氮肥对不同氮效率玉米氮代谢酶和氮素利用及产量的影响

李文龙，吕英杰，刘笑鸣，佟 桐，曹鑫波，顾万荣，魏 湜

(东北农业大学农学院，黑龙江 哈尔滨 150030)

【研究意义】氮高效玉米品种是降低氮肥投入条件下减产幅度较小的高产或超高产品种，是高氮高产与耐低氮的协调统一[1]。玉米作为我国重要的粮食作物，2015年产量已经达到22 463.16万t，但高产不高效是玉米高产超高产栽培中普遍存在的问题。过量施用氮肥，不仅会降低玉米产量，还会降低氮肥利用效率，造成环境污染[2-4]。因此，探究不同氮肥水平对不同氮效率玉米氮代谢和产量的影响，平衡好氮肥施入和氮肥吸收之间的关系对玉米进一步增产增效意义重大。【前人研究进展】前人对玉米氮效率研究主要集中在氮素的吸收、还原同化、积累和分配等方面[5]。屈佳伟等[6]研究发现，在低氮和适量施氮条件下，低氮高效品种较低氮低效品种表现出较高的根系生物量、根长和较低的根系衰老速率。马晓君等实验证明了低氮高效品种较低氮低效品种具有较高的物质生产能力，在低氮水平下具有较高的产量优势[7]。晁晓乐试验表明，在低氮水平下，低氮高效型玉米潞玉19保持较高的产量，但随施氮量的增加，氮肥利用效率降低[8]。而前人研究表明，双高效型玉米先玉335在低氮和高氮条件下都有较好的产量，是适合广泛种植的玉米品种。对于低氮高效品种，施氮能促进全生育期的氮素积累；但是对于低氮低效品种，施氮仅仅增加播种至吐丝期的氮积累量[9]。【本研究切入点】目前有关不同氮肥施用量对玉米氮代谢酶的研究报道多集中在硝酸还原酶(NR)、谷氨酰胺合成酶(GS)上，而针对亚硝酸还原酶(NiR)、谷氨酸合成酶(GOGAT)的研究较少，缺乏系统性，且有关氮素利用的报道不多。【拟解决的关键问题】本试验以低氮高效品种郑单958和低氮低效品种绥玉7号为试验材料，研究不同施氮水平对玉米氮代谢酶、氮素利用及产量的影响，为黑龙江玉米增产增效提供理论和实验依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

基于前期预备实验筛选，选择郑单958(低氮高效品种，河南省农业科学院粮食作物研究所提供)，绥玉7号(低氮低效品种，黑龙江垦丰种业有限公司提供)进行大田试验。

1.2 试验设计

试验于2015-2016年在东北农业大学向阳实验基地进行(东经126°22′～126°50′，北纬45°34′～45°46′)，供试土壤为黑钙土，前茬作物为马铃薯，耕层深度为20 cm。试验土壤的各养分含量见表1。试验采用完全随机区组设计，设2个品种，6个施氮水平(N0：氮用量为0 kg·hm-2；N1:氮用量为100 kg·hm-2；N2：氮用量为140 kg·hm-2；N3：氮用量为180 kg·hm-2；N4：氮用量为220 kg·hm-2；N5:氮用量为260 kg·hm-2)，共18个处理，每个处理3次重复，共54个小区，小区面积48 m2，行长8 m，垄宽0.6 m。各处理磷、钾肥施用量相同，75 kg·hm-2P2O5、120 kg·hm-2K2O均作基肥一次性施入。氮肥总量的1/3作为基肥，剩余氮肥在拔节期追施。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 氮代谢关键酶的测定 分别于玉米的拔节期，抽雄期，吐丝期和灌浆期(拔节期选定倒二叶，其余时期选定穗位叶)，取玉米叶片鲜样来测定氮代谢关键酶活性。硝酸还原酶(NR)采用α-萘胺-磺酸活体法测定活性[10]；亚硝酸还原酶(NiR)用Takahashi等[11]的方法测定活性；谷氨酰胺合成酶(GS)用Lea的方法测定活性[12]。谷氨酸合成酶(GOGAT)采用郑朝峰等[13]方法测定活性。酶活力用μmol NADH/(gFW·min)为单位。

