聚天門冬氨酸和殼聚糖復配劑對谷子光合生理特性及產量的影響

陳迪蘇 盧 霖 閆 鵬 王 琦 張 薇 許艷麗于愛忠 董志強，

（1甘肅農業大學農學院/省部共建干旱生境作物學國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730070；2中國農業科學院作物科學研究所/農業農村部作物生理生態與栽培重點開放實驗室，北京 100081）

谷子是我國北方重要的雜糧作物，具有抗旱耐瘠、營養豐富、糧飼兼用的特點［1-2］。光合產物是谷子產量形成的物質基礎，氮肥是影響谷子光合產物積累和獲得高產的主要限制因素之一。農戶傳統生產中往往采用一次性基施施入氮肥，營養集中在作物生育前期，無法與作物需肥特性相吻合。與分次施肥相比，一次性施肥會降低作物生育中后期葉綠素含量、凈光合速率，進而降低作物產量［3-4］。農戶傳統生產中還經常出現施氮量不合理的現象，氮素供應過低或過高會引起葉片葉綠素含量、凈光合速率、核酮糖-1，5-二磷酸（ribulose-1，5-bisphosphate，RuBP）和磷酸烯醇式丙酮酸（phosphoenolpyruvate，PEP）羧化酶活性下降［5-6］，不利于作物光合產物積累。針對一次性施肥和氮肥施用不合理的問題，前人研究表明采用不同耕作方式［7］、有機無機肥配施［8］、施用緩控釋肥料［9］等方法能提高作物光合生產能力，進而提高作物產量，但在實際推廣中由于投入成本較高、管理不當易造成污染、依賴配套農機具等問題，存在一定局限性。因此，在全基施背景下尋找一種綠色高效的栽培措施以增強谷子葉片光合能力，提高谷子產量，對實現谷子綠色高產高效輕簡化栽培具有重要的現實意義。

本研究采用的聚天門冬氨酸和殼聚糖復配劑（polyaspartic acid-chitosan，PAC）是由聚天門冬氨酸（polyaspartic acid，PASP）和殼聚糖（chitosan，CTS）復配而成的肥料增效劑。PASP 是主要存在于軟體動物和蝸牛類殼中的一種天然的氨基酸聚合物，具有無毒、無公害、可完全降解的特性，且具有較強的螯合吸附能力，能吸附土壤中的養分離子，提高土層中硝銨態氮含量，有利于養分持續供應，擁有一定增效緩釋的作用［10］。研究表明，PASP 能促進作物氮素吸收，提高氮肥利用率［11］，同時提高葉綠素含量、凈光合速率，增強葉片的光合能力［12-13］。CTS 是一種環境友好可降解的甲殼素衍生物，也是世界上除纖維素外最為常見的聚合物。研究表明，CTS 能緩解鹽脅迫下葉片葉綠素含量、凈光合速率等指標的下降［14-15］，在干旱脅迫下促進水稻幼苗的生長發育，提高其光合性能［16］。聚天門冬氨酸和殼聚糖兩者的配性良好，且都能與肥料配施以起到增效作用，因此將其復配后使用，能充分發揮兩者的優良特性。中國農業科學院作物科學研究所作物化學調控創新研究組前期研究表明，PAC 可以保障谷子土壤氮素供應，提高氮肥利用效率，增強谷子光合生產能力，優化谷子農藝性狀、提高產量［17-19］。但PAC 對不同施氮量下谷子光合羧化酶活性等光合生理指標的影響及其對谷子光合生理特性的調控機理尚不清楚。因此，本試驗在前期研究的基礎上，探究PAC 對不同施氮量下谷子葉片光合生理特性及產量的影響，旨在進一步明確和完善PAC 的增產增效機制，為建立谷子高產高效栽培技術提供理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2021和2022年在中國農業科學院吉林省公主嶺市試驗站（43°29′55″N，124°48′43″E）進行，該區域屬溫帶大陸性季風氣候，溫度、雨量等季節性變化較大。2021 和2022 年谷子生長季日降雨量和日平均溫度見圖1。試驗地土壤為黑鈣土，0～20 cm耕層土壤含有機質26.7 g·kg-1、全氮1.4 g·kg-1、速效氮155.3 mg·kg-1、速效磷34.4 mg·kg-1、速效鉀184.2 mg·kg-1，pH值5.8。

