“麦／玉／豆”模式下氮肥运筹对玉米碳氮代谢的影响

邓小燕，王小春，杨文钰，张群

（农业部西南作物生理生态与耕作重点实验室 四川农业大学农学院，四川 温江611130）

旱地三熟“麦／玉／豆”种植模式是近年来在南方丘陵地区发展起来的一种新型种植模式，它有效地提高了复种指数、土地利用率、光能利用率和粮食总产，该模式集禾本科与禾本科、禾本科与豆科套作为一体，有效地实现了土地的用养结合和养分互补［1，2］。不同间套作模式对作物碳氮代谢的影响主要集中在氮素的吸收积累上。雍太文等［3］通过2年根系分隔盆栽试验研究“麦／玉／豆”套作体系对氮素的种间竞争作用及其吸收利用特性，结果表明，“麦／玉／豆”体系中作物间对氮素的竞争与促进作用并存，小麦（Triticumaestivum）、玉米（Zeamays）为套作优势作物，大豆（Glycinemax）处于劣势。并且研究发现：在玉／豆套作体系中，玉米的根系深入距离比大豆更长，甚至能够深入大豆行，充分吸收大豆固氮养分，从而提高自身氮素的积累［4］。张宏等［5］研究认为栽培模式的不同，氮素在各器官的积累、运转差异明显，其机制是不同栽培模式通过调节作物对水分吸收的大小来改善作物对氮素的吸收和累积。张桂国等［6］研究苜蓿（Medicago）＋玉米间作时发现两者在第1年的生产中表现更强的竞争作用，进入生长的第2年，苜蓿固氮作用增强，同时间作玉米会吸收苜蓿所固定的氮素，系统内的互利大于竞争作用，从而获得了间作的产量优势。关于氮肥运筹对作物碳氮代谢的影响，大量研究表明，氮肥运筹对作物产量和氮肥利用率有显著影响，在一定的施肥水平下，谷氨酰胺合成酶、硝酸还原酶活性随施氮量的增加而增强，过量施氮反而影响蔗糖磷酸合成酶及各种酶的活性［7－10］。申丽霞等［11］研究施氮对夏玉米碳氮代谢及穗粒形成的影响时认为，施氮量为180kg纯N／hm2时，显著促进玉米碳氮代谢，施氮量增加至240kg纯N／hm2时，促进作用下降，施氮使碳氮代谢的关键酶硝酸还原酶（NR）、谷氨酰胺合成酶（GS）、蔗糖磷酸合成酶（SPS）活性提高。刘亚亮等［12］研究氮肥不同比例分期施用对超高产玉米叶片保护酶活性的影响时发现，氮肥不同比例分期追施使玉米叶片生育后期保护酶活性增强，产量提高，最佳施肥模式为60%做底肥，拔节肥和吐丝期均追施20%。前人在氮肥对玉米氮素积累、分配的影响，以及氮肥在不同轮作模式：苏丹草（Sorghumsudanense）－黑麦草（Lolium）［13］，玉米－大豆［14］，小麦－玉米［15］中的作用均有一定的研究；但是就“麦／玉／豆”模式下碳氮积累动态和碳氮代谢协调性研究相对较少。因此，本试验以“麦／玉／豆”套作为基础，旨在探明不同施氮时期和不同施氮量相互搭配时，对主要粮食作物玉米碳氮代谢的影响，为提高该模式周年产量、科学施肥和减少农田氮肥污染提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试材料的玉米品种为川单418，由四川农业大学玉米研究所提供，小麦为内麦9号，大豆选用贡选1号，由自贡农科所提供。

试验于2008－2010年2个年度在川中丘区——遂宁市射洪县瞿河乡新华村（30°87′N，105°38′E）进行。试验点气候属于亚热带湿润季风气候区，2009年年平均日照1 307.2h，年平均气温16.7℃，年降水量915mm；2010年年平均日照1 482.9h，年平均气温15.2℃，年降水量993mm，试验田土质为遂宁紫色土，土壤基础肥力状况见表1。

