化肥减量配施腐植酸对玉米碳氮代谢及干物质量的影响

孙海燕，安源，杜丹凤，池昇隆，郭伟，3

(1. 黑龙江八一农垦大学农学院，黑龙江大庆 163319；2. 黑龙江省现代农业栽培技术与作物种质改良重点实验室，黑龙江大庆 163319；3. 农业农村部东北平原农业绿色低碳重点实验室，黑龙江大庆 163319)

碳氮代谢是植物生长发育过程中最基本的两大代谢过程[1]。 其变化直接影响作物光合产物形成、转化及蛋白质合成等[2，3]。 碳氮代谢产物含量和关键酶活性可作为评价作物碳氮代谢强度的指标[4-6]，二者既相互促进又激烈竞争，对协调源库关系至关重要。 玉米是世界上最重要的粮食作物之一，种植面积和产量居世界三大谷类作物之首。目前世界正面临着人口增长和环境保护的双重挑战。 施肥过量是肥料利用效率低的最主要原因，同时也造成巨大的资源浪费和环境压力[7]。 二十世纪，化肥高投入推动农业集约化， 大大提高作物产量，但导致土壤侵蚀、工业污染、水质下降以及生物多样性下降等严重问题。 因此，在集约化前提下如何改良土壤、提高土壤肥力和作物的养分利用效率，成为当前粮食生产面临的新挑战。

腐植酸是经物理、化学和生物过程从动植物残体和微生物中提取的有机化合物[8]，对植物生长有直接促进作用[9]。 腐植酸配合各种无机肥料，能改善土壤质量，提高肥料利用率[10，11]，增加作物产量[12-14]。 前人研究表明，腐植酸通过促进蔗糖合成酶活性、卡尔文循环及氮同化而影响植物碳氮代谢[15-22]。 腐植酸浸种能提高小麦幼苗在NaCl 胁迫下的蔗糖磷酸合成酶活性，促进蔗糖合成与转化，提高叶片总可溶性糖含量，协调小麦碳氮代谢[23]。

近年来，关于腐植酸的研究多集中在作物生产利用环节[24]，而腐植酸与植物碳氮代谢的关系仍不清楚。 植物碳氮代谢相互促进和抑制，如何保持碳氮代谢平衡是作物生理研究的一个热点。研究不同施肥条件下植物碳氮代谢产物及相关酶活性，可以在一定程度上反映植物对外界环境的响应和调控能力，从而实现植物稳产高产。 本试验以郑单958 为材料，研究化肥减量并配施不同比例腐植酸对玉米碳氮代谢关键生理指标及干物质量的影响，旨在明确东北黑土区适宜的玉米肥料调控管理措施，为东北黑土区玉米绿色高效施肥提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验概况

本试验选用郑单958 为材料，于2019—2020年在黑龙江省大庆市黑龙江八一农垦大学农学院温室进行。 供试土壤为草甸黑土。 盆栽试验采用高25 cm、直径22 cm 的塑料盆，每盆装风干土10 kg。 每盆播5 粒种子，出苗后保留3 株，根据土壤干湿程度定量灌溉。 土壤养分含量:有机质18.2 g/kg、碱解氮58.3 mg/kg、有效磷10.1 mg/kg、速效钾101.2 mg/kg。

1.2 试验设计

设置3 个处理:CF(常规施用量的尿素和磷酸二铵，硫酸钾150 kg/hm2)、0.85CF(85%常规施肥量的尿素和磷酸二铵，硫酸钾50 kg/hm2，腐植酸钾400 kg/hm2)、0.70CF(70%常规施肥量的尿素和磷酸二铵，腐植酸钾600 kg/hm2)。 每处理重复4 次，每重复4 盆，随机区组设计。 施用肥料包含尿素(46% N)、磷酸二铵(18% N、46%P2O5)、硫酸钾(50% K2O)、腐植酸钾(0.87% N、0.76% P2O5、12.5% K2O、65% 腐植酸)。 试验设计详见表1。

表1 试验设计(kg/hm2)

