氮、锌肥配施对小麦根系氮、锌含量和氮、锌代谢相关酶活性的影响

张 均,梁振凯,李友军

(河南科技大学 农学院,河南 洛阳 471000)

氮、锌是作物生长所必需的元素，合理的氮、锌肥配比对实现作物优质、高产、低耗具有重要意义。根系是作物吸收营养的主要器官，其对养分的利用效率直接受氮、锌肥施用量和有效性影响[1-3]。大量研究表明，氮肥施用量过大，作物根系氮代谢途径受到抑制，根系易早衰[4-5]；氮肥施用量不足，同样使根系氮代谢受阻，根系发育不良[6-8]。适宜范围内增施氮肥，可以增加根长和根条数，减小根冠比，显著提高根系硝酸还原酶、谷氨酸合成酶活性和根系活力[9-11]。植物根系主要以二价阳离子的形式对锌进行吸收。研究表明，锌对植物根系内多种酶具有调节、催化作用，它既可以作为酶的辅助因子参与酶促反应，也可以作为酶的金属组分[12-14]。缺锌首先导致色氨酸含量减少，生长素含量降低，根系发育受到抑制[15]。对作物生长而言，氮、锌具有协同效应[16-17]。一定范围内，增施氮、锌肥，植株地上部锌含量显著高于单施氮肥或单施锌肥处理[18-19]。氮、锌肥配施同样对植株地上部器官锌转运具有重要作用[20-21]。氮、锌肥配施条件下，随生育进程推进，小麦植株锌逐渐由营养器官转向籽粒，这对于提高作物籽粒锌含量，满足人类锌营养具有显著作用[22-23]。目前，关于氮、锌互作在小麦上的研究主要集中于其对小麦产量及籽粒锌含量的影响方面[16,19]，尚未见对小麦根系氮、锌含量及氮、锌代谢相关酶活性的影响研究。为此，研究氮、锌肥配施对小麦根系氮、锌含量及氮、锌代谢相关酶活性的影响，为生产实践中氮、锌肥高效利用提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况及试验材料

试验于2017—2018年在河南科技大学农场进行。试验地土壤为壤土，大田耕层土壤含有机质16.5 g/kg、全氮0.96 g/kg、碱解氮64.89 mg/kg、速效磷15.16 mg/kg、速效钾120 mg/kg、有效锌0.44 mg/kg。

供试小麦品种为豫麦66(根系较发达型)和豫麦49-198(根系欠发达型)。

1.2 试验方法

试验采用盆栽试验，完全随机设计。盆高25 cm，盆口直径(内径)27.5 cm，每盆装土10 kg，盆栽用土为大田耕层土壤。设置3个供氮水平，分别为0 kg/hm2(N1)、120 kg/hm2(N2)和240 kg/hm2(N3)，以尿素溶液形式施入土壤中。设置3个供锌水平，分别为0 kg/hm2(Zn1)、15 kg/hm2(Zn2)和30 kg/hm2(Zn3) ，以ZnSO4·7H2O溶液形式施入。共9个处理，每处理重复3次。各处理分别表示为N1Zn1、N1Zn2、N1Zn3、N2Zn1、N2Zn2、N2Zn3、N3Zn1、N3Zn2、N3Zn3。磷肥、钾肥、锌肥均基施，P2O5施入量为91.8 kg/hm2，K2O施入量为120 kg/hm2。氮肥50%底施，50%拔节期追施。肥料来源：氮肥为尿素(含N 46%)，磷肥为过磷酸钙(含P2O517%)，钾肥为氯化钾(含K2O 64%)。每盆定植小麦13株，置于防雨棚内，避免自然降水对盆内养分含量的影响，生长过程中定量浇灌去离子水。

1.3 样品采集

分别在小麦分蘖期(11月15日)、越冬期(12月25日)、返青期(2月5日)、拔节期(3月15日)、挑旗期(4月5日)、灌浆期(5月15日)、成熟期(5月30日)进行根系取样，每个时期每个处理各取3盆，计为3个重复。根系冲洗前预浸土壤-根系样品2 h，以便冲洗时根、土容易分离，保持根系活性。根系冲洗后，用湿纱布包裹根样，装入塑料袋内带回实验室。

