施氮與抽穗后干旱脅迫對谷子生長及生理生化特性的影響

牛佳紅，于肖，陳二影，秦嶺，劉振宇，楊延兵，黎飛飛，管延安，

(1. 山東師范大學生命科學學院，山東濟南 250014；2. 山東省農(nóng)業(yè)科學院作物研究所/山東省特色作物工程實驗室，山東濟南 250100)

谷子[Setaria italica(L.)Beauv.]是起源于我國的糧草兼用高效作物[1]，具有抗旱耐瘠、水分利用效率高、適應性強等優(yōu)點，主要分布在我國北方干旱和半干旱地區(qū)[2]，常年種植面積基本保持在120.0 萬～150.0 萬hm2[2，3]，在種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和旱作農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用[4]。

水分是植物生長所需的重要生理生態(tài)因子。據(jù)統(tǒng)計，我國北方地區(qū)水資源總量僅占全國的19.8%[5]，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)缺水現(xiàn)象非常普遍。 生產(chǎn)過程中缺水嚴重影響作物干物質(zhì)積累與分配，最終導致減產(chǎn)。 氮是植物生長發(fā)育所需的大量營養(yǎng)元素之一，也是影響產(chǎn)量形成的重要限制因子[6]。有研究表明，合理的水分和氮肥投入能緩解干旱和養(yǎng)分脅迫，達到“以肥調(diào)水，以水促肥”的水氮互作效應，提高作物產(chǎn)質(zhì)量和資源利用效率[7]；但投入不合理則會形成拮抗效應，影響作物養(yǎng)分吸收和生長，降低水肥利用效率[8]。 近年來，前人關(guān)于水氮耦合對不同作物生長發(fā)育及產(chǎn)量的影響做了廣泛研究。 李志元等[9]對雪菊的研究表明，適宜的供氮水平可在一定程度上緩解水分脅迫對植物抗氧化系統(tǒng)的傷害，對干旱脅迫起到一定的緩解作用。 張振博等[10]研究發(fā)現(xiàn)，適量施氮較不施氮處理提高夏玉米籽粒最大灌漿速率和灌漿速率最大時的生長量，延長灌漿活躍期，增加粒重，提高產(chǎn)量。 李鵬程等[11]研究發(fā)現(xiàn)，適宜水分條件下，施加氮素提高了棉花谷氨酰胺合成酶活性，植株氮代謝能力增強。 干旱條件下，谷子籽粒粗蛋白含量隨施氮量增加而提高[12]；低氮脅迫會顯著降低谷子葉面積指數(shù)和葉綠素含量，不利于谷子光合產(chǎn)物的形成、轉(zhuǎn)運和積累[13]。 氮肥的合理施用能夠協(xié)調(diào)植株水氮代謝、促進光合作用、減緩葉片衰老，有利于籽粒營養(yǎng)成分和光合產(chǎn)物的積累，從而提高谷子產(chǎn)量和品質(zhì)[14，15]。

目前關(guān)于水氮耦合的研究主要集中在玉米、小麥等大宗農(nóng)作物上，前人對谷子的研究多集中于單一的水分或氮素對其生長發(fā)育、產(chǎn)量和品質(zhì)的影響上，對其水氮互作效應方面研究較少。 不同生育時期干旱脅迫對作物產(chǎn)生的影響不同。 于肖等[16]研究表明，谷子苗期干旱配合施氮處理，水分脅迫解除后表現(xiàn)出補償效應，最終產(chǎn)量和品質(zhì)優(yōu)于對照。 抽穗期和灌漿期是決定谷子產(chǎn)量的關(guān)鍵時期。 本試驗開展谷子穗后水氮互作效應研究，系統(tǒng)分析其農(nóng)藝性狀和生理生化指標，有助于形成優(yōu)化的水氮調(diào)控措施，為谷子適時灌溉和水氮利用效率的提高提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試谷子品種為濟谷22(山東省農(nóng)業(yè)科學院作物研究所選育的抗拿捕凈除草劑新品種)。

