甘蔗（Saccharum sp. hybrid）是我国重要的经济作物之一,其产量稳定决定了我国食糖生产对消费市场的平衡供给。据统计,我国甘蔗种植面积近180万hm2,继巴西、印度之后居世界甘蔗种植面积第三位[1]。在实际生产中,重施氮肥是提高甘蔗产量的主要措施,但同样会引发农田土壤酸化,加剧病虫害的发生。土壤中能被植物利用的氮素主要是铵态氮（NH4+-N）、硝态氮（NO3--N）以及少量的有机氮[2]。铵态氮和硝态氮作为2种主要的无机氮源,这2种氮素会因植物种类的不同而在植物利用过程中存在差异[3]。Vinall[4]研究表明铵态氮与硝态氮同时存在,而铵态氮是甘蔗优先吸收利用的氮源。但是,Mariano等[5]的研究显示以硝酸铵的形式添加氮源时,甘蔗的产量最高。不同氮素形态在甘蔗生长发育和增产中的具体作用还有待进一步研究。吡虫啉（imidaclopid, IMI）是一种新型高效氯代烟碱类广谱杀虫剂,对甘蔗螟虫、甘蔗绵蚜、蓟马等蔗田常见害虫有较好的防治效果[6]。杜春秀[7]通过统计不同研究人员对吡虫啉防治效果,发现吡虫啉的防虫效果均超过95%。吡虫啉具极高的触杀和胃毒作用,主要作用于害虫的中枢神经系统,可通过植物的根和叶直接吸收传导[8]。同时,吡虫啉对环境安全,可推广应用于蔬菜、水果等农作物的生产[9]。冉阳[10]通过研究表明,烟碱类农药具有生物刺激素的作用,可提高作物的抗逆性。
“药肥一体化”技术是利用科技手段把保护植物生长的农药和养分供给的肥料科学组合,提高药效和肥效,同时将喷药和施肥2种农田操作合二为一,具有省时省工的特点,是未来甘蔗生产的发展方向。已有学者报道有关药肥制剂在甘蔗上的应用研究。罗应怡等[11]通过大田试验结果显示,0.3%辛硫磷药肥颗粒剂对甘蔗本身安全,能有效防治甘蔗蔗龟的同时可兼治甘蔗蔗螟、蓟马、象甲等蔗田害虫,药剂处理区甘蔗长势明显优于空白对照区;王双等[12]、李春红等[13]分别利用0.05%呋虫胺药肥混剂和0.15%噻虫嗪药肥混剂防治甘蔗害虫,结果表明,呋虫胺药肥混剂与噻虫嗪药肥混剂对甘蔗螟虫和蓟马均有较好的防治效果;谢江江等[14]对30%甜歌多功能药肥进行蔗田试验,研究表明30%甜歌多功能药肥兼具营养与杀虫双重功效,在有效控制常见蔗田害虫的同时,甘蔗产量与对照相比分别提高21.16%和22.14%。大多学者对药肥制剂处理甘蔗的研究关注点在其害虫的防效及甘蔗的产量,而对于甘蔗本身生理层面研究较少。
1 材料与方法
1.1 材料
试验选用甘蔗品种‘海蔗22号’（由广州甘蔗糖业研究所海南甘蔗育种场育成）,除吡虫啉标准品（上海源叶生物有限公司,纯度≥98%）和多菌灵（四川国光农化股份有限公司）外,硫酸铵、硝酸钾、磷酸二氢钾等化学试剂均为国产分析纯。
1.2 方法
1.2.1 试验材料培养与设计 （1）试验材料培养。材料培养于广东省生物工程研究所（广州甘蔗糖业研究所）玻璃日光温室,挑选长势均一的健康甘蔗种株,截成长短一致的单一种段,多菌灵500倍稀释液浸泡杀菌10~15 min,之后铺于填充石英砂的育苗盘中。待种苗长至20~25 cm高时转移至盛有基础营养液（改良的Hoagland营养液）的培养箱（410 mm×310 mm×145 mm）中,每个培养箱定植4株,缓苗1周,用含不同形态氮素的营养液培养甘蔗幼苗2周后在营养液中加入吡虫啉处理,营养液更换间隔期为5 d,用通气泵间歇通气（通气间隔时间为2 h,每次通气1 h）。
（2）试验设计。共设8个处理组,总体分为氮素处理（缺氮,CK;铵态氮,A;硝态氮,N;铵态氮+硝态氮,AN）与氮素和吡虫啉共处理（吡虫啉+缺氮,CK+IMI;吡虫啉+铵态氮,A+IMI;吡虫啉+硝态氮,N+IMI;铵态氮+硝态氮+吡虫啉,AN+IMI）两大组,每个处理设置4个重复,吡虫啉添加浓度为5 mg/L。营养液采用改良的1/2浓度Hoagland营养液,添加7 µmol/L双氰胺抑制硝化作用,用便携式pH计（PHBJ-260,上海雷磁）将pH调至6.0±0.1,具体试验设计及各元素用量见表1。
表1 不同处理及营养液配方Tab. 1 Different treatments and nutrient solution formula mL·L-1 |
