噴施γ-聚谷氨酸提高夏玉米產量和養分吸收的機制

張靜靜，白由路，楊俐蘋，盧艷麗，王 磊，李 格，張銀杰

（中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所/農業部植物營養與施肥重點開放實驗室，北京 100081）

施肥是提高作物產量的有效措施。但是，隨著化肥用量的增加，化肥的負面作用日益顯現，如何在減少化肥用量的同時，保證糧食安全和環境安全成為社會關注的重點[1-3]。通過使用肥料增效劑來提高化肥利用率、增加作物產量、保證環境安全越來越受到人們的重視[4-6]。γ-聚谷氨酸 (γ-poly glutamic acid，γ-PGA) 是一種經微生物發酵，由L-谷氨酸或D-谷氨酸單體經α-氨基和γ-羧基縮合形成酰胺鍵連接而成的高分子陰離子聚合物[7]。γ-PGA 聚合鏈上含有大量游離的羧基、酰胺鍵等，這一獨特的結構，使其具有強吸水性、保水性、良好的生物降解性、較強的吸附性等優良性能，在日化、輕工業、醫藥、食品、農業等眾多領域被廣泛應用[8-11]。近年來，γ-PGA 在農業上的應用研究也越來越多，主要作為農藥緩釋劑、抗旱保水劑、陽離子螯合劑、肥料增效劑等[12-14]。有研究認為γ-PGA 具有節肥、增產和提高品質等功效[15]。施用γ-PGA 能有效增加水稻土中無定形氧化鐵和絡合態鐵含量，顯著活化鐵氧化物，有利于提高土壤中有效鐵含量[16]。褚群等[17]研究表明，γ-PGA 添加到基質能增強其速效養分供應能力，促進番茄莖葉生長。黃巧義等[18]研究發現一次性淋施γ-PGA 能提高菜心的根系活力，促進菜心對養分尤其是中微量元素的吸收。也有研究證明尿素添加γ-PGA 提高油菜地上部鮮重，籽粒增產6.46%～11.0%[19]。此外，γ-PGA 浸種能促進煙草、綠豆等種子萌發，增加幼苗的株高、根長等[20-21]。γ-PGA 應用于蔬菜等作物的增產增效多有報道[22-25]，且多為土施或水培，對其在糧食作物特別是玉米上噴施效果及其作用機理的研究鮮有報道。此外，γ-PGA 可被微生物降解為谷氨酸供作物利用，故不能明確γ-PGA 增產增效的機理究竟是γ-PGA 大分子還是其分解產物谷氨酸在起主要作用。玉米是我國第一大糧食作物，播種面積穩居首位，每年玉米生產化肥的用量在化肥總消費量中占有相當大的比例[26]。本研究在常規施氮和減量30%施氮兩種水平下，采用大田小區試驗通過噴施γ-PGA 或谷氨酸，明確γ-PGA 在夏玉米上的應用效果，并探討了γ-PGA 的作用機理，為γ-PGA 的科學使用提供理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況

本研究于2017 年和2018 年6 月至10 月在河北省廊坊市萬莊鎮中國農業科學院國際農新技術產業園區 (116°35′19.51?E，39°35′51.75?N) 進行。該區屬于黃淮海平原北部，土壤類型為潮土，質地偏砂，0—20 cm 土壤pH 為8.20、有機質含量5.93 g/kg、堿解氮70 mg/kg、有效磷25 mg/kg、速效鉀100 mg/kg。

1.2 供試玉米品種及肥料

供試玉米品種為鄭單958。供試氮肥為尿素 (N 46%)，磷肥為磷酸二銨 (N 18%、P2O546%)，鉀肥為硫酸鉀 (K2O 51%)。供試γ-聚谷氨酸劑型為液體，主要成分為γ-PGA (≥ 10 g/L)，由河南遠東生物有限公司提供；谷氨酸為L 型谷氨酸，由國藥集團化學試劑有限公司提供。

1.3 試驗設計

試驗采用隨機區組設計，其中氮肥用量為2 個水平，即常規施氮 (180 kg/hm2)、減氮30% (126 kg/hm2)；設兩種增效劑，即γ-PGA 和谷氨酸 (Glu)。每種類型設3 個噴施劑量:清水對照、低量37.5 g/hm2、高量150 g/hm2，共10 個處理，同一氮水平下γ-PGA 和Glu 共用一個清水對照。10 個小區完全隨機排列，重復3 次。