1.3.2 氮含量的测定 将烘干后的样品经粉碎机磨成粉末，取0.1 g粉末放入消煮管中，加入少量催化剂(硫酸铜∶硫酸钾=1∶10)和浓H2SO45 mL于消煮炉中进行消煮，待溶液变成淡绿色透明液体后取出冷却，用FOSS8400全自动凯氏定氮仪测定植物样品全氮含量。计算公式如下：

茎秆氮转运效率(%)=100×(吐丝期茎秆氮含量-成熟期茎秆氮含量)/吐丝期茎秆氮含量

叶片氮转运效率(%)=100×(吐丝期叶片氮含量-成熟期叶片氮含量)/吐丝期叶片氮含量

茎秆氮转运对籽粒氮的贡献率(%)=100×(吐丝期茎秆氮含量-成熟期茎秆氮含量)/成熟期籽粒氮含量

叶片氮转运对籽粒氮的贡献率(%)= 100×(吐丝期叶片氮含量-成熟期叶片氮含量)/成熟期籽粒氮含量

1.3.3 产量的测定 于玉米成熟期，每个小区选择未取样的两行进行测产，记录穗数、穗粒数和粒重等，并计算实际产量。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2007和SPSS 19.0统计软件对上述结果作图及统计分析。

2 结果与分析

2.1 供氮水平对不同氮效率玉米叶片氮代谢相关酶活性的影响

2.1.1 供氮水平对不同氮效率玉米叶片硝酸还原酶活性的影响 由图1可知，随着施氮量的增加，郑单958硝酸还原酶(NR)活性呈现先增加、后降低的趋势。在N3水平下达到峰值，与对照相比增加了44.84 %。在拔节期，各处理差异并不显著，但是随着生育进程推进，差异越来越明显。至吐丝期和灌浆期，NR活性表现为N3>N4>N5>N2>N1>N0。随着施氮量的增加，绥玉7号的NR活性呈现增加的趋势。N5水平下酶活性最高，与对照相比增加30.81 %。在拔节期，N1～N5差异不显著。

表1 试验土壤的各养分量

图上不同字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)Different lowercase letters mean significant difference at 0.05 level图1 供氮水平对不同氮效率玉米品种硝酸还原酶的影响Fig.1 Effects of nitrogen supplies on NR of different nitrogen efficiency maize varieties

2.1.2 供氮水平对不同氮效率玉米叶片亚硝酸还原酶活性的影响 由图2可知，随着施氮量的增加，郑单958亚硝酸还原酶(NiR)活性呈现先增加、后降低的趋势，在N3水平下达到峰值，与对照相比增加了24.39 %。在灌浆期，NiR活性表现为N3>N4>N5>N2>N1>N0。绥玉7号NiR活性随着施氮量的增加呈现增加的趋势。N5水平下酶活性最高，与对照相比增加35.50 %。在拔节期和抽雄期，N3～N5差异不显著。

2.1.3 供氮水平对不同氮效率玉米叶片谷氨酰胺合成酶活性的影响 由图3可知，随着施氮量的增加，郑单958谷氨酰胺合成酶(GS)活性呈现先增加、后降低的趋势。在N3水平下达到峰值，与对照相比增加26.42 %。在灌浆期，GS活性表现为N3>N4>N5>N2>N1>N0。绥玉7号GS活性随着施氮量的增加呈现增加的趋势。N5水平下酶活性最高，与对照相比增加30.93 %。在拔节期，N2～N5差异不显著。

2.1.4 供氮水平对不同氮效率玉米叶片谷氨酸合成酶活性的影响 由图4可知，随着施氮量的增加，郑单958谷氨酸合成酶(GOGAT)活性呈现先增加、后降低的趋势。在N3水平下达到峰值，与对照相比增加28.19 %。在灌浆期，GOGAT活性表现为N3>N4>N5>N2>N1>N0。绥玉7号GOGAT活性随着施氮量的增加呈现增加的趋势。N5水平下酶活性最高，与对照相比增加29.88 %。在拔节期和灌浆期，N2～N5差异不显著。

