在根系的比例較高，轉運到地上部的效率較低，表明‘CH16’不耐貧瘠，在-N 條件下的氮吸收能力較弱，吸收的氮素優先供給根系生長?！甋C16’在-N 條件下的氮吸收能力最強，對施氮的響應不顯著，耐低硝能力僅低于‘17Q’，耐低銨能力與‘17Q’相當?？偟膩碚f，‘17Q’和‘SC16’的耐低氮脅迫能力相對較強，是氮高效品種，‘SC205’和‘CH16’的耐低氮脅迫能力相對較弱，是氮低效品種。

有研究表明，高銨對植物有毒害作用，而適量濃度銨的投入對植物的生長有促進作用，能夠增強植物的抗逆性，不同植物的耐高銨閾值也各不相同[17-18]，這與本試驗的結果一致，相比于-N 處理和NO3-處理，單獨的NH4+處理，對木薯的整體長勢有促進作用，主要表現為根冠比的增大、生物量的增加以及根系形態的發育，其中，‘SC205’的表現最為顯著。不同作物對硝態氮和銨態氮的喜好性差異很大[19]，如枳橙（Citrus×insitorum）、小麥（Triticum aestivum）等喜歡硝態氮[20-21]，而枇杷（Eriobotrya japonica）、檳榔（Areca catechu）幼苗等更喜歡銨態氮[22-23]。本試驗結果表明，同一作物的不同品種對硝態氮和銨態氮的喜好性也存在顯著差異，如‘SC205’和‘17Q’更喜歡銨態氮，而‘CH16’和‘SC16’對硝態氮和銨態氮則沒有明顯的偏好性，木薯的這一特性在其他作物中是否也是類似的情況值得研究。本試驗為后續發掘硝態氮（銨態氮）高效利用基因型中的相關基因及解析其機理，為其他作物氮素利用基因型差異的研究提供參考。同時，不同氮素氮效率的區分有利于木薯農業生產中針對性地進行施肥管理，氮素肥料指導和推薦。