不同氮素形态配比对甘薯块根形成及光合产物运输分配的影响

李成阳，柴沙沙，刘 意，王连军，雷 剑，张文英，杨新笋*

（1．长江大学农学院，湖北 荆州 434025；2．湖北省农业科学院粮食作物研究所/湖北省甘薯工程技术研究中心/粮食作物种植创新与遗传改良湖北省重点实验室，湖北 武汉 430064）

甘薯（Ipomoea batatas）是世界上重要的粮食、饲料及工业原料作物，中国是世界上最大的甘薯生产国，甘薯因其独特的营养成分和功能特性，近年来成为研究热点［1］。作为典型的无性繁殖为主的块根类作物，甘薯扦插后10 d根系开始分化，茎基部长出不定根，不定根分化增粗膨大为膨大根，在30 d左右块根分化基本建成，不定根分化方向取决于所处的环境条件［2］，其中氮素营养起关键作用［3］。

植物能够吸收利用的氮素形态为硝态氮（NO3--N）、铵态氮（NH4+-N）和酰胺态氮［CO（NH2）2-N］［4］3种，但不同植物对氮素形态的选择和氮素利用分配具有一定差异［5］。在不同氮素形态对块根形成的影响方面，有研究认为，铵态氮可以改变根系结构，促进侧根的形成［6］，而硝态氮和酰胺态氮对植物块根发育的影响尚无相关报道。前人在不同氮素形态对植物光合产物运输分配的研究中发现，氮素形态几乎影响光合作用的各个环节，包括影响叶片叶绿素含量、光合速率以及光呼吸等［7］，铵态氮可促进不同生育阶段根系氧化和叶片光合速率［8］，而硝态氮和酰胺态氮可增加块根中可溶性糖含量［9］。从前人的研究结果中发现，单一形态氮素对植物生长发育具有一定影响，因而在生产中针对植物的类型和用途将氮素形态按照一定比例配施，以达到提高产量和改善品质的目的［10］。目前，关于氮素形态及配比对甘薯块根形成及光合产物运输的影响尚缺乏系统研究，针对不同类型的甘薯对氮素形态吸收、利用和转化是否存在差异，尚无相关文献报道。鉴于此，本研究以3个甘薯品种为供试材料，将氮素形态按照不同比例配施，采用盆栽试验进行块根分化建成期根系，形成构成因素和光合产物运输的对比分析，探究氮素形态及配比对甘薯块根形成及光合产物运输机制的影响，为甘薯生产中合理配肥提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本研究于2020年在湖北省武汉市洪山区湖北省农业科学院试验基地盆栽场（30°29′N，114°18′E）进行，属江汉平原东部，长江中游。试验区属北亚热带季风性气候，该地年平均气温15.8～17.5℃，年降水量1150 ～1450 mm，降雨主要集中在6～8月，≥10℃积温4500～5400℃，年无霜期为211 ～272 d。供试土壤为泥炭土，pH值5.70，有机质17.60 g/kg、碱解氮33.97 mg/kg、有效磷29.42 mg/kg、速效钾323.98 mg/kg。

1.2 试验设计

本研究盆栽试验采用两因素裂区设计，品种为主区，以3个生产上主栽且具有代表性的食用型品种“鄂薯11”（E11）、紫薯“宁紫薯8号”（N8）和淀粉加工型品种“鄂薯15”（E15）为供试材料；氮素配比为裂区，设5个氮素配比处理，不同处理见表1。基施且均配以24 g/m2的钾肥（K2O），供试肥料铵态氮肥料为碳酸氢铵，硝态氮肥料为硝酸铵钙，酰胺态氮肥料为尿素，常规管理。本试验盆栽试验的试验盆钵上口直径21 cm、底部直径15 cm、高27 cm。每个处理15盆，每盆栽植长势大小相对一致的秧苗1株，置于室外，装土6 kg，土壤经自然风干、过筛去杂称重后装盆。

