化肥減量配施腐植酸對玉米碳氮代謝及干物質量的影響

孫海燕，安源，杜丹鳳，池昇隆，郭偉，3

(1. 黑龍江八一農墾大學農學院，黑龍江大慶 163319；2. 黑龍江省現代農業栽培技術與作物種質改良重點實驗室，黑龍江大慶 163319；3. 農業農村部東北平原農業綠色低碳重點實驗室，黑龍江大慶 163319)

碳氮代謝是植物生長發育過程中最基本的兩大代謝過程[1]。 其變化直接影響作物光合產物形成、轉化及蛋白質合成等[2，3]。 碳氮代謝產物含量和關鍵酶活性可作為評價作物碳氮代謝強度的指標[4-6]，二者既相互促進又激烈競爭，對協調源庫關系至關重要。 玉米是世界上最重要的糧食作物之一，種植面積和產量居世界三大谷類作物之首。目前世界正面臨著人口增長和環境保護的雙重挑戰。 施肥過量是肥料利用效率低的最主要原因，同時也造成巨大的資源浪費和環境壓力[7]。 二十世紀，化肥高投入推動農業集約化， 大大提高作物產量，但導致土壤侵蝕、工業污染、水質下降以及生物多樣性下降等嚴重問題。 因此，在集約化前提下如何改良土壤、提高土壤肥力和作物的養分利用效率，成為當前糧食生產面臨的新挑戰。

腐植酸是經物理、化學和生物過程從動植物殘體和微生物中提取的有機化合物[8]，對植物生長有直接促進作用[9]。 腐植酸配合各種無機肥料，能改善土壤質量，提高肥料利用率[10，11]，增加作物產量[12-14]。 前人研究表明，腐植酸通過促進蔗糖合成酶活性、卡爾文循環及氮同化而影響植物碳氮代謝[15-22]。 腐植酸浸種能提高小麥幼苗在NaCl 脅迫下的蔗糖磷酸合成酶活性，促進蔗糖合成與轉化，提高葉片總可溶性糖含量，協調小麥碳氮代謝[23]。

近年來，關于腐植酸的研究多集中在作物生產利用環節[24]，而腐植酸與植物碳氮代謝的關系仍不清楚。 植物碳氮代謝相互促進和抑制，如何保持碳氮代謝平衡是作物生理研究的一個熱點。研究不同施肥條件下植物碳氮代謝產物及相關酶活性，可以在一定程度上反映植物對外界環境的響應和調控能力，從而實現植物穩產高產。 本試驗以鄭單958 為材料，研究化肥減量并配施不同比例腐植酸對玉米碳氮代謝關鍵生理指標及干物質量的影響，旨在明確東北黑土區適宜的玉米肥料調控管理措施，為東北黑土區玉米綠色高效施肥提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗概況

本試驗選用鄭單958 為材料，于2019—2020年在黑龍江省大慶市黑龍江八一農墾大學農學院溫室進行。 供試土壤為草甸黑土。 盆栽試驗采用高25 cm、直徑22 cm 的塑料盆，每盆裝風干土10 kg。 每盆播5 粒種子，出苗后保留3 株，根據土壤干濕程度定量灌溉。 土壤養分含量:有機質18.2 g/kg、堿解氮58.3 mg/kg、有效磷10.1 mg/kg、速效鉀101.2 mg/kg。

1.2 試驗設計

設置3 個處理:CF(常規施用量的尿素和磷酸二銨，硫酸鉀150 kg/hm2)、0.85CF(85%常規施肥量的尿素和磷酸二銨，硫酸鉀50 kg/hm2，腐植酸鉀400 kg/hm2)、0.70CF(70%常規施肥量的尿素和磷酸二銨，腐植酸鉀600 kg/hm2)。 每處理重復4 次，每重復4 盆，隨機區組設計。 施用肥料包含尿素(46% N)、磷酸二銨(18% N、46%P2O5)、硫酸鉀(50% K2O)、腐植酸鉀(0.87% N、0.76% P2O5、12.5% K2O、65% 腐植酸)。 試驗設計詳見表1。

表1 試驗設計(kg/hm2)

