矮化自根砧红富士幼树对土施15N-尿素的吸收、分配和利用

郑朝霞，王 颖，巩庆利，郑 伟，赵志远，翟丙年*，韩明玉

（1 西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨凌 712100；2 农业部西北植物营养与农业环境重点实验室，陕西杨凌 712100；3 西北农林科技大学园艺学院，陕西杨凌 712100）

氮是必需营养元素中限制植物生长和产量形成的首要元素，适量施用氮肥有利于果树对氮素的吸收利用，不但能增加叶片面积和叶绿素含量，提高光合速率，还能促进树体成花，提高座果率，增加产量和改善果实品质[1-4]。缺氮时，果树生长发育不良，产量降低；过量施氮，不仅导致树体营养生长过旺，加重落花落果及果实生理病害，还会降低氮肥利用率，造成环境污染[5-7]。

陕西是中国苹果生产大省，其产量和栽培面积均居全国首位，苹果产业已成为当地国民经济的支柱产业和富民产业[8]。目前，该区苹果生产中，氮肥投入过量与不足现象并存[9]，造成肥料的严重浪费与苹果产量和品质的降低。因此，研究苹果树的需肥规律对果园合理施肥及苹果生产至关重要。矮化密植栽培是未来苹果产业的发展趋势，矮化自根砧苹果树体的矮化性、整齐度、早果性均较优，但果树根系分布土层较浅且没有乔砧发达，对氮素营养的要求更高[10-12]。迄今为止，苹果氮素研究集中于乔砧和矮化中间砧[13-15]，而有关矮化自根砧苹果树体需肥规律的报道较少。本试验利用15N示踪技术，研究三个施氮水平下矮化自根砧红富士苹果幼树对氮素的吸收、分配和利用，旨在为矮化自根砧苹果园氮素优化管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2014年4—11月在陕西省杨凌现代农业示范国家苹果产业技术体系试验示范苗圃 (东经108°04′，北纬 34°16′) 的旱棚进行。试材为 2 年生M9-T337矮化自根砧红富士苹果幼树，品种为‘长富2号’。采取盆栽培养方法，试验用盆为塑料盆，内径36 cm、高30 cm。供试土壤为土，pH 8.3、有机质14.7 g/kg、全氮0.8 g/kg、碱解氮52.1 mg/kg、有效磷18.7 mg/kg、速效钾126.6 mg/kg。

选取长势基本一致、无病虫害的植株，于4月3日移栽入盆内，每盆装土22 kg，土壤含水量15.7%。试验土壤水分控制为田间持水量的55%～60%，用SWP-100型便携式土壤水势测定仪监测盆内土壤含水量。设置施氮 (N) 水平为0.1 g/kg土、0.2g/kg土和0.3 g/kg土 (简称N0.1、N0.2和N0.3)，每个处理重复三次，单株为一次重复，各处理随机排列，同时施入P2O50.2 g/kg土，K2O 0.1 g/kg土。氮肥由尿素和15N-尿素共同提供，磷肥和钾肥分别为过磷酸钙和硫酸钾，与土壤混匀装盆。待盆栽幼树长势稳定后，于5月20日每盆施入0.75 g15N-尿素 (上海化工研究院，丰度20.14%)，溶于水后均匀浇入盆内，施完覆一层薄土。

1.2 取样与测定

分别于春梢停长期 (6月23日)、秋梢停长期(8月25日)、养分回流期 (9月20日) 和落叶前期(10月23日) 进行破坏性采样，整株分为根、主干、新梢和叶片。样品按清水→洗涤剂→清水→1%盐酸→3次去离子水顺序冲洗后，105℃下杀青30 min，随后在80℃下烘干至恒重，不锈钢电磨粉碎后过0.25 mm筛，混匀后装袋备用。

样品经浓硫酸-过氧化氢消煮后，采用高分辨自动化学分析仪 (AA3，德国SEAL) 测定全氮。15N丰度在中国科学院水土保持研究所用稳定同位素质谱仪 (MAT253，美国Thermo公司) 测定。