表1 氮素形态配比处理

1.3 取样方法

于秧苗栽植后15、25 和35 d取样，各选取长势一致、具有代表性的植株5株，清除杂质后将各时期取样的整株植株分为叶、茎、吸收根和膨大根4个部分，将主茎自功能叶所在位置至茎基部等分为两段，记作茎顶部、茎基部。将叶、茎、吸收根和膨大根分别称重，105℃杀青20 min，70℃下烘干至恒重，粉碎，保存于干燥通风处用于干物重、碳代谢产物和茎蔓蔗糖含量的测定，对功能叶测定叶绿素含量和净光合速率，剪取吸收根用于根系活力测定。

分别于栽秧后15 和25 d两个时期进行取样，进行块根分化过程的解剖学观察。将整株根系挖出、浸泡、流水缓慢冲洗，每株选取较粗的不定根3条，截取中间最粗部位约1 cm长度，放置于FAA固定液中保存用于石蜡切片制作。

1.4 测定项目与方法

1.4.1 叶片叶绿素及光合参数的测定

采用乙醇提取法［11］测定甘薯叶片叶绿素含量。使用LI-6400便携式光合仪测定系统［12］测定甘薯功能叶片光合参数，光合仪测定系统参数设定为：光照强度为12000 μmol/（m2·s），CO2浓度为380 μmol/mol，相对湿度为75%。选择光照充足且无风的天气，在9：00～11：00进行测定。

1.4.2 不同部位干物质积累量

各部位鲜样分开称重后烘干至恒重，称取样品干重，计算根冠比。

1.4.3 碳代谢产物含量的测定

不同部位碳代谢产物可溶性糖和淀粉含量以及茎蔓中蔗糖含量采用蒽酮比色法［13］进行测定。

1.4.4 根系活力的测定

根系活力的测定参照白宝璋等［14］的TTC法（甲醇浸泡法）进行测定。

1.4.5 根系解剖学观察

采用石蜡切片法，参照叶宝兴等［15］的方法，并利用番红和固绿染色。番红-固绿染色切片用以观察初生形成层的发育和薄壁组织细胞的活动。用NIKON MODEL ECLIPSE Ci-L型光学显微镜观察根系结构并拍照，采用Image-Pro Plus 6.0和人工计数测量量化指标。

1.5 数据处理

采用Excel 2016整理数据和制作图表，采用DPS 7.5进行数据分析，采用Duncan新复极差法检验进行处理间的差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同氮素形态配比对甘薯叶片光合特性的影响

2.1.1 不同氮素形态配比对甘薯叶片叶绿素含量的影响叶绿素是植物进行光合作用时必需的催化剂，不同形态氮素可明显提高叶片叶绿素含量。由图1可得，随着生育进程的推进，3个供试品种叶绿素含量变化均呈上升趋势，移栽后35 d叶绿素含量达到最高，N4和N5处理下叶绿素含量较高，N2和N3处理下叶绿素含量均相对较低。由氮素配比处理可知，N4和N5处理提供了较高比例的硝态氮和铵态氮，N2和N3处理提供较多的酰胺态氮，而无硝态氮肥配施，虽然N2处理提供较多的酰胺态氮，但由结果判断，酰胺态氮与叶绿素含量无明显相关性，硝态氮和铵态氮配施对叶绿素含量影响最大。

图1 不同时期处理对甘薯叶片叶绿素含量的影响

2.1.2 不同氮素形态配比对甘薯叶片净光合速率的影响

由图2看出，不同形态的氮素对叶片净光合速率的影响不同。在生长发育前期，随着时间推移，甘薯叶片净光合速率总体呈上升的趋势，N4和N5处理下的叶片净光合速率均保持较高水平，其中N4处理下叶片的净光合速率最高，N2和N3处理相对较低，此结果与氮素形态配比对叶绿素含量的影响一致，植物净光合速率的大小与叶片叶绿素含量密切相关，同一处理条件下，品种间差异明显，E11和E15的净光合速率显著高于N8。由氮素配比处理推断，N4和N5处理均具有较高含量的硝态氮和铵态氮，其中N4处理下的植株光合速率最高，推断甘薯叶片受硝态氮影响最大。

