氮素调控措施对小麦植株氮素同化过程和产量的影响

杨 磊，夏 炎，韩自强，王 军，宋 贺，董召荣，车 钊

(安徽农业大学农学院/农业部黄淮南部小麦生物学与遗传育种重点实验室，安徽合肥 230036)

小麦是中国主要的粮食作物之一，施用氮肥是保障小麦产量的重要措施。近年来，由于过量施氮，造成小麦易倒伏、病虫害增多、氮肥利用率下降[1]，同时还引发地下水硝酸盐超标、湖泊富营养化、温室气体排放量增加等一系列环境问题[2-3]。因此，在氮肥投入水平不变或减量施氮的前提下，维持小麦产量、提高氮肥利用效率对保障粮食安全和生态安全有重要意义。

氮素调控是提高作物产量和氮肥利用效率的有效途径。施用硝化抑制剂、生物炭和叶面肥是目前常用的氮素调控方法[4-6]。硝化抑制剂能对亚硝化细菌产生毒性[7]，使土壤中的氮肥多数以铵态氮的形式存在[8]，进而对土壤氮素转化的过程和速率产生影响。施用硝化抑制剂可以提高小麦氮素利用率并提高小麦产量[9]。生物炭具有较强的吸附性、抗氧化性和抗生物分解能力[10]，能提高养分的有效性，减少土壤养分的淋失，促进作物生长，提高小麦和玉米的产量和品质[11]。叶面喷肥能够延长叶片功能期，增加物质运转，弥补根系追肥的不足[12]，能在一定程度上增加作物产量，促进作物对氮素的吸收利用[13]。氮素同化是作物体内的重要生理过程，与作物产量形成和氮素利用效率等密切相关，然而，目前关于硝化抑制剂和生物炭对小麦氮同化过程的影响机制尚不清楚，需要进一步探索。因此，本研究通过大田试验，设置硝化抑制剂、生物炭和叶面肥等氮素调控方式，研究不同氮素调控方式对小麦关键生育时期氮素同化过程和产量的影响，以期为小麦高效绿色栽培选择合理的氮素调控措施提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2015—2016年在安徽省合肥市庐阳区安徽农业大学国家高新技术农业园进行，试验地属亚热带湿润季风气候。试验地土质为黄褐土，有机质18.08 g·kg-1，全氮1.31 g·kg-1，碱解氮70.98 mg·kg-1，全磷0.34 g·kg-1，速效磷17.02 mg·kg-1，全钾32.56 g·kg-1，速效钾190.32 mg·kg-1，pH 6.41。

1.2 试验设计

采用单因素随机设计，设不施氮肥(CK)、传统施肥(CN)、传统施肥+生物炭(CN+C)、传统施肥+硝化抑制剂(CN+D)、传统施肥+叶面喷肥(CN+P)5个处理，各处理设3次重复。传统施肥处理的氮、磷、钾肥用量均按照当地的施肥习惯设置，分别为240、150、120 kg·hm-2(均为折纯量)，其中氮肥为尿素(含N 46%)，磷肥为过磷酸钙(含P2O517%)，钾肥为氯化钾(含K2O 60%)。不施氮肥处理的磷、钾肥用量与传统施肥处理一致。磷肥和钾肥均作为基肥一次性施入，氮肥70%作基肥、30%做追肥。生物炭选取水稻颖壳高温炭化产物，施用量15 t·hm-2。硝化抑制剂按照与尿素1∶100的质量比均匀喷于尿素颗粒表面作基肥施入。叶面喷肥处理于小麦开花后配1%尿素溶液喷施，每次尿素用量15 kg·hm-2，每隔7 d喷施1次，共4次。各小区面积15 m2(3 m×5 m)，供试小麦品种为晥麦68，于2015年12月1日播种，行距25 cm，基本苗3.75×106株·hm-2。

1.3 测定项目和方法

分别于返青、拔节、抽穗、扬花和灌浆期取长势一致的小麦50株。其中，取20株小麦的茎秆和上三叶于 -80 ℃保存，用于硝酸还原酶(NR)[14]、谷氨酰胺合成酶(GS)[15]活性的测定；取另外20株小麦的茎和叶于105 ℃杀青30 min，80 ℃烘干至恒重，称重磨粉，用于干物质积累量和全氮含量[16]的测定；取剩余10株小麦的鲜样用于可溶性蛋白质[14]、铵态氮[17]、硝态氮[17]以及游离氨基酸含量的测定。游离氨基酸测定：取0.5 g鲜样冰水浴研磨后，用5 mL 5%磺基水杨酸浸提30 min， 10 000 r·min-1离心10 min，取上清液于0.22 μm滤膜过滤后用L-8900全自动专用氨基酸分析仪测定。

