氮肥后移對(duì)花生氮代謝相關(guān)酶活性、氮素利用效率及產(chǎn)量的影響

姚瑞，趙凱能，謝暢，宋海玲，徐爽，于海秋，張正，王婧，蔣春姬，趙姝麗，王曉光*

（1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，遼寧 沈陽，110866；2.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，山東 濟(jì)南，250100）

氮素是花生必需的主要營養(yǎng)元素之一，對(duì)花生的生長發(fā)育及產(chǎn)量有重要的影響[1]。目前，我國已成為世界上最大的氮肥生產(chǎn)國和消費(fèi)國。然而，花生大田生產(chǎn)中多采用一次性基施氮肥的施肥方式，導(dǎo)致有很大一部分的氮肥流失到生態(tài)環(huán)境中，僅有小部分會(huì)被花生吸收利用，降低了花生的氮肥利用率，也造成了嚴(yán)重的氮素污染，制約了生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展[2]。改進(jìn)施氮方式，提高花生氮素利用效率，減少環(huán)境污染已成為未來發(fā)展的方向[3,4]。氮肥后移是在施氮量不變的條件下，調(diào)整作物施用氮肥的時(shí)期，減少對(duì)作物生長前期的氮肥投入并將節(jié)省的氮肥重點(diǎn)施于作物生長后期[5]。侯云鵬[6]等研究表明，在相同施氮量下，氮肥后移能顯著提高玉米的氮素吸收利用率、農(nóng)學(xué)利用率、偏生產(chǎn)力和生理利用率。孫虎[7]等研究表明，施氮量適宜的條件下，適當(dāng)增加花針期前的氮肥供應(yīng)，可顯著提高花生的產(chǎn)量和氮肥利用率。因此，通過改進(jìn)花生施氮肥時(shí)期來提高氮素利用效率也成為了農(nóng)業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。

已有研究表明，花生莢果中的氮大部分是從營養(yǎng)器官的氮素轉(zhuǎn)化而來，只有小部分是莢果充實(shí)期同化的，花生在莢果成熟期間，營養(yǎng)器官內(nèi)氮素的可利用性是產(chǎn)量提高的主要限制因素之一，所以增加花生前期氮素積累量十分重要[7～9]。氮素除了能夠提高花生產(chǎn)量之外，對(duì)花生氮代謝相關(guān)酶的活性也具有調(diào)節(jié)作用。張智猛等[10]研究表明，施氮水平、施氮方式和微量元素肥料能夠影響花生各器官氮代謝相關(guān)酶的活性；張翔[11]等研究表明，施氮總量相同時(shí)，施氮時(shí)期不同會(huì)影響花生的氮素利用效率；氮肥施用方式、氮肥形態(tài)、氮肥施用時(shí)期等均對(duì)花生氮的吸收利用存在顯著影響[12～17]。

目前，針對(duì)不同施氮量、施氮時(shí)期和肥料配施對(duì)花生生長發(fā)育及產(chǎn)量的影響研究較多[11,18～23]，而在施氮量相同條件下改變追肥次數(shù)和追肥比例對(duì)花生氮代謝酶活性、氮素利用效率的研究較少。本試驗(yàn)在施氮總量為135.0 kg·hm-2的情況下，研究氮肥后移對(duì)花生植株氮代謝酶活性、氮素積累與利用效率及產(chǎn)量的影響，探討在不增加氮肥施用量的情況下，是否可通過氮肥分期后移提高花生產(chǎn)量，旨在為花生高產(chǎn)高效栽培提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)于2016-2017 年在沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)科研試驗(yàn)基地進(jìn)行。供試花生品種為農(nóng)花5 號(hào)，由沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)選育。供試土壤為棕壤土，堿解氮含量102.2 mg·kg-1、速效磷含量25.7 mg·kg-1、速效鉀含量116.6 mg·kg-1、有 機(jī) 質(zhì) 含 量15.41 g·kg-1、pH值6.5。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，在施肥總量（尿素135.0 kg·hm-2）一致的條件下設(shè)3個(gè)處理，以不施氮肥為對(duì)照，具體施用時(shí)期及各時(shí)期施用量見表1。小區(qū)行長7 m，7 行區(qū)，行距60 cm，小區(qū)面積為29.4 m2，3次重復(fù)。種植方式為裸地種植，播種密度為15 萬穴·hm-2，每穴播3 粒，出苗后留2 株，采用開溝方式追施氮肥。各小區(qū)基施硫酸鉀150 kg·hm-2、過磷酸鈣600 kg·hm-2。試驗(yàn)地其他管理措施與常規(guī)大田相同。

