氮肥對不同氮效率玉米氮代謝酶和氮素利用及產量的影響

李文龍，呂英杰，劉笑鳴，佟 桐，曹鑫波，顧萬榮，魏 湜

(東北農業大學農學院，黑龍江 哈爾濱 150030)

【研究意義】氮高效玉米品種是降低氮肥投入條件下減產幅度較小的高產或超高產品種，是高氮高產與耐低氮的協調統一[1]。玉米作為我國重要的糧食作物，2015年產量已經達到22 463.16萬t，但高產不高效是玉米高產超高產栽培中普遍存在的問題。過量施用氮肥，不僅會降低玉米產量，還會降低氮肥利用效率，造成環境污染[2-4]。因此，探究不同氮肥水平對不同氮效率玉米氮代謝和產量的影響，平衡好氮肥施入和氮肥吸收之間的關系對玉米進一步增產增效意義重大。【前人研究進展】前人對玉米氮效率研究主要集中在氮素的吸收、還原同化、積累和分配等方面[5]。屈佳偉等[6]研究發現，在低氮和適量施氮條件下，低氮高效品種較低氮低效品種表現出較高的根系生物量、根長和較低的根系衰老速率。馬曉君等實驗證明了低氮高效品種較低氮低效品種具有較高的物質生產能力，在低氮水平下具有較高的產量優勢[7]。晁曉樂試驗表明，在低氮水平下，低氮高效型玉米潞玉19保持較高的產量，但隨施氮量的增加，氮肥利用效率降低[8]。而前人研究表明，雙高效型玉米先玉335在低氮和高氮條件下都有較好的產量，是適合廣泛種植的玉米品種。對于低氮高效品種，施氮能促進全生育期的氮素積累；但是對于低氮低效品種，施氮僅僅增加播種至吐絲期的氮積累量[9]。【本研究切入點】目前有關不同氮肥施用量對玉米氮代謝酶的研究報道多集中在硝酸還原酶(NR)、谷氨酰胺合成酶(GS)上，而針對亞硝酸還原酶(NiR)、谷氨酸合成酶(GOGAT)的研究較少，缺乏系統性，且有關氮素利用的報道不多。【擬解決的關鍵問題】本試驗以低氮高效品種鄭單958和低氮低效品種綏玉7號為試驗材料，研究不同施氮水平對玉米氮代謝酶、氮素利用及產量的影響，為黑龍江玉米增產增效提供理論和實驗依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

基于前期預備實驗篩選，選擇鄭單958(低氮高效品種，河南省農業科學院糧食作物研究所提供)，綏玉7號(低氮低效品種，黑龍江墾豐種業有限公司提供)進行大田試驗。

1.2 試驗設計

試驗于2015-2016年在東北農業大學向陽實驗基地進行(東經126°22′～126°50′，北緯45°34′～45°46′)，供試土壤為黑鈣土，前茬作物為馬鈴薯，耕層深度為20 cm。試驗土壤的各養分含量見表1。試驗采用完全隨機區組設計，設2個品種，6個施氮水平(N0：氮用量為0 kg·hm-2；N1:氮用量為100 kg·hm-2；N2：氮用量為140 kg·hm-2；N3：氮用量為180 kg·hm-2；N4：氮用量為220 kg·hm-2；N5:氮用量為260 kg·hm-2)，共18個處理，每個處理3次重復，共54個小區，小區面積48 m2，行長8 m，壟寬0.6 m。各處理磷、鉀肥施用量相同，75 kg·hm-2P2O5、120 kg·hm-2K2O均作基肥一次性施入。氮肥總量的1/3作為基肥，剩余氮肥在拔節期追施。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 氮代謝關鍵酶的測定 分別于玉米的拔節期，抽雄期，吐絲期和灌漿期(拔節期選定倒二葉，其余時期選定穗位葉)，取玉米葉片鮮樣來測定氮代謝關鍵酶活性。硝酸還原酶(NR)采用α-萘胺-磺酸活體法測定活性[10]；亞硝酸還原酶(NiR)用Takahashi等[11]的方法測定活性；谷氨酰胺合成酶(GS)用Lea的方法測定活性[12]。谷氨酸合成酶(GOGAT)采用鄭朝峰等[13]方法測定活性。酶活力用μmol NADH/(gFW·min)為單位。

