不同外源氮素形态对紫花苜蓿根系的影响

康佳惠，梁秀芝，郑敏娜，韩志顺，陈燕妮

（山西农业大学高寒区作物研究所，山西大同037008）

紫花苜蓿（Medicago sativaL.）是一种优良的多年生豆科牧草，具有营养价值高、根系发达、适应强等优点[1]，在干旱半干旱地区被广泛栽培种植[2-3]。紫花苜蓿不但是畜牧业生产中不可或缺的植物蛋白资源，而且可以与根瘤菌共生固氮，为植株生长提供50%以上的氮素[4]，但在较贫瘠的土壤环境中，仅靠根瘤固氮远不能满足对氮素的需求，还必须施用氮肥。但是，根瘤固氮与外源氮之间存在对立统一的关系[5-6]，一方面施氮可以促进紫花苜蓿根区土壤养分的溶解，增加根区氮素的供应，提高根区微生物的数量，增强固氮能力；另一方面外源氮水平过高又会抑制其共生固氮效率[7]，因此，如何达到外源施氮量与其自身固氮能力的最佳组合，对紫花苜蓿植株的生长具有重要意义。

目前，研究结果表明，NO3--N 和NH4+-N 是根系利用的主要氮素形式[6]，植物对它们的吸收和生理代谢效率因二者的氮素形态不同而不同。研究发现，相比于单施硝态氮和铵态氮肥，混合氮肥对提高植株氮含量效果最好[8]；LINKOHR 等[9]的研究表明，与NH4+-N 相比，NO3--N 更有利于促进拟南芥根系表面积的增大；孙敏等[10]在小麦上的研究结果表明，与NO3--N 相比，NH4+-N 在促进根系生物量、根系活力方面效果更明显。苜蓿根系多属直根系[11]，其根系是植物吸收水分和营养转化的主要场所，通过控制氮肥的施用可调控根系的生长，提高其对氮素的吸收利用。虽然NO3--N 和NH4+-N 均能被紫花苜蓿吸收，但NO3--N、NH4+-N 和混合态在哪种浓度下更有利于紫花苜蓿的生长，还有待进一步的研究。

本试验采用盆栽方法，通过营养液控制氮素形态来研究硝态氮和铵态氮对紫花苜蓿根系生长的影响及各根系指标间的相关性，以期为紫花苜蓿合理的氮素供应提供参考。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试紫花苜蓿品种为牧歌37CR，由克劳沃公司提供。

1.2 试验设计

试验于2018 年5—8 月在山西省农业科学院高寒区作物研究所温室中进行盆栽试验，在直径30 cm、高40 cm 的花盆中装入沙壤土，每盆装土5.2 kg，浇透水，待没有水分淋出时开始试验。2018 年5 月18 日，每盆选取40 粒籽粒饱满的灭菌种子进行播种，播种后将花盆置于温室内，每天浇蒸馏水，直到紫花苜蓿的真叶完全展开，浇入营养液，每盆保留30 株。

试验选择3 种外源氮素形态，分别为：NO3--N、NH4+-N 和混合态氮（NO3--N∶NH4+-N=1∶1），参考冯博政等[5]的试验结果，设4 个质量浓度水平（0、100、200、300 mg/L），共10 个处理，分别记为CK（氮素水平为0）、NO3--100、NO3--200、NO3--300、NH4+-100、NH4+-200、NH4+-300、混-100、混-200 和混-300，每个处理重复3 次，完全随机排列。试验开始后，首先采用KNO3、（NH4）2SO4和Fahraeus 无氮植物营养液，按照孙建光等[12]的方法配制所需营养液，并将所配制的营养液pH 值调节为7.0；其次，试验期间为防止盆栽处理盐分积累，更换营养液前均先用蒸馏水进行淋洗，每个处理每隔7 d 补充一次相对应的营养液，补充量均为300 mL；最后，待苜蓿植株培养至50 d 时，选取每个处理的根部相同部位进行取样，并用蒸馏水清洗后测定各项指标。