1.3 计算及统计方法

计算公式如下：

Ndff (%) = [植物样品中15N丰度 -15N自然丰度(0.3663%)]/[肥料中15N丰度 -15N自然丰度(0.3663%)] × 100；

总氮量 (g) = 干物重 (g) × N%；15N 吸收量 (mg) = 总氮量 (g) × Ndff% × 1000；氮肥分配率 (%) = 各器官吸收的15N量 (mg)/15N 吸收总量 (mg) × 100；

氮肥利用率 (%) =15N吸收量 (g)/15N施用量 (g) ×100。

所有数据均应用SPSS 22.0进行单因素方差分析，LSD法进行差异显著性比较，应用Origin 9.0进行图表绘制。

2 结果与分析

2.1 施氮水平对树体生长的影响

由图1可见，矮化自根砧红富士苹果幼树生物量随生育期推移而增加。春梢停长期，N0.3水平树体干重最高，其次为N0.1水平。秋梢停长期，各施氮水平树体生物量已无明显差异。至养分回流期，N0.1处理树体总干重最大为99.7 g，分别比N0.2处理 (87.6 g) 和N0.3处理 (84.6 g) 提高13.7%和17.8%；落叶前期，N0.1处理树体仍保持较高生物量 (128.2 g)，为N0.2处理 (105.6 g) 的 121.4% 和 N0.3处理 (104.7 g) 的122.5%。同样，随生育期延长，氮肥施用对根系生长的影响逐渐显现出来。至秋梢停长期，N0.1处理和N0.2处理根系生物量显著高于N0.3处理。养分回流期，各处理树体根系干重较秋梢停长期均有显著增加，以N0.1处理根系生物量最多，达22.7 g，分别比N0.2和N0.3水平提高43.1%和30.1%。至落叶初期，N0.2和N0.3处理树体根系生物量与前期相比变化较小，N0.1处理根系干重显著增加了22.2%，分别为N0.2和N0.3处理的166.6%和145.3%，表明N0.1水平利于矮化自根砧红富士苹果幼树生物量积累和根系生长。

图1 不同生育期施氮水平对树体生长的影响Fig. 1 Effects of different N rates on growth of apple tree at different growth stages

2.2 施氮水平对植株各器官Ndff的影响

Ndff指植株器官从肥料中吸收分配到的15N量对该器官全氮量的贡献率，反映了植株器官对肥料15N的吸收征调能力[16]。由表1可知，从春梢停长期到养分回流期，植株根系、主干和叶片Ndff值明显增加，新梢Ndff值在春梢停长到秋梢停长期间增幅较大，吸收调运氮的能力逐渐增强，此后这些器官Ndff值变化较小。

春梢停长期，N0.1和N0.2处理新梢Ndff值最高，分别为4.8%和4.1%，其次为根系和叶片，三个处理主干Ndff值均最低，说明矮化自根砧红富士苹果幼树地上部新生器官 (新梢、叶片) 对15N的征调能力较强，贮藏器官 (根系、主干) 调用15N的能力较弱，也表明果树根系吸收的氮素先转运到贮藏器官，然后直接向新生器官中转移，为幼树新梢、叶片等器官构建提供所需的氮素，以保证树体正常生长发育。

秋梢停长期，各处理均以根系Ndff值最高，表明此时氮素向苹果幼树地上部的运输相对减弱，地下部根系对氮素的竞争力更强，吸收的氮素优先用于根系生长。从不同施氮水平来看，N0.1和N0.2处理树体根系和新梢Ndff值显著高于N0.3，N0.2和N0.3处理主干Ndff值显著低于N0.1，N0.1处理叶片Ndff值也高于另两个处理，可见N0.1水平利于苹果幼树对氮素的吸收。

养分回流期，N0.1各器官Ndff值均最高，其中根系Ndff值分别比N0.2和N0.3显著提高36.0%和43.6%，可知树体对氮的征调能力随施氮量的增加而减弱。至落叶前期，三个施氮水平根系Ndff值最高，分别为14.7%、12.6%和9.3%，而N0.1叶片Ndff值为7.0%，与前期相比下降24.3%。

2.3 施氮水平对植株各器官15N分配率的影响

各器官中15N占全株15N总量的百分率反映了肥料氮在树体内的分布及其在各器官间迁移的规律[17]。由表2和图2可知，春梢停长期至养分回流期，不同施氮水平下苹果幼树均表现为叶片15N分配率最高，表明至养分回流期叶片是树体最大的15N利用器官。

