不同浓度的硝态氮对高羊茅生长及养分吸收的影响

张 申，刘业萍，刘丽萍，于存申，吕绍元，李海云，司东霞

（聊城大学农学院，山东 聊城 252059）

草坪具有良好的生态效益、美学价值和娱乐功能，是一个国家、一个城市文明程度的标志之一。随着我国城市化进程的加快，草坪建植面积不断扩大，草坪已成为城市绿化的重要组成部分。草坪外观质量是草坪质量评价的常用方法[1]，合理施肥是建设高质量草坪和保持其良好景观的有效措施之一[2]。氮是植物生长发育的必需营养元素，也是草坪草生长发育过程中所需最多的营养元素，适量施用氮肥可促进植物生长，明显改善草坪色泽、提高草坪质量[3-4]，而过少或过多氮肥用量会使植物生长受到抑制[5]，大量氮素施用还可显著增加土壤剖面中的硝态氮累积量，增加土壤硝态氮的淋溶风险[6-7]。因此，合理施用氮肥已成为草坪养护管理的重要内容和研究热点。如孙佳林等[8]盆栽试验的研究结果表明，适度水分或轻度水分胁迫情况下，NO3--N 浓度在 1.5～30 mnol·L-1范围内，施氮量越高，越能促进草地早熟禾(Poa pratensis)地上和地下生物量的积累；张斐斐等[9]报道，每年0～250 kg·hm-2施氮范围内，多年生黑麦草(Lolium perenne)生长速率、地上生物量和叶绿素含量均随施氮量的增加而增加，施氮量达350 kg·hm-2时，各指标均开始下降。前人有关草坪氮肥施用的研究成果，在精确定量适宜草坪草生长的合理氮肥用量或氮素浓度方面的报道较少。

铵态氮(NH4+-N)和硝态氮(NO3--N)是植物吸收利用的主要氮素形态。氮素形态及用量不同，对植物地上和地下部产生的反应也不相同[10-13]。硝态氮是旱作作物的主要无机氮源，可以在植物体内大量累积和转运，旱作作物硝态氮的吸收利用特性及外源硝态氮的合理施用已经成为植物氮素营养研究的主要组成部分[14]。本研究以硝酸钙[Ca(NO3)2]为氮源，以高羊茅(Festuca arundinacea)为供试植物，在盆钵培养条件下，研究不同浓度的硝态氮对高羊茅生长及养分吸收的影响，以期确定适宜高羊茅生长的NO3--N浓度，为高羊茅草坪养护过程中合理施用氮肥、降低生产成本、减少环境污染提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2017年4月至6月在聊城大学生态园内进行 (36.45° N、115.97° E)。供试植物为冷季型草坪草高羊茅，品种为“火龙”，供试种子由江苏满晴种业有限公司提供。

1.2 试验设计

试验为盆栽培养试验，以石英砂为栽培介质，盆钵长、宽均为10 cm，高12 cm。试验采用单因素完全随机设计，以Ca(NO3)2为氮源，共设5个处理，NO3--N 浓度分别为 0、5、10、15和 20 mmol·L-1(分别用N0、N5、N10、N15和N20表示)，重复4次，以Hoagland’s缺氮营养液为基础，配合不同浓度的Ca(NO3)2处理进行栽培管理，其中，缺氮营养液包括 2.0 mmol·L-1KH2PO4，2.5 mmol·L-1MgSO4·7H2O，5.0 mmol·L-1CaCl2，5.0 mnol·L-1KCl，0.02 mnol·L-1EDTA·FeNa，6.7 μmol·L-1MnSO4·H2O，0.3 μmol·L-1Cu SO4·5H2O，0.765 μmol·L-1ZnSO4·7H2O，46.0 μmol·L-1H3BO3, 0.5 μmol·L-1H2MoO4。播种前，将石英砂用1.0 mol·L-1HCl浸泡 30 min，用去离子水洗净，装盆，每盆石英砂装载量400 mL。2017年4月23日，选择形态大小一致且无病虫害的种子，每盆均匀播种30粒，播深1 cm，浇去离子水100 mL，培养钵盖上塑料薄膜以减少水分蒸发，至出苗时去除。5月1日出苗，出苗1周后间苗，每盆留苗22株。出苗后，每2 d浇营养液一次(N0为缺氮营养液)，每次每钵浇营养液50 mL(超过基质持水量，以维持栽培基质中营养液的氮浓度)。培养期间昼夜温度 (25±1) ℃/(18±1) ℃，相对湿度 45%～50%，光照强度 1 000～1 300 mol·(m2·s)-1。6月 15日(播种后54 d)取样测定各项指标。

