陈晓慧,许秀玉,付立勇,潘艳菊,冯 莹,蔡志全**
(1.佛山科学技术学院园艺系 佛山 528000;2.广东省林业科学研究院 广州 510173;3.广东省森林资源保育中心 广州 510173)
氮素在植物生长发育过程中起重要作用[1-2]。土壤中的铵态氮(NH4+-N)和硝态氮(NO3--N)是植物根系吸收的主要氮。不同种植物、不同功能类群植物(常绿和落叶乔木,落叶灌木和草本植物)根系对氮吸收的能力及其氮利用策略不同[3]。自20 世纪发现在受到强烈氮限制的特殊自然生态系统中(如极地苔原、北方森林和高寒草甸等),植物可直接从土壤中吸收小分子有机氮(尤其是氨基酸)以来[4],有较多关于植物吸收有机氮的研究。对于作物,有证据表明田间种植的小麦(Triticum aestivumL.)可直接从土壤中吸收甘氨酸[5]。最近,对大田种植油菜(Brassica rapaL.)的研究发现,无论何种施肥类型,土壤日晒所引发的土壤有机氮是提高油菜产量的关键组成部分之一[6]。无菌植物体外试验和盆栽试验也证实,特定的有机氮(即丙氨酸和胆碱)通过充当氮源和生物活性物质,直接增加了油菜的生物量。因此,在农业生态系统中,土壤中的有机氮在作物的生长和产量形成中起到了重要作用。但目前还不够重视土壤有机氮对作物的影响[7]。
植物获取利用氮素是一个复杂的过程,对不同氮形态的获取策略不是一成不变的,而是受到土壤营养状况[8]、季节和植物生长发育时期[9]的影响。植物可发展可塑的、多样化的氮获取策略,以满足其对氮素的需求。从营养学角度来说,作物的生长和繁殖(包括产量)由营养元素的吸收、转运、同化、再转运和再利用等所决定。作物本身的遗传特性(如,品种)和环境条件(土壤氮含量等)是影响氮素吸收利用的主要因素[1,8,10]。作物生长在动态变化的环境中,这要求我们从真实的田间环境中观察和理解植物以获取有价值的知识。
菠萝[Ananas comosus(Linn.) Merr.]是凤梨科(Bromeliaceae)具有景天酸代谢途径(CAM)的作物,是热带第三大水果。有研究表明,附生高大丽穗凤梨(Vriesea giganteaGaud)更偏好吸收和同化有机氮;而作为陆地生长的菠萝植株更偏好无机氮(如铵态氮)[11-12]。氮是菠萝最需要的大量营养元素之一,也是与果实重量和产量关系更密切的营养元素[13]。有报道表明,‘维多利亚’菠萝获得72 t·hm-2的果实,在整个生长周期内共吸收452 kg·hm-2的氮[14]。对盆栽‘巴厘’菠萝叶面淋施3 种形态氮素(硝态氮、铵态氮和酰胺态氮)的试验表明: 淋施硝态氮的菠萝幼苗的生物量最低;淋施铵态氮或酰胺态氮通过提高叶片中活性铁和叶绿素含量促进菠萝的生长,且铵态氮的促进作用优于酰胺态氮[15]。另外,不同菠萝品种的植株在不同生长阶段对营养元素的需求有显著差异[13,16-17]。植株的年龄对菠萝的营养需求有很大的影响[18]。但目前,有关田间菠萝根系吸收不同形态氮素的研究鲜见报道。
广东省湛江市是我国菠萝种植的最大区域,主要栽培的菠萝品种是‘巴厘’。‘台农17’菠萝是台湾省农业试验所选育的优良杂交品种。由于‘台农17’具有较好的果实品质,近年来有一定面积的栽培。为此,本研究通过田间原位使用15N 标记的试验,探讨‘巴厘’和‘台农17’两个菠萝品种植物的功能性状及其根系氮素获取的策略。拟回答以下科学问题:1)菠萝根系对不同形态氮素是否有显著的吸收偏好? 2)菠萝品种及生长阶段(树龄)对不同形态氮素的获取策略是否有显著影响? 研究结果预期为不同菠萝品种功能性状及其栽培管理措施提供相关的科学依据。
1.1 研究区概况和采样
本试验研究样地位于广东省湛江市徐闻县曲界镇华海公司海鸥农场十四队的菠萝种植区(109°52′E、20°13′N,海拔50 m)。研究区域为丘陵地区,土壤为砖红壤。该地属热带季风气候,年平均温度23.3 ℃;年降雨量约为1400 mm,7-9 月份降雨占全年的70%。