春梢停长期，果树新生器官 (叶片、新梢)15N分配率由高到低为N0.1＞ N0.2＞ N0.3，主干15N分配率由高到低为 N0.3＞ N0.2＞ N0.1，N0.1处理主干15N分配率分别为N0.2和N0.3处理的58.2%和56.1%，表明在N0.1条件下树体新吸收的氮素可更为迅速地转运至地上部，用于新生器官的建造。秋梢停长期，各施氮水平根系15N分配比例增大，N0.1主干15N分配率显著增加，其叶片15N分配率和N0.2、N0.3主干分配率均降低，说明至秋梢停长期，根系是较强的生长中心，树体吸收的氮素优先分配于根系，且N0.1处理树体叶片和N0.2、N0.3处理树体主干中的部分氮素也向根系转运。

表1 不同生长期植株各器官的Ndff (%)Table 1 The Ndff of different organs in different growth stages

表2 施氮水平对不同生长期植株各器官15N分配率的影响 (%)Table 2 Effects of different N rates on ratio of 15N partition in different organs

图2 不同生长期15N在苹果幼树各器官平均分配率Fig. 2 The mean 15N partition rates in different organs of apple tree

养分回流期，各处理根系15N分配率持续增加。随生长期推移至落叶前期，N0.1水平树体叶片15N分配率由56.5%下降为35.2%，根系15N分配率达33.8%，主干15N分配率较前期增加了13.2个百分点，N0.2和N0.3处理的根系和主干分配率也有所增加。N0.1处理叶片中的氮素约有37.6%回流到树体内，其他处理叶片15N分配率仍较大，表明当施氮量较低时，矮化自根砧红富士苹果幼树能将更多的氮素营养物质贮藏于根系和主干供翌年果树生长所需；过量施氮导致树体生育后期叶片生长过旺，反倒影响了养分向贮藏器官的回流。

2.4 施氮水平对植株15N利用率及各时期氮素吸收比例的影响

图3表明，春梢停长期至养分回流期，不同施氮水平树体15N利用率均随着生育期的延长而显著提高。春梢停长期，各施氮处理15N利用率均较低，N0.2和N0.3水平15N利用率分别为2.4%和2.5%，N0.1水平15N利用率为4.9%，显著高于N0.2和N0.3。与春梢停长期相比，秋梢停长期N0.1、N0.2和N0.3树体15N利用率显著提高，增幅分别为290.4%、593.4%和390.5%。养分回流期，各处理15N利用率由高到低表现为 N0.1(30.0%) ＞ N0.2(27.9%) ＞ N0.3(21.7%)。到落叶前期，不同氮素水平下树体对氮的吸收较少，与前期相比，树体15N利用率无明显变化。

图3 施氮水平对不同生长期15N利用率及吸收比例的影响Fig. 3 Effects of different N rates on 15N utilization rate and proportion of 15N uptake by apple tree at different growth stages

春梢停长期N0.1、N0.2和N0.3处理果树吸收的氮素分别占年生长周期氮素吸收的15.6%、8.7%和11.5%。春梢停长期至养分回流期，三个施氮水平下树体吸收的15N量所占比例分别达80.0%、90.2%和87.3%。可见，矮化自根砧红富士苹果幼树在春梢停长至养分回流期间吸收的氮素较多，氮肥利用率随施肥量的增加而降低，低氮水平利于树体对氮素的吸收利用。

3 讨论

根系作为果树吸收水分和养分的主要器官，根系的生长状况是影响果树氮素吸收的关键因素。春季果树根系明显吸收养分之前，苹果生长所需的氮素主要来源于贮藏氮[18-19]。随着生育期的推移，根系吸收的氮素在树体生长过程中起着越来越重要的作用。本研究表明，氮肥施入初期，由于果树缓苗和贮藏营养特性，至春梢停长期矮化自根砧红富士苹果幼树对氮素的吸收较少，树体各器官Ndff值均较低。在果树春梢停长至养分回流期间，根系活动旺盛，根系Ndff值和15N分配率有了明显提升，主干、新梢和叶片Ndff值显著增加，调运氮的能力增强，树体15N利用率也显著提高，此期吸收的氮素至少占果树年生长周期氮素吸收总量的80%。落叶前期，果树叶片中的氮素向树体贮藏器官回流，因此叶片15N分配率降低，而根系、主干和新梢15N分配率增加。本试验结果与赵林等[20]、韩明玉等[21]对乔砧嘎啦和矮化中间砧红富士苹果树氮素吸收、分配及利用特性的研究结果类似，树体内15N的转运和分配随生长中心的转移而转移。不同的是，在该试验条件下，果树生育后期树体根系Ndff值和15N分配率逐渐降低，可能是因为其试验材料为盛果期的苹果树，树体存在根冠交替生长现象，且到果实成熟，果实对氮的竞争力更强，而本试验研究对象为幼树，地上部梢叶生长势较弱，根梢交替生长不明显[22]。

