减量施氮对滴灌春小麦籽粒灌浆特性和氮代谢酶活性的影响

李彦旬，王荣荣，罗雪梅，蒋桂英

(石河子大学农学院，新疆石河子 832003)

对于大田作物来说，提高氮肥利用率、降低氮损失的方法有很多，水氮的综合管理就是其中有效的方法之一[1]。而滴灌春小麦就是一种实行水氮综合管理的种植模式，肥料随着滴灌直接到达小麦根系区域，不但可以减少肥料的流失，还能保证小麦根部养分充足，有效提高根部对肥料的吸收[2]。目前，新疆滴灌春小麦氮肥投入量一般为300～315 kg·hm-2[3-4]，产量为5 772.45～ 6 689.72 kg·hm-2。郭天财等[5]研究发现,在施氮0～360 kg·hm-2(前茬田菁掩底作基肥)范围，适当增施氮肥能够增加小麦的产量。冉 辉等[6]研究表明，在施氮量为0～375 kg·hm-2、灌溉频率为4～7 d一次时，灌水次数与施氮量的互作对春小麦产量影响明显；当施氮量为308.63 kg·hm-2、灌溉频率为6.52 d 一次时，产量最大。在农业生产上随着作物产量的逐步增加，氮素等养分的投入也在不断加大，不仅导致生产成本提高，而且引起养分利用效率下降和环境污染风险上升。因此，在传统氮肥氮肥管理的基础上开展减量施氮技术研究十分必要。对大豆[7]、番茄[8]、小麦[9]、玉米[10]等作物的试验结果显示,适当减量施氮不会引起作物产量显著的变化,反而有利于提高氮肥利用率。在我国华北地区，麦田氮肥的施用量为300 kg·hm-2左右，而氮肥的利用率却只有20%左右[11]。当氮肥施用量降到225 kg·hm-2时，小麦的产量和对氮素吸收效率得到了同步提高[12]。杨家蘅等[13]研究表明，在前茬夏玉米秸秆全部还田条件下，当氮肥施用量超过360 kg·hm-2时，小麦产量开始降低。

灌水量和施肥量影响小麦籽粒灌浆速率和持续时间[14]。当灌水165 mm、施氮192 kg·hm-2时，小麦强、弱势粒的灌浆速率和持续时间均较高[15]。当水分供应充足、施纯氮150 kg·hm-2时，小麦籽粒的灌浆快增期持续时间得到延长，而最大灌浆速率出现时间较晚，有利于粒重的增加[16]。谷氨酰胺合成酶(GS)、硝酸还原酶(NR)能够促进植株对氮素的吸收利用[17-18]，作物的氮素主要是通过GS/谷氨酸合成酶(GOGAT )循环途径进行的[19]。孟维伟等[20]认为，当施氮量在 0～168 kg·hm-2范围时，小麦籽粒蛋白质含量、GS活性均随施氮量增加而显著提高；当施氮量为276 kg·hm-2时，籽粒蛋白质含量和产量显著降低。Wang等[21]认为，285 kg·hm-2施氮量处理与195 kg·hm-2施氮量处理相比,小麦旗叶NR和GS活性及籽粒蛋白质含量均无明显差异。因此，施氮量过多或过少都不利于小麦籽粒灌浆和提高氮代谢酶的活性，且小麦产量和品质都会受到影响。

