氮素水平对科尔沁沙地羊草叶片氮代谢及产量的影响

2021-12-01候文慧张玉霞杜晓艳王鑫鲍青龙丛百明

草原与草坪 2021年5期

候文慧，张玉霞，杜晓艳，王鑫，鲍青龙，丛百明

(1.内蒙古民族大学，内蒙古通辽 028041；2.赤峰市草原工作站，内蒙古赤峰 024000；3.通辽市畜牧兽医科学研究所，内蒙古通辽 028000)

羊草(Leymuschiueusis)，又名碱草，为多年生广域性禾草，隶属于禾本科(Gramineae)赖草属(Leymus)[1]。羊草是牛羊均喜食的牧草，营养物质含量丰富，被称为“牧草中的细粮”[2]，集中分布于欧亚大陆草原东部，而羊草在我国主要分布在东北草原和内蒙古草原，约占全球总量的一半[3]。内蒙古草原属于欧亚草原的一部分，我国草原的典型特征包括物种组成和群落结构[4]，很容易在东北和内蒙古草原形成大面积的单一优势植被[5]。羊草适口性好[6]，叶量大，产量高，具有较高的经济价值。且具有抗旱、抗寒、耐盐碱等特征[7]，根茎发达，耐牧性强，防风固沙，可减少水土流失，有很大的生态价值。因此，种植羊草，对治理草原“三化”，促进畜牧业发展具有重要的作用[8-10]。

氮代谢与植物的生长和产量构成有关。大量研究表明，谷氨酰胺合成酶和硝酸还原酶是氮素同化的关键酶，对蛋白质合成具有重要的影响[11-15]。目前关于氮肥如何通过促进氮代谢，促进生长发育的研究尚少。关于氮还原酶活性与植物氮化合物含量之间的关系，一些研究发现氮含量与植物氮化合物含量呈正相关，而另一些则不显著[15-17]。谷氨酰胺合成酶是氮代谢中心的多功能酶，是各种氮代谢的调节剂，通过适当增加氮肥用量，可以提高氨同化效率，促进蛋白质合成[18-19]。研究表明，适当供应氮可以改善小麦氮代谢的关键酶活性，改善氮在谷物中的分布和运输，提高谷物产量[20]。

1 材料和方法

1.1 试验区自然概况

试验地设在内蒙古自治区通辽市科尔沁区育新镇(E 122°21′，N 43°57′)和内蒙古民族大学科技园区(E 122°28′，N 43°53′)，地理位置相距10 km，均属温带半干旱大陆性气候。年均气温0～6℃，≥10℃年积温3 000～3 200℃，无霜期140～150 d，年均降水量350～400 mm，蒸发量是降水量的5倍，年均风速3.0～4.4 m/s。通辽市育新镇土壤类型为风沙土，pH值8.0，土壤有机质0.65%，碱解氮36.37 mg/kg，速效磷含量3.81 mg/kg，速效钾含量78.51 mg/kg，全氮含量0.037%。内蒙古民族大学农业试验站土壤类型为风沙土，耕层土壤为20 cm，pH值为8.3，土壤有机质含量0.64%，全氮含量0.036%，碱解氮含量35.37 mg/kg，速效钾含量77.51 mg/kg，速效磷含量3.71 mg/kg。

1.2 材料与方法

供试材料为吉农1号羊草品种，其中内蒙古民族大学科技园区为2015年人工建植的羊草草地，育新镇为2016年人工建植的羊草草地。

试验区采取随机区组设计，设置了0(CK)、50、100、150、200 kg/hm2的施氮(N)量，分别用N0、N1、N2、N3、N4表示，氮肥为尿素(氮含量为46%)，同时每个处理均施磷肥(P2O5)200 kg/hm2，钾肥(K2O)200 kg/hm2，分别用重过磷酸钙(P2O5含量为44%)和氯化钾(K2O含量为60%)替代。小区面积为16 m2，4次重复，共20个小区。于2020年4月20日(分蘖期)进行人工追施氮肥，追施氮肥用量为全年用氮量的50%，施肥采用撒施方式，施肥后立即进行灌水。于5月20日在科技园区和育新镇进行取样，取羊草叶片测定有关氮代谢关键酶活性及相关活性物质的含量，7月10日测定羊草产量。

1.3 测定指标与方法

硝酸还原酶(NR)活性采用活体法测定[21]；谷氨酰氨合成酶(GS)酶活性参考金正勋的方法测定[22]；可溶性蛋白(SP)含量采用考马斯亮蓝G-250比色法测定[21]；游离氨基酸(AA)含量采用水合茚三酮比色法测定[21]；谷氨酸草酰乙酸转氨酶(GOT)和谷氨酸丙酮酸转氨酶(GPT)活性参照吴良欢[23]的方法测定。

