氮肥對(duì)不同氮效率玉米氮代謝酶和氮素利用及產(chǎn)量的影響

李文龍，呂英杰，劉笑鳴，佟 桐，曹鑫波，顧萬榮，魏 湜

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030)

【研究意義】氮高效玉米品種是降低氮肥投入條件下減產(chǎn)幅度較小的高產(chǎn)或超高產(chǎn)品種，是高氮高產(chǎn)與耐低氮的協(xié)調(diào)統(tǒng)一[1]。玉米作為我國重要的糧食作物，2015年產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到22 463.16萬t，但高產(chǎn)不高效是玉米高產(chǎn)超高產(chǎn)栽培中普遍存在的問題。過量施用氮肥，不僅會(huì)降低玉米產(chǎn)量，還會(huì)降低氮肥利用效率，造成環(huán)境污染[2-4]。因此，探究不同氮肥水平對(duì)不同氮效率玉米氮代謝和產(chǎn)量的影響，平衡好氮肥施入和氮肥吸收之間的關(guān)系對(duì)玉米進(jìn)一步增產(chǎn)增效意義重大?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】前人對(duì)玉米氮效率研究主要集中在氮素的吸收、還原同化、積累和分配等方面[5]。屈佳偉等[6]研究發(fā)現(xiàn)，在低氮和適量施氮條件下，低氮高效品種較低氮低效品種表現(xiàn)出較高的根系生物量、根長(zhǎng)和較低的根系衰老速率。馬曉君等實(shí)驗(yàn)證明了低氮高效品種較低氮低效品種具有較高的物質(zhì)生產(chǎn)能力，在低氮水平下具有較高的產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)[7]。晁曉樂試驗(yàn)表明，在低氮水平下，低氮高效型玉米潞玉19保持較高的產(chǎn)量，但隨施氮量的增加，氮肥利用效率降低[8]。而前人研究表明，雙高效型玉米先玉335在低氮和高氮條件下都有較好的產(chǎn)量，是適合廣泛種植的玉米品種。對(duì)于低氮高效品種，施氮能促進(jìn)全生育期的氮素積累；但是對(duì)于低氮低效品種，施氮僅僅增加播種至吐絲期的氮積累量[9]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前有關(guān)不同氮肥施用量對(duì)玉米氮代謝酶的研究報(bào)道多集中在硝酸還原酶(NR)、谷氨酰胺合成酶(GS)上，而針對(duì)亞硝酸還原酶(NiR)、谷氨酸合成酶(GOGAT)的研究較少，缺乏系統(tǒng)性，且有關(guān)氮素利用的報(bào)道不多?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本試驗(yàn)以低氮高效品種鄭單958和低氮低效品種綏玉7號(hào)為試驗(yàn)材料，研究不同施氮水平對(duì)玉米氮代謝酶、氮素利用及產(chǎn)量的影響，為黑龍江玉米增產(chǎn)增效提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