表1 试验前土壤基础肥力状况Table 1 The foundation of soil fertility before the experiment

1.2 试验设计

2008－2010年，2年均采用两因素随机区组试验设计，A为不同施氮量（尿素），A1：90kg纯N／hm2、A2：180 kg纯 N／hm2、A3：270kg纯N／hm2、A4：360kg纯 N／hm2，不施氮CK作为对照；B为按底肥∶拔节肥∶攻苞肥不同时空配比，3个水平，B1：5∶0∶5，B2：3∶2∶5，B3：5∶2∶3。3次重复，设一对照共39个小区，小区带长4 m，每小区种2带，小区面积16m2。密度52 500株／hm2，采用1m／1m田间配置（2m开厢，1m10月底种小麦，小麦收获后，第2年6月初接种大豆，另1m第2年4月初移栽玉米），穴植双株，株距38cm；底肥配施磷肥（过磷酸钙）P2O5102kg／hm2，钾肥（氯化钾）K2O 82.5kg／hm2，氮肥兑清粪水施用。小麦、大豆田间管理控制一致。小麦10月底免耕机直播，1m的种植带内种5行，行距20cm，氮肥施用180kg纯N／hm2采取底肥∶拔节肥＝7∶3的施肥方式，P2O578.75kg／hm2和K2O 135kg／hm2作为底肥一次施用。大豆于小麦收后6月初免耕直播，1m的种植带内种2行，行距33.3cm，穴距33.4cm，穴留3株，种植密度为135 000株／hm2，大豆基肥配施纯N 27.6kg／hm2、P2O576.5kg／hm2、K2O 33kg／hm2、追肥为初花后施纯 N 27.6kg／hm2，其他管理同大田。

1.3 测定项目及方法

在拔节期、开花期、灌浆中期，乳熟期、成熟期，各小区随机采取5株植株叶片和茎鞘105℃杀青60min，80℃恒温烘干后采用蒽酮比色法测总糖含量，即称取100mg样品于试管中，加蒸馏水20～30mL，加2mL冷的9.2 mol／L高氯酸，置沸水浴中提取20min，过滤至100mL容量瓶中定容。取10mL干燥刻度试管1支依次编为0～6号，加入提取液0.5mL和1.5mL蒸馏水，再加蒽酮－醋酸乙酯试剂0.5mL，充分摇匀后，加5mL浓硫酸猛摇试管数次，立即放入沸水浴保温1min，冷却后摇匀，以空白作参比，于630nm波长下比色；半微量凯氏定氮法测氮含量，即称取0.200g样品于消煮管中，采用浓H2O2－浓H2SO4湿灰法恒温380℃消煮2h至消煮成透明或微黄，用凯氏定氮－半微量蒸馏法在全自动定氮仪上测定样品中的含氮量。计算碳氮比（C／N），即总糖含量／全氮含量。

在开花期、开花后10d、开花后20d，开花后30d，开花后40d，各小区随机采取5株植株穗位叶，用液氮速冻后保存用于测硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶和蔗糖磷酸合成酶的活性［16，17］。硝酸还原酶的测定称取1.000g叶片，于预冷的研钵中，加4mL缓冲液研磨成匀浆，转入离心管中，在4℃4 000r／min下离心15min得粗酶提取液，取粗酶液0.4mL于试管中，加入1.4mL 0.1mol／L KNO3溶液和0.2mL NADH 溶液，混匀。在25℃水浴中保温30min，对照不加NADH溶液，保温结束后立即加入1mL磺胺溶液终止酶反应，再加1mL萘基乙烯胺溶液，显色15min后于4 000r／min下离心15min，取上清液在540nm下比色测定。根据标准曲线计算出反应液中所产生的亚硝态氮总量。谷氨酰胺合成酶的测定，称取1.000g植物材料加5mL提取缓冲液，冰浴上研磨匀浆，4℃下4 000r／min离心20min。取1.4mL粗酶液加入3.2mL反应混合液和1.4mL ATP溶液，混匀于37℃下保温0.5h，加入显色剂2mL，摇匀并放置片刻后，于5 000r／min下离心10min，取上清液测定540nm处的吸光值。蔗糖磷酸合成酶活性的测定，称量1.000g叶片，置于预冷的研钵中，加5mL缓冲液研磨成匀浆，取上清液用硫酸铵分布沉淀，收集30%～40%饱和沉淀物，复溶于缓冲液中透析24h制得粗酶液，取0.4mL粗酶液加入0.15mL反应混合液，30℃保温10min，加入0.05mL 12mol／L NaOH，沸水煮10min，再加入0.7 mL 30%HCl及0.2mL用95%乙醇制备的浓度为0.1%的间苯二酚，摇匀后置于80℃水浴保温10min，冷却后于480nm下比色，测定蔗糖的生成量。