产量测定：在取样小区内刈割1 m2羊草，留茬高度5 cm，收割后称鲜重，鲜草风干后称干重并计算干鲜比。

1.4 数据分析

试验数据用Microsoft Excel 2010软件进行统计和分析，并制作表格，用SPSS 17.0软件对数据进行单因素方差显著性分析(P<0.05)，所有数据均采用平均值±标准差(mean±SD)表示。

2 结果与分析

2.1 氮素水平对羊草产量的影响

随着施氮量的不断增加，科技园区和育新镇的羊草鲜草产量、干草产量和干鲜比均随着施氮量的增加呈先增加后降低趋势。在N2水平下，科技园区和育新镇羊草的鲜草产量、干草产量和干鲜比均达最大值，其中科技园区羊草鲜草产量显著高于N0和N1水平(P<0.05)，而与N3和N4水平差异不显著(P>0.05)；干草产量和干鲜比均显著高于其他氮素水平(P<0.05)；育新镇羊草鲜草产量、干草产量和干鲜比均显著高于其他氮素水平(P<0.05)(表1)。由此说明，两个样地在N2水平下最有利于羊草干物质的积累。

表1 不同N素水平处理下沙地羊草产量

2.2 氮素水平对羊草叶片含氮物质含量的影响

随着施氮量的不断增加，羊草叶片的可溶性蛋白含量和游离氨基酸含量均随着施氮量的增加而呈先增加后降低趋势。在N2水平下，科技园区和育新镇羊草的可溶性蛋白含量达到最大值，其中，科技园区羊草叶片的可溶性蛋白含量与N3水平差异不显著，但显著高于其他氮素水平(P<0.05)；而育新镇羊草叶片的可溶性蛋白含量显著高于其他氮素水平(P<0.05)。在N3水平下，科技园区和育新镇羊草的游离氨基酸含量达到最大值，并且显著高于其他氮素水平(P<0.05)(表2)。由此说明，在N2水平下可溶性蛋白含量最高，而游离氨基酸含量在N3水平最高，施氮可以增加含氮物质的含量，提高氮素代谢能力。

表2 不同N素水平处理下沙地羊草叶片含氮物质含量

2.3 氮素水平对羊草叶片氮素代谢酶活性的影响

随着施氮量的不断增加，科技园区羊草叶片的GPT活性和GOT活性均随着施氮量的增加而呈先增加后降低趋势。在N3水平下，羊草叶片的GPT活性和GOT活性达到最大值，其中羊草叶片的GPT活性显著高于其他氮素水平(P<0.05)；而羊草叶片的GOT活性显著高于N0、N1和N4水平，与N2水平差异不显著。随着施氮量的不断增加，科技园区羊草叶片的GS活性和NR活性均随着施氮量的增加呈先增加后降低趋势。在N3水平下，羊草叶片的GS活性和NR活性达到最大值，其中羊草叶片的GS活性和NR活性均显著高于其他氮素水平(P<0.05)。育新镇羊草叶片的GPT活性和GOT活性均随着施氮量的增加而呈先增加后降低趋势。在N3水平下，羊草叶片的GPT活性和GOT活性达到最大值，其中羊草叶片的GPT活性显著高于其他氮素水平(P<0.05)，而羊草叶片的GOT活性显著高于N0水平，与N1、N2和N4水平之间差异不显著。随着施氮量的不断增加，育新镇羊草叶片的GS活性和NR活性均随着施氮量的增加而呈先增加后降低趋势。在N3水平下，羊草叶片的GS活性和NR活性达到最大值，其中羊草叶片的GS活性和NR活性均显著高于其他氮素水平(P<0.05)(表3)。由此说明，在N3水平下，两样地羊草叶片中GPT、GOT、GS和NR活性最强，施氮可以显著增强氮代谢酶活性，进而提升氮素代谢能力。