目前有关施氮量对小麦生长发育的影响研究，主要都集中在施氮量对小麦氮肥利用率及氮平衡、干物质积累、产量[22]、氮素吸收转运[23]及叶片光合特性[24]等方面，且这些研究大多是在漫灌条件下进行的，而对于滴灌春小麦在减氮栽培下小麦籽粒灌浆特性和酶活性的报道较少[25]。由于小麦品种和区域性的差异，所得出的试验结果也不尽一致。本研究拟分析减氮条件下滴灌春小麦籽粒的灌浆特性及氮代谢酶活性变化，以期为滴灌春小麦优质高产栽培提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2017-2018年在石河子大学农学院试验站(44°20′N，88°3′E)进行。土壤为沙壤土，0～40 cm土层中有机质含量28.4 g·kg-1，全氮含量1.3 g·kg-1，碱解氮含量71.3 mg·kg-1，速效磷含量15.2 mg·kg-1，速效钾含量159 mg·kg-1，土壤容重 1.31 g·cm-3，pH 7.5。试验采用裂区设计，主区为全生育期施氮量，副区为品种。施氮量设300 kg·hm-2(N1)、275 kg·hm-2(N2)、250 kg·hm-2(N3)、225 kg·hm-2(N4)、不施氮肥(N5，对照)5个水平。2017年供试品种为新春6号(矮秆)和新春31号(高秆)，2018年为新春38号(强筋，籽粒蛋白质含量15.04%)与新春49号(中筋，籽粒蛋白质含量12.89%)。氮肥20%基施，80%随水追施，其中两叶一心期施10%，分蘖期施10%，拔节期施30%(5叶龄和6叶龄各施15%)，孕穗期施15%，抽穗扬期施10%，籽粒形成期施5%。磷肥(P2O5120 kg·hm-2)作为基肥一次性施入。两年播期和播量均分别为4月7日和300 kg·hm-2。采用“12.5 cm +20 cm +12.5 cm +15 cm”宽窄行滴灌种植，滴灌带配置采用“1管4行”模式，即每条滴灌带灌溉4行小麦。小区面积 12 m2(3 m×4 m)，重复三次，各小区之间埋置100 cm深的防渗膜，防止养分侧移。水分管理以 Watermark(Irrometer company,Inc)监测值来指示灌溉水量，以近行(距离毛管水平距10 cm)根区30 cm土层含水量 Watermark 读数升到 35 centibar(约75%相对田间持水量)时即开始灌溉[26]。整个生育期滴水9次，施肥7次， 总灌水量600 mm，其他各项管理与大田生产 相同。

1.2 测定项目与方法

抽穗期于各小区内选择同一天抽穗且穗型大小基本一致的穗子150～200 个，挂牌标记。

1.2.1 籽粒灌浆动态的测定

从开花后第7天开始，取小麦穗中部籽粒，每隔7 d取样一次。籽粒鲜样在 105 ℃杀青30 min，然后在75 ℃下烘干至恒重。以花后天数(t)为自变量，籽粒千粒重(y)为因变量，用 Logistic 方程y=a/(1+b×e(-c×t))对籽粒增重过程进行拟合。其中，a表示理论最大粒重，t表示开花后天数，b和c为模型形状参数。

根据方程推导出灌浆最快时间段的起始时间(t1)、终止时间(t2)、最大灌浆速率(Vm)、最大灌浆速率出现时间(tm)和快增期持续的时间(△t)：

t1=[ln(b)-ln(3.732 1)]/c,t2=[ln(b)+ln(3.732 1)]/c,tm=ln(b/c),Vm=ac/4,△t=t2-t1。

1.2.2 NR、GS和GOGAT活性测定

从开花后第7天开始，每7 d取样一次，分别参照董召娣[27]、邹 琦[28]、Lin[29]的方法对NR、GS和GOGAT活性进行测定。

1.2.3 产量及其构成的测定

成熟期各小区取1 m2，测定穗数，再取20个单茎，测定穗粒数和千粒重，然后人工收割(收割面积为240 m2)，计算籽粒产量。

1.3 数据处理分析

采用Excel 2017、SigmaPlot 12.0、SPSS 20.0软件对试验数据进行计算、统计分析及 绘图。

2 结果与分析

2.1 施氮对小麦籽粒灌浆参数的影响

从表1可以看出，随着施氮量的减少，新春6号和新春38号籽粒最大灌浆速率(Vm)先降后升再降，新春31号和新春49号则先升后降，前两个品种的Vm均在N3处理下达到最高值，分别比其他处理高0.72%～16.60%和7.51%～27.10%；后两个品种的Vm均在N2处理下达到最大值，分别比其他处理高1.77%～20.59%和4.69%～16.02%。随着施氮量的减少，籽粒达到最大灌浆速率的时间(tm)相对提前，同时Vm和灌浆持续时间(△t)增加，所以小麦粒重仍然比较高。

不同小麦品种的理论最大千粒重对施氮量的反应表现不同。新春6号和新春38号的理论最大千粒重均以N3处理最高，比其他处理分别高3.68%～10.96%和3.94%～13.73%。新春31号和新春49号的理论最大千粒重均以N2处理最高，分别比其他处理高0.49%～5.64%和 2.50%～10.50%。这说明适宜的施氮量有利于小麦籽粒灌浆。

