供氮形態(tài)及水分條件下水稻幼苗吸收氮素的研究

供氮形態(tài)及水分條件下水稻幼苗吸收氮素的研究

氮是植物生長(zhǎng)發(fā)育不可或缺的養(yǎng)分，是植物體內(nèi)許多重要有機(jī)化合物的成分。氮素主要以NO3--N和NH4+-N2種形態(tài)被植物吸收,并參與植物體內(nèi)各種代謝過(guò)程。研究表明,水稻具有一定的抗旱性,并且這種抗旱性與其氮素營(yíng)養(yǎng)有關(guān),但目前的研究較多集中在優(yōu)化施氮水平上,而利用供氮形態(tài)調(diào)控水稻抗旱性尚少見(jiàn)報(bào)道。一般認(rèn)為,水稻是喜銨植物,并且其對(duì)銨態(tài)氮的吸收多于硝態(tài)氮。但是,近幾年大量的試驗(yàn)結(jié)果顯示,單一的NH4+-N或NO3--N營(yíng)養(yǎng)均會(huì)引起水稻生物量積累的減少,同時(shí)供應(yīng)兩種形態(tài)氮素比供應(yīng)單一形態(tài)氮素更能促進(jìn)植物生長(zhǎng),并更好地調(diào)節(jié)植物水分關(guān)系,當(dāng)NH4+-N/NO3--N比例為50/50和75/25時(shí),水稻表現(xiàn)出最佳的生物效應(yīng)。在水分脅迫條件下,全NO3--N營(yíng)養(yǎng)水稻植株的含氮量呈下降趨勢(shì),而水分脅迫對(duì)全NH4+-N營(yíng)養(yǎng)水稻植株的含氮量影響不大。隨著水稻節(jié)水灌溉和水稻旱作技術(shù)的興起,對(duì)水稻氮素形態(tài)營(yíng)養(yǎng)特性和水稻水分生理的研究越來(lái)越受到重視。然而,目前對(duì)于不同供氮形態(tài)和水分脅迫雙因素耦合作用對(duì)水稻吸收氮素營(yíng)養(yǎng)的影響仍缺乏了解。因此,本試驗(yàn)擬通過(guò)研究供氮形態(tài)和水分脅迫耦合作用下苗期水稻氮素消耗、植株體內(nèi)氮素含量及氮素利用效率的變化動(dòng)態(tài),探討供氮形態(tài)在調(diào)控旱作水稻氮素營(yíng)養(yǎng)方面的作用。1材料和方法1.1種水勢(shì)梯度so4及幼苗生長(zhǎng)nh4供試水稻(OryzasativaL.)品種為金優(yōu)402。營(yíng)養(yǎng)液采用國(guó)際水稻研究所(IRRI)的常規(guī)營(yíng)養(yǎng)液配方,并略做改進(jìn)。試驗(yàn)設(shè)6個(gè)處理:供氮形態(tài)為40mg/LNH4+-N[(NH4)2SO4],40mg/LNO3--N(Ca(NO3)2)和20mg/LNH4+-N+20mg/LNO3--N[(NH4)2SO4和(Ca(NO3)2)3種;2個(gè)水分水平為,①非水分脅迫,分別以NO3-,NH4+和NO3--NH4+表示;②水分脅迫,PEG6000(化學(xué)純)濃度為5%(水勢(shì)約相當(dāng)于-0.05MPa),分別以NO3-+PEG,NH4++PEG和NO3--NH4++PEG表示。此外,添加Na2SiO3以保持營(yíng)養(yǎng)液中的SiO2濃度為0.2mmol/L,添加1mg/L的雙氰胺以抑制硝化作用。水稻種子先經(jīng)55℃水浸泡15min后,用清水浸種。24h后,置于清潔濕紗布上,在32℃條件下于人工氣候箱內(nèi)催芽2d,再用砂培法于溫室內(nèi)育苗,培養(yǎng)溫度為,白天30℃,夜晚27℃。培養(yǎng)至一葉一心期,挑選生長(zhǎng)一致的幼苗,移栽至打好孔的PVC板上,用海綿固定后,進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)。每天更換1次營(yíng)養(yǎng)液,調(diào)節(jié)營(yíng)養(yǎng)液pH至(5.0±0.05)。待水稻幼苗生長(zhǎng)至三葉一心(苗齡25d)時(shí)進(jìn)行水分脅迫處理,持續(xù)處理5d,然后解除脅迫(營(yíng)養(yǎng)液更換為非水分脅迫營(yíng)養(yǎng)液)繼續(xù)培養(yǎng)5d。