根箱種植下不同水肥管理模式對小麥生育后期根系氮代謝酶活性及產(chǎn)量的影響

姜麗娜，朱婭林，張雅雯，趙凌霄，李春喜

(河南師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，河南新鄉(xiāng)453007)

糧食安全為人類生存和發(fā)展提供最根本的保障，在國民經(jīng)濟中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[1-2]。中國糧食作物產(chǎn)量的1/4左右來自河南省，河南省位于黃淮麥玉兩熟區(qū)的關(guān)鍵地帶，已經(jīng)成為中國糧食作物生產(chǎn)中舉足輕重的主產(chǎn)區(qū)之一[3]。由于基礎(chǔ)地力和栽培管理水平等方面的差異，在河南不少地區(qū)種植的小麥都沒有充分發(fā)揮其應(yīng)有的潛力，其中水分與肥料的管理是實現(xiàn)小麥優(yōu)質(zhì)高效的一項重要栽培管理措施[4]。

氮代謝是植物體內(nèi)的重要物質(zhì)代謝，在生命活動中具有特殊作用。氮素不僅影響植物新陳代謝而且影響體內(nèi)的資源分配以及所有水平上的發(fā)育[5-8]。以往的研究偏重于小麥地上部分氮代謝，因其與地上部分生物產(chǎn)量和經(jīng)濟產(chǎn)量密切相關(guān)。但是，對吸收水分和土壤養(yǎng)分以及活性物質(zhì)合成的重要器官——根系的研究則比較少[9]。不僅如此，關(guān)于小麥栽培中不同管理模式對氮代謝的影響，前人的研究多集中在某個單方面因素，例如品種基因型、灌水以及肥料等[10-11]。已有研究認(rèn)為，控水條件下水分虧缺降低了小麥籽粒谷氨酰胺合成酶、谷氨酸合成酶、谷丙轉(zhuǎn)氨酶以及旗葉谷氨酰胺合成酶、谷氨酸合成酶活性，并且影響了小麥籽粒谷丙轉(zhuǎn)氨酶活性的變化趨勢[12]；增施氮肥可以有效提高小麥根系谷氨酰胺合成酶和硝酸還原酶活性，促進(jìn)植株體內(nèi)的氮素同化，但氮素用量過高，小麥根系生長反而受到抑制[13-15]；生育后期增施氮肥能使小麥保持較高的根系活力，增強氮素同化能力[16]；小麥根系內(nèi)部的谷氨酰胺合成酶活性在抽穗期之前始終呈上升趨勢，抽穗期達(dá)到最大，之后逐漸下降，乳熟期最低[17]；小麥根系谷氨酰胺合成酶和硝酸還原酶活性在開花期時較葉片低，并在開花后持續(xù)下降[18]。

可見，關(guān)于水肥控制及管理技術(shù)等多因素有機結(jié)合的栽培模式對氮代謝影響的研究相對較少[19]，尤其是對小麥生育中后期根系內(nèi)多種氮代謝相關(guān)酶活性的研究還不夠全面和深入。因此，本試驗從多因素結(jié)合的不同管理模式出發(fā)，將著重點放在小麥根系的氮代謝方面，探究從水分控制、肥料管理等方面集成的3種管理模式下根箱冬小麥不同土層根系的4種氮代謝相關(guān)酶活性，以期為提高黃淮麥玉兩熟區(qū)小麥氮素利用效率和實現(xiàn)高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料和方法

1.1 試驗材料與設(shè)計

試驗于2016～2017年在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院新鄉(xiāng)綜合試驗站(E113°45′，N35°09′)進(jìn)行，試驗區(qū)屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候，光照充足，降雨適中。土壤類型為黏壤質(zhì)潮土，前茬播種夏玉米，收獲后秸稈不還田。供試小麥品種為‘矮抗58’，種子由河南科技學(xué)院小麥中心提供。

表1 3種產(chǎn)量水平的水肥管理模式信息

本課題組前期根據(jù)肥料水平、肥料配比、灌水次數(shù)、灌水時期等管理措施，集成設(shè)計了3個不同產(chǎn)量水平的技術(shù)模式，通過對小麥群個體生長、植株氮素轉(zhuǎn)運、產(chǎn)量形成、光溫潛力等的系統(tǒng)研究，將其分別確定為：超高產(chǎn)模式(SH)、高效模式(HE)和高產(chǎn)高效模式(HH)。試驗采用根箱(長110 cm，寬50 cm，高60 cm)種植，2016年10月20日播種，根據(jù)根箱尺寸，縱向6行等行距(20 cm)人工開溝播種，不同栽培模式下的種植密度、灌水次數(shù)和肥料水平如表1所示，每種栽培模式設(shè)置9個根箱。

