氮素水平对烤烟根系形态、结构及其氮素积累的影响

宗钊辉，田俊岭，王维，刘兰，曾涛，黄跃鹏，王军*

1 广东烟草烟叶生产技术中心，南雄 512400；2 广东省烟草南雄科学研究所，南雄 512400；3 华南农业大学，广州 510000；4 广东烟草韶关市有限公司，韶关 512000

烤烟是我国重要的经济作物，对促进国民经济发展和提高烟农收入水平有十分重要的作用[1]，随着烟农对烤烟产量期望值的提高，烤烟生态系统化肥投入量逐年增加，养分管理问题日益突出，成为制约烤烟产量和品质的关键点[2]。氮素是影响烟株生长发育和烟叶产质量最重要的营养元素[3-4]，根系作为烟株获取氮素营养的主要途径，对烤烟氮吸收能力尤为重要[5]。烟草属于易发不定根作物，茎基部的不定根是根系重要补充，高迟銮等[6]研究发现不定根的产生能使烤烟吸收更多的营养物质，加强烟株氮代谢能力，WANG等[7]研究发现根长密度与烟株获取氮素能力呈正相关关系，适宜的根系形态与结构是烤烟地上部旺盛生长与烤烟适产、优质的保障[8]。由于植物对土壤资源的反馈机制和生态适应策略，烟株根系形态与结构随土壤营养水平变化而发生动态调整[9-10]，前人研究表明，氮素的丰缺与种类对烤烟根系均有显著影响，氮素缺乏时，根干重及根冠比照明显增加，更多的营养物质流向根系，根系更为发达[11]，张玉宁等[12]研究发现配施硝态氮与铵态氮，根系的总长度与总表面积高于全部施用铵态氮，张春等[13]研究发现提高铵态氮施氮比例，不定根数量增加。基肥穴施是生产上常见的根区施肥方式，穴施的深度应考虑作物根系的结构与养分在土壤中的迁移规律，张磊[14]在对穴施复合肥土壤迁移规律研究中发现N、P、K在土壤中的迁移距离为9～14 cm，基肥穴施深度浅，烟苗肥害、烧根，穴施深度过深，烟株难以吸收肥料，长势较差，肥料利用率下降[15]。

不同生育期根系结构、空间分布与不定根数量对烤烟氮素吸收能力与施肥、追肥方式具有重要影响[6,8,15]，从而影响烤烟地上部生长发育，但关于氮素水平对不同生育期根系形态结构、不定根影响研究鲜有报道。本研究以“云烟87”为材料，通过设置不同氮素水平的盆栽试验，研究不同氮素水平下烟株根系形态、根系垂直分布、养分积累与分配差异，为合理施用肥料，提高烟株氮素吸收利用能力，实现烟叶优质适产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2019年在广东省广州市华南农业大学校内农场进行，供试烤烟品种为“云烟87”，试验用土取自农场试验田0～20 cm耕作层土壤，前茬作物为水稻，田土晒干、敲碎，捡去杂物，过40目筛备用，土壤的基本农化性状见表1。

表1 试验土壤基本理化性质Tab. 1 Basic physical and chemical properties of test soil

1.2 试验设计

利用自制直径50 cm、深55 cm 的PVC根箱，栽培基质为过筛田土，用孔径为1 mm 的尼龙网将栽培土壤分隔成4层（模拟自然土层），由上至下每层土厚10 cm，最后一层20 cm（见图1），最上层留空5 cm，便于浇水。设置高中低三个施氮水平8 g N/株（HNL）、6 g N/株（MNL）、4 g N/株（LNL），6 g P2O5/株，18 g K2O/株，氮、磷、钾肥采用分析纯硝酸铵、磷酸二氢钠和硫酸钾，肥料施用方式为穴施一次性基施，穴施深度为20 cm。每个处理20箱，3个重复，共180箱。按1.2 m × 0.6 m的株距进行摆盆，各处理随机区组排列，避免因光照、通风等环境因素造成误差。滴灌补充水分，在16:00—20:00进行浇水，滴灌速度0.5 L·h-1，根据天气与烟株水分需求，可以提高或降低滴灌速度，确保土壤全部浸湿，其他农艺操作与病虫害管理参考优质烟叶生产管理要求进行。

图1 栽培根箱示意图Fig. 1 Schematic diagram of cultivation root box

1.3 测定方法

1.3.1 生物量测定

不同生育阶段，整株挖出3株烟株，洗净后，把植株样品地上部与根系分离，根系部分把侧根与不定根分开，地上部叶与茎分开，装袋杀青30 min（105℃），之后降温烘干至恒重（65℃），计算干物质积累量。

