木醋精制液浸種對玉米產(chǎn)量及氮肥利用率的影響

王澤平， 王祎，2， 朱學(xué)強， 李芳， 李青松， 楊艷霞， 韓燕來，2

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450002；2.省部共建小麥玉米國家重點實驗室，河南 鄭州 450002；3.西平縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，河南 西平 463900)

木醋液是把木材或農(nóng)林廢棄物干餾產(chǎn)生的煙氣，通過冷凝和分離后所得到的一種有機混合物[1-3]。木醋液中不僅含有大量的有機成分如有機酸、酚類、醇類、酮及其衍生物，并含有植物生長所必需的中微量元素和其他礦物質(zhì)[4-5]，如今已被廣泛應(yīng)用于化工業(yè)和農(nóng)林牧業(yè)等行業(yè)[6-7]。隨著研究方法的不斷進步，已有大量研究表明，木醋液在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有諸多有利作用，如促進植物生長發(fā)育[8-10]，提高作物產(chǎn)量及品質(zhì)[9-11]，提高抗病性[12-13]，提高氮肥利用效率[14-15]。大量研究已證明，木醋液可廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)且具有廣闊的研究前景[16]。然而，由于粗木醋液中含有焦油和其他有害物質(zhì)，需要對其進行精制，才能加以利用[17]。

木醋液作為一種生長調(diào)節(jié)劑，在提高作物產(chǎn)量及品質(zhì)、殺菌等方面的研究較多[9-13]，而對使用其浸種后對作物生長及品質(zhì)的影響的研究較少。玉米在生產(chǎn)過程中對氮素的需求量大，但是，目前廣泛存在著氮肥利用率低的問題，如何在降低氮肥用量的基礎(chǔ)上，保證其產(chǎn)量和品質(zhì)是目前的研究熱點。前期研究表明，木醋精制液稀釋1 000倍浸種可以顯著促進玉米幼苗的生長，增加其對養(yǎng)分的吸收[18]。豫南地區(qū)是河南省玉米主產(chǎn)區(qū)之一，但是其土壤黏重板結(jié)，肥料利用率較低，限制該地區(qū)玉米高產(chǎn)高效生產(chǎn)。因此，本研究在前期基礎(chǔ)上采用大田試驗，研究在氮肥減施的條件下，木醋精制液浸種對玉米產(chǎn)量和氮肥利用率的影響，為其在農(nóng)業(yè)中的生產(chǎn)應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試木醋液來源、組成與性質(zhì)

試驗所用的木醋精制液由稻殼經(jīng)密閉無氧炭化，煙氣經(jīng)過過濾器過濾后，收集到的除木焦油外的液體成分通過膜分離技術(shù)將其分離制成。木醋精制液的化學(xué)成分和含量通過GC-MS進行測定，同朱學(xué)強等[18]的研究中所用木醋液。

1.2 試驗設(shè)計

前期研究表明，木醋精制液稀釋1 000倍對玉米幼苗生長具有顯著促進作用[18]，因此本研究中采用該濃度浸種12 h，之后于陰涼處風(fēng)干3 h，吹干表面水分，采用玉米種衣劑包衣后進行播種。供試品種為“鄭單958”，田間小區(qū)試驗共設(shè)置5個處理，每處理3次重復(fù)：不施肥+不浸種對照(0%N)、正常施肥+不浸種對照(100%N)、施80%氮肥+不浸種對照(80%N)、施80%氮肥+木醋精制液浸種(80%N+M)、施60%氮肥+木醋精制液浸種(60%N+M)(表1)。肥料一次性基施。小區(qū)面積約40 m2，玉米種植密度60 000株·hm-2。試驗小區(qū)隨機區(qū)組排列。田間小區(qū)管理與玉米大田常規(guī)管理相同。

