氮肥運籌對糜子生育后期干物質積累與轉運及葉片氮素代謝的調控效應

宮香偉，韓浩坤，張大眾，李境，王孟，薛志和，楊璞，高小麗，馮佰利

（1西北農林科技大學農學院/旱區作物逆境生物學國家重點實驗室，陜西楊凌 712100；2榆林市農業科學研究院，陜西榆林 719000）

0　引言

【研究意義】糜子（Panicum miliaceum L.）耐旱、耐瘠、生育期短[1]，是長城沿線風沙區重要的制米作物，常年種植面積約 8×105hm2，居世界第2位，在中國西部農業種植業結構調整和產業發展中具有不可替代的作用[2]。近年來，隨著栽培技術進步，尤其是化肥投入增加，糜子產量水平不斷提高，對其產量的貢獻率達 50%左右[3]，然而，濫施氮肥帶來的資源浪費和生態環境惡化也愈加嚴重，氮肥利用效率不斷降低，土壤無機氮殘留量不斷增加，進而加劇了環境污染的程度和步伐[4-7]。因此，實現經濟環保施肥，提高肥料利用效率，對實現糜子優質高產高效具有重要的現實意義。【前人研究進展】作物源位器官（葉片）光合產物的生成、轉運及向籽粒中的分配累積能力對作物生長發育具有重要意義，施用氮肥是調控作物內部代謝的關鍵措施之一[8]。吳光磊等[9]研究認為，氮肥處理可顯著提高冬小麥成熟期的干物質積累量、開花至成熟階段干物質積累強度和花后籽粒干物質積累量，增加對籽粒的貢獻率。氮肥增加了水稻干物質，不同施肥處理的水稻穗數、穗粒數有上升趨勢，產量顯著提高，并且干物質積累量與產量呈極顯著正相關[10]。王雪等[11]指出，適宜的施氮量有利于協調蘿卜“源庫”關系，促進干物質的累積使其向根轉移，但過低或過高的氮肥用量會使蘿卜產量不升反降。氮素代謝是作物生育周期的重要生理過程，它直接影響到植物的生長、品質和產量。相關研究表明，合理的施氮量對作物氮素代謝具有重要的調控作用[12]。李飛等[13]指出，增施氮肥顯著提高煙草葉片的硝酸還原酶和谷氨酰胺合成酶活性，使葉片NH4+的再同化能力增強。張智猛等[14]研究表明，適當提高氮素水平可使花生各器官中可溶性蛋白質和游離氨基酸的含量與硝酸還原酶、谷氨酰胺合成酶等氮素同化酶的活性同步增加，促進籽粒中蛋白質的合成。王小純等[15]研究發現，增施氮肥可提高小麥的地上部及籽粒氮素積累量和葉片谷氨酰胺合成酶活性等氮代謝同化物指標，促進植株對氮素的吸收與同化。可見，高效施肥也可以改善作物氮素代謝。【本研究切入點】目前關于施氮量對玉米[16]、小麥[17]和水稻[18]等作物干物質特性及氮素代謝影響的報道頗多，但針對西北地區干旱半干旱氣候條件下，氮肥管理措施對糜子生長發育及產量影響的研究較少[19]。【擬解決的關鍵問題】本研究從糜子干物質積累與轉運以及生育后期植株源器官葉氮的代謝利用兩方面出發，通過研究不同氮肥對糜子干物質積累、轉運規律及葉片氮素代謝的調控效應，探討糜子干物質積累特征和氮代謝變化規律。同時，篩選出適合西北干旱半干旱地區最佳的氮肥使用量，為糜子節肥增產提供依據。

