施氮与抽穗后干旱胁迫对谷子生长及生理生化特性的影响

牛佳红，于肖，陈二影，秦岭，刘振宇，杨延兵，黎飞飞，管延安，

(1. 山东师范大学生命科学学院，山东济南 250014；2. 山东省农业科学院作物研究所/山东省特色作物工程实验室，山东济南 250100)

谷子[Setaria italica(L.)Beauv.]是起源于我国的粮草兼用高效作物[1]，具有抗旱耐瘠、水分利用效率高、适应性强等优点，主要分布在我国北方干旱和半干旱地区[2]，常年种植面积基本保持在120.0 万～150.0 万hm2[2，3]，在种植业结构调整和旱作农业可持续发展中发挥着重要作用[4]。

水分是植物生长所需的重要生理生态因子。据统计，我国北方地区水资源总量仅占全国的19.8%[5]，农业生产缺水现象非常普遍。 生产过程中缺水严重影响作物干物质积累与分配，最终导致减产。 氮是植物生长发育所需的大量营养元素之一，也是影响产量形成的重要限制因子[6]。有研究表明，合理的水分和氮肥投入能缓解干旱和养分胁迫，达到“以肥调水，以水促肥”的水氮互作效应，提高作物产质量和资源利用效率[7]；但投入不合理则会形成拮抗效应，影响作物养分吸收和生长，降低水肥利用效率[8]。 近年来，前人关于水氮耦合对不同作物生长发育及产量的影响做了广泛研究。 李志元等[9]对雪菊的研究表明，适宜的供氮水平可在一定程度上缓解水分胁迫对植物抗氧化系统的伤害，对干旱胁迫起到一定的缓解作用。 张振博等[10]研究发现，适量施氮较不施氮处理提高夏玉米籽粒最大灌浆速率和灌浆速率最大时的生长量，延长灌浆活跃期，增加粒重，提高产量。 李鹏程等[11]研究发现，适宜水分条件下，施加氮素提高了棉花谷氨酰胺合成酶活性，植株氮代谢能力增强。 干旱条件下，谷子籽粒粗蛋白含量随施氮量增加而提高[12]；低氮胁迫会显著降低谷子叶面积指数和叶绿素含量，不利于谷子光合产物的形成、转运和积累[13]。 氮肥的合理施用能够协调植株水氮代谢、促进光合作用、减缓叶片衰老，有利于籽粒营养成分和光合产物的积累，从而提高谷子产量和品质[14，15]。

目前关于水氮耦合的研究主要集中在玉米、小麦等大宗农作物上，前人对谷子的研究多集中于单一的水分或氮素对其生长发育、产量和品质的影响上，对其水氮互作效应方面研究较少。 不同生育时期干旱胁迫对作物产生的影响不同。 于肖等[16]研究表明，谷子苗期干旱配合施氮处理，水分胁迫解除后表现出补偿效应，最终产量和品质优于对照。 抽穗期和灌浆期是决定谷子产量的关键时期。 本试验开展谷子穗后水氮互作效应研究，系统分析其农艺性状和生理生化指标，有助于形成优化的水氮调控措施，为谷子适时灌溉和水氮利用效率的提高提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试谷子品种为济谷22(山东省农业科学院作物研究所选育的抗拿捕净除草剂新品种)。

1.2 试验设计与管理

试验于2021 年6—10 月在山东省农业科学院作物研究所济南试验基地田间旱棚开展，采用内径35 cm、高25 cm 的盆种植。 盆栽土取自基地中等肥力试验田0～30 cm 耕层土壤，自然晾干并与基施化肥充分混匀后每盆装14 kg，浇水至足墒。 于6 月23 日每盆适墒播种20 粒饱满种子，三叶期间苗，六叶期每盆选留6 株生长一致的健株(折合留苗密度60 万株/hm2)。 每处理30 盆。生长期间采用旱棚防雨。 检测原始土样和收获后土样理化指标，结果见表1。

