乙矮合劑對不同氮水平夏玉米氮代謝及產(chǎn)量的調(diào)控效應(yīng)

房孟穎 閆 鵬 盧 霖 王慶燕 董志強(qiáng)

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部作物生理生態(tài)與栽培重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，100081，北京）

玉米（Zea maysL.）是我國第一大糧食作物，2019年產(chǎn)量占全國糧食總產(chǎn)量的 39%，可見保障玉米高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)對國家糧食安全具有重要意義[1]。華北夏玉米種植面積和產(chǎn)量分別約占全國的33.1%和34.4%[2]，近年來，為了追求高產(chǎn)，夏玉米施肥量過高，氮肥的利用率只有30%左右[3]。張福鎖等[4]研究表明，在華北平原地區(qū)過量施氮的農(nóng)戶占 90%～92%。過量施氮會增加玉米倒伏風(fēng)險[5]，同時還會導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)惡化和氮淋失等問題[6-8]。施用植物生長調(diào)節(jié)劑是提高作物抗逆性和資源利用效率的重要技術(shù)途徑[9]。乙烯利在控制玉米株高和提高抗倒伏方面效果顯著，目前生產(chǎn)中常用的抗倒伏調(diào)節(jié)劑以乙烯利為主要成分，然而乙烯利施用不當(dāng)會對產(chǎn)量造成負(fù)效應(yīng)。研究[10-12]表明，噴施乙烯利后玉米產(chǎn)量降低，表現(xiàn)為穗粒數(shù)減少和單株產(chǎn)量下降，且隨乙烯利濃度的增加產(chǎn)量下降幅度增大，在小喇叭口期葉面噴施玉米健壯素（主要成分為乙烯利）較對照減產(chǎn)6.7%～8.9%[13]，在8展葉期施用玉黃金（主成分乙烯利和胺酰酯）產(chǎn)量降低4%[6]。本研究使用的植物生長調(diào)節(jié)劑乙矮合劑（ethylene-chlormequatpotassium，以下簡稱ECK）主要成分為乙烯利和矮壯素，其在提高玉米抗倒伏能力的同時對玉米增產(chǎn)效果顯著，在華北夏玉米生產(chǎn)中大面積使用[14]。研究[15-16]表明，在玉米拔節(jié)期（6展葉期）噴施ECK可有效降低株高和穗位高，促進(jìn)根系發(fā)育，提高抗倒伏能力和葉片光合性能，促進(jìn)玉米雌穗發(fā)育和籽粒灌漿，增產(chǎn)效果顯著。ECK處理能夠提高夏玉米高密度群體功能葉片的氮代謝關(guān)鍵酶活性，保證高密度種植條件下夏玉米氮代謝的正常進(jìn)行，有效防止早衰，提高產(chǎn)量。但是關(guān)于ECK對不同施氮條件下夏玉米氮代謝及產(chǎn)量的調(diào)控效應(yīng)的研究鮮有報道。因此，本研究基于大田試驗(yàn)設(shè)置不同氮肥水平和ECK化控處理，研究ECK對不同氮素水平下夏玉米氮代謝及產(chǎn)量的調(diào)控效應(yīng)，為夏玉米高產(chǎn)高效栽培提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2019-2020年進(jìn)行。其中，2019年在河北省廊坊市三河市燕郊鎮(zhèn)大柳店村（116°84′ E，39°90′N）進(jìn)行，該地屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫11.3℃，年均無霜期183d，年均降水量620.9mm，年均日照時數(shù)2870h；試驗(yàn)地土壤類型為沙壤土，前茬作物為冬小麥，耕層土壤（0～20cm）含有機(jī)質(zhì)15.2g/kg、全氮1.1g/kg、堿解氮90.0mg/kg、速效磷40.3mg/kg和速效鉀139.3mg/kg。2020年在北京市順義區(qū)中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院順義試驗(yàn)基地（116°33′ E，40°13′ N）進(jìn)行，該地屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫 11.5℃，年均無霜期 195d，年均降水量610.0mm，年均日照時數(shù)2746h。試驗(yàn)地土壤類型為沙壤土，前茬作物為冬小麥，耕層土壤（0～20cm）含有機(jī)質(zhì)14.5g/kg、全氮1.0g/kg、堿解氮108.1mg/kg、速效磷43.2mg/kg和速效鉀102.6mg/kg。試驗(yàn)地氣象數(shù)據(jù)如圖1。

圖1 2019和2020年夏玉米生長季內(nèi)日降雨量和日平均溫度Fig.1 Daily rainfall and daily mean temperature during the summer maize growing season in 2019 and 2020

