施氮與不同時期水分脅迫對谷子生長及生理生化特性的影響

于肖 牛佳紅 陳二影 秦嶺 劉振宇 張會笛 楊延兵 黎飛飛 范海 管延安

摘要：采用盆栽試驗法，設置水分和氮素兩個因素，水分設3種灌水處理，即正常灌水CK（田間最大持水量的60% ～70%）、苗期干旱W1（30% ～40%）、孕穗期干旱W2（30% ～40%），氮素設2個水平，即不施氮處理N0、施氮處理N150（純N150kg/hm2），研究水氮處理對谷子農藝和產量性狀、生理生化特性及籽粒品質的影響。結果表明，苗期干旱且施氮處理谷子穗長、穗粗、單穗鮮重、單穗干重、單穗粒重、出谷率、千粒重和產量的值最大;生殖器官干物質分配比重最大;抽穗期至成熟期硝酸還原酶活性較對照顯著提高，表征氮代謝活性增強;谷氨酰胺合成酶活性與對照無顯著差異。與對照相比，干旱脅迫會顯著增強SOD活性及MDA、PRO含量，從而維持植物的正常代謝，復水后差異不顯著。相同水分處理下，施氮處理籽粒中蛋白質、脂肪和氨基酸總量較不施氮處理顯著提高。籽粒中其他成分含量因施氮水平和土壤水分脅迫程度不同而有較大差異。

關鍵詞：谷子;水分脅迫;施氮處理;生理生化特性;生長;籽粒品質

中圖分類號：S515 文獻標識號：A 文章編號：1001-4942（2022）01-0061-07

谷子（Setariaitalica（L.）P.Beauv）起源中國，古稱粟，屬禾本科狗尾草屬一年生草本植物，為小雜糧之首[1]，其耐旱耐瘠薄性突出，主要種植在干旱、半干旱地區，當前仍是中國北方旱作農業的主要種植作物之一。

水分和氮素是影響農作物產量的最重要因素，也是影響人類最顯著的環境因子[2，3]。隨著全球氣候不斷變暖，我國北方的干旱形勢日趨嚴重，氮肥過度施用也造成了嚴峻的環境問題。全球水資源的日益匱乏也將影響作物獲取氮素的方式，并嚴重影響作物的產量和品質[4]。水分和氮素雖然對農作物的作用效果不同，但是它們相互影響，相互制約。合理的水氮配比對農作物有促進作用，能夠提高產量和水氮利用效率，實現高效高產。近年來，研究者關于合理水氮運籌對部分農作物生長發育及產量方面的影響進行了廣泛研究。范雪梅等[5]研究認為，在干旱逆境下施用氮肥對小麥植株氮代謝和籽粒蛋白質和氨基酸積累有明顯的調節效應。楊宇等[6]發現，玉米植株在水分或氮肥條件相同情況下，適當提高另一因子的量都會提高作物的最終產量。劉立軍等[7]研究表明，水稻合理控制水分和氮肥會調控優化水稻的產量和品質。張智猛等[8]研究花生葉片發現，適當提高氮素水平既能增加花生葉片中可溶性蛋白質和游離氨基酸含量，又能提高NR、GOGAT等氮代謝相關酶活性，使其同步增加。李佳帥等[9]對葡萄的研究發現，水分條件適宜時，氮代謝酶活性會隨著施氮量增加而增加，輕度干旱脅迫時，增施氮肥可緩解干旱脅迫。合理施用氮肥會協調植株水氮代謝，有利于籽粒中營養成分和光合產物的積累，從而提高谷子產量和品質[10，11]。谷子苗期適度干旱有利于蹲苗，促進后期產量的提高[12]。

目前對谷子的研究多集中于單一的水分或氮肥對其產量、氮代謝酶活性及抗氧化酶和品質的影響，在水氮互作方面的研究尚少見。因此對谷子進行水氮互作效應研究，探究水、氮作用機制，有助于形成優化的水氮調控措施，從而達到產量、水分和氮素利用效率三者協同提升，促進優質、高產、高效農業的發展[13]。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試盆栽土取自山東省農業科學院作物研究所濟南試驗基地中等肥力試驗田0～30cm耕層土壤，其理化性狀為有機質含量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、速效鉀135.0mg/kg，pH值8.31。試驗用氮磷鉀肥分別為尿素（N46%）、過磷酸鈣（P2O516%）和氯化鉀（K2O60%）。

