施氮与不同时期水分胁迫对谷子生长及生理生化特性的影响

于肖 牛佳红 陈二影 秦岭 刘振宇 张会笛 杨延兵 黎飞飞 范海 管延安

摘要：采用盆栽试验法，设置水分和氮素两个因素，水分设3种灌水处理，即正常灌水CK（田间最大持水量的60% ～70%）、苗期干旱W1（30% ～40%）、孕穗期干旱W2（30% ～40%），氮素设2个水平，即不施氮处理N0、施氮处理N150（纯N150kg/hm2），研究水氮处理对谷子农艺和产量性状、生理生化特性及籽粒品质的影响。结果表明，苗期干旱且施氮处理谷子穗长、穗粗、单穗鲜重、单穗干重、单穗粒重、出谷率、千粒重和产量的值最大;生殖器官干物质分配比重最大;抽穗期至成熟期硝酸还原酶活性较对照显著提高，表征氮代谢活性增强;谷氨酰胺合成酶活性与对照无显著差异。与对照相比，干旱胁迫会显著增强SOD活性及MDA、PRO含量，从而维持植物的正常代谢，复水后差异不显著。相同水分处理下，施氮处理籽粒中蛋白质、脂肪和氨基酸总量较不施氮处理显著提高。籽粒中其他成分含量因施氮水平和土壤水分胁迫程度不同而有较大差异。

关键词：谷子;水分胁迫;施氮处理;生理生化特性;生长;籽粒品质

中图分类号：S515 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2022）01-0061-07

谷子（Setariaitalica（L.）P.Beauv）起源中国，古称粟，属禾本科狗尾草属一年生草本植物，为小杂粮之首[1]，其耐旱耐瘠薄性突出，主要种植在干旱、半干旱地区，当前仍是中国北方旱作农业的主要种植作物之一。

水分和氮素是影响农作物产量的最重要因素，也是影响人类最显著的环境因子[2，3]。随着全球气候不断变暖，我国北方的干旱形势日趋严重，氮肥过度施用也造成了严峻的环境问题。全球水资源的日益匮乏也将影响作物获取氮素的方式，并严重影响作物的产量和品质[4]。水分和氮素虽然对农作物的作用效果不同，但是它们相互影响，相互制约。合理的水氮配比对农作物有促进作用，能够提高产量和水氮利用效率，实现高效高产。近年来，研究者关于合理水氮运筹对部分农作物生长发育及产量方面的影响进行了广泛研究。范雪梅等[5]研究认为，在干旱逆境下施用氮肥对小麦植株氮代谢和籽粒蛋白质和氨基酸积累有明显的调节效应。杨宇等[6]发现，玉米植株在水分或氮肥条件相同情况下，适当提高另一因子的量都会提高作物的最终产量。刘立军等[7]研究表明，水稻合理控制水分和氮肥会调控优化水稻的产量和品质。张智猛等[8]研究花生叶片发现，适当提高氮素水平既能增加花生叶片中可溶性蛋白质和游离氨基酸含量，又能提高NR、GOGAT等氮代谢相关酶活性，使其同步增加。李佳帅等[9]对葡萄的研究发现，水分条件适宜时，氮代谢酶活性会随着施氮量增加而增加，轻度干旱胁迫时，增施氮肥可缓解干旱胁迫。合理施用氮肥会协调植株水氮代谢，有利于籽粒中营养成分和光合产物的积累，从而提高谷子产量和品质[10，11]。谷子苗期适度干旱有利于蹲苗，促进后期产量的提高[12]。

目前对谷子的研究多集中于单一的水分或氮肥对其产量、氮代谢酶活性及抗氧化酶和品质的影响，在水氮互作方面的研究尚少见。因此对谷子进行水氮互作效应研究，探究水、氮作用机制，有助于形成优化的水氮调控措施，从而达到产量、水分和氮素利用效率三者协同提升，促进优质、高产、高效农业的发展[13]。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试盆栽土取自山东省农业科学院作物研究所济南试验基地中等肥力试验田0～30cm耕层土壤，其理化性状为有机质含量12.43g/kg、全氮0.74g/kg、全磷0.64g/kg、水解氮55.45mg/kg、有效磷13.49mg/kg、速效钾135.0mg/kg，pH值8.31。试验用氮磷钾肥分别为尿素（N46%）、過磷酸钙（P2O516%）和氯化钾（K2O60%）。

