2017, Vol. 38
根系是植物吸收水分、养分的重要器官，植物根系的生长与地上部的生长紧密相关，地上部生长所需的水分和矿物质主要由根系供应，其对地上部生长发育和籽粒产量形成具有重要影响[1-2]。由于根系生长在地下，给研究工作带来不便，根系伤流是根系活力的重要体现，因此可以通过伤流液的数量和成分分析，反映根系吸收、转运物质的基本情况[3]。Morita等[4]认为根系伤流量是反映根系活动能力强弱的重要指标，不同作物的伤流强度不同，伤流液中的养分主要是根系吸收的结果。目前对水稻、小麦和马铃薯等研究表明，伤流液质量与作物产量呈极显著正相关关系，尤其生育后期根系活力对作物产量影响更显著[5-7]。李国强等[8]研究发现玉米在上午时的根系伤流量与作物产量呈显著正相关。Cui等[9]研究发现，大豆叶片净光合速率的变化与根系生理活性密切相关，与根系活力变化趋势相同。以上研究表明大豆的根系伤流和作物产量可能存在关联，通过测量根系伤流情况来研究根系生理活动，可以作为预测作物产量的重要指标。
大豆是喜磷且需氮量多的作物，氮素运输需通过根系活动进行，其所需氮素除了来自土壤和肥料，还可以通过根瘤菌进行共生固氮，后者能满足大豆氮素需求的50%~60%[10]。Osaki等[11]研究超高产大豆时提出根系比氮率(根系每天每克干物质中所含氮的毫克数)是大豆超高产的重要生理指标。孙庆泉等[12]研究玉米根系伤流液时发现，随着品种更替，根系对矿质元素的吸收速率逐渐增大。根系伤流液中的氮素及养分元素含量水平可以反映大豆根系吸收利用养分的情况，氮素通过自身形态和对介质酸度的综合效应来影响作物对各养分元素的吸收[13]，氨基酸含量可以间接反映根系的合成能力[14]。本研究以不同产量水平大豆品种为材料，比较生育后期根系伤流强度及伤流液中氮素及养分元素含量的差异，分析大豆对氮素及养分元素的吸收和利用规律，进一步探索大豆品种地下部与地上部的协同作用，指导大豆合理施肥，提高大豆产量和改善作物品质，为大豆高产品种选育及栽培提供一定的理论参考。
1 材料与方法 1.1 试验地点与材料试验于2014和2015年(5—10月)在吉林农业大学作物研究中心基地进行。土壤类型为黑壤土，肥力中等，土壤有机质26.9 g·kg–1、全氮1.64 g·kg–1、全磷0.86 g·kg–1、碱解氮120 mg·kg–1、速效磷16.1 mg·kg–1、速效钾122 mg·kg–1，pH 6.87。供试材料为9个不同产量水平的大豆Glycine max (L.) Merr.品种 (表1)，由吉林农业大学作物研究所和吉林省农业科学院大豆研究所提供。
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表 1 不同产量水平的大豆品种 Table 1 The soybean cultivars with different yield levels |
试验采取单因素随机区组试验设计，3次重复。2年均于5月6日播种，人工点播，每个品种种植5行作为1个小区，行长5 m，行距0.65 m，小区面积16.25 m2，总计27个小区，密度2×105 株·hm–2。各品种苗期进行间苗、定苗，采取常规大田栽培技术及田间管理措施。9月28、29日统一收获，取中间3行，去除每行两端各0.5 m的大豆籽粒产量为小区产量，根据小区产量计算每公顷产量。
1.3 取样和样品测定根系伤流液收集：取样前将大豆子叶节附近用蒸馏水洗净擦干，剪断地上部分，套上已称质量(m1)装有脱脂棉的密封塑料套，并将其扎紧，收集2 h (9:00—11:00) 后取下称质量(m2)，将脱脂棉中的汁液离心收集，用于测定每个品种根系伤流强度、伤流液中总氮、硝态氮、铵态氮、氨基酸以及磷、钾、钙和钠的含量。分别于开花期 (R2期)、结荚期 (R4期) 和 鼓粒期 (R6期)[15]取样，3次重复。
伤流强度=(m2−m1)×2。
总氮含量用凯氏定氮法[16]测定，硝态氮(NO3––N)含量用水杨酸法[16]测定，铵态氮(NH4+–N)含量用靛酚蓝比色法[17]测定，氨基酸(AA)含量用水合茚三酮法[16]测定，P含量用钼酸铵比色法[18]测定，K、Ca、Na含量用原子吸收分光光度法[16]测定。
1.4 数据处理利用DPS7.05统计软件和Microsoft Excel 2007进行数据处理及统计分析，按Duncan’s法进行多重比较。对2年的试验数据统计分析发现，同一品种各指标变化在年际间差异不显著，因此，将2年数据合并分析，文中数据为2014和2015年的平均值。
