氮素调控对玉米氮素同化过程及产量的影响

戴 馨，刘楠楠，夏 炎，杨 磊，郝芃钫，董召荣，车 钊*

(1. 安徽农业大学农学院，合肥 230036；2. 吕梁市方山县农业农村局，吕梁 033100)

为解决我国粮食需求，高产增效成为我国近些年农业生产的目标，化学肥料因为方便、高效而迅速成为主导肥源。据统计，我国农田年平均氮肥施用量约为240 kg·hm-2[1]，远高于全球平均水平。大量化肥施用会造成土壤酸化，并增加温室气体排放及硝酸根淋洗，引发相关环境问题[2-4]。当前，在确保作物产量的同时减少化肥的施用开始成为人们关注的焦点。玉米是我国最大的粮食作物，常年播种面积达41 万km2，部分区域玉米平均纯氮施用量高达288 kg·hm-2[5]。因此，采取合理的氮素调控措施，提高玉米氮素同化利用率和产量对我国粮食安全和环境安全具有重要意义。

与传统施肥相比，生物炭或硝化抑制剂与尿素配施可以改变氮素在土壤中的释放、转化过程，提高氮肥利用效率和作物产量，是目前高效的氮素调控措施[6-8]。生物炭孔隙发达，吸附性强，能有效改善土壤结构和理化性质[9]。有研究表明，生物炭能根据作物对氮素的需求调节土壤氮素的供应，有效促进氮素的吸收同化，降低作物体内的硝酸盐含量，增加了氨基酸含量，有利于作物提高产量[10]。适量的生物炭配施氮肥能够延缓土壤养分释放，提高玉米根际土壤保水保肥能力，显著提高了玉米产量和氮素利用率[11]。硝化抑制剂可以长时间抑制硝化作用，有效抑制土壤NH4+-N 向NO3--N 转化，提高土壤中铵态氮含量，进而增强玉米生长后期土壤的供氮能力，促进玉米铵态氮的吸收和籽粒的氮素积累，同时增加玉米的百粒重和产量[12]。土壤氮素被植物吸收利用涉及吸收、转运和同化等诸多过程。其中氮同化过程和植物氮素利用效率密切相关，是当前研究的热点。纵观当前研究多集中在生物炭和硝化抑制剂与普通尿素配施对作物产量和氮素利用率等方面的影响，关于其对玉米主要生育时期氮素同化过程机理的研究鲜见报道。

淮河流域是我国粮食主产区，也是夏播玉米的主要生产基地。但近年来安徽省淮河流域化肥利用率在34.4%左右，低于全国玉米氮素利用率平均水平35.2%[13]。本研究以郑单958 为供试作物，设置硝化抑制剂和生物炭与传统施肥方法配施处理，研究不同氮素调控对玉米氮素同化过程中关键酶活性、铵态氮和硝态氮含量、游离氨基酸和可溶性蛋白以及氮素利用率和产量的影响，以期为提高淮河流域玉米氮素利用率和产量提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2016年6月在安徽省合肥市安徽农业大学国家高新技术农业园（31°55′59″ N，117°12′9″ E）进行，该地属于亚热带湿润季风气候区，年平均降水量约为1 000 mm，年平均气温为15.7 ℃，年平均日照约为2 100 h。试验地土质为黄褐土，有机质18.1 g·kg-1，土壤pH 为6.4，全氮1.3 g·kg-1，碱解氮71.0 mg·kg-1，速效磷17.0 mg·kg-1，全磷0.3 g·kg-1，速效钾190.3 mg·kg-1，全钾32. 6 g·kg-1。

1.2 试验设计

本试验采用随机区组设计，设不施氮肥（CK）、传统施肥（CN）、氮肥+生物炭（SN）、氮肥+硝化抑制剂（DN）4 个处理，每个处理3 次重复，小区长5 m，宽3 m，面积15 m2。氮肥按当地传统施肥施氮量240.0 kg·hm-2，氮肥为尿素（含N 46%），除CK 处理外，其他各处理氮肥施用量一致，氮肥基追比为3:7，在玉米拔节期追肥。磷肥和钾肥作为基肥在播种前一次性施入，磷钾肥施用量分别为P2O5107.1 kg·hm-2和K2O 112.5 kg·hm-2，磷肥用P2O5含量17%的过磷酸钙，钾肥用K2O 含量 60%的氯化钾，各处理磷钾肥用量相同。生物炭原材料为水稻颖壳，高温炭化后使用，施用量15 t·hm-2，在前茬小麦季一次施入。硝化抑制剂为3,4-二甲基吡唑磷酸盐（DMPP），按照与尿素质量1:100 的比例和尿素混合作为基肥施入。供试玉米品种为郑单958，于2016 年6 月18 日播种，种植密度为6 万株·hm-2。

