氮素水平對科爾沁沙地羊草葉片氮代謝及產(chǎn)量的影響

候文慧，張玉霞，杜曉艷，王鑫，鮑青龍，叢百明

(1.內(nèi)蒙古民族大學(xué)，內(nèi)蒙古 通遼 028041；2.赤峰市草原工作站，內(nèi)蒙古 赤峰 024000；3.通遼市畜牧獸醫(yī)科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古 通遼 028000)

羊草(Leymuschiueusis)，又名堿草，為多年生廣域性禾草，隸屬于禾本科(Gramineae)賴草屬(Leymus)[1]。羊草是牛羊均喜食的牧草，營養(yǎng)物質(zhì)含量豐富，被稱為“牧草中的細糧”[2]，集中分布于歐亞大陸草原東部，而羊草在我國主要分布在東北草原和內(nèi)蒙古草原，約占全球總量的一半[3]。內(nèi)蒙古草原屬于歐亞草原的一部分，我國草原的典型特征包括物種組成和群落結(jié)構(gòu)[4]，很容易在東北和內(nèi)蒙古草原形成大面積的單一優(yōu)勢植被[5]。羊草適口性好[6]，葉量大，產(chǎn)量高，具有較高的經(jīng)濟價值。且具有抗旱、抗寒、耐鹽堿等特征[7]，根莖發(fā)達，耐牧性強，防風(fēng)固沙，可減少水土流失，有很大的生態(tài)價值。因此，種植羊草，對治理草原“三化”，促進畜牧業(yè)發(fā)展具有重要的作用[8-10]。

氮代謝與植物的生長和產(chǎn)量構(gòu)成有關(guān)。大量研究表明，谷氨酰胺合成酶和硝酸還原酶是氮素同化的關(guān)鍵酶，對蛋白質(zhì)合成具有重要的影響[11-15]。目前關(guān)于氮肥如何通過促進氮代謝，促進生長發(fā)育的研究尚少。關(guān)于氮還原酶活性與植物氮化合物含量之間的關(guān)系，一些研究發(fā)現(xiàn)氮含量與植物氮化合物含量呈正相關(guān)，而另一些則不顯著[15-17]。谷氨酰胺合成酶是氮代謝中心的多功能酶，是各種氮代謝的調(diào)節(jié)劑，通過適當(dāng)增加氮肥用量，可以提高氨同化效率，促進蛋白質(zhì)合成[18-19]。研究表明，適當(dāng)供應(yīng)氮可以改善小麥氮代謝的關(guān)鍵酶活性，改善氮在谷物中的分布和運輸，提高谷物產(chǎn)量[20]。

1 材料和方法

1.1 試驗區(qū)自然概況

試驗地設(shè)在內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市科爾沁區(qū)育新鎮(zhèn)(E 122°21′，N 43°57′)和內(nèi)蒙古民族大學(xué)科技園區(qū)(E 122°28′，N 43°53′)，地理位置相距10 km，均屬溫帶半干旱大陸性氣候。年均氣溫0～6℃，≥10℃年積溫3 000～3 200℃，無霜期140～150 d，年均降水量350～400 mm，蒸發(fā)量是降水量的5倍，年均風(fēng)速3.0～4.4 m/s。通遼市育新鎮(zhèn)土壤類型為風(fēng)沙土，pH值8.0，土壤有機質(zhì)0.65%，堿解氮36.37 mg/kg，速效磷含量3.81 mg/kg，速效鉀含量78.51 mg/kg，全氮含量0.037%。內(nèi)蒙古民族大學(xué)農(nóng)業(yè)試驗站土壤類型為風(fēng)沙土，耕層土壤為20 cm，pH值為8.3，土壤有機質(zhì)含量0.64%，全氮含量0.036%，堿解氮含量35.37 mg/kg，速效鉀含量77.51 mg/kg，速效磷含量3.71 mg/kg。

1.2 材料與方法

供試材料為吉農(nóng)1號羊草品種，其中內(nèi)蒙古民族大學(xué)科技園區(qū)為2015年人工建植的羊草草地，育新鎮(zhèn)為2016年人工建植的羊草草地。

