控釋氮肥比例對(duì)玉米氮代謝關(guān)鍵酶活性及干物質(zhì)積累的影響

金 容，郭 萍，周 芳，杜倫靜，劉斌祥，孔凡磊，袁繼超

（四川農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/農(nóng)業(yè)部西南作物生理生態(tài)與耕作重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 611130）

玉米是我國(guó)第一大糧食作物，提高單產(chǎn)是增加玉米總產(chǎn)量、保障糧食安全的重要途徑[1]。氮素對(duì)玉米器官建成具有重要作用，合理施肥在玉米增產(chǎn)諸因素中起28%～30%的作用[2]。目前我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中氮肥多以普通尿素等速效肥為主，肥效快但氮肥損失嚴(yán)重[3]，而控釋肥料由于其本身養(yǎng)分控制釋放的特點(diǎn)，可有效促進(jìn)作物生育后期的氮素供應(yīng)[4]，增強(qiáng)氮素轉(zhuǎn)換與積累[5]，協(xié)調(diào)作物各器官養(yǎng)分吸收與分配[6]，從而大大提高作物物質(zhì)積累[7]和產(chǎn)量[8-9]，是當(dāng)今國(guó)際肥料研究的熱點(diǎn)，也是肥料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向與競(jìng)爭(zhēng)熱點(diǎn)[10]。但由于控釋氮肥價(jià)格高，應(yīng)用范圍受限[11]，施用效果還可能出現(xiàn)前期缺氮后期貪青等現(xiàn)象[12]，故采用普通尿素和控釋尿素配合施用的方法，以望實(shí)現(xiàn)作物全生育期氮素均衡，降低成本，達(dá)到既增產(chǎn)又增收的目的[13]。前人[14-17]對(duì)控釋尿素和普通尿素混施的研究多集中北方平原地區(qū)，而且主要集中在玉米的產(chǎn)量和氮肥吸收利用方面，而關(guān)于玉米功能葉氮代謝關(guān)鍵酶活性以及各器官氮素積累和干物質(zhì)積累分配的研究報(bào)道較少，西南地區(qū)更為鮮見(jiàn)。本研究在川中丘陵地區(qū)采用田間小區(qū)試驗(yàn)方法，探討不同控釋氮肥比例對(duì)玉米氮代謝關(guān)鍵酶活性及干物質(zhì)積累與分配的影響，旨在篩選綜合效果最佳摻混比例，為控釋氮肥的合理施用和推廣提供理論參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況和供試材料

試驗(yàn)地位于四川省中江縣合興鄉(xiāng)新建村（30°95′N(xiāo)，104°63′E），屬于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年平均氣溫16.7 ℃，年降水量 883 mm，無(wú)霜期 286 d。2015年試驗(yàn)期間的具體日均溫和降水情況見(jiàn)圖1。試驗(yàn)地為黃色壤土，播前耕層土壤養(yǎng)分含量分別為：pH值7.60，有機(jī)質(zhì) 30.95 g/kg，堿解氮 71.03 mg/kg，速效磷 3.2 mg/kg，速效鉀 67.1 mg/kg。

圖1 玉米生育期間氣溫和降水量Figure 1 The average temperature and rainfall of the experiment site during the growing period of maize

供試肥料：控釋氮肥為樹(shù)脂包膜控釋尿素（CRU，含氮量43%，控釋期為90 d），由山東金正大生態(tài)工程集團(tuán)股份有限公司提供；普通尿素（CU，含氮量46%），由山東農(nóng)大肥業(yè)有限公司提供；氯化鉀（含K2O量60%）、過(guò)磷酸鈣（含P2O5量12%）分別由中化化肥有限公司和成都市青白江區(qū)磷肥廠提供。供試玉米品種：正紅505，由四川農(nóng)業(yè)大學(xué)正紅生物技術(shù)有限公司提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用單因素隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)（試驗(yàn)處理見(jiàn)表1），重復(fù)3次。試驗(yàn)設(shè)4個(gè)控釋氮肥比例：75%普通尿素+25%控釋尿素（CRU25），50%普通尿素+50%控釋尿素（CRU50），25%普通尿素+75%控釋尿素（CRU75）和 100%控釋尿素（CRU100）；以 100%普通尿素即常規(guī)施肥為對(duì)照（CK）。N、P2O5、K2O 用量分別是225、75和90 kg/hm2，各處理磷鉀肥全部作底肥一次施入，氮肥分2次施入（60%作底肥，40%作追肥），底肥（播種前）按照控釋氮肥摻混比例施入，追肥（大喇叭口期）均另施普通尿素。3月30日播種，7月28日收獲，寬窄行種植，寬行1.4 m，窄行0.4 m，起壟后澆足底水，采用地膜覆蓋撬窩穴播，株距0.2 m，種植密度為55 555株/hm2，小區(qū)面積為18 m2（5 m×3.5 m），其他栽管措施按當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)要求進(jìn)行。