1　材料與方法

1.1　研究區概況

試驗于2015和2016年在榆林小雜糧試驗示范基地（37°56′26″N，109°21′46″E，海拔 1 229 m）進行，該地區屬黃土高原丘陵溝壑區，多年平均降水量400 mm左右，降水集中在7月至9月，約占全年降水量的61%。試驗區為典型的干旱半干旱大陸性季風氣候，年平均氣溫為11.0℃，最高氣溫36.3℃，最低氣溫-25.7℃。試驗地土壤為黃綿土，地勢平坦、肥力均勻。試驗前耕層（0—20 cm）土壤養分狀況如下：2015 年土壤有機質 6.1 g·kg-1，全氮 0.61 g·kg-1，速效磷 39.9 mg·kg-1，速效鉀 221.1 mg·kg-1，pH 為 8.6；2016 年土壤有機質 6.2 g·kg-1，全氮 0.64 g·kg-1，速效磷 39.6 mg·kg-1，速效鉀 221.3 mg·kg-1，pH 為 8.6。

1.2　試驗設計

本試驗共設置4種氮肥處理，分別為60 kg N·hm-2（N1）、105 kg N·hm-2（N2）、150 kg N·hm-2（N3）、195 kg N·hm-2（N4）（折合成含氮46.7%的尿素為129 kg·hm-2、225 kg·hm-2、321 kg·hm-2、417 kg·hm-2），選用尿素（含純氮 46.7%）一次性施入，以不施肥為對照（CK）。試驗田整地前同時撒施P2O590 kg·hm-2，K2O 75 kg·hm-2作為基肥，隨機區組排列，3次重復。小區面積15 m2（3.0 m×5.0 m），行距0.33 m，株距5 cm種植行數為9行。選用當地主栽品種榆糜2號（側穗型粳性）為試驗材料，按照國家糜子品種區域試驗要求進行田間管理。

1.3　測定項目與方法

1.3.1干物質積累及轉運采用烘干稱重法進行測定。于糜子抽穗期開始，選擇生長一致且有代表性的植株掛牌標記。在抽穗期、開花期、灌漿期和成熟期取樣，將植株按葉、莖、鞘、穗等不同器官分別處理，置于105℃烘箱內殺青30 min，然后于80℃烘至恒重，用1/1000電子天平稱各部位的干重，并計算地上部各器官干物質移動率和對籽粒的貢獻率。

籽粒灌漿期間各器官干物質移動率（move ratio，MR）和轉運率（transportation ratio，TR）：

干物質移動率（MR）＝（開花后器官最大干質量-成熟期器官干質量）/開花后器官最大干質量×100%

干物質轉運率（TR）＝（開花后器官最大干質量-成熟期器官干質量）/籽粒最大干質量×100%

1.3.2氮素代謝于糜子抽穗期開始，選擇長勢較好的糜子旗葉、倒二葉和倒三葉，經液氮速凍處理后，于-80℃低溫冰柜中保存。可溶性蛋白含量按照BRADFORD[20]的方法測定；游離氨基酸總量用茚三酮法測定[21]；谷氨酰胺合成酶（glutamine synthetase，GS）的活性測定參照CREN和HIREL[22]的方法進行；硝酸還原酶活性（nitrate reductase，NR）用活體法測定[20]。

1.3.3產量及產量構成因素于成熟期取15株進行考種，測定每株穗長、莖粗、穗數和千粒重，計算其平均值。另外，將每個處理的3個小區中的有效穗數全部收回，并折算成公頃產量。

1.4　數據處理

試驗數據采用 Excel 2010進行錄入、整理和圖表的制作，用SPSS 19.0進行方差和相關分析，采用最小顯著差法進行處理間的多重比較（P＜0.05）。

2　結果

2.1　氮肥對糜子產量及其構成因素的影響

由表1可知，各氮肥處理下糜子的產量及其構成因素存在明顯差異。兩年的數據結果表明，隨著施氮量的增加，糜子產量及其構成因素均表現出先增加后下降的變化趨勢。各施氮量處理下的產量表現為 N3＞N4＞N2＞N1＞CK。其中，N3處理的糜子穗長、莖粗、單株穗數、千粒重和產量平均比CK分別增加了19.5%、14.0%、37.0%、4.0%和 55.3%。方差分析結果顯示，N3處理下的糜子產量與CK相比達到顯著水平（P＜0.05）。

表1　不同施氮水平下糜子產量構成因素及產量變化Table 1　The change of photosynthetic traits and field of broomcorn millet under different N fertilizer levels