試驗區(qū)采取隨機區(qū)組設(shè)計，設(shè)置了0(CK)、50、100、150、200 kg/hm2的施氮(N)量，分別用N0、N1、N2、N3、N4表示，氮肥為尿素(氮含量為46%)，同時每個處理均施磷肥(P2O5)200 kg/hm2，鉀肥(K2O)200 kg/hm2，分別用重過磷酸鈣(P2O5含量為44%)和氯化鉀(K2O含量為60%)替代。小區(qū)面積為16 m2，4次重復(fù)，共20個小區(qū)。于2020年4月20日(分蘗期)進行人工追施氮肥，追施氮肥用量為全年用氮量的50%，施肥采用撒施方式，施肥后立即進行灌水。于5月20日在科技園區(qū)和育新鎮(zhèn)進行取樣，取羊草葉片測定有關(guān)氮代謝關(guān)鍵酶活性及相關(guān)活性物質(zhì)的含量，7月10日測定羊草產(chǎn)量。

1.3 測定指標(biāo)與方法

硝酸還原酶(NR)活性采用活體法測定[21]；谷氨酰氨合成酶(GS)酶活性參考金正勛的方法測定[22]；可溶性蛋白(SP)含量采用考馬斯亮藍G-250比色法測定[21]；游離氨基酸(AA)含量采用水合茚三酮比色法測定[21]；谷氨酸草酰乙酸轉(zhuǎn)氨酶(GOT)和谷氨酸丙酮酸轉(zhuǎn)氨酶(GPT)活性參照吳良歡[23]的方法測定。

產(chǎn)量測定：在取樣小區(qū)內(nèi)刈割1 m2羊草，留茬高度5 cm，收割后稱鮮重，鮮草風(fēng)干后稱干重并計算干鮮比。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)用Microsoft Excel 2010軟件進行統(tǒng)計和分析，并制作表格，用SPSS 17.0軟件對數(shù)據(jù)進行單因素方差顯著性分析(P<0.05)，所有數(shù)據(jù)均采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(mean±SD)表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮素水平對羊草產(chǎn)量的影響

隨著施氮量的不斷增加，科技園區(qū)和育新鎮(zhèn)的羊草鮮草產(chǎn)量、干草產(chǎn)量和干鮮比均隨著施氮量的增加呈先增加后降低趨勢。在N2水平下，科技園區(qū)和育新鎮(zhèn)羊草的鮮草產(chǎn)量、干草產(chǎn)量和干鮮比均達最大值，其中科技園區(qū)羊草鮮草產(chǎn)量顯著高于N0和N1水平(P<0.05)，而與N3和N4水平差異不顯著(P>0.05)；干草產(chǎn)量和干鮮比均顯著高于其他氮素水平(P<0.05)；育新鎮(zhèn)羊草鮮草產(chǎn)量、干草產(chǎn)量和干鮮比均顯著高于其他氮素水平(P<0.05)(表1)。由此說明，兩個樣地在N2水平下最有利于羊草干物質(zhì)的積累。

表1 不同N素水平處理下沙地羊草產(chǎn)量

2.2 氮素水平對羊草葉片含氮物質(zhì)含量的影響

隨著施氮量的不斷增加，羊草葉片的可溶性蛋白含量和游離氨基酸含量均隨著施氮量的增加而呈先增加后降低趨勢。在N2水平下，科技園區(qū)和育新鎮(zhèn)羊草的可溶性蛋白含量達到最大值，其中，科技園區(qū)羊草葉片的可溶性蛋白含量與N3水平差異不顯著，但顯著高于其他氮素水平(P<0.05)；而育新鎮(zhèn)羊草葉片的可溶性蛋白含量顯著高于其他氮素水平(P<0.05)。在N3水平下，科技園區(qū)和育新鎮(zhèn)羊草的游離氨基酸含量達到最大值，并且顯著高于其他氮素水平(P<0.05)(表2)。由此說明，在N2水平下可溶性蛋白含量最高，而游離氨基酸含量在N3水平最高，施氮可以增加含氮物質(zhì)的含量，提高氮素代謝能力。