1.2 試驗設計與管理

試驗于2021 年6—10 月在山東省農(nóng)業(yè)科學院作物研究所濟南試驗基地田間旱棚開展，采用內(nèi)徑35 cm、高25 cm 的盆種植。 盆栽土取自基地中等肥力試驗田0～30 cm 耕層土壤，自然晾干并與基施化肥充分混勻后每盆裝14 kg，澆水至足墑。 于6 月23 日每盆適墑播種20 粒飽滿種子，三葉期間苗，六葉期每盆選留6 株生長一致的健株(折合留苗密度60 萬株/hm2)。 每處理30 盆。生長期間采用旱棚防雨。 檢測原始土樣和收獲后土樣理化指標，結(jié)果見表1。

表1 土壤理化指標

試驗設灌水量和施氮量兩個因素。 灌水量設置3 個水平，CK:正常灌溉，全生育期保持田間持水量60%～70%；W1:灌漿前期干旱，即抽穗期至灌漿中期田間持水量保持30%～40%，其他時期田間持水量保持60%～70%；W2:灌漿后期干旱，即灌漿中期至成熟期田間持水量保持30% ～40%，其他時期田間持水量保持60%～70%。 施氮量設置2 個水平，分別為N0(不施氮肥)和N150(N 150 kg/hm2)。 試驗設計見表2。 所有處理磷鉀肥用量相同(P2O590 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2)且統(tǒng)一基施。 磷肥用過磷酸鈣，鉀肥用硫酸鉀，氮肥為尿素(50%基施，50%于孕穗期追施)。

表2 試驗設計

1.3 調(diào)查項目及方法

1.3.1 土壤含水量 盆土的含水量采用稱重法測定。

1.3.2 農(nóng)藝及產(chǎn)量性狀 成熟期每處理隨機選取10 盆(共60 株，分為6 次重復，每重復10 株)測量株高、莖粗、穗長、穗粗、單穗干重、穗粒重和千粒重，計算出谷率、生物產(chǎn)量、籽粒產(chǎn)量和收獲指數(shù)。

收獲指數(shù)(%)＝經(jīng)濟產(chǎn)量/生物產(chǎn)量×100 。

1.3.3 干物質(zhì)積累量 每處理分別于抽穗期、開花期、灌漿中期、成熟期(表3)各取10 株，按穗、葉、莖分開后烘箱105℃殺青30 min、80℃烘干至恒重，稱量各部分干物質(zhì)量，成熟期穗脫粒后分別統(tǒng)計籽粒和其它部分質(zhì)量。

表3 取樣時間(月/日)

1.3.4 籽粒品質(zhì)指標 成熟期每處理隨機選取3盆脫粒風干，籽粒脫殼后，糙米送至農(nóng)業(yè)農(nóng)村部谷物品質(zhì)監(jiān)督檢驗測試中心(濟南)測定籽粒蛋白質(zhì)、脂肪、淀粉、維生素E 和氨基酸含量。 參照楊延兵等[17]的方法測定籽粒黃色素含量。

1.3.5 葉片相關(guān)酶活性及生理指標 分別在谷子拔節(jié)期、抽穗期、灌漿中期、成熟期(表3)上午10 時，取各處理倒二葉后立即液氮冷凍，帶回實驗室置于－80℃超低溫冰箱保存?zhèn)溆谩?葉片過氧化物歧化酶(SOD)、硝酸還原酶(NR)、谷氨酰胺合成酶(GS) 活性及丙二醛(MDA)、脯氨酸(PRO)含量均采用蘇州科銘生物技術(shù)有限公司測試盒測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2019 進行數(shù)據(jù)處理及作圖，采用SPSS 軟件進行統(tǒng)計分析，0.05 水平檢驗差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水氮處理對谷子農(nóng)藝、產(chǎn)量性狀及干物質(zhì)積累的影響

