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不同形態(tài)氮素施肥對小黑楊幼苗生長的影響

2018-06-23 03:44吳海波劉洋滎
植物研究 2018年3期
關(guān)鍵詞:甘氨酸精氨酸谷氨酸

張 爍 張 宇 吳海波 劉洋滎 張 鵬

(東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院,哈爾濱 150040)

氮素是生物合成氨基酸,蛋白質(zhì)及其他含氮有機物的大量營養(yǎng)元素,在植物的生命活動中發(fā)揮著極其重要的作用。土壤中的氮分為有機氮和無機氮,表土中90%的氮以有機氮形式存在[1]。經(jīng)典的“植物礦質(zhì)營養(yǎng)學(xué)說”認為,土壤中的有機氮必須經(jīng)過微生物的礦化轉(zhuǎn)化為無機氮才能被植物吸收利用,隨著同位素示蹤及分子生物學(xué)等新技術(shù)的發(fā)展,人們已相繼證實植物可以直接吸收土壤中以氨基酸類為代表的小分子有機氮[2~5],氨基酸類有機氮可以作為有效的環(huán)境友好型氮源[6]。

對于有機氮施肥的生長和吸收效應(yīng)研究過去多集中在生長周期短的農(nóng)作物上,近些年才開始研究有機氮對樹木的生長效應(yīng)?,F(xiàn)在已有報道證明在無菌條件下,氨基酸和多肽處理的植物,地下根系的生物量比地上部分所占的比重大[7~8]。Gruffman在此研究的基礎(chǔ)上,在溫室盆栽條件下,給挪威云杉(Piceaabies(L.) Karst)和歐洲赤松(PinussylvestrisL.)幼苗分別施無機氮肥和有機氮肥(精氨酸),發(fā)現(xiàn)在總生物量沒有差異的情況下,生長在有機氮源的幼苗有更大的根生物量和根莖比,然后再將這些幼苗移植在苗圃地中,生長在有機氮源的挪威云杉幼苗當(dāng)年的莖生長更高,有更好的大田表現(xiàn)[9]。他們認為有機氮在針葉樹苗木育苗中有巨大潛力,可以作為無機氮源的替代和補充[10]。

土壤中含有十幾種以上的自由氨基酸,不同物種對不同氨基酸的生長效應(yīng)也有很大差異[11]。在農(nóng)業(yè)的研究中,不同氨基酸對同一植物營養(yǎng)效應(yīng)差異很大,同一氨基酸對不同植物營養(yǎng)效應(yīng)差異也很大[12~13]。在樹木幼苗的研究中,郭亞芬等采用水培試驗,設(shè)置不同的有機氮肥(甘氨酸、谷氨酸、賴氨酸)供給落葉松(Larixolgensis)和紅松(Pinuskoraiensis),發(fā)現(xiàn)施甘氨酸和谷氨酸的苗木生長狀況好于施加賴氨酸的苗木[14~15]。

目前,氨基酸類有機氮對樹木生長的影響研究還十分有限,已報道的研究主要集中在生長緩慢的針葉樹種上,對于氨基酸類有機氮促進苗木生長的效應(yīng)是否具有普遍性還需要更多的研究加以證明。本文以北方速生闊葉樹種小黑楊(Populussimonii×Populusnigra)為對象,以其當(dāng)年生播種苗為試驗材料,通過對幼苗施用不同形態(tài)氮素及不同施氮量的處理,研究氨基酸態(tài)有機氮素對小黑楊幼苗生長的影響,驗證闊葉樹種對氨基酸態(tài)有機氮施肥的生長響應(yīng),同時為小黑楊苗期的合理施肥提供參考依據(jù)。

1 研究材料與方法

1.1 種子處理及育苗

試驗材料為小黑楊的當(dāng)年播種苗。小黑楊種子采自東北林業(yè)大學(xué)校園內(nèi)成年母樹上。小黑楊種子采集調(diào)制后,精選飽滿、均勻的種子,用5‰的高錳酸鉀溶液消毒浸種10 min,然后用去離子水反復(fù)沖洗多次直至去離子水清澈無色;將濾紙用去離子水浸濕后,平鋪至直徑為9 cm的培養(yǎng)皿中,將洗好的種子均勻擺放在濾紙上[16],在室溫(20℃)條件下發(fā)芽,待種子萌發(fā)后進行播種。