图2 不同时期处理对甘薯净光合速率的影响

2.2 不同氮素形态配比对甘薯光合产物运输及分配的影响

2.2.1 不同氮素形态配比对甘薯不同部位干物质积累量的影响

由表2可得，氮素形态促进甘薯不同部位干物质累积的程度不一，N5处理下E11和N8的叶片干物质积累量最高，N4处理下E15叶片干物质积累量最高，N2处理下3个品种的叶片干物质积累量均相对较低，叶片干物质积累量变化呈逐渐升高的趋势；N5处理下的茎基部干物质积累量相对较高，N2和N3处理相对较低。在生长前期，老茎的干物质积累量明显高于嫩茎，两个部位干物质积累量变化呈逐渐升高的趋势，在35 d时达到峰值，E11和E15的茎干物质积累量明显高于N8；甘薯在扦插后15 d时无膨大根，此时甘薯根部主要为须根，在25 和35 d，部分须根膨大形成块根，N4和N5处理下的须根和膨大根干物质积累量最高，N2处理下最低。在生长发育前期，须根干物质积累量变化呈先上升后下降的趋势，在25 d达到峰值，在25～35 d，须根干物质积累量下降，而膨大根的干物质积累量明显升高，3个品种须根的干物质积累量差异不显著，而E11和N8的块根干物质积累量明显高于E15；除N8和E15的N2和N3处理外，其他各处理根冠比均逐渐提高。以上说明，氮素形态配比处理对甘薯根冠比影响最显著的是本试验处理条件下的N4和N5处理。

表2 不同氮素形态配比下甘薯单株不同部位干物质积累量

2.2.2 不同氮素形态配比对甘薯不同部位淀粉和可溶性糖含量的影响

移栽秧苗后25 ～35 d通常被认为是块根分化建成期，该时期地下部块根开始膨大。施用不同形态氮肥对地下部淀粉和可溶性糖含量的影响不同（表3）。地上部叶片淀粉含量逐渐减少，其可溶性糖含量逐渐增加；茎顶部和茎基部的淀粉含量均逐渐增加，但茎顶部的可溶性糖含量有所上升，茎基部可溶性糖含量有所下降。总体上，N4和N5处理下甘薯各部位淀粉含量最高，N5处理下可溶性糖含量最高，N2处理下的淀粉和可溶性糖含量最低。以上说明，在生长发育前期，硝态氮和铵态氮配施对于提高甘薯地下部淀粉和可溶性糖含量效果优于酰胺态氮肥。2.2.3 不同氮素形态配比对甘薯茎蔓蔗糖含量的影响

表3 不同氮素形态配比下甘薯植株不同部位淀粉、可溶性糖含量 （%）

甘薯光合作用同化产物的主要运输形式是蔗糖，运输的主要通道是茎蔓。由表4可知，同一时期，甘薯茎基部蔗糖含量显著高于茎顶部，即茎顶部与茎基部之间存在明显的蔗糖浓度差，茎顶部蔗糖含量变化呈先下降后上升的趋势，茎基部呈持续上升的趋势，但两个部位的蔗糖含量均在35 d时达到峰值；N4和N5处理下的蔗糖含量相对其他处理较高，N2处理下相对较低。品种之间比较，N8的蔗糖浓度差最大，E15次之，E11最小，3个品种的茎顶部蔗糖含量无显著差异，但N8和E15茎基部的蔗糖含量明显高于E11，说明不同品种之间存在一定差异。

表4 不同氮素形态配比下甘薯植株茎蔓蔗糖含量 （μg/mL）

2.3 不同氮素形态配比对甘薯根系生长发育特性的影响

2.3.1 不同氮素形态配比对甘薯吸收根根系活力的影响

由图3可知，在生长发育前期，3个供试品种吸收根根系活力变化均呈上升的趋势，在移栽后15 d根系活力最低，在35 d根系活力达到峰值，不同处理对各生育期根系活力的影响达到显著水平。N4和N5处理下根系活力均保持较高水平，以N4处理下3个甘薯品种的根系活力最高，N2处理下E11和E15、N3处理下N8的根系活力最低。根据氮素配比处理，N4处理提供较多的硝态氮且无酰胺态氮配施，而N2和N3处理提供酰胺态氮但无硝态氮配施，推测甘薯根系活力可能与硝态氮的配施有关，与酰胺态氮无明显相关性，但铵态氮、硝态氮配施可明显提高甘薯根系活力。