1.3 測定項目及方法

1.3.1 取樣 拔節期(elongation stage， ES)和抽雄期(tassel stage， TS)取1 株/盆玉米的第四和第五功能葉混合。 準確稱取20 份(0.500±0.002)g新鮮葉片立即用液氮冷凍，-80℃保存，用于測定碳、氮代謝相關酶活性。 剩余葉片置于105℃烘箱中殺青15 min 后80℃烘至恒重，放入干燥器中保存，用于測定淀粉、還原糖、可溶性糖和可溶性蛋白含量。

1.3.2 玉米地上部干物質量 成熟期隨機選取3株連根拔起，收集植株地上部分烘干至恒重后測定干物質量。

1.3.3 碳氮代謝指標 蔗糖磷酸合成酶(sucrose phosphate synthase， SPS)和蔗糖合成酶(sucrose synthetase， SS)活性采用Huber 等[25]的間苯二酚法測定；轉化酶(invertase， INV)活性和還原糖含量采用3，5-二硝基水楊酸比色法測定；可溶性糖和淀粉含量采用蒽酮比色法測定[26]。

硝酸還原酶(nitrate reductase， NR)活性采用Barro 等[27]的方法測定；亞硝酸還原酶(nitrite reductase， NiR)活性采用Ida 等[28]的方法測定；谷氨酰胺合成酶(glutamine synthelase， GS)和谷氨酸合成酶(glutamate synthase， GOGAT)活性分別采用Lin[29]、Groat[30]等的方法測定；可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍法測定。

1.4 數據處理與分析

利用Microsoft Excel 2010 進行數據處理和作圖，采用SPSS Statistics 25 軟件進行統計分析，圖表中數據為平均值±標準差。 采用單因素方差分析和Duncan’s 多重比較(α ＝0.05)。

2 結果與分析

2.1 化肥減量配施腐植酸對玉米碳代謝的影響

2.1.1 對葉片SPS 活性的影響 SPS 活性影響光合產物在蔗糖和淀粉間的分配。 圖1 顯示，2019和2020 年拔節期，0.85CF 和0.70CF 處理葉片SPS 活性分別較CF 顯著提高84.4%、83.0%和52.0%、26.6%。 2019 年抽雄期，0.70CF 處理葉片SPS 活性最高，較CF 顯著提高101.5%，而0.85CF處理與CF 無顯著差異；2020 年抽雄期，0.85CF和0.70CF 處理葉片SPS 活性分別較CF 顯著提高22.7%和131.3%。 兩年間拔節期葉片SPS 活性總體高于抽雄期。 表明化肥減量配施腐植酸能提高玉米葉片SPS 活性，促進蔗糖合成。

圖1 化肥減量配施腐植酸對葉片SPS 活性的影響

2.1.2 對葉片SS 活性的影響 SS 催化蔗糖的合成和分解，與蔗糖代謝和積累密切相關。 由圖2可知，2019 年拔節期和抽雄期，0.85CF和0.70CF處理葉片SS 活性較CF 分別顯著提高135.7%、68.1%和78.1%、139.8%，且0.85CF 處理和0.70CF處理存在顯著差異；2020 年拔節期和抽雄期，0.85CF處理葉片SS 活性較CF 分別顯著增加17.8%和25.6%，0.70CF 處理葉片SS 活性均顯著低于0.85CF。 表明化肥減量配施適量腐植酸能提高葉片SS 活性，有利于蔗糖代謝。

圖2 化肥減量配施腐植酸對葉片SS 活性的影響

2.1.3 對葉片INV 活性的影響 INV 是碳代謝關鍵酶，在植物生長和糖積累過程中起著重要作用。 由圖3 看出，2019 年拔節期，0.70CF 處理葉片INV 活性較CF 顯著提高23.4%，但0.85CF 與CF 無顯著差異；2020 年拔節期，0.85CF 處理葉片INV 活性較CF 處理顯著提高14.2%，但0.70CF顯著低于CF。 2019 年抽雄期，0.85CF 和0.70CF處理葉片INV 活性分別較CF 顯著提高13.7%和16.7%；2020 年抽雄期，0.85CF 處理葉片INV 活性較CF 顯著提高28.7%，但0.70CF 與CF 間無顯著差異。 表明施用腐植酸有利于葉片同化產物轉化和利用，進而促進玉米生長。