表1 試驗設(shè)計Table 1 Test disign

1.3 試驗地基本情況

地處河南省西平縣二郎鄉(xiāng)張堯村，試驗地土壤為砂姜黑土。供試土壤0～20 cm的土層基本理化性質(zhì)：pH值為5.6，有機質(zhì)含量26.07 g·kg-1，全氮含量1.21 g·kg-1，速效磷含量16.34 mg·kg-1，速效鉀含量108.52 mg·kg-1。

1.4 測定指標(biāo)與方法

1.4.1 干物質(zhì)積累量與養(yǎng)分含量的測定 各處理玉米植株生物量和養(yǎng)分含量于吐絲期和收獲期分別測定。地上部烘干后稱取生物量，之后用粉樣機粉碎并過20目篩。稱取0.100 0～0.105 0 g粉碎樣品，用5 mL濃H2SO4-H2O2消煮，定容至50 mL。植株全氮含量用凱氏定氮儀測定，全磷含量用鉬黃比色法測定，全鉀含量用火焰光度計測定。

1.4.2 葉片SPAD值的測定 在玉米灌漿期，每個小區(qū)選取大小一致的5株植株用SPAD-502葉綠素測定儀測定穗位葉的SPAD值。

1.4.3 氮代謝相關(guān)酶的測定 在大喇叭口期取玉米植株最新完全展開葉，在灌漿中期取穗位葉用于氮代謝相關(guān)酶活性的分析。酶活性測定時，葉片用液氮研磨成粉末后，稱取100 mg，根據(jù)試劑盒的操作說明，加入提取劑，離心后上清用于硝酸還原酶(NR)、谷氨酰胺合成酶(GS)和谷氨酸合成酶(GOGAT)活性的測定。酶活性分別用蘇州科銘生物技術(shù)有限公司的硝酸還原酶(NR)測試盒(NADH速率法)(NR-1-W)、谷氨酰胺酶(GLS)測試盒(GLS-1-Y)、NADH-谷氨酸合成酶(NADH-GOGAT)測試盒(GOGAT-1-Y)進行分析。NR酶活力單位定義為：每h每mg鮮質(zhì)量樣品中催化減少1 nmol NADH的量為1個NR活力單位；GS酶活力單位定義為每g鮮樣每h催化谷氨酰胺生成1 mol氨定義為1個酶活力單位；GOGAT酶活力單位定義為每g鮮樣每分鐘消耗1 nmol NADH定義為1個酶活力單位。

1.4.4 產(chǎn)量測定 玉米成熟后各小區(qū)隨機選取20穗，進行考種，并計算產(chǎn)量。

1.5 相關(guān)計算公式

地上部氮積累量/(kg·hm-2)=植株氮含量/(kg·kg-1)×植株地上部干物質(zhì)積累量/(kg·hm-2)；

氮肥利用效率/%=[施氮區(qū)氮素吸收量/(kg·hm-2)-空白區(qū)氮素吸收量/(kg·hm-2)]/施氮量(kg·hm-2)×100；

莖稈氮再轉(zhuǎn)運效率/%=[吐絲期莖稈氮積累量/(kg·hm-2)-成熟期莖稈氮積累量/(kg·hm-2)]/吐絲期莖稈氮積累量/(kg·hm-2)×100；

葉片氮再轉(zhuǎn)運效率/%=[吐絲期葉片氮含量/(kg·hm-2)-成熟期葉片氮含量/(kg·hm-2)]/吐絲期葉片氮含量/(kg·hm-2)×100；

莖稈氮再轉(zhuǎn)運對子粒氮的貢獻率/%=[吐絲期莖稈氮積累量/(kg·hm-2)-成熟期莖稈氮積累量/(kg·hm-2)]/成熟期子粒氮積累量/(kg·hm-2)×100；

葉片氮再轉(zhuǎn)運對子粒氮的貢獻率/%=[吐絲期葉片氮積累量/(kg·hm-2)-成熟期葉片氮積累量/(kg·hm-2)]/成熟期子粒氮積累量/(kg·hm-2)×100。