供試谷子品種為山東省農業科學院作物所選育的抗拿捕凈除草劑優良新品種濟谷22。

1.2 試驗設計及方法

試驗設水分和施氮兩個因素（簡稱水氮處理）。水分設置3種灌水處理，即正常灌水（CK）：全生育期保持田間持水量的60% ～70%;W1：苗期干旱，即播種后讓田間持水量自然下降至40%，至拔節期田間持水量保持30% ～40%，其他時期田間持水量保持60% ～70%;W2：孕穗期干旱，即拔節期-抽穗期田間持水量保持30% ～40%，其他時期田間持水量保持60% ～70%。氮素設2個水平，分別為N0：不施氮;N150：施純N150kg/hm2（表1）。所有處理磷鉀肥用量一致，均基施P2O5 90kg/hm2、K2O90kg/hm2;氮肥50%基施、50%追施（孕穗期，出苗后1個月）。

采用內徑35cm、高25cm的栽培盆，將土壤風干后與基肥充分混勻后裝盆，裝土14kg/盆，澆水至足墑。每盆適墑播種20粒飽滿種子，三葉期間苗，六葉期每盆選留6株生長一致的健壯植株，折合留苗密度為60萬株/hm2，每處理25盆。6月22日播種。生長期間，旱棚防雨。盆土含水量采用稱重法測定。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 谷子農藝及產量性狀 分別于抽穗期、灌漿中期、成熟期，每處理取樣10株，按穗、葉、莖和根系將植株分開，烘干測其干物質量;成熟期每處理隨機選取10盆，每盆6株，測量株高、莖粗、穗長、單穗鮮重、單穗干重、單穗粒重、千粒重和產量，計算出谷率。

1.3.2 葉片相關酶活性 分別在谷子拔節期、抽穗期、灌漿中期、成熟期（表2），于上午10時，對各處理的功能葉（倒二葉）進行取樣，立即液氮冷凍貯于-80℃超低溫冰箱保存備用。谷子葉片過氧化物歧化酶（SOD）活性、丙二醛（MDA）含量、脯氨酸（PRO）含量及硝酸還原酶（NR）、谷氨酰胺合成酶（GS）活性采用蘇州科銘生物技術有限公司測試盒檢測。

1.3.3 籽粒品質指標 成熟期每處理隨機選取3盆脫粒風干，送至農業部谷物品質監督檢驗測試中心（濟南）測定籽粒蛋白質、脂肪、淀粉、維生素E和氨基酸總量。參照楊延兵等[14]的方法測定籽粒黃色素含量。

1.4 數據處理

采用MicrosoftExcel2019進行數據處理，Origin2018軟件作圖，SPSS軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 水氮處理對谷子農藝及產量性狀的影響

2.1.1 對谷子農藝及產量性狀的影響 由表3看出，相同氮水平處理下，苗期干旱處理（W1）谷子穗長、單穗鮮重、單穗粒重、出谷率、千粒重和產量均顯著高于CK，株高和莖粗則低于CK，且莖粗差異達顯著水平;孕穗期干旱處理（W2）谷子穗長、單穗干重、單穗粒重和產量顯著低于CK。相同水分處理下，施用氮肥顯著增加穗長、單穗鮮重、單穗干重、單穗粒重、千粒重和產量，但對株高和莖粗的影響差異基本不顯著。不同水氮處理下，CKN0處理株高和莖粗均高于其他處理組，其中株高差異達顯著水平;W1N150處理穗長、穗粗、單穗鮮重、單穗干重、單穗粒重、出谷率、千粒重和產量均優于其他處理組，與CKN0相比分別增加21.28%、5.43%、60.64%、50.07%、64.23%、9.44%、11.42%、64.23%。說明苗期適度干旱可增加谷子產量，施加氮肥會使產量顯著提高。孕穗期干旱會使產量大幅降低，但施加氮肥會一定程度上彌補產量的降低。

2.1.2 對不同生育期谷子地上部干物質積累的影響 不同水氮處理下，抽穗期至成熟期谷子地上部干物質積累量均呈現增長趨勢（圖1）。抽穗期，W1N150處理谷子穗干重顯著高于其他處理;W1N0處理葉、莖干物質重最低，而施加氮肥干物質重會顯著提高。灌漿期和成熟期，干物質變化趨勢與抽穗期基本保持一致。說明苗期和孕穗期干旱均降低莖稈干物質重，施氮對谷子莖稈干物質積累影響并不顯著。苗期干旱及施氮處理顯著提高穗干重，同時降低葉片干物質重。孕穗期干旱處理顯著降低穗干重，且在不施氮處理下更為顯著。

2.2 不同水氮處理對谷子抗氧化能力和滲透調節的影響

2.2.1 對谷子葉片SOD活性的影響 由圖2看出，拔節期W1N150和W1N0處理葉片SOD活性較高，且顯著高于其他處理;抽穗期W2N150和W2N0處理葉片SOD活性較高，與其他處理差異也達顯著水平。成熟期不同水分脅迫下施氮處理葉片SOD活性與其他時期相比均明顯提高。拔節期至灌漿中期不同水分脅迫下施氮處理對葉片SOD活性影響不大，成熟期施氮處理顯著提高葉片SOD活性。說明干旱脅迫后，葉片SOD活性會大大升高，過一段時間又會恢復為正常水平，施氮條件下這種趨勢增強但差異并不顯著。