1.3 测定项目和方法

分别在玉米拔节期(jointing stage, JS)、大喇叭口期(flare opening stage, OS)、抽雄期(tasseling stage,TS)、开花期(anthesis stage, AS)和灌浆期(filling stage,FS)采集植株样品，每小区选取具有代表性玉米6株，其中3 株取叶片和茎秆在-80 ℃保存，用于硝酸还原酶[14]、谷氨酰胺合成酶[15]、可溶性蛋白质含量、游离氨基酸含量、铵态氮及硝态氮含量的测定；剩下3 株将茎、叶和籽粒（成熟期）分开，烘箱105 ℃杀青30 min、80 ℃烘干至恒重，测定全氮含量和干物质氮积累量。

籽粒产量的测定：于玉米成熟期，调查田间单位面积棒数，每个小区随机取20 棒带回室内考种测产；可溶性蛋白质含量测定参考李合生[14]的菲林-酚试剂法；全氮含量采用半微量凯氏定氮法进行测定[16]；游离氨基酸采用全自动专用氨基酸分析仪（L-8900，日本）；植株铵态氮和硝态氮的测定参考研磨浸提法[17]；干物质积累量测定：样品80 ℃烘干至恒重后取出，称重后磨粉，计算干物质积累量。

1.4 数据处理与分析

氮素利用效率相关参数采用以下公式进行计算：

氮肥吸收利用率=（施肥处理玉米地上部吸氮总量-不施肥玉米地上部吸氮总量）/氮肥施用量×100%[18]（1）

氮素农学效率/(kg·kg-1) =（施肥处理作物的产量-不施肥处理作物的产量）/氮肥施用量[18]（2）

氮素偏生产力/(kg·kg-1) =施肥处理作物的产量/氮肥施用量[18]（3）

采用Microsoft Excel 2010 和Origin.2018 软件分析数据并制图，并用SPSS 19.0 软件对处理间进行差异性显著分析。

2 结果与分析

2.1 不同氮素调控对玉米氮同化的影响

2.1.1 对植株不同时期无机氮含量的影响 由图1（a）可知，从拔节期到开花期，玉米叶片中铵态氮含量呈先上升后下降，开花期之后再上升的趋势。除拔节期，其余时期SN 和DN 处理叶片的铵态氮含量均显著高于CN 处理。抽雄期各处理叶片铵态氮含量最高，其含量大小依次为DN ＞ SN ＞ CN ＞ CK，其中DN 和SN 处理叶片的铵态氮含量分别比CN 提高了23.8%和13.6%。茎秆铵态氮含量的趋势正好相反（图1（b））。在大喇叭口期、抽雄期和灌浆期，铵态氮含量大小依次均为SN ＞ DN ＞ CN ＞ CK，其中SN 处理较CN 处理分别显著高出14.6%、43.1%和54.0%。

由图1（c）可知，从大喇叭口期到灌浆期，各施氮处理硝态氮的含量呈先上升后下降的趋势。开花期至灌浆期，DN 处理硝态氮含量均显著高于CN处理，分别高28.1%和90.5%；抽雄期至灌浆期，SN 处理硝态氮含量均高于CN 处理，除开花期，其余两个时期均达显著水平。从图1（d）可以看出，茎秆硝态氮的含量从拔节期到开花期先下降后上升，开花期之后再下降。除抽雄期外，DN 处理茎秆硝态氮的含量均显著高于CN 处理。开花期至灌浆期，DN 处理茎秆硝态氮的含量最高，SN 处理次之，显著高于其他处理，其中灌浆期DN 和SN 处理分别是CN 处理的4.2 倍和3.4 倍。

2.1.2 对植株不同生育时期NR 和GS 的活性的影响

从图2 可以看出，叶片中酶活性较茎秆中酶活性高了一个数量级。由图2（a）可知，玉米叶片中各处理NR 活性呈先上升再下降的趋势，拔节期至大喇叭口期，SN 处理叶片NR 活性显著高于CN 处理，是CN 处理的1.3 倍和1.2 倍。在开花期各处理叶片NR 活性最高，活性大小依次为DN ＞ SN ＞ CN ＞CK，其中DN 和SN 处理分别比CN 提高了20.2%和10.2%。从图2（b）中可以看出：整个生育时期，SN 处理GS 活性均高于CN 处理，其中拔节期、大喇叭口期和开花期影响显著；茎秆中NR 活性则呈逐渐下降的趋势。拔节期至大喇叭口期，SN 处理茎秆NR 活性显著高于CN 处理，是CN 处理的1.4倍和1.1 倍。拔节期各处理茎秆NR 活性最高，活性大小依次为SN ＞ DN ＞ CN ＞ CK，其中SN 和DN处理茎秆NR 活性分别比CN 提高了36.0%和4.6%。

