摘要: 采用砂培试验方法，研究了不同氮素水平（N0、N105、N210、N315和N420）接种12531和LW107根瘤菌对甘农3号紫花苜蓿生长特性的影响。结果表明：紫花苜蓿的株高随氮素水平增加呈先增加后趋于稳定的趋势；紫花苜蓿单株叶片数、单叶面积、地上部和地下部干重、根冠比均随氮素水平的增大呈先增加后降低趋势；紫花苜蓿的根长随氮素水平的增大呈下降的趋势。总体表明，当氮素水平为210 mg/L时，甘农3号紫花苜蓿生长较好。
关键词: 紫花苜蓿；氮素水平；生长特性
中图分类号： S 551+.706文献标识码： A
文章编号： 1009-5500(2011)03-0056-05
氮素是植物体内蛋白质、核酸、叶绿素和一些激素等的重要组成部分,是构成作物生长和产量形成的首要因素[1-3]。苜蓿作为家畜饲用的重要豆科牧草，可以借助根瘤中的共生固氮菌直接吸收空气中的分子态氮。但是，苜蓿与根瘤菌的有效共生生成根瘤往往受到生态环境与肥力的影响[4]。Hannaway等[5]研究表明，土壤中的NO3-N含量低于15 mg/kg或有机质含量低于15 g/kg时，施氮肥可以提高紫花苜蓿干物质产量。Duxbury等[6]指出，苜蓿枝条的高度、单株重量和枝条数均随NH4NO3 施用量的增加而增加。而Eardly[7]认为，只有那些没有有效接种的植株在产草量和凯氏氮含量上才随NH4NO3施用量的增加而增加。可见，对已接根瘤菌的苜蓿是否需要施氮肥，施氮肥是否经济可行及需施多少氮肥的问题还有争议[8]。采用营养液砂培试验方法，以排除外部环境的干扰，对比研究不同的硝态氮浓度对接种2种不同根瘤菌紫花苜蓿生长特性的影响，为紫花苜蓿合理的氮素供应提供理论依据。
1 材料和方法
1.1 试验材料
(1)紫花苜蓿品种：甘农3号(Medicago sativa cv. Gannong No.3)，由甘肃农业大学草业学院提供。(2)供试菌株：中华根瘤菌（12531）和LW107，由甘肃农业大学草业学院提供。
1.2 试验设计与方法
1.2.1 根瘤菌培养 将上述菌株12531和LW107分别平板划线培养，挑起单菌落接种YMA培养基[9]上，在28 ℃培养箱培养72 h，用无菌水洗下根瘤菌体，装入无菌三角瓶。
1.2.2 种子处理 紫花苜蓿种子先用95%乙醇浸泡5 min，再用0.1% HgClD2溶液灭菌6～10 min，无菌水冲洗5～6次，最后用无菌滤纸吸干，备用[10]。
1.2.3 Fahraeus无氮植物营养液 组成成分为NaD2HPO4•12HD2O 0.15 g，MgSO4•7HD2O 0.12 g，柠檬酸铁0.005 g，CaClD2•2HD2O 0.1 g，KHD2PO4 0.1 g，Gibson微量元素1 mL，HD2O 1 000 mL，pH 6.5～7.0。Gibson微量元素液：H3BO3 2.86 g，ZnSO4•7HD2O 0.22 g ，CuSO4•5HD2O 0.08 g，MnSO4•4HD2O 2.03 g，NaD2MoO4•2HD2O 1.26 g，HD2O 1 000 mL[11]。
1.2.4 试验设计 采用砂培试验。选用直径7 cm、高8.5 cm的塑料杯，装入高温灭菌的粗砂250 g。每杯播种10粒已消毒的种子。每6个塑料杯为1个重复，放入水培盒中。每个水培盒装入500 mL Fahraeus无氮植物营养液。试验采用2种苜蓿根瘤菌，设5个氮素水平，分别为0、105、210、315、420 mg/L（以纯氮计），分别用N0、N105、N210、N315和N420表示，3次重复，共5×2×3=30个处理。以Fahraeus无氮植物营养液为基本营养液和Ca(NO3)D2 配制所需营养液，一次性施入。待种子发芽时，接种新培养的苜蓿根瘤菌液。处理50 d后，测定植株高度、叶片数、叶面积、干重等指标。
1.3 测定指标与方法
植株高度采取单个植株，用直尺直接测量；根系长度采用直尺测量根系主根的长度(从根尖到根茎结合处)；植株干重用滤纸吸干地上部和地下部水分，放入烘箱105 ℃下杀青30 min，再在65～75 ℃下烘干至衡重，称其干重；叶片数取单个植株，读出叶片数；叶面积描形称重法[12]。
1. 4 数据统计分析
采用Excel 2003、DPS 2000 软件对数据进行统计分析。
2 结果与分析
2.1 不同氮素水平对紫花苜蓿株高的影响