| 处理 Treatments | CK | N | A | AN | CK+IMI | N+IMI | A+IMI | AN+IMI |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 mol·L-1 (NH4)2SO4 | 0 | 0 | 4 | 4 | 0 | 0 | 4 | 4 |
| 1 mol·L-1 KNO3 | 0 | 2 | 0 | 2 | 0 | 2 | 0 | 2 |
| 1 mol·L-1 Ca(NO3)2 | 0 | 3 | 0 | 1 | 0 | 3 | 0 | 1 |
| 1 mol·L-1 KCl | 2 | 0 | 2 | 0 | 2 | 0 | 2 | 0 |
| 1 mol·L-1 CaCl2 | 3 | 0 | 3 | 2 | 3 | 0 | 3 | 2 |
| 1 mol·L-1 KH2PO4 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 1 mol·L-1 MgSO4 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 7 mmol·L-1 C2H4N4 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 微量元素 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 铁盐 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 |
| 5 mg·L-1吡虫啉 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 |
注：营养液中微量元素组成：46.26 μmol·L-1 H3BO3、9.15 μmol·L-1 MnCl2·4H2O、0.32 μmol·L-1 CuSO4·5H2O、0.77 μmol·L-1 ZnSO4·7H2O、0.39 μmol·L-1 (NH4)6Mo7O24·4H2O,铁盐的终浓度为20.0 µmol·L-1。 | |
Note: The concentration of trace elements in nutrient solution: 46.26 μmol·L-1 H3BO3, 9.15 μmol·L-1 MnCl2·4H2O, 0.32 μmol·L-1 CuSO4·5H2O, 0.77 μmol·L-1 ZnSO4·7H2O, 0.39 μmol·L-1 (NH4)6Mo7O24 4H2O. Final concentration of iron salt is 20.0 µmol·L-1. |
1.2.2 样品采集和测定方法 （1）植株样品的采集 营养液中加入吡虫啉5 d后进行甘蔗样品的采集,分别采集甘蔗植株地上部分和根系,用去离子水将样品冲洗干净、吸水纸擦干,用于测定甘蔗各部分鲜重及根系相关指标。
（2）植株鲜重和茎径测定。用电子天平（YP5002,上海佑科仪器）分别称量甘蔗完整植株、根系及地上部鲜重。株高测量范围为茎基部至最高可见肥厚带;甘蔗直径测定范围为距茎基部5 cm处,用游标卡尺测定。
（3）根系伤流强度测定。营养液加入吡虫啉24 h后,用无菌手术刀片在距根部5 cm处切除地上部分,纯水冲洗横截面,同时将填充有脱脂棉的塑料离心管套在切除部,收集时间为12 h（早8：00—晚8：00）,为防止伤流液蒸发以及其他外部污染物进入离心管,离心管口均用保鲜膜包裹并用橡皮筋捆扎,根系伤流强度的测定采用差重法,计算公式：每小时伤流液量(mL/h) =(收集12 h后的离心管加脱脂棉的重量–收集前的重量)/12 h。
（4）根系形态指标测定。甘蔗根系形态参数采用根系扫描仪（EPSON expression 10000XL）进行扫描测定,并用根系扫描分析系统（Win RHIZO-LA2400, Canada）对根系总长度、表面积、体积及平均直径进行统计分析。
1.3 数据处理
采用IBM SPSS Statistics 20软件对试验数据进行统计学分析,采用LSD法（P<0.05）进行差异显著性分析。
2 结果与分析
2.1 不同氮素与吡虫啉处理对甘蔗株高和茎径的影响
