不同供氮水平下滴灌春小麦根系生理特性的变化

严银花， 祁静玉， 罗雪梅， 李彦旬， 蒋桂英

(石河子大学农学院，新疆石河子 832000)

氮是作物生长发育所必需的元素，在提高作物产量和改良品质方面充当着极为重要的角色，作物生产中氮肥的用量占肥料施用总量的60%左右，我国氮肥利用率仅有30%～40%，而世界平均水平达到了40%～60%，氮肥利用效率低，造成生产成本增加和环境污染的问题[1-3]。2008年以来，麦田滴灌技术因其节水、增产、省工等优势在新疆麦区得到迅速推广，滴灌小麦种植使得氮肥随水滴施，利用效率提升，但在栽培中仍然秉承着多施用肥料可得高产的观念，滴灌春小麦生育期施氮量一般在 300 kg/hm2左右[4-5]，甚至滴灌冬小麦生育期施氮量高达360 kg/hm2[6]，远高于长江中下游麦区的230 kg/hm2[7]。因而合理的氮肥供给有利于产量和利用率的同步提高。

根系会影响氮素的吸收能力，其吸收能力是小麦氮代谢的基础，直接关系到地上部分氮素的同化、运转以及氨基酸和蛋白质等的合成，小麦对氮素的吸收和利用作用与根系有较大的关联[8]。KAUR等的研究结果表明，硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶的活性与小麦氮素利用效率有着极为紧密的关联[9]。王小纯等研究认为，氮高效基因型小麦会由于较高的谷氨酰胺合成酶(GS)活性进而促进植株对氮素的吸收作用与同化作用以及整个氮代谢过程，使得氮素利用效率获得提升，且吸氮作用强的水稻体现为根系抗氧化本领强[10-11]。田中伟认为如今的小麦品种根系活力要强于以前的品种，同时根系有关酶活性有明显的提高，而丙二醛(MDA)含量明显降低，表明改进的品种提高了根系抗氧化能力，减缓了根系衰老的速度[12]。因此，可通过改良品种或栽培措施等方法来减慢根系衰老、提高根系生理活性进而提高小麦的产量[13-14]。

优良的根系生理活性是氮高效运用的关键因素，氮素供给程度对根系氮素吸收利用形成间接或直接的作用[15]。熊淑萍探究发现正常的供氮水平与适当降低供氮量相比，小麦根系活力、根系生物量、氮肥利用效率均会有所提高；增加供氮量，根系活力和产量均显著升高，而根冠比和氮肥生理利用率降低[16]。氮素亏缺影响冬小麦根系发育，不同阶段氮素亏缺根系活力和产量明显减小[17]。目前，关于不同施氮量对滴灌小麦地上部生长发育[18-19]、根系形态[17，19]和根系活力[20]的影响已有较多报道，但鲜见低氮胁迫下滴灌小麦根系氮代谢关键酶活性和根系抗氧化能力变化的研究，且很少有研究综合考虑小麦根系的生理特征与生物产量和氮肥利用率之间的关系。本研究通过选出2种不同的春小麦品种，在不同供氮水平下，分析滴灌春小麦根系氮代谢相关酶活性、根系抗氧化特性和根系活力的变化及其对氮肥的响应程度，以期为探明低氮栽培下增加春小麦产量和高效栽培提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设计

试验于2017年在石河子大学农学院试验站(地理坐标为44°20′N，88°3′E)进行。土壤为沙壤土，0～40 cm土层有机质含量28.4 g/kg，全氮含量1.3 g/kg，碱解氮含量71.3 mg/kg，速效磷含量 15.2 mg/kg，速效钾含量159 mg/kg，土壤容重 1.31 g/cm3、pH值7.5。

试验采用裂区设计，主区为氮素处理，副区为品种处理。生育期追施氮量(纯氮)设5个水平：N1(300 kg/hm2)、N2(275 kg/hm2)、N3(250 kg/hm2)、N4(225 kg/hm2)，N5(0 kg/hm2，对照)，品种为春小麦新春31号和新春6号。3次重复，小区面积为 12 m2(3 m×4 m)，各小区之间埋置100 cm深的防渗膜，防止肥料外移，试验地总面积360 m2。宽窄行种植，行距12.5 cm+20 cm+12.5 cm+15 cm，播量 345 kg/hm2。其中，生育期间灌水、施肥的时间和比例均按以下要求进行。不同处理整个生育期的灌水比例分别为2叶1心期、分蘖期各滴水10%，拔节期(5叶龄，6叶龄)各15%和20%，孕穗期20%，抽穗扬花期10%，乳熟初期灌水10%，乳熟末期灌水5%；施肥采取分次追肥，分别在2叶1心期和分蘖期各施10%，拔节期(5叶龄、6叶龄)各施20%，孕穗期施20%，抽穗扬花期施15%，乳熟期施5%。各处理均施P2O5120 kg/hm2、K2O 36 kg/hm2和纯氮的20%做基肥，剩余的80%纯氮随水滴施。

