氮肥減施下添加硝化抑制劑對夏玉米灌漿期葉片生理特性的影響

張盼盼 李 川 張美微 趙 霞 黃 璐 劉京寶 喬江方

(河南省農(nóng)業(yè)科學院糧食作物研究所，河南 鄭州 450002)

氮是作物需求量最大的營養(yǎng)元素，施氮是提高糧食作物產(chǎn)量最直接簡單的方法。我國耕地面積占世界的9%，氮肥施用量卻占全球氮肥用量的30%，而氮肥利用率平均僅為30%左右，遠低于世界平均水平[1-3]。過量施用氮肥造成了大量氮肥流失，氮肥利用率低，這不僅增加了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，而且造成了土壤酸化、大氣氮氧化物污染和溫室效應(yīng)、水體硝酸鹽污染和富營養(yǎng)化等環(huán)境問題[4-6]。

土壤氮素去向包括植株利用、土壤殘留和氮素損失，損失的主要途徑包括氨揮發(fā)、硝態(tài)氮淋溶、反硝化損失和其他表觀損失[7-8]。土壤氮素的主要淋溶形態(tài)是硝態(tài)氮[9-10]。在北方旱作下，施入土壤中的銨態(tài)氮和酰胺態(tài)氮肥首先轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，氮肥施入過量后，土壤中累積的氮素多以硝態(tài)氮形式存在，過多的硝態(tài)氮很容易形成淋溶損失[11-12]。而硝化抑制劑可以抑制銨態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化，通過抑制氨氧化細菌和亞硝酸氧化細菌活性，延長土壤中銨態(tài)氮的存留時間，進而減少硝態(tài)氮的淋溶及進一步的反硝化損失，提高氮肥利用率[13-14]。研究發(fā)現(xiàn)，與單施尿素相比，減氮20%并添加硝化抑制劑雙氰胺后，玉米籽粒產(chǎn)量未顯著降低，氮肥生理利用率提高，農(nóng)業(yè)源溫室氣體年累積排放量顯著降低[15]。盆栽試驗表明，施用硫酸銨肥料并添加硝化抑制劑后，土壤中銨態(tài)氮含量提高1.4～2.0倍，土壤表觀硝化率降低55.3%～59.8%，硝酸鹽的淋溶損失顯著降低[16]。趙自超等[17]發(fā)現(xiàn)，與尿素處理相比，尿素中添加硝化抑制劑能夠提高夏玉米產(chǎn)量，降低凈溫室氣體排放。

玉米是需氮量較高的一種糧食作物。目前玉米生產(chǎn)上存在施氮量過多的現(xiàn)象，氮肥減施下添加硝化抑制劑能夠顯著減少氮素損失，提高氮肥利用率[18]。前人關(guān)于氮肥減施下硝化抑制劑施用的研究，大多集中于對土壤硝態(tài)氮含量、玉米植株生物量和氮素含量及氮肥利用率的影響，而對灌漿期葉片生理特性的影響尚不清楚。為此，本研究采用大田試驗，設(shè)置正常施氮和氮肥減施添加硝化抑制劑處理，研究不同處理下籽粒產(chǎn)量和氮效率的變化，從植株灌漿期穗位葉的葉綠素含量、熒光特性和氮素代謝關(guān)鍵酶活性的生理角度，探討氮肥減施下添加硝化抑制劑對玉米灌漿期氮素代謝的影響，以期為硝化抑制劑在玉米生產(chǎn)上的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

大田試驗在河南省原陽縣河南省農(nóng)業(yè)科學院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技示范基地(35°0′17″N，113°42′4″E)開展，供試土壤為黃褐土，在玉米播種前，按“S”五點取樣法取0～30 cm的土壤基礎(chǔ)樣品，混合均勻后測定基本化學性質(zhì)：全氮0.42 g·kg-1，堿解氮55.3 mg·kg-1，速效磷69.6 mg·kg-1，速效鉀175.2 mg·kg-1，有機質(zhì)24.0 g·kg-1， pH值8.4。試驗時間為2019年6月12日—10月2日。