基于前期預(yù)備實(shí)驗(yàn)篩選，選擇鄭單958(低氮高效品種，河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所提供)，綏玉7號(hào)(低氮低效品種，黑龍江墾豐種業(yè)有限公司提供)進(jìn)行大田試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2015-2016年在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)向陽實(shí)驗(yàn)基地進(jìn)行(東經(jīng)126°22′～126°50′，北緯45°34′～45°46′)，供試土壤為黑鈣土，前茬作物為馬鈴薯，耕層深度為20 cm。試驗(yàn)土壤的各養(yǎng)分含量見表1。試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)2個(gè)品種，6個(gè)施氮水平(N0：氮用量為0 kg·hm-2；N1:氮用量為100 kg·hm-2；N2：氮用量為140 kg·hm-2；N3：氮用量為180 kg·hm-2；N4：氮用量為220 kg·hm-2；N5:氮用量為260 kg·hm-2)，共18個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)，共54個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積48 m2，行長(zhǎng)8 m，壟寬0.6 m。各處理磷、鉀肥施用量相同，75 kg·hm-2P2O5、120 kg·hm-2K2O均作基肥一次性施入。氮肥總量的1/3作為基肥，剩余氮肥在拔節(jié)期追施。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.3.1 氮代謝關(guān)鍵酶的測(cè)定 分別于玉米的拔節(jié)期，抽雄期，吐絲期和灌漿期(拔節(jié)期選定倒二葉，其余時(shí)期選定穗位葉)，取玉米葉片鮮樣來測(cè)定氮代謝關(guān)鍵酶活性。硝酸還原酶(NR)采用α-萘胺-磺酸活體法測(cè)定活性[10]；亞硝酸還原酶(NiR)用Takahashi等[11]的方法測(cè)定活性；谷氨酰胺合成酶(GS)用Lea的方法測(cè)定活性[12]。谷氨酸合成酶(GOGAT)采用鄭朝峰等[13]方法測(cè)定活性。酶活力用μmol NADH/(gFW·min)為單位。

1.3.2 氮含量的測(cè)定 將烘干后的樣品經(jīng)粉碎機(jī)磨成粉末，取0.1 g粉末放入消煮管中，加入少量催化劑(硫酸銅∶硫酸鉀=1∶10)和濃H2SO45 mL于消煮爐中進(jìn)行消煮，待溶液變成淡綠色透明液體后取出冷卻，用FOSS8400全自動(dòng)凱氏定氮儀測(cè)定植物樣品全氮含量。計(jì)算公式如下：

莖稈氮轉(zhuǎn)運(yùn)效率(%)=100×(吐絲期莖稈氮含量-成熟期莖稈氮含量)/吐絲期莖稈氮含量

葉片氮轉(zhuǎn)運(yùn)效率(%)=100×(吐絲期葉片氮含量-成熟期葉片氮含量)/吐絲期葉片氮含量

莖稈氮轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)籽粒氮的貢獻(xiàn)率(%)=100×(吐絲期莖稈氮含量-成熟期莖稈氮含量)/成熟期籽粒氮含量

葉片氮轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)籽粒氮的貢獻(xiàn)率(%)= 100×(吐絲期葉片氮含量-成熟期葉片氮含量)/成熟期籽粒氮含量

1.3.3 產(chǎn)量的測(cè)定 于玉米成熟期，每個(gè)小區(qū)選擇未取樣的兩行進(jìn)行測(cè)產(chǎn)，記錄穗數(shù)、穗粒數(shù)和粒重等，并計(jì)算實(shí)際產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2007和SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)上述結(jié)果作圖及統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 供氮水平對(duì)不同氮效率玉米葉片氮代謝相關(guān)酶活性的影響

2.1.1 供氮水平對(duì)不同氮效率玉米葉片硝酸還原酶活性的影響 由圖1可知，隨著施氮量的增加，鄭單958硝酸還原酶(NR)活性呈現(xiàn)先增加、后降低的趨勢(shì)。在N3水平下達(dá)到峰值，與對(duì)照相比增加了44.84 %。在拔節(jié)期，各處理差異并不顯著，但是隨著生育進(jìn)程推進(jìn)，差異越來越明顯。至吐絲期和灌漿期，NR活性表現(xiàn)為N3>N4>N5>N2>N1>N0。隨著施氮量的增加，綏玉7號(hào)的NR活性呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。N5水平下酶活性最高，與對(duì)照相比增加30.81 %。在拔節(jié)期，N1～N5差異不顯著。

表1 試驗(yàn)土壤的各養(yǎng)分量

圖上不同字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)Different lowercase letters mean significant difference at 0.05 level圖1 供氮水平對(duì)不同氮效率玉米品種硝酸還原酶的影響Fig.1 Effects of nitrogen supplies on NR of different nitrogen efficiency maize varieties