滴灌带配置采用“一管四行”，即每条滴灌带灌溉4行小麦，滴灌带放置在20 cm的宽行。滴灌管系北京绿源公司生产的内径15 mm内镶式滴灌带，设计滴头流量2.7 L/h，水表精确控制每次灌溉量，全生育期灌水6 000 m3/hm2，整个生育期灌水为9次，施肥7次，其他各项管理与大田生产相同。

1.2 供试根系采集及预处理

分别于拔节、开花、灌浆和成熟期用根钻采集小麦根系，土钻内径5.5 cm、高度20 cm。考虑到滴灌带的放置，每个处理采集5个点，其中，2个点在种植行上，3个点在行间(图1)，采集深度为80 cm，每 20 cm 为1个土层，按不同土层清洗根系，去杂后用冰袋保存迅速带回实验室，迅速放入液氮中速冻，于-40 ℃冰箱保存，用于根系酶活性或活力的测定。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 根系氮代谢酶活性的测定 分别于拔节、开花、灌浆和成熟期测定根系硝酸还原酶(NR)和谷氨酰胺合成酶(GS)活性，釆用Rajasekhar等的方法[21]测定NR活性，采用Zhang等的方法[22]测定GS活性。

1.3.2 根系抗氧化特性的测定 分别于拔节、开花、灌浆和成熟期取根系样品于液氮中速冻保存，用于MDA含量和超氧化物歧化酶(POD)活性的测定。按Tan等描述的方法[23]测定根系MDA含量和POD活性。

1.3.3 根系活力的测定 分别于拔节、开花、灌浆和成熟期从各处理根尖处取5 cm，采用改良TTC还原法[23]测定根系活力。

1.3.4 产量和氮素利用效率测定 于成熟期取 1 m2样段，人工收割，人工脱粒，自然晒干后称质量，实收计产。并取20个麦株测定千粒质量，晾晒至籽粒含水量为14%时测定籽粒产量。

氮肥农学利用效率=(施氮处理小麦产量-不施氮处理小麦产量)/施氮量[24]。

1.4 数据处理

使用SPSS 19.0软件进行相关分析，方差分析(ANOA)采用邓肯氏新复极差检验法(DMRT)，0.05 水平下检验差异。Sigma Plot 12.5作图。

2 结果与分析

2.1 根系氮代谢酶活性的变化

2.1.1 根系NR活性的变化 由图2可见，小麦根系NR活性随着生育时期推进呈先增加后减少的趋势，开花期达到最大值，且2个春小麦品种均表现为对照最低。不同供氮水平下新春31号根系NR活性表现为N2处理最高，N1处理次之，其次分别是N3处理、N4处理和N5处理，在开花期N2处理根系NR比N5处理、N4处理、N3处理、N1处理分别高40.8%、17.24%、7.62%、0.65%，且N2处理与N1处理之间无显著差别，但与N3处理、N4处理、N5处理之间有显著差别(P<0.05)。新春6号根系NR活性表现为N3处理>N1处理>N2处理>N4处理>N5处理，在开花期N5处理、N4处理、N2处理、N1处理下NR分别比N3处理高48.68%、20.18%、0.66%、0.70%，且N3处理与N1处理、N2处理之间无显著差别，与N4处理、N5处理之间达到显著差异(P<0.05)。在施氮量250～300 kg/hm2区间内增加氮肥的用量对NR活性影响不明显，且开花期新春6号N3处理根系NR活性比新春31号N2处理高16.12%。表明恰当地减施氮肥对于提高小麦生育中后期根系NR活性有积极作用，从而能够在小麦籽粒蛋白的合成和积累过程中起到主要作用，进而增加小麦的产量。