1.6 數(shù)據(jù)處理及分析

所得數(shù)據(jù)均使用Excel 2019和SPSS 22.0進行統(tǒng)計分析，并使用GraphPad Prism 8.0.1作圖，最小顯著差數(shù)法(LSD)進行差異顯著性檢驗(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 減氮條件下木醋精制液浸種對玉米干物質(zhì)積累量的影響

吐絲期和收獲期生物量結(jié)果顯示，不施氮肥和氮肥減施均顯著降低玉米產(chǎn)量，但是，木醋精制液浸種可以顯著提高80%N條件下的玉米產(chǎn)量，并且與100%N水平?jīng)]有顯著差異。然而，當(dāng)施氮量為60%時，木醋精制液浸種處理的產(chǎn)量與80%N無顯著差異，但低于80%N+M(圖1)。與80%N相比，吐絲期和收獲期80%N+M處理植株生物量分別增加18.4%和10.1%。

注：不同小寫字母代表同一時期不同處理之間的差異顯著性(P<0.05)。下同。Note: Different lowercase letters represent significant differences between different treatments under the same time (P<0.05).The same as below.圖1 木醋精制液浸種對玉米吐絲期和收獲期植株生物量的影響Fig.1 Effects of seed soaking in refined wood vinegar on plant biomass of maize during spinning and harvesting

2.2 減氮條件下木醋精制液浸種對玉米葉片SPAD值的影響

灌漿期穗位葉SPAD值結(jié)果顯示，不施氮肥和氮肥減施均顯著降低玉米葉片SPAD值，但是木醋精制液浸種可以顯著提高80%N條件下的SPAD值，并且與100%N水平?jīng)]有顯著差異。然而當(dāng)?shù)世^續(xù)減量后，木醋精制液浸種處理(60%N+M)的SPAD值顯著低于100%N和80%N+M，但是與80%N處理無顯著差異(圖2)。與80%N相比，80%N+M處理葉片SPAD值增加9.7%。

2.3 減氮條件下木醋精制液浸種對氮代謝相關(guān)酶活性的影響

大喇叭口期(最新完全展開葉)和灌漿期(穗位葉)葉片氮代謝相關(guān)酶活性結(jié)果表示，不施氮肥和氮肥減施均顯著降低NR、GS以及GOGAT活性(圖3)。大喇叭口期木醋精制液浸種可以顯著提高80%N條件下的NR、GS以及GOGAT活性，灌漿期可以顯著提高80%N條件下NR、GS以及GOGAT活性，但與100%N水平下沒有顯著差異。

當(dāng)?shù)世^續(xù)減量后，大喇叭口期與灌漿期木醋精制液浸種處理(60%N+M)的NR、GS以及GOGAT活性顯著低于100%N和80%N+M，但與80%N處理無顯著差異(圖3)。大喇叭口期與灌漿期與80%N相比， 80%N+M處理下硝酸還原酶活性分別增加35.7%和12.7%，谷氨酰胺合成酶活性分別增加40.9%和13.8%，谷氨酸合成酶活性分別增加22.9%和11.1%。

圖2 木醋精制液浸種對玉米穗位葉SPAD值的影響Fig.2 Effect of seed soaking in refined wood vinegar on SPAD value of ear-bearing leaves in maize

圖3 木醋精制液浸種對玉米NR (A)、GS (B)、GOGAT (C)酶活性的影響Fig.3 Effects of seed soaking in refined wood vinegar on the enzyme activities of NR (A), GS (B) and GOGAT(C) of maize