1.3 测定项目与方法

将植株地上部与根系分开。取地上部，将植株平展伸直，用钢卷尺测定植株的高度，每处理测定22株，计算平均株高；地下部根系洗净，采用根系形态分析软件WinRHIZO(2004b)分析根长、根表面积和根直径。植株地上部、地下部样品在75 ℃下烘干至恒重，测定干物质累积量，磨细，采用中华人民共和国农业行业标准(NY/T 2017-2011)测定植物氮、磷、钾含量，即利用H2SO4-H2O2消煮植物样品，凯氏定氮法测定全氮，钒钼黄比色法测定全磷，火焰光度法测定全钾。利用地上物干物质累积量和最大干物质累积量计算地上部相对生长量，即地上部相对生长量 = 地上物干物质累积量/最大干物质累积量 × 100%。

1.4 数据分析

试验数据均采用 Excel 2010进行处理，用SPSS18.0统计软件进行方差分析和多重比较。

2 结果与分析

2.1 植株地上部生长状况

高羊茅植株株高和地上部干物质累积量处理间有不同差异(表1)。各处理中，N15植株株高最大，虽与N10相比差异未达显著水平(P＞ 0.05)，但显著高于其余处理(P＜ 0.05)，N0株高最低，显著低于其他处理(P＜ 0.05)。植株地上部干物质累积量以N10处理最大，显著高于 N0和 N20处理 (P＜ 0.05)，与 N5和 N15间差异不显著 (P＞ 0.05)。表明 NO3--N浓度为15 和 10 mmol·L-1时，可增加植株株高，NO3--N 浓度为 5、10和 15 mmol·L-1均可获得较大的干物质累积量。

表1 植株地上部生长状况Table 1 Growth status of shoots with different concentrations of NO3--N treatments

2.2 植株地下部生长状况

不同处理间植株地下部干物质累积量有不同差异 (表2)。随 NO3--N浓度的增加，地下部干物质累积量下降，N0与 N5处理间差异不显著 (P＞ 0.05)，但均显著高于其余处理(P＜ 0.05)。N0处理的植株根长显著高于其余处理，N5、N10和N15处理间根长差异不显著(P＞ 0.05)，N20根长最小，显著高低于其余处理(P＜ 0.05)。N0处理的根表面积最大，显著高于其余处理(P＜ 0.05)，其余处理间差异不显著(P＞ 0.05)。不同处理间平均根系直径无统计学差异。表明本研究条件下，增加NO3--N浓度，对高羊茅根系生长具有一定的抑制作用。

对各处理高羊茅不同根系直径的根长分布状况的分析结果表明(表3)，NO3--N浓度显著影响根系直径在 ＜ 0.30 mm、＞ 0.90 mm 范围内的根长 (P＜0.05)，对根系直径为0.30～0.50 mm的根长影响不显著 (P＞ 0.05)，0.50～0.70 mm 和 0.70～0.90 mm 根系直径范围内的根长不同处理间未达显著性水平，P值分别为0.080和0.084。

2.3 地上部养分吸收

不同处理间植株地上部氮、磷、钾浓度和吸收量有不同差异(表4)。随NO3--N浓度的增加，植株地上部氮浓度和氮吸收量均呈现先升后降的趋势，地上部氮浓度以N15处理最高，虽与N20处理差异不显著 (P＞ 0.05)，但显著高于其余处理 (P＜0.05)；氮吸收量以N10最高，与N5和N15处理间差异不显著，但显著高于处理N0和N20，N0处理最低。植株地上部磷浓度和磷吸收量随NO3--N浓度的增加而增加，地上部磷浓度以N20处理最高，N0处理最低，N0处理与N5和N10处理间无显著差异 (P＞ 0.05)；磷吸收量以 N20最大，显著高于N0和N5处理，但与N10和N15处理差异不显著。不同处理植株地上部钾浓度和钾吸收量规律与氮相近，也存在先升后降的变化趋势，钾浓度以N15处理最高，与N10差异不显著，但显著高于其余处理；钾吸收量以N10处理最高，与N15处理无显著差异，但显著高于N0和N5、N20处理。以上结果表明，本研究条件下，NO3--N 浓度在 0～20 mmol·L-1范围内可提高高羊茅植株地上部磷浓度和磷吸收量，15 mmol·L-1NO3--N高羊茅地上部氮浓度和钾浓度最高，10 mmol·L-1NO3--N高羊茅地上部氮、钾的吸收量最大。

表2 植株地下部生长状况Table 2 Growth status of roots with different concentrations of NO3--N treatments

表3 不同根系直径的根长分布Table 3 Root length distribution of different root diameters with different concentrations of NO3--N treatments cm

表4 地上部养分浓度与养分吸收量Table 4 Nutrient concentration and uptake in shoots with different concentrations of NO3--N treatments

2.4 地上部干物质与外源 NO3--N浓度的相关性分析

图1 高羊茅地上部干物质与 NO3--N浓度的相关性分析Figure 1 Correlation analysis between dry matter of shoots and NO3--N concentration