2.1.2 根系GS活性的变化 由图3可见，小麦根系GS活性的变动与NR活性的变化趋势一致，随生育时期推动呈先增加后减少的变化，开花期达到最大值，且2个春小麦品种均呈现出对照最低。不同供氮水平下新春31号根系GS活性与NR活性变化趋势相同，在开花期N2处理GS活性比N5处理、N4处理、N3处理、N1处理分别高27.13%、11.75%、7.06%、3.55%，且N2处理与N1处理之间无显著差异，与N3处理、N4处理、N5处理之间有显著差异(P<0.05)。根系GS活性与产量的关系是y=-121 089x2+157 614x-44 148，r2=0.99*。新春6号的根系GS活性呈现为N3处理>N1处理>N2处理>N4处理>N5处理，在开花期GS活性N3处理比N5处理、N4处理、N2处理、N1处理分别高35.3%、14.26%、2.09%、8.01%，且N3处理与N1处理、N2处理之间差别不显著，与N4处理、N5处理之间有显著差异(P<0.05)。根系GS活性与产量的关系是y=-45 797x2+69 647x-18 953，r2=0.98*。表明在施氮量250～300 kg/hm2下，增施氮肥对GS活性影响不明显，且开花期新春6号N3处理下根系的GS活性比新春31号在N2处理下高6.15%。

2.2 根系抗氧化特性的变化

2.2.1 根系POD活性的变化 由图4可知，小麦根系的POD活性随着生育期推进呈先增加后逐渐下降的趋势，2个春小麦品种均在开花期达到峰值，且N5处理(对照)明显低于其他处理。不同供氮水平下新春31号POD活性表现为N2处理>N1处 理>N3处理>N4处理>N5处理，开花期N2处理POD活性比N5处理、N4处理、N3处理、N1处理分别高31.83%、13.81%、8.52%、0.58%，且N2处理与N1处理之间无显著差异，与N3处理、N4处理、N5处理之间有显著差异(P<0.05)。新春31号根系POD活性与产量的关系是y=-1.339 9x2+471x-34 221，r2=0.99*。新春6号POD活性为N3处理>N1处理>N2处理>N4处理>N5处理，开花期N3处理比N5处理、N4处理、N2处理、N1处理POD活性分别低22.96%、10.49%、1.41%、2.13%，且N3处理与N1处理、N2处理之间差别不显著，与N4处理、N5处理之间差异显著(P<0.05)。新春6号根系POD活性与产量的关系是y=-1.334x2+496.79x-38 894，r2=0.96*。表明在施氮量250～300 kg/hm2下，增加氮肥用量对POD活性影响不明显，且开花期新春6号N3处理根系POD活性比新春31号N2处理高0.22%。证明适当地减氮减慢了根系的衰老。

2.2.2 根系MDA含量的变化 由图5可见，小麦根系MDA含量在拔节期至开花期增长平缓，开花后快速增长，到成熟期达到最大，且随着施氮量的增多，MDA含量并没呈规律性的变化，新春31号N2处理和新春6号N3处理MDA含量明显低于其他处理。不同供氮水平下新春31号根系MDA含量表现为N5处理最高，N4处理次之，其次分别是N3处理和N1处理，N2处理MDA含量最低，比N5处理、N4处理、N3处理、N1处理分别低16.80%、2.11%、1.21%、1.67%，N2处理与N1处理之间无显著差异，与N3处理、N4处理、N5处理之间有显著差异(P<0.05)。新春31号根系MDA含量与产量的关系是y=-1 393.9x2+8 711.5x-6 198.6，r2=0.99**。新春6号根系MDA含量N5处理比其他处理高，N3处理MDA含量最低，N3处理在开花期分别比N5处理、N4处理、N2处理、N1处理低 32.12%、10.66%、0.98%、1.46%，且N3处理与N1处理、N2处理之间差异不显著，与N4处理、N5处理之间有显著差异(P<0.05)。新春6号根系MDA含量与产量的关系是y=-70.82x2-492.66x+9 800.2，r2=0.96**。说明施氮量在250～300 kg/hm2下，增加氮肥用量会降低小麦根系MDA含量，且开花期新春6号N3处理根系MDA含量比新春31号N2处理低6.94%。

2.3 根系活力的变化

由图6可见，2个春小麦品种的根系活力在不同的供氮情况下变化情况相同，拔节期时最大，至开花期开始缓慢下降，之后迅速下降，且随着供氮量的增多，根系活力逐步升高。不同供氮水平下新春31号根系活力表现为N2处理最强，其次分别是N1处理、N3处理、N4处理，N5处理最弱，拔节期N2处理比N1处理高0.37%，N2处理与N1处理之间无显著差异，比N5处理、N4处理、N3处理分别高56.34%、8.98%、7.03%，与N3处理、N4处理、N5处理之间有显著差异(P<0.05)。根系活力与产量的关系是y=15.286x+2 503.5，r2=0.95**。新春6号根系活力表现为N3处理最强，其次是N2处理，N1处理比N4处理高，N5处理最低，拔节期N3处理比N5处理、N4处理、N2处理、N1处理分别高52.41%、8.67%、0.47%、0.72%，且N3处理与N1处理、N2处理之间在各个时期差别不明显，与N4处理和N5处理之间在各时期有显著差异(P<0.05)。根系活力与产量的关系是y=14.873x+2 388.7，r2=0.96**。说明在各种供氮水平下，2个品种小麦根系活力均以新春6号高于新春31号。拔节期新春6号N3处理根系活力比新春31号N2处理高8.08%。