2.2 施氮对小麦籽粒氮代谢酶活性的影响

各小麦品种籽粒的NR、GS和GOGAT活性均随花后天数的增加呈下降趋势(图1)。三种酶活性对施氮量的反应因品种而异。新春6号和新春38号的三种酶活性均表现为N3>N1>N2>N4>N5,而新春31号和新春49号均表现为N2>N1>N3>N4>N5。其中，在花后14 d,N3处理下，新春6号的三种酶活性分别比其他处理高5.03%～29.42%、7.25%～34.27%和7.22%～ 29.66%，新春38号分别高3.11%～ 18.34%、7.08%～33.06%和3.64%～21.21%；N2处理下新春31号的三种酶活性分别比其他处理高2.98%～30.02%、6.15%～36.07%和 5.25%～28.61%，新春49号分别高6.14%～22.25%、7.65%～33.07%和 6.50%～20.98%。

表1 不同供氮水平下滴灌春小麦籽粒灌浆参数比较Table 1 Comparison of grain filling parameters of spring wheat under drip irrigation with different nitrogen levels

**:P<0.01.

图1 不同供氮水平下小麦籽粒硝酸还原酶(NR)的活性

图2 不同供氮水平下小麦籽粒谷氨酰胺合成酶(GS)的活性

图3 不同供氮水平下小麦籽粒谷氨酸合成酶(GOGAT)的活性

2.3 施氮对滴灌春小麦籽粒产量及其构成的影响

随施氮量的增加，两年的滴灌春小麦籽粒产量及其构成因素均呈先增后降的趋势，且新春6号和新春38号均以N3处理、新春31号和新春49号均以N2处理最高(表2)。新春6号、新春31号、新春38号和新春49号的最高籽粒产量分别比其他处理提高2.49%～33.47%、0.74%～30.36%、1.26%～35.48%和1.44%～34.75%，说明适量施氮可改善滴灌春小麦籽粒产量结构，获得高产。

表2 滴灌春小麦籽粒产量及其构成因素Table 2 Yield and yield components of spring wheat under drip irrigation

同列数据后字母不同表示同一品种的不同处理间差异显著(P<0.05)。

Different letters after the values in same columns mean significant differences among the treatments for same variety at 0.05 level.

3 讨 论

小麦的籽粒灌浆特性不但受小麦品种本身的遗传特性的影响，还受施氮时期、施氮量和栽培方法的影响[30-31]。本研究表明，新春6号和新春38号在N3处理下小麦籽粒产量达到最高，比N5处理分别提高33.47%、35.48%；新春31号和新春49号小麦籽粒产量在N2处理下表现最高，比N5处理分别提高30.36%、34.75%。与常规施氮的N1处理相比，N2、N3处理的小麦籽粒产量并没有降低，反而得到增加。这与周苏玫等[32]和徐云姬等[33]研究结果一致，说明在常规施肥量的基础上，适当减少氮肥施用量可以提高小麦籽粒产量。

研究发现，在一定范围内，增施氮肥能够提高小麦籽粒最大灌浆，且延迟灌浆启动的时间，使达到最大灌浆速率的时间提前[34]。本研究也得出相同的结果一致。本研究中，新春6号和春31号最大灌浆速率(Vm)分别在N3和N2处理下最大，分别比N5处理提高16.60%和20.59%；新春38号与新春49号的Vm分别在N3和N2处理下表现最优，分别比N5处理提高27.10%和 16.02%。综上所述，适宜的施氮量不但能延长了小麦灌浆活跃期，还能提高籽粒灌浆速率，对最终高粒重形成有利。

作物吸收的氮素经过一系列代谢合成体内所需要的蛋白质、核酸和其他含氮化合物。而NR、GS、GOGAT等是这一过程中的关键酶，对氮代谢起着重要的作用[35-36]。研究表明,水稻的施氮量为180 kg·hm-2时水氮互作优势能提高氮肥利用效率，且使氮代谢酶活性得到提升,达到提高产量的目的;但当施氮量为270 kg·hm-2时,其耦合效应优势减弱,导致NR、GS和GOGAT活性的降低,使氮素利用效率及产量下降[37]。本试验结果表明，小麦籽粒中的NR、GS和GOGAT活性都是呈现下降的趋势。其中，新春6号和新春38号籽粒的三种酶活性在N3处理下达到最大，而新春38号和新春49号籽粒的三种酶活性在N2处理下表现最优。这与李金娜等[38]和易 媛等[39]研究结果一致。小麦籽粒蛋白质品质的形成是一个复杂的生理生化过程，由遗传因素和环境因素共同决定，因此应进一步验证上述试验结果，并通过适当减少氮肥施用量来提高小麦籽粒中氮代谢酶的活性，从而改善小麦品质，为指导优质小麦栽培提供依据。