1.4 数据处理

试验数据采用Excel 2003和DPSv 6.55软件按二因素随机区组设计方法进行分析处理。

2 结果与分析

2.1 氮肥运筹对玉米叶片和茎鞘碳、氮含量的影响

2.1.1 玉米茎鞘、叶的总糖积累 2年试验的平均数结果显示（表2）：玉米茎鞘总糖含量从拔节期至灌浆中期呈现出一定的增加趋势，而后表现出一定的下降趋势，成熟期总糖含量再次上升。施氮处理茎鞘总糖含量显著高于对照，其中施氮量为270kg纯N／hm2在整个生育期内均高于其他处理，其次为180kg纯N／hm2，两者在拔节期、灌浆中期、乳熟期和成熟期存在显著差异。不同基追比对玉米茎鞘糖含量的影响表现为B2＞B1＞B3，且B2（氮肥后移）分别比B1（传统施氮方式）、B3（氮肥前移）高出0.3%～3%，2%～18%。拔节期各处理差异不显著，开花期以后各处理间存在显著或极显著差异，合理的氮肥配比能够促进茎鞘糖的积累，促进作用主要体现在开花以后。

表2 不同处理下玉米叶片和茎鞘的总糖积累Table 2 Sugar accumulation in leaf and stem／sheath of maize under different treatment %

叶片总糖含量总体上表现出一定的下降趋势，并于灌浆中期降至最低。施氮处理叶片总糖积累均显著高于对照，处理间仍以中高施氮水平（270kg纯N／hm2）表现最好，整个生育期分别比A1、A2、A4高5%～21%，1%～14%，7%～22%，其次是中低施氮水平（180kg纯N／hm2），两者于开花后达到显著水平，拔节期至开花期高施氮处理与其他处理存在显著或极显著差异，施氮量为180，270kg纯N／hm2均能满足作物营养生长所需氮肥，开花之后以中高施氮表现更好。不同基追比对玉米叶片糖含量表现为B2＞B1＞B3，以氮肥后移表现最好，与茎鞘表现出相似的规律。

2.1.2 玉米茎鞘、叶的氮素积累 叶片的含氮量高于茎鞘，但叶片和茎鞘氮素积累变化趋势一致（表3），即从拔节期至灌浆中期氮含量逐渐增加，并于灌浆中期达到最大值，之后表现出一定的下降趋势，茎鞘的下降幅度大于叶片，下降幅度分别为44%～55%，20%～30%。

施氮处理植株的氮素积累量显著高于对照。施氮量处理仍然是以270kg纯N／hm2表现最好。当施氮量小于270kg纯N／hm2时，各个时期的氮素积累均随施氮量的增加而增加，与对照相比，成熟期茎鞘，A1、A2、A3、A4分别高出46%，62%，122%，43%；成熟期叶片，各施氮处理比对照分别高出28%，30%，33%，25%。180，270 kg纯N／hm2施氮量处理显著高于90，360kg纯N／hm2，过高和过低的施氮量均不利于氮素的积累，各处理氮素积累差异在茎鞘中更大，施氮量为360kg纯N／hm2对玉米生长产生明显的抑制作用。