2.2　氮肥對糜子生育后期干物質積累及轉運的影響

2.2.1不同器官干物質積累動態干物質量是群體數量和個體質量的綜合反映，同時也是產量形成的物質基礎。由表2可知，在不同施氮水平下，糜子不同器官干重均表現為N3＞N4＞N2＞N1＞CK。隨著生育期的推進，干物質積累量呈現出先上升后下降的趨勢，于開花期達到最大值，灌漿期和成熟期降低。同一生育時期的糜子不同器官干重，對不同施肥水平的響應程度存在明顯差異。在開花期，N1處理下的糜子莖干重、葉干重、鞘干重和穗干重分別比CK增加了10.7%、9.0%、17.0%和22.6%，N3處理下的糜子不同器官干物質積累量比CK增加了51.2%、40.8%、64.2%和78.6%，并且N3處理與CK相比均達到顯著水平（P＜0.05）。

2.2.2干物質在各器官中的分配比例由表3可知，不同施氮水平下糜子抽穗后植株干物質在不同器官中的分配比例存在顯著差異，并隨生長中心的轉變而發生變化。糜子開花前以營養生長為主，作物通過光合作用產生的有機物質主要分配到莖稈、葉片和葉鞘中，平均占整個地上干物質的 86.3%，供糜子生長發育的需要。隨著生育進程的推進，植株由營養生長轉為生殖生長，糜子莖稈、葉片和葉鞘的干物質分配比例逐漸降低，并向穗中轉移，使穗的干物質積累量不斷增加，于成熟期達到最大值。此時，N3處理下的糜子穗分配比例最大，比CK提高了11.1%，并達到顯著水平（P＜0.05）。

2.2.3各器官干物質轉運特性由表4可知，不同施氮水平下糜子抽穗后植株干物質在不同器官中的移動和轉運存在顯著差異。隨著生育期的推進，糜子植株器官的營養物質均不同程度地向生殖器官轉移，對籽粒的貢獻率由大到小依次為葉＞莖＞鞘。不同施肥處理之間比較，糜子干物質轉運的響應程度也有所不同。隨著氮肥用量的增加，糜子葉干物質的移動率分別比CK提高了9.4%、10.4%、9.6%和12.7%，轉運率分別比CK提高了4.4%、8.8%、12.4%和11.3%，并且N3處理與CK相比均達到顯著水平（P＜0.05）。

2.3　氮肥對糜子生育后期葉片氮素代謝的影響

2.3.1葉片可溶性蛋白含量由圖1可知，隨著生育期的推進，糜子頂3葉葉片可溶性蛋白含量表現出先上升后下降的趨勢，于開花期達到最大值，之后持續下降。同一生育時期，糜子頂3葉葉片可溶性蛋白含量表現為旗葉＞倒二葉＞倒三葉，氮肥處理不改變糜子葉片可溶性蛋白含量的整體趨勢，但各生育時期其含量的高低有明顯差異。不同處理間相互比較，抽穗期氮肥處理的糜子旗葉可溶性蛋白含量比CK分別提高了6.7%、8.6%、14.4%和11.3%。

表2　不同施氮水平下糜子不同器官干物質積累動態Table 2　Trends of dry matter accumulation among organs of broomcorn millet under different N fertilizer levels

圖1　不同施氮水平下糜子葉片可溶性蛋白含量變化Fig. 1　Changes of soluble protein content of broomcorn millet under different N fertilizer levels

表3　不同施氮水平下糜子干物質在各器官中的分配比例Table 3　Distribution of dry matter among organs of broomcorn millet under different N fertilizer levels (%)

表4　不同施氮水平下糜子各器官干物質的轉運特性Table 4　Transportation of dry matter among organs of broomcorn millet under different N fertilizer levels