氮素和吡虫啉对甘蔗株高和茎径的影响如表2,与缺氮（CK）相比,添加铵态氮（A）、硝态氮（N）或铵态硝态氮（AN）能显著增加甘蔗植株的株高和茎径（P<0.05）,其中株高增高了大约3倍,茎径增粗2~3倍,铵态氮对甘蔗的茎粗增效最显著。添加吡虫啉不同程度地增加了甘蔗的株高,其中缺氮和铵态氮为唯一氮源的培养条件下添加吡虫啉,植株株高增加明显;添加吡虫啉对茎径的影响不显著。以上结果表明氮素对甘蔗的生长具有明显的促进作用,不同氮素之间无显著差异;在缺氮和铵态氮为唯一氮源条件下添加吡虫啉对甘蔗地上部的生长有一定的促进作用。
表2 不同处理下的甘蔗生长情况Tab. 2 Growth of sugarcane under different treatments |
| 处理 Treatments | 株高 Plant height/cm | 茎径 Stem diameter/mm |
|---|---|---|
| CK | 77.37±3.28c | 6.62±0.36d |
| A | 212.66±4.33b | 18.07±1.21a |
| N | 209.00±19.50b | 14.46±1.22bc |
| AN | 211.67±2.97b | 14.80±0.94bc |
| CK+IMI | 99.67±4.10c | 8.04±0.94d |
| A+IMI | 247.68±5.89a | 17.16±0.64ab |
| N+IMI | 215.00±11.93b | 13.57±0.47c |
| AN+IMI | 213.66±6.93b | 16.70±1.36ab |
注：表中数据均为平均值±标准误,同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05,LSD）。 | |
Note: The data in the table are mean±standard errors, and different lowercase letters in the same column indicate significant difference between treatments (P<0.05, LSD). |
2.2 不同形态氮素与吡虫啉处理对甘蔗鲜重的影响
从表3可以看出：添加不同形态氮素能显著提高甘蔗的根部和地上部的鲜重,降低根冠比;与硝态氮、铵态+硝态氮相比,铵态氮对促进甘蔗鲜重的提高更加明显。与未添加吡虫啉的处理相比,吡虫啉与氮素共存的处理更有利于甘蔗鲜重的增加,CK+IMI处理比CK处理增加了114%,A+IMI处理比A处理增加17.69%,N+IMI处理比N处理增加46.19%,AN+IMI处理比AN处理增加29.43%,不同氮素和吡虫啉共处理对甘蔗地上部和地下部鲜重的影响顺序为：铵态氮+吡虫啉处理>铵态氮+硝态氮+吡虫啉处理>硝态氮+吡虫啉处理,且在根中差异达到显著水平（P< 0.05）。添加吡虫啉对甘蔗根冠比无显著影响。
表3 不同处理下甘蔗各部位生物量Tab. 3 Biomass of different parts of sugarcane under different treatments |
| 处理Treatments | 鲜重Fresh weight/g | 根冠比 Root to crown ratio | ||
|---|---|---|---|---|
| 整株Complete plant/g | 地下部Underground/g | 地上部Aboveground/g | ||
| CK | 15.62±1.23e | 6.14±0.88e | 9.49±1.16e | 0.68±0.16a |
| A | 226.08±17.50ab | 25.88±2.25bc | 200.19±16.41ab | 0.13±0.01b |
| N | 160.45±20.98d | 20.83±2.31c | 139.61±19.79d | 0.15±0.02b |
| AN | 172.19±14.25cd | 23.75±2.79bc | 148.44±11.72cd | 0.16±0.01b |
| CK+IMI | 33.48±3.03e | 14.20±1.58d | 19.29±1.46 e | 0.73±0.02a |
| A+IMI | 266.08±14.92a | 34.32±1.28a | 231.76±16.20a | 0.15±0.02b |