‘巴厘’和‘台农17’两个菠萝品种的吸芽苗(约30 cm)均按株行距30 cm 在大田种植,由华海公司进行常规管理。每个菠萝品种的生长周期内(即种植到收获前),施肥总量为: 尿素1500 kg·hm-2,复合肥(N∶P∶K=1∶1∶1) 2250 kg·hm-2。分别于种植后的第4 个月(尿素750 kg·hm-2、复合肥750 kg·hm-2)和第8 个月(尿素750 kg·hm-2、复合肥1500 kg·hm-2)分两次实施。
分别于2021 年4 月18-21 日和9 月14-16 日进行两个菠萝品种的植物样品采样,菠萝的年龄及其生长阶段的情况如表1。在采样的种植地,每种年龄菠萝的面积均大于3.3 hm2。为减小边缘效应的影响,所采样的植物和土壤样本均距离边缘15 m 以上。
表1 不同季节两菠萝品种的形态和生长特征Table 1 Morphological and growth traits of two pineapple cultivars sampled in different seasons
1.2 15N 稳定性同位素标记方法
选择铵态氮、硝态氮和甘氨酸态氮3 种氮素形态,配制3 种15N 标记溶液和同样来源的未含同位素标记的对照溶液。参照李常诚等[19]和Zhang 等[20]的方法,分别选择硫酸铵-15N、硝酸钾-15N 和双标记甘氨酸13C-15N 为15N 标记溶液,同时使用分析纯硫酸铵、硝酸钾和甘氨酸作为未标记对照溶液。每种标记液溶液均含有3 种形态氮的混合液,且只有一种氮素形态被15N 标记,混合液中每种氮素含氮量均为33 μmol(N)·L-1。对照处理溶液由相同浓度的3 种分析纯未标记物混合液配制而成。为了防止微生物转化氮素形态以及保持根系细胞膜的稳定性,溶液中添 加10 mg·L-1的盘尼西林和100 μmol(N)·L-1的Ca Cl2·2H2O。
分别在2021 年4 月18-20 日 和9 月21-23日,对试验取样地做如下相同处理: 每个品种随机选择5 株菠萝植株,在每株菠萝的东西南北4 个方位沿着根基部向外分别挖掘出一对细根(直径＜2 mm),保持根系处于原位状态及其完整性。用蒸馏水轻柔地将根系上的土壤冲洗掉,将盛有标记液的离心管压进相邻根系的土壤内,然后将根系小心放入溶液中。每个方位的一对根系分别放入同一种处理溶液中,一棵植株的4 个方位分别对应一种形态的氮素标记。2 h 后,剪下根系,先用50 mmol·L-1KCl 冲洗,然后用蒸馏水洗涤装袋。带回实验室置于70 ℃烘箱内烘干至恒重,然后称量,用球磨仪研磨至粉末状后,用MAT253 质谱仪测定氮含量和同位素15N/14N 比值。
1.3 测定方法
1.3.1 土壤氮素含量的测定
在进行15N 稳定性同位素标记试验的同时,采集不同年龄的菠萝样地表层土壤样品(0～15 cm)。在4 月,菠萝每个方位的土样混合混匀,3 个重复。9 月,为了降低测定费用,采集土壤混合为1 个样。
参照《中国环境保护标准全书: 2011.7-2012.12》中的HJ 634-2012 标准,采用氯化钾溶液提取-分光光度法测定土壤铵态氮、硝态氮含量,采用凯氏定氮蒸馏法测定土壤氨基酸态氮含量。
1.3.2 菠萝生长及根系形态特征的测定
利用卷尺直接在田间进行菠萝的株高测量。将菠萝植株连根整株挖起后直接称鲜重。成熟叶片中间部位(D 叶)叶片面积的测定采用方格法;放入烘箱105 ℃杀青1 h 后,在80 ℃下烘干至恒重后称取干重,并计算比叶面积(SLA=叶片面积/叶片干重)。
将取样植株的根系切割后先将根系上的土壤冲洗干净,再将样品放进70 ℃烘箱中烘干至恒重,用电子天平称量干重。同时,测定细根(直径＜2 mm)的平均直径和长度,以计算根系的比根长(SRL=总根长/干重)。
1.3.3 叶片元素含量和13C 稳定性同位素的测定
菠萝的D 叶全氮含量测定采用凯氏定氮法,全磷含量采用钼锑抗比色法,全钾含量采用火焰光度法[21]。每个元素重复3～4 次。