图3 不同时期处理对甘薯吸收根根系活力的影响

2.3.2 不同氮素形态配比对甘薯秧苗栽植后15 d分化根形态特征的影响

图4为秧苗栽植后15 d各处理的分化根在4×10倍镜下的横截面图，分别用以观察初生形成层的发育、薄壁细胞的活动和导管木质化程度等。此时期初生木质部维管形成层薄壁组织分离，次生木质部形成，各处理均已产生次生木质部导管，各处理分化根木质部导管数目和薄壁细胞数目存在明显差异，以N2和N3处理次生木质部导管数目和薄壁组织的薄壁细胞数目明显低于其他处理，其中N2处理初生木质部分化不完全，N1、N4和N5处理之间差异不显著。

图4 不同处理对甘薯栽秧后15 d分化根根系形态特征的影响

表5 秧苗栽植后15 d分化根内部结构部分量化指标

2.3.3 不同氮素形态配比对甘薯秧苗栽植后25 d分化根形态特征的影响

图5为秧苗栽植后25 d各处理的分化根在4×10倍镜下的半横截面图，与秧苗栽植后15 d相比，栽植后25 d各处理分化根的中柱内部不断扩大，初生形成层位置渐向外移，出现次生形成层，各处理分化根中围绕维管束产生的次生形成层更多，分布区域更广。与前一时期相比，此时期初生形成层分裂的薄壁细胞更多，次生生长分生组织的分裂活动更加旺盛。3个品种在N4和N5处理下次生木质部分布更为分散，皮层变窄，维管束数目明显多于其他处理，而其他处理间差异不显著。

图5 不同处理对甘薯栽秧后25 d分化根根系形态特征的影响

表6 秧苗栽植后25 d分化根内部结构部分量化指标

3 讨论

3.1 不同氮素形态配比对甘薯生长前期叶片光合特性的影响

植物体内的氮素营养水平直接或间接地影响植物的光合作用，氮素不仅是植物叶绿素的一个重要组成部分，而且对植物光合作用中光反应和暗反应一系列酶的活性有重要影响［16］。唐忠厚等［17］研究发现，在不同生长期氮素形态在甘薯叶绿素合成上发挥效率不同，其中以铵态氮更有利于叶片叶绿素合成；唐晓清等［18］在对菘蓝的研究中发现，铵态氮、硝态氮和酰胺态氮配施均可以提高菘蓝叶绿素含量，其中以硝态氮对其的影响最为显著。而本研究结果发现，在同一生长发育时期，硝态氮和铵态氮配施可显著提高甘薯叶片叶绿素含量，而酰胺态氮对叶绿素含量的影响不明显，这与唐忠厚等［17］对甘薯叶片叶绿素含量的研究结果不完全一致，可能受材料、肥料用量和水分等因素的影响，在本试验条件下，N4和N5处理更能促进甘薯叶片叶绿素含量升高，进而促进叶片光合作用，表明不同形态氮素对甘薯叶片叶绿素含量的影响不同。

在光合特性方面，邱永祥等［19］研究发现，硝态氮对甘薯植株光合速率作用影响最大，铵态氮次之；而唐忠厚等［17］研究表明，施用铵态氮易促进甘薯叶片的光合作用，不同生长期铵态氮的光合速率与有效辐射都最高，酰胺态氮最低，且光合速率的大小与叶片叶绿素含量有一定关联。本研究发现，硝态氮对甘薯光合速率影响最大，铵态氮次之，酰胺态氮最低，这与邱永祥等［19］的研究结果相同，但与唐忠厚等［17］研究结果不完全一致，可能是由于甘薯品种或研究时期的不同引起的。在本试验不同处理条件下，净光合速率的大小与叶绿素含量具有相同的变化趋势，说明净光合速率的大小与叶绿素含量密切相关，以N4处理对甘薯叶片光合速率的影响最为明显，不同氮素形态营养导致的光合速率和光合过程的差异可能与甘薯对不同形态氮素同化和代谢过程的不同有着密切的联系。