圖1 2021和2022年谷子生長季內日降雨量、日平均溫度Fig.1 Daily precipitation and mean temperature （line） during foxtail millet growing season in 2021 and 2022

1.2 試驗材料與方法

以華優谷9 號（中國農業科學院作物科學研究所選育）為材料，采用裂區試驗設計，主區處理為PAC，PASP 和CTS 添加量分別為肥料用量的3‰和0.45‰，均于播前與基肥混拌一次性施入；副區處理為氮肥梯度，共設置6 個氮肥水平（0.75、112.5、150、225 和337.5 kg·hm-2）。每個處理重復3 次，各處理對應編號如表1 所示。各小區磷、鉀肥施用量均相同，分別為P2O575 kg·hm-2和K2O 75 kg·hm-2，所有肥料均在播種前全基施。谷子留苗密度為50 萬株·hm-2，等行距起壟播種，行距為60 cm。大田試驗在雨養條件下進行，中耕、除草、植保等田間管理措施同當地大田生產。2021 年谷子于5 月14 日播種，9 月18 日收獲；2022 年谷子于5月12日播種，9月12日收獲。

表1 常規氮肥及PAC配施氮肥處理的施氮量Table 1 Nitrogen fertilizer application amounts in CN and PN treatments

1.3 測定項目與方法

1.3.1 葉面積指數 于拔節期（J）、抽穗期（HE）、花期（A）、灌漿中期（花后30 d）（M）和收獲期（H）從每個小區中選擇長勢均勻的5 株植株，采用長寬系數法測定葉面積，葉面積=葉長×葉寬×0.75（展開葉）或葉面積=葉長×葉寬×0.50（未展開葉）［18，20］，并計算葉面積指數。

1.3.2 干物質積累 于拔節期、抽穗期、花期、灌漿中期和收獲期在各試驗小區選擇有代表性的3 株植株，取植株地上部放入烘箱105 ℃殺青30 min，85 ℃烘干至恒重后稱重。

1.3.3 葉綠素含量 分別于谷子拔節期，抽穗期，花后0、10、20、30、40 d 從小區中間選取3 片具有代表性且受光較好的功能葉（倒1 葉）用剪刀剪下，液氮冷凍后保存。參照陳傳曉等［21］用95%的酒精浸提法測定葉綠素含量。

1.3.4 凈光合速率 于花期和灌漿中期晴朗無風的上午，在各小區中選擇具有代表性的植株5 株，使用Li-6400 型便攜式光合系統測定儀（美國Li-Cor 公司）測定其主莖功能葉的凈光合速率。

1.3.5 RuBP羧化酶和PEP羧化酶活性 分別于谷子拔節期，抽穗期，花后0、10、20、30、40 d 從小區中間選取3 片具有代表性且受光較好的功能葉（倒1 葉）用剪刀剪下，液氮冷凍后保存。RuBP 羧化酶活性用植物1，5-二磷酸核酮糖羧化酶ELISA 試劑盒（江蘇酶免實業有限公司）于Infinite F50 酶標儀（瑞士Tecan 公司）測定得出。參照李瑞杰等［22］的方法測定PEP 羧化酶活性，在反應體系中加入PEP溶液，立即測得吸先值在340 nm 波長處1 min 內的變化量，以1 min 內吸光值的變化量來計算酶活力。

1.3.6 產量 于谷子成熟后，在各小區中部選擇3 m2長勢均勻的植株進行收獲測產。待谷穗自然風干后脫粒、稱重，按含水量13%折算公頃產量。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2016 進行試驗數據的整理計算，采用Origin 2021 軟件作圖，采用IBM SPSS Statistics 26 進行統計分析，以Duncan 法及獨立樣本T檢驗（P＜0.05）檢驗平均數間的差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 PAC對谷子葉面積指數的影響