圖3 化肥減量配施腐植酸對葉片INV 活性的影響

2.1.4 對葉片還原糖含量的影響 從圖4 看出，2019 年拔節期，0.85CF 和0.70CF 處理葉片還原糖含量分別較CF 顯著提高12.4%和16.1%，0.85CF和0.70CF 處理間差異不顯著；2020 年拔節期，各處理間葉片還原糖含量無顯著差異。2019 年抽雄期，0.85CF 和0.70CF 處理葉片還原糖含量分別較CF 顯著增加25.8%和29.1%，但二者之間無顯著差異；2020 年抽雄期，0.85CF 處理葉片還原糖含量顯著高于其它處理。 表明腐植酸有利于提高玉米葉片還原糖含量，且葉片還原糖含量隨生育時期延長整體呈逐漸增加趨勢。

圖4 化肥減量配施腐植酸對葉片還原糖含量的影響

2.1.5 對葉片可溶性糖含量的影響 可溶性糖含量是植物碳代謝水平的重要指標。 由圖5 看出，0.85CF 處理葉片可溶性糖含量在不同年份不同生育時期均最高。 拔節期，2019、2020 年0.85 CF 處理葉片可溶性糖含量分別較CF 顯著提高25.4%和54.0%；2019 年抽雄期，0.85CF 處理葉片可溶性糖含量較CF 顯著提高72.8%，而2020 年抽雄期二者差異不顯著，且0.70CF 處理葉片可溶性糖含量顯著低于CF。 化肥減量配施腐植酸條件下，0.85CF 處理不同年份各生育時期葉片可溶性糖含量均顯著高于0.70CF 處理。 表明化肥減量配施適量腐植酸可明顯提高葉片可溶性糖含量，但腐植酸施用量過大，葉片可溶性糖含量降低。

圖5 化肥減量配施腐植酸對葉片可溶性糖含量的影響

2.1.6 對葉片淀粉含量的影響 淀粉是玉米碳同化的重要產物，也是衡量玉米品質的重要指標。圖6 顯示，2019 年拔節期，0.85CF 和0.70CF 處理葉片淀粉含量與CF 差異不顯著；2020 年拔節期，0.85CF 處理葉片淀粉含量顯著高于其它處理。2019 年抽雄期，0.70CF 處理葉片淀粉含量較CF和0.85CF 分別顯著提高61.8%和60.3%；2020 年抽雄期，0.85CF 和0.70CF 處理葉片淀粉含量較CF 分別顯著提高52.9%和144.8%，且0.70CF 顯著高于0.85CF。 表明0.70CF 處理更有利于抽雄期玉米葉片碳代謝過程中淀粉積累。

圖6 化肥減量配施腐植酸對葉片淀粉含量的影響

2.2 化肥減量配施腐植酸對玉米氮代謝的影響

2.2.1 對葉片NR 活性的影響 NR 是硝態氮同化過程中的限速酶，催化硝態氮還原為亞硝態氮，在植物氮代謝中發揮著重要作用。 從圖7 可知，2019 年拔節期，0.85CF 和0.70CF 處理葉片NR活性分別較CF 顯著提高45.0%和14.3%；2020年拔節期，0.85CF 和0.70CF 處理葉片NR 活性較CF 分別顯著提高49.8%和26.5%。 2019 年抽雄期，0.70CF 處理葉片NR 活性最高，顯著高于其它處理；2020 年抽雄期，0.85CF 處理葉片NR 活性顯著高于CF，而0.70CF 與CF 間無顯著差異。 表明配施適量腐植酸能提高葉片硝酸還原酶活性，促進玉米氮同化。

圖7 化肥減量配施腐植酸對葉片NR 活性的影響

2.2.2 對葉片NiR 活性的影響 NiR 是一種催化亞硝酸鹽還原為銨態氮的氧化還原酶，能有效降解細胞內的亞硝酸鹽。 從圖8 可以看出，2019 年拔節期和抽雄期，0.85CF 處理葉片NiR 活性顯著高于0.70CF，但與其它處理差異不顯著。 2020 年拔節期和抽雄期，各處理葉片NiR 活性無顯著差異。