2.1.2 供氮水平對(duì)不同氮效率玉米葉片亞硝酸還原酶活性的影響 由圖2可知，隨著施氮量的增加，鄭單958亞硝酸還原酶(NiR)活性呈現(xiàn)先增加、后降低的趨勢(shì)，在N3水平下達(dá)到峰值，與對(duì)照相比增加了24.39 %。在灌漿期，NiR活性表現(xiàn)為N3>N4>N5>N2>N1>N0。綏玉7號(hào)NiR活性隨著施氮量的增加呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。N5水平下酶活性最高，與對(duì)照相比增加35.50 %。在拔節(jié)期和抽雄期，N3～N5差異不顯著。

2.1.3 供氮水平對(duì)不同氮效率玉米葉片谷氨酰胺合成酶活性的影響 由圖3可知，隨著施氮量的增加，鄭單958谷氨酰胺合成酶(GS)活性呈現(xiàn)先增加、后降低的趨勢(shì)。在N3水平下達(dá)到峰值，與對(duì)照相比增加26.42 %。在灌漿期，GS活性表現(xiàn)為N3>N4>N5>N2>N1>N0。綏玉7號(hào)GS活性隨著施氮量的增加呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。N5水平下酶活性最高，與對(duì)照相比增加30.93 %。在拔節(jié)期，N2～N5差異不顯著。

2.1.4 供氮水平對(duì)不同氮效率玉米葉片谷氨酸合成酶活性的影響 由圖4可知，隨著施氮量的增加，鄭單958谷氨酸合成酶(GOGAT)活性呈現(xiàn)先增加、后降低的趨勢(shì)。在N3水平下達(dá)到峰值，與對(duì)照相比增加28.19 %。在灌漿期，GOGAT活性表現(xiàn)為N3>N4>N5>N2>N1>N0。綏玉7號(hào)GOGAT活性隨著施氮量的增加呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。N5水平下酶活性最高，與對(duì)照相比增加29.88 %。在拔節(jié)期和灌漿期，N2～N5差異不顯著。

圖2 供氮水平對(duì)不同氮效率玉米品種亞硝酸還原酶的影響Fig.2 Effects of nitrogen supplies on NiR of different nitrogen efficiency maize varieties

圖3 供氮水平對(duì)不同氮效率玉米品種谷氨酰胺合成酶的影響Fig.3 Effects of nitrogen supplies on GS of different nitrogen efficiency maize varieties

圖4 供氮水平對(duì)不同氮效率玉米品種谷氨酸合成酶的影響Fig.4 Effects of nitrogen supplies on GOGAT of different nitrogen efficiency maize varieties

2.2 供氮水平對(duì)不同氮效率玉米氮素利用的影響

2.2.1 供氮水平對(duì)不同氮效率玉米氮素吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)的影響 由表2可知，隨著施氮量的增加，鄭單958各個(gè)器官的氮含量呈先升高、后降低的趨勢(shì)。在N4水平下氮含量最大。與對(duì)照相比，成熟期穗氮含量提升了89.61 %。在開花期，N4與其它處理差異顯著。隨著施氮量的增加，綏玉7號(hào)開花期葉片和成熟期穗的氮含量呈先升高、后降低的趨勢(shì)，在N4水平達(dá)到峰值；而開花期與成熟期的莖稈、成熟期葉片氮含量均在N5水平達(dá)到峰值。與對(duì)照相比，成熟期穗氮含量提升了98.04 %。僅僅與N5水平差異不顯著。

2.2.2 供氮水平對(duì)不同氮效率玉米氮轉(zhuǎn)運(yùn)效率、氮轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率、氮肥生理利用率的影響 由表3可知，施氮能增加鄭單958和綏玉7號(hào)的氮轉(zhuǎn)運(yùn)效率、氮轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)籽粒貢獻(xiàn)率和氮肥生理利用率。但是當(dāng)達(dá)到N4時(shí)，鄭單958的氮肥生理利用率開始顯著下降，與對(duì)照相比，N3、N4分別增加了128.60 %、96.91 %，N5減少了7.87 %。隨著施氮量增加，綏玉7號(hào)的氮肥生理利用率也出現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。與對(duì)照相比，N3、N4分別增加了54.03 %、52.37 %。在N5水平，綏玉7號(hào)的氮肥生理利用率也開始顯著下降。