基追比为3∶2∶5的处理在各生育时期均表现较好，叶片和茎鞘表现出相似的规律，即B2＞B1＞B3，氮肥前移与其他处理差异显著，表明生育前期施肥过量可能会起抑制作用，反而不利于植物的生长，且应重施攻苞肥。

表3 不同处理下玉米叶片和茎鞘氮的积累Table 3 N accumulation in leaf and stem／sheath under different treatment %

2.1.3 氮肥运筹对玉米茎鞘和叶片碳氮比的影响 氮肥运筹对叶片和茎鞘的C／N的影响达到了显著或极显著水平（表4）。茎鞘从拔节期至成熟期，C／N逐渐上升；叶片C／N从拔节期至灌浆中期呈下降趋势，而后急剧上升，乳熟期至成熟期缓慢上升。表明拔节期玉米叶片碳氮代谢旺盛，大量积累同化物，随着玉米生长发育，大量氮素向籽粒积累，从而造成营养器官氮含量低，也可能由于生育后期土壤氮素供应不足。在玉米生育末期由于籽粒灌浆结束，接收能力降低，同化物在叶片大量积累，同时叶片衰落，氮代谢能力低，所以C／N升高。

不同施肥量对C／N影响为：生育后期茎鞘中适度低的C／N是同化物高效运输的标志，拔节期至开花期，茎鞘中A1、A2、A3极显著高于A4，而灌浆中期至成熟期施氮量以360kg纯N／hm2处理C／N升高最迅速，显著或极显著高于其他处理，A3最低，整个生育期A1、A2、A3、A4的C／N平均上升率分别为58%，54%，43%，62%。叶片中270kg纯N／hm2处理在关键中期处于上升阶段，保持高效合成能力，其他处理则处于下降阶段。叶片中平均下降率为26%，25%，21%，23%，A3下降速率最慢。

不同基追比的影响结果分析表明，茎鞘中B1、B2、B3平均上升率分别为50%，46%，64%，氮肥后移使得C／N保持在一个较低的上升水平。叶片中平均下降率为27%，21%，26%，表明氮肥后移时叶片C／N下降速率缓慢，同化物合成能力强，能够持续较好输出同化物。

表4 不同氮肥运筹下玉米叶片和茎鞘的C／NTable 4 C／N ratio in stem／sheath and leaf under different stage

2.2 氮肥运筹对玉米碳氮代谢关键酶活性的影响

2.2.1 硝酸还原酶活性 不同施氮量对硝酸还原酶（NR）活性影响表明（图1），各处理穗位叶NR活性从开花期至花后10d是一个增长趋势，在花后10d达到最大值，而后呈下降趋势。整个时期内施氮处理NR活性均高于对照，开花期至花后10d是籽粒灌浆的关键时期，这时穗位叶酶活性将直接影响籽粒灌浆。花后10d，施氮量为270kg纯N／hm2时NR活性高于其他处理，2年分别比 A1、A2、A4高出26.9%～30.5%，9.2%～11.5%，29.8%～37.0%，NR活性下降阶段的速率2年表现不同，但均低于对照，表明施氮能明显减小NR活性降低的速率。不同基追比对NR活性影响结果表明（图2），B2处理曲线始终处于其他处理的上方，B1次之，B3最低，其中花后10d至花后20d，基追比为5∶0∶5和3∶2∶5时NR活性缓慢下降，基追比为5∶2∶3则急剧下降，2年中不同施肥配比下降率分别为2.1%～3.7%，3.7%～3.8%，12%～19%。开花期氮肥后移分别比传统施氮和氮肥前移高出35.7%～40.4%，56.4%～72.9%。

图1 施氮量对玉米穗位叶硝酸还原酶活性的影响Fig.1 The nitrate reductase（NR）activity of maize in spike leaf under different nitrogen levels