2.3.2葉片游離氨基酸含量由圖2可知，隨著生育期的推進，糜子頂3葉葉片游離氨基酸含量表現出先上升后下降的趨勢，均呈單峰曲線，于開花期達到最大值，之后持續下降。同一生育時期，糜子頂3葉葉片游離氨基酸含量表現為旗葉＞倒二葉＞倒三葉，氮肥處理不改變糜子葉片游離氨基酸含量的整體趨勢，但各生育時期其含量的高低有明顯差異，其中對開花期影響最大。不同處理間相互比較，隨著施氮量的增加，開花期糜子倒二葉游離氨基酸含量比CK分別提高了6.5%、17.6%、22.4%和17.0%。

圖2　不同施氮水平下糜子葉片游離氨基酸含量變化Fig. 2　Changes of free amino acid content of broomcorn millet under different N fertilizer levels

2.3.3葉片谷氨酰胺合成酶活性由圖 3可知，隨著生育期的推進，糜子頂3葉葉片谷氨酰胺合成酶活性表現出先上升后下降的趨勢，均呈單峰曲線，于開花期達到最大值，之后持續下降。同一生育時期，糜子頂3葉葉片谷氨酰胺合成酶活性表現為旗葉＞倒二葉＞倒三葉，但差異不明顯。氮肥處理不改變糜子葉片谷氨酰胺合成酶活性的整體趨勢，但各生育時期含量的高低有明顯差異。不同處理間相互比較，隨著施氮量的增加，灌漿期糜子倒三葉葉片谷氨酰胺合成酶活性比 CK分別提高了16.5%、28.5%、51.7%和39.4%，高肥處理使其活性顯著降低。

2.3.4葉片硝酸還原酶活性由圖4可知，糜子頂3葉葉片硝酸還原酶活性隨著生育期的推進逐漸降低，成熟期達到最小值。同一生育時期，糜子頂3葉葉片硝酸還原酶活性表現為旗葉＞倒二葉＞倒三葉，氮肥處理不改變糜子葉片硝酸還原酶活性的整體趨勢，但各生育時期其含量的高低有明顯差異，其中對開花期影響較大。不同處理間相互比較，隨著施氮量的增加，開花期糜子倒二葉硝酸還原酶酶活性比CK分別提高了8.0%、11.9%、17.2%和16.1%，高肥處理使其活性略有下降，但差異較小。

圖3　不同施氮水平下糜子葉片谷氨酰胺合成酶活性變化Fig. 3　Changes of GS activity of broomcorn millet under different N fertilizer levels

圖4　不同施氮水平下糜子葉片硝酸還原酶活性變化Fig. 4　Changes of NR activity of broomcorn millet under different N fertilizer levels

2.4　氮肥對糜子籽粒含氮量和蛋白質含量的影響

由表5可知，隨著施氮量的增加，糜子籽粒含氮量和蛋白質含量均呈逐漸上升的趨勢。不同處理間相互比較，氮肥處理的糜子籽粒含氮量比 CK提高了4.0%—8.9%，蛋白質含量提高了 4.3%—9.0%，并且與對照相比均達到顯著差異水平（P＜0.05）。

表5　不同施氮水平下糜子籽粒含氮量和蛋白質含量變化Table 5　Changes of nitrogen content and protein content of broomcorn millet under different N fertilizer levels

2.5　糜子干物質積累特性、葉片氮素代謝與產量的相關性

灌漿期是糜子產量形成的關鍵期，維持灌漿期糜子葉片氮素代謝對獲得高產具有重要價值。由表6可知，糜子干物質積累特性、葉片氮素代謝與產量及其構成因素均為正相關關系，差異達到顯著或極顯著水平。葉片是植株進行光合作用和生理代謝的主要器官，莖是輸送營養物質的主要渠道，相關分析表明，葉片和莖的轉化率與產量構成因素及產量均達到顯著或極顯著水平，NR活性與產量的相關系數為R=0.993**，說明干物質積累特性和葉片氮素代謝在產量的形成過程中起著重要作用。