表1 試驗(yàn)處理、養(yǎng)分用量及氮肥施用方案Table 1 The experimental treatment，the rates of fertilizer and N fertilizer application plan kg·hm-2

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 氮代謝關(guān)鍵酶活性

分別于發(fā)拔節(jié)期、吐絲期和灌漿期（吐絲后30 d），每個(gè)小區(qū)選取5片代表性葉（吐絲前取頂部第一全展開(kāi)葉，吐絲及其以后取穗位葉），剪切葉片中部去葉脈部分用液氮速凍后帶回實(shí)驗(yàn)室，置于-80℃超低溫冰箱中保存。利用南京建成生物工程研究所提供的GS測(cè)定試劑盒測(cè)定谷氨酰胺合成酶（GS）活性；參照R.P.Singh等[18]的方法測(cè)定谷氨酸合酶（GOGAT）活性；參考吳良?xì)g等[19]的方法測(cè)定谷草轉(zhuǎn)氨酶（GOT）；參考 C.A.Loulakakis等[20]的方法測(cè)定谷氨酸脫氫酶（GDH）；其中GS以每mg組織蛋白在每mL反應(yīng)體系中每min使540 nm下吸光值變化0.01定義為一個(gè)酶活力單位；GOGAT和GDH以每mg組織蛋白在反應(yīng)體系中每min消耗1 μmol NADH定義為一個(gè)酶活力單位；GOT活度以每g植物鮮樣在30 min內(nèi)反應(yīng)生成的丙酮酸微摩爾（μmol）表示。

1.3.2 植株氮素積累

分別于玉米拔節(jié)期、吐絲期、成熟期，每個(gè)小區(qū)選取代表性植株5株，按照葉片、莖鞘（含葉鞘和雄穗）、苞葉+穗軸和籽粒分開(kāi)，放入烘箱中，105℃殺青30 min，80℃烘干至恒重并稱(chēng)重，然后粉碎后過(guò)0.2 mm篩子，采用濃H2SO4-H2O2消煮，用BUCHI Distillation Unit K-355+Hanon T860全自動(dòng)電位滴定儀測(cè)定全氮含量，并計(jì)算氮素積累量。

1.3.3 考種與計(jì)產(chǎn)

于收獲期，每個(gè)小區(qū)按平均穗重法選取20個(gè)果穗，調(diào)查穗長(zhǎng)、穗粗、穗粒數(shù)、千粒重等產(chǎn)量構(gòu)成因素，并按小區(qū)實(shí)收株數(shù)收獲計(jì)產(chǎn)。

1.3.4 相關(guān)參數(shù)計(jì)算

各器官氮積累量=各器官干物重×各器官氮含量

植株氮積累量=各器官氮積累量之和

吐絲前干物質(zhì)積累率=吐絲期干物質(zhì)積累量/收獲時(shí)干物質(zhì)積累量×100

吐絲后干物質(zhì)積累量=收獲時(shí)干物質(zhì)積累量-吐絲期干物質(zhì)積累量

吐絲后干物質(zhì)積累率=吐絲后干物質(zhì)積累量/收獲時(shí)干物質(zhì)積累量×100

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用Microsoft Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，Graph Pad Prism 5.0 作圖，DPS 7.05 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和相關(guān)分析，采用單因素方差分析（one-way ANOVA）和最小顯著差異法（LSD），在 5%水平上對(duì)各處理的測(cè)定結(jié)果進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)，圖表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。

