大气氨营养对不同氮效率小麦和玉米基因型根冠特征及氮利用效率的影响

Abstract

大气NH3浓度变化对植物影响是当前国内外研究的热点问题之一，这一研究在国外开展较早，且主要集中在大气NH3浓度较高的欧洲，研究对象也以森林和草原植物单叶为主，很少涉及植株和群体，对人为投入氮肥的农田生态系统作物研究更少。国内在近几年才逐步开展该领域的研究工作，资料相对贫乏，因此，以前获得的结果对各类植物是否具有普遍性，需进一步确证。本研究采用开顶式气室（Open Top Chambers，OTCs），以不同氮效率玉米（氮高效5号，NE5；氮低效四单19，SD19）和冬小麦（氮高效基因型小偃6号，XY6； 氮低效基因型长旱58，CW58）为供试作物开展研究，试验处理包括大气NH3浓度（高NH3浓度：1000 nL L-1，符号为EAM；空气背景NH3浓度：10 nL L-1，符号为AM）、介质施氮水平（介质不施氮：-N；介质施氮：+N）和作物不同氮效率基因型（玉米：NE5和SD19；冬小麦：XY6和CW58）3个因子，采用完全方案，对每类作物共8个处理组合。通过3季作物的盆栽试验（试验Ⅰ：玉米水培；试验Ⅱ：冬小麦土培；试验Ⅲ：玉米土培），研究了大气NH3浓度升高对生长在不同施氮水平下不同氮效率基因型作物生长发育、光合特性、养分分配利用及冬小麦产量构成的影响。通过研究，获得以下主要结论：1. 试验Ⅰ、试验Ⅱ和试验Ⅲ测定结果表明，EAM处理对2种氮效率基因型总生物量（冠层＋根系）影响不明显，且不受介质施氮水平的影响，但EAM处理对作物冠层生物量存在显著影响（P&lt;0.05），说明高浓度NH3主要通过影响冠层生物量而影响作物生长，并且在促进冠层生长的同时减少了同化产物向根系的输入。并且，EAM处理对作物冠层生物量的影响作用与介质施氮水平有关，表现为+N时抑制，-N时促进。结果还表明，在介质+N条件下，EAM处理对氮低效基因型冠层生物量的抑制作用小于对氮高效基因型的抑制效应；而介质-N条件下，EAM处理对氮低效基因型冠层的促进作用显著高于对氮高效基因型的促进作用（P &lt; 0. 05），说明大气NH3浓度升高对作物的作用程度与作物对介质氮素利用能力（即基因型差异）有关。在3次试验中对根冠比（root and shoot to the ratios, R/S）的测定发现，EAM处理使作物R/S表现为下降趋势，这与冠层生物量明显增加及向根系同化产物输入减少有关；作物R/S的变化与作物种类和取样时期有关。2. 试验Ⅰ（玉米水培试验）中，大气NH3浓度升高对2种氮效率基因型各生理指标均存在显著影响（P &lt; 0. 05）。对EAM处理，生长在介质+N条件下氮高效基因型NE5的SPAD值、Pn和Gs 分别比AM处理降低7.0%、14.0% 和6.5%，氮低效SD19分别降低9.0%、11.0% 和6.9%；而生长在介质-N条件下2种氮效率玉米基因型基因型各生理指标均显著增加（P &lt; 0. 05）：NE5的SPAD值、Pn和Gs 分别增加5.7%、7.1%和17%，SD19的对应指标分别增加7.0%、11.0% 和22.0%。3次试验结果同时表明，EAM处理使玉米/小麦叶片叶绿素相对含量值（SPAD值）和叶片单位鲜重色素含量（Chla和Chlb）均比AM处理显著增加（P &lt; 0.05），这与不同基因型作物叶片氮含量增加有关。3. 在两种介质施氮条件下，大气NH3浓度升高对2种氮效率玉米基因型叶片初始荧光值（Fo）均不存在显著影响（P&gt;0.05），而玉米叶片其它荧光动力学参数受介质施氮水平和大气NH3浓度处理影响。介质+N时，EAM处理使氮高效基因型NE5最大荧光产量（Fm）和可变荧光（Fv）均显著降低(P &lt; 0.05)，而使氮低效基因型SD19的Fm和Fv值均显著增加；介质-N时，EAM处理对2种氮效率基因型叶片Fm和Fv值的影响结果与介质+N时相反。此外，在两种介质施氮水平下，大气NH3浓度升高时使2种氮效率玉米基因型非光化学猝灭系数qN和光火学系数qP值均降低，上述结果说明在EAM处理时，作物对光合机构的保护能力比AM时弱。4. 试验Ⅱ（冬小麦土培）中对成熟期冬小麦各指标的测定发现，在介质-N条件下，氮低效基因型CW58在EAM处理下，其株高、冠层生物量和籽粒产量均显著增加（P &lt; 0.05），氮高效基因型XY6虽有一定增加，但幅度很小。在介质+N条件下，CW58株高和籽粒产量在EAM时表现为显著增加（P &lt; 0.05），但XY6相应指标均降低。介质施氮时，EAM处理使氮低效基因型小麦品种籽粒产量比AM处理平均增加11.0 %，氮高效基因型小麦籽粒产量平均减少26.8 % 。方差分析进一步表明，大气NH3浓度增加显著影响冬小麦产量各构成因素（P &lt; 0.001）。5. 试验Ⅱ表明，大气NH3<span style="font-family: 宋体; font-siz