氮、磷、鉀是植物生長(zhǎng)過程中需要量較大的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素,也是土壤中植物普遍缺乏的元素。

據(jù)Saric報(bào)道,2000年氮肥的生產(chǎn)量要比1975年增加4倍,磷、鉀肥料增加3倍,才能滿足作物生產(chǎn)的需要。另一方面,目前化肥利用率相當(dāng)?shù)汀?

在熱帶、亞熱帶地區(qū),氮肥的利用率都低于50%,磷肥的當(dāng)季利用率一般低于10%,鉀肥的利用率大約為40%左右。這些都是目前限制作物高產(chǎn)、高效、優(yōu)質(zhì)的普遍問題。人們發(fā)現(xiàn),不同植物或同一植物不同品種對(duì)包括營(yíng)養(yǎng)環(huán)境在內(nèi)的各種環(huán)境的適應(yīng)能力不同。植物基因型之間對(duì)土壤及肥料中氮、磷、鉀吸收和利用效率上存在著很大的差異,利用植物耐低氮、磷、鉀營(yíng)養(yǎng)的遺傳特性,改良品種,以提高土壤自然肥力及肥料的利用效率是解決上述問題的又一途徑,而且是高產(chǎn)、高效的生物學(xué)途徑。

1　基因型間氮營(yíng)養(yǎng)的差異

1.1　植物種類之間的差異

對(duì)植物吸收硝態(tài)氮速率的基因型差異已有許多報(bào)道。如在玉米、大麥、小麥和高梁上均存在這一現(xiàn)象。據(jù)Huffaker和Rains(1978)報(bào)道,不同類型的一年生草本植物從營(yíng)養(yǎng)液中吸收NO3-的能力存在著顯著的差異。Lmutiflorum吸收NO3-的速率比Afatua和mollis高4倍;前者的Km值(0.03mM)也較后者(0.015mM)為大。說明Lmuti-florum對(duì)NO3-的親合力只有其它兩種草類的一半。在自然條件下,Lmutiflorum生長(zhǎng)在較肥沃的土壤中,而另外兩種草類則生長(zhǎng)在較貧瘠的土壤中。在農(nóng)作物種類之間(如大麥、小麥和燕麥之間)也存在著干物質(zhì)產(chǎn)量和吸氮能力的明顯差異。C3和C4植物氮營(yíng)養(yǎng)特性的差異早已受到人們的關(guān)注。對(duì)小麥、玉米、甜菜和向日葵進(jìn)行的肥料長(zhǎng)期定位研究表明,這四種作物對(duì)施用氮、磷、鉀肥料的反應(yīng),即增產(chǎn)效應(yīng)差異很大,小麥增產(chǎn)80%;玉米和甜菜增產(chǎn)30%;而向日葵增產(chǎn)18%。

在禾本科作物中,C3和C4植物葉片含氮量和氮素利用效率均有明顯的差異,在相同供氮水平下,C4植物干物質(zhì)產(chǎn)量顯著高于C3植物,其葉片中氮的濃度較C3植物為低。

1.2　植物品種之間的差異

Hoener等報(bào)道了伊利諾斯高蛋白玉米品系和低蛋白玉米品系間吸收和利用硝酸鹽的遺傳差異,在低氮水平下,低蛋白品種產(chǎn)量較高,而在高氮水平下,高蛋白品種產(chǎn)量較高。何文壽試驗(yàn)表明,在不施肥與施肥條件下,100個(gè)不同基因型的籽粒產(chǎn)量存在明顯差異(P<0.01),且在不施肥條件下差異更大。Clark試驗(yàn)表明,將干物質(zhì)含量、含氮量和氮素利用率不同的基因型高粱在低氮水平下培養(yǎng),其單位根重吸氮速率相差2倍以上。但有較高干物質(zhì)產(chǎn)量和較高含氮量的基因型表現(xiàn)出較低的NO2-吸收速率,反之亦然。據(jù)安林升和倪晉山(1986)報(bào)道,燦稻和粳稻對(duì)NH4+吸收的Km和Vmax值不同,而且在高氮和低氮濃度下,它們吸收NH4+的速率亦有差異。一般粳稻Km較秈稻小,Vmax則較秈稻高。在低NH4+濃度(0.01~0.04mmol/L)下,粳稻吸收速率略高于秈稻,而在高濃度(1.0~2.0mmol/L)下,兩者吸收速率相近。植物不同基因型的養(yǎng)分效率、肥料利用率存在顯著差異。何文壽等盆栽試驗(yàn)表明,在施肥與不施肥條件下,小麥相對(duì)產(chǎn)量(RGY)、施肥增產(chǎn)率(GYIP)和相對(duì)生物量(RBY)在三類基因型間差異顯著(P<0.01)。高效基因型、中效基因型和低效基因型為施肥高效基因型的RGY平均分別為84.9%、66.7%和60.9%,RBY平均分別為78.5%、67.0%和64.9%,而GYIP平均分別為17.9%、50.8%和65.1%。