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，共7個處理：正常施氮量，氮肥減施10%+硝化抑制劑，氮肥減施10%，氮肥減施20%+硝化抑制劑，氮肥減施20%，氮肥減施30%+硝化抑制劑，氮肥減施30%，分別設(shè)定為T1、T2、T3、T4、T5、T6和T7。每個處理3次重復，8行區(qū)，行長5 m，行間距0.6 m，種植密度75 000株·hm-2，供試品種為鄭單958(河南省農(nóng)業(yè)科學院糧食作物研究所選育，2000年審定)。

正常氮處理施氮量為農(nóng)民習慣施肥用量225 kg N·hm-2， 氮肥減施10%、20%和30%處理的氮肥施用量分別為202.5、180和157.5 kg N·hm-2。肥料分別以尿素(46%)、過磷酸鈣(約12%)、氯化鉀(約60%)為氮、磷、鉀源肥料，尿素按照2∶1分基施和大喇叭口期追施兩次施用，磷、鉀肥全部基施(施肥量均為100 kg·hm-2)。 硝化抑制劑主要成分為2-氯-6-三氯甲基吡啶，含量為44%，施用量為22.5 kg·hm-2。尿素基施時，硝化抑制劑與之充分混勻后共同施入。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 氮含量 在玉米成熟期，每小區(qū)取3株長勢一致的有代表性植株，取地上部樣品，殺青后烘至恒重，稱重，粉碎后裝入自封袋中，室內(nèi)采用凱氏定氮法測定氮含量。

1.3.2 穗位葉SPAD和熒光參數(shù) 在吐絲期及吐絲后10、20、30、40 d和成熟期，于每小區(qū)選取連續(xù)5株長勢一致的有代表性植株，利用SPAD-502 Plus葉綠素測量儀(KONICΛ MINOLTΛ，上海)和Pocket PEA熒光儀(Hansatech，香港)分別測定穗位葉的相對葉綠素值(soil and plant analyzer development,SPAD)和熒光特性。

1.3.3 穗位葉硝酸還原酶和谷氨酰胺合成酶活性 在吐絲期及吐絲后10、20、30、40 d和成熟期，于每小區(qū)選取連續(xù)3株長勢一致的有代表性植株，取穗位葉相同光合作用部分，置于液氮中帶回室內(nèi)，按照葉利庭等[19]的方法測定硝酸還原酶(nitrate reductase，NR)和谷氨酰胺合成酶(glutamine synthetase，GS)活性。

1.3.4 籽粒產(chǎn)量 在玉米成熟期，對每小區(qū)中間兩行全部收獲，隨機選取15個果穗進行考種，曬干脫粒，測定含水量和籽粒質(zhì)量，并折合含水率(14%)計算產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

氮吸收效率=植株氮吸收量/氮素供應(yīng)量

氮利用效率=籽粒產(chǎn)量/植株氮吸收量

氮效率=氮吸收效率×氮利用效率=籽粒產(chǎn)量/氮素供應(yīng)量

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2010 和SPSS 22軟件進行統(tǒng)計與分析，用最小顯著差異法(least significance difference test,LSD)和Duncan法進行方差分析和多重比較(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

由表1可知，各處理下收獲穗數(shù)無顯著差異，穗行數(shù)除T6和T7稍低外，各處理間差異不明顯，行粒數(shù)以T4和T2較高，平均為35.1，而T5最低，為30.2，各處理的千粒重在統(tǒng)計上無顯著差異。產(chǎn)量以T4最高，為11.59 t·hm-2，T1和T2與之差異不顯著，T6和T7的產(chǎn)量較低，平均為9.33 t·hm-2。

2.2 不同處理下玉米氮效率分析

由表2可知，植株的氮效率平均為34.03 kg·kg-1， 氮吸收效率為0.59 kg·kg-1，氮利用效率為57.92 kg·kg-1。氮效率在各處理下的表現(xiàn)不一致，以T7、T6和T5較高，平均為39.76 kg·kg-1，均顯著高于T2、T3和T1。氮吸收效率以T7和T4較高，平均為0.71 kg·kg-1，其次是T5，為0.60 kg·kg-1，T1最低，僅為0.47 kg·kg-1。T6的氮利用效率最高,為72.23 kg·kg-1， 較T1、T2和T3平均提高40.16%。