2 结果与分析 2.1 不同生育时期根系伤流强度的变化从图1可以看出，不同产量水平的大豆品种根系伤流强度，在3个生育时期内表现出相似的变化规律，由R2期到R4期逐渐增大，R4期达到最大值，R6期降至最低。籽粒产量水平与伤流强度在R4期呈极显著正相关(r=0.765**)，在R2和R6期相关性不显著。R2期各品种根系伤流强度表现为高产品种>低产品种>中产品种，高产品种比低产品种高3.5%，差异不显著，比中产品种高15.8%，差异显著(P<0.05)；R4期根系伤流强度以高产品种最大，其次中产品种，低产品种最小，高产品种比中产品种高19.1%，差异显著(P<0.05)，比低产品种高48.7%，差异极显著(P<0.01)；R6期高产品种根系伤流强度比中产品种高5.3%，差异不显著，比低产品种高19.8%，差异显著(P<0.05)。高产大豆品种具有较高的伤流强度，表明其生育后期根系代谢旺盛。
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图 1 不同产量水平大豆品种根伤流强度的比较 Figure 1 Comparison of root bleeding intensities of soybeans with different yield levels 相同生育期、不同柱子上凡是有一个相同小、大写字母者，分别表示在0.05、0.01水平差异不显著(Duncan’s法)。 |
2.2.1 不同生育时期根系伤流液总氮含量比较 从不同产量水平大豆根系伤流液总氮含量的变化来看(图2)，植株开花后，随着生育进程的推进，伤流液总氮含量逐渐降低，R2期最高，R6期最低。高产品种根系伤流液总氮含量在R2和R4期极显著高于中、低产品种(P<0.01)，在R6期显著高于中产品种(P<0.05)，极显著高于低产品种(P<0.01)，籽粒产量水平与伤流液中总氮含量在R2和R4期呈显著正相关(r分别为0.482* 和0.588*)，在R6期相关性不显著。在R2期，高产品种根系伤流液总氮含量比中、低产品种分别高39.2%和49.7%，差异极显著(P<0.01)；在R4期，高产品种根系伤流液总氮含量比中、低产品种分别高34.5%和81.1%，差异极显著(P<0.01)；在R6期，高产品种根系伤流液总氮含量比中、低产品种分别高21.9%(P<0.05)和91.8% (P<0.01)。高产大豆品种根系含氮化合物含量高于其他品种，表明其在整个生育后期根系对氮素的有效吸收利用能力较强。
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图 2 不同产量水平大豆品种根系伤流液中总氮含量的比较 Figure 2 Comparison of total nitrogen contents in root bleeding sap of soybeans with different yield levels 相同生育期、不同柱子上凡是有一个相同小、大写字母者，分别表示在0.05、0.01水平差异不显著(Duncan’s法)。 |
2.2.2 不同生育时期根系伤流液硝态氮(NO3––N)含量比较 图3表明，根系伤流液NO3––N含量在不同生育时期的变化规律与总氮含量相似，随着生育进程的推进，伤流液NO3––N含量逐渐降低。相同生育时期根系伤流液NO3––N含量中产品种>高产品种>低产品种，NO3––N含量与籽粒产量水平在R2和R4期呈显著正相关(r分别为0.480* 和0.398*)。R2期高产和中产品种NO3––N含量比低产品种分别高21.9%和26.8%，差异显著(P<0.05)；R4期高产和中产品种NO3––N含量比低产品种分别高18.4%和25.2%，差异显著(P<0.05)；R6期高产和中产品种NO3––N含量比低产品种分别高19.3%和24.0%，差异显著(P<0.05)。高产和中产品种各时期NO3––N含量差异均不显著。
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图 3 不同产量水平大豆品种根系伤流液中NO3––N含量的比较 Figure 3 Comparison of nitrate nitrogen content in root bleeding sap of soybeans with different yield levels 相同生育期、不同柱子上凡是有一个相同小写字母者，表示在0.05水平差异不显著(Duncan’s法)。 |
