氮素調(diào)控措施對小麥植株氮素同化過程和產(chǎn)量的影響

楊 磊，夏 炎，韓自強(qiáng)，王 軍，宋 賀，董召榮，車 釗

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/農(nóng)業(yè)部黃淮南部小麥生物學(xué)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥 230036)

小麥?zhǔn)侵袊饕募Z食作物之一，施用氮肥是保障小麥產(chǎn)量的重要措施。近年來，由于過量施氮，造成小麥易倒伏、病蟲害增多、氮肥利用率下降[1]，同時(shí)還引發(fā)地下水硝酸鹽超標(biāo)、湖泊富營養(yǎng)化、溫室氣體排放量增加等一系列環(huán)境問題[2-3]。因此，在氮肥投入水平不變或減量施氮的前提下，維持小麥產(chǎn)量、提高氮肥利用效率對保障糧食安全和生態(tài)安全有重要意義。

氮素調(diào)控是提高作物產(chǎn)量和氮肥利用效率的有效途徑。施用硝化抑制劑、生物炭和葉面肥是目前常用的氮素調(diào)控方法[4-6]。硝化抑制劑能對亞硝化細(xì)菌產(chǎn)生毒性[7]，使土壤中的氮肥多數(shù)以銨態(tài)氮的形式存在[8]，進(jìn)而對土壤氮素轉(zhuǎn)化的過程和速率產(chǎn)生影響。施用硝化抑制劑可以提高小麥氮素利用率并提高小麥產(chǎn)量[9]。生物炭具有較強(qiáng)的吸附性、抗氧化性和抗生物分解能力[10]，能提高養(yǎng)分的有效性，減少土壤養(yǎng)分的淋失，促進(jìn)作物生長，提高小麥和玉米的產(chǎn)量和品質(zhì)[11]。葉面噴肥能夠延長葉片功能期，增加物質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)，彌補(bǔ)根系追肥的不足[12]，能在一定程度上增加作物產(chǎn)量，促進(jìn)作物對氮素的吸收利用[13]。氮素同化是作物體內(nèi)的重要生理過程，與作物產(chǎn)量形成和氮素利用效率等密切相關(guān)，然而，目前關(guān)于硝化抑制劑和生物炭對小麥氮同化過程的影響機(jī)制尚不清楚，需要進(jìn)一步探索。因此，本研究通過大田試驗(yàn)，設(shè)置硝化抑制劑、生物炭和葉面肥等氮素調(diào)控方式，研究不同氮素調(diào)控方式對小麥關(guān)鍵生育時(shí)期氮素同化過程和產(chǎn)量的影響，以期為小麥高效綠色栽培選擇合理的氮素調(diào)控措施提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2015—2016年在安徽省合肥市廬陽區(qū)安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)國家高新技術(shù)農(nóng)業(yè)園進(jìn)行，試驗(yàn)地屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候。試驗(yàn)地土質(zhì)為黃褐土，有機(jī)質(zhì)18.08 g·kg-1，全氮1.31 g·kg-1，堿解氮70.98 mg·kg-1，全磷0.34 g·kg-1，速效磷17.02 mg·kg-1，全鉀32.56 g·kg-1，速效鉀190.32 mg·kg-1，pH 6.41。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用單因素隨機(jī)設(shè)計(jì)，設(shè)不施氮肥(CK)、傳統(tǒng)施肥(CN)、傳統(tǒng)施肥+生物炭(CN+C)、傳統(tǒng)施肥+硝化抑制劑(CN+D)、傳統(tǒng)施肥+葉面噴肥(CN+P)5個(gè)處理，各處理設(shè)3次重復(fù)。傳統(tǒng)施肥處理的氮、磷、鉀肥用量均按照當(dāng)?shù)氐氖┓柿?xí)慣設(shè)置，分別為240、150、120 kg·hm-2(均為折純量)，其中氮肥為尿素(含N 46%)，磷肥為過磷酸鈣(含P2O517%)，鉀肥為氯化鉀(含K2O 60%)。不施氮肥處理的磷、鉀肥用量與傳統(tǒng)施肥處理一致。磷肥和鉀肥均作為基肥一次性施入，氮肥70%作基肥、30%做追肥。生物炭選取水稻穎殼高溫炭化產(chǎn)物，施用量15 t·hm-2。硝化抑制劑按照與尿素1∶100的質(zhì)量比均勻噴于尿素顆粒表面作基肥施入。葉面噴肥處理于小麥開花后配1%尿素溶液噴施，每次尿素用量15 kg·hm-2，每隔7 d噴施1次，共4次。各小區(qū)面積15 m2(3 m×5 m)，供試小麥品種為晥麥68，于2015年12月1日播種，行距25 cm，基本苗3.75×106株·hm-2。