供试谷子品种为山东省农业科学院作物所选育的抗拿捕净除草剂优良新品种济谷22。

1.2 试验设计及方法

试验设水分和施氮两个因素（简称水氮处理）。水分设置3种灌水处理，即正常灌水（CK）：全生育期保持田间持水量的60% ～70%;W1：苗期干旱，即播种后让田间持水量自然下降至40%，至拔节期田间持水量保持30% ～40%，其他时期田间持水量保持60% ～70%;W2：孕穗期干旱，即拔节期-抽穗期田间持水量保持30% ～40%，其他时期田间持水量保持60% ～70%。氮素设2个水平，分别为N0：不施氮;N150：施纯N150kg/hm2（表1）。所有处理磷钾肥用量一致，均基施P2O5 90kg/hm2、K2O90kg/hm2;氮肥50%基施、50%追施（孕穗期，出苗后1个月）。

采用内径35cm、高25cm的栽培盆，将土壤风干后与基肥充分混匀后装盆，装土14kg/盆，浇水至足墒。每盆适墒播种20粒饱满种子，三叶期间苗，六叶期每盆选留6株生长一致的健壮植株，折合留苗密度为60万株/hm2，每处理25盆。6月22日播种。生长期间，旱棚防雨。盆土含水量采用称重法测定。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 谷子农艺及产量性状 分别于抽穗期、灌浆中期、成熟期，每处理取样10株，按穗、叶、茎和根系将植株分开，烘干测其干物质量;成熟期每处理随机选取10盆，每盆6株，测量株高、茎粗、穗长、单穗鲜重、单穗干重、单穗粒重、千粒重和产量，计算出谷率。

1.3.2 叶片相关酶活性 分别在谷子拔节期、抽穗期、灌浆中期、成熟期（表2），于上午10时，对各处理的功能叶（倒二叶）进行取样，立即液氮冷冻贮于-80℃超低温冰箱保存备用。谷子叶片过氧化物歧化酶（SOD）活性、丙二醛（MDA）含量、脯氨酸（PRO）含量及硝酸还原酶（NR）、谷氨酰胺合成酶（GS）活性采用苏州科铭生物技术有限公司测试盒检测。

1.3.3 籽粒品质指标 成熟期每处理随机选取3盆脱粒风干，送至农业部谷物品质监督检验测试中心（济南）测定籽粒蛋白质、脂肪、淀粉、维生素E和氨基酸总量。参照杨延兵等[14]的方法测定籽粒黄色素含量。

1.4 数据处理

采用MicrosoftExcel2019进行数据处理，Origin2018软件作图，SPSS软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 水氮处理对谷子农艺及产量性状的影响

2.1.1 对谷子农艺及产量性状的影响 由表3看出，相同氮水平处理下，苗期干旱处理（W1）谷子穗长、单穗鲜重、单穗粒重、出谷率、千粒重和产量均显著高于CK，株高和茎粗则低于CK，且茎粗差异达显著水平;孕穗期干旱处理（W2）谷子穗长、单穗干重、单穗粒重和产量显著低于CK。相同水分处理下，施用氮肥显著增加穗长、单穗鲜重、单穗干重、单穗粒重、千粒重和产量，但对株高和茎粗的影响差异基本不显著。不同水氮处理下，CKN0处理株高和茎粗均高于其他处理组，其中株高差异达显著水平;W1N150处理穗长、穗粗、单穗鲜重、单穗干重、单穗粒重、出谷率、千粒重和产量均优于其他处理组，与CKN0相比分别增加21.28%、5.43%、60.64%、50.07%、64.23%、9.44%、11.42%、64.23%。说明苗期适度干旱可增加谷子产量，施加氮肥会使产量显著提高。孕穗期干旱会使产量大幅降低，但施加氮肥会一定程度上弥补产量的降低。

2.1.2 对不同生育期谷子地上部干物质积累的影响 不同水氮处理下，抽穗期至成熟期谷子地上部干物质积累量均呈现增长趋势（图1）。抽穗期，W1N150处理谷子穗干重显著高于其他处理;W1N0处理叶、茎干物质重最低，而施加氮肥干物质重会显著提高。灌浆期和成熟期，干物质变化趋势与抽穗期基本保持一致。说明苗期和孕穗期干旱均降低茎秆干物质重，施氮对谷子茎秆干物质积累影响并不显著。苗期干旱及施氮处理显著提高穗干重，同时降低叶片干物质重。孕穗期干旱处理显著降低穗干重，且在不施氮处理下更为显著。

2.2 不同水氮处理对谷子抗氧化能力和渗透调节的影响

2.2.1 对谷子叶片SOD活性的影响 由图2看出，拔节期W1N150和W1N0处理叶片SOD活性较高，且显著高于其他处理;抽穗期W2N150和W2N0处理叶片SOD活性较高，与其他处理差异也达显著水平。成熟期不同水分胁迫下施氮处理叶片SOD活性与其他时期相比均明显提高。拔节期至灌浆中期不同水分胁迫下施氮处理对叶片SOD活性影响不大，成熟期施氮处理显著提高叶片SOD活性。说明干旱胁迫后，叶片SOD活性会大大升高，过一段时间又会恢复为正常水平，施氮条件下这种趋势增强但差异并不显著。