1.2 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

以夏玉米單交種豫單9953為試驗(yàn)材料，采用裂區(qū)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，主區(qū)設(shè)置 ECK處理和清水對照（CK）處理，于玉米6展葉期葉面噴施ECK 2mL/L（即ECK 0.45L/hm2，對水224.55L/hm2），對照噴施等量清水；副區(qū)為氮肥梯度處理，設(shè)置6個施氮量，即0、96、132、168、204和240kg/hm2，分別表示為 N0、N96、N132、N168、N204和 N240，磷肥和鉀肥的施用量分別為75和90kg/hm2，均在播前一次性施入，每個處理3次重復(fù)。試驗(yàn)小區(qū)面積48m2（8m×6m），10行區(qū)，采用60cm等行距種植方式，留苗密度為82 500株/hm2。田間管理、播種和收獲均按當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)操作進(jìn)行。2019和2020年均于6月24日播種，分別于當(dāng)年10月7日和10月16日收獲。

ECK由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所研制，由黑龍江禾田豐澤興農(nóng)科技開發(fā)有限公司生產(chǎn)提供。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 葉片氮代謝酶活性 于拔節(jié)期（V6）和大喇叭口期（V12）在每個小區(qū)取3株植株的最新展開葉，于開花期（VT）、籽粒建成期（R2）、乳熟期（R3）和蠟熟期（R5）在每個小區(qū)取3株植株的穗位葉中部，去除葉脈后，用錫箔紙包好放入4℃冰盒存放，帶回實(shí)驗(yàn)室測定氮代謝酶活性。

用磺胺比色法[17]測定硝酸還原酶（NR）活性，取鮮葉 0.3g剪碎，放入 10mL離心管中，加入0.2mol/L KNO31mL和0.1mol/L磷酸緩沖液1mL，另取1個10mL離心管加入0.2mol/L KNO31mL、0.1mol/L磷酸緩沖液1mL和30%三氯乙酸0.4mL作空白對照，在37℃遮光下反應(yīng) 1h。反應(yīng)完成后加入30%三氯乙酸0.4mL，然后取反應(yīng)液1mL加入磺胺2mL和α-萘胺2mL，顯色反應(yīng)30min，在540nm波長下測定吸光值。谷氨酰胺合成酶（GS）活性測定：取鮮葉0.15g加入提取緩沖液（pH 8.0，0.05mol/L Tris-HCl，內(nèi)含 2mmol/L Mg2+，2mmol/L DTT，0.4mol/L蔗糖）1.5mL，冰浴研磨至勻漿，在4℃、15 000轉(zhuǎn)/min下離心20min，上清液即為粗酶提取液。吸取粗酶提取液0.35mL，加入40mmol/L ATP 0.35mL和反應(yīng)混合液B（pH 7.4，0.1mol/L Tris-HCl）0.8mL，以提取緩沖液代替粗酶提取液為對照校零，混合后在37℃下反應(yīng)30min，加顯色劑0.5mL下?lián)u勻，靜置片刻，5000轉(zhuǎn)/min離心10min后用紫外分光光度計(jì)測定540nm波長下的吸光值[18]。

轉(zhuǎn)氨酶測定：取鮮葉0.15g加入0.05mol/L Tris-HCl緩沖液（pH 7.2）1.5mL，冰浴研磨至勻漿，12 000轉(zhuǎn)/min離心20min，上清液即為粗酶液。空白管A（校零）加入磷酸緩沖液0.2mL，對照管B加入粗酶液75μL和磷酸緩沖液125μL，GPT管C加入粗酶液75μL和谷丙轉(zhuǎn)氨酶（GPT）底物緩沖液125μL，GOT管D加入粗酶液75μL和谷草轉(zhuǎn)氨酶（GOT）底物緩沖液125μL，40℃下反應(yīng)30min，搖勻，冷卻至室溫后加入 2，4-二硝基苯肼 0.125mL，準(zhǔn)確計(jì)時5min，加0.4mol/L NaOH 1.25mL并搖勻，靜置10min后在500nm波長下比色。轉(zhuǎn)氨酶活性以每克鮮葉在30min內(nèi)反應(yīng)生成的丙酮酸（μmol）表示[19]。采用考馬斯亮藍(lán)比色法[20]測定可溶性蛋白含量，吸取樣品提取緩沖液12μL，加考馬斯亮藍(lán)溶液1.8mL，搖勻后放置2min，在595nm波長下進(jìn)行比色，同時做空白對照。

