不同氮效率小麦品种根系特征及根际土壤酶活性的分析

宋晓 张珂珂 黄晨晨 黄绍敏， * 岳克 张志标 郭斗斗 郭腾飞

（1河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所∕河南省农业生态环境重点实验室，河南 郑州 450002；2夏邑县土壤肥料工作站，河南 商丘 476400）

小麦（Triticum aestivumL.）是我国重要的粮食作物之一［1］，小麦的产业发展直接关系到我国的粮食安全和社会稳定［1］。自2004年以来，我国小麦连年增产，但增产的同时也伴随着氮肥的过量施用及肥效下降［2］。过量的氮素通过氨挥发、硝化反应、淋溶及地表径流等造成氮损失和面源污染［3-4］。基于经济效益和生态环境保护的双重要求，提高小麦氮肥利用效率成为研究热点，而筛选和培育氮高效型小麦品种是提高氮素利用效率的重要途径［5］。作为氮素吸收利用的主要捕获器官，根系的生长发育、形态结构及其在土壤中的时空分布等影响小麦对氮素的吸收利用［6-7］。根系是连接植株地上部分和土壤的重要器官，具有支撑和固定植物，以及从土壤中吸收水分和养分的双重功能［8］。根系形态及生理特性的表现受环境及基因的共同影响［9］。不同作物或同一作物不同品种间根系吸收能力存在差异［10］。前人研究不同氮效率基因型小麦根系对NO3-、NH4+的吸收动力学特征发现，氮高效基因型小麦对NO3-、NH4+的吸收具有明显优势［11］。氮高效小麦根系具有较强的吸收和生理代谢能力，有利于小麦对氮素的吸收，是实现氮高效的基础［12］。

土壤中的养分和酶都是作物生长不可或缺的因素，各因素良好的协同作用有利于提高作物氮效率［13］。土壤酶主要来源于微生物和植物根系的分泌物及动植物残体释放的酶，参与土壤肥力的形成和演化过程，是土壤中具有生物活性的蛋白质［14］。酶活性因土壤质地和作物种类不同而有较大差异［13-14］。前人对作物氮效率研究主要集中在氮素的吸收、还原同化、积累和分配等方面［11-12，15］，关于不同氮效率小麦品种的根系特征和土壤酶活性的研究较少。因此，本研究利用30年的长期定位试验平台，采用27个小麦品种进行大田试验，在前期筛选试验的基础上，选择氮效率有显著差异的小麦品种，综合分析不同基因型小麦根系吸收特性与根际土壤酶活性的差异，探索小麦氮素高效吸收利用的生理机制，以期为氮高效型小麦品种的选育和高效栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018—2019和2019—2020年度在全国潮土 肥 力 和 肥 料 效 益 长 期 监 测 试 验 站（113°41´E，35°00´N）实施。试验地地处黄淮海平原，处于热带向暖温带过渡地带，属于大陆性季风气候，年平均降水量为645 mm，平均日照长12 h，平均气温14.4 ℃，无霜期224 d。供试土壤为潮土，土壤地力均匀，0～30 cm耕层土壤基础肥力为：有机质含量14.3 g·kg-1、碱解氮含量81.4 mg·kg-1、有效磷含量14.1 mg·kg-1、有效钾含量88.4 mg·kg-1、全氮含量0.8 g·kg-1。

1.2 供试材料

供试小麦材料详细信息见表1。

表1 小麦品种（系）名称及缩写Table 1 Wheat variety （line） name and abbreviation

1.3 试验设计

1.3.1 试验1：不同氮效率小麦基因型的筛选 27个供试小麦品种分别于2018年和2019年10月中旬播种，播种量为150 kg·hm-2。采用裂区设计，氮肥处理为主区，品种为副区。供氮水平为2个：不施氮肥N0（0 kg N·hm-2）、正常施氮肥N1（165 kg N·hm-2）。试验小区为随机排列，每个小区面积为6 m×9 m=54 m2，行距20 cm，重复3次。所用氮肥为尿素（含N 46%），磷肥为磷酸二氢钙（含P2O512%）687.5 kg·hm-2，钾肥为硫酸钾（含K2O 57%）144.74 kg·hm-2。氮肥基追比为1∶1，追肥于返青期开沟施入，磷肥和钾肥在播前作为基肥一次性施入，其他栽培措施同一般高产田管理。

1.3.2 试验2：不同氮效率小麦根系特征与酶活性的差异 在试验1品种筛选的基础上，以氮高效小麦品种郑麦113、偃高21和氮低效小麦品种丰德存5号、周麦27为材料，于2020年10月中旬播种。设置N0和N1两个处理（与试验1相同），其他试验设计和栽培管理措施与试验1相同。