2.4 产量和氮素利用率的变化

由表1可知，2个小麦品种均是N1处理施氮量最大，氮肥农学利用效率却较N2处理和N3处理低，说明较高的施氮量既浪费肥料，还对产量造成负面影响。同时表明，2个品种施氮量过高(N1)时，虽然也可获得较高产量但导致较低的氮素利用率，新春31号N2处理和新春6号N3处理施氮量虽不是最高却在一定程度上获得了较高的氮肥农学利用效率。

表1 不同供氮水平下滴灌春小麦产量和氮肥农学利用率的变化

3 讨论与结论

根系的生理特性对高效吸收和有效利用氮素影响较大，低氮条件下较好的生理活性是氮素被高效吸收利用的重要条件[25]。施氮量在一定范围内与根系生长呈正相关，施肥过多或过少都会影响根系生长，进而影响地上部的生长[24]。氮代谢过程中NR和GS是2种重要的酶，其活性在一定水平上反映了植株的营养状况和氮素转运[26]。本研究发现，不同供氮条件下的新春31号和新春6号根系中NR活性有所差别。新春31号根系NR活性表现为N2处理最高，N1处理次之，其次分别是N3处理、N4处理、N5处理，新春6号根系NR活性呈现为N3处理最高，N1处理次之，其次分别是N2处理、N4处理、N5处理，可看出供氮量在N2处理(275 kg/hm2)基础上增多，反而使小麦根系中硝酸还原酶的活性有一定程度的降低。2个品种小麦在全部生育期内NR活性变化是先增后减，开花期时达到峰值，之后逐渐降低，说明小麦根系中硝酸还原酶的活性反映着小麦衰老的进程，适当增加氮肥施用量，在生长发育过程中能一定程度地延缓小麦根系衰老的发生。本研究发现，不同供氮条件下的新春31号和新春6号，在各生育期，硝酸还原酶活性和谷氨酰胺酶活性的变化趋势大致相同，在生育进程中均是先增后减的趋势，各处理的峰值皆出现在开花期，且峰值最低均为N5处理(对照)。在施氮量0～250 kg/hm2下，小麦根系NR和GS活性随施氮量增加而有所增强。在低氮处理下小麦根系NR、GS活性均明显降低，且开花期新春6号N3处理(250 kg/hm2)根系NS和GS活性比新春31号N2处理(275 kg/hm2)分别高16.12%和6.15%。证明低氮处理下小麦根系NR、GS的活性均降低，耐低氮品种的降幅小于不耐低氮品种，即新春6号植株体内氮素代谢较旺盛，根系吸收利用氮素的能力较强，低氮胁迫下植株的NR和GS活性低于供氮正常的植株，随氮素营养水平的提高，NR和GS活性增强，这与前人的研究结果[27]一致。在施氮量250～300 kg/hm2下，增加氮素对NR和GS活性没有明显影响，意味着小麦根系NR、GS的活性并没有随着供氮水平的增加而增加，新春6号施氮量 250 kg/hm2，新春31号施氮量275 kg/hm2，滴灌小麦开花期根系NR和GS活性表现为最高。2个小麦品种在统一的供氮条件下，根系的NR和GS活性存在差别，说明小麦品种不同时，在不同供氮处理下的适应能力也会不同，也说明品种和小麦的生长有所联系。有研究表明，适宜的氮素供应可减轻活性氧对植物根系细胞质膜的伤害，增强根系的抗氧化功能，延缓衰老[28]。本研究发现，随着生育期的变化，新春31号和新春6号2个小麦品种根系中POD活性不断上升，到开花期出现单峰的最高值，开花期之后，根系POD活性开始下降，且在开花期新春31号N2处理(275 kg/hm2)，新春6号N3处理(250 kg/hm2)的根系POD活性最大，在施氮量250～300 kg/hm2下，增加氮肥用量对POD活性影响不明显，POD活性并不会随着施氮量的减少而明显下降，可能由于小麦生育后期，根系中起到保护作用的过氧化物酶不断产生，从而减缓了根系的衰老速度。但随着有害氧化物的持续增加，过氧化物保护酶活性也开始降低。小麦根系MDA含量在拔节期至开花期增长平缓，开花后迅速增加，到成熟期达到最大值，在施氮量250～300 kg/hm2下，增施氮肥明显使得根系MDA含量下降，且开花期新春6号N3处理根系MDA含量比新春31号N2处理低6.94%，表明新春6号的根系抗氧化能力更强，根系衰老速度减缓。有研究发现，在一定范围内恰当地施用氮肥能促进根系生长，减缓后期根系生长的速率，进一步提高根系活力[19]。张玉秋等研究发现施用适量的氮肥能促进玉米根系生长，从而促进地上部的生长发育，推迟玉米衰老[29]。本试验发现，小麦的根系活力会由于氮素的施用量减少而降低，而适量地增加氮素供给可以增强根系活力。在施氮量0～250 kg/hm2下，随着施氮量的增加滴灌春小麦根系活力逐渐升高，在施氮量250～300 kg/hm2下，增加氮肥施用量对根系活力作用不明显，说明小麦根系活力并不会随着供氮水平的增加而增强，新春6号施氮量是250 kg/hm2，新春31号施氮量是275 kg/hm2时，滴灌小麦拔节期根系活力最高。2个小麦品种在较高氮素处理下的根系吸收能力有所差异，新春6号的根系活力是新春31号的1.12倍。拔节期新春6号N3处理(250 kg/hm2)根系活力比新春31号N2处理(275 kg/hm2)高8.08%。说明氮素较多会提高新春6号的根系活力，但并不能增加新春31号的根系活力，即不同小麦品种间的根系吸收能力存在一定差异。同时说明过高的氮素供应对小麦的根系生长并没有明显的促进作用，反而浪费了资源。因此，在农业生产中应根据不同品种小麦对氮素的不同适应性，合理进行肥料的调控，提高小麦根系活力，使小麦对养分的吸收能力有所提高。