1.3 测定指标及方法

取样后，首先将清洗后的各处理的根系置于万深LA-S 根系扫描仪（分辨率为600 dpi）中进行扫描，测定根系总长度、根平均直径、根表面积、根体积等参数；其次，将部分样品放入烘箱，105 ℃杀青15 min 后，于65 ℃烘至恒质量，冷却后称质量，即为根系的干质量；最后，将另一部分样品采用浓清洗H2SO4-H2O2消煮法[13]测定根系全氮含量。

1.4 数据处理

利用Microsoft Excel 2009 和SPSS 22.0 对数据进行统计分析，采用最小显著差异法（LSD 法）进行多重比较，显著水平为5%。

2 结果与分析

2.1 不同外源氮素形态对紫花苜蓿根系生物量的影响

从图1 可以看出，9 种施氮处理的紫花苜蓿根系生物量显著高于CK（P＜0.05）。同一氮素形态处理下，紫花苜蓿根系生物量随着施氮量的增加表现出增加的变化趋势。其中，NO3--N 和NH4+-N 处理下各水平间差异显著（P＜0.05），表现为NO3--300＞NO3--200＞NO3--100，NH4+-300＞NH4+-200＞NH4+-100，混-200 和混-300 处理下显著高于混-100。说明施氮可以促进紫花苜蓿根系生物量的增加，在氮质量浓度为300 mg/L 时更有利于根系生物量积累。同一氮素浓度水平下，混合态氮处理根系生物量最大，NH4+-N 处理次之，NO3--N 处理最低。混合态氮质量浓度为300 mg/L 时，紫花苜蓿的根系生物量达到最大值，混-300 较NO3--300 和NH4+-300分别增加了39.86%和8.10%。由此可见，施用混合态氮比单一形态氮更有利于紫花苜蓿根系生物量的积累。

2.2 不同外源氮素形态对紫花苜蓿根表面积的影响

从图2 可以看出，9 种施氮处理的紫花苜蓿根表面积显著大于CK。其中，混合态氮处理下各水平间差异显著（P＜0.05），表现为混-300＞混-200＞混-100。在NO3--N 处理下，紫花苜蓿根表面积随着氮素施用量的增加而呈递减的趋势。在同一氮素浓度水平下，不同氮素形态对紫花苜蓿的根表面积的影响表现为：混合态氮＞NH4+-N＞NO3--N。混合态氮质量浓度为300 mg/L 时，紫花苜蓿的根表面积最大，显著高于其他处理（P＜0.05），混-300 较NO3--300 和NH4+-300 分别增加了87.04%和25.08%，表明施用混合态氮比施用单一硝态氮和铵态氮更能促进根表面积的增加。

2.3 不同外源氮素形态对紫花苜蓿根平均直径的影响

从图3 可以看出，9 种氮素形态对紫花苜蓿根系平均直径的影响表现为随着氮素水平的增加而呈增大的趋势，其中，NO3--200、NO3--300、NH4+-300、混-200 和混-300 处理下显著大于CK（无氮处理）（P＜0.05），其余各水平间差异均不显著。同一氮素水平下，不同形态氮素对紫花苜蓿的根平均直径的影响差异不显著。

2.4 不同外源氮素形态对紫花苜蓿根体积的影响

由图4 可知，9 种施氮处理的紫花苜蓿根体积显著大于CK（P＜0.05）。同一氮素形态处理下，紫花苜蓿根体积随着施氮量的增加表现出增大的变化趋势，其中，NO3--N 和NH4+-N 处理下各水平间差异显著（P＜0.05），表现为NO3--300＞NO3--200＞NO3--100，NH4+-300＞NH4+-200＞NH4+-100。同一氮素浓度水平下，NH4+-N 处理根体积最大，混合态氮处理次之，NO3--N 处理最低。当NH4+-N 质量浓度为300 mg/L 时，紫花苜蓿的根体积达到最大值，显著大于其他处理（P＜0.05），NH4+-300 较NO3--300和混-300 分别增加了27.46%和10.91%。植物的根系体积越大，与土壤的接触面积就越大，对植物吸收土壤水分和养分越有利[10]。