所有處理均重復(fù)3次,每個(gè)重復(fù)定苗24株。在水分脅迫處理前1d進(jìn)行取樣測(cè)定,連續(xù)取樣測(cè)定11d。每次采樣每個(gè)處理隨機(jī)取3個(gè)重復(fù)。1.2測(cè)量項(xiàng)目1.2.1nh4+-n藍(lán)比色法和no3--n紫外可見(jiàn)分光光度法的濃度測(cè)定每天8:00-9:00點(diǎn)換營(yíng)養(yǎng)液時(shí)稱(chēng)量并采集營(yíng)養(yǎng)液(30mL),測(cè)定其中的NH4+-N(靛酚藍(lán)比色法)和NO3--N(紫外可見(jiàn)分光光度法)的濃度。根據(jù)NH4+-N和NO3--N濃度的變化,計(jì)算水稻對(duì)氮素(純氮)的消耗量。1.2.2方法1:土壤中雙酰甲基苯磺酸鈉背景參照魯如坤方法略作改進(jìn)。取新鮮水稻植株,稱(chēng)重后剪碎,于研缽中加水研磨,移至干燥的三角燒瓶中,加水定容至20mL,振蕩1~3min,放置澄清后,取上清液2mL,注入20mL刻度試管,加入1mLpH5.0檸檬酸緩沖液,搖勻,加入1mL水合茚三酮乙醇溶液,充分搖勻,置于溫水浴中,在80℃下保持30min取出冷卻,用pH5.0檸檬酸緩沖液稀釋至10mL搖勻,再轉(zhuǎn)入比色管與系列標(biāo)準(zhǔn)色階比較定量。1.2.3光密度測(cè)定方法取新鮮水稻植株,稱(chēng)重后剪碎,于研缽中加少量蒸餾水研磨,移至干燥的三角燒瓶中,加入蒸餾水20mL,振蕩1~3min,放置澄清后,取上清液2mL,加入冰醋酸溶液18mL,再加0.4g混合粉劑,劇烈搖動(dòng)1min,靜置10min,將容量瓶中懸濁液過(guò)量地傾入離心管中,使部分流出管外,白色粉末即可去除。離心5min(4000r/min),取清液以分光光度計(jì)于520nm處測(cè)定光密度值。從工作曲線中查得組織提取液所含硝態(tài)氮含量。2結(jié)果與分析2.1水分脅迫對(duì)水稻養(yǎng)分的影響在營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)條件下,一般以營(yíng)養(yǎng)液中養(yǎng)分含量的變化來(lái)表征植物對(duì)養(yǎng)分的消耗量(即營(yíng)養(yǎng)液的初始氮素含量-營(yíng)養(yǎng)液的剩余氮素含量)。表1顯示,在非水分脅迫條件下,3種不同氮素形態(tài)處理之間的氮素消耗量(NH4+-N和NO3--N折合為純氮的量)差異顯著(p<0.05),3種氮素形態(tài)處理的平均日氮素消耗量分別達(dá)到營(yíng)養(yǎng)液中初始氮素含量的45.93%,41.70%和81.63%。在植株生長(zhǎng)過(guò)程中,雖然全NH4+-N營(yíng)養(yǎng)和全NO3--N營(yíng)養(yǎng)的植株日氮素消耗量變化均較小,但是,全NO3--N營(yíng)養(yǎng)植株的平均日氮素消耗量仍比全NH4+-N營(yíng)養(yǎng)植株的增加77.74%。顯然,在單一的供氮形態(tài)處理中,水稻吸收NO3--N比吸收NH4+-N的量要多。雖然NH4+-N和NO3--N混合營(yíng)養(yǎng)水稻植株的日氮素消耗量之間波動(dòng)較大,但仍可發(fā)現(xiàn)該處理的水稻是以吸收NO3--N為主的。在水分脅迫條件下,脅迫第1天后,全NH4+-N營(yíng)養(yǎng)植株的氮素消耗量比脅迫前增加了37.32%,NH4+-N和NO3--N混合營(yíng)養(yǎng)植株的氮素消耗量比脅迫前下降了29.62%,全NO3--N營(yíng)養(yǎng)植株的氮素消耗量比脅迫前下降了5.92%。