表1 不同處理下玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素變化Table 1 Variation of yield and its components in the different treatments

圖1 不同處理下植株灌漿期穗位葉SPAD變化Fig.1 Variation of spike leaf SPAD in the grain filling stage in the different treatments

表2 不同處理下玉米的氮效率變化Table 2 Variation of nitrogen efficiency in the different treatments /(kg·kg-1)

2.3 不同處理對玉米植株灌漿期穗位葉SPAD值的影響

由圖1可知，玉米植株灌漿期穗位葉SPAD值在灌漿前期較高，吐絲后20 d開始下降，至成熟期降至42.39。各處理下SPAD值表現(xiàn)不一致，在吐絲期，T1的SPAD值最高，為62.10，T6和T7較低，平均為59.19。吐絲后10 d，T4的SPAD值最高，為67.00，其次是T3。吐絲后30 d至成熟期，T4的SPAD值均表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢，T6和T7的SPAD值較低。

2.4 不同處理對玉米植株灌漿期穗位葉熒光特性的影響

玉米植株穗位葉熒光指標的變化如表3所示。結(jié)果表明，各處理初始熒光Fo吐絲期平均為38.09，灌漿后期(吐絲后30 d至成熟期)有增加趨勢，各處理表現(xiàn)不一致，總體來看，以T7較高，其次是T6。吐絲期最大熒光Fm平均為149.99，之后呈現(xiàn)先增后降的趨勢，吐絲期以T4和T2最高，其次是T1和T3，吐絲后10和20 d，均以T3表現(xiàn)最低，成熟期各處理間差異不顯著。吐絲期最大光化學效率Fv/Fm平均為0.77，成熟期降至0.63，吐絲后20 d，T7最低，僅為0.67，成熟期各處理間無顯著差異。吐絲期PSⅡ綜合性能指數(shù)PI平均為5.23，隨時間推進逐漸下降，成熟期降至2.21，吐絲期及其后30 d內(nèi)T4優(yōu)勢明顯，T1和T5顯著高于T3和T6處理。

表3 不同處理對灌漿期穗位葉熒光參數(shù)的影響Table 3 Effect of different treatments on the fluorescence characteristics of spike leaf in the grain filling stage

2.5 不同處理對玉米植株灌漿期穗位葉氮素代謝關(guān)鍵酶活性的影響

玉米植株灌漿期穗位葉中NR活性的變化如圖2所示。吐絲期穗位葉NR活性平均約為37.97 U·L-1，之后先降后增，吐絲20 d后逐漸降低，至成熟期平均為21.89 U·L-1。具體來說，整個灌漿期均以T4穗位葉NR活性最高，吐絲期T1、T2、T3和T5間差異不明顯，但均高于T7和T6。吐絲后10 d表現(xiàn)出同樣趨勢。吐絲后20 d穗位葉NR活性在T1和T2下平均約為70.31 U·L-1，高出T7約21.94%。吐絲后30和40 d，T6和T7均明顯較低。吐絲期至成熟期，均以T4處理表現(xiàn)最高。

圖2 不同處理下植株灌漿期穗位葉NR活性變化Fig.2 Variation of spike leaf NR activity in the grain filling stage in the different treatments

植株穗位葉GS活性在灌漿期各處理下的表現(xiàn)不一致(圖3)。吐絲期穗位葉GS活性平均為32.19 U·L-1， 之后在吐絲后20 d出現(xiàn)小高峰，隨后逐漸下降，成熟期GS活性平均為21.89 U·L-1。吐絲期以T1、T4和T2下GS活性最高，較T7平均提高34.32%。吐絲后10 d至成熟期，T4下GS活性均表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，而T7最低。除此以外，吐絲后10 d，T1>T2、T3、T5和T6，之后T1、T2和T3均高于T5和T6。