播種于5月下旬在溫室內(nèi)進行,播種容器選擇長寬高分別為9 cm×9 cm×12 cm塑料容器,生長基質(zhì)以草炭、河沙、圃地土按照體積比5∶3∶2的比例調(diào)配。每容器內(nèi)播種5粒種子,待幼苗長出兩片真葉后,挑選并保留長勢均勻、一致的幼苗(每容器內(nèi)僅保留一株),進行后續(xù)的施肥試驗。

1.2 施肥設(shè)置

(1)不同形態(tài)氮素及施氮量組合對小黑楊播種苗生長的影響。

氮肥選用有機氮(精氨酸)和無機氮(硝酸銨)兩種,總施氮量分別為低氮(12 mg·株-1)、中氮(24 mg·株-1)、高氮(48 mg·株-1)3個水平,以不施任何氮肥的處理作為對照,共計7個處理。每周施肥1次,共計施肥12周,每周每株低氮、中氮和高氮處理的幼苗獲得氮分別為1,2和4 mg。每個處理設(shè)置12次重復(fù)(即12株苗)。

(2)不同氨基酸施肥對小黑楊播種苗生長的影響。

采用不同種類氨基酸設(shè)置相同施氮量(24 mg·株-1)進行施肥,不同氨基酸及其組合分別為精氨酸(Arg)、谷氨酸(Glu)、甘氨酸(Gly)、精氨酸和谷氨酸(純氮各12 mg·株-1)組合(Arg×Glu),精氨酸和甘氨酸(純氮各12 mg·株-1)組合(Arg×Gly)、甘氨酸和谷氨酸(純氮各12 mg·株-1)組合(Glu×Gly)、精氨酸、谷氨酸和甘氨酸(純氮各8 mg·株-1)組合(Arg×Gly×Glu),以不施任何氮肥的處理作為對照,共計8種處理,每種處理設(shè)置12次重復(fù)(即12株苗)。共計施肥12周,每周每株施肥幼苗獲得2 mg氮。

1.3 基于重量測定的澆水施肥

為了防止施用的氮肥流失并避免因水分脅迫對幼苗造成影響,采用基于重量測定的澆水施肥方法。試驗開始前,通過澆水確定出各容器系統(tǒng)內(nèi)基質(zhì)的田間持水量,并計算出容器內(nèi)基質(zhì)處于田間持水量70%~80%時的容器總重量。試驗開始后,每日測定各育苗容器重量,若容器總重量處于基質(zhì)的田間持水量70%~80%時的重量范圍則對容器內(nèi)的各株苗木進行澆水或施肥,澆水或施肥后恢復(fù)容器重量至田間持水量狀態(tài)。

每次施肥時將事先稱量好的氮素溶解到營養(yǎng)液中(營養(yǎng)液中各類元素的目標(biāo)濃度及其配制藥品如表1所示),使加入氮素后的營養(yǎng)液除氮形態(tài)不同外,所有大量和微量元素的濃度都相同。使用注射器對每株苗施肥,每株苗每次獲得20 mL含氮素的營養(yǎng)液,對照只施20 mL無氮營養(yǎng)液。施肥后再用注射器加水以恢復(fù)容器的田間持水量。

表1營養(yǎng)液中各類元素的目標(biāo)濃度及其配制藥品

Table1Thetargetconcentrationofvariouselementsinthestocksolutionanditspreparationofchemicals

大量營養(yǎng)元素Macronutrient elements目標(biāo)濃度Concentration(mg·L-1)藥品Chemical compound微量營養(yǎng)元素Micronutrient elements目標(biāo)濃度Concentration(mg·L-1)藥品Chemical compoundN133根據(jù)氮肥確定Fe4.00FeSO4·7H2OP10085%H3PO4Mn0.80MnCl2·4H2OK117KH2PO4Zn0.32ZnSO4·7H2OCa80CaCl2·2H2OCu0.15CuSO4·5H2OMg40MgSO4·7H2OMo0.02Na2M·O4S56MgSO4·7H2OB0.50H3BO3

1.4 生長和生理指標(biāo)測定

試驗期間,每次施肥后測定各處理幼苗的苗高和地徑。苗木收獲時,測定各處理幼苗的苗高和地徑。苗木收獲后,將每株苗木分為根、莖、葉三部分帶回實驗室,用清水和軟毛刷子洗凈根部浮土,將樣品放置70℃烘箱中烘干至恒重(48 h),用電子天平(±0.000 1 g)分別稱重,得各器官干重。植株總重為各器官重量之和。將各個器官樣品烘干后,放入高速粉碎機中粉碎,過60目篩子。稱取各處理植物樣品20~25 mg,利用元素分析儀(vario MACRO,Elementar Co,Germany)測定苗木各器官的全氮含量,每種處理3次重復(fù)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