随着施氮量的增加，紫花苜蓿株高呈现先迅速增加，然后趋于稳定的变化趋势。接12531和LW107根瘤菌的紫花苜蓿在供氮处理下的株高均高于N0处理，分别较N0处理，增加了60.6%、55.8%、54.8%、54.8%和82.8%、80.5%、92%、92%。方差分析表明，对于接种2种根瘤菌紫花苜蓿的株高，不供氮处理和供氮处理间差异显著，而供氮处理之间差异不显著(图1)。说明适当供氮能明显促进植株生长高度，但过多的氮对植株生长高度的影响不明显。而2种根瘤菌菌株对氮素的响应，在紫花苜蓿株高上的表现基本一致。
2.2 不同氮素水平对紫花苜蓿叶片数和叶面积影响
对于接种12531和LW107的紫花苜蓿，单株叶片数均呈现低-高-低的单峰曲线变化趋势，且以N210处理，单株叶片数量最多。在氮素供应下，接种2种根瘤菌紫花苜蓿的单株叶片数量均高于不供氮处理。当氮素水平大于210 mg/L时，氮素水平的增加对接种LW107紫花苜蓿叶片数的抑制幅度大于接种12531紫花苜蓿(图2)。
而紫花苜蓿的单片叶面积在不同供氮水平下的变化趋势与单株叶片数的变化趋势相一致，且供氮各处理下的单株叶面积均分别显著高于不供氮处理（图3）。接种了12531紫花苜蓿的单株叶面积在N210水平达到最大值，接种了LW107紫花苜蓿的在N315处理下达到最大值，但是低于接种12531紫花苜蓿的单株叶面积的最大值。说明不同的菌株对氮素水平的感应不同。叶片数和叶面积在不同供氮水平的变化趋势相似，可以说明叶片的生长需要一定的氮素营养，适量供氮可以促进叶片的生长，氮素供应不足或过量时都会抑制叶片的生长。
2.3 不同氮素水平对紫花苜蓿根长的影响
随着氮素水平的增加，紫花苜蓿根系长度呈现降低的趋势(图4)。接种12531紫花苜蓿根系长度较N0处理，分别下降了2.5%、11.2%、23.8%、45.2%；接种LW107紫花苜蓿根系长度较N0处理，分别下降了35.8%、49.4%、59.9%、61.5%。表明供氮对接种2种根瘤菌甘农3号的根系长度均有显著地抑制作用，氮素水平越高对根系长度的抑制越大，其抑制作用与氮素浓度呈正相关。但在氮素浓度低于315 mg/L时，随着氮浓度的增加，接种LW107紫花苜蓿的根系长度的下降幅度显著大于接种12531。王强盛等[13]研究了施氮量对水稻根长的影响，结果也证实了此观点。
2.4 不同氮素水平对紫花苜蓿生物量的影响
2.4.1 不同氮素水平对根干重的影响 供氮影响紫花苜蓿根系的生长。随供氮水平增加，根干重呈现先增加后减少的单峰变化趋势。接种12531紫花苜蓿和接种LW107紫花苜蓿的根干重变化趋势均为N210＞N315＞N420＞N105＞N0(表1)。接种12531紫花苜蓿根干重在N210处理下与其他处理差异显著；而接种LW107紫花苜蓿在供氮处理下根干重与无N处理之间差异显著，供N处理之间差异不明显。接种LW107紫花苜蓿在供氮处理下根干重大于接种12531紫花苜蓿。说明供氮有利于紫花苜蓿根系的生长，但过高的氮素供应则抑制根系生长发育。杨琼博[14]的研究结果与此相一致。
2.4.2 不同氮素水平对地上部干重的影响 供氮影响紫花苜蓿地上部干重，地上部干重随氮素水平增加，呈先增加后降低的趋势(表1)。接种12531紫花苜蓿地上部干重变化趋势为N315＞N420＞N210＞N105＞N0；接种LW107紫花苜蓿的地上部干重变化趋势为N315＞N420＞N105＞N210＞N0。接种12531紫花苜蓿各处理的地上部干重之间差异不显著；接种LW107紫花苜蓿在N315处理下的地上部干重与其他处理显著差异。说明供氮有利于紫花苜蓿的生长，但过高的氮素浓度则抑制地上部生长发育。比较接种2种不同根瘤菌的紫花苜蓿地上部干重，接种LW107根瘤菌紫花苜蓿的植株生物量在供氮处理下的表现要好于接种12531。
2.4.3 不同氮素水平对根冠比的影响 随供氮量的增加，根冠比也呈现现增加后降低的单峰变化趋势(表1)。接种12531紫花苜蓿根冠比变化趋势为N315＞N210＞N105＞N420＞N0，且N210和N315处理下的根冠比显著大于其他处理；接种LW107紫花苜蓿的根冠比变化趋势为N210＞N105＞N315＞N0＞N420，且N210处理下的根冠比显著大于其他处理。接种LW107紫花苜蓿在各个处理的根冠比均大于接种12531紫花苜蓿。总体看来，低氮可以促进根系的生长，而高氮则促进地上部的生长。