成熟期每小区随机取连续3 m2小麦，脱粒、晒干后计产。

1.4 数据分析与处理

氮素农学效率=(施氮处理籽粒产量-不施氮处理籽粒产量)/施氮量；

地上部氮素积累量=地上部植株全氮含量×地上部干物质积累量；

氮肥吸收利用率=(施氮处理地上部氮素积累 量-不施氮处理地上部氮素积累量)/施氮量×100%；

氮素偏生产力=施氮处理籽粒产量/施氮量。

采用Microsoft Excel 2010和DPS 7.05软件分析数据并制图，通过Duncan新复极差法进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 氮素调控对小麦叶和茎秆氮代谢的影响

2.1.1 对铵态氮和硝态氮含量的影响

氮肥调控对小麦叶和茎秆的硝态氮、铵态氮含量有明显影响。由图1可知，除扬花期外，其他生育时期CN+D和CN+C处理小麦叶片的铵态氮含量均显著高于CN处理；灌浆期各处理叶片的铵态氮含量表现为CN+P>CN+D>CN+C>CN>CK，其中CN+P、CN+D和CN+C处理叶片的铵态氮含量分别是CN处理的2.22、 1.61和1.38倍。各处理小麦茎秆铵态氮含量的变化趋势基本一致，在返青期最高，拔节期至抽穗期逐渐下降，抽穗期至灌浆期则先升后降。在返青期、拔节期和扬花期，CN+C和CN+D处理茎秆的铵态氮含量显著高于CN处理；灌浆期CN+P处理茎秆的铵态氮含量显著高于其他处理，是CN处理的1.07倍。除灌浆期外，其他生育时期CN+C处理叶片的硝态氮含量均最高，且显著高于其他处理；灌浆期CN+D处理叶片的硝态氮含量最高，CN处理次之，两者显著高于其他处理。灌浆期CN+D、CN+C和CN+P处理茎秆的硝态氮含量分别是CN处理的1.54、1.22和 1.16倍，差异达到显著水平。说明与传统施肥相比，施用生物炭能提高小麦体内铵态氮和硝态氮含量，施用硝化抑制剂能提高小麦体内铵态氮含量和灌浆期硝态氮含量，施用叶面肥能提高灌浆期小麦体内铵态氮含量。

同一生育时期柱形图上方的小写字母不同表示处理间在0.05水平差异显著。图2同。

Different lower-case letters at the same growth stage indicate significant difference among different treatments at the level of 0.05.The same in figure 2.

图1 不同氮肥调控措施下小麦叶片和茎秆中的铵态氮、硝态氮含量

Fig.1 Content of ammonium nitrogen and nitrate nitrogen in wheat leaf and stalk under different N regulations

2.1.2 对硝酸还原酶和谷氨酸酰胺合成酶活性的影响

由图2可知，随生育时期推进，CN+P处理小麦叶片的NR活性逐渐上升并在灌浆期达到最大值，而其他处理则呈先升后降的变化趋势。其中，抽穗期和扬花期CN+D处理的NR活性显著高于CN处理，抽穗期CN+C处理叶片的NR活性显著高于CN处理，灌浆期CN+P处理的NR活性最高，分别是CN+D、CN+C和CN处理的1.84、2.11和1.79倍。各处理小麦茎秆的NR活性均随生育时期推进呈先升后降的变化趋势，在拔节期达到最大值，其中，抽穗期至灌浆期CN+D和CN+C处理的NR活性均显著高于CN处理，扬花期和灌浆期CN+P处理的NR活性均显著高于CN处理。各处理小麦叶片的GS活性在扬花期达到最大值。其中，除抽穗期CN+C处理与CN处理差异不显著外，其他生育时期CN+D处理和CN+C处理的GS活性均显著高于传统施肥处理。CN+C、CN+D处理小麦茎秆的GS活性在整个生育时期均显著高于CN处理，但CN+P处理与CN处理间无显著差异。说明与传统施肥相比，施用生物炭和硝化抑制剂能提高小麦体内NR和GS活性，施用叶面肥能提高小麦灌浆期NR活性。