用Microsoft Excel 2007對原始數(shù)據(jù)進行輸入和整理。釆用SPSS19.0 for Windows統(tǒng)計軟件進行數(shù)據(jù)的方差分析和多重比較,采用雙因素方差分析檢驗不同形態(tài)氮素和不同施氮量及其交互作用對苗高、地徑、生物量和各器官氮含量的影響;采用單因素方差分析檢驗不同氨基酸及其組合施肥對苗高、地徑、生物量和各器官氮含量的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮素形態(tài)與施氮量對小黑楊幼苗生長的影響

從表2可以看出,氮素形態(tài)與施氮量的交互作用對小黑楊播種苗各生長指標(biāo)均無顯著影響(P>0.05),但施氮量對小黑楊播種苗苗高、地徑、各器官生物量均有顯著影響(P<0.05)。多重比較結(jié)果(表2)表明,小黑楊的苗高、地徑均呈現(xiàn)隨著施氮量的增加而增加的趨勢,施氮處理苗木的苗高和地徑都顯著高于不施氮的對照處理,低氮、中氮和高氮處理的苗高分別比對照提高64%、83%和98%,低氮、中氮和高氮處理的地徑分別比對照提高46%、54%和57%,但不同施氮量處理之間苗高和地徑差異不顯著。對莖生物量和根生物量的多重比較結(jié)果(表2)顯示,低氮處理與對照差異不顯著,但中氮和高氮處理的莖和根生物量顯著高于對照,但兩者之間差異不顯著。對葉生物量、地上部分生物量和全株生物量的多重比較結(jié)果(表2)顯示,施氮處理顯著高于對照,中氮和高氮處理的生物量更高,但兩者之間差異不顯著。

氮素形態(tài)對小黑楊各生長指標(biāo)(除根生物量外)的影響均不顯著(P>0.05)。從根生物量上來看,施有機氮(精氨酸)的苗木略低于施無機氮(硝酸銨)的苗木。

2.2 氮素形態(tài)與施氮量對小黑楊幼苗組織氮含量的影響

從表3可以看出,氮素形態(tài)與施氮量的交互作用對小黑楊播種苗各器官氮含量無顯著影響(P>0.05),氮素形態(tài)對小黑楊播種苗各器官氮含量也無顯著影響(P>0.05)。施氮量對小黑楊播種苗莖氮含量無顯著影響(P>0.05),但施氮量顯著影響小黑楊播種苗葉和根中的氮含量(P<0.05)。

多重比較結(jié)果(表3)顯示,與對照相比,施氮處理顯著提高了小黑楊播種苗葉和根的氮含量,葉氮含量最高的是低氮處理的苗木(26.97 mg·g-1),低氮、中氮和高氮處理的莖氮含量分別比對照提高了80%、39%和70%;根氮含量最高的是低氮處理的苗木(12.39 mg·g-1),低氮、中氮和高氮處理的根氮含量分別比對照提高了46%、36%和34%。

表2 不同形態(tài)氮素和施氮量條件下小黑楊播種苗的生長情況

注:同列不同字母表示差異顯著(P<0.05),下同。

Note:The different letters in the same column indicate significantly different at 0.05 level(P<0.05),the same as below.

表3不同氮素形態(tài)和施氮量條件下小黑楊播種苗各器官氮含量

Table3NitrogenconcentrationdistributionindifferentorgansofP.simonii×nigraseedlingsfertilizedwithdifferentformsandamountsofnitrogen

處理Treatment莖氮含量Stem N concentration(mg·g-1)葉氮含量Leaf N concentration(mg·g-1)根氮含量Root N concentration(mg·g-1)施氮量Nitrogen amount(mg·seedling-1)09.49a15.00c8.51b1211.08a26.97a12.39a248.38a20.80b11.6a489.93a25.46a11.4aSE1.061.540.80氮素形態(tài)Forms of nitrogenNH4NO39.35a22.64a10.36aArginine10.09a21.47a11.59aSE0.751.090.57變異來源Source of variationdfP值P value氮形態(tài)Forms of nitrogen10.4930.4580.145施氮量Nitrogen amount 30.372<0.05<0.05氮形態(tài)×施氮量Forms of nitrogen×nitrogen amount30.8940.0610.829