表1 土壤理化指标

试验设灌水量和施氮量两个因素。 灌水量设置3 个水平，CK:正常灌溉，全生育期保持田间持水量60%～70%；W1:灌浆前期干旱，即抽穗期至灌浆中期田间持水量保持30%～40%，其他时期田间持水量保持60%～70%；W2:灌浆后期干旱，即灌浆中期至成熟期田间持水量保持30% ～40%，其他时期田间持水量保持60%～70%。 施氮量设置2 个水平，分别为N0(不施氮肥)和N150(N 150 kg/hm2)。 试验设计见表2。 所有处理磷钾肥用量相同(P2O590 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2)且统一基施。 磷肥用过磷酸钙，钾肥用硫酸钾，氮肥为尿素(50%基施，50%于孕穗期追施)。

表2 试验设计

1.3 调查项目及方法

1.3.1 土壤含水量 盆土的含水量采用称重法测定。

1.3.2 农艺及产量性状 成熟期每处理随机选取10 盆(共60 株，分为6 次重复，每重复10 株)测量株高、茎粗、穗长、穗粗、单穗干重、穗粒重和千粒重，计算出谷率、生物产量、籽粒产量和收获指数。

收获指数(%)＝经济产量/生物产量×100 。

1.3.3 干物质积累量 每处理分别于抽穗期、开花期、灌浆中期、成熟期(表3)各取10 株，按穗、叶、茎分开后烘箱105℃杀青30 min、80℃烘干至恒重，称量各部分干物质量，成熟期穗脱粒后分别统计籽粒和其它部分质量。

表3 取样时间(月/日)

1.3.4 籽粒品质指标 成熟期每处理随机选取3盆脱粒风干，籽粒脱壳后，糙米送至农业农村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 和氨基酸含量。 参照杨延兵等[17]的方法测定籽粒黄色素含量。

1.3.5 叶片相关酶活性及生理指标 分别在谷子拔节期、抽穗期、灌浆中期、成熟期(表3)上午10 时，取各处理倒二叶后立即液氮冷冻，带回实验室置于－80℃超低温冰箱保存备用。 叶片过氧化物歧化酶(SOD)、硝酸还原酶(NR)、谷氨酰胺合成酶(GS) 活性及丙二醛(MDA)、脯氨酸(PRO)含量均采用苏州科铭生物技术有限公司测试盒测定。

1.4 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2019 进行数据处理及作图，采用SPSS 软件进行统计分析，0.05 水平检验差异显著性。

2 结果与分析

2.1 不同水氮处理对谷子农艺、产量性状及干物质积累的影响

2.1.1 对谷子农艺及产量性状的影响 由表4 看出，相同氮水平下，W1N150处理的株高、穗长、单穗干重、穗粒重和生物产量较CKN150均显著降低，W2N150处理下除生物产量外其他指标与CKN150差异均不显著；W1N0处理的株高、茎粗、穗长和生物产量较CKN0均显著降低，W2N0处理的茎粗、穗长与CKN0处理间差异显著。 相同水分处理下，施氮显著提高除株高、出谷率外的其他农艺和产量指标；W1N150和W1N0处理间株高差异不显著。 W1N0的穗长和生物产量显著低于其他处理，W1N150处理的出谷率最低，且显著低于CKN0、W1N0和W2N0处理。

表4 不同水氮处理下谷子农艺、产量性状

由图1 看出，相同水分处理下，施氮显著提高谷子产量；同一氮素水平下，不同时期水分胁迫均降低谷子产量，施氮组与对照相比分别降低20.14%和4.10%，W1N150显著低于CKN150和W2N150；不施氮组与对照相比分别降低11.03%和5.18%，但差异不显著。 从收获指数(图2)来看，W1N150处理的收获指数显著低于W1N0，其他两组(CK、W2)施氮处理谷子收获指数均显著提高。同一氮素水平下，不同时期水分胁迫均降低收获指数，差异达显著水平，其中W1N150处理收获指数最低，W2N0次之。

图1 不同水氮处理下谷子产量

图2 不同水氮处理下谷子收获指数

以上说明施加氮肥显著提高谷子产量，CK、W2处理组收获指数均显著提高；抽穗后干旱胁迫不同程度降低产量，抽穗—灌浆中期干旱对产量的影响更大。

2.1.2 对不同生育期谷子地上部干物质积累的影响 不同水氮处理下谷子地上部干物质随生育进程呈不断增长的趋势(图3)，穗所占比重逐渐增大，施加氮肥显著提高干物质积累量。 开花期，W1N150处理穗干重显著低于CKN150和W2N150，N0处理组差异不显著；灌浆中期，W1N150和W1N0处理的穗干重分别显著低于CKN150、W2N150和CKN0、W2N0，且W1N0处理的叶和穗干重均最低；成熟期，灌浆后期干旱胁迫处理组(W2)穗干重与对照相比有所降低，但未达显著水平，灌浆前期干旱胁迫处理组(W1)地上部干物质量低于其他两组。 说明灌浆前期干旱对谷子干物质积累影响更大，不施氮处理下更为显著。