图2 供氮水平对不同氮效率玉米品种亚硝酸还原酶的影响Fig.2 Effects of nitrogen supplies on NiR of different nitrogen efficiency maize varieties

图3 供氮水平对不同氮效率玉米品种谷氨酰胺合成酶的影响Fig.3 Effects of nitrogen supplies on GS of different nitrogen efficiency maize varieties

图4 供氮水平对不同氮效率玉米品种谷氨酸合成酶的影响Fig.4 Effects of nitrogen supplies on GOGAT of different nitrogen efficiency maize varieties

2.2 供氮水平对不同氮效率玉米氮素利用的影响

2.2.1 供氮水平对不同氮效率玉米氮素吸收、转运的影响 由表2可知，随着施氮量的增加，郑单958各个器官的氮含量呈先升高、后降低的趋势。在N4水平下氮含量最大。与对照相比，成熟期穗氮含量提升了89.61 %。在开花期，N4与其它处理差异显著。随着施氮量的增加，绥玉7号开花期叶片和成熟期穗的氮含量呈先升高、后降低的趋势，在N4水平达到峰值；而开花期与成熟期的茎秆、成熟期叶片氮含量均在N5水平达到峰值。与对照相比，成熟期穗氮含量提升了98.04 %。仅仅与N5水平差异不显著。

2.2.2 供氮水平对不同氮效率玉米氮转运效率、氮转运对籽粒的贡献率、氮肥生理利用率的影响 由表3可知，施氮能增加郑单958和绥玉7号的氮转运效率、氮转运对籽粒贡献率和氮肥生理利用率。但是当达到N4时，郑单958的氮肥生理利用率开始显著下降，与对照相比，N3、N4分别增加了128.60 %、96.91 %，N5减少了7.87 %。随着施氮量增加，绥玉7号的氮肥生理利用率也出现先增加后降低的趋势。与对照相比，N3、N4分别增加了54.03 %、52.37 %。在N5水平，绥玉7号的氮肥生理利用率也开始显著下降。

2.3 供氮水平对不同氮效率玉米产量构成因素的影响

由表4可知，施肥能增加玉米产量。在N3、N4、N5水平，郑单958的产量差异不显著，均在9400 kg·hm-2左右，而N1、N2产量差异显著。造成差异的原因是穗粒数和粒重的不同。绥玉7号的产量随施肥量的增加而增加，N3、N4、N5的产量差异显著。

表2 供氮水平对不同氮效率玉米氮素吸收、转运的影响

注：同列数据后不同字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)。

Note:Different lowercase letters mean significant difference at 0.05 level.

表3供氮水平对不同氮效率玉米氮转运效率、氮转运对籽粒贡献率、氮肥生理利用率的影响

Table 3 Effect of nitrogen supplies on nitrogen transport efficiency, nitrogen contribution to grain and nitrogen fertilizer physiological utilization rate of different nitrogen efficiency maize varieties

品种Variety处理Treatment氮转运效率(%)NTE氮转运对籽粒贡献率NCP氮肥生理利用率(%)叶片Leaf茎秆Stalk叶片Leaf茎秆StalkNPE (kg·kg-1)郑单958ZD-958N066.36±0.34d46.37±3.21e49.34±4.91d16.92±4.20e15.87±1.08eN170.72±1.38c62.57±2.11d57.08±3.75c32.19±2.99d18.90±1.49dN272.10±2.20bc66.63±3.36c58.88±3.38bc38.33±3.61c35.45±1.41bN373.90±1.11ab69.83±1.64b60.02±0.73abc41.55±1.31b36.28±6.90aN475.89±0.79a72.89±1.08a61.76±3.20a44.67±2.62a31.25±1.44cN575.36±1.04a71.86±1.50a59.20±3.54bc41.47±3.13b13.08±0.78f平均值72.39±0.8865.03±1.3457.71±2.4535.85±2.2127.55±9.53绥玉7号SY-7N053.92±1.42c36.86±7.73e32.06±2.59b12.03±3.85d11.06±2.01dN163.38±2.98b42.07±7.22d37.31±3.75a11.82±3.15d14.66±3.06cN265.97±1.13b54.12±3.62c39.04±1.33a17.96±2.36c16.65±1.66bN369.47±1.95a57.97±1.27b39.54±3.24a18.31±1.13c24.06±1.59aN471.00±0.90a59.38±1.48b42.38±4.05a19.88±0.36b23.66±2.87aN569.90±1.96a67.03±1.99a41.72±2.88a28.90±1.07a11.06±2.01d平均值65.61±1.1152.91±1.5738.67±1.7618.15±1.9718.02±5.70

