施氮量对玉米产量及叶片部分酶活性的影响

牛巧龙，曹高燚，杜 锦，苏东伟，万 鹏，田秀平

(天津农学院 农学与资源环境学院，天津 300384)

玉米作为我国的主要粮饲作物，在国民经济发展中占有重要的地位。氮素是影响玉米产量形成的重要元素之一，氮肥施用对玉米生长有明显的影响，并影响到玉米的产量[1]，施氮肥处理能得到较高的玉米产量[2-3]，虽然施氮肥能显著提高玉米籽粒的产量[4]，但施氮量必须适量，研究表明，玉米籽粒产量与氮肥施用量呈单峰曲线方程的关系，在一定范围内，随着氮肥施用量的增加，玉米产量逐渐增加，当氮肥增加到一定量时，玉米产量有下降的趋势[5]。施氮量也影响着玉米叶片中多种酶的活性，适当施用氮肥可提高玉米超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)活性[6]，进而影响玉米叶片的衰老及产量；适当的氮肥有利于提高硝酸还原酶的活性，促进氮素吸收积累，对玉米产量有一定的影响[7]。Yamasaki等[8]研究表明，氮代谢的关键酶是硝酸还原酶，硝酸还原酶是一种可溶于水的钼黄素蛋白，在高等植物叶和根中都有硝酸还原酶的存在。硝酸还原酶活性高低对作物同化氮素能力有显著的影响，对作物良好生长发育有重要的影响。本研究以中单509为材料，探讨了不同氮肥处理对玉米不同生育期硝酸还原酶、超氧化物歧化酶、过氧化物酶和过氧化氢酶活性及玉米产量的影响，为春玉米中单509在天津地区合理施用氮肥提供参考。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试玉米品种为春玉米中单509，肥料为尿素(含N 46%)、过磷酸钙(含P2O512%)、氯化钾(含K2O 60%)。试验地点在天津市静海县良种场，供试土壤为潮土，0～20 cm土层的基本化学性质是：有机质31.32 g/kg；碱解氮174.00 mg/kg；全磷(P)1.17 g/kg；有效磷(P)5.47 mg/kg；有效钾(K)19.73 mg/kg；pH值8.2。土壤基本化学性质测定方法为：有机质采用丘林法，全氮采用凯氏蒸馏法，碱解氮采用碱解扩散法，全磷采用碳酸钠熔融法，有效磷采用Olsen法，有效钾采用乙酸铵提取，火焰光度计法，pH采用水浸提，酸度计测定。

1.2 试验方法

采用随机区组试验设计方法，供试的氮肥品种为尿素，含氮量46%。氮肥施用设5个水平，折算成纯氮量分别分45(N45)，90(N90)，135(N135)，180(N180)，225 kg/hm2(N225)。氮肥分基肥(50%)开沟施入和大喇叭口期追肥(50%)穴施。磷肥和钾肥都设一个水平，过磷酸钙1 432.12 kg/hm2，氯化钾143.56 kg/hm2，均以基肥方式一次开沟施入。穴施深度和沟施深度均为10 cm左右。每个小区种10行，行长6 m，行距55 cm，株距28 cm，每个处理3次重复。2013年5月1日播种，2014年5月4日播种，田间管理同一般生产。

1.3 测定项目与方法

分别在三叶期、拔节期、大喇叭口期、抽雄期和灌浆期取样测定玉米叶片的硝酸还原酶(NR)、超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)活性。具体取样方法是三叶期取3个叶片混合样，拔节期和大喇叭口期取最后的全展叶，抽雄期和灌浆期取穗位叶。各种酶的测定方法为NR活性采用磺胺比色法[9]，POD活性采用愈创木酚显色法[10]，SOD活性采用氮蓝四唑光化还原法[10]，CAT活性采用紫外分光光度法[10]。玉米产量在成熟期每小区取中间3行进行测定，然后推算公顷产量。