2.2.2 對谷子葉片MDA含量的影響 由圖3看出，苗期干旱處理（W1）葉片MDA含量在拔節期顯著提高，孕穗期干旱處理（W2）葉片MDA含量在抽穗期急劇升高，與各自對照相比，施氮處理分別升高88.8%和59.6%，不施氮處理分別升高116.8%和69.4%。說明干旱脅迫后谷子葉片MDA含量會顯著升高。隨著生育期推進，谷子葉片MDA含量顯著上升，生長后期趨于平穩。施氮處理葉片MDA含量低于不施氮處理，但差異未達顯著水平，說明氮濃度在一定程度上影響葉片中MDA含量。

2.2.3 對谷子葉片脯氨酸（PRO）含量的影響 隨著生育期推進，對照谷子葉片PRO含量變化很小（圖4）。苗期干旱處理（W1）和孕穗期干旱處理（W2）谷子葉片PRO含量分別在拔節期和抽穗期急劇升高，與各自對照相比，施氮處理分別升高999.4% 和987.2%，不施氮處理分別升高659.1%和525.4%，施氮條件下差異更大。說明干旱脅迫后谷子葉片PRO含量會急劇上升，施氮條件下PRO含量上升更加顯著。干旱脅迫解除后，谷子植株PRO含量會恢復到正常水平。

2.3 不同水氮處理對谷子葉片硝酸還原酶（NR）和谷氨酰胺合成酶（GS）活性的影響

2.3.1 對NR活性的影響 由圖5看出，不同時期相同水分脅迫下施氮處理谷子葉片的NR活性基本顯著高于不施氮處理。苗期干旱處理（W1）和孕穗期干旱處理（W2）谷子葉片NR活性分別在抽穗期和成熟期達到最高，與各自對照相比，施氮處理NR活性分別升高129.3%和8.8%，不施氮處理分別升高329.1%和56.0%，不施氮條件下差異更為顯著。說明，施氮處理葉片NR活性增強，但隨著生育期的推進，兩種氮水平處理的NR活性差異越來越小。干旱脅迫復水后會使NR活性上升，并且會保持比對照高活性的趨勢。

2.3.2 對GS活性的影響 由圖6看出，相同水分處理下，施氮處理谷子葉片GS活性均高于不施氮處理，拔節期和抽穗期差異并不明顯，灌漿中期和成熟期差異顯著。相同氮素水平下，抽穗期到灌漿中期谷子葉片GS活性均明顯提高，成熟期GS活性與灌漿中期基本保持不變。說明干旱處理對谷子葉片GS活性影響并不大，施氮處理在谷子生育中后期會顯著提高葉片GS活性。

2.4 不同水氮處理對籽粒營養品質的影響

相同水分處理下，施氮處理谷子籽粒蛋白質、脂肪和氨基酸總量均顯著高于不施氮處理（表4）。W1N150處理籽粒蛋白質和氨基酸總量含量最高，CKN150、W2N150處理籽粒脂肪含量最高。CKN0處理的籽粒蛋白質含量和氨基酸總量均最低。W1N0和W2N0處理籽粒脂肪含量最低。淀粉含量以CKN0處理最高，W1N150處理最低。維生素E含量以W1N150處理最高，W1N0處理最低。W1N150處理籽粒黃色素含量顯著高于其他處理，其他處理間無顯著差異。

3 討論與結論

3.1 不同水氮處理對谷子生長的影響

水分和氮素在植物生長發育和形態建成中發揮著重要作用，干旱脅迫會導致植株體內水分缺失，影響到植株的生理生化過程和器官建成，對其生長發育會造成一定傷害[15]。氮素對谷子產量形成的作用最大，合理施用氮肥在一定程度上能促進谷子的生長發育[16]。前人研究認為，苗期適度干旱會提高谷子植株干物質總量和產量，孕穗期干旱會嚴重影響產量，造成減產[17];低氮脅迫使所有品種成熟期的粒重下降，苗期株高、干重、氮累積量下降[18];干物質積累是籽粒產量形成的基礎[19];適宜的施氮量可獲得較高的干物質積累量，并且生殖器官的分配比重處于較高水平[20]。本研究中，水氮處理對谷子農藝性狀的影響顯著，苗期干旱施氮處理谷子穗長、穗粗、單穗鮮重、單穗干重、單穗粒重、出谷率、千粒重和產量等性狀均優于其他處理組;谷子具有明顯的干物質積累優勢，尤其是生殖器官。所以適度干旱且提高土壤中氮含量有利于增產增效[21]。