1.4 测定项目与方法

1.4.1 全氮含量 全氮含量采用凯氏定氮法测定，所用仪器为德国Bran Luebbe公司生产的AA3连续流动化学分析仪[24]。

1.4.2 锌含量 锌含量采用电热板加热HNO3-HClO4(4∶1)消解，利用德国耶拿公司生产的ZEEnit 700P原子吸收光谱仪进行测定[24]。

1.4.3 硝酸还原酶活性 硝酸还原酶活性参照离体法进行测定[25]。

1.4.4 谷氨酸合成酶活性 谷氨酸合成酶活性参照文献[26]进行测定。

1.4.5 色氨酸合成酶活性 色氨酸合成酶活性参照文献[27]进行测定。

1.4.6 植酸酶活性 植酸酶活性参照文献[28-29]进行测定。

1.5 数据处理

试验数据采用Excel 2007和SPSS 17.0 进行处理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 氮、锌肥配施对小麦根系全氮、锌含量的影响

2.1.1 全氮含量 由表1可知，根系较发达型品种豫麦66根系全氮含量随生育进程的推进总体呈先升高后降低的趋势，以挑旗期最大。不同氮肥处理相比，根中全氮含量总体表现为N3、N2>N1。这说明适量增施氮肥可以提高根中全氮含量。不同锌肥处理相比，根中全氮含量在N1和N2水平下总体表现为Zn2、Zn3>Zn1，N3水平下无明显规律，这说明适量增施锌肥可以提高根中全氮含量。不同氮、锌肥组合之间比较，总体以N1Zn1处理根中全氮含量最低，N2Zn2处理根中全氮含量在拔节期及之前高于其他处理，拔节期之后根中全氮含量开始下降，尤其是灌浆期，低于大部分处理，这说明该处理根系中的氮素向地上部转移效率较高，可以为籽粒灌浆提供较多的养分需求。N2Zn3处理情况与N2Zn2处理相似。

表1 氮、锌肥配施对豫麦66根系全氮含量的影响Tab.1 Effect of combined application of nitrogen and zinc fertilizers on total nitrogen content of root of Yumai 66 g/kg

注：同列数据后不同小写字母表示不同处理间的差异显著(P<0.05),下同。

Note: The different lowercase letters after data of the same column mean significant differences among different treatments at 0.05 level, the same below.

由表2可知，根系欠发达型品种豫麦49-198根中全氮含量随着生育进程的推进呈先升高后下降的趋势，拔节期，各处理根中全氮含量最大。不同氮肥处理相比，根中全氮含量以N2处理最高，N1处理总体上最低。拔节期N2处理根系全氮含量显著高于N1处理。这说明增施适量氮肥可以提高根中全氮含量。不同锌肥处理相比，根中全氮含量总体表现为Zn2、Zn3>Zn1，这说明适量增施锌肥可以提高根中全氮含量。不同氮、锌肥组合之间比较，总体以N1Zn1处理根中全氮含量最低，N2Zn2处理最高，全生育期二者差异均达显著水平，N2Zn2处理根中全氮含量较N1Zn1处理提高34.9%～87.7%，说明适量增施氮肥、锌肥均能提高根系对氮素的吸收能力。综合比较，本试验条件下，N2Zn2处理根中全氮含量最高。

表2 氮、锌肥配施对豫麦49-198根系全氮含量的影响Tab.2 Effect of combined application of nitrogen and zinc fertilizers on total nitrogen content of root of Yumai 49-198 g/kg

2.1.2 锌含量 由表3可知，随着生育进程的推进，豫麦66根系锌含量总体呈先升高后下降的趋势，以拔节期最高。不同氮肥处理相比，根系锌含量总体表现为N2>N3>N1，说明适量施氮可以提高小麦根系锌含量。不同锌肥处理相比，根系锌含量在N2、N3水平下总体表现为Zn3>Zn2>Zn1，在N1水平下生育前、中期表现Zn2>Zn3>Zn1，后期表现为Zn3>Zn2>Zn1，说明氮肥可促进锌在小麦根系中积累。不同氮、锌肥组合之间比较，除拔节期(N3Zn3)、灌浆期(N1Zn3)外，其余时期均以N2Zn3处理根系锌含量最高，N2Zn2处理次之。