1.4 数据处理与分析

采用Excel、SPSS软件进行数据处理和分析。

2 结果与分析

2.1 不同施氮量对中单509百粒质量及产量的影响

从表1看出，2013，2014年产量和百粒质量的变化趋势基本相同。不同施氮水平，中单509产量和百粒质量的变化基本相同。施纯氮量在45.00～135.00 kg/hm2，产量和百粒质量均为增加趋势，135.00 ～225.00 kg/hm2时，产量呈下降趋势。施纯氮量为135.00 kg/hm2时，百粒质量和产量最大，2014年产量10 195.73 kg/hm2，百粒质量31.88 g，2013年产量10 032.02 kg/hm2，百粒质量31.50 g。从建立的施氮量与产量的相关图(图1)可以看出，玉米产量表现出随施氮量的增加而逐渐增加，当增加到一定程度后下降。2013年，二者建立的方程为y=-0.171 6x2+47.318x+635.46可以得到施纯氮量在137.87 kg/hm2时，产量达最大9 616.54 kg/hm2。2014年，二者建立的方程为y=-0.162x2+44.418x+6 695.40，可以得到施纯氮量在137.01 kg/hm2时，产量达最大9 740.01 kg/hm2。

表1 氮肥对中单509 百粒质量和产量的影响Tab. 1 Effect of nitrogen fertilizer rate on 100-kernel weight and yield of Zhongdan 509

注：不同字母表示在P<0.05水平上差异显著。

Note: Different letters indicate significant difference atP<0.05 level.

图1 氮肥施用量与中单509产量的关系Fig.1 Relationship of N application and the yield of Zhongdan 509

2.2 不同施氮量对中单509叶片NR活性的影响

NR是氮代谢的限速酶，也对光合作用和呼吸作用有重要的影响，所以NR是影响氮代谢的关键酶之一。从图2看出，在2014年试验中，随着中单509的生长，不同施氮水平中单509叶片NR活性变化趋势基本相同，即从三叶期升高至拔节期(21.70 μg/(g·h))后开始下降至灌浆期。不同施氮水平之间中单509叶片NR活性不相同，表现为，三叶期施纯氮量为135.00 kg/hm2时，叶片NR活性最高，与施纯氮量为90.00，180.00 kg/hm2处理之间无显著差异，与施纯氮量为45.00，225.00 kg/hm2处理之间均达到显著差异水平，抽雄期施纯氮量为135.00 kg/hm2时，叶片NR活性最高，与施纯氮量为90.00 kg/hm2处理之间差异不显著，但与其他施氮处理之间达到了显著差异水平，大喇叭口期施纯氮量为135.00 kg/hm2时，叶片NR活性最高，且与其他施氮处理之间差异达到显著水平，灌浆期各施氮量之间差异不显著。2013年各时期各处理的叶片NR活性变化趋势同2014年。

图2 氮肥施用量对叶片NR活性的影响Fig.2 Effects of N fertilizer application amount on leaf NRase activities

2.3 不同施氮量对中单509叶片SOD、POD、CAT活性的影响

植物氧代谢的关键酶SOD、POD和CAT能抑制丙二醛(MDA)的积累，起到保护和修复细胞膜的作用，因此SOD、POD、CAT活性的强弱代表叶片抗衰老的能力。从图3-5看出，不同施氮水平中单509叶片中SOD、POD、CAT活性在玉米生长不同时期各自的变化趋势基本相同，SOD和CAT活性变化是从三叶期升高至抽雄期后开始下降至灌浆期，POD活性从三叶期升高至大喇叭口期后开始下降至灌浆期。不同施氮水平之间玉米叶片SOD、POD、CAT活性表现也都不同，具体表现如下。

图3 氮肥施用量对叶片SOD活性的影响Fig.3 Effects of N fertilizer application amount on leaf SOD activities

图3可见，在2014年，玉米叶片SOD活性三叶期各施氮处理之间无显著差异，拔节期施纯氮量为225.00 kg/hm2时，叶片SOD活性最小，且与其他施氮处理之间差异显著，大喇叭口期施纯氮量为135.00，180.00 kg/hm2时，与其他施氮处理之间差异显著，抽雄期施纯氮量为180.00 kg/hm2时，叶片SOD活性达到最大，与其他施氮处理之间达到显著性差异，而灌浆期各施氮处理之间叶片SOD活性无显著差异；2013年的拔节期各处理间无差异，抽雄期在施纯氮量为135.00 kg/hm2时SOD活性达最大，灌浆期施纯氮量为225.00 kg/hm2时与其他处理间达显著差异外，其他表现与2014年相似。