苹果土施氮肥利用率较低，一般为25%～35%[23-24]。本试验中，三个氮水平下矮化自根砧红富士苹果幼树的15N利用率分别为30.0%、27.9%和21.7%，可看出果树对氮素的吸收并未随施氮量的增加而提高，仅在N0.1水平下表现出较高的氮肥利用率，与不同供氮水平下2年生红富士/平邑甜茶的氮素利用[25]结果一致。究其原因，可能是由于N0.1处理施氮量较低，能够提升根系中生长素含量，促进根系生长，增加根系数量、总长度和根表面积[26-27]，有效提高氮素吸收效率，进而利于整个树体生物量的累积，同时也与苹果幼树的生长量较小，低氮水平即可满足树体生长对氮素需求有关。N0.2和N0.3处理施氮量较高，土壤中氮素超出幼树生长需求，导致根系中生长素含量降低，并刺激细胞分裂素和乙烯的产生，抑制根系生长及氮转运蛋白基因表达[28-29]，不利于果树对氮素的吸收，而且试验土壤为石灰性土壤，通过氨挥发途径损失的氮量[30]也不可忽视，这可能是N0.2和N0.3水平下矮化自根砧红富士幼树氮肥利用率和树体生物量低于N0.1水平的主要原因。

施肥不仅影响果树对养分的吸收，养分在树体各器官的分配转运也有所不同。从本试验结果来看，在果树春梢停长期，N0.1水平下树体新吸收的氮素可更为迅速地转运至地上部用于新生器官的建造，可能是低氮条件下根系氮代谢能力较强，利于根内碳水化合物的合成和氮的吸收同化，促使氮素更快地向地上部运输[31]。叶片是植物进行光合作用的主要场所，春梢停长期至养分回流期，果树叶片15N分配率最高，与王富林等[32]、李晶等[33]在富士苹果幼树上报道的15N分配规律类似，表明该时期叶片是最大的15N利用器官，有利于幼树营养生长。秋季果树落叶前，叶片中的氮转运至根系、枝干等器官贮藏起来，是苹果氮素代谢的显著特征。李洪娜等[34]指出，苹果幼树叶片中有30%～40%的氮素回流至树体内。本试验结果显示，N0.1水平下叶片约有37.6%的氮素回流至树体内，而N0.2和N0.3水平由于施氮量较高，使得树体细胞分裂素积累量增多，延缓了叶片衰老[35]，阻碍了氮素向根系和主干等器官的回流，可能造成树体中更多的氮素随叶片脱落而损失，说明氮肥施用量影响秋季果树叶片氮的回流，低施氮量有利于幼树营养贮备。

由此可见，对于矮化自根砧红富士苹果幼树来说，低氮水平利于果树生长和氮素的吸收利用及贮藏。因此就矮砧果园氮素管理而言，生产中应适当控制氮肥的投入，根据果树需肥关键时期，合理施用氮肥，以满足树体不同生长发育阶段对氮素的需求，提高幼树的营养积累和果园氮肥利用效率，减轻肥料盲目施用给土壤、植株和环境产生的副作用。

4 结论

春梢停长期到养分回流期是矮化自根砧红富士苹果幼树氮素营养需求关键时期，吸收的氮素至少占年生长周期氮素吸收的80%，叶片等地上部新生器官是较大的氮素利用器官。N0.1水平能促进幼树营养生长，增强树体对氮的吸收征调能力，提高氮肥利用率，且利于贮藏氮的积累。

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