各处理玉米叶片GS 活性呈先上升后下降并趋于平稳的趋势（图2（c））。整个生育时期，SN 处理GS 活性均显著高于CN 处理，除了拔节期，其他时期DN 处理叶片GS 活性均显著高于CN 处理。在大喇叭口期，各处理叶片GS 活性均达到最大值，活性大小依次为DN ＞ SN ＞ CN ＞ CK，其中DN 和SN 处理分别比CN 提高了23.8%和13.6%。从图2（d）可以看出，各处理茎秆GS 活性呈逐渐下降趋于平稳的趋势。在拔节期，各处理茎秆GS 活性最高。拔节期至抽雄期，SN 处理茎秆GS 活性均显著高于CN 处理，分别比CN 提高了22.8%、14.6%和43.0%。灌浆期DN 处理茎秆GS 活性显著高于CN处理，是CN 处理的1.3 倍。

2.1.3 对玉米灌浆期谷氨酸、游离氨基酸和可溶性蛋白含量的影响 由表1 可知，SN 和DN 处理灌浆期叶片的谷氨酸含量显著高于CN 处理，分别是CN处理的1.5 倍和1.2 倍，茎秆中谷氨酸含量DN 处理最高，SN 次之，较CN 处理分别提高了100.0%和43.2%。灌浆期各处理叶片游离氨基酸含量之间没有显著差异，茎秆中游离氨基酸含量DN 处理最高，是CN 处理的2.1 倍。不同处理灌浆期叶片可溶性蛋白含量依次为DN ＞ SN ＞ CN ＞ CK，DN 和SN 处理较CN 处理高出19.8%和17.8%。DN 处理茎秆的可溶性蛋白含量最高，SN 次之，二者并无显著差异，较CN 处理提高了30.3%和25.0%。说明不同氮素调控能提高灌浆期玉米叶片和茎秆中谷氨酸、可溶性蛋白以及游离氨基酸的含量。

表1 不同氮素调控措施下玉米灌浆期叶片和茎秆的谷氨酸、游离氨基酸和可溶性蛋白含量Table 1 The contents of free glutamic acid, amino acids and soluble protein in leaf blade and stalk of maize during filling period in different nitrogen control measures

2.1.4 对玉米花后氮素积累的影响 由表2 可知，开花期叶片氮素积累量表现为SN ＞ DN ＞ CN ＞CK，SN 和DN 处理较CN 处理显著提高51.4%和42.0%；开花期茎鞘的氮素积累量SN 处理最高，但与DN 处理差异不显著，二者显著高于CN 处理。成熟期叶片氮素积累量依次为SN ＞ CN ＞ DN ＞CK；DN 处理茎鞘和籽粒中的氮素积累量最高且显著高于其他处理，其中籽粒氮素积累量分别比SN、CN 提高18.4%和30.0%。从表2 中还可以看出，从开花期到成熟期，叶片和茎鞘中的氮素积累量随着生育时期逐渐减少，硝化抑制剂处理显著提高了玉米花后茎鞘及籽粒的氮素积累量。

表2 不同氮素调控措施下玉米开花期和成熟期氮素积累量Table 2 Nitrogen accumulation in maize at anthesis and maturity stages under different nitrogen control measures (kg·hm-2)

2.2 不同氮素调控对玉米产量和氮肥利用效率的影响

由表3 可知，SN 和DN 处理显著提高了玉米产量，DN 处理产量最高，达11 261.1 kg·hm-2，SN 处理次之，二者并无显著差异且显著高于CN 处理，较CN 处理分别增产15.2%和11.8%。与CN 处理相比，施用硝化抑制剂和生物炭均显著提高了玉米氮肥利用率。DN 处理氮肥利用效率最高达到41.8%，显著高于其他处理，相较SN 和CN 处理分别提高了10.0%和28.3%；DN 处理氮肥农学效率和氮素偏生产力均为最高且显著高于CN 处理，但与SN 差异不显著。说明不同氮素调控均可显著提高玉米产量及氮肥利用效率，其中硝化抑制剂处理产量最高，氮素利用率最高，且与其他处理相比差异显著。

表3 不同氮素调控措施玉米产量和氮肥利用效率Table 3 Nitrogen fertilizer utilization efficiency and yield of maize among different nitrogen control measures

