施氮量對(duì)玉米產(chǎn)量及葉片部分酶活性的影響

牛巧龍，曹高燚，杜 錦，蘇東偉，萬(wàn) 鵬，田秀平

(天津農(nóng)學(xué)院 農(nóng)學(xué)與資源環(huán)境學(xué)院，天津 300384)

玉米作為我國(guó)的主要糧飼作物，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有重要的地位。氮素是影響玉米產(chǎn)量形成的重要元素之一，氮肥施用對(duì)玉米生長(zhǎng)有明顯的影響，并影響到玉米的產(chǎn)量[1]，施氮肥處理能得到較高的玉米產(chǎn)量[2-3]，雖然施氮肥能顯著提高玉米籽粒的產(chǎn)量[4]，但施氮量必須適量，研究表明，玉米籽粒產(chǎn)量與氮肥施用量呈單峰曲線方程的關(guān)系，在一定范圍內(nèi)，隨著氮肥施用量的增加，玉米產(chǎn)量逐漸增加，當(dāng)?shù)试黾拥揭欢繒r(shí)，玉米產(chǎn)量有下降的趨勢(shì)[5]。施氮量也影響著玉米葉片中多種酶的活性，適當(dāng)施用氮肥可提高玉米超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化物酶(POD)和過(guò)氧化氫酶(CAT)活性[6]，進(jìn)而影響玉米葉片的衰老及產(chǎn)量；適當(dāng)?shù)牡视欣谔岣呦跛徇€原酶的活性，促進(jìn)氮素吸收積累，對(duì)玉米產(chǎn)量有一定的影響[7]。Yamasaki等[8]研究表明，氮代謝的關(guān)鍵酶是硝酸還原酶，硝酸還原酶是一種可溶于水的鉬黃素蛋白，在高等植物葉和根中都有硝酸還原酶的存在。硝酸還原酶活性高低對(duì)作物同化氮素能力有顯著的影響，對(duì)作物良好生長(zhǎng)發(fā)育有重要的影響。本研究以中單509為材料，探討了不同氮肥處理對(duì)玉米不同生育期硝酸還原酶、超氧化物歧化酶、過(guò)氧化物酶和過(guò)氧化氫酶活性及玉米產(chǎn)量的影響，為春玉米中單509在天津地區(qū)合理施用氮肥提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試玉米品種為春玉米中單509，肥料為尿素(含N 46%)、過(guò)磷酸鈣(含P2O512%)、氯化鉀(含K2O 60%)。試驗(yàn)地點(diǎn)在天津市靜?？h良種場(chǎng)，供試土壤為潮土，0～20 cm土層的基本化學(xué)性質(zhì)是：有機(jī)質(zhì)31.32 g/kg；堿解氮174.00 mg/kg；全磷(P)1.17 g/kg；有效磷(P)5.47 mg/kg；有效鉀(K)19.73 mg/kg；pH值8.2。土壤基本化學(xué)性質(zhì)測(cè)定方法為：有機(jī)質(zhì)采用丘林法，全氮采用凱氏蒸餾法，堿解氮采用堿解擴(kuò)散法，全磷采用碳酸鈉熔融法，有效磷采用Olsen法，有效鉀采用乙酸銨提取，火焰光度計(jì)法，pH采用水浸提，酸度計(jì)測(cè)定。

1.2 試驗(yàn)方法

采用隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，供試的氮肥品種為尿素，含氮量46%。氮肥施用設(shè)5個(gè)水平，折算成純氮量分別分45(N45)，90(N90)，135(N135)，180(N180)，225 kg/hm2(N225)。氮肥分基肥(50%)開(kāi)溝施入和大喇叭口期追肥(50%)穴施。磷肥和鉀肥都設(shè)一個(gè)水平，過(guò)磷酸鈣1 432.12 kg/hm2，氯化鉀143.56 kg/hm2，均以基肥方式一次開(kāi)溝施入。穴施深度和溝施深度均為10 cm左右。每個(gè)小區(qū)種10行，行長(zhǎng)6 m，行距55 cm，株距28 cm，每個(gè)處理3次重復(fù)。2013年5月1日播種，2014年5月4日播種，田間管理同一般生產(chǎn)。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