| N+IMI | 207.13±10.32bc | 28.19±1.84ab | 178.94±11.04bcd | 0.16±0.02b |
| AN+IMI | 222.86±20.16ab | 34.05±2.83a | 188.82±17.35bc | 0.18±0.01b |
注：表中数据均为平均值±标准误,同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05,LSD）。 | |
Note: The data in the table are mean±standard errors, and different lowercase letters in the same column indicate significant difference between treatments (P<0.05, LSD). |
2.3 不同形态氮素与吡虫啉处理对甘蔗根系生长发育的影响
进一步分析不同氮素和吡虫啉对根表型和根系发育的影响表明,不同氮素对甘蔗根系形态建成的影响不同（图1）。在缺氮条件下,甘蔗根趋向于纵向生长,植株的根长明显大于其他氮素处理;营养液中存在铵态氮时,根系较短,但是不定根和侧根的数目多;与铵态氮相比,硝态氮为氮源时甘蔗根系较长,但不定根数目较少。添加吡虫啉的处理组甘蔗根系生长状况均优于其对应未添加吡虫啉的处理。利用根系扫描仪对甘蔗根系的总长、表面积、平均直径及根系的体积进行统计,结果显示缺氮条件下甘蔗根系各参数最小;铵态氮和硝态氮（AN）共同作为氮源时甘蔗根系总长、根表面积和根系体积大于铵态氮或硝态氮为唯一氮源时甘蔗根系总长、根表面积和根系体积（表4）。在缺氮（CK）和以铵态氮（A）为氮源时,添加吡虫啉对甘蔗根系生长没有影响;但是,在硝态氮存在的条件下（N, AN）添加吡虫啉显著增加了甘蔗根系总长和表面积（P<0.05）（表4）。以上结果表明,氮素形态影响根系的形态建成,铵态氮和硝态氮共存有利于甘蔗根系生长;在硝态氮存在条件下吡虫啉能促进甘蔗的根系生长。
表4 不同形态氮素与吡虫啉处理下甘蔗的根系形态Tab. 4 Root morphology of sugarcane under different nitrogen and imidacloprid treatments |
| 处理Treatments | 根系总长 Total root length/m | 根系表面积 Root surface area/cm2 | 平均直径 Average diameter/mm | 根系体积 Root volume/cm3 |
|---|---|---|---|---|
| CK | 15.27±0.74d | 118.30±4.47e | 0.25±0.01bcd | 0.73±0.05d |
| A | 36.58±3.69c | 312.48±34.74bcd | 0.27±0.01abc | 2.15±0.28bc |
| N | 37.44±2.05c | 285.84±20.41cd | 0.24±0.01cd | 1.76±0.18bc |
| AN | 45.02±2.29bc | 348.75±28.42bc | 0.24±0.01cd | 2.17±0.26bc |
| CK+IMI | 24.65±2.21d | 227.09±21.17d | 0.29±0.03a | 1.69±0.19c |
| A+IMI | 40.85±1.90bc | 298.55±11.92cd | 0.23±0.02d | 1.75±0.06bc |
| N+IMI | 49.77±3.96b | 395.38±36.53b | 0.25±0.01bcd | 2.53±0.28b |
| AN+IMI | 62.94±6.13a | 546.30±56.41a | 0.28±0.02ab | 3.83±0.45a |
注：表中数据均为平均值±标准误,同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05,LSD）。 | |
Note: The data in the table are mean±standard errors, and different lowercase letters in the same column indicate significant difference between treatments (P<0.05, LSD). |