2.2.2 谷氨酰胺合成酶活性 谷氨酰胺合成酶（GS）是玉米氮代谢的另一个关键酶，施氮处理GS活性均高于对照，且对照GS活性下降速率高于施氮处理，施氮量为270kg纯N／hm2在各个时期GS活性均高于其他处理（图3）。花后10d，A3处理GS活性比A1、A2、A4分别高出9.0%～10.5%，1.0%～5.9%，12.0%～14.2%，下降阶段表现为：以施氮量为360kg纯N／hm下降速率最快，达到8.5%～11.0%，其他处理差异不大，可以看出，施氮量为270kg纯N／hm2时GS活性表现最强，且随着氮肥施用量的增加，GS活性越强，但是氮肥施用过量时反而会抑制GS活性。各处理GS活性在整个时期内与NR表现出相似的规律，即呈先增长后下降的趋势，于花后10d达到最大值，而后呈下降趋势（图4）。不同基追比对穗位叶GS活性的影响不大，开花至开花30d，施氮配比为3∶2∶5时GS活性最高，花后10d至花后20d，各处理GS活性下降速率分别为3.0%～3.8%，1.4%～4.0%，5.3%～7.0%，且两年GS活性差异不大。

图2 施氮时期对玉米穗位叶硝酸还原酶活性的影响Fig.2 The nitrate reductase（NR）activity of maize in spike leaf under different nitrogen application time

图3 施氮量对玉米穗位叶谷氨酰胺合成酶活性的影响Fig.3 The glutamine synthetase（GS）activity of maize in spike leaf under different nitrogen levels

2.2.3 蔗糖磷酸合成酶活性 施氮量对蔗糖磷酸合成酶（SPS）活性影响表现为（图5），施氮量小于270kg纯N／hm2时，随着施氮量的增加，SPS活性增强，超过270kg纯N／hm2，随着施氮量的增加，SPS活性呈下降趋势，表明过量的施用氮肥反而会抑制SPS活性。施肥处理SPS活性均高于对照，SPS活性下降阶段的速率为对照最快，其次是低施氮处理，中高施氮处理下降速率最慢。随着生育时期的推进，各处理叶片SPS活性从开花至花后10d是一个急剧上升过程，花后10d达到最大值，花后10d至花后20dSPS活性缓慢下降，花后20d至花后40 d SPS活性急剧下降（图6）。施氮配比为3∶2∶5时穗位叶SPS活性在各个时期均高于其他处理，且花后10d SPS活性2年分别比B1、B3高出12.0%～16.0%，24.6%～36.0%，氮肥后移SPS活性下降最慢。

3 讨论

3.1 “麦／玉／豆”模式与氮肥运筹之间的相互作用

图4 施氮时期对玉米穗位叶谷氨酰胺合成酶活性的影响Fig.4 The glutamine synthetase（GS）activity of maize in spike leaf under different nitrogen application time

图5 施氮量对玉米穗位叶蔗糖磷酸合成酶活性的影响Fig.5 The sucrose phosphate synthase（SPS）activity of maize in spike leaf under different nitrogen levels

图6 施氮时期对玉米穗位叶蔗糖磷酸合成酶活性的影响Fig.6 The sucrose phosphate synthase（SPS）activity of maize in spike leaf under different nitrogen application time