2.3 供氮水平對(duì)不同氮效率玉米產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

由表4可知，施肥能增加玉米產(chǎn)量。在N3、N4、N5水平，鄭單958的產(chǎn)量差異不顯著，均在9400 kg·hm-2左右，而N1、N2產(chǎn)量差異顯著。造成差異的原因是穗粒數(shù)和粒重的不同。綏玉7號(hào)的產(chǎn)量隨施肥量的增加而增加，N3、N4、N5的產(chǎn)量差異顯著。

表2 供氮水平對(duì)不同氮效率玉米氮素吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

注：同列數(shù)據(jù)后不同字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。

Note:Different lowercase letters mean significant difference at 0.05 level.

表3供氮水平對(duì)不同氮效率玉米氮轉(zhuǎn)運(yùn)效率、氮轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)籽粒貢獻(xiàn)率、氮肥生理利用率的影響

Table 3 Effect of nitrogen supplies on nitrogen transport efficiency, nitrogen contribution to grain and nitrogen fertilizer physiological utilization rate of different nitrogen efficiency maize varieties

品種Variety處理Treatment氮轉(zhuǎn)運(yùn)效率(%)NTE氮轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)籽粒貢獻(xiàn)率NCP氮肥生理利用率(%)葉片Leaf莖稈Stalk葉片Leaf莖稈StalkNPE (kg·kg-1)鄭單958ZD-958N066.36±0.34d46.37±3.21e49.34±4.91d16.92±4.20e15.87±1.08eN170.72±1.38c62.57±2.11d57.08±3.75c32.19±2.99d18.90±1.49dN272.10±2.20bc66.63±3.36c58.88±3.38bc38.33±3.61c35.45±1.41bN373.90±1.11ab69.83±1.64b60.02±0.73abc41.55±1.31b36.28±6.90aN475.89±0.79a72.89±1.08a61.76±3.20a44.67±2.62a31.25±1.44cN575.36±1.04a71.86±1.50a59.20±3.54bc41.47±3.13b13.08±0.78f平均值72.39±0.8865.03±1.3457.71±2.4535.85±2.2127.55±9.53綏玉7號(hào)SY-7N053.92±1.42c36.86±7.73e32.06±2.59b12.03±3.85d11.06±2.01dN163.38±2.98b42.07±7.22d37.31±3.75a11.82±3.15d14.66±3.06cN265.97±1.13b54.12±3.62c39.04±1.33a17.96±2.36c16.65±1.66bN369.47±1.95a57.97±1.27b39.54±3.24a18.31±1.13c24.06±1.59aN471.00±0.90a59.38±1.48b42.38±4.05a19.88±0.36b23.66±2.87aN569.90±1.96a67.03±1.99a41.72±2.88a28.90±1.07a11.06±2.01d平均值65.61±1.1152.91±1.5738.67±1.7618.15±1.9718.02±5.70

表4 供氮水平對(duì)不同氮效率玉米產(chǎn)量構(gòu)成的影響

3 討 論

3.1 供氮水平對(duì)不同氮效率基因型玉米氮代謝的影響

3.2 不同供氮水平對(duì)不同氮效率基因型玉米氮素積累及轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