2.2.2 对谷子叶片MDA含量的影响 由图3看出，苗期干旱处理（W1）叶片MDA含量在拔节期显著提高，孕穗期干旱处理（W2）叶片MDA含量在抽穗期急剧升高，与各自对照相比，施氮处理分别升高88.8%和59.6%，不施氮处理分别升高116.8%和69.4%。说明干旱胁迫后谷子叶片MDA含量会显著升高。随着生育期推进，谷子叶片MDA含量显著上升，生长后期趋于平稳。施氮处理叶片MDA含量低于不施氮处理，但差异未达显著水平，说明氮浓度在一定程度上影响叶片中MDA含量。

2.2.3 对谷子叶片脯氨酸（PRO）含量的影响 随着生育期推进，对照谷子叶片PRO含量变化很小（图4）。苗期干旱处理（W1）和孕穗期干旱处理（W2）谷子叶片PRO含量分别在拔节期和抽穗期急剧升高，与各自对照相比，施氮处理分别升高999.4% 和987.2%，不施氮处理分别升高659.1%和525.4%，施氮条件下差异更大。说明干旱胁迫后谷子叶片PRO含量会急剧上升，施氮条件下PRO含量上升更加显著。干旱胁迫解除后，谷子植株PRO含量会恢复到正常水平。

2.3 不同水氮处理对谷子叶片硝酸还原酶（NR）和谷氨酰胺合成酶（GS）活性的影响

2.3.1 对NR活性的影响 由图5看出，不同时期相同水分胁迫下施氮处理谷子叶片的NR活性基本显著高于不施氮处理。苗期干旱处理（W1）和孕穗期干旱处理（W2）谷子叶片NR活性分别在抽穗期和成熟期达到最高，与各自对照相比，施氮处理NR活性分别升高129.3%和8.8%，不施氮处理分别升高329.1%和56.0%，不施氮条件下差异更为显著。说明，施氮处理叶片NR活性增强，但随着生育期的推进，两种氮水平处理的NR活性差异越来越小。干旱胁迫复水后会使NR活性上升，并且会保持比对照高活性的趋势。

2.3.2 对GS活性的影响 由图6看出，相同水分处理下，施氮处理谷子叶片GS活性均高于不施氮处理，拔节期和抽穗期差异并不明显，灌浆中期和成熟期差异显著。相同氮素水平下，抽穗期到灌浆中期谷子叶片GS活性均明显提高，成熟期GS活性与灌浆中期基本保持不变。说明干旱处理对谷子叶片GS活性影响并不大，施氮处理在谷子生育中后期会显著提高叶片GS活性。

2.4 不同水氮處理对籽粒营养品质的影响

相同水分处理下，施氮处理谷子籽粒蛋白质、脂肪和氨基酸总量均显著高于不施氮处理（表4）。W1N150处理籽粒蛋白质和氨基酸总量含量最高，CKN150、W2N150处理籽粒脂肪含量最高。CKN0处理的籽粒蛋白质含量和氨基酸总量均最低。W1N0和W2N0处理籽粒脂肪含量最低。淀粉含量以CKN0处理最高，W1N150处理最低。维生素E含量以W1N150处理最高，W1N0处理最低。W1N150处理籽粒黄色素含量显著高于其他处理，其他处理间无显著差异。

3 讨论与结论

3.1 不同水氮处理对谷子生长的影响

水分和氮素在植物生长发育和形态建成中发挥着重要作用，干旱胁迫会导致植株体内水分缺失，影响到植株的生理生化过程和器官建成，对其生长发育会造成一定伤害[15]。氮素对谷子产量形成的作用最大，合理施用氮肥在一定程度上能促进谷子的生长发育[16]。前人研究认为，苗期适度干旱会提高谷子植株干物质总量和产量，孕穗期干旱会严重影响产量，造成减产[17];低氮胁迫使所有品种成熟期的粒重下降，苗期株高、干重、氮累积量下降[18];干物质积累是籽粒产量形成的基础[19];适宜的施氮量可获得较高的干物质积累量，并且生殖器官的分配比重处于较高水平[20]。本研究中，水氮处理对谷子农艺性状的影响显著，苗期干旱施氮处理谷子穗长、穗粗、单穗鲜重、单穗干重、单穗粒重、出谷率、千粒重和产量等性状均优于其他处理组;谷子具有明显的干物质积累优势，尤其是生殖器官。所以适度干旱且提高土壤中氮含量有利于增产增效[21]。