将菠萝D 叶的干样研磨后过筛,进行稳定碳同位素比值分析。叶片样品在Flash EA 2000 元素分析仪中高温燃烧后生成CO2,采用Delta V Advantage 稳定气体同位素质谱仪(ThermoFinnigan,German)通过检测CO2的13C 与12C 比率,并与国际标准物(Pee Dee Belnite)比对后计算出样品的δ13C 值。叶片δ13C 值计算: δ13C=(Rsa/Rst-1)×1000。式中,δ13C 是样品的碳稳定同位素比(‰),Rsa和Rst分别是样品和国际标准物的13C/12C 值。δ13C 测定精度＜0.1‰。
1.4 数据统计方法
植株根的氮素吸收速率及氮源贡献率计算: 氮吸收速率[μg(N)·g-1(DW)·h-1]=APE×根系干重(g)×根系氮含量(%)/根系干重(g)/标记物atom%15N/标记时间(h)。其中,APE 为标记根系的15N 原子百分超,即15N 标记过的根系减去对照根系15N 原子百分含量。氮源贡献率=所求氮源的吸收速率/3 种氮源吸收速率之和×100%。采用多因素方差分析方法评估品种、年龄和氮形态及其交互作用对测定指标的影响。通过Pearson 线性相关系数(r)分析氮素吸收速率与土壤性质和植物指标之间的关系。将P＜0.05 设为显著性差异的水平。利用Levene 方法检验数据的正态分布及方差异质性,分别采用SPSS 20.0 和Graphpad Prism 8.0 软件进行数据分析和作图。
2.1 两个菠萝品种植株形态和生长特征
从表1 可知,‘巴厘’菠萝的收获期(20 个月)比‘台农17’菠萝(16 个月)的长。在4 月份的果实收获时期,与‘巴厘’相比,‘台农17’植株高度、单株生物量(鲜重)和比叶面积无显著差异,但根生物量和单个鲜果重量显著低于‘巴厘’ (P＜0.05)。在4 月份,品种×年龄的交互作用对根的生物量和比叶面积有显著影响(P＜0.05),但对植株生长(株高和植株鲜重)均无显著影响。菠萝的生长阶段(营养生长期vs 果实收获期)对株高、单株生物量和根的生物量存在显著影响(P＜0.01),但对比叶面积没有影响。
在9 月份营养生长阶段,菠萝品种对单株生物量、根生物量和比根长有显著影响,而品种间的株高和比叶面积没有差异。菠萝的年龄对株高、比叶面积和比根长无显著影响,但显著影响单株生物量和根生物量(表1)。
两菠萝品种叶片的K 含量最高,其次是N,P 含量最低(图1)。在4 月份或者9 月份,品种、年龄及品种×年龄的交互作用对叶片N 含量均无显著影响。但品种对叶片P 含量在两个季节中均有显著的影响(P＜0.05),‘台农17’比‘巴厘’的叶片P 含量高(P＜0.05)。在每个季节中,品种对叶片K 含量无显著影响;4 月品种×年龄的交互作用及9 月年龄对叶片K 含量有显著的影响P＜0.05);且9 月年龄较小叶片的K 含量比年龄较大的高。
图1 不同季节两个菠萝品种不同生长时期叶片N、P、K 含量Fig.1 Leaf N,P and K contents of two pineapple cultivars in different stages sampled in different seasons
两个菠萝品种的叶片δ13C 值为-15.16‰～-13.28‰(图2)。4 月不同菠萝品种间叶片δ13C 值有显著的差异(P＜0.05),‘台农17’的叶片δ13C 值比‘巴厘’高;但菠萝的年龄和品种×年龄的交互作用对叶片δ13C 值均无显著影响。在9 月份,菠萝的品种、年龄以及品种×年龄的交互作用对叶片δ13C 值均无显著影响。
图2 不同季节两个菠萝品种不同生长时期的叶片δ13C 值Fig.2 Leaf δ13C values of two pineapple cultivars in different growth period sampled in different seasons
2.2 两个菠萝品种土壤中不同形态氮的含量