2.4 減氮條件下木醋精制液浸種對玉米氮積累量的影響

吐絲期和收獲期地上部氮素積累量結(jié)果顯示，不施氮肥和氮肥減施均顯著降低地上部氮素積累量，但是木醋液浸種可以顯著提高80%N條件下的氮素積累量，并且與100%N水平?jīng)]有顯著差異，然而當(dāng)施氮量為60%時，木醋精制液浸種處理的氮素積累量顯著低于100%N和80%N+M，但是與80%N無顯著差異(圖4)。與80%N相比，80%N+M處理吐絲期和收獲期地上部氮素積累量分別增加17.1%和9.0%。

圖4 木醋精制液浸種對玉米氮積累量的影響Fig.4 Effects of seed soaking in refined wood vinegar on nitrogen accumulation of maize

2.5 減氮條件下木醋精制液浸種對玉米產(chǎn)量及構(gòu)成因素的影響

玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成要素結(jié)果顯示，不施氮肥和氮肥減施均降低玉米的穗粒數(shù)、百粒質(zhì)量及產(chǎn)量且與正常施肥差異顯著，但木醋液浸種可以顯著提高80%N條件下玉米的穗粒數(shù)、百粒質(zhì)量及產(chǎn)量，并且與100%N水平?jīng)]有顯著差異，然而施氮量繼續(xù)減小后，木醋精制液浸種處理(60%N+M)的穗粒數(shù)、百粒質(zhì)量及產(chǎn)量顯著低于100%N和80%N+M，但是與80%N無顯著差異(表2)。與80%N相比，80%N+M處理下穗粒數(shù)、百粒質(zhì)量和產(chǎn)量分別顯著增加6.4%、7.8%和5.6%。

表2 木醋精制液浸種對產(chǎn)量及其構(gòu)成要素的影響Table 2 Effects of seed soaking in refined wood vinegar on yields and their constituent elements

2.6 減氮條件下木醋精制液浸種對氮素再轉(zhuǎn)運效率及其對籽粒貢獻率的影響

氮素再轉(zhuǎn)運效率及其對子粒貢獻率結(jié)果表明，不施氮肥和氮肥減施均降低了莖稈和葉片的氮素再轉(zhuǎn)運效率及其對子粒貢獻率且與正常施肥差異顯著。但是木醋液浸種可以顯著提高80%N條件下莖稈和葉片的氮素再轉(zhuǎn)運效率及其對子粒貢獻率，并且與100%N水平?jīng)]有顯著差異，然而當(dāng)施氮量為60%時，木醋精制液浸種處理的氮素再轉(zhuǎn)運效率及其對子粒貢獻率顯著低于100%N和80%N+M，但是與80%N無顯著差異(表3)。與80%N相比，80%N+M處理下莖稈的氮素再轉(zhuǎn)運效率與對籽粒貢獻率分別增加了22.3%和13.3%，葉片分別增加了7.6%和16.6%。

表3 木醋精制液浸種對營養(yǎng)體氮素再運轉(zhuǎn)的影響Table 3 Effects of seed soaking in refined wood vinegar on nitrogen recirculation of nutrients

2.7 減氮條件下木醋精制液浸種對氮肥利用率的影響

氮肥利用率結(jié)果表示，減氮20%木醋精制液浸種處理(80%N+M)能顯著提高氮肥利用率，然而當(dāng)施氮量為60%時，木醋精制液浸種處理(60%N+M)的氮肥利用率較100%N和80%N+M增加但差異不顯著(圖5)。與80%N相比，80%N+M處理下氮肥利用率增加7.56%。

圖5 木醋精制液浸種對玉米氮肥利用率的影響Fig.5 Effect of seed soaking in refined wood vinegar on nitrogen use efficiency of maize