图3 不同水氮处理下谷子地上部干物质积累量

2.2 不同水氮处理对谷子叶片相关酶活性及生理生化指标的影响

2.2.1 对谷子叶片超氧化物歧化酶(SOD)活性的影响 由图4 可知，W1N0、W1N150处理灌浆中期叶片SOD 活性显著高于其他处理，且W1N150处理显著高于W1N0；成熟期，W1N150、W2N150处理叶片SOD 活性显著高于其他处理，且W2N150处理显著高于W1N150。 正常水分条件下，拔节期和抽穗期不施氮和正常施氮处理谷子叶片SOD 活性差异不显著；成熟期施氮处理谷子叶片SOD 活性均显著高于不施氮处理。 说明不同时期干旱胁迫处理均提高谷子叶片SOD 活性，且施氮组升高更明显。

图4 不同水氮处理下谷子叶片SOD 活性

2.2.2 对谷子叶片丙二醛(MDA)含量的影响如图5 所示，正常水分条件下，不施氮和正常施氮处理谷子叶片MDA 含量差异不显著。 灌浆后不同时期干旱(W1、W2)处理，谷子叶片MDA 含量均增加。 灌浆中期，W1N150处理叶片MDA 含量较CKN150显著增加43.25%，W2N150处理较CKN150增加7.91%；W1N0处理叶片MDA 含量较CKN0显著增加56.99%，W2N0处理较CKN0增加7.91%；W1处理组叶片MDA 含量显著高于其他组，且W1N0处理显著高于W1N150。 复水后的成熟期，W1 处理组谷子叶片MDA 含量有所降低，W1N150恢复至对照水平，W1N0处理叶片MDA 含量仍显著高于对照。

图5 不同水氮处理下谷子叶片MDA 含量

说明谷子生长过程中受到干旱胁迫时，叶片MDA 含量会显著增加。 施氮处理叶片MDA 含量低于不施氮处理，说明供氮水平一定程度上影响叶片MDA 含量。

2.2.3 对谷子叶片脯氨酸(PRO)含量的影响正常水分条件下，不施氮和正常施氮处理谷子叶片PRO 含量差异不显著(图6)。 灌浆中期，抽穗—灌浆中期干旱处理(W1)组叶片PRO 含量急剧升高，W1N0与CKN0相比升高8.13 倍，W1N150与CKN150相比升高12.37 倍。 成熟期，灌浆后期—成熟期干旱处理(W2)下谷子叶片PRO 含量也大大提高，W2N0与CKN0相比升高10.33 倍，W2N150与CKN150相比升高12.03 倍。 不同时期干旱胁迫下，施氮处理谷子叶片PRO 含量显著高于不施氮处理。

图6 不同水氮处理下谷子叶片PRO 含量

说明谷子生长过程中受到干旱胁迫时，叶片PRO 含量会急剧上升，施氮条件下上升更明显。干旱胁迫解除后，谷子叶片PRO 含量有所恢复，但均未恢复至对照水平。

2.2.4 对谷子叶片硝酸还原酶(NR)活性的影响

由图7 看出，抽穗期后相同水分条件下施氮处理谷子叶片NR 活性均显著高于不施氮处理。 灌浆中期，抽穗—灌浆中期干旱(W1)处理组叶片NR 活性降低，W1N150处理较CKN150显著降低22.23%，W1N0较CKN0显著降低16.35%，W1N150处理显著高于W1N0。 成熟期，W1N0和W1N150处理叶片NR 活性均有不同程度恢复，W1N0活性恢复到对照水平，W1N150恢复并达到高于对照(CKN150)水平；灌浆中期—成熟期干旱处理(W2)组叶片NR 活性略有降低，与对照间差异不显著，W2N150处理显著高于W2N0。