1.3.2 氮含量的測定 將烘干后的樣品經粉碎機磨成粉末，取0.1 g粉末放入消煮管中，加入少量催化劑(硫酸銅∶硫酸鉀=1∶10)和濃H2SO45 mL于消煮爐中進行消煮，待溶液變成淡綠色透明液體后取出冷卻，用FOSS8400全自動凱氏定氮儀測定植物樣品全氮含量。計算公式如下：

莖稈氮轉運效率(%)=100×(吐絲期莖稈氮含量-成熟期莖稈氮含量)/吐絲期莖稈氮含量

葉片氮轉運效率(%)=100×(吐絲期葉片氮含量-成熟期葉片氮含量)/吐絲期葉片氮含量

莖稈氮轉運對籽粒氮的貢獻率(%)=100×(吐絲期莖稈氮含量-成熟期莖稈氮含量)/成熟期籽粒氮含量

葉片氮轉運對籽粒氮的貢獻率(%)= 100×(吐絲期葉片氮含量-成熟期葉片氮含量)/成熟期籽粒氮含量

1.3.3 產量的測定 于玉米成熟期，每個小區選擇未取樣的兩行進行測產，記錄穗數、穗粒數和粒重等，并計算實際產量。

1.4 數據分析

采用Microsoft Excel 2007和SPSS 19.0統計軟件對上述結果作圖及統計分析。

2 結果與分析

2.1 供氮水平對不同氮效率玉米葉片氮代謝相關酶活性的影響

2.1.1 供氮水平對不同氮效率玉米葉片硝酸還原酶活性的影響 由圖1可知，隨著施氮量的增加，鄭單958硝酸還原酶(NR)活性呈現先增加、后降低的趨勢。在N3水平下達到峰值，與對照相比增加了44.84 %。在拔節期，各處理差異并不顯著，但是隨著生育進程推進，差異越來越明顯。至吐絲期和灌漿期，NR活性表現為N3>N4>N5>N2>N1>N0。隨著施氮量的增加，綏玉7號的NR活性呈現增加的趨勢。N5水平下酶活性最高，與對照相比增加30.81 %。在拔節期，N1～N5差異不顯著。

表1 試驗土壤的各養分量

圖上不同字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)Different lowercase letters mean significant difference at 0.05 level圖1 供氮水平對不同氮效率玉米品種硝酸還原酶的影響Fig.1 Effects of nitrogen supplies on NR of different nitrogen efficiency maize varieties

2.1.2 供氮水平對不同氮效率玉米葉片亞硝酸還原酶活性的影響 由圖2可知，隨著施氮量的增加，鄭單958亞硝酸還原酶(NiR)活性呈現先增加、后降低的趨勢，在N3水平下達到峰值，與對照相比增加了24.39 %。在灌漿期，NiR活性表現為N3>N4>N5>N2>N1>N0。綏玉7號NiR活性隨著施氮量的增加呈現增加的趨勢。N5水平下酶活性最高，與對照相比增加35.50 %。在拔節期和抽雄期，N3～N5差異不顯著。

2.1.3 供氮水平對不同氮效率玉米葉片谷氨酰胺合成酶活性的影響 由圖3可知，隨著施氮量的增加，鄭單958谷氨酰胺合成酶(GS)活性呈現先增加、后降低的趨勢。在N3水平下達到峰值，與對照相比增加26.42 %。在灌漿期，GS活性表現為N3>N4>N5>N2>N1>N0。綏玉7號GS活性隨著施氮量的增加呈現增加的趨勢。N5水平下酶活性最高，與對照相比增加30.93 %。在拔節期，N2～N5差異不顯著。

2.1.4 供氮水平對不同氮效率玉米葉片谷氨酸合成酶活性的影響 由圖4可知，隨著施氮量的增加，鄭單958谷氨酸合成酶(GOGAT)活性呈現先增加、后降低的趨勢。在N3水平下達到峰值，與對照相比增加28.19 %。在灌漿期，GOGAT活性表現為N3>N4>N5>N2>N1>N0。綏玉7號GOGAT活性隨著施氮量的增加呈現增加的趨勢。N5水平下酶活性最高，與對照相比增加29.88 %。在拔節期和灌漿期，N2～N5差異不顯著。

