氮素水平對科爾沁沙地羊草葉片氮代謝及產量的影響

候文慧，張玉霞，杜曉艷，王鑫，鮑青龍，叢百明

(1.內蒙古民族大學，內蒙古 通遼 028041；2.赤峰市草原工作站，內蒙古 赤峰 024000；3.通遼市畜牧獸醫科學研究所，內蒙古 通遼 028000)

羊草(Leymuschiueusis)，又名堿草，為多年生廣域性禾草，隸屬于禾本科(Gramineae)賴草屬(Leymus)[1]。羊草是牛羊均喜食的牧草，營養物質含量豐富，被稱為“牧草中的細糧”[2]，集中分布于歐亞大陸草原東部，而羊草在我國主要分布在東北草原和內蒙古草原，約占全球總量的一半[3]。內蒙古草原屬于歐亞草原的一部分，我國草原的典型特征包括物種組成和群落結構[4]，很容易在東北和內蒙古草原形成大面積的單一優勢植被[5]。羊草適口性好[6]，葉量大，產量高，具有較高的經濟價值。且具有抗旱、抗寒、耐鹽堿等特征[7]，根莖發達，耐牧性強，防風固沙，可減少水土流失，有很大的生態價值。因此，種植羊草，對治理草原“三化”，促進畜牧業發展具有重要的作用[8-10]。

氮代謝與植物的生長和產量構成有關。大量研究表明，谷氨酰胺合成酶和硝酸還原酶是氮素同化的關鍵酶，對蛋白質合成具有重要的影響[11-15]。目前關于氮肥如何通過促進氮代謝，促進生長發育的研究尚少。關于氮還原酶活性與植物氮化合物含量之間的關系，一些研究發現氮含量與植物氮化合物含量呈正相關，而另一些則不顯著[15-17]。谷氨酰胺合成酶是氮代謝中心的多功能酶，是各種氮代謝的調節劑，通過適當增加氮肥用量，可以提高氨同化效率，促進蛋白質合成[18-19]。研究表明，適當供應氮可以改善小麥氮代謝的關鍵酶活性，改善氮在谷物中的分布和運輸，提高谷物產量[20]。

1 材料和方法

1.1 試驗區自然概況

試驗地設在內蒙古自治區通遼市科爾沁區育新鎮(E 122°21′，N 43°57′)和內蒙古民族大學科技園區(E 122°28′，N 43°53′)，地理位置相距10 km，均屬溫帶半干旱大陸性氣候。年均氣溫0～6℃，≥10℃年積溫3 000～3 200℃，無霜期140～150 d，年均降水量350～400 mm，蒸發量是降水量的5倍，年均風速3.0～4.4 m/s。通遼市育新鎮土壤類型為風沙土，pH值8.0，土壤有機質0.65%，堿解氮36.37 mg/kg，速效磷含量3.81 mg/kg，速效鉀含量78.51 mg/kg，全氮含量0.037%。內蒙古民族大學農業試驗站土壤類型為風沙土，耕層土壤為20 cm，pH值為8.3，土壤有機質含量0.64%，全氮含量0.036%，堿解氮含量35.37 mg/kg，速效鉀含量77.51 mg/kg，速效磷含量3.71 mg/kg。

1.2 材料與方法

供試材料為吉農1號羊草品種，其中內蒙古民族大學科技園區為2015年人工建植的羊草草地，育新鎮為2016年人工建植的羊草草地。

試驗區采取隨機區組設計，設置了0(CK)、50、100、150、200 kg/hm2的施氮(N)量，分別用N0、N1、N2、N3、N4表示，氮肥為尿素(氮含量為46%)，同時每個處理均施磷肥(P2O5)200 kg/hm2，鉀肥(K2O)200 kg/hm2，分別用重過磷酸鈣(P2O5含量為44%)和氯化鉀(K2O含量為60%)替代。小區面積為16 m2，4次重復，共20個小區。于2020年4月20日(分蘗期)進行人工追施氮肥，追施氮肥用量為全年用氮量的50%，施肥采用撒施方式，施肥后立即進行灌水。于5月20日在科技園區和育新鎮進行取樣，取羊草葉片測定有關氮代謝關鍵酶活性及相關活性物質的含量，7月10日測定羊草產量。

1.3 測定指標與方法

硝酸還原酶(NR)活性采用活體法測定[21]；谷氨酰氨合成酶(GS)酶活性參考金正勛的方法測定[22]；可溶性蛋白(SP)含量采用考馬斯亮藍G-250比色法測定[21]；游離氨基酸(AA)含量采用水合茚三酮比色法測定[21]；谷氨酸草酰乙酸轉氨酶(GOT)和谷氨酸丙酮酸轉氨酶(GPT)活性參照吳良歡[23]的方法測定。

產量測定：在取樣小區內刈割1 m2羊草，留茬高度5 cm，收割后稱鮮重，鮮草風干后稱干重并計算干鮮比。

1.4 數據分析

試驗數據用Microsoft Excel 2010軟件進行統計和分析，并制作表格，用SPSS 17.0軟件對數據進行單因素方差顯著性分析(P<0.05)，所有數據均采用平均值±標準差(mean±SD)表示。