2.5 不同外源氮素形态对紫花苜蓿根长的影响

从图5 可以看出，除了NH4+-100 和混-100 处理外，其余施氮处理的紫花苜蓿根长显著小于CK（P＜0.05）。同一氮素形态处理下，紫花苜蓿根长随着施氮量的增加表现出降低的变化趋势，其中，NH4+-N 处理下各水平间差异显著（P＜0.05），表现为NH4+-100＞NH4+-200＞NH4+-300。说明施氮影响紫花苜蓿的根长，而且根长随着施氮量的增加而逐渐减少。同一氮素浓度水平下，NH4+-N 和混合态氮处理下的根长显著高于NO3--N 处理。

2.6 不同外源氮素形态对紫花苜蓿根系全氮含量的影响

从图6 可以看出，9 种施氮处理下的紫花苜蓿根系全氮含量均显著高于CK（P＜0.05）。同一氮素形态处理下，紫花苜蓿根系全氮含量随着施氮量的增加而增加，其中，NO3--N 和混合态氮处理下各水平间差异显著（P＜0.05）。同一氮素浓度水平下，紫花苜蓿的根系全氮含量表现为NO3--N 处理下最高。当NO3--N 质量浓度为300 mg/L 时，紫花苜蓿的根系全氮含量达到最大值。

2.7 根系各指标的相关性分析

对紫花苜蓿根系的各指标进行相关性分析，结果表明（表1），根表面积与根平均直径、根系生物量呈极显著正相关（P＜0.01），相关系数分别达到0.773 和0.914，与根体积呈显著正相关（P＜0.05）。根系生物量与根表面积、根平均直径、根体积均呈极显著正相关（P＜0.01），与根系全氮含量呈显著正相关（P＜0.05）。

表1 各指标的相关性分析

3 结论与讨论

根系是植物吸收、转化和贮存养分的器官，植物的地上生物量直接受其生长发育状况的影响[11]。紫花苜蓿虽自身具有固氮功能，但其在种植第1 年根瘤数较少，且在这些根瘤中大部分属于无效根瘤，不能完全满足植株对氮素的需要，需补充外源氮肥。在实际生产中，当氮素不能满足苜蓿生长所需时，其植株地上部和根系生长都显著受到抑制[14]。本试验结果表明，添加氮素后，各处理下紫花苜蓿的根系生物量、根平均直径、根体积、根表面积、根系全氮含量均高于CK，这与张辰明等[15]、王树起等[16]、刘晓静等[17]的研究结果一致。此外，混合态氮处理下根系生物量和根表面积最优，NH4+-N 处理下次之，NO3--N 处理下最低；紫花苜蓿根体积和根长则表现为NH4+-N 处理下最优，混合态氮处理下次之，NO3--N 处理下最低，以上试验结果说明，2 种形态的外源氮素（NO3--N 和NH4+-N）均有利于促进紫花苜蓿苗期的根系生长发育，而且二者混合使用的效果更好，其次为NH4+-N 和NO3--N，苗期合理的施氮一方面可为根瘤的形成提供充分的营养物质，另一方面可为根系的生长发育补充氮素[18-20]。

氮素是对苜蓿根系发育最为显著的营养元素[17]，在本研究中无论是硝态氮、铵态氮还是混合态氮作用下，根系生物量、根表面积、根平均直径、根体积、根系全氮含量等指标都呈现出随着氮素浓度的增加而增大的趋势，且在混合态氮质量浓度为300 mg/L 时，根系生物量、根体积、根系全氮含量均达到最大值。结果说明，施用硝态氮和铵态氮对紫花苜蓿的根系生长发育均有促进作用，而且二者混合施用效果更好，当混合态氮质量浓度为300 mg/L时，紫花苜蓿根系生长最好。