2.4 不同形态氮素与吡虫啉处理对甘蔗根系伤流强度的影响
伤流液是由根压引起而流出的无色微酸性透明液体,根系伤流是根系活力的重要体现,伤流液的数量和成分反映了根系吸收、转运物质的基本情况[20,21]。关于农药影响植物根系活力的研究,王馨仪[22]的研究结果表明,小麦幼苗在阿维菌素、噻虫嗪处理24 h后,其根系活力有上升的趋势,而高效氯氟氰菊酯和啶虫脒处理24 h后,小麦幼苗的根系活力下降。由图2可以看出：与供氮组相比,缺氮显著降低了甘蔗根部的伤流液强度,不同氮素供应对甘蔗伤流液强度没有影响。添加吡虫啉增加了根系伤流液强,其中,缺氮添加吡虫啉（CK+IMI）以及吡虫啉与铵态氮+硝态氮（AN+IMI）处理时甘蔗的伤流液强度显著大于缺氮（CK）和铵态氮+硝态氮（AN）处理。
3 讨论
施用氮肥是作物增产提质的重要措施。在实际生产中氮肥的施用普遍存在利用率低的现象,残存在土壤中的氮肥不仅造成资源浪费,也会对土壤和水体造成污染。植物能够利用的无机氮源为铵态氮和硝态氮,不同氮源对植物生长及根系形态的影响因植物不同而异。植物利用氮素形态偏好性分析显示：毛竹苗在不同氮素形态及不同配比处理下,以铵态氮为主要氮源时生长优势更明显,有促进其根表面积增加的趋势,而青冈实生苗以硝态氮为主要氮源时根表面积、根长增幅显著[23]。Lima等[24]对玉米的研究表明铵态氮促进了玉米侧根的增加,而卢颖林等[25,26]通过对番茄幼苗及Zhang等[27]对拟南芥的研究均表明,硝态氮能促进植物侧根生长。张萌[28]通过对直播冬油菜的研究表明,硝铵比1∶3时,油菜的总根长、根表面积、根体积以及根尖数最佳。贺文俊等[29]研究发现硝铵比1∶1时,烤烟生长品质最好,其生物量及根体积、总吸收面积、活跃吸收面积、比表面积和根系活力均最优。
甘蔗的生长指标（鲜重、株高、茎径、根长、须根数量）是评价甘蔗生长状况的重要判定指标。本研究显示在铵态氮为唯一氮源的培养液中,甘蔗的株高、茎径、鲜重较硝态氮和氨态氮+硝态氮高（表2,表3）,表明铵态氮在甘蔗物质积累中发挥重要作用;尽管在不同氮源培养下甘蔗的根系总长无差异,但是,硝态氮为甘蔗的氮源时,植株的根系建成更倾向于根的纵向生长,而铵态氮为氮源时,植株须根和侧根更加发达（图1）,硝态氮和铵态氮在调控甘蔗根系形态建成中扮演不同的角色。不同氮素对番茄、水稻以及枳橙根系发育的影响[25, 30-32]与本研究结果类似。铵态氮和硝态氮在甘蔗生长发育方面起着不同的作用,在甘蔗种植中铵态氮和硝态氮共施更有利于提高植株物质积累和根系发育,进而促进植株生长。
在过去的研究中,关于氮素对植物的影响研究较多,其作用机理已基本明确,而关于农药及农药化肥共同作用对植物的影响研究相对较少。张梦晗等[33]研究发现吡虫啉种衣剂提高了小麦幼苗的根系活力,且种衣剂剂量与根系活力呈正相关;刘勇[34]研究发现,代森锰锌、咯菌腈、多菌灵、福美双4种杀菌剂连续2年施药促进了连作苹果幼树的生长,其根系活力及叶绿素含量也有所提高,连作障碍得到缓解;蒋正琦等[35]将杀虫剂与氮素化肥混施提高了水稻分蘖率,增加了水稻产量;Lsalam等[36]通过研究氮素与克百威和甲拌磷共处理对水稻生长的影响发现,氮素与杀虫剂共处理增加了水稻的生物量和产量,同时提高了氮素利用率;仪美芹等[37]和齐辉等[38]的研究显示吡虫啉对番茄、小白菜等作物有一定的促生或增产作用,但吡虫啉促进植物生长的作用机制并不明确。植物根系的伤流强度可以反映根系活力大小[39]。本研究结果显示：甘蔗苗经吡虫啉处理,根系伤流强度增加,与对照相比差异显著,与张梦晗等[33]的研究结果类似。在缺氮条件下添加吡虫啉,甘蔗的株高、鲜重、根系表型参数（根长、根系表面积、根体积）和根系活力都有所提高,表明吡虫啉缓解了缺氮对甘蔗生长的抑制;吡虫啉具有吡啶部分、咪唑啉部分以及硝基烯胺部分等结构,具有丰富的N原子[40],植物吸收吡虫啉后在体内发生降解[41],含氮的部分可能作为氮源被植物利用。此外,当硝态氮存在时,添加吡虫啉明显提高了以硝态氮为氮源的甘蔗的根系总长、根表面积、根体积或根系活力（表3,图1,图2）,推测吡虫啉和硝态氮之间存在某些作用,提高了植物对硝态氮的利用,进而促进植物根系的生长。在实际生产中,吡虫啉与含有硝态氮的氮肥共施更有利于甘蔗生长。