1.3 測定項(xiàng)目和方法

分別于返青、拔節(jié)、抽穗、揚(yáng)花和灌漿期取長勢一致的小麥50株。其中，取20株小麥的莖稈和上三葉于 -80 ℃保存，用于硝酸還原酶(NR)[14]、谷氨酰胺合成酶(GS)[15]活性的測定；取另外20株小麥的莖和葉于105 ℃殺青30 min，80 ℃烘干至恒重，稱重磨粉，用于干物質(zhì)積累量和全氮含量[16]的測定；取剩余10株小麥的鮮樣用于可溶性蛋白質(zhì)[14]、銨態(tài)氮[17]、硝態(tài)氮[17]以及游離氨基酸含量的測定。游離氨基酸測定：取0.5 g鮮樣冰水浴研磨后，用5 mL 5%磺基水楊酸浸提30 min， 10 000 r·min-1離心10 min，取上清液于0.22 μm濾膜過濾后用L-8900全自動專用氨基酸分析儀測定。

成熟期每小區(qū)隨機(jī)取連續(xù)3 m2小麥，脫粒、曬干后計(jì)產(chǎn)。

1.4 數(shù)據(jù)分析與處理

氮素農(nóng)學(xué)效率=(施氮處理籽粒產(chǎn)量-不施氮處理籽粒產(chǎn)量)/施氮量；

地上部氮素積累量=地上部植株全氮含量×地上部干物質(zhì)積累量；

氮肥吸收利用率=(施氮處理地上部氮素積累 量-不施氮處理地上部氮素積累量)/施氮量×100%；

氮素偏生產(chǎn)力=施氮處理籽粒產(chǎn)量/施氮量。

采用Microsoft Excel 2010和DPS 7.05軟件分析數(shù)據(jù)并制圖，通過Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮素調(diào)控對小麥葉和莖稈氮代謝的影響

2.1.1 對銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量的影響

氮肥調(diào)控對小麥葉和莖稈的硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量有明顯影響。由圖1可知，除揚(yáng)花期外，其他生育時(shí)期CN+D和CN+C處理小麥葉片的銨態(tài)氮含量均顯著高于CN處理；灌漿期各處理葉片的銨態(tài)氮含量表現(xiàn)為CN+P>CN+D>CN+C>CN>CK，其中CN+P、CN+D和CN+C處理葉片的銨態(tài)氮含量分別是CN處理的2.22、 1.61和1.38倍。各處理小麥莖稈銨態(tài)氮含量的變化趨勢基本一致，在返青期最高，拔節(jié)期至抽穗期逐漸下降，抽穗期至灌漿期則先升后降。在返青期、拔節(jié)期和揚(yáng)花期，CN+C和CN+D處理莖稈的銨態(tài)氮含量顯著高于CN處理；灌漿期CN+P處理莖稈的銨態(tài)氮含量顯著高于其他處理，是CN處理的1.07倍。除灌漿期外，其他生育時(shí)期CN+C處理葉片的硝態(tài)氮含量均最高，且顯著高于其他處理；灌漿期CN+D處理葉片的硝態(tài)氮含量最高，CN處理次之，兩者顯著高于其他處理。灌漿期CN+D、CN+C和CN+P處理莖稈的硝態(tài)氮含量分別是CN處理的1.54、1.22和 1.16倍，差異達(dá)到顯著水平。說明與傳統(tǒng)施肥相比，施用生物炭能提高小麥體內(nèi)銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量，施用硝化抑制劑能提高小麥體內(nèi)銨態(tài)氮含量和灌漿期硝態(tài)氮含量，施用葉面肥能提高灌漿期小麥體內(nèi)銨態(tài)氮含量。