2.2.3 不同生育时期根系伤流液铵态氮(NH4+–N含量比较 图4表明，在整个生育后期根系伤流液NH4+–N含量的变化规律与总氮和NO3––N有差异，随着生育进程的推进，低产和高产品种根系伤流液NH4+–N含量呈下降趋势，而中产品种呈先升高后下降的趋势。NH4+–N含量与籽粒产量水平呈负相关，但相关性不显著。在R2和R4期，根系伤流液NH4+–N含量较高，R6期NH4+–N含量明显降低。不同产量水平大豆品种在不同生育期的根伤流液NH4+–N含量变化规律不同，R2期高产品种NH4+–N含量比中产品种高13.0% (P<0.05)，高产和中产品种NH4+–N含量比低产品种分别低36.9%和44.2%，差异极显著(P<0.01)；R4期高产品种NH4+–N含量比中产和低产品种分别低12.1%和12.5%，差异显著(P<0.05)，中产品种NH4+–N含量比低产品种低0.5%，差异不显著；R6期高产、中产和低产品种三者之间NH4+–N含量差异不显著。
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图 4 不同产量水平大豆品种根系伤流液中NH4+–N含量的比较 Figure 4 Comparison of ammonium nitrogen contents in root bleeding sap of soybeans with different yield levels 相同生育期、不同柱子上凡是有一个相同小、大写字母者，分别表示在0.05、0.01水平差异不显著(Duncan’s法)。 |
2.2.4 不同生育时期根系伤流液氨基酸(AA)含量比较 图5表明，在整个生育后期，随着生育进程推进，根系伤流液AA含量呈逐渐降低的变化趋势。高产品种根系伤流液AA含量均高于中、低产品种，AA含量与籽粒产量水平呈正相关，R2期达到显著水平(r=0.640*)，R4期达到极显著水平(r=0.824**)。R2期高产品种AA含量比中产和低产品种分别高66.7%和81.9%，差异极显著(P<0.01)；R4期高产品种AA含量比中产和低产品种分别高43.7%和135.7%，差异极显著(P<0.01)；R6期高产和中产品种AA含量比低产品种分别高28.5%和25.5%，差异显著(P<0.05)，高产品种AA含量比中产品种高2.4%，差异不显著。高产大豆品种根系伤流液中AA含量较高，可能是高产大豆根系对AA合成能力更强所致。
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图 5 不同产量水平大豆品种根系伤流液中AA含量的比较 Figure 5 Comparison of amino acid contents in root bleeding sap of soybeans with different yield levels 相同生育期、不同柱子上凡是有一个相同小、大写字母者，分别表示在0.05、0.01水平差异不显著(Duncan’s法)。 |
由表2可见，3个产量水平大豆品种根系伤流液中P、K含量变化规律相同，随生育期的推进均呈单峰曲线变化，从R2期开始增加，到R4期达到最大值，之后又开始下降，整个生育后期根系伤流液中P、K含量，高产品种>中产品种>低产品种。P含量与籽粒产量水平呈正相关，R2期达到极显著水平(r=0.801**)，R4期达到显著水平(r=0.512*)。R4期高产品种P含量比中产和低产品种分别高10.3%和16.5%，差异显著(P<0.05)；R6期3个产量水平大豆品种间根系伤流液P含量差异显著(P<0.05)，高产品种比中产和低产品种分别高11.7%和16.3%。高产品种根系伤流液中K含量均高于中产和低产品种，且在R6期三者间差异达到显著水平(P<0.05)，高产品种K含量比中产和低产品种分别高9.3%和15.6%；R4期高产品种与中产和低产品种间K含量差异显著(P<0.05)，高产品种比中产和低产品种分别高10.3%和11.2%。K含量与籽粒产量水平呈正相关，且在R2和R4期达到显著水平(r=0.554*，r=0.512*)。
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表 2 不同产量水平大豆品种根系伤流液中养分元素含量的比较1) Table 2 Comparison of nutrient element contents in root bleeding sap of soybeans with different yield levels |