1.4 测定项目与方法

1.4.1 根系活力测定 取样时期分别为返青期、拔节期、孕穗期、灌浆期、成熟期，选取长势一致、有代表性的麦行，以麦行为中心，向左右行间各延伸10 cm，取长、宽各20 cm，深30 cm的土块，将挖取的土块装于70目的筛网袋中，用流水缓慢冲洗根部，将洗干净的小麦根系装入冰盒，用于测定根系活力。根系活力的测定采用改良2,3,5-氯化三苯基四氮唑（2,3,5-triphenyltetrazolium chloride，TTC）还原法［16］。

1.4.2 根系形态测定 取样时期分别为越冬期、孕穗期、灌浆期和成熟期。取样方法同1.4.1。将准备好的小麦根系放入装有少量水的有机玻璃盘上，用镊子小心将每条根展开，使根与根之间不交叉、不重叠，使用Epson Expression 10000XL根系扫描仪（日本Epson公司）对所有根系进行图像扫描。再利用WinRHIZO根系分析系统（加拿大Sainte Foy公司）分析得到根长、根表面积（root surface area，RSA）和根体积（root volume，RV）等形态学指标［17］。

1.4.3 生物量测定 将1.4.1中除去测定根系活力剩余的部分根系与地上部鲜样共同放置于恒温箱内，105 ℃杀青20 min，然后80 ℃烘干至恒重，计算生物量。1.4.4 植株氮含量测定 将1.4.3中地上部干样粉碎，采用H2SO4-H2O2消煮法（水杨酸-锌粉还原法、蒸馏后滴定法）［18］测定植株氮含量。按公式计算以下各指标：

式中，N为植株氮含量（%）；V为盐酸体积变量（mL）；M为样品质量（g）。

1.4.5 籽粒产量测定 于成熟期在每小区取1 m双行代表样段，人工收割脱粒，自然晒干称重，计算籽粒产量。

1.4.6 根际土壤酶活性测定 分别于越冬期、孕穗期、灌浆期和成熟期采集土样。每个试验小区内随机选取3个点，将植株连根挖出，采用抖土法收集根际土（根系周围0～5 mm）［19］，于4 ℃条件下保存并尽快带回实验室，过2 mm筛后，除去根系残体，用于测定根际土壤β-葡萄糖苷酶（B-glocusidase，BG）、亮氨酸氨基肽酶（lamiopeptidase，LAP）和多酚氧化酶（pholyphenol oxidase，POX）活性。

土壤BG和LAP活性采用微孔板荧光法［20］测定，土壤POX活性采用微孔板比色法［21］测定。根据测定原理，使用Labsystems Multiskan酶标仪（芬兰Labsystems公司）在特定波长下读取吸光值，通过测定吸光值升高速率来计算各种土壤酶活性。所得结果统一单位为nmol·g-1·h-1，即每小时每克鲜土分解相应底物产生特定产物的量。

1.5 数据处理与统计分析

采用Microsoft Excel 2010、SPSS 20.0等软件进行数据 处理。通过OriginPro 8.1、Microsoft Excel 2010与Microsoft PowerPoint 2010软件绘制图表。

2 结果与分析

2.1 不同基因型小麦氮效率差异

2.1.1 不同基因型小麦氮生理利用效率的差异 由图1可知，2018—2019年27个小麦品种的氮生理利用效率平均值为41.07%，其中郑麦113、偃高21和西农511居前3位，氮生理利用效率为49.23～51.78%；丰德存5号、周麦27和豫资3号居后3位，氮生理利用效率为23.57～27.74%。2019—2020年，27个小麦品种的氮生理利用效率平均值为41.41%，其中郑麦113、偃高21和洛麦31居前3位，氮生理利用效率为48.35～50.04%；丰德存5号、周麦27和豫资3号居后3位，氮生理利用效率为28.34～33.12%。综合2年试验结果，郑麦113和偃高21的氮生理利用效率较高；丰德存5号和郑麦27的氮生理利用效率较低。

图1 2018—2019和2019—2020年不同基因型小麦氮生理利用效率Fig.1 Physiological use efficiency of nitrogen fertilizer of wheat genotypes in 2018—2019 and 2019—2020

2.1.2 不同基因型小麦氮素吸收利用的差异（成熟期） 为了进一步探讨不同基因型小麦的氮素吸收利用特征，选取成熟期氮生理利用效率较高的郑麦113、偃高21和氮生理利用效率较低的丰德存5号和周麦27进行氮利用效率和氮吸收效率分析。由表2可知，N0处理下小麦的氮利用效率高于N1。与N1处理相比，2018—2019年度N0处理下郑麦113、偃高21、丰德存5号和周麦27的氮利用效率分别提高了23.87、25.23、18.92和13.59个百分点；2019—2020年度分别提高了9.75、12.48、15.06和14.45个百分点。同一处理不同基因型小麦氮利用效率不同，N1处理下，郑麦113和偃高21的氮利用效率显著高于丰德存5号和周麦27，而郑麦113和偃高21之间以及丰德存5号和周麦27之间差异不显著；郑麦113、偃高21和周麦27的氮吸收效率明显高于丰德存5号。