1.3 测定项目及方法

1.3.1 取样 拔节期(elongation stage， ES)和抽雄期(tassel stage， TS)取1 株/盆玉米的第四和第五功能叶混合。 准确称取20 份(0.500±0.002)g新鲜叶片立即用液氮冷冻，-80℃保存，用于测定碳、氮代谢相关酶活性。 剩余叶片置于105℃烘箱中杀青15 min 后80℃烘至恒重，放入干燥器中保存，用于测定淀粉、还原糖、可溶性糖和可溶性蛋白含量。

1.3.2 玉米地上部干物质量 成熟期随机选取3株连根拔起，收集植株地上部分烘干至恒重后测定干物质量。

1.3.3 碳氮代谢指标 蔗糖磷酸合成酶(sucrose phosphate synthase， SPS)和蔗糖合成酶(sucrose synthetase， SS)活性采用Huber 等[25]的间苯二酚法测定；转化酶(invertase， INV)活性和还原糖含量采用3，5-二硝基水杨酸比色法测定；可溶性糖和淀粉含量采用蒽酮比色法测定[26]。

硝酸还原酶(nitrate reductase， NR)活性采用Barro 等[27]的方法测定；亚硝酸还原酶(nitrite reductase， NiR)活性采用Ida 等[28]的方法测定；谷氨酰胺合成酶(glutamine synthelase， GS)和谷氨酸合成酶(glutamate synthase， GOGAT)活性分别采用Lin[29]、Groat[30]等的方法测定；可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝法测定。

1.4 数据处理与分析

利用Microsoft Excel 2010 进行数据处理和作图，采用SPSS Statistics 25 软件进行统计分析，图表中数据为平均值±标准差。 采用单因素方差分析和Duncan’s 多重比较(α ＝0.05)。

2 结果与分析

2.1 化肥减量配施腐植酸对玉米碳代谢的影响

2.1.1 对叶片SPS 活性的影响 SPS 活性影响光合产物在蔗糖和淀粉间的分配。 图1 显示，2019和2020 年拔节期，0.85CF 和0.70CF 处理叶片SPS 活性分别较CF 显著提高84.4%、83.0%和52.0%、26.6%。 2019 年抽雄期，0.70CF 处理叶片SPS 活性最高，较CF 显著提高101.5%，而0.85CF处理与CF 无显著差异；2020 年抽雄期，0.85CF和0.70CF 处理叶片SPS 活性分别较CF 显著提高22.7%和131.3%。 两年间拔节期叶片SPS 活性总体高于抽雄期。 表明化肥减量配施腐植酸能提高玉米叶片SPS 活性，促进蔗糖合成。

图1 化肥减量配施腐植酸对叶片SPS 活性的影响

2.1.2 对叶片SS 活性的影响 SS 催化蔗糖的合成和分解，与蔗糖代谢和积累密切相关。 由图2可知，2019 年拔节期和抽雄期，0.85CF和0.70CF处理叶片SS 活性较CF 分别显著提高135.7%、68.1%和78.1%、139.8%，且0.85CF 处理和0.70CF处理存在显著差异；2020 年拔节期和抽雄期，0.85CF处理叶片SS 活性较CF 分别显著增加17.8%和25.6%，0.70CF 处理叶片SS 活性均显著低于0.85CF。 表明化肥减量配施适量腐植酸能提高叶片SS 活性，有利于蔗糖代谢。

图2 化肥减量配施腐植酸对叶片SS 活性的影响

2.1.3 对叶片INV 活性的影响 INV 是碳代谢关键酶，在植物生长和糖积累过程中起着重要作用。 由图3 看出，2019 年拔节期，0.70CF 处理叶片INV 活性较CF 显著提高23.4%，但0.85CF 与CF 无显著差异；2020 年拔节期，0.85CF 处理叶片INV 活性较CF 处理显著提高14.2%，但0.70CF显著低于CF。 2019 年抽雄期，0.85CF 和0.70CF处理叶片INV 活性分别较CF 显著提高13.7%和16.7%；2020 年抽雄期，0.85CF 处理叶片INV 活性较CF 显著提高28.7%，但0.70CF 与CF 间无显著差异。 表明施用腐植酸有利于叶片同化产物转化和利用，进而促进玉米生长。