1.3.2 氮积累量与积累强度

1.3.3 烟株根系形态、干重及活力测定

在团棵期、旺长期、现蕾期、成熟期取样，每小区选取代表性植株3株，整株挖出，根系用自来水清洗干净并用滤纸吸干表面水分，用WIN/MAC根系扫描仪进行观察，测定烟株最大根长、不定根数量与直径、一级侧根数量与直径，用甲烯蓝吸附法测定根系活跃吸收面积，用四氮唑（TTC）还原法测定根系活力。

1.3.4 烟株根系不同土层根长密度与根干重

根系取样采用土壤剖面法，在团棵期、旺长期、现蕾期、成熟期取样，每小区选取代表性植株3 株，以10 cm为一层进行取样，最后30～50 cm深处做一层取样，每层土壤装入40目网袋中，用低压水枪快速清洗干净，吸干表面水分，WIN/MAC根系扫描仪进行观察。计算根系不同土层的根长密度（RLD）、根干重，RLD=L/ V，L为根系长度，V土壤体积。

1.4 数据处理

数据分析和制图采用Excel 2010与SPSS 20.0等软件。

2 结果

2.1 不同氮素水平对烟株根系生长动态及活力的影响特征

表2结果显示，随生育期推进，根系最大根长与根干重均呈现逐渐上升趋势，根系活力呈先上升后下降趋势，在现蕾期达到最大值。在本实验施氮水平下，提高施氮量，烟株最大根长、根系活力下降，成熟期的LNL处理最大根长比HNL处理增加了18.77%，根系活力提高了17.47%，这可能是烟株在缺氮胁迫下根系的一种适应性表现。MLN处理总干重显著高于LNL，不同处理总根干重旺长期差异最大，MNL处理总根干重较LNL、HNL处理增加了22.63%、9.76%。从表2还可以看出，不同生育期间，氮素水平对根系生长影响不一致，团棵期对不定根数影响较大LNL较HNL增加了5.4条不定根，旺长期与现蕾期对根系活力影响较大，LNL处理根系活力较HNL提高了39.22%、43.30%。

表2 氮素水平对根系生长及活力的影响Tab. 2 The effect of nitrogen level on root growth and vigor

2.2 不同氮素水平下烟株根系特征类群分析

不同氮素水平下烟株根系特征和类群特征见表3。一级侧根根系直径均大于4 mm，平均长度均大于40 cm，直径与长度均大于不定根，但数量少于不定根。不同施氮水平间一级侧根数量差异不显著，减少施氮量，一级侧根平均直径显著减小，长度显著增加，与HNL处理相比，LNL处理一级侧根的平均长度增加了10.0 cm，平均直径减小了1.1 mm。烤烟不定根是指烟株茎上所发生的根，是烟株从土壤中获取养分与水分的重要途径，不同处理不定根直径均小于4 mm，不定根直径大多集中在 1～3 mm，LNL处理1～3 mm不定根数量占比达到了71.76%。减少施氮量，不定根数量、平均长度与活跃吸收面积显著增加，与HNL处理相比，LNL处理不定根数量增加了15.2条，长度增加了6.70 cm，不定根平均直径显著下降，LNL处理平均直径比HNL减少了0.27 mm。

表3 氮素水平对烟株根系类群特征的影响Tab. 3 Effect of nitrogen level on the characteristics of tobacco plant root group

2.3 不同氮素水平对侧根与不定根发育影响

不同氮素水平对侧根与不定根干重影响见表4。烟株不定根、侧根干重随生育期进行均呈增长趋势，不同处理在现蕾期-成熟期干物质积累量高于其它生育期，其中LNL处理侧根干重、不定根干重、总根干重分别增加了3.09 g、3.00 g、6.09 g，积累量占整个生育期的37.50%、56.28%、44.88%。不同生育期侧根与不定根干物质积累量占根系总干重比例无明显变化规律，不同施氮水平侧根与不定根所占比例存在显著差异，烟株进入旺长期，降低施氮量，侧根所占比例下降，不定根所占比例上升，在旺长期与成熟期差异较大，LNL处理不定根所占比例与HNL处理相比分别提高了5.50、7.17个百分点。

表4 氮素水平对侧根与不定根干重影响Tab. 4 The effect of nitrogen level on dry weight of lateral and adventitious roots