分別在三葉期、拔節(jié)期、大喇叭口期、抽雄期和灌漿期取樣測(cè)定玉米葉片的硝酸還原酶(NR)、超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化物酶(POD)和過(guò)氧化氫酶(CAT)活性。具體取樣方法是三葉期取3個(gè)葉片混合樣，拔節(jié)期和大喇叭口期取最后的全展葉，抽雄期和灌漿期取穗位葉。各種酶的測(cè)定方法為NR活性采用磺胺比色法[9]，POD活性采用愈創(chuàng)木酚顯色法[10]，SOD活性采用氮藍(lán)四唑光化還原法[10]，CAT活性采用紫外分光光度法[10]。玉米產(chǎn)量在成熟期每小區(qū)取中間3行進(jìn)行測(cè)定，然后推算公頃產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel、SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施氮量對(duì)中單509百粒質(zhì)量及產(chǎn)量的影響

從表1看出，2013，2014年產(chǎn)量和百粒質(zhì)量的變化趨勢(shì)基本相同。不同施氮水平，中單509產(chǎn)量和百粒質(zhì)量的變化基本相同。施純氮量在45.00～135.00 kg/hm2，產(chǎn)量和百粒質(zhì)量均為增加趨勢(shì)，135.00 ～225.00 kg/hm2時(shí)，產(chǎn)量呈下降趨勢(shì)。施純氮量為135.00 kg/hm2時(shí)，百粒質(zhì)量和產(chǎn)量最大，2014年產(chǎn)量10 195.73 kg/hm2，百粒質(zhì)量31.88 g，2013年產(chǎn)量10 032.02 kg/hm2，百粒質(zhì)量31.50 g。從建立的施氮量與產(chǎn)量的相關(guān)圖(圖1)可以看出，玉米產(chǎn)量表現(xiàn)出隨施氮量的增加而逐漸增加，當(dāng)增加到一定程度后下降。2013年，二者建立的方程為y=-0.171 6x2+47.318x+635.46可以得到施純氮量在137.87 kg/hm2時(shí)，產(chǎn)量達(dá)最大9 616.54 kg/hm2。2014年，二者建立的方程為y=-0.162x2+44.418x+6 695.40，可以得到施純氮量在137.01 kg/hm2時(shí)，產(chǎn)量達(dá)最大9 740.01 kg/hm2。

表1 氮肥對(duì)中單509 百粒質(zhì)量和產(chǎn)量的影響Tab. 1 Effect of nitrogen fertilizer rate on 100-kernel weight and yield of Zhongdan 509

注：不同字母表示在P<0.05水平上差異顯著。

Note: Different letters indicate significant difference atP<0.05 level.

圖1 氮肥施用量與中單509產(chǎn)量的關(guān)系Fig.1 Relationship of N application and the yield of Zhongdan 509

2.2 不同施氮量對(duì)中單509葉片NR活性的影響

NR是氮代謝的限速酶，也對(duì)光合作用和呼吸作用有重要的影響，所以NR是影響氮代謝的關(guān)鍵酶之一。從圖2看出，在2014年試驗(yàn)中，隨著中單509的生長(zhǎng)，不同施氮水平中單509葉片NR活性變化趨勢(shì)基本相同，即從三葉期升高至拔節(jié)期(21.70 μg/(g·h))后開(kāi)始下降至灌漿期。不同施氮水平之間中單509葉片NR活性不相同，表現(xiàn)為，三葉期施純氮量為135.00 kg/hm2時(shí)，葉片NR活性最高，與施純氮量為90.00，180.00 kg/hm2處理之間無(wú)顯著差異，與施純氮量為45.00，225.00 kg/hm2處理之間均達(dá)到顯著差異水平，抽雄期施純氮量為135.00 kg/hm2時(shí)，葉片NR活性最高，與施純氮量為90.00 kg/hm2處理之間差異不顯著，但與其他施氮處理之間達(dá)到了顯著差異水平，大喇叭口期施純氮量為135.00 kg/hm2時(shí)，葉片NR活性最高，且與其他施氮處理之間差異達(dá)到顯著水平，灌漿期各施氮量之間差異不顯著。2013年各時(shí)期各處理的葉片NR活性變化趨勢(shì)同2014年。