2 結(jié)果與分析

2.1 控釋氮肥比例對(duì)玉米功能葉氮代謝關(guān)鍵酶活性的影響

由圖2可知，隨生育進(jìn)程的推進(jìn)，玉米功能葉谷氨酸合酶（GOGAT）活性呈先增后降趨勢(shì)，而谷氨酰胺合成酶（GS）、谷草轉(zhuǎn)氨酶（GOT）和谷氨酸脫氫酶（GDH）活性均呈增加趨勢(shì)，活躍期相對(duì)較長(zhǎng)。拔節(jié)期，隨控釋尿素比例的增加，各控氮比處理氮代謝關(guān)鍵酶活性總體呈降低趨勢(shì)，以CRU100活性最低且低于常規(guī)施肥處理CK，特別是GS和GOT，差異達(dá)到顯著水平；吐絲期和灌漿期，各控氮比處理氮代謝關(guān)鍵酶活性隨控釋尿素比例的增加呈先增后降趨勢(shì)，以CRU75處理活性最高，與CK相比，吐絲期提高 26.93%（GS）、20.36%（GOGAT）、14.99%（GOT）、3.24%（GDH），灌漿期提高 9.21%（GS）、18.88%（GOGAT）、12.11%（GOT）、6.12%（GDH）。摻混控釋尿素處理吐絲期和灌漿期平均氮代謝關(guān)鍵酶活性較CK分別提高7.23%、4.42%?？梢?jiàn)，適宜的控氮比有利于玉米中后期葉片氮代謝關(guān)鍵酶活性維持在較高水平，保證其氮代謝系統(tǒng)的暢通和高效運(yùn)轉(zhuǎn)，從而促進(jìn)對(duì)氮素的同化能力，以CRU75%+CU25%較適宜。

圖2 不同施肥處理對(duì)功能葉谷氨酰胺合成酶（A）、谷氨酸合酶（B）、谷草轉(zhuǎn)氨酶（C）和谷氨酸脫氮酶（D）的影響Figure 2 Effects of different fertilization treatments on GS（A），GOGAT（B），GOT（C）and GDH（D）of function leaves

2.2 控釋氮肥比例對(duì)植株氮素積累的影響

養(yǎng)分在植株各器官的積累分配是植株生長(zhǎng)發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)，由表2可知，隨生育進(jìn)程的推進(jìn)，玉米葉片氮素積累量先升高后降低，吐絲期達(dá)到最大，莖鞘和植株氮素總積累量則逐漸增加。成熟期籽粒中的氮素積累量最大，占植株氮總積累量的50.48%～55.73%。各控氮比處理拔節(jié)期玉米葉和莖鞘氮素積累量均低于常規(guī)施肥處理CK；吐絲期和成熟期各器官氮素積累量均隨控釋尿素比例的增加呈先增后降趨勢(shì)，以CRU75處理顯著最高，與CK相比，葉、莖鞘、穗（包括苞葉、穗軸和籽粒）氮素積累量吐絲期分別增加 10.89%、7.67%和 26.85%，成熟期增加 10.30%、12.81%和 35.08%。摻混控釋尿素后拔節(jié)-吐絲期和吐絲-成熟期平均植株氮素積累量較CK分別提高4.36%和31.16%，吐絲后期植株氮素積累量增幅更大。可見(jiàn)，適宜比例的控釋尿素與普通尿素混合施用既能保證前期玉米對(duì)氮素的需求，又能使后期養(yǎng)分維持一個(gè)較高水平，最終顯著提高玉米植株特別是籽粒的氮素積累量。

表2 不同施肥處理對(duì)玉米植株氮素積累量的影響Table 2 Effects of different fertilization treatments on N accumulation of maize kg·hm-2

2.3 控釋氮肥比例對(duì)玉米干物質(zhì)積累的影響

從表3可以看出，與常規(guī)施肥處理CK相比，控釋氮肥處理提高了玉米吐絲前和吐絲后平均干物質(zhì)積累量，最終提高了成熟期干物質(zhì)總積累量。隨控釋尿素比例的增加，各控氮比處理吐絲前和吐絲后干物質(zhì)積累量均呈先增后降趨勢(shì)，以CRU75處理最高，但吐絲前各處理間差異不顯著；而吐絲前干物質(zhì)積累率隨控釋尿素比例的增加呈降低趨勢(shì)，吐絲后則呈增加趨勢(shì)，且以CRU100和CRU75處理較高并顯著高于CK。表明摻混適宜比例的控釋尿素可在一定程度上提高玉米特別是吐絲后干物質(zhì)積累量和干物質(zhì)積累率，最終提高玉米干物質(zhì)總積累量。

表3 不同施肥處理對(duì)玉米干物質(zhì)積累量和積累率的影響Table 3 Effects of different fertilization treatments on N accumulation and N accumulation rate of maize