3个产量水平大豆品种在不同生育期的根系伤流液中Ca含量与P、K含量具有相似的变化趋势，呈现先升高后下降的变化，R4期最高，R6期最低(表2)。高产品种整个生育后期根系伤流液中Ca含量均保持较高水平，高于中、低产品种。Ca含量与籽粒产量水平在R2期呈显著正相关(r=0.606*)，在R4和R6期相关性不显著。R4和R6期3个产量水平大豆品种间Ca含量差异显著(P<0.05)，R4期高产品种Ca含量比中产和低产品种分别高2.5%和12.5%，R6期高产品种Ca含量比中产和低产品种分别高12.1%和6.6%。3个产量水平大豆品种根系伤流液中Na含量随生育期变化的规律性不明显(表2)，Na含量与籽粒产量水平相关性不显著。R6期高产品种根系伤流液中Na含量显著高于中产和低产品种，R2和R4期高产品种根系伤流液中Na含量均比中产和低产品种低，且3个产量水平大豆品种间差异显著。
3 讨论与结论 3.1 大豆产量与根系活力的关系周蓉等[19]认为，根系的生长发育除受土壤环境、气候条件和栽培措施影响外，自身遗传因素也进行着调控，根系对产量的影响是复杂、间接的生理过程，根系性状与产量性状密切相关，大豆根系性状可以作为高产间接选择指标之一。孙彪等[20]研究表明，随着大豆品种的遗传改良，植株地上部生物量增加明显，同时根系伤流量也显著提高，二者均衡增长协同进化。Guan等[21]认为，适当的翻耕和旋耕措施能增加玉米根系生物量和伤流量，显著提高植株生物产量和籽粒产量。Zhang等[22]的研究结果也表明，水稻较高的根系活力能明显提高灌浆期籽粒的灌浆速率，根系活力与灌浆速率具有显著正相关性。本研究表明，随着生育进程推进，3个产量水平大豆品种的根系伤流强度在结荚期达到最大，该时期产量与伤流强度呈极显著正相关，而后伤流强度呈下降趋势，说明大豆在生殖生长后期根系活力下降，但高产大豆品种根系后期仍具有较高的伤流强度和较旺盛的根系生理活动。
3.2 不同产量水平大豆品种根系氮素累积的差异植物利用的氮源主要是无机氮化物，尤其又以NO3––N和NH4+–N为主，不同作物对二者的吸收利用能力有所差异。大豆根系伤流液中NO3––N和NH4+–N含量变化是其根系吸收氮素能力和氮代谢状况的直接反映，根系伤流液中AA/NO3––N比值直接反映根部活性的高低和植株对NO3––N的吸收和利用能力[23]。Schj
为了保证大豆高产和稳产，必须施用大量的矿质元素，根系通过矿质元素的吸收来控制植株个体和群体的生长发育[26]；籽粒产量的提高是品种更替的核心，高产品种需要合成和贮藏更多的生物产量，其根系一定具有更强的吸收能力[27]。矿质营养是植物生长发育所必需的，矿质元素肥料的施用促进农业高产，大多数作物产量与它们吸收肥料的数量呈线性关系[28]。本研究发现，大豆整个生育后期根系对P、K的吸收符合S型曲线，其积累都呈现“慢–快–慢”的过程，高产大豆品种根系对P、K的吸收、运输能力较强。在开花期和结荚期，伤流液中P、K含量与大豆产量呈显著或极显著正相关。高产大豆品种整个生育后期根系伤流液中P、K、Ca含量较高，表明其具有较强的根系活力且通过根系从土壤中摄取养分数量显著高于低产品种，高产品种根系衰老进程显著落后于低产品种，这与刘莹等[29]研究一致。较高的根系活力能改善植株生长发育状况，提高叶片光合性能，增加干物质积累，这是高产形成的重要原因之一。3个产量水平大豆品种均在结荚期对养分元素需求量较大，结荚期吸收P、K、Ca可能对籽粒形成效率的影响最大，P、K吸收相互促进，P、K能够促进作物根系对NO3––N的吸收转化及运输；Ca可以提高根系硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶等活性，增加氮素的积累，植物在逆境胁迫下Ca能提高植物的抗逆性。高浓度的Na对植物生长有害，但植物的生长也需要一定量的Na，Na能提高根系渗透吸水能力，此外低水平的Na对许多C3植物生长是有益的。高产大豆品种开花期和结荚期根系伤流液中Na含量低，成熟期Na含量较高，说明根系生育后期还具有较强的Na元素吸收和运输能力，这也从侧面反映了高产大豆生育后期对逆境的适应能力较强。
综上所述，高产大豆的遗传改良显著提高了大豆品种根系伤流强度及伤流液中氮素和养分元素的含量，高产大豆品种开花期根系氮素含量最高，氮代谢最为旺盛，结荚期、鼓粒期次之。与中、低产大豆品种相比，高产大豆品种在整个生育后期一直具有较高的根系活力，保持根系对土壤中P、K和Ca等养分元素的高效吸收和利用，根系衰老进程延缓，这可能是高产大豆品种产量高的主要原因。
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