两菠萝品种土壤硝态氮含量较低(4.84～11.51 mg·kg-1),但氨基酸态氮的含量较高(189.32～856.82 mg·kg-1) (表2)。与9 月份采集的样本相比,4 月采集的土壤中铵态氮和氨基酸态氮含量较高。
表2 不同季节两个菠萝品种不同生长时期的土壤不同形态氮含量Table 2 Contents of different nitrogen forms in soils of two pineapple cultivars in different stages sampled in different s easons mg·kg-1
2.3 两个菠萝品种在不同季节对不同形态氮的吸收
菠萝品种对氮素吸收速率在两个季节均有显著的影响(P＜0.01) (图3)。总体而言,‘台农17’比‘巴厘’的氮吸收能力要强。在4 月或者9 月,两个菠萝品种对铵态氮的吸收速率最高,对硝态氮的吸收速率最低。且无论在4 月还是9 月,不同氮形态的吸收速率显著不同(P＜0.001)。两菠萝品种都偏好吸收铵态氮,其次是氨基酸态氮,对硝态氮吸收速率最低。
图3 不同季节的两个菠萝品种对不同形态氮的吸收速率Fig.3 Uptake rates of different nitrogen forms in two pineapple cultivars sampled in different seasons
从图3 可知,4 月,菠萝的年龄显著影响氮素的吸收速率,在营养生殖阶段(5 个月和8 个月,苗期)的氮吸收速率比生殖阶段(20 个月和16 个月,果期)高。但品种×年龄、品种×氮形态和年龄×氮形态的交互作用对其无显著影响。9 月,菠萝的年龄和各因子的交互作用对氮素的吸收速率无显著影响。总体而言,两个菠萝品种在4 月对3 种形态氮的吸收速率基本高于9 月。
两个菠萝品种在4 月及9 月份,3 种形态氮吸收对根系总氮吸收的贡献率均为: 铵态氮＞氨基酸态氮＞硝态氮(图4)。其中,铵态氮的贡献率为36.8%～64.6%,氨基酸态氮的贡献率为23.2%～47.1%,硝态氮的贡献率为9.1%～31.5%。对于两个菠萝品种的植株,随着年龄的增长,铵态氮贡献率逐渐增大,而氨基酸态氮贡献率逐渐减少。
图4 不同形态氮对不同季节两个品种菠萝总氮吸收的贡献率Fig.4 Contribution rate of different nitrogen forms to total nitrogen uptake in two pineapple cultivars sampled in different seasons
不同季节和年龄下,不同形态氮素吸收与土壤氮含量都没有显著的线性相关性(图5)。对于所测定植物的性状,不同形态氮素吸收与植物性状的线性相关性不显著(表3)。
图5 不同菠萝品种和年龄下土壤不同形态氮含量与氮素吸收速率的相关性Fig.5 Correlation analysis between soil nitrogen contents and N uptake rates by root across different pineapple cultivars and plant ages
表3 菠萝功能性状与氮素吸收速率的相关性Table 3 Correlation between plant traits and N uptake rates of pineapple
与陈菁等[18]和Maia 等[13]的研究结果一致,本研究中选择的两菠萝品种叶片均表现为K 含量最高,P 含量最低。两个菠萝品种的叶片δ13C 值为-15.16‰～-13.28‰,在CAM 植物的碳同位素范围之内[22]。叶片δ13C 值常被用来表征植物叶片的长期水分利用效率[22]。在4 月,‘台农17’的叶片δ13C 值比‘巴厘’高,说明其水分利用效率更高。与‘巴厘’相比,‘台农17’菠萝生长周期更短,其强的氮吸收能力有助于其将氮分配到地上叶片,以促进光合作用,从而维持植株的生长。另外,快速生长的植物能够通过调节根际土壤微生物的养分循环来维持其自身养分获取和生长[10]。但从依靠根和微生物之间的相互作用来获得养分(氮和磷元素)和促进生长的角度,不同菠萝品种间是否存在显著差异还有待于进一步研究。