大田試驗常規施肥量按中國農業科學院國家測土施肥中心實驗室的推薦施肥量，N 180 kg/hm2、P2O590 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2。施肥方式為溝施覆土，磷鉀肥于玉米苗期一次性溝施，40%氮肥苗期溝施，60% 氮肥于大喇叭口期追施。小區面積32 m2，每區6 行，玉米行距60 cm，株距25 cm。γ-PGA 和谷氨酸溶液于玉米六葉期 (2017 年7 月13 日和2018 年7 月12 日) 噴施。其它田間管理措施與當地農民習慣一致。

1.4 測試項目及方法

分別于拔節期、大喇叭口期、開花吐絲期、灌漿前期、成熟期采集植株樣品，每次隨機取3 株，成熟期將莖葉和籽粒分開，105℃殺青30 min 后75℃烘干至恒重，稱重后計算地上部干物質積累量；植株氮磷鉀含量采用H2SO4-H2O2消煮，連續流動分析儀比色法測定氮磷含量，原子吸收分光光度法測定鉀含量[27]。

成熟期實收產量，并進行考種。記錄穗行數、行粒數、穗粒數、百粒重等性狀。

1.5 指標計算與統計方法

氮 (磷、鉀) 養分積累量 (kg/hm2) = 植株干物質積累量 × 氮 (磷、鉀) 養分含量。

采用Microsoft Excel 2013 軟件對試驗數據進行處理，采用SAS 9.2 統計軟件進行四因素統計分析。

2 結果與分析

2.1 γ-PGA 對夏玉米產量及構成因素的影響

由表1 中方差分析可知，夏玉米產量和穗粒數在不同年份間、不同增效劑及不同劑量間均達到顯著差異 (P ＜ 0.05)。不同增效劑間比較，噴施γ-PGA 玉米產量顯著高于噴施谷氨酸，且同一增效劑下不同劑量的夏玉米產量各異 (表2)。噴施γ-PGA低量和高量處理均顯著高于清水對照，分別增產2.89%、3.25%，而兩個劑量間差異不顯著；而噴施谷氨酸的處理較清水對照增產均不顯著，且顯著低于高量γ-PGA 處理。通過對產量構成因素的分析可知，當噴施γ-PGA 時，穗粒數較清水對照均顯著提高，而百粒重則在低量處理下顯著增加，高量處理下增加不顯著。可見，噴施γ-PGA 主要通過有效提高夏玉米穗粒數實現增產，且高劑量處理效果顯著高于噴施谷氨酸處理，而噴施谷氨酸則沒有明顯增產效果。

在不同氮肥水平下，不同劑量的增效劑對玉米產量的影響表現不一 (表3)。在常規施氮水平下，噴施高量γ-PGA 具有顯著的增產作用，增幅達3.42%，其穗粒數也顯著提高，而在減氮30%水平下，噴施低量和高量γ-PGA 均顯著增產，增幅分別達4.71%、3.07%，兩劑量下穗粒數均有顯著提高，而百粒重則在低量下有顯著增加。兩種氮肥水平下，噴施谷氨酸均沒有明顯的增產作用。可見，常規施氮量下噴施高量γ-PGA 通過提高穗粒數來提高產量，增產效果更好；減氮30%水平下噴施兩種劑量均通過提高穗粒數實現增產，但低量處理還有效增加百粒重，增產幅度更大；且與常規施氮水平相比，減氮30%水平下γ-PGA 的增產效應更好。通過不同處理產量的比較可以看出，減氮30% 條件下噴施γ-PGA 處理 ＞ 常規施氮清水對照 ＞ 減氮30%清水對照，說明減氮30% 水平下噴施γ-PGA 可以達到減肥增效的目的。

表 1 試驗年份、氮肥水平、增效劑和劑量四因素試驗的方差分析 (F 值)Table 1 Variance analysis of four factors including year, N rate, synergist and dosage (F value)

表 2 增效劑不同劑量處理玉米的產量及構成因素Table 2 Yield and yield components of maize with different doses of synergists