2.3 不同氨基酸施肥對小黑楊幼苗生長的影響

與不施肥的對照相比,施用不同種類氨基酸均能促進小黑楊播種苗苗高和地徑的生長,但不同種類氨基酸施肥的作用效果不同(表4)。不同種類氨基酸處理的小黑楊播種苗苗高差異顯著(P<0.05),在單一氨基酸施用情況下,精氨酸和谷氨酸處理的苗高顯著高于對照,分別比對照提高了61%和64%,甘氨酸處理與對照差異不顯著;在氨基酸組合施用條件下,精氨酸和谷氨酸混合施用處理的苗高最高,精氨酸與甘氨酸混合施用處理的苗高生長也較好,兩種處理的苗高均顯著高于對照,分別比對照提高了73%和68%,但谷氨酸和甘氨酸混合施用處理的苗高生長較差,與對照苗高差異不顯著。精氨酸、谷氨酸和甘氨酸混合施用處理的效果也較好,苗高比對照提高了53%。不同種類氨基酸處理的小黑楊播種苗地徑差異顯著(P<0.05),在單一氨基酸施用情況下,精氨酸、谷氨酸和甘氨酸處理的地徑顯著高于對照,分別比對照提高了42%、35%和27%,3種處理的地徑差異不顯著;在氨基酸組合施用條件下,精氨酸和甘氨酸混合施用處理的地徑最高,精氨酸與谷氨酸混合施用處理的地徑生長也較好,兩種處理的地徑均顯著高于對照,分別比對照提高了40%和34%,但谷氨酸和甘氨酸混合施用處理的地徑生長較差,與對照地徑差異不顯著。精氨酸、谷氨酸和甘氨酸混合施用處理的效果也較好,地徑比對照提高了40%。

與不施肥的對照相比,施用不同種類氨基酸對小黑楊播種苗的莖生物量、根生物量、地上生物量雖然有所提高(表4),但其差異不顯著(P>0.05)。施用不同種類氨基酸對小黑楊播種苗的葉生物量和全株生物量影響顯著(表4)。不同種類氨基酸處理的小黑楊播種苗葉生物量差異顯著(P<0.05),在單一氨基酸施用情況下,精氨酸和谷氨酸處理的葉生物量顯著高于對照,分別比對照提高了166%和98%,甘氨酸處理與對照差異不顯著;在氨基酸組合施用條件下,精氨酸和谷氨酸混合施用處理的葉生物量最高,比對照提高了110%,但精氨酸與甘氨酸混合施用或谷氨酸和甘氨酸混合施用處理的葉生物量均較差,與對照葉生物量差異不顯著。精氨酸、谷氨酸和甘氨酸混合施用處理的效果也較好,葉生物量比對照提高了108%。不同種類氨基酸處理的小黑楊播種苗全株生物量差異顯著(P<0.05),在單一氨基酸施用情況下,精氨酸處理的全株生物量顯著高于對照,比對照提高了114%,谷氨酸和甘氨酸處理的全株生物量與對照差異不顯著;在氨基酸組合施用條件下,精氨酸和谷氨酸混合施用處理的全株生物量最高,比對照提高了111%,其它混合施用處理的全株生物量均較低,與對照差異不顯著。

表4 不同種類氨基酸處理小黑楊播種苗的生長情況

注:表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤,同列不同字母表示差異顯著(P<0.05),下同。Note:Data were means±SE,The different normal letter in the same column indicate significantly different at 0.05 level(P<0.05),the same as below.

表5不同種類氨基酸處理小黑楊播種苗各器官氮含量

Table5NitrogenconcentrationdistributionindifferentorgansofP.simonii×nigraseedlingsfertilizedwithdifferentaminoacids

處理Treatment莖氮含量Stem N concentration(mg·g-1)葉氮含量Leaf N concentration(mg·g-1)根氮含量Root N concentration(mg·g-1)精氨酸Arg9.38±0.46a19.02±0.74abc12.23±0.63a甘氨酸Gly12.39±0.89a20.86±0.52ab11.12±0.13abc谷氨酸Glu8.93±0.77a20.98±0.66a11.93±0.64abArg×Glu8.73±1.06a18.03±1.35bc10.14±0.89abcArg×Gly9.97±2.12a20.51±1.27ab8.63±0.96cGly×Glu11.09±0.83a19.31±1.00abc10.84±0.98abcArg×Glu×Gly9.29±1.39a16.94±0.54cd9.33±0.68bc對照control9.49±1.37a15.00±0.12d8.51±1.23c