3.2 不同氮素形态配比对甘薯生长前期光合产物运输及分配的影响

氮素能够增强甘薯的光合作用、加速有机物的转化和养分的积累［20］。植物地上部叶片进行光合作用，制造的光合产物是甘薯干物质形成和积累的物质基础，光合产物在不同器官间的分配存在竞争关系［21］。安霞等［22］研究表明，不同形态氮肥改变了甘薯的干物质分配，促进了叶片光合产物向根部的运输，3种形态氮肥都能促进甘薯干物质积累，其促进效果以铵态氮肥最为明显，硝态氮肥次之，酰胺态氮肥最低，铵态氮肥主要增加甘薯的数量，硝态氮主要提高单个甘薯质量，酰胺态氮则两种用途兼有。在其他作物的研究中，唐晓清等［18］发现，氮素处理能增加菘蓝叶与根的干重，其中以硝态氮对菘蓝的叶干重、根干重和根冠比的影响最为显著；Lima等［6］在拟南芥的研究中发现，铵态氮素可促进根系侧根分枝的形成。本试验研究结果发现，铵态氮和硝态氮配施对甘薯干物质积累、块根数和分枝数的影响最为显著，酰胺态氮次之，这与安霞等［22］的研究结果一致，说明铵态氮、硝态氮对甘薯干物质生产特征的影响贯穿整个生育期，酰胺态氮在甘薯生长发育前期对干物质积累影响的效果并不明显，因此，对甘薯在不同氮素形态水平下的干物质积累尚需要结合生育后期开展进一步研究。

甘薯主要的贮藏形式是淀粉，淀粉是薯块的主要成分，是决定甘薯产量的重要因素，而甘薯不同部位可溶性糖含量与淀粉积累速率有直接的关系［23］。唐忠厚等［17］研究发现，铵态氮处理提高甘薯块根淀粉率，酰胺态氮处理可增加块根可溶性糖含量；Si等［24］研究表明，在甘薯幼根向贮藏根分化的过程中，铵态氮处理没有引起淀粉含量的显著变化，酰胺态氮处理的甘薯贮藏根表现出相当高的淀粉含量；在其他作物的研究中，吴金芝等［25］在弱筋小麦的研究中发现，铵态氮处理下淀粉产量最高，淀粉糊化特性以硝态氮处理效果最好。本研究结果表明，氮肥处理可显著提高甘薯地下部淀粉积累量和蔗糖含量，其中以硝态氮和铵态氮配施效果更为显著，酰胺态氮处理次之，本试验条件下以N5处理效果更为明显，这与前人研究结果不完全一致，可能是由于本试验仅针对甘薯发育前期即块根分化建成期进行研究，并未对甘薯整个生育期进行相关研究。即生长前期施用不同形态氮肥，随着块根分化建成，块根部位的可溶性糖含量略有降低，淀粉含量不断积累，3种形态的氮肥对其促进作用各不相同，说明块根部位对不同形态的氮素具有不同的响应机制，要明确其响应机制，需要对整个生育期进行相关研究。

根据作物源-库理论，作物叶片源端的光合产物能否及时向产品器官库端转运与茎秆韧皮部的运输能力密切相关［26］，在生育前期，蔗糖能较快地从叶片被输送到块根促进淀粉合成［23］，蔗糖在茎的韧皮部内运输，其动力主要来自源库器官中蔗糖装载和卸载引起渗透势的变化而形成的膨压差［27］，当植物吸收的硝态氮被铵态氮取代时，钾的吸收显著降低，引起渗透势的降低，从而影响光合同化产物的运输［28］。柳洪鹃等［26］在甘薯的研究中发现，甘薯茎蔓基部的蔗糖含量高于顶部，即茎蔓基部与顶部之间存在明显的浓度差；苏亚拉其其格等［29］研究发现，硝态氮处理下，不同供氮浓度处理对马铃薯植株茎蔗糖含量无影响，而在铵态氮处理下，低浓度处理茎蔓蔗糖含量高于高氮处理。本试验研究发现，随着生育期的进程，甘薯茎蔓基部蔗糖含量高于茎蔓顶部，两个部位之间存在明显的浓度差，且茎基部蔗糖含量升高速率高于茎顶部，以本试验条件下的N4和N5处理茎蔓蔗糖浓度差最高，即铵态氮、硝态氮配施可明显提高茎蔓中的蔗糖浓度。因此，通过合理配施不同形态氮肥，提高茎蔓蔗糖的运输效率，保证源-库-流理论中流的通畅，促使源-库间形成较大的渗透压力，可促进光合产物的运输。