1.2 測定項目及方法

1.2.1根樣采集及指標(biāo)測定分別于開花期(2017年4月23日)、花后7 d(2017年5月1日)、花后14 d(2017年5月9日)、花后21 d(2017年5月17日)和花后28 d(2017年5月25日)進(jìn)行根系取樣(0～20 cm和20～40 cm)。取得的根系樣品充分浸泡后于100目篩中沖洗干凈，選取保持較完整的植株根系，擦干后置于冰盒中待測。谷氨酰胺合成酶(GS)活性采用王小純等[20]的方法測定；硝酸還原酶(NR)活性采用張志良[21]的方法測定；谷氨酸合成酶(GOGAT)活性采用鄭朝峰等[22]的方法測定；谷丙轉(zhuǎn)氨酶(GPT)活性采用吳良?xì)g等[23]的方法測定。

1.2.2產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的測定于成熟期(6月6日)在各栽培模式下未進(jìn)行根系取樣的根箱內(nèi)調(diào)查有效穗數(shù)，之后于各處理取15株進(jìn)行考種，測定穗粒數(shù)、千粒重等產(chǎn)量構(gòu)成因素，最后實收完整根箱的小麥以計算產(chǎn)量。

1.3 數(shù)據(jù)整理與分析

運用Excel2010和SPSS17.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，多重比較采用LSD法。

2 結(jié)果與分析

2.1 水肥管理模式對根箱種植小麥根系GS活性的影響

谷氨酰胺合成酶具有將NH3從無機氮轉(zhuǎn)化為有機氨的中心作用，是處于氮代謝中心的多功能酶和參與氨同化過程的關(guān)鍵酶[24-25]。3種管理模式下上層和下層小麥根系的GS活性隨著生育期的推進(jìn)均呈現(xiàn)出“降-升-降”的變化趨勢(圖1)，即從開花期到花后7 d先降低，花后7 d到花后14 d又上升，之后又一直降低；在整個生育期，HH模式的GS活性始終顯著(P<0.05)高于SH和HE模式，而SH和HE模式的根系GS活性僅在開花期的2個土層以及花后28 d 的下層存在顯著差異(P<0.05)，其余時期兩者之間均沒有顯著差異。對于HH模式而言，除了花后7 d，其余時期下層根系的GS活性始終顯著高于上層，并且在花后14 d到花后28 d，下層根系的GS活性下降比較緩慢。在SH和HE模式下，從開花期到花后14 d的上層根系GS活性始終顯著高于下層，然而在花后14 d之后，下層根系的酶活性反倒顯著高于上層，也即下層根系的GS活性在花后14 d之后下降比較緩慢。以上結(jié)果表明，小麥開花后的不同時期內(nèi)，HH模式下2個土層根系的GS活性均顯著高于SH和HE模式，且綜合來看，下層根系的GS活性雖然在開花后2周內(nèi)低于上層，但在花后14 d到花后28 d卻高于上層根系，所以在生產(chǎn)上采取栽培措施增加中、下層根系的數(shù)量和比例，或許對提高灌漿期根系的氮同化能力有重要意義。

2.2 水肥管理模式對根箱種植小麥根系GOGAT活性的影響

GOGAT也是氮素同化過程中的關(guān)鍵酶，在無機氮轉(zhuǎn)化為有機氮的過程中起著至關(guān)重要的作用，它與GS耦聯(lián)形成的循環(huán)是高等植物氨同化的主要途徑[26-27]。圖2顯示，就上層根系而言，小麥開花期的GOGAT活性表現(xiàn)為HH模式顯著高于SH和HE模式，而SH和HE模式之間差異則不顯著；開花期到花后7 d的根系GOGAT活性在3種管理模式下均劇烈下降，但HH模式始終顯著高于SH和HE模式；SH和HE模式的GOGAT活性在花后7 d到花后14 d逐漸增強，之后又持續(xù)下降，而HH模式的酶活性在花后7 d到花后21 d持續(xù)增強，之后急速下降，且始終顯著高于另外2種模式，這說明HH模式能夠維持較長時間和較高強度的根系GOGAT活性；在花后28 d時，3種管理模式下根系的GOGAT活性無顯著差異。3種管理模式下層根系的GOGAT活性從開花期到花后28 d的變化趨勢與上層根系相同；HH模式下層根系的酶活性在每個時期均顯著高于上層根系。在整個生育過程中，除了花后7 d的上層和花后28 d的下層根系，SH 和HE模式的根系GOGAT活性之間始終無顯著差異；除了花后28 d的上層根系，HH模式下的根系酶活性始終顯著高于SH和HE模式。以上結(jié)果表明，相對于SH和HE栽培模式來說，HH栽培模式下小麥根系的GOGAT活性在花后7 d降至最低后，未來2周內(nèi)又有較大幅度持續(xù)增強，而SH和HE模式下的酶活性僅在花后7 d到14 d的1周時間內(nèi)呈緩慢上升趨勢，其酶活性強度及維持時間均不及HH模式，這可能是生育后期不同水肥管理模式氮素利用和代謝差異的基礎(chǔ)。