3 讨论与结论

本研究发现不同生育时期玉米体内无机氮的动态变化具有一定规律，叶片中铵态氮和硝态氮含量分别在抽雄期和开花期达到峰值，而茎秆中无机氮含量在拔节期和开花期达到峰值。前人研究发现拔节期和抽雄开花期分别是玉米营养生长和生殖生长的氮素吸收关键期[19]，本试验中在拔节期追肥是拔节期植株体内无机氮含量升高的主要原因，而开花期玉米叶片和茎秆硝态氮含量升高，可能是因为玉米正处在从营养生长进入生殖生长的关键时期，氮素吸收积累量大，从而提高了体内硝态氮含量[20]。而作物体内的硝态氮或铵态氮是氮素同化过程合成氨基酸和蛋白质等植物生长发育所需的含氮有机化合物重要底物[21]。 NR 和GS 是植物体内氮素同化过程中的两个关键酶，NR 是植物体内硝态氮同化的关键限速酶[22]，作为NR 的底物直接影响NR 的活性，而不仅是氮同化过程中NR 的产物也是GS 的底物，GS 促进植株同化和氮素运转[23]。NR 和GS 的活性大小在一定程度上反映了植物氮素的吸收和体内氮同化能力的强弱，对植物生长发育、氨基酸含量、蛋白质含量和产量形成有重要影响[24]。前人研究发现，施用生物炭对土壤中和有较强的吸附能力，能有效减少氮素流失，从而延缓氮素释放，提高氮肥利用率[10]，硝化抑制剂与氮肥配施可以抑制硝化作用，将土壤中的氮肥以NH4+的形式长期保存在土壤中，减少土壤中的含量[25]。有研究表明硝化抑制剂或生物炭与氮肥配施可以显著提高作物叶片NR 和GS 活性[25-27]。本研究也发现施用生物炭和硝化抑制剂均能提高玉米体内铵态氮和硝态氮含量，促进了氮同化过程关键酶NR 和GS活性。其原因可能是硝化抑制剂和生物炭的加入可以使土壤中铵态氮和硝态氮在玉米生长的关键时期保持较高的水平，延缓土壤中氮素的释放，有利于玉米地上部对氮素的吸收利用，而氮素同化过程底物浓度的提高导致了玉米体内氮素同化关键酶NR和GS 活性提高。

游离氨基酸和可溶性蛋白质是氮同化过程的中间产物[28]。本研究发现硝化抑制剂和生物炭与普通尿素配施可以使灌浆期玉米体内游离氨基酸、可溶性蛋白含量和主要器官氮积累量显著提高，这和前人研究结果一致[29-30]。大多数研究表明，NR 和GS的活性对蛋白质与氨基酸含量影响显著[31-32]。本研究中，不同氮素调控均提高了玉米植株体内无机氮含量，进而提高了氮同化过程中NR 和GS 的活性，促使无机氮同化为氨基酸、蛋白质等含氮有机物，促进植株生长。

本研究中不同氮素调控处理下的玉米籽粒产量依次为：DN ＞ SN ＞ CN ＞ CK，表明施用尿素的同时配施生物炭或硝化抑制剂可以显著提高玉米的产量，这与前人的研究结果相同[25,27,33-34]。同时本研究也发现硝化抑制剂和生物炭与普通尿素配施可以显著提高玉米氮肥吸收利用率、氮肥农学效率和氮素偏生产力。研究表明氮同化酶活性和作物产量、氮素利用效率显著正相关[35]。本研究也发现玉米生育期内硝化抑制剂和生物炭处理的NR 和GS 活性均高于传统施肥，氮同化产物游离氨基酸和可溶性蛋白和氮素积累量也显著高于传统施肥，说明硝化抑制剂和生物炭可以通过提高氮同化酶活性，增加氮同化产物，进而提高氮素利用率，增加作物产量。本研究中，虽然两种氮素调控均能促进氮素同化，提高氮素利用率和玉米产量，但施用硝化抑制剂籽粒氮素积累量和氮素利用率显著高于生物炭处理，说明在淮河流域玉米栽培施用硝化抑制剂的效果要好于生物炭，但关于硝化抑制剂和生物炭对其能否长期增产增效以及适宜氮肥配施比例等仍需要进一步研究。

综上，与传统施肥相比，氮肥配施生物炭和硝化抑制剂处理能提高玉米植株体内铵态氮和硝态氮含量，提高植物氮同化过程中关键酶硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶的活性，促进玉米氮素的同化过程，进而提高氮素吸收利用率和玉米产量。综合产量、籽粒氮素积累量和氮肥吸收利用率，硝化抑制剂配施氮肥可作为淮河流域玉米高产高效的栽培措施。