2.4 不同氨基酸施肥對小黑楊各器官氮含量的影響

由表5可見,施用不同種類氨基酸對小黑楊播種苗的莖氮含量影響不顯著(P>0.05),但對葉氮含量和根氮含量影響顯著(P<0.05)。

不同種類氨基酸處理的小黑楊播種苗葉氮含量差異顯著(表5),在單一氨基酸施用情況下,精氨酸、谷氨酸和甘氨酸處理的葉氮含量均顯著高于對照,分別比對照提高了27%、39%和40%,但3種處理間的葉氮含量差異不顯著;在氨基酸組合施用條件下,3種氨基酸的兩兩組合施用均能夠提高葉氮含量,但精氨酸、谷氨酸和甘氨酸3種氨基酸混合施用處理的效果較差,葉氮含量與對照差異不顯著。不同種類氨基酸處理的小黑楊播種苗根氮含量差異顯著(表5),在單一氨基酸施用情況下,精氨酸和谷氨酸處理的根氮含量顯著高于對照,分別比對照提高了44%和40%,甘氨酸處理與對照差異不顯著;在氨基酸組合施用條件下,3種氨基酸的各種組合施用效果均較差,根氮含量與對照差異均不顯著。

3 討論

氮的可利用性對于提高植物的生產(chǎn)力是有決定作用的。當(dāng)土壤中氮素缺乏時,施氮能促進植物生物量的積累[17],當(dāng)供氮過多時,有些植物也有可能出現(xiàn)抑制作用[18]。所以確定氮利用效率最高的施肥量,既有利于苗木的生長,也可以避免不必要的浪費。在本研究中,無論是施無機氮還是有機氮條件下,小黑楊的苗高、地徑和生物量都是隨施氮量的增加而增加(葉生物量和根生物量除外),但是中氮和高氮處理的生長效應(yīng)差異不顯著,所以在中氮水平施肥時的小黑楊氮利用效率最高。一般認為在低氮供應(yīng)時,氮更多分配到根部[19],在本研究中,根氮含量在3種施氮水平?jīng)]有顯著差異,說明就目前的施氮量來講都能夠滿足根對氮素的吸收和同化要求。葉氮含量在低氮水平下達到最高,但低氮處理幼苗的葉生物量和地上生物量卻較低,說明雖然葉片中氮濃度較高,但可能由于缺乏光合產(chǎn)物而沒有很好地同化,從而導(dǎo)致生物量降低。

本研究中,無論在哪種施氮量下,施有機氮(精氨酸)和施無機氮(硝酸銨)的小黑楊幼苗的苗高、地徑、生長量(除根生物量外)和各器官氮含量都沒有顯著差異,表明對于小黑楊來說,施用有機氮(精氨酸)能夠獲得與施用無機氮相似的育苗效果,這與Gruffman[9]的研究結(jié)果相符。而由于傳統(tǒng)無機肥料氮素易淋溶,在北方森林苗圃中施用氮肥,施加的大量氮素會隨著雨水沖刷而流失,不僅污染了環(huán)境,還不得不去施加更多的肥料[20];土壤基質(zhì)對氨基酸有高吸附力,不易流失,肥效持久。所以對于小黑楊等闊葉樹種來說,在不考慮肥料成本的前提下,施用氨基酸態(tài)氮肥與傳統(tǒng)無機氮肥相比具有更好的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

氨基酸態(tài)氮肥對植物的生長效應(yīng)取決于植物種類和氨基酸種類。本研究發(fā)現(xiàn):3種單一氨基酸施用時,精氨酸對小黑楊的促進效果最好,谷氨酸其次,甘氨酸最差。不同氨基酸組合處理效果差異很大,但有精氨酸的組合肥效都較好,有甘氨酸的組合肥效表現(xiàn)較差。這一現(xiàn)象與許玉蘭的研究相符,肥效好的某些氨基酸組成的氨基酸群體,肥效依然高,肥效不好的氨基酸組成的氨基酸群體,肥效依然不好[21]。但是其研究中氨基酸組合的肥效均好于單施氨基酸的肥效,這與本研究結(jié)果不同,這可能是由于植物種類的不同和實驗方法的不同造成的。

綜上所述,對于小黑楊來說,無機氮和有機氮在3種施氮水平上都有相似的營養(yǎng)效應(yīng),中氮(24 mg·株-1)處理氮的利用效率最高。施用有機氮(精氨酸)可以與施用無機氮(硝酸銨)獲得相同的促進苗木生長的效果。不同氨基酸施肥處理中,施用精氨酸促進苗木生長的效果最好,谷氨酸次之,甘氨酸最差。

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