2.3 水肥管理模式對根箱種植小麥根系GPT活性的影響

谷丙轉(zhuǎn)氨酶是植物體內(nèi)一種重要的轉(zhuǎn)氨酶，負(fù)責(zé)有機和無機氮之間的氨基轉(zhuǎn)移，其活性的高低反映了植物體內(nèi)氮代謝強度的變化[9]。從圖3來看，在整個過程中，HH和SH栽培模式下2個土層小麥根系的GPT活性變化趨勢較一致，即從開花期到花后7 d緩慢下降，開花1周后迅速下降，2周后保持在一定水平，且HH模式的酶活性顯著高于SH模式；而HE栽培模式下2個土層的根系GPT活性一直呈緩慢下降趨勢。對于HH和SH模式而言，開花期到花后7 d的上層根系GPT活性始終顯著高于下層，然而在花后7 d之后，下層的根系酶活反倒顯著高于上層，這說明下層根系的GPT活性在花后7 d之后下降比較緩慢?？梢?，HH和SH栽培模式下2個土層小麥根系GPT活性的最大變化出現(xiàn)在花后1～2周內(nèi)，說明灌漿初期是小麥氮代謝的一個重要時期；開花后的不同時期內(nèi)，HH模式下2個土層根系的GPT活性均顯著高于SH和HE模式，且HH和SH模式下層根系的GPT活性在灌漿期前后較上層根系強，這或許是由于下層根系在生育后期對氮素的利用和同化能力比在生育前期和中期更強。

不同小寫字母表示同一生育時期不同栽培模式間的酶活性差異達(dá)到顯著(P<0.05)水平，下同圖1 不同水肥管理模式下小麥根系GS的活性變化 Different normal letters within the same growth stage indicate significant difference among patterns at 0.05 level, the same as belowFig.1 GS activity in wheat roots under different water and fertilizer management models

圖2 不同水肥管理模式下小麥根系GOGAT的活性變化Fig.2 GOGAT activity in wheat roots under different water and fertilizer management models

2.4 水肥管理模式對根箱種植小麥根系NR活性的影響

NR作為小麥氮素代謝過程中的關(guān)鍵酶，對植株硝態(tài)氮的吸收和轉(zhuǎn)化有重要影響[28]。由圖4可知，3種管理模式下2個土層的小麥根系NR活性在開花期時最高，后隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)而逐漸降低，且在開花期到花后21 d下降比較緩慢，在花后21 d到花后28 d下降迅速。對于SH和HE模式而言，除了花后28 d，其余時期2個土層的根系NR活性在兩模式間沒有顯著差異，但兩模式均顯著低于HH模式。下層根系的NR活性在每種模式下的每個時期均顯著高于上層根系，且其在整個過程中的下降趨勢較上層根系緩慢。以上結(jié)果表明，下層根系的NR活性較上層根系強，并隨著生育期的推進(jìn)下降趨勢較為緩慢，且每種管理模式下2個土層根系的NR活性從開花期開始便逐漸下降，這也許是小麥進(jìn)入生殖生長階段后，根系對硝酸鹽的還原能力逐漸減弱，需要地上部加強氮素同化來滿足生殖需要，氮素同化中心由根系轉(zhuǎn)移至地上部所致。

圖3 不同水肥管理模式下小麥根系GPT的活性變化Fig.3 GPT activity in wheat roots under different water and fertilizer management models

圖4 不同水肥管理模式下小麥根系NR的活性變化Fig.4 NR activity in wheat roots under different water and fertilizer management models

模式Pattern穗數(shù)Spike number (ears/box)穗粒數(shù)Grain per spike (particle/spike)千粒重1 000-grain weight/g產(chǎn)量Yield (g/box)SH316.80b24.20c40.28c334.11cHE336.60a27.87b47.43a422.80bHH339.35a35.07a44.31b487.24a

注：同列不同字母表示栽培模式間在0.05水平存在顯著性差異

Note: The different normal letters within the same column indicate significant difference among patterns at 0.05 level