图4可以看出，2014年玉米叶片POD活性表现为，三叶期施纯氮量为180.00 kg/hm2时，叶片POD活性最低，拔节期各施氮处理之间叶片POD活性无显著差异，大喇叭口期施纯氮为135.00 kg/hm2时，POD活性达到整个生育期的最高值，且与其他施氮处理之间差异显著，抽雄期施纯氮量为135.00 kg/hm2时，叶片POD活性最高，与其他施氮处理之间差异显著，灌浆期施纯氮量为90.00 kg/hm2时，叶片POD活性最高，与其他施氮处理之间差异显著。2013年除了三叶期在施纯氮量为135.00，90.00 kg/hm2之间无差异，灌浆期施纯氮量为90.00，135.00 kg/hm2之间无差异，在135.00 kg/hm2时表现活性最高。

图4 氮肥施用量对叶片POD活性的影响Fig.4 Effects of N fertilizer application amount on leaf POD activities

图5中，2014年玉米叶片CAT活性表现为，三叶期和拔节期施纯氮量为135.00 kg/hm2时，叶片CAT活性最高，与施纯氮量为90.00，180.00 kg/hm2之间活性没达显著差异，但与其他施氮处理之间差异显著，大喇叭口期施纯氮量为180.00 kg/hm2时，与其他施氮处理之间差异显著，次之为施纯氮量为90.00，135.00 kg/hm2，与施纯氮量为45.00，225.00 kg/hm2处理之间差异显著，抽雄期施纯氮量为180.00 kg/hm2时，叶片CAT活性达到整个生育期的最大值，与施纯氮量为45.00，90.00，225.00 kg/hm2处理之间均达到显著差异水平，与施纯氮量为135.00 kg/hm2处理之间无显著差异，灌浆期施氮量为180.00 kg/hm2时，叶片CAT活性最高，与其他施氮处理之间达到显著差异水平。2013年表现为除了大喇叭口期和灌浆期施纯氮量为180.00，135.00 kg/hm2处理间无差异外，其他变化也同2014年。

图5 氮肥施用量对叶片CAT活性的影响Fig.5 Effects of N fertilizer application amount on leaf CAT activities

2.4 不同生育期玉米叶片酶活性与中单509产量间的关系

从表2看出，玉米叶片SOD活性在各生育期与产量之间相关性均达到了显著或极显著水平；POD活性与产量间的相关性除了三叶期和灌浆期外，也均达到了显著或极显著水平；CAT活性与产量之间相关性除了大喇叭口期外，也均达到了显著或极显著水平；NR活性与产量相关性除了抽雄期外，也均达到了显著或极显著水平。CAT和NR可能是试验误差，POD在三叶期和灌浆期虽然没达到显著水平，但是相关系数也较高；SOD从相关系数看，也是在三叶期和灌浆期要低些，5个时期也表现出两头低中间高的趋势。以上说明，各生育期的各种酶活性通过参与代谢，能促使叶片有效地进行生命代谢作用，最终影响到玉米的产量。

表2 两年不同生育期酶活性与产量间的相关关系Tab. 2 Correlation between enzyme activity and yield at different growth stages in two years

注: 表中*、**分别代表0.05、0.01水平下差异显著。

Note:*，**indicated significant difference at 0.05 and 0.01 levels, respectively.