圖2 氮肥施用量對(duì)葉片NR活性的影響Fig.2 Effects of N fertilizer application amount on leaf NRase activities

2.3 不同施氮量對(duì)中單509葉片SOD、POD、CAT活性的影響

植物氧代謝的關(guān)鍵酶SOD、POD和CAT能抑制丙二醛(MDA)的積累，起到保護(hù)和修復(fù)細(xì)胞膜的作用，因此SOD、POD、CAT活性的強(qiáng)弱代表葉片抗衰老的能力。從圖3-5看出，不同施氮水平中單509葉片中SOD、POD、CAT活性在玉米生長(zhǎng)不同時(shí)期各自的變化趨勢(shì)基本相同，SOD和CAT活性變化是從三葉期升高至抽雄期后開(kāi)始下降至灌漿期，POD活性從三葉期升高至大喇叭口期后開(kāi)始下降至灌漿期。不同施氮水平之間玉米葉片SOD、POD、CAT活性表現(xiàn)也都不同，具體表現(xiàn)如下。

圖3 氮肥施用量對(duì)葉片SOD活性的影響Fig.3 Effects of N fertilizer application amount on leaf SOD activities

圖3可見(jiàn)，在2014年，玉米葉片SOD活性三葉期各施氮處理之間無(wú)顯著差異，拔節(jié)期施純氮量為225.00 kg/hm2時(shí)，葉片SOD活性最小，且與其他施氮處理之間差異顯著，大喇叭口期施純氮量為135.00，180.00 kg/hm2時(shí)，與其他施氮處理之間差異顯著，抽雄期施純氮量為180.00 kg/hm2時(shí)，葉片SOD活性達(dá)到最大，與其他施氮處理之間達(dá)到顯著性差異，而灌漿期各施氮處理之間葉片SOD活性無(wú)顯著差異；2013年的拔節(jié)期各處理間無(wú)差異，抽雄期在施純氮量為135.00 kg/hm2時(shí)SOD活性達(dá)最大，灌漿期施純氮量為225.00 kg/hm2時(shí)與其他處理間達(dá)顯著差異外，其他表現(xiàn)與2014年相似。

圖4可以看出，2014年玉米葉片POD活性表現(xiàn)為，三葉期施純氮量為180.00 kg/hm2時(shí)，葉片POD活性最低，拔節(jié)期各施氮處理之間葉片POD活性無(wú)顯著差異，大喇叭口期施純氮為135.00 kg/hm2時(shí)，POD活性達(dá)到整個(gè)生育期的最高值，且與其他施氮處理之間差異顯著，抽雄期施純氮量為135.00 kg/hm2時(shí)，葉片POD活性最高，與其他施氮處理之間差異顯著，灌漿期施純氮量為90.00 kg/hm2時(shí)，葉片POD活性最高，與其他施氮處理之間差異顯著。2013年除了三葉期在施純氮量為135.00，90.00 kg/hm2之間無(wú)差異，灌漿期施純氮量為90.00，135.00 kg/hm2之間無(wú)差異，在135.00 kg/hm2時(shí)表現(xiàn)活性最高。

圖4 氮肥施用量對(duì)葉片POD活性的影響Fig.4 Effects of N fertilizer application amount on leaf POD activities

圖5中，2014年玉米葉片CAT活性表現(xiàn)為，三葉期和拔節(jié)期施純氮量為135.00 kg/hm2時(shí)，葉片CAT活性最高，與施純氮量為90.00，180.00 kg/hm2之間活性沒(méi)達(dá)顯著差異，但與其他施氮處理之間差異顯著，大喇叭口期施純氮量為180.00 kg/hm2時(shí)，與其他施氮處理之間差異顯著，次之為施純氮量為90.00，135.00 kg/hm2，與施純氮量為45.00，225.00 kg/hm2處理之間差異顯著，抽雄期施純氮量為180.00 kg/hm2時(shí)，葉片CAT活性達(dá)到整個(gè)生育期的最大值，與施純氮量為45.00，90.00，225.00 kg/hm2處理之間均達(dá)到顯著差異水平，與施純氮量為135.00 kg/hm2處理之間無(wú)顯著差異，灌漿期施氮量為180.00 kg/hm2時(shí)，葉片CAT活性最高，與其他施氮處理之間達(dá)到顯著差異水平。2013年表現(xiàn)為除了大喇叭口期和灌漿期施純氮量為180.00，135.00 kg/hm2處理間無(wú)差異外，其他變化也同2014年。