2.1.1 對谷子農(nóng)藝及產(chǎn)量性狀的影響 由表4 看出，相同氮水平下，W1N150處理的株高、穗長、單穗干重、穗粒重和生物產(chǎn)量較CKN150均顯著降低，W2N150處理下除生物產(chǎn)量外其他指標與CKN150差異均不顯著；W1N0處理的株高、莖粗、穗長和生物產(chǎn)量較CKN0均顯著降低，W2N0處理的莖粗、穗長與CKN0處理間差異顯著。 相同水分處理下，施氮顯著提高除株高、出谷率外的其他農(nóng)藝和產(chǎn)量指標；W1N150和W1N0處理間株高差異不顯著。 W1N0的穗長和生物產(chǎn)量顯著低于其他處理，W1N150處理的出谷率最低，且顯著低于CKN0、W1N0和W2N0處理。

表4 不同水氮處理下谷子農(nóng)藝、產(chǎn)量性狀

由圖1 看出，相同水分處理下，施氮顯著提高谷子產(chǎn)量；同一氮素水平下，不同時期水分脅迫均降低谷子產(chǎn)量，施氮組與對照相比分別降低20.14%和4.10%，W1N150顯著低于CKN150和W2N150；不施氮組與對照相比分別降低11.03%和5.18%，但差異不顯著。 從收獲指數(shù)(圖2)來看，W1N150處理的收獲指數(shù)顯著低于W1N0，其他兩組(CK、W2)施氮處理谷子收獲指數(shù)均顯著提高。同一氮素水平下，不同時期水分脅迫均降低收獲指數(shù)，差異達顯著水平，其中W1N150處理收獲指數(shù)最低，W2N0次之。

圖1 不同水氮處理下谷子產(chǎn)量

圖2 不同水氮處理下谷子收獲指數(shù)

以上說明施加氮肥顯著提高谷子產(chǎn)量，CK、W2處理組收獲指數(shù)均顯著提高；抽穗后干旱脅迫不同程度降低產(chǎn)量，抽穗—灌漿中期干旱對產(chǎn)量的影響更大。

2.1.2 對不同生育期谷子地上部干物質(zhì)積累的影響 不同水氮處理下谷子地上部干物質(zhì)隨生育進程呈不斷增長的趨勢(圖3)，穗所占比重逐漸增大，施加氮肥顯著提高干物質(zhì)積累量。 開花期，W1N150處理穗干重顯著低于CKN150和W2N150，N0處理組差異不顯著；灌漿中期，W1N150和W1N0處理的穗干重分別顯著低于CKN150、W2N150和CKN0、W2N0，且W1N0處理的葉和穗干重均最低；成熟期，灌漿后期干旱脅迫處理組(W2)穗干重與對照相比有所降低，但未達顯著水平，灌漿前期干旱脅迫處理組(W1)地上部干物質(zhì)量低于其他兩組。 說明灌漿前期干旱對谷子干物質(zhì)積累影響更大，不施氮處理下更為顯著。

圖3 不同水氮處理下谷子地上部干物質(zhì)積累量

2.2 不同水氮處理對谷子葉片相關(guān)酶活性及生理生化指標的影響

2.2.1 對谷子葉片超氧化物歧化酶(SOD)活性的影響 由圖4 可知，W1N0、W1N150處理灌漿中期葉片SOD 活性顯著高于其他處理，且W1N150處理顯著高于W1N0；成熟期，W1N150、W2N150處理葉片SOD 活性顯著高于其他處理，且W2N150處理顯著高于W1N150。 正常水分條件下，拔節(jié)期和抽穗期不施氮和正常施氮處理谷子葉片SOD 活性差異不顯著；成熟期施氮處理谷子葉片SOD 活性均顯著高于不施氮處理。 說明不同時期干旱脅迫處理均提高谷子葉片SOD 活性，且施氮組升高更明顯。

圖4 不同水氮處理下谷子葉片SOD 活性

2.2.2 對谷子葉片丙二醛(MDA)含量的影響如圖5 所示，正常水分條件下，不施氮和正常施氮處理谷子葉片MDA 含量差異不顯著。 灌漿后不同時期干旱(W1、W2)處理，谷子葉片MDA 含量均增加。 灌漿中期，W1N150處理葉片MDA 含量較CKN150顯著增加43.25%，W2N150處理較CKN150增加7.91%；W1N0處理葉片MDA 含量較CKN0顯著增加56.99%，W2N0處理較CKN0增加7.91%；W1處理組葉片MDA 含量顯著高于其他組，且W1N0處理顯著高于W1N150。 復水后的成熟期，W1 處理組谷子葉片MDA 含量有所降低，W1N150恢復至對照水平，W1N0處理葉片MDA 含量仍顯著高于對照。