表2 不同基因型小麦的氮效率差异Table 2 Differences of nitrogen efficiency in different wheat genotypes

2.2 不同氮效率小麦的根系生理特征

2.2.1 不同氮效率小麦的根系活力 由图2可知，随着生育期的推进，不同氮效率小麦品种在N0和N1处理下的根系活力均呈先升高后降低的趋势，在孕穗期达到最大值。两种氮水平下，郑麦113和偃高21的根系活力均高于周麦27和丰德存5号。N0、N1两种氮水平下，各生育时期郑麦113和偃高21的平均根系活力比周麦27和丰德存5号的平均根系活力分别增加了16.13%～24.22%、10.22%～62.49%。N1水平下郑麦113、偃高21、丰德存5号和周麦27各生育期的根系活力平均值比N0水平下分别增加了29.71%、19.01%、25.39%和5.60%。

图2 不同氮效率小麦根系活力（2018—2020两年的平均数据）Fig.2 Root vigor of wheat with different nitrogen efficiency （average data of 2018—2020）

2.2.2 不同氮效率小麦根系形态差异 由表3可知，随着生育期的推进，两种氮水平处理下各小麦品种的总根长、根表面积和根体积呈先增加后降低的趋势，均在孕穗期达到最大值。两种氮水平各生育期下，氮高效小麦品种郑麦113和偃高21的总根长、根表面积和根体积均高于氮低效小麦品种丰德存5号和周麦27。N0水平下，各生育期郑麦113和偃高21的平均总根长比丰德存5号和周麦27的平均总根长增加了31.03%～73.10%；根表面积增加了46.85%～72.19%；根体积增加了38.00%～85.05%。而N1水平下，各生育期郑麦113和偃高21的平均总根长、根表面积和根体积分别较丰德存5号和周麦27的平均总根长、根表面积和根体积增加了22.78%～54.39%、31.78%～62.40%和11.90%～48.75%。与N1水平相比，N0水平下孕穗期郑麦113、偃高21、丰德存5号和周麦27的根长分别降低了23.97%、21.14%、31.49%和34.94%；根表面积降低了32.32%、33.53%、45.18%和31.71%；根体积降低了58.52%、34.66%、64.64%和28.34%。

表3 不同氮处理下小麦不同生育期根系形态参数的变化Table 3 Changes of root morphological parameters of wheat in different growth periods under different nitrogen treatments

2.3 不同氮效率小麦品种的土壤根际酶活性

由图3可知，从越冬期到成熟期，N1处理下土壤酶活性均高于N0处理。N1处理下，整个生育期内郑麦113、偃高21、丰德存5号和周麦27的根际土壤BG活性平均值分别比N0处理增加了52.32%、84.34%、120.86%和111.51%（图3-A、B）；POX活性分别增加了25.60%、31.08%、22.26%和27.94%（图3-C、D）；LAP活性分别增加了32.86%、25.86%、42.56%和39.78%（图3-E、F）。两种氮水平处理下，各生育期郑麦113和偃高21的土壤酶活性整体显著高于丰德存5号和周麦27（P<0.05）；不同小麦品种在各生育期的BG活性均高于POX和LAP活性。

随着生育进程的推进，两种氮水平下各小麦品种的BG和POX活性先增加后降低。N1处理下，四个品种的根际土壤BG活性平均值从越冬期的519.55 nmol·g-1·h-1增加至灌浆期的最大值758.05 nmol·g-1·h-1，至成熟期平均值又下降到599.23 nmol·g-1·h-1（图3-A）；N0处理下，四个品种的BG活性平均值在灌浆期达到最大值412.31 nmol·g-1·h-1（图3-B）。四个品种的根际土壤POX活性均在孕穗期达到最大值，其中N1处理下POX活性平均值为16.93 nmol·g-1·h-1（图3-C），N0处理下平均值为14.15 nmol·g-1·h-1（图3-D）。N1处理下，LAP活性随生育进程的推进先升高后降低，在孕穗期达到最大值（图3-E）；N0处理下，LAP活性从越冬期到成熟期逐渐降低，其中，四个品种越冬期LAP活性的平均值为52.10 nmol·g-1·h-1，成熟期的平均值为25.09 nmol·g-1·h-1（图3-F）。

图3 不同氮效率小麦根际土壤酶活性的差异（2018—2020两年的平均数据）Fig.3 Soil enzyme activities in the rhizosphere of wheat with different nitrogen efficiency （average data for the two years 2018—2020）