在不同年份間，由于氣候條件的差異，2018 年玉米產量普遍減產[28-29]，本試驗2018 年夏玉米減產近20% (表3)，自然形成了高低兩個玉米產量水平。由表3 可知，在高產條件下 (2017)，噴施γ-PGA 處理產量均有提高，其中高量處理與清水對照達顯著差異，增產2.54%；通過不同劑量處理的產量構成分析表明，穗粒數和百粒重的增加均未達到顯著水平，但穗粒數隨噴施劑量的加大有增加趨勢。而噴施谷氨酸處理沒有顯著的增產效果。當玉米產量較低時 (2018 年)，噴施低量和高量γ-PGA 處理均顯著增產，增幅分別達4.37%、4.14%；通過不同劑量處理的產量構成因素分析，兩種劑量下穗粒數均顯著提高，且百粒重在低劑量下顯著增加，高劑量下增加不顯著，而兩劑量間比較，產量及構成因素均未達顯著差異。值得注意的是，在低產條件下 (2018)，噴施低量谷氨酸有顯著的增產作用，增幅達3.40%，且其穗粒數可顯著提高。可見與高產條件下相比，在低產條件下噴施不同劑量的γ-PGA 均有增產作用，且增效作用更大，且在低產下，低量谷氨酸也有一定的增產作用，但小于γ-PGA 的效果。

表 3 在不同氮水平下和不同年份下不同增效劑和劑量處理的玉米產量和構成因素Table 3 Yield and yield components of maize with different doses of synergists under different N rates and in different years

2.2 γ-PGA 對夏玉米干物質積累量的影響

玉米干物質積累總量和各生育階段干物質積累方差分析結果表明 (表1)，γ-PGA 和谷氨酸處理間夏玉米干物質積累總量存在極顯著的差異 (P ＜ 0.01)，而不同年份間及不同施氮水平間也存在顯著差異 (P ＜0.05)。值得注意的是，雖然不同劑量間差異不顯著，但不同增效劑及用量的互作存在極顯著的差異(P ＜ 0.01)，表明不同增效劑及不同用量下對作物產量的影響存在明顯的差異。

表4 結果表明，不同增效劑間，噴施γ-PGA 處理干物質積累總量顯著高于谷氨酸處理。不同增效劑下的不同劑量間也存在差異，噴施低量和高量γ-PGA 處理的成熟期干物質積累量均顯著高于清水對照，增幅分別為6.47%、4.57%，兩劑量間無顯著差異。分析各生育階段的干物質積累可知，噴施γ-PGA 后，拔節期時夏玉米干物質積累量與清水對照間出現顯著差異，隨著生育進程的推進，噴施γ-PGA 兩個劑量均顯著提高大喇叭口期至開花吐絲期的干物質積累，且高量處理還顯著提高開花吐絲期至灌漿前期的干物質積累，低量處理也可提高花后的干物質積累，但未達顯著水平。而谷氨酸處理干物質積累總量略低于對照。可見噴施γ-PGA 能明顯提高夏玉米干物質積累總量，其中低量處理主要促進大喇叭口期至開花吐絲期的干物質積累，高劑量處理主要促進大喇叭口期至灌漿前期的干物質積累，效果好于谷氨酸。

表5 結果表明，常規施氮水平下，噴施γ-PGA低量處理較清水對照干物質積累總量顯著提高5.08%，而高量處理提高不明顯，但兩劑量間無顯著差異。分析各階段積累量可知，噴施γ-PGA 后，拔節期時夏玉米干物質積累量與清水對照間出現顯著差異，低量處理的干物質積累在進入大喇叭口期后，在各個生育階段內較對照均有增加，且在大喇叭口期至開花吐絲期階段內達顯著水平；高量處理則在開花吐絲期至灌漿前期有顯著增加，在大喇叭口期至開花吐絲期也有增加，但未達顯著水平。減氮30%水平下，噴施低量和高量γ-PGA 處理的干物質積累總量均顯著高于清水對照，增幅分別為7.93%、6.48%。分析各生育階段干物質積累可知，與清水對照相比，γ-PGA 低量處理的積累在拔節期 (Ⅰ) 時與清水對照間出現顯著差異，至開花吐絲期前以及灌漿后均有提高，且在大喇叭口期至開花吐絲期均達顯著性差異，而高劑量處理在拔節期至灌漿前期之間的各個階段內均有增加，且在拔節期至大喇叭口期、大喇叭口期至開花吐絲期達顯著性差異。兩種施氮水平下，谷氨酸處理干物質積累總量均略低于清水對照。兩種施氮水平下，噴施γ-PGA 處理均可提高夏玉米干物質積累總量，但均以低量噴施處理效果更好，且主要促進大喇叭口期至開花吐絲期夏玉米干物質積累，也可增加灌漿階段的干物質積累，效果明顯好于谷氨酸處理，且在減氮30%水平下增幅大于常規施氮水平。由此可見，在氮脅迫條件下，噴施γ-PGA對作物干物質積累量的影響大于非氮脅迫處理。