表3 氮、锌肥配施对豫麦66根系锌含量的影响Tab.3 Effect of combined application of nitrogen and zinc fertilizers on Zn content of root of Yumai 66 mg/kg

由表4可知，豫麦49-198根系锌含量变化趋势与豫麦66总体一致。不同氮肥处理相比，根系锌

表4 氮、锌肥配施对豫麦49-198根系锌含量的影响Tab.4 Effect of combined application of nitrogen and zinc fertilizers on Zn content of root of Yumai 49-198 mg/kg

含量总体表现为N3、N2>N1，说明施氮可增加根系锌含量。不同锌肥处理相比，挑旗期之前，总体表现为Zn3>Zn2>Zn1，之后规律不明显。不同氮、锌肥组合之间比较，以N1Zn1处理根系锌含量最低(挑旗期除外)，分蘖期、越冬期、拔节期、挑旗期以N3Zn3处理最高，其余时期总体以N2Zn2处理最高。综合分析说明，适宜的氮、锌肥配施能提高根系锌含量的积累，促进根系发育，总体以N2Zn2、N3Zn3处理提高根系锌含量效果较好。

2.2 氮、锌肥配施对根系氮代谢相关酶活性的影响

2.2.1 硝酸还原酶活性 硝酸还原酶在根系对氮素的吸收和代谢过程中是一种极其重要的限速酶和调节酶。由表5可知，豫麦66根系硝酸还原酶活性随着生育进程的推进呈先升高后降低的趋势，总体以拔节期最高。不同氮肥处理相比，根系硝酸还原酶活性总体表现为N2>N1、N3，拔节期以N2处理最高，显著高于N3处理。这说明适量增施氮肥可以提高根系硝酸还原酶活性，过高的氮肥水平对根系硝酸还原酶活性具有一定的抑制作用。不同锌肥处理相比，根系硝酸还原酶活性仅在N2水平下表现为Zn2>Zn1、Zn3，N1和N3水平下无明显规律，这说明适量氮肥水平下增施锌肥可以提高根系硝酸还原酶活性。不同氮、锌肥组合之间比较，N2Zn2处理根系硝酸还原酶活性最高，越冬期—挑旗期，显著高于N1Zn1处理，增幅为18.8%～70.7%。综合比较可知，适量增施氮肥或锌肥均可提高根系硝酸还原酶活性。

表5 氮、锌肥配施对豫麦66根系硝酸还原酶活性的影响Tab.5 Effect of combined application of nitrogen and zinc fertilizers on nitrate reductas activity of root of Yumai 66 μg/(g·h)

根系欠发达型小麦品种豫麦49-198根系硝酸还原酶活性在全生育期内的变化趋势总体同豫麦66(表6)。不同氮肥处理相比，总体表现为N2>N1、N3，说明同一锌肥水平下，适量增施氮肥可以使根系硝酸还原酶活性提高。不同锌肥处理相比，根系硝酸还原酶活性在N1水平下表现为Zn3>Zn1>Zn2，在N2水平下挑旗期及之前表现为Zn2>Zn1、Zn3，N3水平下无明显规律。不同氮、锌肥组合之间比较，越冬期—挑旗期，以N2Zn2处理根系硝酸还原酶活性最高，分别为25.8、52.7、71.7、68.7 μg/(g·h)。综合分析可知，适宜的氮肥施用量可提高根系硝酸还原酶活性。本试验条件下，全生育期内，N2Zn2处理根系硝酸还原酶活性最高。

表6 氮、锌肥配施对豫麦49-198根系硝酸还原酶活性的影响Tab.6 Effect of combined application of nitrogen and zinc fertilizers on nitrate reductase activity of root of Yumai 49-198 μg/(g·h)

表7 氮、锌肥配施对豫麦66根系谷氨酸合成酶活性的影响Tab.7 Effect of combined application of nitrogen and zinc fertilizers on glutamate synthase activity of root of Yumai 66 μg/(g·h)

