施肥方式对水稻穗期叶片氮代谢的影响

史超超，冯美臣，沙之敏，曹林奎

（1山西农业大学农学院，山西太谷 030801；2上海交通大学农业与生物学院，上海 200240）

施肥方式对水稻穗期叶片氮代谢的影响

史超超1，2，冯美臣1，沙之敏2，曹林奎2

（1山西农业大学农学院，山西太谷 030801；2上海交通大学农业与生物学院，上海 200240）

以杂交粳稻‘花优14’为材料，研究化肥配施有机肥对水稻穗期氮代谢的影响。结果表明：化肥配施有机肥处理穗期水稻叶片SPAD值和含氮量，植株干物质积累量和氮素积累量均显著高于对照和有机肥处理，与化肥处理差异不显著。功能叶氮代谢酶活性抽穗期均高于孕穗期，且两个时期处理间变化趋势一致，其中抽穗期谷氨酸合酶（GOGAT）与各氮素相关指标均呈极显著正相关。化肥配施有机肥处理的产量最高，达到8 537.44 kg/hm2，显著高于有机肥处理和不施肥处理，较化肥处理提高3.27%。综合可见，化肥配施有机肥可以维持水稻穗期旺盛的氮代谢。

水稻；SPAD；化肥配施有机肥；氮代谢酶

水稻是中国三大粮食作物之一，在粮食生产中一直占据重要的地位。长期以来，化肥的过量、不平衡投入不仅增加了农业生产成本，同时也给环境带来了沉重负担。畜禽粪便中含有大量的有机质及作物生长所必需的元素，经过处理后配合化肥适量施入稻田对改善农田土壤性状，提高水稻产量及保护环境均具有重要的意义［1-3］。近年来，为了切实推进化肥减量工作，上海市农委制定了一系列有利于商品有机肥推广的方案。研究表明［4-5］，配施有机肥料能够提高土壤矿质氮含量，改善土壤供氮特性，同时可以促进作物生育后期干物质和氮素的积累，提高氮肥利用率。关于氮代谢的研究均指出施氮能增加水稻功能叶中硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶、谷氨酸合成酶和谷氨酸脱氢酶的活性，且酶活性最高几乎均出现在穗期，其中氮代谢关键酶活性的强弱与水稻产量和氮效率密切相关［6-7］。目前，有许多施用有机肥的长期定位试验，但是主要集中在施用有机肥对土壤肥力、土壤微生物和作物产量等方面的研究［8-11］，而很少有关于施用有机肥对植株中氮代谢酶活性的研究。穗期是水稻生长过程中重要的生育时期，这段时期土壤中氮素供应状况、植株中氮素积累量及功能叶酶活性的强弱关系着氮素的转化利用，最终影响着水稻的产量。因此，研究施肥方式对水稻穗期氮代谢的影响很有必要。本研究通过探讨不同施肥方式下水稻穗期功能叶氮素相关指标、氮代谢酶活性、植株干物质积累的变化特征以及它们之间的相关性，以期为稻田科学的施肥管理提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2015年6—11月在上海市青浦区农田水利技术推广站测坑定位试验田进行。测坑试验装置长、宽、高分别为3 m、2 m、3 m，设有底座，采用原状土回填。该地区气候类型为亚热带潮湿型季风气候，年平均温度为15.6℃，年平均降雨量为1 178.2 mm，2015年降雨量为1 308.3 mm。试验地土壤类型为脱潜型水稻土，属重壤土，最初土壤性质相同，自2009年开始以稻麦轮作种植制度为主的定位施肥试验，稻季施肥，麦季不施肥。

1.2 试验设计

试验共设4个处理，分别是空白处理（CK）、化肥处理（CT）、化肥配施有机肥处理（MT）和有机肥处理（OT），每个处理3次重复，随机区组排，本次水稻移栽前各取0—20 cm耕层土壤测定土壤理化性质（表1）。空白处理不施任何肥料，其余施肥处理纯氮量相等，施N量300 kg·hm－2；化肥处理和化肥配施有机肥处理施等量磷，P2O5施用量为60 kg·hm－2，钾肥仅化肥处理施用，K2O施用量为60 kg·hm－2。所用化学肥料为尿素（46%N）、过磷酸钙（17.5%P2O5）和氯化钾（60%K2O）；有机肥为商品有机肥（上海市森农环保有限公司提供），含N 1.4%、P2O52.3%、K2O 2.6%。化肥配施有机肥处理按80%尿素＋20%有机肥（纯氮比）施入，所有处理磷肥、钾肥及有机肥均作基肥一次性施入，尿素分基肥和两次追肥（比例为6∶2∶2）。

表1 试验前耕层土壤基本理化性质Table 1 Physical and chem ical characteristic of surface soils before experiment

1.3 测定项目和分析方法

分别在水稻孕穗期（2015年9月3日）和抽穗期（2015年9月10日），于9：00—10：00每坑选取24片有代表性的完全展开的顶一叶，用SPAD-502型叶绿素仪测定叶片中部（避开叶脉），3次重复，取平均值。同时，每坑取10片生长基本一致的主茎完全展开的顶叶，置于冰盒中取回，用蒸馏水洗净、擦干，去除叶脉，剪碎混匀，用离体法［12］测定硝酸还原酶（NR）活性，酶活力以每小时每克鲜重中产生的NaNO2微克数（μg·h－1·g－1FW）表示；参照Lea等［13］的方法，用络合物在540 nm处的吸光值变化来表示谷氨酰胺合成酶（GS）活性，单位△OD·h－1·g－1FW；参照Singh等［14］的方法测定谷氨酸合酶（GOGAT），酶活力用每小时每克鲜样催化氧化的NADH微摩尔数（μmol·h－1·g－1FW）表示；谷氨酸脱氢酶（GDH）的测定参照叶利庭等［7］的方法。