楊際朝以12個(gè)普通玉米雜交種及親本為材料的研究結(jié)果表明,在不同的氮素水平下,雜交種對(duì)氮的反應(yīng)分為敏感型、不敏感型和中間型,各類型在籽粒醇溶蛋白合成的速度和水平,抽絲期以后的吸氮能力都表現(xiàn)出差異。

2　基因型間磷營(yíng)養(yǎng)的差異

2.1　植物品種之間的差異

不同植物品種之間磷的吸收利用效率所存在的差異,近年來有較多報(bào)道。如丁洪等試驗(yàn)結(jié)果顯示,大豆不同品種的磷積累量存在極顯著差異。

不施磷處理,磷積累量最高的大豆4號(hào)比最低的桂陽傲泉黃豆增加48.3%;大豆品種間的磷利用效率存在很大差異。不施磷處理籽粒產(chǎn)量,磷效率高的與效率低的品種相比,相差143.73mg/mgP,生物學(xué)產(chǎn)量磷效率相差406.78mg/mgP。高磷處理則分別相差64.51mg/mgP和110.95mg/mgP。劉國(guó)棟等發(fā)現(xiàn),在低磷條件下,不同基因型小麥的磷素利用效率都顯著提高,但磷高效基因型提高563.0%,而磷低效基因型僅提高66.0%。

Nielsen和Barber報(bào)道,營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)條件下,12種玉米近交種最大吸磷速率相差達(dá)1.8~3.3倍。

另有研究指出,玉米早熟品種通常比晚熟品種能吸收積累更多的磷,但晚熟品種磷利用效率(397.9g干物質(zhì)/gP)遠(yuǎn)高于早熟品種(276.5g干物質(zhì)/gP)。對(duì)大麥磷吸收利用研究表明,在高磷土壤條件下,品種間的產(chǎn)量差異不顯著,但在中低磷土壤條件下,品種間籽粒產(chǎn)量差3~4.9t/hm2。據(jù)Clark等(1982)報(bào)道,在低磷條件下,高梁品種間磷的吸收、利用及分配效率均有明顯差異;磷高效基因型干物質(zhì)產(chǎn)量、吸磷總量及磷素利用效率均比磷低效基因型高1倍左右。在缺磷(2mg/株)條件下,不同蠶豆品種干物質(zhì)產(chǎn)量差異達(dá)72%,磷利用效率差異達(dá)77%。不同品種的水稻對(duì)磷的吸收和利用效率亦有明顯差異。

2.2　植物種類之間的差異

不同植物品種對(duì)磷營(yíng)養(yǎng)脅迫的表現(xiàn)不盡相同,如Ae等發(fā)現(xiàn),木豆常比高梁、大豆、玉米等更耐磷脅迫。First等在1978年對(duì)不同豆科作物的研究發(fā)現(xiàn),他們的介質(zhì)磷濃度的臨界值為0.8~3.0μmo,l相差近4倍。其中豇豆的吸磷能力最強(qiáng),綠豆次之,瓜爾豆最差。Chapin曾對(duì)低磷與高磷土壤環(huán)境的植物進(jìn)行地比較研究,結(jié)果表明,某些植物可通過減少對(duì)養(yǎng)分的吸收及降低吸收速率來適應(yīng)磷脅迫。在低磷和高磷條件下,白三葉草種群之間的相對(duì)生長(zhǎng)速率差異極顯著,同樣,根長(zhǎng)和根/冠比率差異也極顯著。在低磷的土壤上木豆比大豆生長(zhǎng)好,葉面積、葉干重、地上部干重受低磷脅迫而下降的幅度也比大豆小。

3　基因型間鉀營(yíng)養(yǎng)的差異