由表8可知，豫麦49-198根系谷氨酸合成酶活性随生育进程的推进表现为先升高后降低的趋势，总体以拔节期最大。不同氮肥处理相比，根系谷氨酸合成酶活性总体表现为N2>N3>N1，说明适量增施氮肥可提高根系谷氨酸合成酶活性。不同锌肥处理相比，根系谷氨酸合成酶活性在N1、N3水平下总体表现为Zn3>Zn2>Zn1，在N2水平下表现为Zn2>Zn3>Zn1，说明增施锌肥同样可以提高根系谷氨酸合成酶活性。不同氮、锌肥组合之间比较，N1Zn1处理根系谷氨酸合成酶活性最低，总体以N2Zn2处理最高，显著高于N1Zn1处理，N2Zn2处理比N1Zn1处理提高41.8%～200.0%。与根系发达型品种豫麦66相比，豫麦49-198根系谷氨酸合成酶活性较低，这可能与豫麦49-198发根量少，吸收、转化能力弱有关。本试验条件下，N2Zn2处理根系谷氨酸合成酶活性最高。

表8 氮、锌肥配施对豫麦49-198根系谷氨酸合成酶活性的影响Tab.8 Effect of combined application of nitrogen and zinc fertilizers on glutamate synthase activity of root of Yumai 49-198 μg/(g·h)

2.3 氮、锌肥配施对根系锌代谢相关酶活性的影响

2.3.1 色氨酸合成酶活性 生长素对根系的发育具有重要调节作用。色氨酸是合成生长素的必需因子，在色氨酸合成吲哚乙酸步骤中，缺锌可抑制色氨酸向生长素的转化，阻碍生长素向根部运输，而色氨酸合成酶是色氨酸合成的关键酶[27]。由表9可知，整个生育期，豫麦66根系色氨酸合成酶活性总体呈先升高后降低的变化趋势，以挑旗期最高。不同氮肥处理相比，根系色氨酸合成酶活性总体表现为N2>N1>N3，说明适量施氮可以提高根系色氨酸合成酶活性，过量施氮反而抑制根系色氨酸合成酶活性。不同锌肥处理相比，根系色氨酸合成酶活性总体表现为Zn3>Zn2>Zn1，说明增施锌肥可以提高根系色氨酸合成酶活性。不同氮、锌肥组合之间比较，总体以N2Zn3处理根系色氨酸合成酶活性最高，N2Zn2处理次之。

表9 氮、锌肥配施对豫麦66根系色氨酸合成酶活性的影响Tab.9 Effect of combined application of nitrogen and zinc fertilizers on tryptophan synthase activity of root of Yumai 66 mmol/(g·h)

全生育期，豫麦49-198根系色氨酸合成酶活性在2.0～5.8 mmol/(g·h)，以拔节期最高(表10)。不同氮肥处理相比，根系色氨酸合成酶活性在Zn1水平下总体表现为N1>N2、N3，Zn2、Zn3水平下无明显规律。不同锌肥处理相比，根系色氨酸合成酶活性在N2和N3水平下总体表现为Zn3>Zn2>Zn1，N1水平下总体表现为Zn3、Zn1>Zn2，说明适量增施锌肥可以提高根系色氨酸合成酶活性。不同氮、锌肥组合之间比较，总体以N2Zn3处理最高，N1Zn1、N2Zn2、N3Zn3处理较高。综合分析可知，适宜范围内增施锌肥，可以提高根系色氨酸合成酶活性，促进根系发育，氮肥对其影响小于锌肥。

表10 氮、锌配施对豫麦49-198根系色氨酸合成酶活性的影响Tab.10 Effect of combined application of nitrogen and zinc fertilizers on tryptophan synthase activity of root of Yumai 49-198 mmol/(g·h)

