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共生固氮功能为大豆生长发育提供了重要的氮素资源,由于大部分农田土壤中缺磷,导致缺磷成为限制大豆生长和共生固氮能力的一个重要因素。大豆为适应磷胁迫环境形成了多种适应性机制,如根系分泌大量的有机酸,使根际土壤酸化,增加土壤中难溶性磷源的活性。本研究采用水培和砂培培养方法,以东北大豆主栽品种黑农35为供试材料,研究不同磷水平、磷和根瘤菌交互作用、内磷、不同形态氮源等对大豆生长和结瘤固氮能力的影响:采用分根试验技术解析磷对大豆生长的影响;探讨不同地域来源的大豆品种对各种形态磷源的利用机制差异;用1mmol/LCaCl2和5μmol/L H3BO3收集大豆根系分泌物,初步探讨根系分泌物对磷胁迫环境的适应性机制。结果表明:
外磷和内磷直接影响大豆生物量积累。总体来讲,随着磷水平的增加,大豆生物量随之增加,磷对地上部生物量积累的促进作用比根系大。当接种不同浓度的根瘤菌悬浮液时,根瘤菌不改变磷对大豆生物量的影响趋势,同时表现出交互作用。大豆在利用不同形态氮源时,生物量的大小顺序表现为:NO3--N>Urea>N2-N>NH4+-N,磷水平影响各种形态氮源对大豆生物量的积累。
磷促进根瘤形成和生长。营养液中接种的根瘤菌浓度越高,形成的根瘤原基数越多,缺磷明显抑制根瘤原基形成,进而抑制根瘤形成。从无磷到30μmol/L磷,102cells/mL根瘤菌浓度处理根瘤原基形成根瘤的几率分别为:79%、86%和100%。随着营养液中供磷水平的增加,根瘤数量、根瘤大小、根瘤密度和相对根瘤生物量这些大豆结瘤参数都随之增加。无外磷供给条件下,内磷浓度越高形成的根瘤也越多,根瘤鲜重和根瘤大小对内磷的反应与对外磷的反应相同。内磷浓度为1.316mg/g的处理根瘤干重比内磷浓度为1.067mg/g和1.232mg/g的处理分别增加86%和52%。
磷氮交互作用影响着根瘤的形成和固氮功能。随磷水平的增加,生物固氮处理的根瘤数增加较多,尤其是氮磷处理后第6周,磷对根瘤形成的影响最大。根瘤形成初期供给氮促进根瘤形成,从处理后的第4周开始,硝态氮处理根瘤数远没有生物固氮处理多。硝态氮处理植株体内含氮量随磷水平的增加而降低,而生物固氮植株随之增加而增加。
大豆根瘤形成后,缺磷抑制根瘤形成和生长。处理后第9天,无磷、缺磷和正常磷处理根瘤数比处理前分别增加了11.8%、15.4%和20%。此外,根瘤的特殊固氮酶活性随着内磷浓度的增加而增加,内磷浓度显著地影响根瘤中的豆血红蛋白含量。
磷水平直接影响大豆对磷素的吸收和利用效率。生物固氮处理和硝态氮处理磷吸收效率因磷水平而异,但利用效率差异较小,当磷水平由1μmol/L增加到4、16和50μmol/L时,生物固氮处理磷利用效率分别降低了27.4%、70.8%和90.6%,硝态氮处理分别降低了43.2%、77.3%和90.9%。东北各品种大豆对不同形态磷源的吸收效率为Na-P>Al-P>Ca-P>Fe-P,西北和南方各品种对各种形态磷源的吸收效率规律相同,表现为Na-P>Ca-P>Fe-P>Al-P。利用效率表现为东北:Fe-P>Ca-P>Na-P>Al-P;西北为Fe-P,Al-P>Ca-P>Na-P,南方为Al-P>Fe-P>Ca-P>Na-P。
供磷水平直接影响根际pH变化,同时,接种根瘤菌促进根际pH增加。供给不同形态氮源,NO3—N处理根际pH最高,而NH4+-N处理最低,提高磷水平,将降低不同形态氮源处理间根际pH差异。根系质子释放量随磷水平和接种根瘤菌浓度的增加而增加。供给硝态氮的处理根系释放较多的OH-,而生物固氮处理释放较多的H+,两者都随着生育期的延长而降低。随着磷水平的增加,生物固氮和硝态氮处理根系分泌有机酸量反而降低。低磷促进生物固氮处理根系分泌有机酸增加的作用比硝态氮处理大。根系分泌有机酸的种类表现出:丙二酸>柠檬酸>乳酸>琥珀酸>草酸>酒石酸。在利用4种形态磷源时,不同地域来源的各品种大豆根系分泌有机酸的总量差异不大,而且,利用同一种磷源时,各品种大豆根系分泌有机酸的种类相同,无论供给哪种磷源,各品种大豆根系分泌的有机酸都以酒石酸、草酸和乳酸为主。