表4 供氮水平对不同氮效率玉米产量构成的影响

3 讨 论

3.1 供氮水平对不同氮效率基因型玉米氮代谢的影响

3.2 不同供氮水平对不同氮效率基因型玉米氮素积累及转运的影响

养分吸收是干物质形成的基础，适当施肥能提高玉米干物质积累量。前人研究表明：随着施氮量的增加，植株氮素总积累量呈单峰曲线变化[18-19]，并且低氮高效品种更能充分吸收利用氮素[20-21]。本研究结果发现，随着供氮量增加，玉米开花期叶片、茎秆及成熟期穗内的氮含量也增加，说明氮肥能增加叶片、茎秆氮含量。但是当施氮量达到260 kg·hm-2时，氮含量开始下降，这与景立权等的结论不一致[22]。可能与地域和品种不同有关。本研究还表明，在籽粒形成期，郑单958各个器官的氮含量均高于绥玉7号，氮转运效率也高于绥玉7号。说明低氮高效品种的氮素积累量比低氮低效品种多，这与李强的研究结果相一致。叶片是氮素再利用的主要来源，随着施氮量增加，叶片和茎秆氮转运效率呈现先增高、再下降的规律。施肥量为220 kg·hm-2时，叶片和茎秆氮转运效率最高。

景立权[22]等研究指出：随着施氮量增加，玉米叶片中含氮量先增加再减小，峰值出现在施氮450 kg·hm-2时，叶片含氮量最大。而本研究发现，在220 kg·hm-2的施氮水平上，郑单958的叶片、茎秆氮含量就达到了最大值，与对照相比分别增加了107.67 %、221.25 %；绥玉7号的叶片氮含量也达到了最大值，与对照相比增加了98.45 %。

3.3 供氮水平对不同氮效率基因型玉米产量构成因素的影响

干物质是玉米产量形成的基础，施氮量对玉米干物质积累、分配和转运影响显著，并且氮肥能增加玉米穗数和百粒重[23]。徐建亭实验表明，低氮高效品种登海605和金海604在施氮和不施氮水平下均能保持高产[24]。李婷[25]和李文娟[26]实验表明，低氮高效品种郑单958具有耐贫瘠的特点。本研究表明：适当施氮可以促进玉米增产，但是氮肥达到260 kg·hm-2时，郑单958产量开始显著下降。这与前人[27-28]的研究结果类似。有研究表明：低氮高效品种通过叶面积上的优势，提高光合生产能力，促进了光合产物的积累[29-30]。但是本文研究表明：氮代谢相关酶活性也是高产的重要原因之一。4种氮代谢相关酶活性均为低氮高效品种郑单958高于低氮低效品种绥玉7号。酶活性越高，氮素同化能力就越强，氮高效玉米凭借这样的优势，合成更多的叶绿素和光合相关酶系，从而促进干物质积累，提高产量。

4 结 论

低氮高效品种郑单958的氮相关酶活性、植株氮含量、氮转运效率和产量均高于绥玉7号。原因是郑单958的氮相关酶活性高，可以促进对氮素的吸收、同化，因此其氮含量高于绥玉7号。同时，氮参与叶绿素及相关酶系的合成，这就使郑单958产量高于绥玉7号。适量增施氮肥能促进玉米产量，低氮高效品种对氮更敏感，利用效率更高，研究为黑龙江省合理选用品种及施肥提供理论及实验依据。