2.5 水肥管理模式對根箱種植小麥籽粒產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

表2顯示，小麥的穗粒數(shù)與籽粒產(chǎn)量在不同水肥管理模式間均呈顯著性差異，均表現(xiàn)為HH模式>HE模式>SH模式；HE與HH模式下的小麥成穗數(shù)顯著高于SH模式，且其兩者之間無顯著性差異；不同栽培模式下小麥千粒重的差異性也較為顯著，表現(xiàn)為HE模式>HH模式>SH模式。小麥產(chǎn)量的形成絕大部分歸結(jié)于氮肥，結(jié)合3種管理模式下的施氮措施與小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素可知，SH模式過高的氮肥施用量以及過早的追氮時期對小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的提高沒有起到積極作用；隨著施氮量的增加，小麥千粒重反而逐漸減小；適宜的氮肥用量及適當(dāng)加大后期追肥比例能夠顯著提高小麥穗粒數(shù)和籽粒產(chǎn)量。

3 討 論

本研究結(jié)果表明，小麥根系4種氮代謝酶活性在不同管理模式下花后不同時間的變化趨勢不盡相同。3種水肥管理模式下2個土層小麥根系的GS活性呈現(xiàn)出“降-升-降”的趨勢，在花后14 d有一個小高峰，然后又下降，這與張營武[20]和王小純等[24]對小麥花后旗葉和籽粒GS活性的研究結(jié)果一致。由于GS不僅參與氨基酸的合成，也與蛋白質(zhì)的分解有關(guān)，故小麥花后14 d根系GS活性的小高峰可能是與籽粒形成后根系中貯存的蛋白質(zhì)大量分解成氨基酸有關(guān)。而王月福的研究則表明，小麥根系內(nèi)的GS活性從開花期后便一直降低[18]，與本研究的結(jié)論不一致。寧書菊通過對水稻生育后期根系內(nèi)部GS變化的研究認(rèn)為，不同作物品種在花后不同時間的根系GS活性變化不盡相同[9]。同時，HH模式下小麥根系的GOGAT活性在花后7 d降至最低后，未來2周內(nèi)酶活性又較大幅度地持續(xù)增強，而SH和HE模式僅在花后7 d到14 d的1周時間內(nèi)呈緩慢上升趨勢，這說明根系對氮素的同化能力不僅取決于氮代謝相關(guān)酶的活性強弱，還取決于高酶活維持的時間長短。研究[33-34]認(rèn)為，GOGAT的作用主要體現(xiàn)在與GS耦聯(lián)的GS-GOGAT循環(huán)中，因此它的活力與GS的活力以及與作物的氮同化能力呈顯著正相關(guān)，但在本研究中，HH模式下根系的GS和GOGAT活性并沒有顯著相關(guān)性。由于目前對小麥生育后期根部GOGAT活性變化的相關(guān)研究較少，該研究所得結(jié)果僅對黃淮麥玉兩熟區(qū)的相關(guān)研究和水肥指導(dǎo)有重要借鑒作用。另外，在小麥整個后期發(fā)育過程中，HH模式和SH模式下2個土層的根系GPT活性變化趨勢較一致，開花期到花后7 d酶活性無明顯變化，開花1周后酶活性迅速下降，兩2后保持在一定水平，說明GPT活性的最大變化出現(xiàn)在花后1～2周內(nèi)，這代表花后的灌漿初期是植物氮代謝的一個重要時期，這與寧書菊對水稻生育后期根系內(nèi)GPT活性的研究結(jié)果一致[9]。此外，本研究中每種水肥管理模式下2個土層小麥根系的NR活性從開花期開始便逐漸下降，且在開花期到花后21 d酶活性下降比較緩慢，花后21 d到花后28 d酶活性下降迅速，這與杜瑛和王月福的研究結(jié)果一致[17-18,28]，這種現(xiàn)象也許是氮素同化中心由根系轉(zhuǎn)移至地上部所致，生育中后期同化中心的轉(zhuǎn)變可使氮素同化更加高效。

從3種水肥管理模式來看，本研究中HH模式2個土層小麥根系的4種氮代謝酶活性均顯著高于SH和HE 模式，而它們在SH和HE 模式間則在大部分時期都沒有顯著差異。這一現(xiàn)象的出現(xiàn)可能是，在充分灌水的基礎(chǔ)上，HH模式的追施氮肥比例較高，大大滿足了小麥生育后期生殖生長的氮同化需求。李雙雙研究表明，生育后期增施氮肥能夠使小麥根系保持較高的活力[16]。而SH和HE 模式的酶活性之間之所以沒有明顯差異，可能跟兩者的水氮綜合管理措施有關(guān)。其中，SH模式的施氮量和灌水量均較HE模式大， 這一點彌補了SH模式在氮肥分配時期及比例方面的缺點，而HE模式雖然在氮肥的分配施用方面具有較大的優(yōu)越性，但其總的氮素施用量太低，這些因素可能就是造成2種模式下小麥根系4種氮代謝相關(guān)酶活性變化沒有明顯差異的原因。