图3 化肥减量配施腐植酸对叶片INV 活性的影响

2.1.4 对叶片还原糖含量的影响 从图4 看出，2019 年拔节期，0.85CF 和0.70CF 处理叶片还原糖含量分别较CF 显著提高12.4%和16.1%，0.85CF和0.70CF 处理间差异不显著；2020 年拔节期，各处理间叶片还原糖含量无显著差异。2019 年抽雄期，0.85CF 和0.70CF 处理叶片还原糖含量分别较CF 显著增加25.8%和29.1%，但二者之间无显著差异；2020 年抽雄期，0.85CF 处理叶片还原糖含量显著高于其它处理。 表明腐植酸有利于提高玉米叶片还原糖含量，且叶片还原糖含量随生育时期延长整体呈逐渐增加趋势。

图4 化肥减量配施腐植酸对叶片还原糖含量的影响

2.1.5 对叶片可溶性糖含量的影响 可溶性糖含量是植物碳代谢水平的重要指标。 由图5 看出，0.85CF 处理叶片可溶性糖含量在不同年份不同生育时期均最高。 拔节期，2019、2020 年0.85 CF 处理叶片可溶性糖含量分别较CF 显著提高25.4%和54.0%；2019 年抽雄期，0.85CF 处理叶片可溶性糖含量较CF 显著提高72.8%，而2020 年抽雄期二者差异不显著，且0.70CF 处理叶片可溶性糖含量显著低于CF。 化肥减量配施腐植酸条件下，0.85CF 处理不同年份各生育时期叶片可溶性糖含量均显著高于0.70CF 处理。 表明化肥减量配施适量腐植酸可明显提高叶片可溶性糖含量，但腐植酸施用量过大，叶片可溶性糖含量降低。

图5 化肥减量配施腐植酸对叶片可溶性糖含量的影响

2.1.6 对叶片淀粉含量的影响 淀粉是玉米碳同化的重要产物，也是衡量玉米品质的重要指标。图6 显示，2019 年拔节期，0.85CF 和0.70CF 处理叶片淀粉含量与CF 差异不显著；2020 年拔节期，0.85CF 处理叶片淀粉含量显著高于其它处理。2019 年抽雄期，0.70CF 处理叶片淀粉含量较CF和0.85CF 分别显著提高61.8%和60.3%；2020 年抽雄期，0.85CF 和0.70CF 处理叶片淀粉含量较CF 分别显著提高52.9%和144.8%，且0.70CF 显著高于0.85CF。 表明0.70CF 处理更有利于抽雄期玉米叶片碳代谢过程中淀粉积累。

图6 化肥减量配施腐植酸对叶片淀粉含量的影响

2.2 化肥减量配施腐植酸对玉米氮代谢的影响

2.2.1 对叶片NR 活性的影响 NR 是硝态氮同化过程中的限速酶，催化硝态氮还原为亚硝态氮，在植物氮代谢中发挥着重要作用。 从图7 可知，2019 年拔节期，0.85CF 和0.70CF 处理叶片NR活性分别较CF 显著提高45.0%和14.3%；2020年拔节期，0.85CF 和0.70CF 处理叶片NR 活性较CF 分别显著提高49.8%和26.5%。 2019 年抽雄期，0.70CF 处理叶片NR 活性最高，显著高于其它处理；2020 年抽雄期，0.85CF 处理叶片NR 活性显著高于CF，而0.70CF 与CF 间无显著差异。 表明配施适量腐植酸能提高叶片硝酸还原酶活性，促进玉米氮同化。

图7 化肥减量配施腐植酸对叶片NR 活性的影响

2.2.2 对叶片NiR 活性的影响 NiR 是一种催化亚硝酸盐还原为铵态氮的氧化还原酶，能有效降解细胞内的亚硝酸盐。 从图8 可以看出，2019 年拔节期和抽雄期，0.85CF 处理叶片NiR 活性显著高于0.70CF，但与其它处理差异不显著。 2020 年拔节期和抽雄期，各处理叶片NiR 活性无显著差异。