3.2 不同水氮处理对谷子生理生化特性的影响

在逆境胁迫下，植物体内会产生大量的活性氧，使细胞膜脂过氧化，对植物细胞产生毒害。SOD会通过抗氧化酶促反应清除过量的活性氧，来保证植物正常的代谢水平[22，23]。SOD能催化过氧阴离子发生歧化反应，生成过氧化氢，是植物体内防御和抵抗活性氧毒害的第一道防线[24，25]。PRO是重要的渗透调节物质，在干旱胁迫下其含量增加会导致细胞水势降低、植物吸水能力增强，而且PRO是保护酶系统和细胞膜免受伤害生物重要物质[26]。本研究中，苗期干旱与孕穗期干旱处理谷子叶片SOD活性及MDA、PRO含量分别在拔节和抽穗期显著增加;相同水分胁迫下施氮和不施氮处理谷子叶片SOD活性和MDA含量无显著差异，而叶片PRO含量施氮处理显著高于不施氮处理。干旱使脂质过氧化水平加重，细胞膜系统在一定程度上遭到破坏，MDA含量不断升高，而复水后，MDA含量变化不再显著，但是增施氮肥会在一定程度上缓解干旱胁迫导致的膜脂过氧化伤害，降低MDA含量，提高或维持抗氧化酶活性以清除过多的活性氧，从而缓减水分胁迫对植物生长和生物量积累带来的负面影响[27]。较长时间干旱胁迫下，叶片中SOD等抗氧化酶类活性发生不可逆的丧失，即使恢复到正常水分供给，也不能完全被激活，过剩的氧自由基不能被及时清除，SOD活性和MDA含量会积累较多。干旱胁迫下，谷子叶片通过有效调节PRO含量使细胞维持膨压和渗透势，降低土壤干旱对植物的损伤[28]。干旱解除后，PRO含量会相应减少，说明干旱胁迫后复水具有补偿效应[29]。

硝酸还原酶是植物氮素同化的关键酶，也是一种诱导酶，与作物吸收和利用氮肥有关，功能叶中硝酸还原酶活性即可代表植物体内硝酸还原酶的水平[30，31]。谷氨酰胺合成酶是植物氮同化和再利用的关键酶，负责无机氮到有机氮的关键转化利用过程[32]。谷氨酰胺合成酶是高等植物氨同化的主要酶，其活性高低直接会影响到植株体内氨基酸和蛋白质的代谢进程[33]。本试验结果表明，相同水分处理下，施氮处理谷子叶片硝酸还原酶活性和谷氨酰胺合成酶活性均显著高于不施氮处理，生育后期差异更为显著。相同氮水平处理下，干旱环境使硝酸还原酶活性降低，但是复水后会大大提高硝酸还原酶活性，甚至超过对照组。与对照相比干旱胁迫会降低谷氨酰胺合成酶活性，但是差异并不显著。谷子植株生长前期生物量较小，对氮素吸收速率较慢，灌浆中期达到最大值，成熟期由于长势降低，对氮素的吸收基本保持不变，所以表现为谷氨酰胺合成酶活性升高后又基本保持不变[33]。

3.3 不同水氮处理对谷子籽粒品质的影响

植物体内蛋白质含量高低既标志着源端对同化物的供应能力，也反映出库端对同化物的利用转化能力。本研究中，不同水分条件下施氮处理谷子籽粒蛋白质含量显著高于不施氮处理。这是由于NO-3 -N进入植物体后，在硝酸还原酶的作用下合成氨基酸的速度加快，同时谷氨酰胺合成酶活性增强，氮代谢加强促进籽粒氨基酸的合成和转化，进而提高籽粒蛋白质含量[34]。苗期干旱且施氮处理谷子籽粒黄色素含量和维生素E含量最高。施氮处理籽粒脂肪含量显著高于不施氮处理，但是干旱对籽粒脂肪含量基本无影响，推断籽粒的脂肪含量可能与氮代谢有关。

综上所述，苗期干旱且施氮处理谷子穗长、穗粗、单穗鲜重、单穗干重、单穗粒重、出谷率、千粒重和产量的值最大，生殖器官干物质分配比重最大;与对照相比，干旱胁迫会显著增强SOD活性及MDA、PRO含量，从而维持植物的正常代谢。抽穗期至成熟期硝酸还原酶活性較对照显著提高，谷氨酰胺合成酶活性与对照无显著差异。相同水分条件下施氮处理籽粒蛋白质、脂肪及氨基酸总量较不施氮处理显著提高。