圖5 不同水氮處理下谷子葉片MDA 含量

說明谷子生長過程中受到干旱脅迫時，葉片MDA 含量會顯著增加。 施氮處理葉片MDA 含量低于不施氮處理，說明供氮水平一定程度上影響葉片MDA 含量。

2.2.3 對谷子葉片脯氨酸(PRO)含量的影響正常水分條件下，不施氮和正常施氮處理谷子葉片PRO 含量差異不顯著(圖6)。 灌漿中期，抽穗—灌漿中期干旱處理(W1)組葉片PRO 含量急劇升高，W1N0與CKN0相比升高8.13 倍，W1N150與CKN150相比升高12.37 倍。 成熟期，灌漿后期—成熟期干旱處理(W2)下谷子葉片PRO 含量也大大提高，W2N0與CKN0相比升高10.33 倍，W2N150與CKN150相比升高12.03 倍。 不同時期干旱脅迫下，施氮處理谷子葉片PRO 含量顯著高于不施氮處理。

圖6 不同水氮處理下谷子葉片PRO 含量

說明谷子生長過程中受到干旱脅迫時，葉片PRO 含量會急劇上升，施氮條件下上升更明顯。干旱脅迫解除后，谷子葉片PRO 含量有所恢復，但均未恢復至對照水平。

2.2.4 對谷子葉片硝酸還原酶(NR)活性的影響

由圖7 看出，抽穗期后相同水分條件下施氮處理谷子葉片NR 活性均顯著高于不施氮處理。 灌漿中期，抽穗—灌漿中期干旱(W1)處理組葉片NR 活性降低，W1N150處理較CKN150顯著降低22.23%，W1N0較CKN0顯著降低16.35%，W1N150處理顯著高于W1N0。 成熟期，W1N0和W1N150處理葉片NR 活性均有不同程度恢復，W1N0活性恢復到對照水平，W1N150恢復并達到高于對照(CKN150)水平；灌漿中期—成熟期干旱處理(W2)組葉片NR 活性略有降低，與對照間差異不顯著，W2N150處理顯著高于W2N0。

表明施加氮肥能明顯提高葉片NR 活性；干旱脅迫復水后葉片NR 活性有明顯提高，甚至能恢復到高于對照的水平。

2.2.5 對谷子葉片谷氨酰胺合成酶(GS)活性的影響 由圖8 看出，相同水分處理下，拔節(jié)期處理間差異不顯著，抽穗至成熟期施氮處理葉片GS活性均顯著高于不施氮處理。 相同氮素水平下，抽穗期到灌漿中期各處理葉片GS 活性顯著提高。 兩個時期干旱處理對葉片GS 活性的影響不同，灌漿后期干旱處理的影響不大。

2.3 不同水氮處理對籽粒營養(yǎng)品質(zhì)的影響

表5 顯示，水氮處理對谷子籽粒不同品質(zhì)性狀的影響不同。 相同水分處理下，施氮處理的籽粒蛋白質(zhì)含量、氨基酸總量均顯著高于不施氮處理，淀粉含量均顯著低于不施氮處理，且不同水分處理間差異不顯著。 不同水氮處理對維生素E含量的影響不大，W1N0處理維生素E 含量顯著高于CKN150和W2N150。 W1N150處理的脂肪含量顯著低于其他處理，其他處理間差異不顯著。 黃色素是小米重要的商品性指標，施氮對其含量有顯著影響。 不施氮處理組籽粒黃色素含量顯著高于施氮處理組，不同水分處理組提高幅度為23.00%～28.75%，而相同氮水平不同時期干旱處理間差異不顯著。