表明施加氮肥能明显提高叶片NR 活性；干旱胁迫复水后叶片NR 活性有明显提高，甚至能恢复到高于对照的水平。

2.2.5 对谷子叶片谷氨酰胺合成酶(GS)活性的影响 由图8 看出，相同水分处理下，拔节期处理间差异不显著，抽穗至成熟期施氮处理叶片GS活性均显著高于不施氮处理。 相同氮素水平下，抽穗期到灌浆中期各处理叶片GS 活性显著提高。 两个时期干旱处理对叶片GS 活性的影响不同，灌浆后期干旱处理的影响不大。

2.3 不同水氮处理对籽粒营养品质的影响

表5 显示，水氮处理对谷子籽粒不同品质性状的影响不同。 相同水分处理下，施氮处理的籽粒蛋白质含量、氨基酸总量均显著高于不施氮处理，淀粉含量均显著低于不施氮处理，且不同水分处理间差异不显著。 不同水氮处理对维生素E含量的影响不大，W1N0处理维生素E 含量显著高于CKN150和W2N150。 W1N150处理的脂肪含量显著低于其他处理，其他处理间差异不显著。 黄色素是小米重要的商品性指标，施氮对其含量有显著影响。 不施氮处理组籽粒黄色素含量显著高于施氮处理组，不同水分处理组提高幅度为23.00%～28.75%，而相同氮水平不同时期干旱处理间差异不显著。

表5 不同水氮处理下籽粒品质性状

水氮处理对籽粒不同氨基酸含量产生一定影响(表6)。 从整体看，同一水分处理下，施氮处理提高籽粒氨基酸含量；同一氮素水平下，不同时期水分胁迫处理的籽粒氨基酸总含量有所提高，但均未达到显著水平。 不同时期干旱处理籽粒中人体必需的7 种氨基酸含量均有所提高，其中W1N150籽粒中苏氨酸、亮氨酸含量均显著高于CKN150。 经干旱处理后，籽粒天冬氨酸和谷氨酸含量也有所提高，其中W1N150处理籽粒天冬氨酸和谷氨酸含量显著高于CKN150处理。 综上，灌浆前期干旱对谷子籽粒氨基酸含量影响较大。

表6 不同水氮处理下籽粒氨基酸含量(g/kg)

3 讨论

3.1 不同水氮处理对谷子生长的影响

水分和氮素对植物生长发育和形态建成至关重要，植物体内水分亏缺会影响其生理生化过程和器官建成，不利于正常生长发育[18]。 谷子抽穗期、灌浆期对干旱胁迫十分敏感，无论是土壤水分还是养分的亏缺或过量均会影响作物生理生化过程，进而显著影响作物生长发育和产量[19，20]。 前人研究认为，随着土壤含水率下降，作物株高、穗粗、穗重、结实率、产量及单株干物质量也逐渐减小，最终导致减产[21－23]，这与本研究结果相似。本试验条件下，不同时期干旱胁迫降低谷子单穗干重、生物量、籽粒产量和收获指数，抽穗—灌浆中期干旱明显降低谷子株高、穗长，灌浆前期干旱处理(W1N150)的出谷率显著降低。 这是由于抽穗—灌浆中期干旱胁迫影响谷子受精结实，干物质向籽粒分配受阻，抑制籽粒灌浆导致谷子单株穗重、单株粒重降低，秕谷率升高，产量大幅下降[24]。 本研究中，水分亏缺对千粒重无显著影响，这与刘鑫等[25]的研究结果一致。 籽粒灌浆是作物生育过程极其重要的阶段，适量施氮较不施氮提高灌浆速率和灌浆速率最大时的生长量，籽粒灌浆活跃期延长，进而增产[10]。 水分胁迫下增施氮肥或低氮条件下增加供水均能明显提高产量[26]。 本研究中，高氮处理显著增加株高、茎粗、穗长、穗粗、单穗干重、穗粒重、千粒重、生物产量及籽粒产量，干物质积累量明显高于不施氮组。由此可知，穗后不同时期干旱均使谷子减产，适度增加土壤含氮量有利于减缓干旱胁迫导致的减产。