2 結果與分析

2.1 氮素水平對羊草產量的影響

隨著施氮量的不斷增加，科技園區和育新鎮的羊草鮮草產量、干草產量和干鮮比均隨著施氮量的增加呈先增加后降低趨勢。在N2水平下，科技園區和育新鎮羊草的鮮草產量、干草產量和干鮮比均達最大值，其中科技園區羊草鮮草產量顯著高于N0和N1水平(P<0.05)，而與N3和N4水平差異不顯著(P>0.05)；干草產量和干鮮比均顯著高于其他氮素水平(P<0.05)；育新鎮羊草鮮草產量、干草產量和干鮮比均顯著高于其他氮素水平(P<0.05)(表1)。由此說明，兩個樣地在N2水平下最有利于羊草干物質的積累。

表1 不同N素水平處理下沙地羊草產量

2.2 氮素水平對羊草葉片含氮物質含量的影響

隨著施氮量的不斷增加，羊草葉片的可溶性蛋白含量和游離氨基酸含量均隨著施氮量的增加而呈先增加后降低趨勢。在N2水平下，科技園區和育新鎮羊草的可溶性蛋白含量達到最大值，其中，科技園區羊草葉片的可溶性蛋白含量與N3水平差異不顯著，但顯著高于其他氮素水平(P<0.05)；而育新鎮羊草葉片的可溶性蛋白含量顯著高于其他氮素水平(P<0.05)。在N3水平下，科技園區和育新鎮羊草的游離氨基酸含量達到最大值，并且顯著高于其他氮素水平(P<0.05)(表2)。由此說明，在N2水平下可溶性蛋白含量最高，而游離氨基酸含量在N3水平最高，施氮可以增加含氮物質的含量，提高氮素代謝能力。

表2 不同N素水平處理下沙地羊草葉片含氮物質含量

2.3 氮素水平對羊草葉片氮素代謝酶活性的影響

隨著施氮量的不斷增加，科技園區羊草葉片的GPT活性和GOT活性均隨著施氮量的增加而呈先增加后降低趨勢。在N3水平下，羊草葉片的GPT活性和GOT活性達到最大值，其中羊草葉片的GPT活性顯著高于其他氮素水平(P<0.05)；而羊草葉片的GOT活性顯著高于N0、N1和N4水平，與N2水平差異不顯著。隨著施氮量的不斷增加，科技園區羊草葉片的GS活性和NR活性均隨著施氮量的增加呈先增加后降低趨勢。在N3水平下，羊草葉片的GS活性和NR活性達到最大值，其中羊草葉片的GS活性和NR活性均顯著高于其他氮素水平(P<0.05)。育新鎮羊草葉片的GPT活性和GOT活性均隨著施氮量的增加而呈先增加后降低趨勢。在N3水平下，羊草葉片的GPT活性和GOT活性達到最大值，其中羊草葉片的GPT活性顯著高于其他氮素水平(P<0.05)，而羊草葉片的GOT活性顯著高于N0水平，與N1、N2和N4水平之間差異不顯著。隨著施氮量的不斷增加，育新鎮羊草葉片的GS活性和NR活性均隨著施氮量的增加而呈先增加后降低趨勢。在N3水平下，羊草葉片的GS活性和NR活性達到最大值，其中羊草葉片的GS活性和NR活性均顯著高于其他氮素水平(P<0.05)(表3)。由此說明，在N3水平下，兩樣地羊草葉片中GPT、GOT、GS和NR活性最強，施氮可以顯著增強氮代謝酶活性，進而提升氮素代謝能力。

表3 不同N肥水平處理下沙地羊草葉片關鍵酶活性

2.4 羊草產量與氮代謝酶及含氮物質間相關性分析

科技園區羊草鮮草產量與干草產量和AA含量呈極顯著正相關(P<0.01)，與干鮮比、GPT、GOT和GS活性呈顯著正相關(P<0.05)；干草產量與AA含量呈極顯著正相關(P<0.01)，與干鮮比、GPT、GOT、GS和NR活性呈顯著正相關(P<0.05)；干鮮比與AA含量呈極顯著正相關(P<0.01)，與GPT、GOT、GS和NR活性呈顯著正相關(P<0.05)。羊草葉片GPT與GOT、GS、NR活性及SP含量呈極顯著正相關(P<0.01)，與AA含量呈顯著正相關(P<0.05)；GOT與GS、NR活性及AA含量呈極顯著正相關(P<0.01)；GS與NR活性和AA含量呈極顯著正相關(P<0.01)，與SP含量呈顯著正相關(P<0.05)；NR活性與AA和SP含量呈顯著正相關(P<0.05)。育新鎮羊草鮮草產量與干草產量、干鮮比和AA含量呈極顯著正相關(P<0.01)，與SP含量呈顯著正相關(P<0.05)；干草產量與干鮮比和AA含量呈極顯著正相關(P<0.01)，與NR活性和SP含量呈顯著正相關(P<0.05)；干鮮比與NR活性、SP和AA含量呈顯著正相關(P<0.05)；羊草葉片的GPT與GOT活性呈顯著正相關(P<0.05)，與NR活性和SP含量呈極顯著正相關(P<0.01)；GOT活性與GS、NR和SP含量呈顯著正相關(P<0.05)；GS與NR活性呈顯著正相關(P<0.05)；NR活性與AA含量呈顯著正相關(P<0.05)與SP含量呈極顯著正相關(P<0.01)；AA與SP含量呈顯著正相關(P<0.05)(表4)。由此說明，兩個樣地的羊草產量受氮代謝酶活性及含氮物質含量的影響，且均與產量呈正相關關系，含氮物質含量越高，氮代謝酶活性越強，因此施氮有利于羊草氮素代謝，從而提高產量。