全NH4+-N營(yíng)養(yǎng)植株的氮素消耗量從脅迫第2天開(kāi)始下降到脅迫前1天的水平,并且在以后的8d時(shí)間內(nèi),氮素消耗量的日變化均維持在一個(gè)較小的水平(表1),即在這8d的生長(zhǎng)期間,全NH4+-N營(yíng)養(yǎng)植株的氮素日消耗量幾乎是恒定的,解除水分脅迫并沒(méi)有明顯地增加氮素的消耗量。然而,NH4+-N和NO3--N混合營(yíng)養(yǎng)植株的氮素消耗量則從水分脅迫第2天開(kāi)始迅速增加,脅迫第2天和第3天分別比脅迫第1天增加了31.75%和102.23%,表明NH4+-N和NO3--N混合營(yíng)養(yǎng)處理可以減輕水分脅迫對(duì)水稻氮素吸收的影響。水分脅迫解除后,NH4+-N和NO3--N混合營(yíng)養(yǎng)植株的氮素消耗量急速下降,比1d前降低了55.27%。全NO3--N營(yíng)養(yǎng)植株的氮素消耗量從水分脅迫第3天開(kāi)始小幅增加,直到試驗(yàn)結(jié)束。由此可見(jiàn),在水分脅迫條件下,同時(shí)供應(yīng)NH4+-N和NO3--N促進(jìn)水稻對(duì)氮素的消耗;在非水分脅迫(或水分脅迫解除)條件下,全NO3--N營(yíng)養(yǎng)處理促進(jìn)水稻對(duì)氮素的消耗。在試驗(yàn)期間,NH4++PEG處理植株的氮素消耗量除了在脅迫第1天增加外,其余時(shí)間均與NH4+處理近似,說(shuō)明水分脅迫對(duì)全NH4+-N營(yíng)養(yǎng)植株氮素消耗量的影響不明顯。2.2水分脅迫對(duì)水稻養(yǎng)分含量的影響因取樣測(cè)定時(shí)間間隔為1d,故本研究以植株中的NO3--N和NH4+-N含量表示水稻的氮素含量(NH4+-N和NO3--N折合為純氮的量)。從表2可以看出,無(wú)論是在非水分脅迫條件下,還是在水分脅迫條件下,不同氮素形態(tài)營(yíng)養(yǎng)水稻植株的氮素含量變化動(dòng)態(tài)幾乎是一致的,都是呈先升后降再升的變化規(guī)律,并且同時(shí)在第5天(脅迫第4天)和第8天(解除脅迫后1d)出現(xiàn)了峰值,水稻氮含量由高到低的順序依次是:全NH4+-N營(yíng)養(yǎng)處理、NH4+-N和NO3--N混合營(yíng)養(yǎng)處理、全NO3--N營(yíng)養(yǎng)處理。水分脅迫對(duì)單供NH4+-N營(yíng)養(yǎng)水稻氮素含量沒(méi)有明顯影響,但對(duì)單供NO3--N營(yíng)養(yǎng)水稻的影響較復(fù)雜:在實(shí)施水分脅迫的前3d,NO3-+PEG營(yíng)養(yǎng)水稻的N含量與NO3-營(yíng)養(yǎng)水稻的N含量無(wú)顯著差異,但在脅迫第4天,NO3-+PEG營(yíng)養(yǎng)水稻的N含量突然增大,達(dá)到NO3-營(yíng)養(yǎng)水稻的4.9倍;此后,又急劇下降到NO3-營(yíng)養(yǎng)水稻的水平;水分脅迫解除的當(dāng)天,再次增大到NO3-營(yíng)養(yǎng)水稻的1.78倍;然后又下降到接近NO3-營(yíng)養(yǎng)水稻的水平。NO3-+PEG營(yíng)養(yǎng)水稻的N含量與NO3--NH4++PEG營(yíng)養(yǎng)水稻的N含量在多數(shù)取樣時(shí)間均高于NO3--NH4+營(yíng)養(yǎng)水稻的N含量,增加幅度在13.40%~177.58%,并且在試驗(yàn)的最后1天(水分脅迫解除后5d)仍比后者高56.15%,表明在水分脅迫條件下,同時(shí)供應(yīng)NH4+-N和NO3--N有利于水稻氮素的積累。2.3水分脅迫對(duì)全no3--n營(yíng)養(yǎng)水稻的氮素利用率的影響表3顯示,在非水分脅迫條件下,NH4+-N和NO3--N混合營(yíng)養(yǎng)水稻的氮素利用效率(植株干質(zhì)量和氮素消耗量的比值)在3種供氮形態(tài)營(yíng)養(yǎng)處理中是最高的(第1天和第7天除外)。無(wú)論是非水分脅迫,還是水分脅迫條件下,全NO3--N營(yíng)養(yǎng)水稻的氮素利用效率都是最低的。