表1 施尿素時(shí)期及施用量Table 1 Fertilization time and nitrogen fertilizer application rate

1.3 測定項(xiàng)目及方法

1.3.1 葉片氮代謝相關(guān)酶活性 于苗期、開花下針期、結(jié)莢期、飽果成熟期取有代表性植株的主莖倒數(shù)第三片完全展開葉的同一位置小葉測定硝酸還原酶（NR）活性、谷氨酰胺合成酶（GS）活性和谷氨酸脫氫酶（GDH）活性。

NR 活性測定參照植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)手冊（1999）的 方 法[24]，GS 和GDH 活 性 測 定 參 照 文 獻(xiàn)[25]的方法。

1.3.2 氮素利用效率 于出苗后24 d開始至108 d結(jié)束，其中每隔14 d從各小區(qū)取有代表性植株3株，測定籽粒中氮素積累量和植株地上部總氮素積累量，采用H2SO4-H2O2法消煮，凱氏定氮法測定植株各器官氮素含量。計(jì)算氮素收獲指數(shù)、氮肥農(nóng)學(xué)利用率、氮肥吸收利用率和氮肥偏生產(chǎn)力，計(jì)算公式如下：

氮素收獲指數(shù)（%）=籽粒中氮積累量/成熟期植株地上部總氮積累量×100

氮肥農(nóng)學(xué)利用率（kg·kg-1）=（施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量－氮空白區(qū)籽粒產(chǎn)量）/施氮量

氮肥偏生產(chǎn)力（kg·kg-1）=籽粒產(chǎn)量/施氮量

氮肥吸收利用率（%）=（施氮區(qū)植株吸氮量－氮空白區(qū)植株吸氮量）/施氮量×100

1.3.3 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素 花生收獲時(shí)在每小區(qū)連續(xù)取有代表性的10棵植株進(jìn)行考種，調(diào)查單株莢果數(shù)、單株果重、飽果數(shù)和百仁重；另每個(gè)小區(qū)除去兩邊行和兩地頭，取中間3行×3 m上的植株，進(jìn)行測產(chǎn)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

用Microsoft Excel 軟件（2019）進(jìn)行數(shù)據(jù)處理作圖，DPSv7.05軟件統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)。結(jié)果與分析的數(shù)據(jù)為兩年數(shù)據(jù)的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮肥后移對(duì)葉片氮代謝相關(guān)酶活性的影響

2.1.1 硝酸還原酶活性 圖1可知，花生葉片的硝酸還原酶活性在整個(gè)生育進(jìn)程中T1、T2 和CK 處理呈逐漸下降的趨勢，而T3處理則先略有上升后逐漸下降。不同生育時(shí)期各施肥處理的硝酸還原酶活性均比無氮肥處理CK 高，但不同時(shí)期追施硝酸還原酶活性表現(xiàn)不盡相同，在花針期和飽果成熟期硝酸還原酶活性均為T3＞T2＞T1＞CK，T3 處理高于其它處理，且與CK 和T1 的差異達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。在花生生育中后期T2 和T3 兩處理的硝酸還原酶活性高于CK 和T1，說明氮肥后移能顯著提高花生生育后期硝酸還原酶活性，從而影響花生體內(nèi)的N 素代謝，對(duì)光合產(chǎn)物的合成運(yùn)轉(zhuǎn)起到明顯的促進(jìn)作用。

圖1 不同施肥方式下花生不同生育時(shí)期葉片硝酸還原酶活性Fig.1 NR activity in peanut at different growing periods under different fertilization patterns