2.4 控釋氮肥比例對(duì)玉米干物質(zhì)分配的影響

從表4可看出，干物質(zhì)積累在各器官中的分配隨生長(zhǎng)中心轉(zhuǎn)移而變化。從拔節(jié)期至吐絲期，葉和莖依次成為光合產(chǎn)物的分配中心；吐絲期以后，隨著生殖器官的生長(zhǎng)發(fā)育，在莖和葉片中的分配比例逐漸減少，開(kāi)始向果穗轉(zhuǎn)運(yùn)；成熟期，穗（包括苞葉、穗軸和籽粒）的分配比例增加，籽粒成為光合產(chǎn)物的主要分配中心，分配比例達(dá)39.26%～43.13%。

摻混控釋尿素后拔節(jié)期葉分配比例顯著低于常規(guī)施肥處理CK，但各控氮比處理間差異不顯著。吐絲期各控氮比處理葉和莖鞘的分配比例均高于CK，而穗則低于CK，且隨控釋尿素比例的增加呈先增后降趨勢(shì)。成熟期各控氮比處理穗（包括苞葉、穗軸和籽粒）分配比例隨控釋尿素比例的增加而先增后降，以CRU75處理最高，其中籽粒分配比例較常CK顯著提高9.86%。表明適宜的控氮比可促進(jìn)玉米吐絲后營(yíng)養(yǎng)器官干物質(zhì)向籽粒轉(zhuǎn)移，表現(xiàn)出明顯的“前控后?！毙Ч?，進(jìn)而提高籽粒干物質(zhì)積累。

表4 不同施肥處理對(duì)玉米干物質(zhì)分配的影響Table 4 Effects of different fertilization treatments on dry matter distribution of maize%

2.5 控釋氮肥比例對(duì)玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

從表5可以看出，施用控釋尿素可顯著提高玉米籽粒產(chǎn)量。與常規(guī)施肥處理CK相比，CRU25、CRU50、CRU75和CRU100處理產(chǎn)量分別提高0.59%、3.95%、10.51%和 3.84%，其增產(chǎn)的原因是改善穗部性狀，穗長(zhǎng)、穗粗、行粒數(shù)、穗粒數(shù)和百粒重與其產(chǎn)量的變化趨勢(shì)一致，也都隨控釋尿素比例的增加呈先增后降趨勢(shì)，均以CRU75處理最高，較CK分別增加 2.78%、2.04%、4.15%、6.93%和 3.49%，其中有效穗長(zhǎng)、穗粒數(shù)和百粒重差異達(dá)到顯著水平。

表5 不同施肥處理對(duì)玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響Table 5 Effects of different fertilization treatments on grain yield and its components of maize

2.6 氮代謝關(guān)鍵酶活性與植株干物質(zhì)和氮素積累及產(chǎn)量之間的關(guān)系

從表6可以看出，玉米功能葉氮代謝關(guān)鍵酶活性與氮素積累總量、干物質(zhì)積累總量和產(chǎn)量呈正相關(guān)，除谷氨酸合酶（GOGAT）與干物質(zhì)積累總量和產(chǎn)量相關(guān)系數(shù)未達(dá)顯著水平外，其余均達(dá)顯著或極顯著水平。氮素積累總量與干物質(zhì)積累總量呈極顯著正相關(guān)；產(chǎn)量與氮素積累總量和干物質(zhì)積累總量正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)均達(dá)極顯著水平。表明氮肥不僅影響玉米對(duì)氮素的吸收，還影響其代謝，并進(jìn)一步影響其干物質(zhì)積累，最終影響玉米產(chǎn)量的形成；適當(dāng)提高玉米功能葉氮代謝關(guān)鍵酶活性可促進(jìn)玉米的氮素積累和干物質(zhì)積累，從而提高玉米產(chǎn)量。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