3 讨论与结论

氮是作物生长必需的营养元素，是作物体中蛋白质、叶绿素及酶的重要组成成分。玉米生长一生均需要足够的氮保证根、茎、叶、花等器官的生长发育，缺氮对玉米的产量和品质影响较大，但供氮过量也不利于玉米生长，如苗期是玉米植株中以氮素代谢为主的时期，如果氮素代谢过旺，地上部分生长过旺而不壮，会造成根系发育不良，如果中后期供氮过多，会造成玉米植株柔软，易感病虫害，贪青晚熟而减产。

NR是影响氮代谢的关键酶之一，对植物光合作用和呼吸作用也有重要的影响，NR活性高低影响到叶片硝态氮的还原，硝态氮通过硝酸还原酶等的还原生成氨，才能进一步合成氨基酸和蛋白质，作物才可正常生长发育，所以NR活性高低直接影响作物的产量和品质。植株叶片中的SOD、POD、CAT都是植物代谢中的抗氧化酶，其活性反映植株的抗衰老能力。SOD可以消除植株体内的氧自由基积累，保持和修复细胞膜，因此，SOD活性的强弱反映了植物本身清除氧自由基能力的大小，从而起到延缓保护植株老化的作用[11]。POD是玉米植株体内重要的一类氧化还原酶，对玉米也起到了延缓植株老化的作用，作物的保护酶活性与植株抗衰老能力之间的关系得到了一些专家的证实[12-14]。

本研究表明，随着施氮量的增加，中单509叶片内的NR、SOD、POD、CAT活力都是先升高后降低，呈单峰曲线变化。李洪岐等[15]研究玉米的不同种植密度和方式对夏玉米NR的影响，发现NR活性也呈现先上升后下降的趋势，而最大值出现在吐丝期。赵洪祥等[16]通过不同氮肥配比使用，玉米整个生育期的叶片NR活性呈先上升后下降的趋势，这一结果与本试验结果一致，隽英华等[17]研究了氮肥施用量对春玉米NR活性的影响也得到了相同的结果。宋航等[18]的研究结果表明，弱光胁迫下增施氮肥可以提高叶片硝酸还原酶活性。增施一定量氮肥与叶片SOD、POD、CAT活性增加这一结果在郑单958和陕单902玉米品种中得到了证实[19]。不同施氮肥水平对玉米植株抗氧化保护酶活性影响不同，氮肥不同比例分期配施，有利于提高抗氧化酶活性，延缓衰老[20]。因此，从施用氮肥对玉米叶片的NR、SOD、POD、CAT活性影响上看，增施一定量的氮肥能够促进玉米叶片蛋白质的合成，增加玉米的抗氧化能力，延缓叶片的衰老，从而提高玉米产量和改善玉米品质。

施氮量对玉米产量有着重要的影响，随着施氮量的增加，玉米产量和百粒质量都是先上升后下降，呈单峰曲线变化[21]。本试验采用5个施氮处理，建立了施氮量与产量回归方程，从方程推算出的最高产量的施氮量与本试验所得的结果比较相符。通过各种酶活性与产量相关性的结果分析，可以看出 NR、SOD、POD和CAT活性与玉米产量相关性基本达到显著水平以上。但过多或过少的氮都不利于这些酶的活性，只有适当的氮肥能增加玉米叶片的NR、SOD、POD和CAT活性。SOD、POD和CAT活性在生育前期起着清除多余自由基的作用，是一种保护细胞膜结构的保护酶，能使玉米叶片有效地进行光合作用，积累生长所需的营养物质，以供植株的生长，并为后期向籽粒的输送积累营养物，NR促进可溶性蛋白含量的增加，通过调控能促进营养物质在玉米植株体内的积累，进而增加产量。

总之，不同施氮量处理对玉米叶片的酶活性及产量有一定的影响，随着施氮量的增加，产量先升高后降低，呈单峰曲线变化。从2013，2014年试验结果得出，理论产量达到137.4 kg/hm2时，产量达到最大值。随着施氮量的增加叶片NR、SOD、POD和CAT活性都是先升高后降低，呈单峰曲线变化，纯氮施用量在180.00 kg/hm2时，拔节期叶片NR活性最大、开花期叶片SOD活性和CAT活性达到最大；纯氮施用量135.00 kg/hm2时，大喇叭口期叶片POD活性达到最大，增施适量的氮有利于玉米叶片的氮代谢，增强玉米抗衰老能力，但施入量过高则会影响到玉米氮代谢和抗衰老能力，更会造成氮肥的浪费，对生态环境也会产生不利的影响。