圖5 氮肥施用量對(duì)葉片CAT活性的影響Fig.5 Effects of N fertilizer application amount on leaf CAT activities

2.4 不同生育期玉米葉片酶活性與中單509產(chǎn)量間的關(guān)系

從表2看出，玉米葉片SOD活性在各生育期與產(chǎn)量之間相關(guān)性均達(dá)到了顯著或極顯著水平；POD活性與產(chǎn)量間的相關(guān)性除了三葉期和灌漿期外，也均達(dá)到了顯著或極顯著水平；CAT活性與產(chǎn)量之間相關(guān)性除了大喇叭口期外，也均達(dá)到了顯著或極顯著水平；NR活性與產(chǎn)量相關(guān)性除了抽雄期外，也均達(dá)到了顯著或極顯著水平。CAT和NR可能是試驗(yàn)誤差，POD在三葉期和灌漿期雖然沒(méi)達(dá)到顯著水平，但是相關(guān)系數(shù)也較高；SOD從相關(guān)系數(shù)看，也是在三葉期和灌漿期要低些，5個(gè)時(shí)期也表現(xiàn)出兩頭低中間高的趨勢(shì)。以上說(shuō)明，各生育期的各種酶活性通過(guò)參與代謝，能促使葉片有效地進(jìn)行生命代謝作用，最終影響到玉米的產(chǎn)量。

表2 兩年不同生育期酶活性與產(chǎn)量間的相關(guān)關(guān)系Tab. 2 Correlation between enzyme activity and yield at different growth stages in two years

注: 表中*、**分別代表0.05、0.01水平下差異顯著。

Note:*，**indicated significant difference at 0.05 and 0.01 levels, respectively.

3 討論與結(jié)論

氮是作物生長(zhǎng)必需的營(yíng)養(yǎng)元素，是作物體中蛋白質(zhì)、葉綠素及酶的重要組成成分。玉米生長(zhǎng)一生均需要足夠的氮保證根、莖、葉、花等器官的生長(zhǎng)發(fā)育，缺氮對(duì)玉米的產(chǎn)量和品質(zhì)影響較大，但供氮過(guò)量也不利于玉米生長(zhǎng)，如苗期是玉米植株中以氮素代謝為主的時(shí)期，如果氮素代謝過(guò)旺，地上部分生長(zhǎng)過(guò)旺而不壯，會(huì)造成根系發(fā)育不良，如果中后期供氮過(guò)多，會(huì)造成玉米植株柔軟，易感病蟲(chóng)害，貪青晚熟而減產(chǎn)。

NR是影響氮代謝的關(guān)鍵酶之一，對(duì)植物光合作用和呼吸作用也有重要的影響，NR活性高低影響到葉片硝態(tài)氮的還原，硝態(tài)氮通過(guò)硝酸還原酶等的還原生成氨，才能進(jìn)一步合成氨基酸和蛋白質(zhì)，作物才可正常生長(zhǎng)發(fā)育，所以NR活性高低直接影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。植株葉片中的SOD、POD、CAT都是植物代謝中的抗氧化酶，其活性反映植株的抗衰老能力。SOD可以消除植株體內(nèi)的氧自由基積累，保持和修復(fù)細(xì)胞膜，因此，SOD活性的強(qiáng)弱反映了植物本身清除氧自由基能力的大小，從而起到延緩保護(hù)植株老化的作用[11]。POD是玉米植株體內(nèi)重要的一類氧化還原酶，對(duì)玉米也起到了延緩植株老化的作用，作物的保護(hù)酶活性與植株抗衰老能力之間的關(guān)系得到了一些專家的證實(shí)[12-14]。