養(yǎng)分吸收是干物質(zhì)形成的基礎(chǔ)，適當(dāng)施肥能提高玉米干物質(zhì)積累量。前人研究表明：隨著施氮量的增加，植株氮素總積累量呈單峰曲線變化[18-19]，并且低氮高效品種更能充分吸收利用氮素[20-21]。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著供氮量增加，玉米開花期葉片、莖稈及成熟期穗內(nèi)的氮含量也增加，說明氮肥能增加葉片、莖稈氮含量。但是當(dāng)施氮量達(dá)到260 kg·hm-2時(shí)，氮含量開始下降，這與景立權(quán)等的結(jié)論不一致[22]?？赡芘c地域和品種不同有關(guān)。本研究還表明，在籽粒形成期，鄭單958各個(gè)器官的氮含量均高于綏玉7號(hào)，氮轉(zhuǎn)運(yùn)效率也高于綏玉7號(hào)。說明低氮高效品種的氮素積累量比低氮低效品種多，這與李強(qiáng)的研究結(jié)果相一致。葉片是氮素再利用的主要來源，隨著施氮量增加，葉片和莖稈氮轉(zhuǎn)運(yùn)效率呈現(xiàn)先增高、再下降的規(guī)律。施肥量為220 kg·hm-2時(shí)，葉片和莖稈氮轉(zhuǎn)運(yùn)效率最高。

景立權(quán)[22]等研究指出：隨著施氮量增加，玉米葉片中含氮量先增加再減小，峰值出現(xiàn)在施氮450 kg·hm-2時(shí)，葉片含氮量最大。而本研究發(fā)現(xiàn)，在220 kg·hm-2的施氮水平上，鄭單958的葉片、莖稈氮含量就達(dá)到了最大值，與對(duì)照相比分別增加了107.67 %、221.25 %；綏玉7號(hào)的葉片氮含量也達(dá)到了最大值，與對(duì)照相比增加了98.45 %。

3.3 供氮水平對(duì)不同氮效率基因型玉米產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

干物質(zhì)是玉米產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)，施氮量對(duì)玉米干物質(zhì)積累、分配和轉(zhuǎn)運(yùn)影響顯著，并且氮肥能增加玉米穗數(shù)和百粒重[23]。徐建亭實(shí)驗(yàn)表明，低氮高效品種登海605和金海604在施氮和不施氮水平下均能保持高產(chǎn)[24]。李婷[25]和李文娟[26]實(shí)驗(yàn)表明，低氮高效品種鄭單958具有耐貧瘠的特點(diǎn)。本研究表明：適當(dāng)施氮可以促進(jìn)玉米增產(chǎn)，但是氮肥達(dá)到260 kg·hm-2時(shí)，鄭單958產(chǎn)量開始顯著下降。這與前人[27-28]的研究結(jié)果類似。有研究表明：低氮高效品種通過葉面積上的優(yōu)勢(shì)，提高光合生產(chǎn)能力，促進(jìn)了光合產(chǎn)物的積累[29-30]。但是本文研究表明：氮代謝相關(guān)酶活性也是高產(chǎn)的重要原因之一。4種氮代謝相關(guān)酶活性均為低氮高效品種鄭單958高于低氮低效品種綏玉7號(hào)。酶活性越高，氮素同化能力就越強(qiáng)，氮高效玉米憑借這樣的優(yōu)勢(shì)，合成更多的葉綠素和光合相關(guān)酶系，從而促進(jìn)干物質(zhì)積累，提高產(chǎn)量。

4 結(jié) 論

低氮高效品種鄭單958的氮相關(guān)酶活性、植株氮含量、氮轉(zhuǎn)運(yùn)效率和產(chǎn)量均高于綏玉7號(hào)。原因是鄭單958的氮相關(guān)酶活性高，可以促進(jìn)對(duì)氮素的吸收、同化，因此其氮含量高于綏玉7號(hào)。同時(shí)，氮參與葉綠素及相關(guān)酶系的合成，這就使鄭單958產(chǎn)量高于綏玉7號(hào)。適量增施氮肥能促進(jìn)玉米產(chǎn)量，低氮高效品種對(duì)氮更敏感，利用效率更高，研究為黑龍江省合理選用品種及施肥提供理論及實(shí)驗(yàn)依據(jù)。