表2 不同N素水平處理下沙地羊草葉片含氮物質(zhì)含量

2.3 氮素水平對羊草葉片氮素代謝酶活性的影響

隨著施氮量的不斷增加，科技園區(qū)羊草葉片的GPT活性和GOT活性均隨著施氮量的增加而呈先增加后降低趨勢。在N3水平下，羊草葉片的GPT活性和GOT活性達到最大值，其中羊草葉片的GPT活性顯著高于其他氮素水平(P<0.05)；而羊草葉片的GOT活性顯著高于N0、N1和N4水平，與N2水平差異不顯著。隨著施氮量的不斷增加，科技園區(qū)羊草葉片的GS活性和NR活性均隨著施氮量的增加呈先增加后降低趨勢。在N3水平下，羊草葉片的GS活性和NR活性達到最大值，其中羊草葉片的GS活性和NR活性均顯著高于其他氮素水平(P<0.05)。育新鎮(zhèn)羊草葉片的GPT活性和GOT活性均隨著施氮量的增加而呈先增加后降低趨勢。在N3水平下，羊草葉片的GPT活性和GOT活性達到最大值，其中羊草葉片的GPT活性顯著高于其他氮素水平(P<0.05)，而羊草葉片的GOT活性顯著高于N0水平，與N1、N2和N4水平之間差異不顯著。隨著施氮量的不斷增加，育新鎮(zhèn)羊草葉片的GS活性和NR活性均隨著施氮量的增加而呈先增加后降低趨勢。在N3水平下，羊草葉片的GS活性和NR活性達到最大值，其中羊草葉片的GS活性和NR活性均顯著高于其他氮素水平(P<0.05)(表3)。由此說明，在N3水平下，兩樣地羊草葉片中GPT、GOT、GS和NR活性最強，施氮可以顯著增強氮代謝酶活性，進而提升氮素代謝能力。

表3 不同N肥水平處理下沙地羊草葉片關(guān)鍵酶活性

2.4 羊草產(chǎn)量與氮代謝酶及含氮物質(zhì)間相關(guān)性分析

科技園區(qū)羊草鮮草產(chǎn)量與干草產(chǎn)量和AA含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與干鮮比、GPT、GOT和GS活性呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；干草產(chǎn)量與AA含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與干鮮比、GPT、GOT、GS和NR活性呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；干鮮比與AA含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與GPT、GOT、GS和NR活性呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。羊草葉片GPT與GOT、GS、NR活性及SP含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與AA含量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；GOT與GS、NR活性及AA含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)；GS與NR活性和AA含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與SP含量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；NR活性與AA和SP含量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。育新鎮(zhèn)羊草鮮草產(chǎn)量與干草產(chǎn)量、干鮮比和AA含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與SP含量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；干草產(chǎn)量與干鮮比和AA含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與NR活性和SP含量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；干鮮比與NR活性、SP和AA含量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；羊草葉片的GPT與GOT活性呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，與NR活性和SP含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)；GOT活性與GS、NR和SP含量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；GS與NR活性呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；NR活性與AA含量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)與SP含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)；AA與SP含量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)(表4)。由此說明，兩個樣地的羊草產(chǎn)量受氮代謝酶活性及含氮物質(zhì)含量的影響，且均與產(chǎn)量呈正相關(guān)關(guān)系，含氮物質(zhì)含量越高，氮代謝酶活性越強，因此施氮有利于羊草氮素代謝，從而提高產(chǎn)量。