2.4 不同氮素水平下烟株根系的垂直分布

氮素水平对烟株根系垂直分布特征的影响见表5。不同生育期根系垂直分布特征存在显著差异，其中团棵期根系集中分布在0～10 cm、10～20 cm土层，旺长期主要分布在0～10 cm土层，在20～30 cm土层有较少分布，随着生育期推进，现蕾期与成熟期烟株根系在20～30 cm、30～50 cm分布较团棵期、旺长期有所增加，但根系分布仍以0～10 cm与10～20 cm土层分布为主，占比在70%以上。降低施氮水平，根系在0～10 cm土层根长密度与根干重呈下降趋势，HNL处理成熟期根长密度达到1.65 m·dm-3，比LNL处理提高了27.91%，根干重下降了1.57 g；降低施氮量根系在20～30 cm与30～50 cm土层分布占比增加，成熟期LNL处理在20～50 cm根重达到了3.53 g，占整个根系生物量的26.15%，比HNL占比高7.89个百分点，在20～30 cm与30～50 cm土层根长密度与HNL相比分别提高了38.09%、213.33%。

表5 氮素水平对烟株根系垂直分布特征的影响Tab. 5 Effect of nitrogen level on vertical distribution characteristics of tobacco roots

2.5 不同氮素水平对烟株生长过程干物质积累量的影响

不同氮素水平对烟株地上部干物质积累量的影响见图2。随着生育进程的推进，不同处理地上部干物质积累量都呈现上升趋势，其中高氮素水平的处理从团棵期到成熟期均保持了较高的干物质积累量，在成熟期达到最大值200 g/株，除团棵期外，随着氮素水平的升高，干物质积累量也逐渐升高，且处理间差异显著。

图2 氮素水平对不同生育阶段地上部干物质积累量的影响Fig. 2 Effect of nitrogen level on the amount of dry matter accumulated in aboveground part in different growth stages

2.6 不同氮素水平下烟株氮积累与分配

不同氮素水平下烟株及其各器官氮的积累与分配情况见表6。烤烟根、茎、叶器官氮积累强度表现为先上升后下降，在现蕾期氮积累强度达到最大，叶器官的积累强度高于茎与根器官，提高施氮水平，氮素积累强度增加，现蕾期HNL处理叶器官积累强度比LNL处理提高了78.50 mg · d-1；在根、茎、叶器官中，叶器官的氮总积累量最大，提高施氮水平，氮素积累量提高，至成熟期叶器官叶片积累氮素3662.81 mg。由表6还可以看出，MNL处理不同生育期的积累率均显著高于LNL、HNL处理，不同处理根、茎器官氮素积累量在成熟期差异显著，叶器官在现蕾期开始差异显著，不同氮素水平处理对叶器官氮素积累的影响早于根、茎器官。

表6 烤烟不同生育阶段氮吸收积累与分配Tab. 6 Nitrogen absorption, accumulation and distribution in different growth stages of flue-cured tobacco

2.7 不同氮素水平下烟株氮肥的利用效率

不同氮素水平烟株氮肥利用率见表7。降低施氮水平，烟株氮素农学利用率、偏生产力、吸收利用率、生理利用率上升，且处理间差异显著，LNL处理下，氮素的农学利用率、偏生产力、吸收利用率、生理利用率分别比HNL处理高了37.28%、54.07%、12.20%与22.29%；提高施氮水平，烟株收获指数有所增加，但处理间差异不显著。

表7 不同氮素水平烟株氮肥利用率Tab. 7 Nitrogen utilization efficiency under different nitrogen levels

3 讨论

3.1 不同氮素水平对烟株根系生长发育与垂直空间分布的影响

植物生长所需的氮素营养主要依靠根系从土壤吸收，土壤氮素缺乏，根系首先感知并通过调节其形态结构、根系氮素吸收能力等来适应不良环境[16-17]。本实验施氮量条件下，研究结果表明，随着施氮水平下降，烟株最大根系活跃吸收面积、根系活力呈上升趋势，总根干重随氮肥水平提高呈现先增加后下降趋势。对于易发不定根作物，不定根是除侧根外土壤营养元素吸收的主要器官，DING等[18]认为低氮胁迫能促进水稻不定根的发生，黄琰等[19]研究结果表明营养缺乏下诱导产生的不定根具有更强的营养吸收能力。本研究结果表明，降低施氮水平，侧根干物质所占根系干物质积累量比例下降，不定根所占比例上升，一级侧根与不定根直径呈下降趋势，不定根数量、平均长度与活跃吸收面积显著提高，提高了烤烟对土壤中氮素的获取能力。生产上，在烟叶团棵前的小培土与大培土完成时，会马上进行追肥，不利于不定根发生，黄琰[19]研究发现烟株茎基部不定根在湿泥土包裹 5 d后开始形成，为有效提高烟株不定根数量与营养吸收能力，可以将培土后的追肥时间适当推迟5 d。