由圖2 可知，谷子葉面積指數隨生育期進程的推進呈先升高后降低趨勢，隨施氮量增加呈升高趨勢，在抽穗期達到最大值。同一施氮量下，與CN 相比，PN處理可提高抽穗期至收獲期谷子葉面積指數。PN 處理后，在N1～N3水平下，抽穗期至收獲期葉面積指數較CN分別顯著提高10.0%～17.8%、10.0%～16.0%和11.7%～23.6%；在N4水平下，抽穗期葉面積指數較CN 顯著提高8.5%；在N5水平下，谷子抽穗期和花期葉面積指數較CN分別顯著提高7.7%和8.2%。

圖2 不同施氮量下CN與PN處理對谷子葉面積指數的影響Fig.2 Effects of CN and PN treatments on leaf area index of foxtail millet under different nitrogen application levels

2.2 PAC對谷子干物質積累量的影響

由圖3 可知，谷子干物質積累量隨生育期進程的推進不斷上升，隨施氮量增加整體呈升高趨勢。同一施氮量下，與CN 相比，PN處理可提高谷子干物質積累量。PN處理后，在N1～N3水平下，拔節期至收獲期干物質積累量較CN 分別顯著提高10.0%～22.1%、8.4%～20.6%和7.6%～18.8%；在N4水平下，拔節期干物質積累量較CN 顯著提高7.2%；在N5水平下，拔節期至花期干物質積累量較CN顯著提高5.6%～7.3%。

圖3 CN和PN處理對不同施氮量下谷子干物質積累量的影響Fig.3 Effects of CN and PN treatments on dry matter accumulation of foxtail millet under different nitrogen application levels

2.3 PAC對谷子葉片葉綠素含量的影響

由圖4 可知，谷子葉片葉綠素a、葉綠素b 和葉綠素a+b 含量隨生育期進程的推進呈先升高后降低趨勢，在花期達到最大值，隨施氮量增加呈先升高后降低趨勢。同一施氮量下，與CN 相比，PN處理可提高谷子葉片葉綠素a、葉綠素b和葉綠素a+b含量。葉綠素a含量在N1～N3水平下，抽穗期至花后40 d表現為PN較CN分別顯著提高10.1%～19.6%、8.4%～29.1%和8.4%～16.0%；在N4水平下，抽穗期、花期和花后20～30 d，PN 較CN 顯著提高5.7%～9.1%；在N5水平下，抽穗期至花后40 d，PN較CN顯著提高8.7%～15.2%。葉綠素b含量在N1、N3和N5水平下，抽穗期至花后40 d表現為PN較CN分別顯著提高12.1%～30.9%、6.0%～24.9% 和4.4%～23.4%；在N2和N4水平下，花后0～40 d，PN較CN分別顯著提高11.9%～40.0%和9.2%～15.6%。葉綠素a+b含量在N1～N3水平下，抽穗期至花后40 d表現為PN較CN分別顯著提高10.8%～21.8%、9.5%～31.3%和9.7%～17.8%；在N4水平下，抽穗期、花期和花后20～30 d，PN較CN顯著提高5.9%～10.5%；在N5水平下，抽穗期至花后40 d，PN較CN顯著提高8.9%～17.0%。

圖4 CN和PN處理對不同施氮量下谷子葉片葉綠素含量的影響Fig.4 Effects of CN and PN treatments on chlorophyll content of foxtail millet leaf under different nitrogen application levels

2.4 PAC對谷子葉片凈光合速率的影響

由表2 可知，隨施氮量增加，CN 和PN 處理谷子葉片凈光合速率在花期和灌漿中期均呈先升高后降低趨勢。同一施氮量下，與CN 相比，PN 處理可提高谷子葉片凈光合速率。花期凈光合速率在N1～N5水平下，PN較CN 分別顯著提高22.84%、22.40%、19.45%、9.44%、11.92%；灌漿中期凈光合速率在N1～N3水平下，PN較CN分別顯著提高17.35%、22.79%、17.29%。

表2 CN和PN處理對不同施氮量下谷子葉片凈光合速率的影響Table 2 Effects of CN and PN treatments on photosynthetic rate of foxtail millet leaf under different nitrogen application levels