圖8 化肥減量配施腐植酸對葉片NiR 活性的影響

2.2.3 對葉片GS 活性的影響 GS 參與植株內谷氨酸合成和銨態氮同化。 由圖9 看出，2019 年拔節期，0.85CF 處理葉片GS 活性較CF 顯著提高26.7%，但0.70CF 與CF 間無顯著差異；2020 年拔節期，0.85CF 和0.70CF 處理葉片GS 活性分別較CF 顯著提高44.7%和48.3%。 2019 年抽雄期，0.85CF處理葉片GS 活性與CF 間無顯著差異；2020 年抽雄期，0.70CF 處理葉片GS 活性較CF顯著提高10.4%，0.85CF 與CF 間無顯著差異。表明施用適量腐植酸可有效提高玉米拔節期葉片GS 活性，促進玉米氮代謝。

圖9 化肥減量配施腐植酸對葉片GS 活性的影響

2.2.4 對葉片GOGAT 活性的影響 GOGAT 是氨同化過程中谷氨酸途徑的重要酶，在植物氮代謝中發揮重要作用。 從圖10 可以看出，2019 年和2020 年拔節期，0.85CF 和0.70CF 處理葉片GOGAT 活性較CF 分別顯著提高54.3%、55.5%和34.3%、46.1%，但0.85CF 和0.70CF 間無顯著差異；2019 年抽雄期，0.85CF 和0.70CF 處理葉片GOGAT 活性與CF 間無顯著差異，2020 年抽雄期，0.85CF 處理葉片GOGAT 活性較CF 顯著提高27.1%。 表明腐植酸對玉米氮代謝中谷氨酸合成具有一定的促進作用。

圖10 化肥減量配施腐植酸對葉片GOGAT 活性的影響

2.2.5 對葉片可溶性蛋白含量的影響 由圖11可以看出，2019 年拔節期，0.85CF 處理葉片可溶性蛋白含量較CF 顯著提高15.8%；2020 年拔節期，0.85CF 和0.70CF 處理葉片可溶性蛋白含量分別較CF 顯著增加18.5%和52.5%。 2019 年抽雄期，0.85CF 和0.70CF 處理葉片可溶性蛋白含量較CF 分別顯著增加24.2%和26.9%；2020 年抽雄期，0.85CF 處理葉片可溶性蛋白含量較CF顯著提高15.0%。 表明施用腐植酸能一定程度上提高葉片可溶性蛋白含量，增加玉米氮代謝能力。

圖11 化肥減量配施腐植酸對葉片可溶性蛋白含量的影響

2.3 化肥減量配施腐植酸對玉米干物質量的影響

由圖12 可知，2019 年0.85CF、0.70CF 處理玉米地上部生物量較CF 分別顯著增加112.3%和88.8%；2020 年0.85CF、0.70CF 處理地上生物量較CF 分別顯著增加106.2%和120.8%。

圖12 化肥減量配施腐植酸對玉米地上部干物質量的影響

3 討論

3.1 化肥減量配施腐植酸對玉米碳代謝的影響

葉片光合產物主要以蔗糖形式存在并向籽粒等部位運輸，蔗糖是植物進行光合碳同化過程的一個重要產物，而SPS、SS 和INV 三者共同協調蔗糖的合成與降解。 其中SPS 是植物葉片中催化合成蔗糖的關鍵酶，SS 存在于細胞質中，具有雙功能酶特性，既可以合成蔗糖也能水解蔗糖，故SPS 和SS 與碳同化關系密切。 前人研究表明，生物肥代替一定比例化肥能夠促進蔗糖在水稻體內的合成和轉運，促進水稻碳代謝[31]。 本研究結果表明，施用腐植酸處理提高了玉米葉片SPS 活性，0.85CF 處理效果更好，0.70CF 處理對SS 活性的提高效果更明顯，這與宋小林等[31]的研究結論基本一致。

碳水化合物的代謝產物及其相關酶活性變化與作物產質量形成緊密相關。 INV 可以將糖代謝的主要產物蔗糖水解為葡萄糖和果糖，對糖分轉運、貯藏和分配起重要作用[32]。 本研究結果表明，0.85CF 處理葉片INV 活性提高，對玉米葉片碳代謝的促進效果更明顯，葉片還原糖和可溶性糖含量明顯增加，這與楊聲澉[33]、段春華[34]等的研究結果一致。