水分脅迫對(duì)單供NH4+-N營(yíng)養(yǎng)水稻的氮素利用效率總體上沒(méi)有明顯的影響,但水分脅迫明顯降低單供NO3--N營(yíng)養(yǎng)水稻的氮素利用率。水分脅迫同樣降低NH4+-N和NO3--N混合營(yíng)養(yǎng)水稻的氮素利用率,然而,當(dāng)水分脅迫解除后,NO3--NH4++PEG處理的氮素利用效率則迅速提高并超過(guò)NO3--NH4+處理的水平,最高可達(dá)后者的2倍多(如在水分脅迫解除后第2,3和4天)。說(shuō)明在水分脅迫-復(fù)水的水分變動(dòng)條件下,同時(shí)供應(yīng)NH4+-N和NO3--N可以顯著提高水稻的氮素利用效率。3水分脅迫對(duì)全no3-n營(yíng)養(yǎng)水稻生長(zhǎng)和氮素利用率的影響近年來(lái)的研究表明,植物生長(zhǎng)在NH4+-N和NO3--N混合營(yíng)養(yǎng)中能夠表現(xiàn)出最佳的生物學(xué)效應(yīng)。在本研究的非水分脅迫處理中,NH4+-N和NO3--N混合營(yíng)養(yǎng)水稻的苗期生物量明顯大于單一供NH4+-N和NO3--N營(yíng)養(yǎng)的水稻生物量。說(shuō)明水稻不僅能夠吸收利用NO3--N,而且在NH4+-N和NO3--N混合營(yíng)養(yǎng)中,可以通過(guò)2種不同形態(tài)氮素的相互作用,而促進(jìn)NH4+-N的吸收(一般認(rèn)為是由于NO3--N的存在而刺激了NH4+-N的吸收)。由此可見(jiàn),水稻雖然是喜銨植物,但苗期必須供應(yīng)適量的NO3--N,以促進(jìn)根系的生長(zhǎng)。NO3--N可以在作物體內(nèi)大量存在而不像NH4+-N積累容易造成作物傷害。同時(shí),NO3--N在體內(nèi)的迅速積累可以使作物體內(nèi)滲透勢(shì)很快下降而較好地適應(yīng)水分脅迫環(huán)境。因而,適當(dāng)增加NO3--N的供應(yīng)比例,可有效地清除作物在水分脅迫下的生長(zhǎng)障礙。在水分脅迫條件下,水稻對(duì)NH4+-N和NO3--N營(yíng)養(yǎng)的響應(yīng)不同于非水分脅迫條件。錢(qián)曉晴等對(duì)模擬水分脅迫條件下水稻氮素營(yíng)養(yǎng)特征的研究認(rèn)為,當(dāng)NH4+-N/NO3--N比例為50/50時(shí),植株生長(zhǎng)最好。本試驗(yàn)也有類(lèi)似的結(jié)果。關(guān)于在水分脅迫和供氮形態(tài)耦合作用下,水稻對(duì)氮素的吸收情況,國(guó)內(nèi)外尚少見(jiàn)報(bào)道。水稻植株氮素含量表征了水稻的氮素生理利用效率。在本試驗(yàn)中,在非水分脅迫條件下,全NO3--N營(yíng)養(yǎng)水稻比全NH4+-N營(yíng)養(yǎng)水稻的氮素消耗多。在水分脅迫條件下,同時(shí)供應(yīng)NH4+-N和NO3--N顯著促進(jìn)水稻對(duì)氮素的消耗,增加水稻的氮素積累。水分脅迫后復(fù)水,同時(shí)供應(yīng)NH4+-N和NO3--N顯著提高水稻的氮素利用率。而水分脅迫對(duì)全NH4+-N營(yíng)養(yǎng)水稻植株的含氮量沒(méi)有顯著的影響,這與周毅等的結(jié)果較為一致。說(shuō)明NH4+-N和NO3--N配比既有利于保證一定的生物量,又有利于維持水稻較高的氮素利用率。水分脅迫對(duì)全NH4+-N營(yíng)養(yǎng)水稻的氮素利用率沒(méi)有明顯的影響,但明顯降低全NO3--N營(yíng)養(yǎng)水稻的氮素利用率。無(wú)論是非水分脅迫,還是水分脅迫條件下,全NO3--N營(yíng)養(yǎng)水稻的氮素利用率均為最低。在本試驗(yàn)的2種水分條件下,完全銨態(tài)氮處理的植株氮素消耗量在試驗(yàn)期間幾乎沒(méi)發(fā)生變化,植株體內(nèi)的氮素含