图8 化肥减量配施腐植酸对叶片NiR 活性的影响

2.2.3 对叶片GS 活性的影响 GS 参与植株内谷氨酸合成和铵态氮同化。 由图9 看出，2019 年拔节期，0.85CF 处理叶片GS 活性较CF 显著提高26.7%，但0.70CF 与CF 间无显著差异；2020 年拔节期，0.85CF 和0.70CF 处理叶片GS 活性分别较CF 显著提高44.7%和48.3%。 2019 年抽雄期，0.85CF处理叶片GS 活性与CF 间无显著差异；2020 年抽雄期，0.70CF 处理叶片GS 活性较CF显著提高10.4%，0.85CF 与CF 间无显著差异。表明施用适量腐植酸可有效提高玉米拔节期叶片GS 活性，促进玉米氮代谢。

图9 化肥减量配施腐植酸对叶片GS 活性的影响

2.2.4 对叶片GOGAT 活性的影响 GOGAT 是氨同化过程中谷氨酸途径的重要酶，在植物氮代谢中发挥重要作用。 从图10 可以看出，2019 年和2020 年拔节期，0.85CF 和0.70CF 处理叶片GOGAT 活性较CF 分别显著提高54.3%、55.5%和34.3%、46.1%，但0.85CF 和0.70CF 间无显著差异；2019 年抽雄期，0.85CF 和0.70CF 处理叶片GOGAT 活性与CF 间无显著差异，2020 年抽雄期，0.85CF 处理叶片GOGAT 活性较CF 显著提高27.1%。 表明腐植酸对玉米氮代谢中谷氨酸合成具有一定的促进作用。

图10 化肥减量配施腐植酸对叶片GOGAT 活性的影响

2.2.5 对叶片可溶性蛋白含量的影响 由图11可以看出，2019 年拔节期，0.85CF 处理叶片可溶性蛋白含量较CF 显著提高15.8%；2020 年拔节期，0.85CF 和0.70CF 处理叶片可溶性蛋白含量分别较CF 显著增加18.5%和52.5%。 2019 年抽雄期，0.85CF 和0.70CF 处理叶片可溶性蛋白含量较CF 分别显著增加24.2%和26.9%；2020 年抽雄期，0.85CF 处理叶片可溶性蛋白含量较CF显著提高15.0%。 表明施用腐植酸能一定程度上提高叶片可溶性蛋白含量，增加玉米氮代谢能力。

图11 化肥减量配施腐植酸对叶片可溶性蛋白含量的影响

2.3 化肥减量配施腐植酸对玉米干物质量的影响

由图12 可知，2019 年0.85CF、0.70CF 处理玉米地上部生物量较CF 分别显著增加112.3%和88.8%；2020 年0.85CF、0.70CF 处理地上生物量较CF 分别显著增加106.2%和120.8%。

图12 化肥减量配施腐植酸对玉米地上部干物质量的影响

3 讨论

3.1 化肥减量配施腐植酸对玉米碳代谢的影响

叶片光合产物主要以蔗糖形式存在并向籽粒等部位运输，蔗糖是植物进行光合碳同化过程的一个重要产物，而SPS、SS 和INV 三者共同协调蔗糖的合成与降解。 其中SPS 是植物叶片中催化合成蔗糖的关键酶，SS 存在于细胞质中，具有双功能酶特性，既可以合成蔗糖也能水解蔗糖，故SPS 和SS 与碳同化关系密切。 前人研究表明，生物肥代替一定比例化肥能够促进蔗糖在水稻体内的合成和转运，促进水稻碳代谢[31]。 本研究结果表明，施用腐植酸处理提高了玉米叶片SPS 活性，0.85CF 处理效果更好，0.70CF 处理对SS 活性的提高效果更明显，这与宋小林等[31]的研究结论基本一致。

碳水化合物的代谢产物及其相关酶活性变化与作物产质量形成紧密相关。 INV 可以将糖代谢的主要产物蔗糖水解为葡萄糖和果糖，对糖分转运、贮藏和分配起重要作用[32]。 本研究结果表明，0.85CF 处理叶片INV 活性提高，对玉米叶片碳代谢的促进效果更明显，叶片还原糖和可溶性糖含量明显增加，这与杨声澉[33]、段春华[34]等的研究结果一致。