作物吸收的氮素需要在一系列氮代謝酶（GS、GOGAT、GOT及GDH）催化下形成各種有益功能與貯藏物質(zhì)，其中GS和GOGAT偶聯(lián)形成的循環(huán)反應(yīng)是作物氮代謝的主要途徑，是整個(gè)氮代謝的中心，氨基交換作用（例如GOT）以及GDH途徑是氮代謝的重要支路，在氨態(tài)氮的再利用過(guò)程中占有一定地位[21-23]。本試驗(yàn)中100%普通尿素處理CK較控釋尿素處理，拔節(jié)期氮代謝關(guān)鍵酶活性較高，氮素積累量較大，但中后期不如控釋尿素處理，這主要是由于普通尿素前期釋放較快，肥效期相對(duì)較短[24]，而控釋尿素能有效降低或控制養(yǎng)分釋放速率，減少肥料揮發(fā)和淋溶損失，肥效期相對(duì)較長(zhǎng)[25-26]，因此有利于提高玉米葉片吐絲后氮代謝酶活性，增加玉米氮素積累量。這與杜君等、羅勝芳等[27-28]在水稻上的研究結(jié)果基本一致，表明控釋肥與普通尿素配施對(duì)玉米中后期氮代謝有一定的促進(jìn)作用。本試驗(yàn)結(jié)果還得出75%控釋尿素配比處理在玉米生育中后期，氮代謝關(guān)鍵酶活性和氮素積累量均高于100%普通尿素CK和100%控釋尿素處理，表明一定比例的普通尿素和控釋尿素配合施用，既能彌補(bǔ)因控釋尿素前期釋放過(guò)慢的不足，又能滿(mǎn)足玉米生育中后期對(duì)氮素的需求，從而實(shí)現(xiàn)肥料間養(yǎng)分供應(yīng)持續(xù)接力[29]，達(dá)到緩急兼濟(jì)，平衡供肥的目的。

表6 氮代謝關(guān)鍵酶活性（灌漿期）與氮素積累總量、干物質(zhì)積累總量及產(chǎn)量之間的關(guān)系Table 6 Correlation between N metabolism key enzyme activity（filling period），total N accumulation，total dry matter accumulation and yield

已有研究[30-31]表明，控釋尿素氮素緩慢釋放能夠顯著促進(jìn)植株干物質(zhì)積累，提高玉米產(chǎn)量，但前人[32-35]對(duì)控釋尿素適宜的摻混比例的研究結(jié)果不盡一致，從50%～75%不等。本試驗(yàn)中控釋尿素與普通尿素配施的處理吐絲前（除CRU25外）干物質(zhì)積累量均高于100%控釋尿素處理，吐絲后干物質(zhì)積累量又均高于100%普通尿素處理CK，干物質(zhì)積累總量（尤其是吐絲后干物質(zhì)積累）和玉米產(chǎn)量均隨控釋尿素比例的增加呈先增后降趨勢(shì)，以CRU75%+CU25%配施處理最高，與北方雙城地區(qū)姬景紅等[34]的研究結(jié)果相似，但與黃淮海平原地區(qū)李偉等[12]研究結(jié)果不一致，這一結(jié)果對(duì)指導(dǎo)西南丘陵山地類(lèi)似土壤生態(tài)玉米區(qū)控釋肥的合理利用具有重要參考價(jià)值。不同控釋氮與普通氮肥混合比對(duì)各器官的干物質(zhì)分配也有一定的影響，總體而言，成熟期籽粒的分配比例隨控釋氮與普通氮肥混合比的提 髙 而先 増 后降，適宜的控釋氮與普通氮肥混合比有利于莖鞘和葉的干物質(zhì)及時(shí)向籽粒轉(zhuǎn)移?？梢?jiàn)，一定比例的普通尿素和控釋尿素?fù)交焓┯媚軌虼龠M(jìn)玉米中前期生長(zhǎng)，延緩后期衰老，增加干物質(zhì)積累并提高籽粒的分配比例，從而增加玉米產(chǎn)量。

相關(guān)分析表明，玉米的干物質(zhì)和氮素吸收積累量與灌漿期功能葉GS、GOGAT、GOT和GDH等氮代謝關(guān)鍵酶活性顯著正相關(guān)，產(chǎn)量與干物質(zhì)和氮素吸收積累量極顯著正相關(guān)，表明適宜控釋氮肥比例提高玉米產(chǎn)量的生理基礎(chǔ)是提高了功能葉的氮代謝關(guān)鍵酶活性，促進(jìn)了植株對(duì)氮素的同化能力，增加了氮素吸收與干物質(zhì)積累量。

3.2 結(jié)論

適宜控釋氮與普通氮肥混合比處理能顯著提高玉米中后期功能葉GS、GOGAT、GOT及GDH等氮代謝關(guān)鍵酶活性，增加植株的氮素積累和干物質(zhì)積累，并促進(jìn)吐絲后葉、莖鞘干物質(zhì)向穗部轉(zhuǎn)移，顯著提高籽粒分配比例，改善穗部性狀，增加穗粒數(shù)和百粒重，從而提高玉米產(chǎn)量。本試驗(yàn)條件下，普通尿素與控釋尿素配合施用適宜的比例為25∶75。