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報道。一般認(rèn)為,水稻是喜銨植物,并且其對銨態(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營養(yǎng)均會引起水稻生物量積累的減少,同時供應(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,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,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營養(yǎng)水稻植株的含氮量呈下降趨勢,而水分脅迫對全NH4+-N營養(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,對水稻氮素形態(tài)營養(yǎng)特性和水稻水分生理的研究越來越受到重視。然而,目前對于不同供氮形態(tài)和水分脅迫雙因素耦合作用對水稻吸收氮素營養(yǎng)的影響仍缺乏了解。因此,本試驗(yàn)擬通過研究供氮形態(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態(tài),探討供氮形態(tài)在調(diào)控旱作水稻氮素營養(yǎng)方面的作用。1材料和方法1.1種水勢梯度so4及幼苗生長nh4供試水稻(OryzasativaL.)品種為金優(yōu)402。營養(yǎng)液采用國際水稻研究所(IRRI)的常規(guī)營養(yǎng)液配方,并略做改進(jìn)。試驗(yàn)設(shè)6個處理: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)行營養(yǎng)液培養(yǎng)。每天更換1次營養(yǎng)液,調(diào)節(jié)營養(yǎng)液pH至(5.0±0.05)。待水稻幼苗生長至三葉一心(苗齡25d)時進(jìn)行水分脅迫處理,持續(xù)處理5d,然后解除脅迫(營養(yǎng)液更換為非水分脅迫營養(yǎng)液)繼續(xù)培養(yǎng)5d。所有處理均重復(fù)3次,每個重復(fù)定苗24株。在水分脅迫處理前1d進(jìn)行取樣測定,連續(xù)取樣測定11d。每次采樣每個處理隨機(jī)取3個重復(fù)。1.2測量項目1.2.1nh4+-n藍(lán)比色法和no3--n紫外可見分光光度法的濃度測定每天8:00-9:00點(diǎn)換營養(yǎng)液時稱量并采集營養(yǎng)液(30mL),測定其中的NH4+-N(靛酚藍(lán)比色法)和NO3--N(紫外可見分光光度法)的濃度。根據(jù)NH4+-N和NO3--N濃度的變化,計算水稻對氮素(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光密度測定方法取新鮮水稻植株,稱重后剪碎,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1min,靜置10min,將容量瓶中懸濁液過量地傾入離心管中,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于520nm處測定光密度值。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水分脅迫對水稻養(yǎng)分的影響在營養(yǎng)液培養(yǎng)條件下,一般以營養(yǎng)液中養(yǎng)分含量的變化來表征植物對養(yǎng)分的消耗量(即營養(yǎng)液的初始氮素含量-營養(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)到營養(yǎng)液中初始氮素含量的45.93%,41.70%和81.63%。在植株生長過程中,雖然全NH4+-N營養(yǎng)和全NO3--N營養(yǎng)的植株日氮素消耗量變化均較小,但是,全NO3--N營養(yǎng)植株的平均日氮素消耗量仍比全NH4+-N營養(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混合營養(yǎng)水稻植株的日氮素消耗量之間波動較大,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混合營養(yǎng)植株的氮素消耗量比脅迫前下降了29.62%,全NO3--N營養(yǎng)植株的氮素消耗量比脅迫前下降了5.92%。全NH4+-N營養(yǎng)植株的氮素消耗量從脅迫第2天開始下降到脅迫前1天的水平,并且在以后的8d時間內(nèi),氮素消耗量的日變化均維持在一個較小的水平(表1),即在這8d的生長期間,全NH4+-N營養(yǎng)植株的氮素日消耗量幾乎是恒定的,解除水分脅迫并沒有明顯地增加氮素的消耗量。然而,NH4+-N和NO3--N混合營養(yǎng)植株的氮素消耗量則從水分脅迫第2天開始迅速增加,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混合營養(yǎng)處理可以減輕水分脅迫對水稻氮素吸收的影響。水分脅迫解除后,NH4+-N和NO3--N混合營養(yǎng)植株的氮素消耗量急速下降,比1d前降低了55.27%。