同一生育時(shí)期柱形圖上方的小寫字母不同表示處理間在0.05水平差異顯著。圖2同。

Different lower-case letters at the same growth stage indicate significant difference among different treatments at the level of 0.05.The same in figure 2.

圖1 不同氮肥調(diào)控措施下小麥葉片和莖稈中的銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量

Fig.1 Content of ammonium nitrogen and nitrate nitrogen in wheat leaf and stalk under different N regulations

2.1.2 對硝酸還原酶和谷氨酸酰胺合成酶活性的影響

由圖2可知，隨生育時(shí)期推進(jìn)，CN+P處理小麥葉片的NR活性逐漸上升并在灌漿期達(dá)到最大值，而其他處理則呈先升后降的變化趨勢。其中，抽穗期和揚(yáng)花期CN+D處理的NR活性顯著高于CN處理，抽穗期CN+C處理葉片的NR活性顯著高于CN處理，灌漿期CN+P處理的NR活性最高，分別是CN+D、CN+C和CN處理的1.84、2.11和1.79倍。各處理小麥莖稈的NR活性均隨生育時(shí)期推進(jìn)呈先升后降的變化趨勢，在拔節(jié)期達(dá)到最大值，其中，抽穗期至灌漿期CN+D和CN+C處理的NR活性均顯著高于CN處理，揚(yáng)花期和灌漿期CN+P處理的NR活性均顯著高于CN處理。各處理小麥葉片的GS活性在揚(yáng)花期達(dá)到最大值。其中，除抽穗期CN+C處理與CN處理差異不顯著外，其他生育時(shí)期CN+D處理和CN+C處理的GS活性均顯著高于傳統(tǒng)施肥處理。CN+C、CN+D處理小麥莖稈的GS活性在整個(gè)生育時(shí)期均顯著高于CN處理，但CN+P處理與CN處理間無顯著差異。說明與傳統(tǒng)施肥相比，施用生物炭和硝化抑制劑能提高小麥體內(nèi)NR和GS活性，施用葉面肥能提高小麥灌漿期NR活性。

2.1.3 對游離氨基酸和可溶性蛋白質(zhì)含量的影響

由表1可知，CN+C處理葉片的游離氨基酸含量最高，CN+D處理次之，兩者分別是CN處理的1.69和1.48倍；CN+D處理莖稈的游離氨基酸含量最高，CN+P次之，兩者分別是CN處理的1.55和1.52倍；CN+D處理葉片的可溶性蛋白質(zhì)含量最高，顯著高于其他處理，較CN處理高3.18%；各氮素調(diào)控處理莖稈的可溶性蛋白質(zhì)含量均顯著高于傳統(tǒng)施肥處理，其中CN+C、CN+P和CN+D處理分別是CN處理的1.58、1.58和1.64倍。說明與傳統(tǒng)施肥相比，氮素調(diào)控處理能提高灌漿期小麥體內(nèi)的游離氨基酸和可溶性蛋白質(zhì)含量。

圖2 不同氮素調(diào)控措施下小麥葉片和莖稈中硝酸還原酶、谷氨酸酰胺合成酶的活性

表1 灌漿期小麥葉、莖稈游離氨基酸和可溶性蛋白質(zhì)含量Table 1 The content of free amino acids and soluble protein in leaf and stalk of wheat during grain filling period

同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著。下同。

Different small letters in the same column refer to significant differences at 0.05 level. The same in tables 2 and 3.