表4 羊草產(chǎn)量和葉片氮代謝相關(guān)酶活性及含氮化合物相關(guān)性分析

3 討論

硝酸還原酶、谷氨酰胺合成酶、谷氨酸草酰乙酸轉(zhuǎn)氨酶和谷氨酸丙酮酸轉(zhuǎn)氨酶是植物體內(nèi)氮代謝過程的關(guān)鍵酶，彼此間具有緊密的協(xié)同性[24]。氮代謝在植物的生命活動中有重要的作用，氮代謝水平直接影響植物的生長發(fā)育[25]。NR是植物體內(nèi)氮代謝的關(guān)鍵酶，其酶活性的高低和氮同化能力相關(guān)；GS是植物氮代謝過程中的多功能酶，參與多種氮代謝調(diào)節(jié)[26]，其活性的提高有利于氮素代謝能力的增強，進而促進氨基酸的合成和轉(zhuǎn)化[27]。本研究表明，氮肥能夠顯著增加NR和GS活性，主要由于氮肥能為NR提供充足的催化底物，從而提高NR活性[28]。植物NH+4的同化是通過GS協(xié)同配合循環(huán)進行的[29]。在氮素同化過程中，GS將NH+4同化形成谷氨酰胺，然后進一步轉(zhuǎn)化成谷氨酸，形成氨基酸，進而形成不同的蛋白質(zhì)[30]。

趙吉平等[31]研究表明，施氮量為240 kg/hm2時，小麥旗葉的GS、NR等關(guān)鍵酶活性最高，小麥旗葉氮素代謝關(guān)鍵酶活性與籽粒產(chǎn)量呈顯著相關(guān)；張弦等[32]研究顯示，小麥旗葉的GS、NR等酶活性在240 kg/hm2水平高于180 kg/hm2及350 kg/hm2；郭萍等[33]研究結(jié)果表明，施氮顯著提高了玉米葉片GS活性；孔令中等[34]研究結(jié)果表明，施氮量為279 kg/hm2，玉米功能葉片GS活性最強；本試驗結(jié)果表明，追施氮肥對硝酸還原酶活性具有明顯的促進作用，且隨施氮量的增加硝酸還原酶活性隨之增加。許多研究證實[35]，氮肥的添加顯著提高了GS的活性，提高了對氮肥的利用效率，從而促進了植物對氮的吸收和利用。本試驗研究發(fā)現(xiàn)，追施氮肥有效提高了羊草葉片GS活性，施肥量為150 kg/hm2時，GS活性達到最大，而當(dāng)施肥量超過N3后，對GS活性起到抑制作用，導(dǎo)致活性降低。

谷氨酸需要通過轉(zhuǎn)氨作用形成植物來源的其他必需氨基酸，然后進行蛋白質(zhì)合成，谷氨酸丙酮酸轉(zhuǎn)氨酶(GPT)和谷氨酸草酰乙酸轉(zhuǎn)氨酶是該代謝過程中的兩個關(guān)鍵酶[36]。關(guān)于轉(zhuǎn)氨酶與施氮量的關(guān)系研究較少，趙吉平等[33]研究施氮量對小麥氮素代謝關(guān)鍵酶活性的影響，結(jié)果表明，小麥旗葉的GPT活性隨施氮量增加而先升后降，施氮240 kg/hm2時GPT酶活性最高，小麥旗葉氮素代謝關(guān)鍵酶活性與籽粒產(chǎn)量呈顯著相關(guān)。本試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，氮肥施用能顯著提高GPT、GOT酶活性，GPT和GOT酶活性變化規(guī)律一致，其峰值出現(xiàn)在N3(150 kg/hm2)水平。說明適當(dāng)增施氮肥能有效提高羊草葉片GPT和GOT酶活性，進而促進羊草體內(nèi)蛋白的合成。

不同的氮含量會影響羊草的質(zhì)量和產(chǎn)量，主要含氮物質(zhì)的量會反映植物中的氮代謝。氨基酸是植物氨同化的產(chǎn)物，是蛋白質(zhì)合成的基本單位，可溶性蛋白是植物儲存氮的能力的重要指標(biāo)[24]。本研究發(fā)現(xiàn)，可溶性蛋白、游離氨基酸含量在一定范圍內(nèi)隨著施氮量的增加而增加，但超過一定量后會下降，而游離氨基酸在150 kg/hm2氮素水平下含量最高?？扇苄缘鞍缀侩S著施氮量的增加而增加，在N2水平下含量最高，超過100 kg/hm2時，含量不再增加而呈現(xiàn)下降趨勢。

4 結(jié)論

適宜施氮量可以提高羊草氮代謝酶活性及含氮物質(zhì)含量，進而提高羊草干物質(zhì)產(chǎn)量，在科爾沁沙地建植人工羊草草地建議施氮量為150 kg/hm2。