2.1.3 对游离氨基酸和可溶性蛋白质含量的影响

由表1可知，CN+C处理叶片的游离氨基酸含量最高，CN+D处理次之，两者分别是CN处理的1.69和1.48倍；CN+D处理茎秆的游离氨基酸含量最高，CN+P次之，两者分别是CN处理的1.55和1.52倍；CN+D处理叶片的可溶性蛋白质含量最高，显著高于其他处理，较CN处理高3.18%；各氮素调控处理茎秆的可溶性蛋白质含量均显著高于传统施肥处理，其中CN+C、CN+P和CN+D处理分别是CN处理的1.58、1.58和1.64倍。说明与传统施肥相比，氮素调控处理能提高灌浆期小麦体内的游离氨基酸和可溶性蛋白质含量。

图2 不同氮素调控措施下小麦叶片和茎秆中硝酸还原酶、谷氨酸酰胺合成酶的活性

表1 灌浆期小麦叶、茎秆游离氨基酸和可溶性蛋白质含量Table 1 The content of free amino acids and soluble protein in leaf and stalk of wheat during grain filling period

同列数据后不同小写字母表示在0.05水平上差异显著。下同。

Different small letters in the same column refer to significant differences at 0.05 level. The same in tables 2 and 3.

2.1.4 对成熟期小麦各器官全氮含量的影响

由表2可知，CN+D处理叶片的全氮含量显著高于其他处理，且CN+P、CN+C和CN处理间无显著差异；各氮素调控处理茎秆的全氮含量大小表现为CN+D>CN+C>CN>CN+P；CN+C、CN+D和CN+P处理籽粒的全氮含量分别较CN处理高34.36%、33.04%和35.24%，差异均达到显著水平。说明与传统施肥相比，施用硝化抑制剂能显著提高小麦成熟期各器官的全氮含量，而施生物炭和叶面肥能显著提高成熟期籽粒的全氮含量。

2.2 氮素调控对小麦产量和氮肥利用效率的影响

由表3可知，各氮素调控处理的小麦产量均显著高于传统施肥处理，且以CN+P处理的产量最高，达4 130.0 kg·hm-2，但其与CN+C和CN+D处理间无显著差异；施用叶面肥、生物炭和硝化抑制剂处理分别较传统施肥处理增产663.3、568.3和520.0 kg·hm-2，增产率分别达到19.13%、16.39%和15.00%。CN+D处理的氮肥吸收利用率最高，达到49.6%，显著高于其他处理。各氮素调控处理的氮肥农学效率和氮素偏生产力显著高于传统施肥处理，但三者间无显著差异。说明与传统施肥相比，各氮素调控措施能显著提高氮肥吸收利用率、氮肥农学效率和氮素偏生产力以及小麦产量。

表2 成熟期小麦各器官的全氮含量Table 2 Total N content in different organs of wheat at maturity among different treatments %

表3 不同处理间小麦产量和氮肥利用状况Table 3 N utilization and yield of wheat among different treantments

3 讨 论

氮同化过程的强弱与作物产量和氮素吸收利用率密切相关。游离氨基酸是氮同化过程的中间产物也是有机氮的运输形式[28]，可溶性蛋白质含量能反映植物体内的氮代谢水平[29]。本研究中，施用硝化抑制剂能较常规施肥显著提高灌浆期小麦的游离氨基酸和可溶性蛋白质含量，且在灌浆期小麦茎秆游离氨基酸和可溶性蛋白质含量均高于施生物炭和叶面喷肥处理。有研究表明，较高的氮代谢酶活性有利于氨基酸的合成和转化[30]。本研究中，3个氮素调控处理的氮肥吸收利用率、氮肥农学效率和氮素偏生产力均显著高于传统施肥处理，其中硝化抑制剂处理的氮肥吸收利用率达到49.6%，显著高于其他处理，这可能与灌浆期硝化抑制剂处理的GS活性较高有关。本研究中，CN+P处理的籽粒产量最高，达4 130.0 kg·hm-2，但不同氮素调控处理间的产量无显著差异；氮素调控处理的小麦产量显著高于传统施肥处理，这与前人的研究结果一致[31-33]。

综上所述，硝化抑制剂、生物炭及叶面喷肥等氮肥调控措施能通过改变氮素同化过程的底物浓度，增强相关氮同化酶活性，进而增加氮同化过程中间产物，提高氮肥吸收利用效率，从而增加小麦产量，但该促进作用是否能长期稳定增产还需进一步研究。