2.4 根系形态指标值与根际土壤酶活性的相关性分析

由表4可知，根际土壤酶活性与根系形态指标均呈正相关关系。其中根际土壤BG和POX活性均与根系活力、根长、根表面积、根体积呈极显著正相关（P<0.01）；LAP活性与根长和根体积呈极显著正相关（P<0.01），与根表面积呈显著正相关（P<0.05）。

表4 根系形态指标与根际土壤酶活性的相关性分析Table 4 Correlation coefficients between root morphological index and rhizosphere soil enzyme activity

3 讨论

3.1 不同氮效率小麦的氮素吸收利用差异

氮效率多指氮吸收和氮利用效率两个方面，氮吸收利用效率的差异不仅存在于不同物种间，而且存在于同一物种不同品种间［22-23］。小麦对氮素的吸收、利用能力存在显著的基因型差异［24］。氮高效基因型作物通常同时具有较高的氮吸收和利用能力，即较强的氮素运输和再转运能力［25］。有研究者认为，氮利用效率的差异主要来源于氮生理利用效率的差异［7］。由此推测，本研究郑麦113和偃高21氮效率高的原因可能是其氮吸收效率和氮利用效率较高，这与徐晴等［26］研究结果一致。氮低效品种周麦27虽然具有较高的氮吸收效率，但其过低的氮利用效率导致氮效率也较低。而氮低效品种丰德存5号的氮吸收效率和氮利用效率均较低。因此，氮高效小麦品种较高的氮效率依赖于氮吸收效率和氮利用效率两者的协同提高，验证了Daba等［27］的结论。

3.2 小麦根系与氮效率的关系

根系是植物吸收水分和养分的主要器官［28］。强大的根系能够促进地上部的光合作用，而充足的光合产物又为根系生长提供必须的水分和养分，地上和地下协调发展可促进作物的生长发育，从而影响作物产量［27］。研究表明，作物根系对氮素的吸收取决于根量大小和单位根系吸收能力两方面，强大的根系生物量可以满足地上部生长对养分的需求，进而提高作物生物量［29-30］；根系总吸收面积是衡量根系吸收能力的指标［31］；根系活力是根系新陈代谢能力强弱的反映，是客观反映根系生命活动（包括吸收、合成、呼吸作用和氧化力等）的重要生理指标之一［32］。本研究结果也证实了这一点。本试验结果表明，无论低氮或高氮水平下，氮高效小麦品种的根长、根表面积和根体积均大于氮低效小麦品种，同时还具有较高的根系活力，这与熊淑萍等［12］的研究结果一致。

3.3 不同氮效率小麦品种的根际酶活性

土壤酶是由动物、植物和微生物产生的，不仅是土壤中物质循环和能量转换的重要参与者，还是土壤中进行一切生化反应的催化剂。土壤酶活性可以反映土壤有机质分解和养分循环的活跃程度，是表征土壤生物多样性、生态系统功能和土壤肥力水平的重要生物学指标［33］。根际土壤酶活性的高低与土壤养分的矿化量及有机质的分解程度密切相关［34］，酶活性的提高可促进作物对养分的吸收。本研究结果表明，施用氮肥提高了土壤酶活性，这可能是由微生物通过同化利用这些施入的氮素来促进自身生长，导致产生的酶数量和种类均显著增加所致［35］。正常施氮肥和不施氮肥条件下，氮高效品种均表现出了较高的土壤酶活性，即低氮胁迫下，氮高效品种根际土壤中BG、POX和LAP依然保持较高的活性；而较高的土壤酶活性代表土壤的物质和能量转化都很强盛，从而促进了植株的良好生长，这与Ullah等［36］的研究结果一致。说明氮高效小麦品种在低氮胁迫条件下仍具有良好的适应能力。同时，根际土壤酶活性与根长、根表面积和根体积均呈正相关关系。与氮低效小麦品种相比，氮高效小麦品种的根长、根表面积和根体积明显增加，土壤酶活性增强，表明氮高效小麦品种具有更强壮的根系和更高的氮代谢酶活性，这有助于根系保持更久的活力［37］。

4 结论

本研究表明，氮高效小麦品种郑麦113和偃高21具有较高的氮素生理利用效率、氮吸收效率和氮利用效率，氮低效小麦品种周麦27虽然也有较强的氮素吸收能力，但其较低的氮素利用效率限制了植株对氮素的合理利用，不利于氮效率的提高。氮低效品种丰德存5号氮素吸收能力不足，不能满足植株地上部生长的需要，限制了氮效率的提高。氮高效小麦品种较高的根系活力、根长、根表面积和根体积促进了其对氮素的吸收，是氮高效的基础。不论施肥与否，氮高效和氮低效小麦品种的根系形态指标值与根际土壤酶活性均呈正相关关系，较高的根际土壤酶活性促进了根系对氮素的高效利用，有利于缓解氮供应不足导致的氮素营养胁迫。