3.3 不同氮素形态配比对甘薯生长前期根系生长发育特性的影响

作物根系是吸收养分及水分的主要器官，同时也是产量形成和土壤养分的利用者，根系形态受到环境和基因的共同影响［30］，根系形态和活性影响氮肥的吸收利用速率，进而影响植株的生长发育、产量及品质形成［31］。史春余等［32］研究结果表明，施用3种形态氮肥都显著提高了甘薯各个生育时期吸收根的根系活力，与酰胺态氮处理相比，铵态氮和硝态氮处理的根系活力较高；在其他作物的研究中，刘晓静等［33］研究表明，不同形态氮素处理下紫花苜蓿的根系活力均显著高于对照，其中以铵态氮、硝态氮配施培养下效果最好，纯施铵态氮处理次之，纯施硝态氮处理最低。本试验研究发现，铵态氮、硝态氮配施处理下甘薯吸收根根系活力显著高于酰胺态氮处理，这与前人研究结果一致，结合本试验中不同形态氮肥对库端养分积累的情况进行分析，也说明了前期吸收根的活力强弱与随后光合产物的分配两者之间存在必然的联系，根系活力活跃持续时间增长，则对后期淀粉积累和吸收根膨大形成块根具有促进作用。

植物可利用的氮分为有机态氮和无机态氮两种形式，其中铵态氮和硝态氮是根系无机态氮素吸收的主要形态［34］。在块根分化建成期，氮素作为主要的营养因素，对根系的生长发育具有重要的调控作用［35］，氮素亏缺或过量均不利于甘薯块根的形成［36］。在甘薯对不同形态氮素吸收和利用的研究中，王翠娟等［37］从解剖和分子水平的研究发现，铵态氮素处理更利于不定根幼根向块根形成的根组织结构分化发育，在其他作物的研究中也发现，铵态氮会改变根系解剖结构发育，促进侧根分枝形成［6］。不同氮素形态水平下对甘薯根系细胞结构学方面的研究鲜有报道，在本研究中，N4和N5处理为铵态氮和硝态氮肥配施，其分化根根系形态结构中，可以明显观察到其木质部导管数目和薄壁细胞数目要多于其他处理，且其在块根膨大即分化建成后期由于其内部维管束产生的次生形成层增多，其皮层要明显比其他处理薄，在其他因素一致的情况下，配施不同形态氮肥，根系形态结构有明显不同，这也说明了铵态氮和硝态氮均可在甘薯根部同化，不同形态氮肥处理对甘薯根系解剖结构发育存在一定影响。由于本试验仅在块根分化建成期对分化根进行取样观察，对于研究不同形态氮素配比对甘薯根系整个生育期的影响机制存在一定的局限性。

4 结论

在甘薯生长发育前期，不同氮素形态配比对甘薯块根分化建成和光合产物的运输及分配影响显著。硝态氮肥和铵态氮肥对块根形成及光合产物运输的影响效应优于酰胺态氮肥，提高配施方案中硝态氮的比例可明显提高叶片光合速率和吸收根根系活力，铵态氮、硝态氮配施对叶绿素含量、干物质积累、碳代谢产物合成和茎蔓蔗糖运输有促进作用，酰胺态氮作用不明显。不同类型的甘薯品种对于氮素形态作用的响应存在差异，但其根系分化和光合产物运输及分配的变化趋势保持一致。在本试验条件下，N4处理即铵态氮∶硝态氮∶酰胺态氮=1∶2∶0的配施方案为甘薯生长发育前期块根形成及光合产物运输分配最佳的配施组合，由于本试验仅对甘薯生长前期进行研究，因此对于甘薯根系发育和光合产物运输分配的研究存在一定局限性，不同形态氮素配比对甘薯整个生育期的影响，还有待于进一步研究。