2.1.2 谷氨酰胺合成酶活性 圖2 為不同施肥方式下花生不同生育時(shí)期葉片谷氨酰胺合成酶活性，從圖2 可以看出，花生葉片谷氨酰胺合成酶活性在整個(gè)生育期呈先升后降的趨勢。各施肥處理的谷氨酰胺合成酶活性均比CK 高。由于追肥時(shí)期不同各處理間谷氨酰胺合成酶活性存在明顯差異，在花針期和飽果成熟期谷氨酰胺合成酶活性均為T3＞T2＞T1＞CK，T3 處理高于其它處理，且在飽果成熟期差異達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。在花生生育中后期T2 和T3 兩處理的谷氨酰胺合成酶活性亦高于CK 和T1，說明氮肥后移對(duì)花生體內(nèi)谷氨酰胺合成酶的活性亦有促進(jìn)作用，使谷氨酰胺合成酶活性在生育后期保持較高水平，進(jìn)而保證氨同化途徑的暢通運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖2 不同施肥方式下花生不同生育時(shí)期葉片谷氨酰胺合成酶活性Fig.2 GS activity in peanut at different growing periods under different fertilization patterns

2.1.3 谷氨酸脫氫酶活性 圖3可見，花生葉片谷氨酸脫氫酶活性在整個(gè)生育期呈先下降再上升再下降的趨勢。各施肥處理的谷氨酸脫氫酶活性均比CK 高。在花針期和飽果成熟期谷氨酸脫氫酶活性均為T3＞T2＞T1＞CK，T3 處理高于其它處理，且在飽果成熟期差異達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。從結(jié)莢期至飽果成熟期其他處理的谷氨酸脫氫酶活性下降幅度明顯，而T3 處理則是略有下降，說明T3 處理有利于花生生育后期谷氨酸脫氫酶的合成。

圖3 不同施肥方式下花生不同生育時(shí)期葉片谷氨酸脫氫酶活性Fig.3 GDH activity in peanut at different growing periods under different fertilization patterns

2.2 氮肥后移對(duì)氮素利用效率的影響

2.2.1 花生各器官氮素積累量 養(yǎng)分累積是生物量累積的基礎(chǔ)，也是作物產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)。從圖4A、B 可以看出，施氮時(shí)期對(duì)根和莖氮素積累量變化趨勢無影響，在整個(gè)生育期中，兩器官氮素積累均呈“波浪式”變化，只是最大值出現(xiàn)的時(shí)間不同，根系氮素積累最大值出現(xiàn)在出苗后38 d（花針期），莖稈氮素積累最大值出現(xiàn)在出苗后94 d（飽果成熟期）。兩器官氮素積累量與不同時(shí)期追肥有關(guān)，根系氮素積累量各處理的最大值為T3＞T1＞T2＞CK，莖稈各處理的氮素積累量最大值為T1＞T3＞T2＞CK，各施肥處理間差異不顯著，與CK相比差異達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。

圖4 不同施肥方式下花生各器官及植株氮素積累Fig.4 Peanut N accumulation in each organ under different nitrogen treatments

葉片和果針的氮素積累量均呈谷-峰-谷的變化趨勢（圖4C、D），均在出苗后80 d（結(jié)莢期）達(dá)到最大值，此時(shí)各處理葉片的氮素積累為T1＞T3＞T2＞CK，果針為T1＞T2＞T3＞CK，均是T1 處理的氮素積累量最高，但各施肥處理間差異不顯著。

莢果的氮素積累量隨著生育進(jìn)程逐漸增加，不同時(shí)期的氮素積累量均為CK 處理最低（圖4E），在出苗后108 d（飽果成熟期）各處理的氮素積累量為T3＞T1＞T2＞CK，T3 處理的氮素積累量最高，各施肥處理間差異不顯著，與CK 相比差異達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。