表 4 不同增效劑各劑量下玉米干物質積累量 (kg/hm2)Table 4 The dry matter accumulation of maize with different doses of synergists

表5 表明，在2017 年，噴施γ-PGA 處理干物質積累總量較清水對照顯著提高5.38%～7.61%，且高劑量 ＞ 低劑量，兩劑量間差異不顯著，而在2018年，低量噴施γ-PGA 處理顯著提高7.55%，高量處理增加不明顯；由各階段干物質積累可知，兩年試驗，噴施γ-PGA 后，拔節期兩劑量處理干物質積累量均與對照出現顯著差異，隨著生育期推進，低劑量處理在大喇叭口期至開花吐絲期階段內干物質有顯著增加，而高量處理在年際間表現不一，2017年在進入灌漿期前均有增加，且在開花吐絲期至灌漿前期顯著增加，而2018 年在開花吐絲前雖有增加但不顯著。而兩年試驗，噴施谷氨酸處理干物質積累總量均表現為略高于或略低于對照。可見，低量噴施γ-PGA 均可明顯提高干物質積累總量，且主要促進大喇叭口期至開花吐絲期的積累；而高劑量處理僅在2017 年明顯提高干物質積累總量，主要促進夏玉米開花吐絲期至灌漿前期的干物質積累。

2.3 γ-PGA 對夏玉米養分積累量的影響

夏玉米氮磷鉀養分積累總量的方差分析結果表明 (表1)，不同增效劑、劑量及二者之間的交互作用均對氮磷鉀積累總量有極顯著影響 (P ＜ 0.01)。不同增效劑間表現為噴施γ-PGA 顯著高于谷氨酸處理，增幅分別達6.37%、11.56%、5.23%，且不同劑量在不同增效劑下表現各異 (表6)。噴施γ-PGA 處理的氮磷鉀積累總量均顯著高于清水對照，增幅分別達4.32%～7.68%、5.50%～11.38%、3.92%～5.69%，且低量處理顯著高于高量處理；谷氨酸處理均略低于清水對照，但與對照差異不顯著，而均顯著低于γ-PGA 處理。可知，噴施γ-PGA 能明顯提高夏玉米的氮磷鉀養分積累總量，且效果好于谷氨酸。

常規施氮水平下氮磷鉀積累量顯著高于減氮30%水平 (P ＜ 0.01) (表7)。不同施氮水平下，增效劑和劑量的氮磷鉀積累量變化趨勢基本一致 (表7)。常規施氮水平下，噴施γ-PGA 處理的氮磷鉀積累總量較清水對照分別顯著增加5.20%～6.97%、7.29%～10.85%、3.48%～5.27%，劑量間差異不顯著。減氮30%水平下，低量噴施γ-PGA 處理氮磷鉀積累總量較清水對照分別顯著增加8.42%、11.93%、6.12%，而高量處理的氮磷積累總量提高不明顯，但鉀積累總量則顯著提高4.36%。兩種施氮水平下，谷氨酸處理養分積累與對照無顯著差異。兩種施氮水平下，噴施低量γ-PGA 處理氮磷鉀養分積累總量增幅更大，促進養分吸收的效果更好。

表 5 在不同氮水平下和不同年份下不同增效劑和劑量處理的玉米干物質積累量 (kg/hm2)Table 5 The dry matter accumulation of each synergist with different doses in different N rates and years