3 讨论
(1)株高是反映苜蓿生长状况和决定产量的重要指标之一[15]。从紫花苜蓿植株高度不同氮素水平的变化趋势来看，适当氮素水平可以促进植株的生长。但过多的供氮对植株的生长作用不明显。紫花苜蓿的根长随氮素水平的增加而降低，供氮对紫花苜蓿的根长有显著的抑制作用，是因为无氮条件下会促进根系形态发生变化来适应环境变化。
(2)紫花苜蓿单株叶片数和叶面积随氮素水平的增加，呈现先增加后减少的变化趋势。表明适当的氮素水平，有利于植株叶片的生长，水平过高或过低都会抑制叶片的生长。综合接种2种菌株紫花苜蓿的表现，在氮素水平为210 mg/L时，紫花苜蓿的叶片数最多，单叶面积也最大。卫新菊等[16]研究表明施氮提高了苜蓿现蕾期的叶面积。因此，适当的供氮可以增加叶片数和叶面积，从而有助于苜蓿提高其光合速率，积累更多的光合产物。
(3)供氮对紫花苜蓿地上部、地下部干重和根冠比有促进作用，随着氮素的增加，紫花苜蓿呈先增加后降低的趋势，当外源氮水平较低时，因氮素供应不足，导致植株生物量较小，而氮素供应过多，又会抑制苜蓿与根瘤菌的共生固氮，从而造成生物量减少。此次试验条件，在氮素水平为210 mg/L时，接种2种菌株紫花苜蓿根干重最大，在氮素水平为315 mg/L时，接种2种菌株紫花苜蓿地上部干重最大。而供氮对菌株LW107和甘农3号共生固氮的促进作用好于菌株12531。综合上述结果，可以看出豆科植物在施氮时虽不能按其他作物一样施用，但也需要小剂量的氮素作“起爆氮”[17]。王树起等[18]在大豆上的研究也证实了这一点。
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Effects of different nitrogen levels on the growth characteristics of alfalfa inoculated with rhizobium
KUAI Jia-lin1,LIU Xiao-jing1,LI Wen-qingD2
(1. College of Pratacultural Science,Gansu Agricultural University/Key Laboratory of Grassland Ecosystem，Ministry of Education/Sino-U.S.Centers for Grazingland Ecosystem Sustainability/Pratacultural Engineering Laboratory of Gansu Province,Lanzhou 730070,China; 2. Government of Tianshui City,Tianshui 741000,China)
Abstrac: The sand culture was used to study the effects of different nitrogen levels（N0,N105,N210,N315 and N420）on the growth characteristics of alfalfa（cultivar No.3,Gannong）inoculated with rhizobia 12531 and LW107.The results showed that plant height increased firstly and then stabilized as the increase of nitrogen levels.The number and area of leaf per plant,shoot and root dry weight,root/shoot ratio,and root length increased firstly and then declined as the increase of nitrogen levels.In general,there was a good growth of alfalfa（cultivar Gannong 3）with the nitrogen level at 210 mg/L.
Key word: alfalfa；nitrogen levels；growth characteristics
注：“本文中所涉及到的圖表、公式、注解等请以PDF格式阅读”