2.5 PAC 對谷子葉片RuBP 羧化酶和PEP 羧化酶活性的影響

2.5.1 PAC 對谷子葉片RuBP 羧化酶活性的影響由圖5可知，谷子葉片RuBP 羧化酶活性隨生育期進程的推進和施氮量的增加呈先升高后降低趨勢，在花期達到最大值。同一施氮量下，與CN 相比，PN處理可提高谷子葉片RuBP 羧化酶活性。PN 處理后，在N1水平下，抽穗期至花后40 d 的RuBP 羧化酶活性較CN 顯著提高8.9%～16.1%；在N2水平下，抽穗期至花后10 d及花后30～40 d 的RuBP 羧化酶活性較CN 顯著提高10.4%～13.7%；在N3水平下，抽穗期至花期及花后20～40 d的RuBP羧化酶活性較CN顯著提高8.7%～16.2%；N4和N5水平下，花期RuBP羧化酶活性較CN分別顯著提高10.4%和8.0%。

圖5 CN和PN處理對不同施氮量下谷子葉片RuBP羧化酶活性的影響Fig.5 Effects of CN and PN treatments on RuBPCase activity of foxtail millet leaf under different nitrogen application levels

2.5.2 PAC 對谷子葉片PEP 羧化酶活性的影響 由圖6 可知，谷子葉片PEP 羧化酶活性隨生育期進程的推進和施氮量的增加呈先升高后降低趨勢，在花期達到最大值。同一施氮量下，與CN相比，PN處理可提高谷子葉片PEP 羧化酶活性。PN 處理后，在N1水平下，拔節期及花后0～40 d 的PEP 羧化酶活性較CN 顯著提高11.3%～27.4%；在N2和N3水平下，拔節期至花后40 d的PEP 羧化酶活性較CN 分別顯著提高8.8%～31.0%和11.3%～17.9%；在N4水平下，拔節期及花后10～20 d的PEP 羧化酶活性較CN 顯著提高13.3%～16.8%；N5水平下，拔節期和花后20 d的PEP羧化酶活性較CN分別顯著提高12.3%和10.3%。

圖6 CN和PN處理對不同施氮量下谷子葉片PEP羧化酶活性的影響Fig.6 Effects of CN and PN treatments on PEPCase activity of foxtail millet leaf under different nitrogen application levels

2.6 PAC對谷子產量的影響

2021 和2022 年的試驗結果表明（圖7），隨施氮量增加，谷子產量呈先上升后下降趨勢。同一施氮量下，與CN 相比，PN 處理可提高谷子產量，2021 和2022 年谷子產量增幅分別為10.4%～16.2%和3.6%～23.6%，2021年在N1～N5水平下差異顯著，2022在N1～N3水平下差異顯著。

圖7 不同施氮量下CN與PN處理對谷子產量的影響Fig.7 Effects of CN and PN treatments on yield of foxtail millet under different nitrogen application levels

3 討論

葉片是植物進行光合作用的主要場所，其綠葉葉面積大小影響光合速率的高低，進而影響產量。葉面積指數是反映植物生長、光能利用情況的一項重要指標。研究表明，適當增加施氮量能提高作物葉面積指數與葉片持綠天數，緩解葉片衰老［23］。本研究結果表明，谷子葉面積指數隨生育時期推移呈先升高后降低趨勢，隨施氮量增加呈升高趨勢。同一施氮量下，PAC處理提高了抽穗期到收獲期谷子葉面積指數，以中、低氮水平（75、112.5、150 kg·hm-2）效果更為顯著。葉綠素含量是反映植物葉片光合能力的重要指標。氮素是植物體內葉綠素的重要組成成分，施用氮肥能直接影響葉片葉綠素含量［24］。研究表明，適宜的施氮量可以顯著提高作物葉片葉綠素含量、凈光合速率及葉面積指數等，但繼續增施氮肥后，上述指標則無顯著差異甚至顯著降低［25-26］。本試驗結果表明，隨施氮量增加，谷子功能葉葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b 含量、花期和灌漿中期功能葉凈光合速率呈先升高后降低趨勢。同一施氮量下，PAC 處理顯著提高了谷子功能葉葉綠素a、葉綠素b和葉綠素a+b含量，同時提高了谷子花期和灌漿中期功能葉凈光合速率，以中、低氮水平（75、112.5、150 kg·hm-2）效果更為顯著。究其原因，PAC的組分之一PASP能夠促進植株對氮素的吸收，促進氮素向植株地上部轉移［27］，增加葉片葉綠素含量，以維持較高的葉片持綠性［13］。PAC的組分之二CTS能抑制葉綠素酶的轉錄水平，減緩葉綠素降解［28］。因此，PAC 配施氮肥能提高谷子葉片葉面積指數、葉綠素含量和凈光合速率，增強谷子葉片光合能力。