3.2 不同水氮處理對谷子生理生化特性的影響

在逆境脅迫下，植物體內會產生大量的活性氧，使細胞膜脂過氧化，對植物細胞產生毒害。SOD會通過抗氧化酶促反應清除過量的活性氧，來保證植物正常的代謝水平[22，23]。SOD能催化過氧陰離子發生歧化反應，生成過氧化氫，是植物體內防御和抵抗活性氧毒害的第一道防線[24，25]。PRO是重要的滲透調節物質，在干旱脅迫下其含量增加會導致細胞水勢降低、植物吸水能力增強，而且PRO是保護酶系統和細胞膜免受傷害生物重要物質[26]。本研究中，苗期干旱與孕穗期干旱處理谷子葉片SOD活性及MDA、PRO含量分別在拔節和抽穗期顯著增加;相同水分脅迫下施氮和不施氮處理谷子葉片SOD活性和MDA含量無顯著差異，而葉片PRO含量施氮處理顯著高于不施氮處理。干旱使脂質過氧化水平加重，細胞膜系統在一定程度上遭到破壞，MDA含量不斷升高，而復水后，MDA含量變化不再顯著，但是增施氮肥會在一定程度上緩解干旱脅迫導致的膜脂過氧化傷害，降低MDA含量，提高或維持抗氧化酶活性以清除過多的活性氧，從而緩減水分脅迫對植物生長和生物量積累帶來的負面影響[27]。較長時間干旱脅迫下，葉片中SOD等抗氧化酶類活性發生不可逆的喪失，即使恢復到正常水分供給，也不能完全被激活，過剩的氧自由基不能被及時清除，SOD活性和MDA含量會積累較多。干旱脅迫下，谷子葉片通過有效調節PRO含量使細胞維持膨壓和滲透勢，降低土壤干旱對植物的損傷[28]。干旱解除后，PRO含量會相應減少，說明干旱脅迫后復水具有補償效應[29]。

硝酸還原酶是植物氮素同化的關鍵酶，也是一種誘導酶，與作物吸收和利用氮肥有關，功能葉中硝酸還原酶活性即可代表植物體內硝酸還原酶的水平[30，31]。谷氨酰胺合成酶是植物氮同化和再利用的關鍵酶，負責無機氮到有機氮的關鍵轉化利用過程[32]。谷氨酰胺合成酶是高等植物氨同化的主要酶，其活性高低直接會影響到植株體內氨基酸和蛋白質的代謝進程[33]。本試驗結果表明，相同水分處理下，施氮處理谷子葉片硝酸還原酶活性和谷氨酰胺合成酶活性均顯著高于不施氮處理，生育后期差異更為顯著。相同氮水平處理下，干旱環境使硝酸還原酶活性降低，但是復水后會大大提高硝酸還原酶活性，甚至超過對照組。與對照相比干旱脅迫會降低谷氨酰胺合成酶活性，但是差異并不顯著。谷子植株生長前期生物量較小，對氮素吸收速率較慢，灌漿中期達到最大值，成熟期由于長勢降低，對氮素的吸收基本保持不變，所以表現為谷氨酰胺合成酶活性升高后又基本保持不變[33]。

3.3 不同水氮處理對谷子籽粒品質的影響

植物體內蛋白質含量高低既標志著源端對同化物的供應能力，也反映出庫端對同化物的利用轉化能力。本研究中，不同水分條件下施氮處理谷子籽粒蛋白質含量顯著高于不施氮處理。這是由于NO-3 -N進入植物體后，在硝酸還原酶的作用下合成氨基酸的速度加快，同時谷氨酰胺合成酶活性增強，氮代謝加強促進籽粒氨基酸的合成和轉化，進而提高籽粒蛋白質含量[34]。苗期干旱且施氮處理谷子籽粒黃色素含量和維生素E含量最高。施氮處理籽粒脂肪含量顯著高于不施氮處理，但是干旱對籽粒脂肪含量基本無影響，推斷籽粒的脂肪含量可能與氮代謝有關。

綜上所述，苗期干旱且施氮處理谷子穗長、穗粗、單穗鮮重、單穗干重、單穗粒重、出谷率、千粒重和產量的值最大，生殖器官干物質分配比重最大;與對照相比，干旱脅迫會顯著增強SOD活性及MDA、PRO含量，從而維持植物的正常代謝。抽穗期至成熟期硝酸還原酶活性較對照顯著提高，谷氨酰胺合成酶活性與對照無顯著差異。相同水分條件下施氮處理籽粒蛋白質、脂肪及氨基酸總量較不施氮處理顯著提高。