地上部干物质累积量与外源NO3--N浓度极显著相关 (P＜ 0.01)，可用一元二次函数方程模拟 (图1A)，根据此函数方程可知，NO3--N 浓度为 11.2 mmol·L-1时，地上部干物质累积量达最大，为0.36 g·pot-1。以地上部相对生长量为80%、50%计(图1B)，NO3--N浓度在地上部相对生长量 ＞ 80%时为适宜，在80%～50%为缺乏或毒害，＜ 50%表现为严重缺乏或严重毒害，因此，适宜高羊茅生长的NO3--N浓度范围为4.3～18.2 mmol·L-1，NO3--N 浓度在 0.2～4.3 mmol·L-1和 ＜ 0.2 mmol·L-1分别表现为缺乏或严重缺乏的情况，NO3--N 浓度在 18.2～22.3 mmol·L-1范围内出现毒害现象，NO3--N 浓度 ＞ 22.3 mmol·L-1产生严重毒害。

3 讨论与结论

目前，生态环境安全问题被人们广泛关注，如何在提高肥料效益、保证植物健壮生长与减少肥料施用、保证环境安全问题上找到平衡点，成为施肥技术必须面对的问题，解决这一问题的关键是高效施肥，植物栽培过程中合理施用氮肥是促进植物生长、减少资源浪费、维护生态环境的重要技术措施[15]。氮肥作为草坪植物需求的大量元素，对草坪生长具有促进作用[16]。边秀举等[4]研究了不同氮、钾施用量对多年生黑麦草生长的影响，结果表明，氮肥可明显改善草坪色泽、提高草坪质量，在施肥后50 d的生长时间里，草坪的草屑积累量随施氮量的增加而显著增加。钱永生等[2]报道，尿素用量为每亩 (约合 667 m2)15 kg 的情况下，沟叶结缕草(Zoysia matrella)生长最佳，表现为叶绿素含量最大，草坪草色泽鲜绿，生长茂盛，但如果用量过大，植物生长就会受到抑制，降低抵抗病害和抗寒能力。在玉米(Zea mays)上的研究结果证明，过量施用氮肥增加了植株对干旱的敏感性，加快了干旱胁迫下玉米叶片的衰老进程[17]。

植株地上部与地下部相互促进又相互制约，适宜的氮肥用量可提高植物地上部生长质量，也可促进根系的健壮生长。根系具有很大的可塑性，其生长与分布受环境中养分供应数量和形态的调控[18-19]。郭芸珲等[20]通过水培试验研究了菊花(Chrysanthemumsp.)扦插生根苗生长对硝态氮的响应，结果表明，硝态氮处理第7天，根系的NO3--N含量和侧根发育基因CmANR1的相对表达量达到高峰，菊花根系的总根长、平均直径、总表面积等均显著增加。黄保崴等[21]采用盆钵培养的方法，研究了黄瓜(Cucumis sativus)幼苗根系生长对氮素用量及氮形态的响应，表明黄瓜幼苗的根长与播种前和移栽前基质无机氮的含量与形态显著相关，播前基质NO3--N 含量为 424 mg·kg-1时，对植株幼苗根系伸长产生抑制作用最大。

本研究采用盆钵培养的方法，研究了外源硝态氮不同用量情况下高羊茅的生长状况，结果表明，硝态氮用量显著影响了高羊茅植株株高和地上部干物质累积量，外源NO3--N 浓度为 15 mmol·L-1时，高羊茅植株最高，10 mmol·L-1干物质累积量最大。随NO3--N浓度的增加，地下部干物质累积量、根长、根表面积均呈下降趋势，高浓度的NO3--N (20 mmol·L-1)对根系生长具有明显的抑制作用，这与郭芸珲等[20]报道的外源NO3--N浓度在10 mmol·L-1情况下促进菊花根系生长以及黄保崴等[21]得出的较高浓度的氮素对根系生长有抑制作用的结论不完全相同，可能与供试植物的类型和试验条件有关。本研究中，NO3--N浓度显著影响根直径在 0.08～0.30 mm 和 ＞ 0.90 mm 范围内的高羊茅的根系长度，并且影响地上部氮、磷、钾养分的浓度及吸收量。高羊茅地上部干物质累积量与NO3--N浓度显著相关，以地上部相对生长量为80%计，适宜高羊茅生长的NO3--N浓度范围在4.3～18.2 mmol·L-1，因此，4.3 mmol·L-1的 NO3--N浓度可作为高羊茅草坪养护管理过程中合理施用氮肥和管理的参考。

综上所述，外源硝态氮供应水平显著影响了高羊茅的生长及养分吸收状况。根系各形态指标(平均根系直径除外)随硝态氮浓度的升高而降低，但适宜的硝态氮浓度有利于地上部生长及地上部养分的累积。高羊茅生长环境中硝态氮浓度过高，对植株产生毒害，过低不利于形成健壮植株，氮素浓度的合理供应是高羊茅生长过程中的重要管理技术之一。由于本研究在盆钵栽培条件下进行，而生产中氮肥种类较多，且氮在土壤中的转化过程复杂，实际草坪养分管理中氮肥的适宜用量与施用技术有待于进一步研究。