2.2.2 花生植株總氮素積累量 圖4F是不同施肥方式下花生植株總氮素積累，隨著生育進(jìn)程的推移，各處理花生植株總氮素積累量逐漸增加后略有下降，這是由于后期部分葉片和果針會(huì)脫落。在苗期（出苗后24 d）各處理之間氮素積累量差異不顯著，生育后期T2 和T3 處理的氮素積累量增加幅度變大，各處理在成熟期（出苗后108 d）達(dá)到最大值，CK、T1、T2 和T3 處理的氮素積累量分別為75.63 g·plant-1、85.97 g·plant-1、88.17 g·plant-1、89.13g·plant-1，其中T3處理的氮素積累量最高，各施肥處理顯著高于CK 處理（P＜0.05），但施肥處理間差異不顯著。

2.2.3 氮素利用效率 表2 為不同施肥方式下花生氮肥利用率。不同施肥處理的氮素收獲指數(shù)表現(xiàn)為T3＞T1＞T2，各處理間差異不顯著；氮肥農(nóng)學(xué)利用率和氮肥偏生產(chǎn)力均表現(xiàn)為T3＞T1＞T2，T3處理最高，且與其它處理差異達(dá)到顯著水平（P＜0.05）；氮肥利用率表現(xiàn)為T3＞T2＞T1，T3 處理最高但各處理間差異不顯著。

表2 不同施肥方式下花生氮肥利用率Table 2 Nitrogen use efficiency of peanuts at different fertilization methods

2.3 氮肥后移對(duì)產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

由表3 可知，不同的施肥方式使花生的產(chǎn)量存在差異。與CK 相比，各施肥處理花生產(chǎn)量顯著增加，增幅達(dá)到14.33%～20.79%，不同處理間產(chǎn)量表現(xiàn)為T3＞T1＞T2＞CK，可見施肥時(shí)期顯著影響莢果產(chǎn)量。不同處理間單株果數(shù)和百仁重表現(xiàn)為施肥處理高于CK，且差異達(dá)到顯著水平（P＜0.05）；花生單株果重表現(xiàn)為T3＞T1＞T2＞CK，T3 處理高于其它處理，且差異達(dá)到顯著水平（P＜0.05）；花生飽果率表現(xiàn)為T3＞T2＞T1＞CK，T3 處理高于其它處理，且差異達(dá)到顯著水平（P＜0.05），說明T3處理是通過顯著提高單株果重和飽果率達(dá)到增產(chǎn)效果。

表3 不同施肥方式下花生產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素Table 3 Yield and components of peanut under different fertilization method

3 討論

3.1 氮肥后移對(duì)花生氮代謝相關(guān)酶活性的影響

硝酸還原酶、谷氨酸脫氫酶及谷氨酰胺合成酶均為植物氮代謝關(guān)鍵酶，對(duì)植物氮素吸收和利用起重要作用[26]。NR 是植物器官中硝態(tài)氮還原同化過程中的第一個(gè)酶和限速酶，GS參與植物體內(nèi)同化的過程，是整個(gè)氮代謝的中心[27,28]。已有研究[9]表明，在一定范圍內(nèi)增加氮肥施用量能夠提高氮代謝相關(guān)酶活性。李文龍等[29]研究表明，適當(dāng)?shù)脑鍪┑誓軌蛱岣哂衩兹~片氮代謝相關(guān)酶活性，氮肥施用過量則會(huì)導(dǎo)致酶活性下降。本研究發(fā)現(xiàn)，在施氮量相同的條件下，氮肥后移兩處理追肥后花生葉片氮代謝相關(guān)酶的活性會(huì)上升，且基施氮肥45 kg·hm-2＋苗期和開花下針期分別追肥45 kg·hm-2處理在生育后期的氮代謝相關(guān)酶活性顯著高于其它處理，說明它延緩了植株的衰老，這可能是因?yàn)槭够ㄉ笃诘食渥鉡30]。

3.2 氮肥后移對(duì)花生氮素利用效率的影響

氮肥農(nóng)學(xué)利用率、氮肥吸收利用率和氮肥偏生產(chǎn)力是用來表示氮肥利用率的常用定量指標(biāo)，它們從不同的側(cè)面描述了作物對(duì)氮素或氮肥的利用效率[31]。已有研究[24]表明，增施氮肥會(huì)顯著提高花生對(duì)氮素的吸收速率和積累量。馬興華等[32]研究表明，在施氮量相同的條件下，增加小麥拔節(jié)期追施比例提高了氮肥農(nóng)學(xué)利用率、氮肥吸收利用率和氮肥偏生產(chǎn)力，說明氮肥利用率還受底追肥比例的影響。也有研究認(rèn)為氮肥分次追施比一次性施肥可以減少淋洗和反硝化造成的損失[2]。