2.1.4 對成熟期小麥各器官全氮含量的影響

由表2可知，CN+D處理葉片的全氮含量顯著高于其他處理，且CN+P、CN+C和CN處理間無顯著差異；各氮素調(diào)控處理莖稈的全氮含量大小表現(xiàn)為CN+D>CN+C>CN>CN+P；CN+C、CN+D和CN+P處理籽粒的全氮含量分別較CN處理高34.36%、33.04%和35.24%，差異均達(dá)到顯著水平。說明與傳統(tǒng)施肥相比，施用硝化抑制劑能顯著提高小麥成熟期各器官的全氮含量，而施生物炭和葉面肥能顯著提高成熟期籽粒的全氮含量。

2.2 氮素調(diào)控對小麥產(chǎn)量和氮肥利用效率的影響

由表3可知，各氮素調(diào)控處理的小麥產(chǎn)量均顯著高于傳統(tǒng)施肥處理，且以CN+P處理的產(chǎn)量最高，達(dá)4 130.0 kg·hm-2，但其與CN+C和CN+D處理間無顯著差異；施用葉面肥、生物炭和硝化抑制劑處理分別較傳統(tǒng)施肥處理增產(chǎn)663.3、568.3和520.0 kg·hm-2，增產(chǎn)率分別達(dá)到19.13%、16.39%和15.00%。CN+D處理的氮肥吸收利用率最高，達(dá)到49.6%，顯著高于其他處理。各氮素調(diào)控處理的氮肥農(nóng)學(xué)效率和氮素偏生產(chǎn)力顯著高于傳統(tǒng)施肥處理，但三者間無顯著差異。說明與傳統(tǒng)施肥相比，各氮素調(diào)控措施能顯著提高氮肥吸收利用率、氮肥農(nóng)學(xué)效率和氮素偏生產(chǎn)力以及小麥產(chǎn)量。

表2 成熟期小麥各器官的全氮含量Table 2 Total N content in different organs of wheat at maturity among different treatments %

表3 不同處理間小麥產(chǎn)量和氮肥利用狀況Table 3 N utilization and yield of wheat among different treantments

3 討 論

氮同化過程的強(qiáng)弱與作物產(chǎn)量和氮素吸收利用率密切相關(guān)。游離氨基酸是氮同化過程的中間產(chǎn)物也是有機(jī)氮的運(yùn)輸形式[28]，可溶性蛋白質(zhì)含量能反映植物體內(nèi)的氮代謝水平[29]。本研究中，施用硝化抑制劑能較常規(guī)施肥顯著提高灌漿期小麥的游離氨基酸和可溶性蛋白質(zhì)含量，且在灌漿期小麥莖稈游離氨基酸和可溶性蛋白質(zhì)含量均高于施生物炭和葉面噴肥處理。有研究表明，較高的氮代謝酶活性有利于氨基酸的合成和轉(zhuǎn)化[30]。本研究中，3個(gè)氮素調(diào)控處理的氮肥吸收利用率、氮肥農(nóng)學(xué)效率和氮素偏生產(chǎn)力均顯著高于傳統(tǒng)施肥處理，其中硝化抑制劑處理的氮肥吸收利用率達(dá)到49.6%，顯著高于其他處理，這可能與灌漿期硝化抑制劑處理的GS活性較高有關(guān)。本研究中，CN+P處理的籽粒產(chǎn)量最高，達(dá)4 130.0 kg·hm-2，但不同氮素調(diào)控處理間的產(chǎn)量無顯著差異；氮素調(diào)控處理的小麥產(chǎn)量顯著高于傳統(tǒng)施肥處理，這與前人的研究結(jié)果一致[31-33]。

綜上所述，硝化抑制劑、生物炭及葉面噴肥等氮肥調(diào)控措施能通過改變氮素同化過程的底物濃度，增強(qiáng)相關(guān)氮同化酶活性，進(jìn)而增加氮同化過程中間產(chǎn)物，提高氮肥吸收利用效率，從而增加小麥產(chǎn)量，但該促進(jìn)作用是否能長期穩(wěn)定增產(chǎn)還需進(jìn)一步研究。