1.3.2 玉米氮素含量 在收獲期各小區(qū)選取 3株有代表性的植株，把籽粒和植株分開，放入烘箱，于 70℃烘至恒重，粉碎過 100目篩，用Elementa Vario EL cube型元素分析儀測定氮素含量。

1.3.3 產(chǎn)量 玉米成熟后，在小區(qū)中部選取2行，共計(jì)10m2進(jìn)行稱重測產(chǎn)，測定出籽率與籽粒含水量，并折算產(chǎn)量（按14%含水量計(jì)）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2016對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與作圖，利用 SPSS 25.0數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用LSD（P＜0.05）方法檢驗(yàn)處理間差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 ECK對不同施氮量下玉米穗位葉氮代謝酶活性及可溶性蛋白含量的影響

2.1.1 對NR活性的影響 如圖2所示，玉米穗位葉的NR活性在V12至R5時期呈先上升后下降的趨勢，在VT時期達(dá)到最大值。NR活性隨施氮量增加呈先升高后降低趨勢。ECK處理提高了不同施氮量下大部分時期葉片NR活性，N0處理中，在V12、VT、R3和R5時期NR活性較CK處理提高幅度為 4.2%～19.9%，其中 VT時期顯著提高，達(dá)19.9%。N96處理中，在V12至R3時期NR活性較CK處理提高幅度為8.9%～16.6%，其中VT和R3時期分別顯著提高15.7%和16.6%。N132處理中，在V12至R5時期NR活性較CK處理提高幅度為1.3%～48.2%，其中VT、R2、R3和R5時期分別顯著提高23.3%、15.1%、48.2%和22.6%。N168處理中，在V12至R3時期NR活性較CK處理提高幅度為4.6%～27.5%，其中V12、VT和R2分別顯著提高27.5%、8.1%和16.6%。N204處理中，在V12至 R5時期 NR活性較 CK處理提高 0.1%～17.2%，其中VT、R2和R3時期分別顯著提高8.2%、12.0%和17.2%。N240處理中，在VT、R2和R3時期NR活性較CK處理分別顯著提高37.0%、16.4%和13.6%。

圖2 ECK對不同施氮量下夏玉米功能葉NR活性的影響Fig.2 Effects of ECK on NR activities of functional leaves in summer maize under different nitrogen application rates

2.1.2 對GS活性的影響 如圖3所示，GS活性在V12至R5時期呈單峰曲線，在R2時期達(dá)到最大值。GS活性隨施氮量增加呈先下降后緩慢上升的趨勢。ECK處理顯著提高了N204和N240處理下玉米灌漿后期的GS活性。N0處理中，在V12至R2時期GS活性較CK處理提高0.3%～22.4%。N96處理中，在V12、VT和R3時期GS活性較CK處理提高6.9%～30.8%，其中V12時期顯著提高30.8%。N132處理中，在V12、VT、R3和R5時期GS活性較CK處理提高1.1%～6.9%。N168處理中，在R5時期GS活性較CK處理顯著提高21.7%。N204處理中，在V12、VT、R3和R5時期GS活性較CK處理提高 0.8%～27.9%，其中 R3時期顯著提高27.9%。N240處理中，在VT、R3和R5時期GS活性較CK處理分別顯著提高16.5%、14.8%和14.4%。

圖3 ECK對不同施氮量下夏玉米功能葉GS活性的影響Fig.3 Effects of ECK on GS activities of functional leaves in summer maize under different nitrogen application rates

2.1.3 對GPT活性的影響 如圖4所示，葉片GPT活性在 V12至 R5時期整體呈先下降后上升的趨勢，在R3時期達(dá)到最小值。N0處理中，在VT至R5時期GPT活性較CK處理降低1.4%～12.8%，其中VT時期顯著降低12.8%。N96處理中，在V12至R2時期GPT活性較CK處理降低3.2%～16.9%，其中VT和R2時期分別顯著降低12.0%和16.9%。N132處理中，在R2時期GPT活性較CK處理顯著降低14.4%。N168處理中，在V12至R5時期GPT活性較CK處理降低0.3%～7.3%。N204處理中，在VT時期ECK處理GPT活性較CK處理顯著提高45.2%；N240處理中，在V12、VT和R3時期 ECK處理 GPT活性較 CK處理分別顯著提高28.8%、17.2%和22.1%。

圖4 ECK對不同施氮量下夏玉米功能葉GPT活性的影響Fig.4 Effects of ECK on GPT activities of functional leaves in summer maize under different nitrogen application rates