表5 不同水氮處理下籽粒品質(zhì)性狀

水氮處理對籽粒不同氨基酸含量產(chǎn)生一定影響(表6)。 從整體看，同一水分處理下，施氮處理提高籽粒氨基酸含量；同一氮素水平下，不同時期水分脅迫處理的籽粒氨基酸總含量有所提高，但均未達到顯著水平。 不同時期干旱處理籽粒中人體必需的7 種氨基酸含量均有所提高，其中W1N150籽粒中蘇氨酸、亮氨酸含量均顯著高于CKN150。 經(jīng)干旱處理后，籽粒天冬氨酸和谷氨酸含量也有所提高，其中W1N150處理籽粒天冬氨酸和谷氨酸含量顯著高于CKN150處理。 綜上，灌漿前期干旱對谷子籽粒氨基酸含量影響較大。

表6 不同水氮處理下籽粒氨基酸含量(g/kg)

3 討論

3.1 不同水氮處理對谷子生長的影響

水分和氮素對植物生長發(fā)育和形態(tài)建成至關(guān)重要，植物體內(nèi)水分虧缺會影響其生理生化過程和器官建成，不利于正常生長發(fā)育[18]。 谷子抽穗期、灌漿期對干旱脅迫十分敏感，無論是土壤水分還是養(yǎng)分的虧缺或過量均會影響作物生理生化過程，進而顯著影響作物生長發(fā)育和產(chǎn)量[19，20]。 前人研究認為，隨著土壤含水率下降，作物株高、穗粗、穗重、結(jié)實率、產(chǎn)量及單株干物質(zhì)量也逐漸減小，最終導致減產(chǎn)[21－23]，這與本研究結(jié)果相似。本試驗條件下，不同時期干旱脅迫降低谷子單穗干重、生物量、籽粒產(chǎn)量和收獲指數(shù)，抽穗—灌漿中期干旱明顯降低谷子株高、穗長，灌漿前期干旱處理(W1N150)的出谷率顯著降低。 這是由于抽穗—灌漿中期干旱脅迫影響谷子受精結(jié)實，干物質(zhì)向籽粒分配受阻，抑制籽粒灌漿導致谷子單株穗重、單株粒重降低，秕谷率升高，產(chǎn)量大幅下降[24]。 本研究中，水分虧缺對千粒重無顯著影響，這與劉鑫等[25]的研究結(jié)果一致。 籽粒灌漿是作物生育過程極其重要的階段，適量施氮較不施氮提高灌漿速率和灌漿速率最大時的生長量，籽粒灌漿活躍期延長，進而增產(chǎn)[10]。 水分脅迫下增施氮肥或低氮條件下增加供水均能明顯提高產(chǎn)量[26]。 本研究中，高氮處理顯著增加株高、莖粗、穗長、穗粗、單穗干重、穗粒重、千粒重、生物產(chǎn)量及籽粒產(chǎn)量，干物質(zhì)積累量明顯高于不施氮組。由此可知，穗后不同時期干旱均使谷子減產(chǎn)，適度增加土壤含氮量有利于減緩干旱脅迫導致的減產(chǎn)。

3.2 不同水氮處理對谷子生理生化特性的影響

土壤水分虧缺條件下，植物體內(nèi)水分狀況發(fā)生改變，進而引發(fā)一系列生理生化變化來適應水分脅迫生境，以維持生長。 干旱脅迫下，體內(nèi)活性氧代謝系統(tǒng)失調(diào)，進而引發(fā)或加劇細胞膜脂過氧化，對植物細胞產(chǎn)生毒害[27]。 前人研究表明，正常供水與干旱處理時增施適量氮肥均可提高小麥葉片抗氧化酶活性[28，29]，低氮脅迫下谷子葉片丙二醛(MDA)含量表現(xiàn)為增加趨勢[30]，PRO 含量施氮組高于不施氮組[16]。 本研究中，兩個時期干旱處理谷子葉片SOD 活性及PRO、MDA 含量顯著升高，復水后有不同程度下降，但仍高于對照，說明旱后復水具有一定的補償性[31]；相同水分處理下，施氮組SOD 活性和PRO 含量高于不施氮組，MDA 含量低于不施氮組，與前人的研究結(jié)果相似。 這說明施氮能促進谷子活性氧清除酶系統(tǒng)及時有效地清除產(chǎn)生的大量活性氧自由基，防止活性氧自由基累積和膜脂過氧化加劇對細胞膜的破壞，從而延緩衰老并提高其對干旱的抵御能力[32]。