本研究發(fā)現(xiàn)，施氮能顯著提高花生各器官和植株的氮素積累量，在施氮量相同的條件下，基施氮肥45 kg·hm-2＋苗期和開花下針期分別追肥45 kg·hm-2和基施氮肥135 kg·hm-2這兩個(gè)處理的氮素積累量較高，不過差異不顯著（P＞0.05），但是基施氮肥45 kg·hm-2＋苗期和開花下針期分別追肥45 kg·hm-2處理的氮肥農(nóng)學(xué)利用率和氮肥偏生產(chǎn)力顯著高于其他處理。這可能是因?yàn)樵诿缙谶^早追肥會(huì)導(dǎo)致花生生長發(fā)育的中后期出現(xiàn)氮素缺乏的現(xiàn)象，而且開花下針期是需氮量最大的時(shí)期，此時(shí)根瘤尚未長成，缺氮會(huì)影響根瘤生長從而影響花生對(duì)氮素的吸收利用[7,33～35]。

3.3 氮肥后移對(duì)花生產(chǎn)量的影響

氮肥運(yùn)籌對(duì)產(chǎn)量的影響研究有很多，張?zhí)鸬萚30]研究表明，在施氮量相同條件下，在花針期追肥能提高花生產(chǎn)量，在苗期追肥雖然較不施肥有一定的增產(chǎn)效果，但是效果不及在花針期追肥。畢振方等[19]研究表明，在花針期追肥對(duì)花生增產(chǎn)效果最顯著。本研究表明，施氮能顯著提高花生莢果產(chǎn)量，在施氮量相同的條件下，不同處理產(chǎn)量表現(xiàn)為T3＞T1＞T2，其中基施氮肥45 kg·hm-2＋苗期和開花下針期分別追肥45 kg·hm-2處理產(chǎn)量最高，與其它處理相比產(chǎn)量提高了14.33%～20.79%，這是因?yàn)楹侠淼氖┓史绞教岣吡嘶ㄉ膯沃旯睾惋柟?，而基施氮?7.5 kg·hm-2+苗期追肥67.5 kg·hm-2處理的產(chǎn)量最低，這與前人研究結(jié)果一致。因?yàn)橹辉诿缙谶^早施肥會(huì)造成花生生長發(fā)育中后期出現(xiàn)氮素缺乏的現(xiàn)象，使植株早衰影響果實(shí)充實(shí)度，而且花針期是營養(yǎng)生長和生殖生長并進(jìn)的時(shí)期，也是肥料需要最多的時(shí)期，此時(shí)氮肥供應(yīng)不充足會(huì)影響花生對(duì)水分、養(yǎng)分的吸收和葉片光合作用的強(qiáng)弱，進(jìn)而影響花生莢果體積的膨大和果仁的充實(shí)度，最終影響花生的產(chǎn)量[7,34,35]。

4 結(jié)論

在施氮量相同的條件下，基施氮肥45 kg·hm-2＋苗期和開花下針期分別追肥45 kg·hm-2處理能夠滿足花生各生育期的肥料需求，進(jìn)而顯著提高花生生育后期葉片的氮代謝相關(guān)酶活性，增強(qiáng)花生對(duì)氮素的吸收與利用，并通過顯著提高單株果重和飽果率來達(dá)到增產(chǎn)，從而提高氮素利用率，增產(chǎn)效果比其它兩個(gè)處理顯著。

綜合分析得出，在本試驗(yàn)條件下，施氮量為135 kg·hm-2時(shí)，基施氮肥45 kg·hm-2＋苗期和開花下針期分別追肥45 kg·hm-2處理能夠提高氮代謝相關(guān)酶活性和氮素利用率，使花生顯著增產(chǎn)。