從2個土層根系的氮代謝相關(guān)酶活性總體變化來看，在小麥生育后期，下層根系的酶活性往往高于上層根系，這可能是由于下層根系在生育后期比在生育前期和中期對氮素的利用和同化能力強，而上層根系的氮代謝則在生育前、中期比較強。Hurkman 等認(rèn)為，在根系中，一般來說根尖區(qū)正在擴展的細(xì)胞中NR活性較高，而越靠近根基部酶活性越低[35]，由此可以推斷其他3種氮代謝酶在不同土層的酶活性差異可能也與此有關(guān)。潘慶民通過研究小麥開花后不同土層根系的衰老情況認(rèn)為，開花8 d后，上層根系活力迅速降低，中、下層根系活力雖然也有所降低但降低幅度較小以至于高于上層根系[36]。

氮肥施用時期對小麥單位面積穗數(shù)的影響較大，不同的追氮量、氮肥基追比例對莖蘗狀態(tài)有顯著地調(diào)節(jié)效應(yīng)[37]，充足的氮肥能夠滿足植株分蘗生長的需要，有利于小麥得到較高的成穗數(shù)，有助于小麥高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)[38-39]。本試驗條件下，SH模式下的小麥有效穗數(shù)顯著低于HE和HH模式，可能是由于SH模式追施氮肥過早導(dǎo)致小麥生育前期分蘗過多，生育后期無效分蘗死亡率高，拔節(jié)期后群體數(shù)下降迅速，最終成穗數(shù)不是很高。相反HE和HH模式調(diào)整了氮肥基追時期及比例，使無效分蘗提前死亡，保證生育中后期的養(yǎng)分和水分供應(yīng)，最終獲得了較高的群體數(shù)，有利于提高小麥成穗率，保證產(chǎn)量的形成。穗粒數(shù)和千粒重是小麥產(chǎn)量構(gòu)成的2個關(guān)鍵要素，小麥穗粒數(shù)主要在拔節(jié)期后形成，千粒重則在灌漿期形成[40]。有研究表明，適宜的氮肥追施可以促進(jìn)植株對各營養(yǎng)元素的協(xié)調(diào)平衡吸收，維持花后較高的光合速率，提高結(jié)實率和穗粒數(shù)，從而提高產(chǎn)量[41-42]，然而穗粒數(shù)隨著氮肥用量在適宜范圍內(nèi)的增加而提高時，千粒重卻在下降[43]。本研究結(jié)果表明，不論是穗粒數(shù)還是千粒重，在3種水肥管理模式之間均有顯著性差異，且分別表現(xiàn)為HH模式>HE模式>SH模式和HE模式>HH模式>SH模式，這與前人研究結(jié)果一致。小麥產(chǎn)量的形成絕大部分歸結(jié)于氮肥，本試驗條件下的小麥籽粒產(chǎn)量表現(xiàn)為HH模式>HE模式>SH模式，這說明一味地增施氮肥并不能提高糧食產(chǎn)量，氮肥的施用時期與比例也是關(guān)鍵的調(diào)控因素。

根系對植物的重要性顯而易見，生育后期的根系生理活性對整體生理尤為重要，保證后期地上部分旺盛生理活性的重要措施之一是保持旺盛的根系生理活性，因此探討不同水肥管理模式對不同土層根系氮代謝的影響，顯得至關(guān)重要。搞清楚不同管理模式下不同土層根系在生育后期的氮代謝變化和生理調(diào)控，可獲得地上部分調(diào)節(jié)所不能達(dá)到的效果。本研究中，小麥不同土層根系的各氮代謝相關(guān)酶活性均以HH模式最強，產(chǎn)量也以HH模式最高，也即根系氮同化能力最強的管理模式獲得的產(chǎn)量也最高，這說明采用合理的管理模式可以更好地協(xié)調(diào)小麥地上與地下部的生理活動，進(jìn)而保障小麥高產(chǎn)。本試驗的不足在于，只研究了有關(guān)開花期到花后28 d的根系氮代謝，后期的氮素同化情況還有待今后繼續(xù)進(jìn)一步探討。