氮是植物生長發(fā)育和產(chǎn)量形成的重要營養(yǎng)元素，植物生長發(fā)育過程中蛋白質(zhì)、氨基酸和核酸等物質(zhì)的生成均和氮代謝有關(guān)[32]。 硝酸還原酶(NR)和谷氨酰胺合成酶(GS)是氮代謝關(guān)鍵酶，其活性大小直接影響氮代謝過程[33]。 本研究結(jié)果表明，相同水分處理下，施氮處理顯著提高谷子葉片NR、GS 活性；水分虧缺下，葉片NR、GS 活性下降，灌漿前期干旱下降明顯，復水后有所恢復，灌漿后期干旱處理酶活性下降幅度較小。 水分適宜時增施氮肥有利于保持葉片NR、GS 的高活性，這與李佳帥等[34]對葡萄的研究一致。 施氮處理保持土壤后期較高的氮素水平，保證作物氮素營養(yǎng)供給，加強植株的氮素同化和轉(zhuǎn)運能力，為蛋白質(zhì)、氨基酸等的積累奠定良好基礎(chǔ)，進而增產(chǎn)。

3.3 不同水氮處理對谷子籽粒品質(zhì)的影響

谷子籽粒品質(zhì)既受遺傳因素影響，又受生態(tài)環(huán)境和栽培管理措施等影響，通過環(huán)境生態(tài)因子調(diào)控可提高谷子品質(zhì)[35]。 本研究結(jié)果表明，不同水分處理下，施氮處理谷子籽粒蛋白質(zhì)含量和氨基酸總量均顯著高于不施氮處理，淀粉和黃色素含量均顯著低于不施氮處理；谷子籽粒蛋白質(zhì)是優(yōu)質(zhì)的植物蛋白，氨基酸含量較高且均衡。 水分脅迫處理籽粒中人體必需氨基酸含量有所提高，灌漿前期干旱處理下提高更明顯，這與前人的研究結(jié)果一致。 因此，合理增施氮肥且適度干旱有利于提高谷子品質(zhì)。 小米黃色素含量高低反映著小米的商品品質(zhì)，是消費者選擇小米的首要指標[36]，米色越黃，米飯的香味、色澤和適口性越好[37]。 本研究結(jié)果表明，施氮使籽粒黃色素含量顯著降低，所以谷子栽培管理過程中應注意避免氮肥的過量投入。 脂肪是影響小米香味的重要成分，同時也是影響小米外觀的重要因素。 本研究中，谷子抽穗后不同時期干旱脅迫導致籽粒脂肪含量有不同程度下降而影響品質(zhì)，灌漿前期干旱處理(W1N150)的脂肪含量顯著降低，生產(chǎn)上應注意保證谷子穗后水分供應。 綜上，穗后不同時期干旱脅迫使谷子品質(zhì)變劣，適當增施氮肥有利于提升谷子品質(zhì)。

4 結(jié)論

本試驗條件下，抽穗后不同時期水分脅迫均降低谷子生物產(chǎn)量、籽粒產(chǎn)量和收獲指數(shù)，部分人體必需氨基酸含量升高。 W1N150出谷率、收獲指數(shù)和脂肪含量均最低。 W1N0產(chǎn)量最低，較對照(CKN0)降低11.03%。 干旱脅迫下，生殖器官干物質(zhì)分配比重下降，SOD 活性和PRO、MDA 含量升高，NR 和GS 活性下降，復水后有所恢復。 同一水分處理下，施氮提高谷子葉片SOD 活性和PRO 含量，緩解膜脂過氧化帶來的傷害，氮代謝相關(guān)酶活性升高，顯著提高谷子產(chǎn)量；籽粒蛋白質(zhì)和氨基酸總量顯著升高，但淀粉和黃色素含量均顯著低于不施氮處理；不同水分處理籽粒黃色素含量提高幅度為23.00%～28.75%。

可見，干旱對灌漿前期影響較大，減產(chǎn)嚴重，施氮可以緩解干旱帶來的不利影響，合理的水氮投入可提高谷子品質(zhì)。