在本试验中，氮肥运筹对玉米碳氮代谢的影响存在时间上的差异，综合来看施氮量为270kg纯N／hm2时保证了玉米整个生育期所需氮肥，施氮能明显促进NR、GS的活性，过量施氮又会起抑制作用，与赵宏伟等［18］、Kichey等［19］研究结果一致。吕丽华等［20］研究认为：供氮过多，使叶片碳氮比过低，叶片氮代谢旺盛，光合产物输出率降低。赵营等［21］研究认为当施氮量超过125kg纯N／hm2时增产效果就不明显了，本试验中施氮量为270 kg纯N／hm2时碳氮代谢表现与此不同，其原因是配合基追比为3∶2∶5，使得前期氮肥保持合理水平，同时也能保证攻苞肥用量。已有研究表明，氮肥前移能促进作物生育前期的碳氮代谢，这可能导致营养体生长过旺，后期追肥不足，不利于籽粒的形成；氮肥后移能促进作物生育后期的碳氮代谢，伴随着的可能是叶片的早衰，因此要协调两者之间的关系，本试验研究发现在“麦／玉／豆”模式下，氮肥后移更能满足玉米生长后期籽粒的营养所需。这可能是因为玉米等禾谷类作物籽粒灌浆物质主要来自花后光合产物的运输，因此花后光合生产能力很重要，提高拔节肥和攻苞肥比例有利于后期物质积累，而前期较低的底肥施用量基本能保证玉米前期的生长，后期小麦收获后，加上高的氮肥用量能明显补偿前期生长，其补偿机制还有待于进一步研究。已有研究表明施氮量相同，随追施肥氮的增加，植株对肥料氮和土壤氮的吸收量均增加，适当施用穗肥有助于促进氮素的输出进而提高产量，说明增加追施氮肥的比例，可促进拔节至开花期和开花至成熟期作物对氮素的吸收［22，23］。本试验中氮肥后移对玉米碳氮代谢起明显的促进作用，与前人研究结论一致。

3.2 “麦／玉／豆”模式结合氮肥运筹的可持续性

“麦／玉／豆”体系中，由于小麦、玉米、大豆3个作物占据不同生态地位，且发生了氮素转移，改变了作物对氮的吸收特性，对玉米而言，无论施氮与否，最终表现出套作优势，与大豆套作后，大豆通过根瘤固氮及氮素转移等作用促进禾本科氮素吸收和生物产量增加［24］。本试验中，氮肥后移玉米叶片和茎鞘总糖、氮素积累分别比传统施氮比例高6.49%，5.53%，比氮肥前移高11.50%，14.71%，对穗位叶硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶、蔗糖磷酸合成酶活性的影响，氮肥后移比传统施氮高15.51%，0.92%，20.22%，比氮肥前移高出45.67%，6.59%，27.98%，且差异显著；表明由于套作中氮素发生转移以及种间促进作用，使得玉米生育前期有一部分氮素供给，过量施氮反而起抑制作用，应采用氮肥后施，保证灌浆期氮素供给，避免前期氮水平过高；由此推测，连续多年实施分带轮作促进作用会愈明显。张玉先和王孟雪［25］研究“麦／玉／豆”轮作制度下施肥措施对土壤养分的影响时就发现年际间调肥处理可以平衡土壤养分，有效改善土壤环境。分带轮作能够协调并能明显改善土壤肥力状况，避免了长期净作施肥导致的土壤肥力的单一性。刘忠宽等［26］研究玉米－紫花苜蓿间作模式发现，间作处理的有机质、有机氮、速效氮呈增加趋势，而这种增加趋势随着间作时间的延长越发明显，间作可以增加主作物产量，但是否增产及增产幅度与间作模式和间作时间有关。本试验与上述结论一致。“麦／玉／豆”模式结合氮肥运筹具有持续操作性，因此，需要连续多年实施“麦／玉／豆”套作结合氮肥运筹，才能更加体现其优越性。

4 结论

结合2年的试验分析表明：当施氮量低于270kg纯N／hm2时，随着施氮量的增加，对碳氮代谢的关键指标表现出一定的促进作用，当施氮量超过270kg纯N／hm2时，增施氮肥表现出明显的抑制作用。在保证前期氮肥所需的前提下，应重施攻苞肥。因此，在本试验条件下，综合考虑总糖、总氮积累以及碳氮代谢关键酶活性，施氮量为270kg纯N／hm2，底肥∶拔节肥∶攻苞肥为3∶2∶5为最佳氮肥运筹方式。

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