在我国小麦生产过程中氮肥施用过量然而增产效应不显著、较低的氮肥利用率及环境污染等问题仍未改善。因而，在确保小麦产量稳定的基础上，减少氮肥的施用有重要的实践意义。熊淑萍的研究结果表明，与广泛的施氮处理相比，恰当降低氮的供给量，小麦根系生物量、根系活力、氮肥生理利用效率升高；增加供氮量，根系活力和产量均显著升高，而根冠比和氮肥生理利用率降低[16]。本研究得出，通过施氮可以增加小麦的产量，改善其品质，而不同品种的小麦对不同水平氮肥的表现存在差别。新春31号施氮量是275 kg/hm2时增产效果最好，而新春6号施氮量以250 kg/hm2增产效果最好。有研究表明当小麦的施氮量在225～260 kg/hm2时小麦比较容易获得高产，当施氮量高于或低于最适施氮量时均会影响小麦的产量[30]。有研究总结出施氮量在0～300 kg/hm2下，施氮量增加产量会逐渐提高[31]。本研究2个小麦品种均是N1处理供氮最多，而氮素利用率却比N2处理和N3处理低，表明较高的施氮量既浪费肥料，还对产量造成负面影响。同时表明，2个品种施氮量过高(N1)时，虽然也可获得较高产量但导致较低的氮素利用率，新春31号施氮量275 kg/hm2和新春6号施氮量250 kg/hm2虽不是最高，却在一定程度上获得了较高的氮素利用率。氮素严重不足(0 kg/hm2)时会使根系生长受到抑制，根系活力下降，根系衰亡提前，从而对养分的吸收造成影响，导致产量降低。

本研究中不同施氮量下，新春31号施氮量达到275 kg/hm2、新春6号施氮量达到250 kg/hm2时根系生理特性表现最佳。进一步对滴灌春小麦根系生理特征指标与产量进行相关分析，研究表明NR、GS的活性和根系活力越强，产量越高，与上述三者不同的是产量随MDA含量的升高并非提高，反而有所降低。供氮量由225 kg/hm2增加至 275 kg/hm2时，籽粒产量和氮肥农学利用效率皆会随供氮量的增加有所提高，然而，当供氮量为 300 kg/hm2时，产量和氮肥农学利用效率并没有明显提升。因此，在考虑到生产成本问题和生态效益的情况下，将氮肥用量从300 kg/hm2减少至250～275 kg/hm2将更有利于新春31号和新春6号的高效生产，也更稳产、安全。新春31号和新春6号产量的提高，主要与在小麦生长期间提供了适量的氮肥有关。综合小麦根系的生理指标和产量关系得出最适氮肥施用量在250～275 kg/hm2，可达到高产与节肥目的，这一模式也体现了滴灌技术节肥高产的优越性。