3 討論

利用化學(xué)方法對種子進行預(yù)處理，可提高其抗逆性和酶活性，促進根系生長，進而使作物的品質(zhì)和產(chǎn)量得到提高[19]。木醋液是生物刺激素的一種, 含有大量含氧官能團、有機酸以及微量元素，在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用表明其對多種作物均有促生效果[20]。前期研究結(jié)果顯示，木醋液稀釋浸種可以顯著促進玉米幼苗生長和養(yǎng)分吸收，并提高葉片光合作用[18]。本研究基于前期結(jié)果，通過大田試驗進一步分析木醋液浸種對減氮條件下玉米產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明，氮肥減施20%條件下使用木醋精制液浸種后，玉米植株生物量和子粒產(chǎn)量均顯著高于80%N處理，且與100%條件下沒有顯著差異，表現(xiàn)出明顯的減氮增效潛力，這一效果可能與木醋液中的成分對植株生長的刺激作用有關(guān)[21-23]。

玉米對氮素需求量大，充分的養(yǎng)分吸收和利用是作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)和改善子粒品質(zhì)的關(guān)鍵[30-31]?；蕼p施已成為國家行動，如何在減氮的條件下保證作物產(chǎn)量和品質(zhì)是目前的研究熱點。生物刺激素由于具有植物生長調(diào)節(jié)作用，在提高肥料利用率方面具有廣闊應(yīng)用前景[32]。 本研究表明，氮肥減施20%木醋液浸種處理(80%+M)的氮積累量與正常施肥(100%N)沒有顯著差異，且能顯著提高玉米的氮肥利用率。目前對木醋液浸種效果的研究多集中在種子萌發(fā)和幼苗的生長上，缺乏對作物產(chǎn)量的調(diào)查和分析，這可能與大田試驗周期長、投入大、實驗繁瑣有關(guān)。但從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的角度出發(fā)，研究木醋液浸種對作物產(chǎn)量的影響十分必要。木醋液成分復(fù)雜，其中的酚類、酯類和乙酸與木醋液的抗氧化、抗菌和促進植物生長的特性有關(guān)[33-35]。此外，葉面噴施木醋液能顯著影響植株的產(chǎn)量與形態(tài)，可能是植物根系受木醋液有關(guān)物質(zhì)的刺激后能釋放出改善根際土壤微環(huán)境的物質(zhì)，提高根系在土壤中吸收養(yǎng)分的能力，促進了植株的生長與品質(zhì)[36-37]。SIMMA等[38]通過兩年的大田試驗首次證明木醋液作為種子引發(fā)劑(浸種后再干燥)可以顯著提高水稻穗數(shù)和子粒產(chǎn)量。這表明木醋液浸種后對作物的生長具有持續(xù)效應(yīng)。其他植物生長調(diào)節(jié)劑浸種后對作物生長具有持續(xù)效應(yīng)的研究也有報道。玉米種子經(jīng)過赤霉素GA4+7引發(fā)后可提高玉米產(chǎn)量9.7%[39]。烯效唑浸種顯著提高大豆產(chǎn)量和單株粒數(shù)以及莢果數(shù)[40]。這些研究表明，生物刺激素或植物生長調(diào)節(jié)劑浸種后對作物可能具有持續(xù)的后效，在農(nóng)業(yè)上具有較大的應(yīng)用潛力，但是作用機理并不清楚。本研究推測：在適宜的濃度下，供試木醋液通過酸類、酚類和酯類等化合物刺激玉米根系的生長，促進對養(yǎng)分的吸收，進而提高了根系對氮素的吸收效率。另外，木醋液中的小分子物質(zhì)也可能作為信號分子進入植株體內(nèi)調(diào)控相關(guān)的生理代謝過程。但是，由于木醋液的成分復(fù)雜，其作用機理需要從分子生物學(xué)的角度深入解析。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明大田條件下，用木醋精制液稀釋1 000倍浸種玉米種子，可以顯著提高減氮20%條件下的玉米產(chǎn)量，并與100%N處理無顯著差異；提高玉米葉片氮同化關(guān)鍵酶的活性，促進了玉米對氮的吸收和轉(zhuǎn)運，同時使氮肥利用率提高了9.2%，實現(xiàn)減氮增效的肥料高效利用目標(biāo)。