本研究表明，隨著施氮量的增加，中單509葉片內(nèi)的NR、SOD、POD、CAT活力都是先升高后降低，呈單峰曲線變化。李洪岐等[15]研究玉米的不同種植密度和方式對(duì)夏玉米NR的影響，發(fā)現(xiàn)NR活性也呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，而最大值出現(xiàn)在吐絲期。趙洪祥等[16]通過(guò)不同氮肥配比使用，玉米整個(gè)生育期的葉片NR活性呈先上升后下降的趨勢(shì)，這一結(jié)果與本試驗(yàn)結(jié)果一致，雋英華等[17]研究了氮肥施用量對(duì)春玉米NR活性的影響也得到了相同的結(jié)果。宋航等[18]的研究結(jié)果表明，弱光脅迫下增施氮肥可以提高葉片硝酸還原酶活性。增施一定量氮肥與葉片SOD、POD、CAT活性增加這一結(jié)果在鄭單958和陜單902玉米品種中得到了證實(shí)[19]。不同施氮肥水平對(duì)玉米植株抗氧化保護(hù)酶活性影響不同，氮肥不同比例分期配施，有利于提高抗氧化酶活性，延緩衰老[20]。因此，從施用氮肥對(duì)玉米葉片的NR、SOD、POD、CAT活性影響上看，增施一定量的氮肥能夠促進(jìn)玉米葉片蛋白質(zhì)的合成，增加玉米的抗氧化能力，延緩葉片的衰老，從而提高玉米產(chǎn)量和改善玉米品質(zhì)。

施氮量對(duì)玉米產(chǎn)量有著重要的影響，隨著施氮量的增加，玉米產(chǎn)量和百粒質(zhì)量都是先上升后下降，呈單峰曲線變化[21]。本試驗(yàn)采用5個(gè)施氮處理，建立了施氮量與產(chǎn)量回歸方程，從方程推算出的最高產(chǎn)量的施氮量與本試驗(yàn)所得的結(jié)果比較相符。通過(guò)各種酶活性與產(chǎn)量相關(guān)性的結(jié)果分析，可以看出 NR、SOD、POD和CAT活性與玉米產(chǎn)量相關(guān)性基本達(dá)到顯著水平以上。但過(guò)多或過(guò)少的氮都不利于這些酶的活性，只有適當(dāng)?shù)牡誓茉黾佑衩兹~片的NR、SOD、POD和CAT活性。SOD、POD和CAT活性在生育前期起著清除多余自由基的作用，是一種保護(hù)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的保護(hù)酶，能使玉米葉片有效地進(jìn)行光合作用，積累生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，以供植株的生長(zhǎng)，并為后期向籽粒的輸送積累營(yíng)養(yǎng)物，NR促進(jìn)可溶性蛋白含量的增加，通過(guò)調(diào)控能促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在玉米植株體內(nèi)的積累，進(jìn)而增加產(chǎn)量。

總之，不同施氮量處理對(duì)玉米葉片的酶活性及產(chǎn)量有一定的影響，隨著施氮量的增加，產(chǎn)量先升高后降低，呈單峰曲線變化。從2013，2014年試驗(yàn)結(jié)果得出，理論產(chǎn)量達(dá)到137.4 kg/hm2時(shí)，產(chǎn)量達(dá)到最大值。隨著施氮量的增加葉片NR、SOD、POD和CAT活性都是先升高后降低，呈單峰曲線變化，純氮施用量在180.00 kg/hm2時(shí)，拔節(jié)期葉片NR活性最大、開(kāi)花期葉片SOD活性和CAT活性達(dá)到最大；純氮施用量135.00 kg/hm2時(shí)，大喇叭口期葉片POD活性達(dá)到最大，增施適量的氮有利于玉米葉片的氮代謝，增強(qiáng)玉米抗衰老能力，但施入量過(guò)高則會(huì)影響到玉米氮代謝和抗衰老能力，更會(huì)造成氮肥的浪費(fèi)，對(duì)生態(tài)環(huán)境也會(huì)產(chǎn)生不利的影響。