2.3.2 植酸酶活性 植酸酶是一种能催化植酸水解为肌醇和磷酸的一类酶的总称，其与锌密切相关。由表11可知，随着生育进程的推进，豫麦66根系植酸酶活性呈先上升后下降的变化趋势，各处理均以拔节期最大。不同氮肥处理相比，根系植酸酶活性总体表现为N2>N1、N3，说明增施适量氮肥有利于提高根系植酸酶活性。不同锌肥处理相比，根系植酸酶活性仅在N2水平下表现为Zn2>Zn1、Zn3，说明增施适量锌肥有利于提高根系植酸酶活性，而在N1和N3水平下则无明显规律。不同氮、锌肥组合之间比较，N2Zn2处理根系植酸酶活性最高，较其他处理提高16.7%～50.0%，其中，与N1Zn1处理差异达显著水平。综合分析可知，适量增施氮、锌肥均可增加小麦根系植酸酶活性，以N2Zn2处理最优。

豫麦49-198根系植酸酶活性也随生育进程的推进呈先升高后降低的趋势，以拔节期最高(表12)。不同氮肥处理相比，根系植酸酶活性总体表现为N2>N1>N3，说明增施适量氮肥可提高根系植酸酶活性，但过量施氮则会抑制根系植酸酶活性。不同锌肥处理相比，根系植酸酶活性总体表现为Zn2>Zn1、Zn3，总体上各处理间差异均不显著，说明本试验条件下，根系植酸酶活性受锌肥的影响不大。不同氮、锌肥组合之间比较，以N2Zn2处理根系植酸酶活性最高。

表11 氮、锌肥配施对豫麦66根系植酸酶活性的影响Tab.11 Effect of combined application of nitrogen and zinc fertilizers on phytase activity of root of Yumai 66 μmol/(g·min)

表12 氮、锌肥配施对豫麦49-198根系植酸酶活性的影响Tab.12 Effect of combined application of nitrogen and zinc fertilizers on phytase activity of root of Yumai 49-198 μmol/(g·min)

3 结论与讨论

适宜的氮、锌肥配施对作物生长发育具有重要作用，也是获得作物高产、优质、低耗的重要途径之一。前人研究表明，小麦植株体内氮、锌含量呈显著正相关关系[3,30]。氮、锌肥配施可显著提高根系对氮、锌的吸收能力，促进根系发育[3]。本研究结果表明，适量增施氮、锌肥可提高小麦根系中氮、锌含量，这与前人[31]研究结果基本一致。但有研究表明，缺锌条件下，增施氮肥会降低小麦植株体内锌含量，即使大幅度增施氮肥，其增产效果仍不显著[17]。本研究结果表明，适当增施氮、锌肥均可提高根系全氮、锌含量。综合比较而言，小麦全生育期内，N2Zn2处理可保持较高的根系氮含量；N3Zn3、N2Zn2处理根系锌含量较高。

氮、锌对植物的生理代谢及多种酶的活性均具有重要影响，氮、锌肥配施能促进根系氮代谢相关酶活性的提高[32]。当根系缺锌时，根细胞膜受损，代谢途径受阻，根系发育受到抑制[31,33]。本研究发现，与单施氮肥或单施锌肥相比较，适当的氮、锌肥配施可提高小麦根系硝酸还原酶活性和谷氨酸合成酶活性。

锌是多种酶的主要组分，其中色氨酸合成酶和植酸酶是与锌密切相关的酶。缺锌可抑制色氨酸向生长素的转化，阻碍生长素向基部运输，而供锌后，生长素浓度逐渐提高[15,34]。小麦植株器官中的锌极易受到植酸的影响，植酸分子中的磷酸基能与锌紧密结合，从而降低锌的溶出率[35]。本研究结果表明，适量增施锌肥可提高根系色氨酸合成酶和植酸酶活性，这与前人[29,35]研究结果基本一致。综合比较而言， 总体以N2Zn2处理根系色氨酸合成酶和植酸酶活性最高。

综上所述，适宜范围内，增施氮、锌肥可以增加小麦根系全氮含量、锌含量，提高根系硝酸还原酶、谷氨酸合成酶、色氨酸合成酶、植酸酶活性，从而增强根系氮、锌代谢能力，促进根系生长发育。就2个小麦品种比较而言，根系欠发达型小麦品种豫麦49-198根系氮、锌代谢能力稍低于根系较发达型小麦品种豫麦66，但豫麦49-198根系相关测定指标变化趋势与豫麦66基本一致。在本试验条件下，N2Zn2处理最优。