圖3 不同處理下植株灌漿期穗位葉GS活性變化Fig.3 Variation of spike leaf GS activity in the grain filling stage in the different treatments

3 討論

硝化抑制劑能夠抑制土壤中亞硝化細菌等微生物的生理活性，從而介導氮素在土壤中的轉(zhuǎn)化過程，減少氮素的硝化和反硝化損失，提高氮素利用效率[20-23]。因此，在氮肥減施下，添加硝化抑制劑對玉米的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)有著重要作用。吳得峰等[24]發(fā)現(xiàn)，氮肥減施20%添加硝化抑制劑雙氰胺條件下，玉米減產(chǎn)不明顯，土壤剖面硝態(tài)氮的殘留量和農(nóng)業(yè)源溫室氣體排放量均明顯降低，氮素利用效率和種植效益顯著提高。春玉米和甜玉米上均有類似結(jié)果[25-28]。本研究中，在氮肥減施20%和10%時添加硝化抑制劑2-氯-6-三氯甲基吡啶，玉米籽粒產(chǎn)量均達到正常施氮水平，氮肥減施添加硝化抑制劑處理通過增加穗粒數(shù)促進籽粒高產(chǎn)(表1)，與前人的研究結(jié)果基本一致[18]。推測是由于氮肥添加硝化抑制劑后，土壤中氮素利用時效得以延長，在玉米生長后期能夠提供較多的氮素供給籽粒灌漿，增加籽粒形成所需的有機物質(zhì)供應(yīng)，減少了空癟粒數(shù)，使穗粒數(shù)明顯高于未添加硝化抑制劑處理。因此，在本研究條件下，氮肥減施后添加2-氯-6-三氯甲基吡啶，能夠維持玉米籽粒產(chǎn)量，同時節(jié)約生產(chǎn)成本，減少對生態(tài)環(huán)境的威脅，進而促進玉米高產(chǎn)、高效生產(chǎn)。

氮肥添加硝化抑制劑后對玉米的生長生理有較大的影響。硫酸銨添加硝化抑制劑后，玉米不同生育時期的表觀硝化率顯著降低，葉片葉綠素SPAD值明顯提高，氮素籽粒生產(chǎn)效率和收獲指數(shù)也顯著增加[16,29]。尿素配施含有硝化抑制劑的氮肥增效劑后，葉片NR活性、GS活性和光合速率顯著提高，籽粒產(chǎn)量明顯增加，作物品質(zhì)也得以改善[30]，王彬等[31]得到了類似結(jié)果。本研究也發(fā)現(xiàn)，與正常氮和其他氮肥減施添加硝化抑制劑處理相比，減氮20%配施硝化抑制劑能提高玉米灌漿期穗位葉SPAD值，提高吐絲期最大熒光和PSⅡ綜合性能指數(shù)等熒光指標，增強葉片氮素代謝關(guān)鍵酶NR 和GS活性(圖1～3、表3)。這可能是因為，氮肥減施20%配施硝化抑制劑時，氮素緩慢釋放，氮素供應(yīng)與植株生長需求保持一致，在籽粒灌漿期間穗位葉SPAD值提高，進而能夠維持較高的光合效率，增強氮素生理代謝，更好地協(xié)調(diào)氮代謝和碳代謝之間的關(guān)系，從而增加玉米籽粒產(chǎn)量。氮肥減施添加硝化抑制劑下玉米葉片碳氮轉(zhuǎn)運的分子機制，仍需進一步深入研究。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，在黃淮海夏玉米生產(chǎn)區(qū)，與正常施氮量和減氮處理相比，在氮肥減施20%時添加硝化抑制劑能夠提高灌漿期穗位葉SPAD值和熒光特性，增強氮素代謝關(guān)鍵酶活性，增加籽粒產(chǎn)量和氮效率。因此，在玉米生產(chǎn)上，采用氮肥減施20%添加硝化抑制劑能減少生產(chǎn)投入，達到玉米節(jié)本增產(chǎn)的目的。