RuBP羧化酶是決定光合碳同化速率的關鍵酶，其功能為催化RuBP 合成三磷酸甘油酸的反應，其活性高低與光系統Ⅱ（photosystem Ⅱ，PSⅡ）反應中心的光化學效率密切相關［29］；PEP 羧化酶是C4植物CO2固定的關鍵酶，其功能為催化空氣中吸收的CO2與葉綠體中的PEP 合成草酰乙酸的反應［30］。本研究結果表明，隨施氮量增加，谷子功能葉RuBP 羧化酶和PEP 羧化酶活性呈先升高后降低趨勢，與前人研究結果相似［31］，這可能是由于氮素可從翻譯水平影響RuBP 羧化酶和PEP 羧化酶的合成［32］。前人研究表明，葉面噴施聚糠萘水劑（主要成分為PASP）能提高玉米穗位葉RuBP 羧化酶和PEP 羧化酶活性，使葉片光合性能增強［33］；噴施殼聚糖六聚體能顯著提高小麥幼苗光合速率及RuBP 羧化酶活性［34］。本研究結果表明，在同一施氮量下，PAC提高了谷子RuBP羧化酶和PEP羧化酶活性，以中、低氮水平（75、112.5、150 kg·hm-2）下更為顯著，與前人研究結果類似［33-34］，原因可能是PASP 和CTS 協同作用使谷子RuBP 羧化酶和PEP 羧化酶活性進一步提高，且在較低的施氮量水平下，PAC促進植株氮素吸收利用的效果更為顯著［17］。綜上，PAC 可以顯著提高中、低氮水平下谷子RuBP 羧化酶和PEP 羧化酶活性，增強谷子光合碳同化能力，提高谷子的光合速率，有利于谷子光合產物的形成。

干物質積累是作物光合同化能力的體現，較高的干物質積累量是高產的基礎。施氮量的增加可以促進谷子干物質積累量的增加［35］。本研究結果表明，谷子干物質積累量隨時間推移不斷上升，隨氮素用量增加呈升高趨勢。同一施氮量下，PAC 處理顯著提高谷子干物質積累量，是因為PAC 處理后谷子具有較高的葉面積、葉綠素含量及光合羧化酶活性，從而提升了谷子的光合速率，促進了干物質的積累。此外，隨氮素用量增加，2021—2022 年谷子產量呈先升高后降低趨勢，這與前人在谷子上的研究結果類似［36］。對于PAC 配合氮肥全基施影響谷子產量問題的探討上，本課題組前期研究結果已經表明PAC可以保障谷子土壤氮素供應，提高氮肥利用效率，增強谷子光合生產能力，優化谷子農藝性狀，最終提高產量［17-19］。在此基礎上，本研究從谷子光合生理特性的角度出發，明確了PAC配合氮肥全基施能夠提高谷子葉片葉綠素含量、光合羧化酶活性和凈光合速率等指標，增強谷子光合能力，保證光合產物的供應，促進干物質的積累，進而提高谷子產量，進一步明確和完善了PAC 的增產增效機制。因此，PAC 配合氮肥全基施能提高谷子光合生產能力和產量，可作為我國谷子生產中一項重要的增產增效技術措施。

4 結論

本研究結果表明，隨施氮量增加，谷子葉面積指數和干物質積累量呈升高趨勢，功能葉葉綠素含量、凈光合速率、RuBP 羧化酶活性、PEP 羧化酶活性和產量呈先升高后降低趨勢。在同一施氮量下，PAC 處理可以提高谷子葉面積指數、功能葉葉綠素含量、RuBP 羧化酶和PEP 羧化酶活性，同時提高花期和灌漿中期凈光合速率，進而提高谷子干物質積累量和產量，以中、低氮水平（75、112.5、150 kg·hm-2）效果更為顯著。綜上，PAC 配合適量氮肥全基施可增強谷子葉片光合能力，提高谷子產量。