夏玉米氮磷鉀積累總量在年際間存在極顯著差異 (P ＜ 0.01) (表1)。與2017 年相比，2018 年磷鉀積累量提高，增幅分別達4.11%、27.34%，氮素積累量下降5.40%，且不同增效劑和劑量在年際間表現不一 (表7)。在2017 年，噴施低量和高量γ-PGA 的氮磷鉀積累總量較清水對照分別顯著提高4.10%～6.11%、7.69%～8.30%、4.98%～5.75%，兩劑量間無顯著差異。2018 年，噴施低量γ-PGA 處理的氮磷鉀積累總量較對照分別顯著提高12.17%、14.28%、6.25%，高劑量處理下略高于對照，但未達顯著性差異。兩年試驗下谷氨酸處理的氮磷鉀積累總量均與對照無顯著差異。

表 6 不同劑量增效劑的氮、磷、鉀養分積累總量Table 6 Total accumulation of N, P and K in maize plants with different doses of synergists

3 討論

3.1 γ-聚谷氨酸對作物的增產增效作用

前人研究表明，γ-聚谷氨酸作為新一代肥料增效劑使肥料利用率平均提高7%～12%，并使作物增產10%～25%[14-15]，且在節肥20%的情況下，水稻產量未受到影響[30]。本文研究從兩年大田試驗整體平均效應來看，噴施γ-PGA 有效提高夏玉米穗粒數而提高產量，顯著增產2.89%～3.25%；常規施氮水平下，高量處理顯著增產3.42%，減氮30%水平下低量和高量處理分別顯著增產4.71%、3.07%，且減氮低量處理 ＞ 常規施氮 ＞ 減氮30%對照，這說明減氮30%水平下噴施低量γ-PGA 不僅可以緩解氮肥減施的減效作用還達到減肥增效的目的。這與劉端義等[30]、Xu 等[14]認為噴施γ-PGA 能達到減肥不減效的研究結果相一致。本研究發現在高產年份 (2017) 下，高量處理顯著增產2.54%；低產年份 (2018) 下，低量和高量均顯著增產分別達4.37%、4.14%。2018 年由于氣候原因[28-29]，造成作物減產，可視為低產環境，而本研究中減氮30%的養分條件可視為低養分環境，這兩種非正常環境條件一定程度上給作物生長造成脅迫，本研究發現在這兩種非正常環境條件下，噴施γ-PGA 增產效果更好，兩種噴施劑量均有明顯的增產作用，且表現為低量噴施效果更好。而在正常環境條件下 (2017 年和常規施氮水平下) 均表現為高量噴施增產效果更好，低量噴施無明顯效果。Xu等[14]、尹成紅等[31]試驗也表明在低養分條件下施用γ-PGA 效果更好。這表明在非生物脅迫下，γ-PGA 可能發揮更好的增產增效作用，具體的機制還需要進一步研究。

玉米干物質積累是產量形成的物質基礎，從吐絲期到完熟期玉米秸稈干重占總重變化隨著生育進程的推進而逐漸下降，灌漿期開始籽粒干重所占比例不斷增加，增加干物質積累量，尤其是花后干物質生產和積累直接決定著籽粒產量，對實現玉米高產意義重大[32-34]。兩年試驗結果表明噴施γ-PGA 處理較清水對照均顯著提高夏玉米干物質積累總量，平均增幅達4.57%～6.47%；兩劑量處理在大喇叭口期至開花吐絲期階段的積累顯著高于清水對照，而高量處理在開花吐絲期至灌漿前期階段的積累也有顯著增加，這可能是高劑量處理比低劑量處理獲得更高產量的原因；低產年份減氮30%條件下夏玉米干物質積累總量與產量變化趨勢相似，也表現為低劑量作用更好，且好于正常環境條件；在這兩種非正常環境條件下，噴施低量和高量處理均可以明顯促進大喇叭口期至開花吐絲期階段的夏玉米干物質積累，且低量處理還促進灌漿前期至收獲期的干物質積累，這與其增產的效果相吻合，噴施γ-PGA 的增產作用可能與其促進花后干物質積累有關。