根系的垂直分布特征体现了作物对地下不同土层营养资源的吸收利用能力，根长密度和根干重是衡量根系生长状况的两个重要指标 ，具有较大根长密度与根干重，根系与土壤接触面积较大，对养分的吸收具有更大潜力[20-21]。本研究结果显示，三个不同施氮水平在0～10 cm与10～20 cm土层根长密度与根重均显著高于20～30 cm、30～50 cm，随着土层深度的增加，烟株根长密度、根干重所长比例呈下降趋势，生产上在基肥使用过程中，结合养分的迁移能力与根系垂直分布特点，在穴施或条施基肥时深度不应超过24 cm，最佳深度为15 cm左右。随着施氮量降低，烟株在20～30 cm与30～50 cm土层根长密度呈上升趋势，根干重所占比例增加，低氮水平有利于提高根系下扎能力，生长后期20～50 cm土壤根系分布更多，烟株对深层土壤氮素获取能力提高。

3.2 不同氮素水平对烟株生长发育与各器官氮素吸收影响

缺氮条件下，作物通过调解自身根系结构，提高氮素吸收能力，但作物通过调节根系结构，氮素仍不能维持植株生长需要，植株含氮物质合成受阻，细胞的分裂和拉长受影响，导致地上部矮小、叶片变小、变黄，根系发育受阻，根系直径变小，根系干物质积累减少[22-24]。刘芳等[25]研究发现香蕉在前期缺氮后恢复供氮，刺激根系生长，显著增加了根系干物质质量，同时对地上部生长不影响，生产上通过调节施氮量与施氮时期控制胡萝卜的根冠比，以获取最大经济价值[26]，氮素对烟株碳氮代谢有重要影响，提高施氮量，叶片光合能力与光合产物积累量增加，烟株生物积累量显著提高[27-28]。本研究结果表明，HNL的烟株地上部干物质积量显著高于LNL处理，提高施氮量可以促进烤烟地上部生长发育以及产量的形成；不同氮素水平下，整个生育期内烟株氮积累强度均表现为叶>茎>根，表明叶片在氮素的吸收积累方面更有优势，氮肥对烤烟养分吸收的影响主要是通过形成较大的库以吸收更多的养分[29]。不同氮素水平间，HNL处理不同生育期根、茎、叶及全株氮素的积累量与积累强度均高于LNL处理，表明提高施氮水平促进了烟株对氮素的吸收与积累。根系与叶片氮积累强度在现蕾期达到峰值后开始下降，可能与烟株生长后期根系与部分叶片成熟老化，根系对氮素的吸收能力弱化，光合速率下降有关[30]，生产上在现蕾期前全部施完氮肥，可以提高烟株对氮肥的吸收与利用能力。

3.3 根系形态、生理特性对烟株氮素利用的影响

氮素利用率是衡量作物对氮素吸收利用能力的重要指标之一，优良的根系形态与生理特性对氮素利用有重要影响，氮高效作物在根系生物量、根系活力、总吸收面积、活跃吸收面积方面具有较大优势[31-32]。梁太波等[33]研究认为烟草较高的根系活力是烟草在低氮水平下具有较高的氮素利用率的重要原因，本研究中，LNL处理氮肥利用率显著高于HNL处理，这与不同施氮水平处理不定根数量、根系活力、根系活跃吸收面积结果一致，但HNL处理的收获指数大于LNL处理，提高施氮量，干物质更多的向叶片分配。

4 结论

本试验条件下，较低施氮水平（LNL处理）具有较高的根系活力、不定根数量与根系活跃面积，并且深层土壤（20～50 cm土层）根系更发达，在一定程度上提高了氮肥的利用率，但影响了烟株根系生物量积累与地上部氮素、干物质积累；施氮水平过高（HNL处理）获得了较高的干物质与氮素积累，但根系活力小，不定根数量较少，根直径较大（相同根系生物量下活跃吸收面积更小），根系构型不合理，根系在0～20 cm土层分布较大，导致烟株氮素利用率最低；适宜的施肥量（MNL处理）在满足地上部生长情况下，与HNL相比，根系结构与根系生理特性更为合理，提高了氮肥的利用率，为烟叶大田生产合理施肥提供了一定理论依据。