作物吸收利用土壤氮素能力受本身遗传特性及各种环境条件(如,土壤能提供的有效氮源)等多种因素控制,其涉及的植物性状包括影响氮吸收的根系性状和氮利用的地上部性状[2,23]。一般而言,根系氮吸收速率与细根比根长和比根表面积呈正相关,与根生物量、表面积和平均直径呈负相关[22]。另一方面,土壤氮有效性等外在因子也显著影响根系氮吸收[8,23]。本研究中,两个菠萝品种的氮素吸收速率与农田土壤含氮量或者植物功能性状均无显著性相关,说明菠萝在适应氮形态时空变化的生境过程中,并不是调整氮素利用策略而是优先利用土壤中的优势氮形态。特定根系功能性状对土壤营养和水分的觅食和获取存在一定程度的权衡关系[24],从而可能导致菠萝植物功能性状与氮素吸收速率之间的关系比较复杂。虽然存在许多不确定性,但是基于植物资源获取策略和功能性状的理论框架将有助于理解菠萝氮吸收策略[25]。
随着植物年龄的增加,根系形态和生理会发生变化,从而更好地进行根系觅食。植物的年龄会影响根系氮素吸收利用的策略,如随林龄增加,青藏高原东部云杉(Picea asperataMast.)利用的主要无机氮形态由硝态氮逐渐转变为铵态氮[20]。李常诚等[19]对亚热带杉木[Cunninghamia lanceolate(Lamb.) Hook]不同年龄(幼龄、中龄林和成熟龄)的研究发现,中龄林对铵态氮的吸收速率最低,而成熟龄杉木对硝态氮的吸收速率最高。而高山农业生态系统的禾本科植物在早期生长阶段偏好铵态氮,后期则偏好硝态氮[19]。在农作物中,甜椒[Capsicum frutescensL.var.grossumBailey.]在苗期根系更多吸收铵态氮,而在盛果期需求更多的硝态氮[26]。本研究中,在4 月,年龄对菠萝氮素吸收有显著的影响;处于营养生长阶段的菠萝植株比果实收获时期的氮吸收速率高。这可能由于相对较小的植株体内氮储量较低,氮需求高[18],处于旺盛营养生长阶段的菠萝植株需要快速吸收氮,从而利用内部资源进行叶片发育[13]。果实收获期的大植株具有更多的氮储存,而对外界的氮需求缓慢[13,16]。但9 月处于营养生长阶段的菠萝样本中,不同菠萝年龄(10～15 个月)对氮素吸收无显著影响,说明在营养生长阶段相对较小的菠萝,年龄的差异不足以对其氮吸收速率产生显著影响。与陈菁等[15]盆栽‘巴厘’菠萝小苗叶片淋施3 种形态氮素的试验结果一致,本研究中大田种植的两个菠萝品种在两个季节都偏好吸收铵态氮,其次是氨基酸态氮,对硝态氮吸收速率最低。这可能是根系吸收硝态氮相对于其他氮形态要消耗更多的能量[12,23],两个菠萝品种在不同生长阶段的根系都对硝态氮的吸收偏好性最弱。另外,两个菠萝品种植株随着年龄的增长,吸收的铵态氮贡献率逐渐增大,而氨基酸态氮贡献率逐渐减少。这可能由于叶面积的增加,叶片微生物对有机氮的吸收有较大的贡献[27-28],从而导致根系吸收氨基酸态氮的减少。
与‘巴厘’相比,‘台农17’菠萝生长周期更短,但其单株植物的果实重量较小。两个菠萝品种均偏好铵态氮的吸收,对有机氮也有较强的吸收能力。处于营养生长阶段的菠萝植株比果实收获时期的氮吸收速率要高。不同菠萝品种和生长阶段都是影响植物氮素获取策略的重要影响因素。今后需要结合不同菠萝品种的发育阶段及生理状况,深入研究地上/地下生物和非生物因素综合作用对菠萝氮素吸收和利用的影响,利用多组学技术揭示菠萝氮形态利用策略的生理学和分子生物学机制,为菠萝的高产、氮素高效利用提供理论依据和栽培调控技术措施。
致谢本研究得到华海公司海鸥农场和中国热带农业科学院南亚热带作物研究所欧雄常先生提供的帮助,谨表谢意!
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