作物生物量累積與養分累積有著密切的關系，養分積累是生物量積累的基礎，也是作物產量形成的基礎[35]。黃巧義等[18]的盆栽試驗結果表明，施用γ-PGA 可提高菜心氮磷鉀養分累積量。本文試驗中，噴施γ-PGA 均顯著提高氮磷鉀積累量，變化趨勢與干物質積累量基本一致，高產年份常規施氮條件下，噴施兩個劑量γ-PGA 均能顯著促進養分積累，兩個劑量間無顯著差異，而低產年份減氮30%水平下，低量噴施處理能明顯促進氮磷鉀積累，而高量處理的效果不明顯。

表 7 在不同氮水平下和不同年份下不同增效劑和劑量處理的玉米氮、磷、鉀養分積累量 (kg/hm2)Table 7 The accumulation of N, P and K in maize plants with different doses of synergists under different N rates and in different years

3.2 γ-聚谷氨酸增效機制的探討

γ-聚谷氨酸主要是微生物發酵產物，由于其發酵條件以及菌株等不同，其分子量具有多分散性，從幾千到幾百萬不等[36-37]。有研究認為γ-PGA 吸水率可達到1108.4 倍，對土壤水分的吸收率達30～80 倍，在土壤中有較強的保水性能，可作為良好的抗旱保水劑起到抗旱促苗的作用[38]。也有學者認為γ-PGA可以絡合養分陽離子，提高土壤中微量元素養分的有效性，以供作物吸收利用[23,39-40]。還有研究者認為γ-PGA 在微生物和土壤酶的作用下可完全分解為谷氨酸單體，不僅可以供作物直接吸收利用，還可以供微生物利用，改善土壤微生物結構[14,19]。

前人研究多以γ-PGA 施于土壤中，通過以上機制來促進作物生長，達到增產增效。而本試驗結果表明，γ-PGA 作為制劑噴施于作物葉面，也可以起到增產增效的作用。這說明γ-PGA 對植物生長的調控還可能存在其他途徑。結合γ-PGA 本身特性和本試驗結果推測其作用于作物還可能通過以下兩種途徑:一是γ-PGA 作為生物大分子整體作用于植株，調控或影響其體內的某些功能代謝，發揮作用；二是γ-PGA 被分解成小分子或谷氨酸單體，進入體內參與調控或影響某些代謝。本文進行的兩年大田試驗，發現噴施γ-PGA 對夏玉米生長的增效作用明顯好于谷氨酸 (L 型)，而谷氨酸 (L 型) 無明顯效果。這說明噴施γ-PGA 的增產增效并不是由分解的L-型谷氨酸單體起主要作用。由γ-PGA 分解的谷氨酸單體，還可能有D 型谷氨酸，有研究表明氨基酸在生物體蛋白質中只以L 型存在，植物代謝中不能直接利用D 型氨基酸，甚至產生植物毒害[41-42]。可見，γ-PGA 的增效作用并非是由分解的單體發揮作用，而是其本身起主要作用。且本研究低劑量γ-PGA 在低產年份和低養分條件下表現出與高產年份和常規養分條件下不同的增效作用，同一條件下劑量間γ-PGA的增產作用沒有明顯的差異，這可能是低產年份和低養分下的生長環境中的作物對γ-PGA 及其劑量更為敏感，且組成γ-PGA 大分子結構的D 型谷氨酸和L 型谷氨酸的比例和數量各異，分子鏈長短不一，因此關于γ-PGA 的劑量和分子量結構對其增效作用的影響還需要進一步深入探究。

4 結論

噴施γ-PGA 明顯提高夏玉米干物質積累量，特別是在大喇叭口期至開花吐絲期，提高夏玉米植株的氮、磷、鉀積累量，顯著增加穗粒數，進而提高夏玉米產量，并且在減量30%施氮時，噴施γ-PGA的增效作用優于常規施氮。常規施氮水平下噴施高量γ-PGA 的增產效果更好，而在減氮30%水平下噴施低量γ-PGA 的效果更好，且顯著高于常規施氮對照，能達到減肥增效的目的。而噴施谷氨酸沒有取得明顯效果，從側面證實了γ-PGA 增效作用的機理是γ-PGA 整個分子起主要的作用，并非其分解產物谷氨酸的作用。