表4 羊草產量和葉片氮代謝相關酶活性及含氮化合物相關性分析

3 討論

硝酸還原酶、谷氨酰胺合成酶、谷氨酸草酰乙酸轉氨酶和谷氨酸丙酮酸轉氨酶是植物體內氮代謝過程的關鍵酶，彼此間具有緊密的協同性[24]。氮代謝在植物的生命活動中有重要的作用，氮代謝水平直接影響植物的生長發育[25]。NR是植物體內氮代謝的關鍵酶，其酶活性的高低和氮同化能力相關；GS是植物氮代謝過程中的多功能酶，參與多種氮代謝調節[26]，其活性的提高有利于氮素代謝能力的增強，進而促進氨基酸的合成和轉化[27]。本研究表明，氮肥能夠顯著增加NR和GS活性，主要由于氮肥能為NR提供充足的催化底物，從而提高NR活性[28]。植物NH+4的同化是通過GS協同配合循環進行的[29]。在氮素同化過程中，GS將NH+4同化形成谷氨酰胺，然后進一步轉化成谷氨酸，形成氨基酸，進而形成不同的蛋白質[30]。

趙吉平等[31]研究表明，施氮量為240 kg/hm2時，小麥旗葉的GS、NR等關鍵酶活性最高，小麥旗葉氮素代謝關鍵酶活性與籽粒產量呈顯著相關；張弦等[32]研究顯示，小麥旗葉的GS、NR等酶活性在240 kg/hm2水平高于180 kg/hm2及350 kg/hm2；郭萍等[33]研究結果表明，施氮顯著提高了玉米葉片GS活性；孔令中等[34]研究結果表明，施氮量為279 kg/hm2，玉米功能葉片GS活性最強；本試驗結果表明，追施氮肥對硝酸還原酶活性具有明顯的促進作用，且隨施氮量的增加硝酸還原酶活性隨之增加。許多研究證實[35]，氮肥的添加顯著提高了GS的活性，提高了對氮肥的利用效率，從而促進了植物對氮的吸收和利用。本試驗研究發現，追施氮肥有效提高了羊草葉片GS活性，施肥量為150 kg/hm2時，GS活性達到最大，而當施肥量超過N3后，對GS活性起到抑制作用，導致活性降低。

谷氨酸需要通過轉氨作用形成植物來源的其他必需氨基酸，然后進行蛋白質合成，谷氨酸丙酮酸轉氨酶(GPT)和谷氨酸草酰乙酸轉氨酶是該代謝過程中的兩個關鍵酶[36]。關于轉氨酶與施氮量的關系研究較少，趙吉平等[33]研究施氮量對小麥氮素代謝關鍵酶活性的影響，結果表明，小麥旗葉的GPT活性隨施氮量增加而先升后降，施氮240 kg/hm2時GPT酶活性最高，小麥旗葉氮素代謝關鍵酶活性與籽粒產量呈顯著相關。本試驗結果發現，氮肥施用能顯著提高GPT、GOT酶活性，GPT和GOT酶活性變化規律一致，其峰值出現在N3(150 kg/hm2)水平。說明適當增施氮肥能有效提高羊草葉片GPT和GOT酶活性，進而促進羊草體內蛋白的合成。

不同的氮含量會影響羊草的質量和產量，主要含氮物質的量會反映植物中的氮代謝。氨基酸是植物氨同化的產物，是蛋白質合成的基本單位，可溶性蛋白是植物儲存氮的能力的重要指標[24]。本研究發現，可溶性蛋白、游離氨基酸含量在一定范圍內隨著施氮量的增加而增加，但超過一定量后會下降，而游離氨基酸在150 kg/hm2氮素水平下含量最高。可溶性蛋白含量隨著施氮量的增加而增加，在N2水平下含量最高，超過100 kg/hm2時，含量不再增加而呈現下降趨勢。

4 結論

適宜施氮量可以提高羊草氮代謝酶活性及含氮物質含量，進而提高羊草干物質產量，在科爾沁沙地建植人工羊草草地建議施氮量為150 kg/hm2。