圖2 供氮水平對不同氮效率玉米品種亞硝酸還原酶的影響Fig.2 Effects of nitrogen supplies on NiR of different nitrogen efficiency maize varieties

圖3 供氮水平對不同氮效率玉米品種谷氨酰胺合成酶的影響Fig.3 Effects of nitrogen supplies on GS of different nitrogen efficiency maize varieties

圖4 供氮水平對不同氮效率玉米品種谷氨酸合成酶的影響Fig.4 Effects of nitrogen supplies on GOGAT of different nitrogen efficiency maize varieties

2.2 供氮水平對不同氮效率玉米氮素利用的影響

2.2.1 供氮水平對不同氮效率玉米氮素吸收、轉運的影響 由表2可知，隨著施氮量的增加，鄭單958各個器官的氮含量呈先升高、后降低的趨勢。在N4水平下氮含量最大。與對照相比，成熟期穗氮含量提升了89.61 %。在開花期，N4與其它處理差異顯著。隨著施氮量的增加，綏玉7號開花期葉片和成熟期穗的氮含量呈先升高、后降低的趨勢，在N4水平達到峰值；而開花期與成熟期的莖稈、成熟期葉片氮含量均在N5水平達到峰值。與對照相比，成熟期穗氮含量提升了98.04 %。僅僅與N5水平差異不顯著。

2.2.2 供氮水平對不同氮效率玉米氮轉運效率、氮轉運對籽粒的貢獻率、氮肥生理利用率的影響 由表3可知，施氮能增加鄭單958和綏玉7號的氮轉運效率、氮轉運對籽粒貢獻率和氮肥生理利用率。但是當達到N4時，鄭單958的氮肥生理利用率開始顯著下降，與對照相比，N3、N4分別增加了128.60 %、96.91 %，N5減少了7.87 %。隨著施氮量增加，綏玉7號的氮肥生理利用率也出現先增加后降低的趨勢。與對照相比，N3、N4分別增加了54.03 %、52.37 %。在N5水平，綏玉7號的氮肥生理利用率也開始顯著下降。

2.3 供氮水平對不同氮效率玉米產量構成因素的影響

由表4可知，施肥能增加玉米產量。在N3、N4、N5水平，鄭單958的產量差異不顯著，均在9400 kg·hm-2左右，而N1、N2產量差異顯著。造成差異的原因是穗粒數和粒重的不同。綏玉7號的產量隨施肥量的增加而增加，N3、N4、N5的產量差異顯著。

表2 供氮水平對不同氮效率玉米氮素吸收、轉運的影響

注：同列數據后不同字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。

Note:Different lowercase letters mean significant difference at 0.05 level.

表3供氮水平對不同氮效率玉米氮轉運效率、氮轉運對籽粒貢獻率、氮肥生理利用率的影響

Table 3 Effect of nitrogen supplies on nitrogen transport efficiency, nitrogen contribution to grain and nitrogen fertilizer physiological utilization rate of different nitrogen efficiency maize varieties

品種Variety處理Treatment氮轉運效率(%)NTE氮轉運對籽粒貢獻率NCP氮肥生理利用率(%)葉片Leaf莖稈Stalk葉片Leaf莖稈StalkNPE (kg·kg-1)鄭單958ZD-958N066.36±0.34d46.37±3.21e49.34±4.91d16.92±4.20e15.87±1.08eN170.72±1.38c62.57±2.11d57.08±3.75c32.19±2.99d18.90±1.49dN272.10±2.20bc66.63±3.36c58.88±3.38bc38.33±3.61c35.45±1.41bN373.90±1.11ab69.83±1.64b60.02±0.73abc41.55±1.31b36.28±6.90aN475.89±0.79a72.89±1.08a61.76±3.20a44.67±2.62a31.25±1.44cN575.36±1.04a71.86±1.50a59.20±3.54bc41.47±3.13b13.08±0.78f平均值72.39±0.8865.03±1.3457.71±2.4535.85±2.2127.55±9.53綏玉7號SY-7N053.92±1.42c36.86±7.73e32.06±2.59b12.03±3.85d11.06±2.01dN163.38±2.98b42.07±7.22d37.31±3.75a11.82±3.15d14.66±3.06cN265.97±1.13b54.12±3.62c39.04±1.33a17.96±2.36c16.65±1.66bN369.47±1.95a57.97±1.27b39.54±3.24a18.31±1.13c24.06±1.59aN471.00±0.90a59.38±1.48b42.38±4.05a19.88±0.36b23.66±2.87aN569.90±1.96a67.03±1.99a41.72±2.88a28.90±1.07a11.06±2.01d平均值65.61±1.1152.91±1.5738.67±1.7618.15±1.9718.02±5.70