表3 不同N肥水平处理下沙地羊草叶片关键酶活性

2.4 羊草产量与氮代谢酶及含氮物质间相关性分析

科技园区羊草鲜草产量与干草产量和AA含量呈极显著正相关(P<0.01)，与干鲜比、GPT、GOT和GS活性呈显著正相关(P<0.05)；干草产量与AA含量呈极显著正相关(P<0.01)，与干鲜比、GPT、GOT、GS和NR活性呈显著正相关(P<0.05)；干鲜比与AA含量呈极显著正相关(P<0.01)，与GPT、GOT、GS和NR活性呈显著正相关(P<0.05)。羊草叶片GPT与GOT、GS、NR活性及SP含量呈极显著正相关(P<0.01)，与AA含量呈显著正相关(P<0.05)；GOT与GS、NR活性及AA含量呈极显著正相关(P<0.01)；GS与NR活性和AA含量呈极显著正相关(P<0.01)，与SP含量呈显著正相关(P<0.05)；NR活性与AA和SP含量呈显著正相关(P<0.05)。育新镇羊草鲜草产量与干草产量、干鲜比和AA含量呈极显著正相关(P<0.01)，与SP含量呈显著正相关(P<0.05)；干草产量与干鲜比和AA含量呈极显著正相关(P<0.01)，与NR活性和SP含量呈显著正相关(P<0.05)；干鲜比与NR活性、SP和AA含量呈显著正相关(P<0.05)；羊草叶片的GPT与GOT活性呈显著正相关(P<0.05)，与NR活性和SP含量呈极显著正相关(P<0.01)；GOT活性与GS、NR和SP含量呈显著正相关(P<0.05)；GS与NR活性呈显著正相关(P<0.05)；NR活性与AA含量呈显著正相关(P<0.05)与SP含量呈极显著正相关(P<0.01)；AA与SP含量呈显著正相关(P<0.05)(表4)。由此说明，两个样地的羊草产量受氮代谢酶活性及含氮物质含量的影响，且均与产量呈正相关关系，含氮物质含量越高，氮代谢酶活性越强，因此施氮有利于羊草氮素代谢，从而提高产量。

表4 羊草产量和叶片氮代谢相关酶活性及含氮化合物相关性分析

3 讨论

硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶、谷氨酸草酰乙酸转氨酶和谷氨酸丙酮酸转氨酶是植物体内氮代谢过程的关键酶，彼此间具有紧密的协同性[24]。氮代谢在植物的生命活动中有重要的作用，氮代谢水平直接影响植物的生长发育[25]。NR是植物体内氮代谢的关键酶，其酶活性的高低和氮同化能力相关；GS是植物氮代谢过程中的多功能酶，参与多种氮代谢调节[26]，其活性的提高有利于氮素代谢能力的增强，进而促进氨基酸的合成和转化[27]。本研究表明，氮肥能够显著增加NR和GS活性，主要由于氮肥能为NR提供充足的催化底物，从而提高NR活性[28]。植物NH+4的同化是通过GS协同配合循环进行的[29]。在氮素同化过程中，GS将NH+4同化形成谷氨酰胺，然后进一步转化成谷氨酸，形成氨基酸，进而形成不同的蛋白质[30]。

赵吉平等[31]研究表明，施氮量为240 kg/hm2时，小麦旗叶的GS、NR等关键酶活性最高，小麦旗叶氮素代谢关键酶活性与籽粒产量呈显著相关；张弦等[32]研究显示，小麦旗叶的GS、NR等酶活性在240 kg/hm2水平高于180 kg/hm2及350 kg/hm2；郭萍等[33]研究结果表明，施氮显著提高了玉米叶片GS活性；孔令中等[34]研究结果表明，施氮量为279 kg/hm2，玉米功能叶片GS活性最强；本试验结果表明，追施氮肥对硝酸还原酶活性具有明显的促进作用，且随施氮量的增加硝酸还原酶活性随之增加。许多研究证实[35]，氮肥的添加显著提高了GS的活性，提高了对氮肥的利用效率，从而促进了植物对氮的吸收和利用。本试验研究发现，追施氮肥有效提高了羊草叶片GS活性，施肥量为150 kg/hm2时，GS活性达到最大，而当施肥量超过N3后，对GS活性起到抑制作用，导致活性降低。

谷氨酸需要通过转氨作用形成植物来源的其他必需氨基酸，然后进行蛋白质合成，谷氨酸丙酮酸转氨酶(GPT)和谷氨酸草酰乙酸转氨酶是该代谢过程中的两个关键酶[36]。关于转氨酶与施氮量的关系研究较少，赵吉平等[33]研究施氮量对小麦氮素代谢关键酶活性的影响，结果表明，小麦旗叶的GPT活性随施氮量增加而先升后降，施氮240 kg/hm2时GPT酶活性最高，小麦旗叶氮素代谢关键酶活性与籽粒产量呈显著相关。本试验结果发现，氮肥施用能显著提高GPT、GOT酶活性，GPT和GOT酶活性变化规律一致，其峰值出现在N3(150 kg/hm2)水平。说明适当增施氮肥能有效提高羊草叶片GPT和GOT酶活性，进而促进羊草体内蛋白的合成。

不同的氮含量会影响羊草的质量和产量，主要含氮物质的量会反映植物中的氮代谢。氨基酸是植物氨同化的产物，是蛋白质合成的基本单位，可溶性蛋白是植物储存氮的能力的重要指标[24]。本研究发现，可溶性蛋白、游离氨基酸含量在一定范围内随着施氮量的增加而增加，但超过一定量后会下降，而游离氨基酸在150 kg/hm2氮素水平下含量最高。可溶性蛋白含量随着施氮量的增加而增加，在N2水平下含量最高，超过100 kg/hm2时，含量不再增加而呈现下降趋势。