籽粒中90%左右的物质成分来自碳同化产物，成熟籽粒中的碳同化产物主要是淀粉，淀粉的生物合成是产量的决定因素。 玉米叶片中可溶性糖含量增加可以使籽粒产量显著增长[35，36]。 蔗糖是同化物运输和卸载的主要形式和淀粉合成的底物[37]。 腐植酸可以提高植株蔗糖和可溶性糖含量[38]。 本研究中腐植酸的施用一定程度上增加了叶片可溶性糖、还原糖和淀粉等主要碳代谢产物，这与赵海宏[38]的研究结果一致。 本研究中，2020 年淀粉含量较2019 年整体呈显著增加趋势，原因可能是两年间的环境条件和盆栽位置不同，接下来将对其进行进一步研究。

3.2 化肥减量配施腐植酸对玉米氮代谢的影响

NR 和NiR 是植物体内硝态氮还原的关键酶，其活性高低可以调控整个硝态氮同化过程[39]。 GS 和GOGAT 是氨同化过程的关键酶，它们共同影响植株可溶性蛋白含量。 本研究结果表明，化肥减量15%配施腐植酸处理(0.85CF)显著提高玉米叶片NR 活性，对叶片NiR 活性影响没有达到显著水平，但与常规施用化肥相比仍有所提高。 配施腐植酸对叶片NiR 活性影响不显著的主要原因可能是，随着叶片NR 活性升高，硝态氮生成量过多抑制NiR 活性。

GS、GOGAT 是将无机态氮转化为植物生长所需有机态氮的关键酶，形成氮代谢中的GSGOGAT 循环。 本研究中0.85CF 处理叶片GS、GOGAT 活性较CF 处理整体上明显提高，但0.70 CF 处理GS、GOGAT 活性整体上有不同程度下降。 表明适当减少化肥配施腐植酸，叶片氮代谢水平提高。

可溶性蛋白是玉米氮代谢的重要产物之一。本研究结果表明，拔节期和抽雄期，不同腐植酸配施量处理叶片可溶性蛋白含量差异较大。 0.85CF处理叶片可溶性蛋白含量显著增加，并随生育进程推进而升高，这一结论与邹晓霞等[40]对花生的研究结果一致。 王瑶[41]研究表明，生物肥替代部分化肥降低辣椒可溶性蛋白含量，这可能是因为生物肥的增施量不同或试验所选用的作物种类或分析器官不同所致。 本研究中，适宜的化肥腐植酸配施可有效提高玉米叶片可溶性蛋白含量及NR、GS、GOGAT 酶活性等氮代谢生理参数。

3.3 化肥减量配施腐植酸对玉米地上部干物质量的影响

地上部干物质量是评价作物生长发育情况的重要指标，它不仅与产量相关，也与养分吸收积累量有着密切关系[42]。 化肥减量能显著提高作物养分利用效率[43，44]。 古今等[45]的研究结果表明，与单施化肥相比，生物肥与无机肥配施不仅提高灯盏花出苗率、叶片数、鲜重、干重等，也能提高植株养分吸收量。 本研究发现，化肥减量配施腐植酸对玉米植株地上部干物质积累有显著影响。 故通过化肥减量配施腐植酸的施肥模式，可达到增加干物质量的目的，对玉米稳产增产及绿色农业发展具有重要意义。 本研究是盆栽试验，环境条件有一定局限性，有待开展田间试验对上述研究结论作进一步验证。

4 结论

综上，化肥减量配施腐植酸提高玉米叶片光合碳同化能力，0.85CF 处理通过提高叶片蔗糖磷酸合成酶(SPS)、转化酶(INV)、蔗糖合成酶(SS)等糖代谢酶活性，显著增加叶片可溶性糖、还原糖和淀粉含量；化肥减量配施腐植酸处理通过提高叶片硝酸还原酶(NR)、谷氨酰胺合成酶(GS)和谷氨酸合成酶(GOGAT)等氮代谢限速酶活性，同步加强玉米氮素同化及转化过程，增加叶片可溶性蛋白含量。 0.85CF 和0.70CF 处理均显著增加玉米植株地上部干物质量。 本试验条件下，常规化肥减量15%配施400 kg/hm2腐植酸(0.85CF)对提高玉米碳氮代谢相关酶活性和碳氮代谢产物含量效果更优，可作为东北地区玉米绿色高效栽培推荐肥料用量。 该结果可为东北地区化肥减量配施腐植酸施肥模式提供理论依据。