3.2 不同水氮处理对谷子生理生化特性的影响

土壤水分亏缺条件下，植物体内水分状况发生改变，进而引发一系列生理生化变化来适应水分胁迫生境，以维持生长。 干旱胁迫下，体内活性氧代谢系统失调，进而引发或加剧细胞膜脂过氧化，对植物细胞产生毒害[27]。 前人研究表明，正常供水与干旱处理时增施适量氮肥均可提高小麦叶片抗氧化酶活性[28，29]，低氮胁迫下谷子叶片丙二醛(MDA)含量表现为增加趋势[30]，PRO 含量施氮组高于不施氮组[16]。 本研究中，两个时期干旱处理谷子叶片SOD 活性及PRO、MDA 含量显著升高，复水后有不同程度下降，但仍高于对照，说明旱后复水具有一定的补偿性[31]；相同水分处理下，施氮组SOD 活性和PRO 含量高于不施氮组，MDA 含量低于不施氮组，与前人的研究结果相似。 这说明施氮能促进谷子活性氧清除酶系统及时有效地清除产生的大量活性氧自由基，防止活性氧自由基累积和膜脂过氧化加剧对细胞膜的破坏，从而延缓衰老并提高其对干旱的抵御能力[32]。

氮是植物生长发育和产量形成的重要营养元素，植物生长发育过程中蛋白质、氨基酸和核酸等物质的生成均和氮代谢有关[32]。 硝酸还原酶(NR)和谷氨酰胺合成酶(GS)是氮代谢关键酶，其活性大小直接影响氮代谢过程[33]。 本研究结果表明，相同水分处理下，施氮处理显著提高谷子叶片NR、GS 活性；水分亏缺下，叶片NR、GS 活性下降，灌浆前期干旱下降明显，复水后有所恢复，灌浆后期干旱处理酶活性下降幅度较小。 水分适宜时增施氮肥有利于保持叶片NR、GS 的高活性，这与李佳帅等[34]对葡萄的研究一致。 施氮处理保持土壤后期较高的氮素水平，保证作物氮素营养供给，加强植株的氮素同化和转运能力，为蛋白质、氨基酸等的积累奠定良好基础，进而增产。

3.3 不同水氮处理对谷子籽粒品质的影响

谷子籽粒品质既受遗传因素影响，又受生态环境和栽培管理措施等影响，通过环境生态因子调控可提高谷子品质[35]。 本研究结果表明，不同水分处理下，施氮处理谷子籽粒蛋白质含量和氨基酸总量均显著高于不施氮处理，淀粉和黄色素含量均显著低于不施氮处理；谷子籽粒蛋白质是优质的植物蛋白，氨基酸含量较高且均衡。 水分胁迫处理籽粒中人体必需氨基酸含量有所提高，灌浆前期干旱处理下提高更明显，这与前人的研究结果一致。 因此，合理增施氮肥且适度干旱有利于提高谷子品质。 小米黄色素含量高低反映着小米的商品品质，是消费者选择小米的首要指标[36]，米色越黄，米饭的香味、色泽和适口性越好[37]。 本研究结果表明，施氮使籽粒黄色素含量显著降低，所以谷子栽培管理过程中应注意避免氮肥的过量投入。 脂肪是影响小米香味的重要成分，同时也是影响小米外观的重要因素。 本研究中，谷子抽穗后不同时期干旱胁迫导致籽粒脂肪含量有不同程度下降而影响品质，灌浆前期干旱处理(W1N150)的脂肪含量显著降低，生产上应注意保证谷子穗后水分供应。 综上，穗后不同时期干旱胁迫使谷子品质变劣，适当增施氮肥有利于提升谷子品质。

4 结论

本试验条件下，抽穗后不同时期水分胁迫均降低谷子生物产量、籽粒产量和收获指数，部分人体必需氨基酸含量升高。 W1N150出谷率、收获指数和脂肪含量均最低。 W1N0产量最低，较对照(CKN0)降低11.03%。 干旱胁迫下，生殖器官干物质分配比重下降，SOD 活性和PRO、MDA 含量升高，NR 和GS 活性下降，复水后有所恢复。 同一水分处理下，施氮提高谷子叶片SOD 活性和PRO 含量，缓解膜脂过氧化带来的伤害，氮代谢相关酶活性升高，显著提高谷子产量；籽粒蛋白质和氨基酸总量显著升高，但淀粉和黄色素含量均显著低于不施氮处理；不同水分处理籽粒黄色素含量提高幅度为23.00%～28.75%。

可见，干旱对灌浆前期影响较大，减产严重，施氮可以缓解干旱带来的不利影响，合理的水氮投入可提高谷子品质。