3　討論

3.1　氮肥對糜子生育后期干物質積累、轉運及產量的影響

土壤肥力的大小可顯著調控作物的干物質積累與分配。其中，氮肥是農業生態系統中最主要的營養限制元素，可顯著影響作物的產量[23]。周瑜等[24]研究表明，覆蓋和施氮改善了糜子開花至成熟階段旗葉的光合性能，顯著提高了糜子開花期和成熟期干物質積累量和干物質在各器官中的分配量。王月福等[25]研究表明當氮肥施用量不超過180 kg·hm-2，增施氮肥有利于促進開花前小麥營養體內貯存同化物向籽粒中的運轉。本試驗中，氮肥處理顯著增加了糜子不同器官的地上部干重。不同施肥處理比較，糜子莖干重、葉干重、鞘干重和穗干重的增加程度均表現為 N3（180 kg·hm-2）＞N4（195 kg·hm-2）＞N2（105 kg·hm-2）＞N1（60 kg·hm-2）＞CK。同時，氮肥處理顯著提高了糜子抽穗后植株干物質在不同器官中的移動與轉運，糜子穗部的干物質分配以及各器官對籽粒的貢獻率均在 N3處理下達到最大，這是旱作糜子獲得高產的生理基礎。由此說明，合理的施用氮肥改善了糜子的生長狀況，促進了干物質向庫器官籽粒的轉移，增加了對籽粒的貢獻率。但當氮肥含量為195 kg·hm-2（N4）時，營養器官干物質的分配比例較N3水平有所提高，而穗器官的干物質分配減少，這可能是由于氮素水平過高，造成了營養器官的過度生長，從而減少了同化物向生殖器官的分配和運轉。相關研究表明，低氮條件下，由于營養器官中干物質分配比例的下降，降低了產量形成的物質基礎；而高氮條件下，正是由于營養器官的徒長，分配到經濟器官中的干物質比例減少，因此，不利于作物經濟產量的形成[26]。本研究中不同年際間氮肥處理下，糜子產量顯著增加，農藝性狀得到了改善，單株穗數和千粒重也顯著提高。由相關性分析可知，干物質積累、轉運與糜子產量構成因素及產量之間具有顯著正相關。同時，N3（180 kg·hm-2）處理下的糜子產量及其構成因素效果最好，進一步證明了生育后期，適量的氮肥處理通過提高了糜子地上部生物產量和干物質轉運而增加了產量，這與前人在大麥[27]、玉米[28-29]等作物的研究結果基本一致，說明合理的施氮量有利于作物源/庫比例協調，從而促進作物經濟產量的提高。

表6　糜子灌漿期干物質積累轉運、葉片氮素代謝與產量的相關性分析Table 6　Correlation coefficients between dry matter accumulation, nitrogen metabolism and field of broomcorn millet at grain filling stage