全NO3--N營養(yǎng)植株的氮素消耗量從水分脅迫第3天開始小幅增加,直到試驗(yàn)結(jié)束。由此可見,在水分脅迫條件下,同時供應(yīng)NH4+-N和NO3--N促進(jìn)水稻對氮素的消耗;在非水分脅迫(或水分脅迫解除)條件下,全NO3--N營養(yǎng)處理促進(jìn)水稻對氮素的消耗。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,其余時間均與NH4+處理近似,說明水分脅迫對全NH4+-N營養(yǎng)植株氮素消耗量的影響不明顯。2.2水分脅迫對水稻養(yǎng)分含量的影響因取樣測定時間間隔為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)營養(yǎng)水稻植株的氮素含量變化動態(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營養(yǎng)處理、NH4+-N和NO3--N混合營養(yǎng)處理、全NO3--N營養(yǎng)處理。水分脅迫對單供NH4+-N營養(yǎng)水稻氮素含量沒有明顯影響,但對單供NO3--N營養(yǎng)水稻的影響較復(fù)雜:在實(shí)施水分脅迫的前3d,NO3-+PEG營養(yǎng)水稻的N含量與NO3-營養(yǎng)水稻的N含量無顯著差異,但在脅迫第4天,NO3-+PEG營養(yǎng)水稻的N含量突然增大,達(dá)到NO3-營養(yǎng)水稻的4.9倍;此后,又急劇下降到NO3-營養(yǎng)水稻的水平;水分脅迫解除的當(dāng)天,再次增大到NO3-營養(yǎng)水稻的1.78倍;然后又下降到接近NO3-營養(yǎng)水稻的水平。NO3-+PEG營養(yǎng)水稻的N含量與NO3--NH4++PEG營養(yǎng)水稻的N含量在多數(shù)取樣時間均高于NO3--NH4+營養(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水分脅迫對全no3--n營養(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)營養(yǎng)處理中是最高的(第1天和第7天除外)。無論是非水分脅迫,還是水分脅迫條件下,全NO3--N營養(yǎng)水稻的氮素利用效率都是最低的。水分脅迫對單供NH4+-N營養(yǎng)水稻的氮素利用效率總體上沒有明顯的影響,但水分脅迫明顯降低單供NO3--N營養(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)。說明在水分脅迫-復(fù)水的水分變動條件下,同時供應(yīng)NH4+-N和NO3--N可以顯著提高水稻的氮素利用效率。3水分脅迫對全no3-n營養(yǎng)水稻生長和氮素利用率的影響近年來的研究表明,植物生長在NH4+-N和NO3--N混合營養(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混合營養(yǎng)水稻的苗期生物量明顯大于單一供NH4+-N和NO3--N營養(yǎng)的水稻生物量。說明水稻不僅能夠吸收利用NO3--N,而且在NH4+-N和NO3--N混合營養(yǎng)中,可以通過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,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。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,NO3--N在體內(nèi)的迅速積累可以使作物體內(nèi)滲透勢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障礙。在水分脅迫條件下,水稻對NH4+-N和NO3--N營養(yǎng)的響應(yīng)不同于非水分脅迫條件。錢曉晴等對模擬水分脅迫條件下水稻氮素營養(yǎng)特征的研究認(rèn)為,當(dāng)NH4+-N/NO3--N比例為50/50時,植株生長最好。本試驗(yàn)也有類似的結(jié)果。關(guān)于在水分脅迫和供氮形態(tài)耦合作用下,水稻對氮素的吸收情況,國內(nèi)外尚少見報道。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營養(yǎng)水稻比全NH4+-N營養(yǎng)水稻的氮素消耗多。在水分脅迫條件下,同時供應(yīng)NH4+-N和NO3--N顯著促進(jìn)水稻對氮素的消耗,增加水稻的氮素積累。水分脅迫后復(fù)水,同時供應(yīng)NH4+-N和NO3--N顯著提高水稻的氮素利用率。而水分脅迫對全NH4+-N營養(yǎng)水稻植株的含氮量沒有顯著的影響,這與周毅等的結(jié)果較為一致。說明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。水分脅迫對全NH4+-N營養(yǎng)水稻的氮素利用率沒有明顯的影響,但明顯降低全NO3--N營養(yǎng)水稻的氮素利用率。無論是非水分脅迫,還是水分脅迫條件下,全NO3--N營養(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)期間幾乎沒發(fā)生變化,植株體內(nèi)的氮素含