籽粒中90%左右的物質成分來自碳同化產物，成熟籽粒中的碳同化產物主要是淀粉，淀粉的生物合成是產量的決定因素。 玉米葉片中可溶性糖含量增加可以使籽粒產量顯著增長[35，36]。 蔗糖是同化物運輸和卸載的主要形式和淀粉合成的底物[37]。 腐植酸可以提高植株蔗糖和可溶性糖含量[38]。 本研究中腐植酸的施用一定程度上增加了葉片可溶性糖、還原糖和淀粉等主要碳代謝產物，這與趙海宏[38]的研究結果一致。 本研究中，2020 年淀粉含量較2019 年整體呈顯著增加趨勢，原因可能是兩年間的環境條件和盆栽位置不同，接下來將對其進行進一步研究。

3.2 化肥減量配施腐植酸對玉米氮代謝的影響

NR 和NiR 是植物體內硝態氮還原的關鍵酶，其活性高低可以調控整個硝態氮同化過程[39]。 GS 和GOGAT 是氨同化過程的關鍵酶，它們共同影響植株可溶性蛋白含量。 本研究結果表明，化肥減量15%配施腐植酸處理(0.85CF)顯著提高玉米葉片NR 活性，對葉片NiR 活性影響沒有達到顯著水平，但與常規施用化肥相比仍有所提高。 配施腐植酸對葉片NiR 活性影響不顯著的主要原因可能是，隨著葉片NR 活性升高，硝態氮生成量過多抑制NiR 活性。

GS、GOGAT 是將無機態氮轉化為植物生長所需有機態氮的關鍵酶，形成氮代謝中的GSGOGAT 循環。 本研究中0.85CF 處理葉片GS、GOGAT 活性較CF 處理整體上明顯提高，但0.70 CF 處理GS、GOGAT 活性整體上有不同程度下降。 表明適當減少化肥配施腐植酸，葉片氮代謝水平提高。

可溶性蛋白是玉米氮代謝的重要產物之一。本研究結果表明，拔節期和抽雄期，不同腐植酸配施量處理葉片可溶性蛋白含量差異較大。 0.85CF處理葉片可溶性蛋白含量顯著增加，并隨生育進程推進而升高，這一結論與鄒曉霞等[40]對花生的研究結果一致。 王瑤[41]研究表明，生物肥替代部分化肥降低辣椒可溶性蛋白含量，這可能是因為生物肥的增施量不同或試驗所選用的作物種類或分析器官不同所致。 本研究中，適宜的化肥腐植酸配施可有效提高玉米葉片可溶性蛋白含量及NR、GS、GOGAT 酶活性等氮代謝生理參數。

3.3 化肥減量配施腐植酸對玉米地上部干物質量的影響

地上部干物質量是評價作物生長發育情況的重要指標，它不僅與產量相關，也與養分吸收積累量有著密切關系[42]。 化肥減量能顯著提高作物養分利用效率[43，44]。 古今等[45]的研究結果表明，與單施化肥相比，生物肥與無機肥配施不僅提高燈盞花出苗率、葉片數、鮮重、干重等，也能提高植株養分吸收量。 本研究發現，化肥減量配施腐植酸對玉米植株地上部干物質積累有顯著影響。 故通過化肥減量配施腐植酸的施肥模式，可達到增加干物質量的目的，對玉米穩產增產及綠色農業發展具有重要意義。 本研究是盆栽試驗，環境條件有一定局限性，有待開展田間試驗對上述研究結論作進一步驗證。

4 結論

綜上，化肥減量配施腐植酸提高玉米葉片光合碳同化能力，0.85CF 處理通過提高葉片蔗糖磷酸合成酶(SPS)、轉化酶(INV)、蔗糖合成酶(SS)等糖代謝酶活性，顯著增加葉片可溶性糖、還原糖和淀粉含量；化肥減量配施腐植酸處理通過提高葉片硝酸還原酶(NR)、谷氨酰胺合成酶(GS)和谷氨酸合成酶(GOGAT)等氮代謝限速酶活性，同步加強玉米氮素同化及轉化過程，增加葉片可溶性蛋白含量。 0.85CF 和0.70CF 處理均顯著增加玉米植株地上部干物質量。 本試驗條件下，常規化肥減量15%配施400 kg/hm2腐植酸(0.85CF)對提高玉米碳氮代謝相關酶活性和碳氮代謝產物含量效果更優，可作為東北地區玉米綠色高效栽培推薦肥料用量。 該結果可為東北地區化肥減量配施腐植酸施肥模式提供理論依據。