2.1.4 對GOT活性的影響 如圖5所示，夏玉米葉片GOT活性在V12至R5時期呈先下降后上升的趨勢。GOT活性隨施氮量增加呈先上升后下降的趨勢。ECK處理降低N0～N168處理的GOT活性，提高N204～N240處理的GOT活性。N0處理中，在VT、R3和R5時期GOT活性較CK降低1.6%～3.5%。N96處理中，在VT和R2時期顯著下降9.7%和7.9%。N132處理中，在R2時期顯著下降13.2%。N168處理中，在V12、VT、R2和R5時期GOT活性較CK處理降低1.6%～8.3%，其中V12時期顯著下降8.3%。N204處理中，在V12、VT、R3和R5時期GOT活性較CK處理提高1.5%～33.6%，其中在VT和R5時期ECK處理分別顯著降低33.6%和9.6%。N240處理中，在V12、VT、R3和R5時期ECK處理GOT活性較CK處理分別顯著提高33.1%、11.9%、12.6%和18.3%。

圖5 ECK對不同施氮量下夏玉米功能葉GOT活性的影響Fig.5 Effects of ECK on GOT activities of functional leaves in summer maize under different nitrogen application rates

2.1.5 對可溶性蛋白含量的影響 如圖6所示，夏玉米葉片可溶性蛋白含量在V12至R5時期呈先上升后下降的趨勢，在VT時期達(dá)到最大值。隨施氮量增加可溶性蛋白含量呈先升高后降低的趨勢，ECK處理顯著增加VT至R2時期各施氮量下的可溶性蛋白含量。N0處理中，在V12至VT、R5時期可溶性蛋白含量較CK處理增加7.1%～15.6%。N96處理中，在VT、R3至R5時期可溶性蛋白含量較CK處理增加2.4%～11.5%。N132處理中，在VT至R5時期可溶性蛋白含量較CK處理增加3.7%～20.1%，其中VT時期顯著增加20.1%。N168處理中，在V12至R3時期ECK處理可溶性蛋白含量較CK處理增加1.1%～37.1%，其中VT和R2時期分別顯著增加 37.1%和 11.8%。N204處理中，在V12、VT、R2和R5時期ECK處理可溶性蛋白含量較CK處理增加9.2%～20.4%，其中VT和R2時期分別顯著增加20.4%和11.6%。N240處理中，在VT時期，ECK處理可溶性蛋白含量較CK處理顯著增加18.9%。

圖6 ECK對不同施氮量下夏玉米功能葉可溶性蛋白含量的影響Fig.6 Effects of ECK on soluble protein contents of functional leaves in summer maize under different nitrogen application rates

2.2 ECK對不同施氮量下夏玉米氮素積累量的影響

如表1所示，施氮顯著影響夏玉米的氮素積累量，植株、籽粒和總氮素積累量在各施氮量下較CK處理分別增加8.3%～18.9%、17.1%～30.5%和14.6%～24.1%。ECK處理下，植株氮素積累量在N96、N132、N168和N204處理時，較CK處理分別增加17.3%、41.1%、4.1%和8.9%（N96和N132處理下差異顯著）。籽粒氮素積累量在施氮量為 N96、N132和N204時，較CK處理分別增加3.0%、5.8%和8.3%（N132和N204處理下差異顯著）；總氮素積累量在N96、N132和N204處理時較CK處理分別顯著增加8.8%、18.2%和8.6%。ECK處理下產(chǎn)量與CK處理相比均無顯著差異；在N204處理下，ECK處理產(chǎn)量較CK處理顯著增加7.6%。2020年產(chǎn)量在處理N0～N168時，ECK處理

表1 ECK對不同施氮量下夏玉米氮素積累量的影響Table 1 Effects of ECK on summer maize N accumulation under different nitrogen application rates kg/hm2

2.3 ECK對不同施氮量下夏玉米產(chǎn)量的影響

如圖7所示，2019和2020年試驗(yàn)結(jié)果表明，夏玉米的籽粒產(chǎn)量均隨施氮量的增加呈增加趨勢。2019年夏玉米產(chǎn)量在N0～N168和N240處理時，產(chǎn)量與CK處理相比無顯著差異；在處理N204和N240時，ECK處理產(chǎn)量較CK處理分別顯著增加7.3%和5.4%。

圖7 ECK對不同施氮量下夏玉米產(chǎn)量的影響Fig.7 Effects of ECK on summer maize yield under different nitrogen application rates