表4 供氮水平對不同氮效率玉米產量構成的影響

3 討 論

3.1 供氮水平對不同氮效率基因型玉米氮代謝的影響

3.2 不同供氮水平對不同氮效率基因型玉米氮素積累及轉運的影響

養分吸收是干物質形成的基礎，適當施肥能提高玉米干物質積累量。前人研究表明：隨著施氮量的增加，植株氮素總積累量呈單峰曲線變化[18-19]，并且低氮高效品種更能充分吸收利用氮素[20-21]。本研究結果發現，隨著供氮量增加，玉米開花期葉片、莖稈及成熟期穗內的氮含量也增加，說明氮肥能增加葉片、莖稈氮含量。但是當施氮量達到260 kg·hm-2時，氮含量開始下降，這與景立權等的結論不一致[22]。可能與地域和品種不同有關。本研究還表明，在籽粒形成期，鄭單958各個器官的氮含量均高于綏玉7號，氮轉運效率也高于綏玉7號。說明低氮高效品種的氮素積累量比低氮低效品種多，這與李強的研究結果相一致。葉片是氮素再利用的主要來源，隨著施氮量增加，葉片和莖稈氮轉運效率呈現先增高、再下降的規律。施肥量為220 kg·hm-2時，葉片和莖稈氮轉運效率最高。

景立權[22]等研究指出：隨著施氮量增加，玉米葉片中含氮量先增加再減小，峰值出現在施氮450 kg·hm-2時，葉片含氮量最大。而本研究發現，在220 kg·hm-2的施氮水平上，鄭單958的葉片、莖稈氮含量就達到了最大值，與對照相比分別增加了107.67 %、221.25 %；綏玉7號的葉片氮含量也達到了最大值，與對照相比增加了98.45 %。

3.3 供氮水平對不同氮效率基因型玉米產量構成因素的影響

干物質是玉米產量形成的基礎，施氮量對玉米干物質積累、分配和轉運影響顯著，并且氮肥能增加玉米穗數和百粒重[23]。徐建亭實驗表明，低氮高效品種登海605和金海604在施氮和不施氮水平下均能保持高產[24]。李婷[25]和李文娟[26]實驗表明，低氮高效品種鄭單958具有耐貧瘠的特點。本研究表明：適當施氮可以促進玉米增產，但是氮肥達到260 kg·hm-2時，鄭單958產量開始顯著下降。這與前人[27-28]的研究結果類似。有研究表明：低氮高效品種通過葉面積上的優勢，提高光合生產能力，促進了光合產物的積累[29-30]。但是本文研究表明：氮代謝相關酶活性也是高產的重要原因之一。4種氮代謝相關酶活性均為低氮高效品種鄭單958高于低氮低效品種綏玉7號。酶活性越高，氮素同化能力就越強，氮高效玉米憑借這樣的優勢，合成更多的葉綠素和光合相關酶系，從而促進干物質積累，提高產量。

4 結 論

低氮高效品種鄭單958的氮相關酶活性、植株氮含量、氮轉運效率和產量均高于綏玉7號。原因是鄭單958的氮相關酶活性高，可以促進對氮素的吸收、同化，因此其氮含量高于綏玉7號。同時，氮參與葉綠素及相關酶系的合成，這就使鄭單958產量高于綏玉7號。適量增施氮肥能促進玉米產量，低氮高效品種對氮更敏感，利用效率更高，研究為黑龍江省合理選用品種及施肥提供理論及實驗依據。