3.2　氮肥對糜子生育后期葉片氮素代謝的影響

高等植物體內NO3-和NH4+通過硝酸還原酶（NR）和谷氨酰胺合成酶（GS）循環同化合成氨基酸，其含量作為植物體內氮素同化物的主要運輸形式，參與多種氮化合物的運輸和儲藏[30-31]。張智猛等[32]研究表明，不同氮肥處理提高了玉米葉片和籽粒硝酸還原酶和谷氨酰胺合成酶活性，導致了玉米籽粒中形成了較高水平的蛋白質含量。在水分脅迫和干旱條件下，增施氮肥顯著提高了小麥根系及葉片的硝酸還原酶活性，促進了對氮素的吸收和同化，增加了小麥籽粒中的蛋白質含量[33]。本研究結果表明，隨著生育進程的遞增，糜子葉片NR 和GS活性均表現為拋物線型，開花期達到最大值，之后葉片中NR和GS活性均逐漸下降，但氮肥處理并不改變糜子生育時期氮素代謝相關酶活性的整體趨勢。同時，施氮增加了糜子頂3葉葉片的NR和GS活性，并在N3（180 kg·hm-2）處理下達到最大值，CK處理下為最小。由此推測，施用氮肥后導致后期土壤中氮素含量仍較高，植物體的源器官能夠繼續吸收土壤中的氮素，進而有較強的氮素同化和轉運能力，因此，有利于延緩葉片的衰老，為庫器官籽粒的同化物積累奠定了基礎。賈莉君等[34]研究認為，單一氮素形態的NO3--N可促進水稻葉片GS活性提高，帶動了氮代謝運轉增強，促進了氨基酸的合成和轉化，對維持水稻葉片衰老具有重要意義。可溶性蛋白是氮素代謝的產物，其含量在一定程度上能夠反映植物氮素代謝的活躍程度，也是體現植株葉片衰老的關鍵指標[35]。而氨基酸是植株體內氮化物的主要存在和運輸形式，它參與了氮素的吸收和同化，并與器官中蛋白質的合成和降解聯系在一起，也是源庫間實現氮素分配、轉移、再分配的主要方式。本研究結果表明，隨著生育進程的遞增，糜子葉片游離氨基酸含量和可溶性蛋白含量也均表現為拋物線型，開花期達到最大值，之后葉片中游離氨基酸和可溶性蛋白含量均逐漸下降。同時，氮肥處理增加了頂3葉葉片的可溶性蛋白和氨基酸的含量。由此進一步說明，葉片中游離氨基酸和可溶性蛋白含量的增加為氮肥增強葉片中氮素同化和轉運能力，以及延緩葉片衰老提供了保障。因此，本研究系統地分析了不同施氮水平下糜子生育后期葉片氮素生理代謝的變化，揭示了氮肥處理造成葉片氮素代謝增強的原因，一方面由于氮肥處理增加了葉片氮代謝的相關酶活性，另一方面提高了參與氮代謝過程中物質的含量，為糜子生育后期物質的運轉奠定了基礎，這在以往研究中少有報道，同時，豐富了氮肥對糜子增產的理論基礎。

本試驗條件下，氮肥處理顯著提高了籽粒中的含氮量和蛋白質含量，進一步驗證了源器官葉片中氮素代謝的增強，即植株營養器官中同化物質向籽粒運轉和分配的增多，是導致糜子籽粒產量和蛋白質含量同步提高的重要原因。但 N3（180 kg·hm-2）和 N4（195 kg·hm-2）處理下的籽粒含氮量和蛋白質含量并未達到差異顯著水平，葉片中與氮素代謝相關的指標也并未得到改善。這可能與氮肥含量過高，引起氮素在組織內大量積累，造成植株源器官中碳代謝能力受限，以及籽粒中同化物的合成能力下降有關，這在前人研究中也得到了證實[36]。由相關性分析可知，糜子葉片氮素的代謝相關指標與產量均呈正相關，且葉片NR活性與籽粒的千粒重及產量呈極顯著正相關，說明適當增加氮素營養水平既有利于營養器官干物質的積累和轉運，又有利于源器官葉片中氮素的代謝，提高氨基酸和可溶性蛋白含量，對糜子獲得高產具有重要作用。在以往的研究中，多為氮肥對糜子生理生態[37]、生物學特性[38]的報道，而有關糜子生育后期，不同氮肥處理對糜子干物質積累、轉運及源葉氮素代謝的系統研究較少，因此，本文為旱地糜子高產栽培提供了一定的理論基礎。但試驗并未對氮肥和其他肥料配施進行比較，結果較為單一，針對氮磷鉀肥配施對糜子的生理響應機制，有待進一步研究。

4　結論

增施氮肥顯著增加了糜子不同生育時期的地上部干物質累積量，促進了糜子抽穗后植株干物質在不同器官中的轉運與積累。隨著施氮量的增加，糜子葉片谷氨酰胺合成酶（GS）活性、硝酸還原酶（NR）活性、游離氨基酸以及可溶性蛋白含量均表現出先上升后下降的變化趨勢。同一生育時期，糜子頂3葉葉片氮素代謝強弱表現為旗葉＞倒二葉＞倒三葉，150 kg·hm-2的施氮量使其達到最大值。氮肥處理增加了糜子籽粒的含氮量和蛋白質含量，使糜子產量及其構成因素顯著上升。相關性分析表明，糜子干物質積累特性、葉片氮素代謝與產量及其構成因素均為正相關關系，差異達到顯著或極顯著水平。本試驗條件下，陜北地區糜子生產氮肥適宜施用量為150 kg·hm-2。

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