3 討論

目前，我國大面積生產(chǎn)夏玉米合理施氮量的最大范圍在150～250kg/hm2，甚至許多田塊的氮肥施用量達(dá)到了 250～350kg/hm2[21-22]。有研究[23]表明，在中、高種植密度（67 500和82 500株/hm2）下，夏玉米產(chǎn)量在施氮量為 240kg/hm2時達(dá)到最高，在華北地區(qū)，施氮量≤240kg/hm2的范圍內(nèi)，玉米的產(chǎn)量、千粒重和行粒數(shù)均隨施氮量的增加而增加[24]。本研究中，夏玉米產(chǎn)量在施氮量為 N0～N240范圍內(nèi)隨施氮量的增加呈增加趨勢。2年的數(shù)據(jù)結(jié)果表明，ECK處理后，在N0～N168處理?xiàng)l件下夏玉米產(chǎn)量與CK處理相比差異不顯著；2019年在N204處理下產(chǎn)量顯著增加，2020年在N204和N240處理下均顯著增加。表明 ECK的作用效果與夏玉米的施氮量密切相關(guān)。

作物氮素積累量與施氮水平緊密相關(guān)，玉米單株的氮積累量隨施氮量增加而增加[25]，增施氮肥可顯著增加高密度玉米的總氮素積累量[26]，本試驗(yàn)結(jié)果表明，隨施氮量增加，植株、籽粒和總氮素積累量均呈增加趨勢。研究[27-28]表明，乙烯利處理降低了單株氮素積累量，在同一施氮量下，矮壯素處理可以提高玉米的氮素積累量。本研究結(jié)果表明，ECK處理下，N204處理的籽粒和總氮素積累量顯著增加，促進(jìn)了氮素在玉米植株體內(nèi)的積累。

NR是氮代謝的限速酶[29]，隨施氮量的增加，葉片 NR活性呈先升高后降低的單峰曲線變化趨勢[30]，本研究結(jié)果與其基本一致，夏玉米穗位葉NR活性在N132處理時最大。研究[31]表明，噴施不同濃度的乙烯利能夠促進(jìn)花生功能葉中NR活性，尤其是結(jié)莢前期功能葉的NR活性，本研究結(jié)果表明中，ECK處理顯著提高各施氮量下開花期的NR活性。GS是植物氨同化過程的關(guān)鍵酶之一，施用氮肥能提高葉片中GS活性[32]；楊亮等[33]研究發(fā)現(xiàn)，玉米功能葉GS活性隨施氮量增加呈先升高后降低再升高的趨勢，本研究發(fā)現(xiàn)GS活性隨施氮量增加呈降低的趨勢，在中、高施氮量處理（N168～N240）水平下的降幅較大，ECK處理顯著提高了N204和N240處理下玉米灌漿中后期的GS活性。玉米生長中后期葉片中的大部分蛋白質(zhì)和氨基酸會進(jìn)行再分配轉(zhuǎn)移至生殖器官，GS活性的提高有助于增強(qiáng)植株的氮代謝[28]。GOT和GPT是調(diào)控氮素從谷氨酸向其他碳鏈轉(zhuǎn)移、合成其他氨基酸的關(guān)鍵酶。有研究[34]發(fā)現(xiàn)，小麥在低于220kg/hm2施氮量內(nèi)，旗葉的 GPT活性隨施氮量的增加而升高。本研究中夏玉米穗位葉 GPT活性在中、高施氮量處理（N204～N240）下隨施氮量增加而升高，GOT活性隨施氮量的增加呈先增加后降低的趨勢。ECK處理顯著提高了中、高氮條件下的GPT和GOT活性。本研究結(jié)果表明，隨施氮量增加，葉片可溶性蛋白含量表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，ECK處理顯著增加各施氮量下開花期可溶性蛋白的含量。因此，ECK處理能有效提高夏玉米葉片氮素代謝關(guān)鍵酶活性及其產(chǎn)物含量。

4 結(jié)論

ECK處理提高了不同施氮量下夏玉米開花期功能葉NR活性和可溶性蛋白含量，提高了中、高施氮量處理（204和240kg/hm2）條件下的GPT和GOP活性，以及灌漿后期GS活性，促進(jìn)了氮素的吸收、同化和積累，提高了施氮量204kg/hm2處理的植株氮素積累量、籽粒氮素積累量和總氮素積累量，顯著提高了施氮量204kg/hm2處理的夏玉米產(chǎn)量。綜上所述，ECK可以增強(qiáng)夏玉米的氮素代謝，促進(jìn)氮素積累量，提高產(chǎn)量。