在上述时期，另取代表性植株两穴，去除根部，地上部分洗净，茎叶穗分离，在80℃下烘干至恒重，称重，各器官中氮含量经H2SO4-H2O2消煮后，用凯氏定氮仪测定。另外，于水稻成熟后，每小区分别全部收割，脱粒，晾晒后称重并计算实产。

1.4 数据处理

运用Excel 2010软件整理数据并作图，SPSS 19.0软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对穗期水稻叶片SPAD和氮含量的影响

SPAD值表示叶绿素的相对含量，而氮素是叶绿素的主要组成物质，所以叶片SPAD值与其含氮量之间有显著相关关系［15］。由表2可知，在水稻穗期，叶片SPAD值和氮含量在4个处理间有一致的表现，均为CT、MT显著高于OT、CK。另外，从孕穗期到抽穗期，除OT、CK的叶片SPAD值有所降低外，其余叶片SPAD值和氮含量均有所增加，且可以看出SPAD值和氮含量CT、MT较OT、CK增加明显。综上可知，单施有机肥对穗期叶片SPAD值和氮含量几乎没有什么影响，而在施用化肥后得到显著提高。

表2 不同施肥处理下叶片SPAD值和氮含量Table 2 Leaf SPAD value and nitrogen content under different fertilizer treatment

2.2 不同施肥处理对穗期水稻植株干物质积累量和氮素积累量的影响

从图1可以看出，在水稻穗期，4个处理的水稻地上部植株干物质积累量均为MT＞CT＞OT＞CK，且随着生育期的推进，均有所增加。其中，在水稻孕穗期，MT、CT和OT的干物质积累量与CK相比，增幅分别为116.99%、96.29%和44.08%；到抽穗期时，增幅分别为77.32%、70.75%和30.52%，穗期MT、CT与OT差异不显著，但显著高于CK。对于氮素积累量，在水稻孕穗期MT、CT和OT分别较CK增加18144%、194.20%和44.65%；在抽穗期则分别增加157.51%、161.94%和38.88%，穗期MT和CT显著高于OT和CK。综上可知，与不施肥相比，单施有机肥虽然增加穗期水稻植株干物质积累量和氮素积累量，但均未达显著，而单施化肥和化肥配施有机肥均可以显著增加穗期水稻植株干物质积累量和氮素积累量。

图1 施肥方式对水稻植株干物质积累量和氮素积累量的影响Fig.1 Effect of different fertilizer treatments on the dry m atter accumulation of rice

2.3 不同施肥处理对穗期水稻叶片氮代谢酶活性的影响

2.3.1 叶片硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶活性

NR是氮代谢过程中的第一个酶，也是硝酸盐同化过程中的限速酶。从图2A可以看出，功能叶的NR活性在各个处理上均表现为抽穗期高于孕穗期，且两个时期均为CT最高，其中，孕穗期4种处理间差异均不显著；而抽穗期表现为CT最高，其次为MT与CK处理，OT最低。其中，CT与其他3个处理之间差异显著。

图2 施肥方式对NR和GS活性的影响Fig.2 Effect of fertilizer treatments on the activities of NR and GS

GS是处于氮代谢中心的多功能酶，在高等C3植物绿色组织中主要以GS2的形式存在，主要参与同化光呼吸及硝酸盐还原产生的NH＋4，叶绿体GS2主要受光、NO－3、NH＋4等调节［16］。4种处理下，穗期功能叶GS活性均表现为CK显著高于其他处理，且其他处理彼此之间差异不显著（图2B）。

2.3.2 叶片谷氨酸合酶和谷氨酸脱氢酶活性

GOGAT可以将谷氨酰胺和α-戊二酸转变为2个分子谷氨酸，在GS/GOGAT循环中起着重要的作用，水稻叶片中主要以Fd-GOGAT的形式存在［11］。由图3A可知，随着生育期的推进，GOGAT的活性均升高，且两个时期均为CT、MT下GOGAT活性显著高于OT和CK。

GDH在作物生育后期催化NH＋4合成谷氨酸过程中具有重要作用。两个时期，GDH酶活性均表现为CT最高，MT最低。单独来看，在孕穗期，处理彼此间差异不显著；而抽穗期CT与MT显著差异，主要是因为酶活性在CK和CT下增长幅度较MT和OT快（图3B）。

图3 施肥方式对GOGAT和GDH活性的影响Fig.3 Effect of fertilizer treatm ents on the activities of GOGAT and GDH

2.4 叶片氮代谢酶与叶片SPAD值和氮含量、植株干物质和氮素积累间的关系

水稻叶片中氮代谢酶参与氮素在植株体内的转化与利用。由表3可以看出，NR活性与SPAD值、叶片氮含量之间均显著正相关，与干物质积累量和氮素积累量相关不显著；GS活性与各指标均呈现负相关，除与叶片氮含量相关不显著外，与其余指标均显著；GOGAT与各指标间均呈现极显著正相关；GDH与各指标均无明显相关。

表3 叶片氮代谢酶与4个氮素相关指标的关系Table 3 Correlation between N m etabolism enzym es and N related indicators

2.5 不同施肥方式对水稻产量影响

由图4可知，水稻产量从高到低依次是MT＞CT＞OT＞CK。其中，MT与CT间差异性不显著，但两者均显著高于OT，OT又显著高于CK。与不施肥相比，施氮和有机肥均提高了水稻产量，CT、MT和OT分别较CK增产62.50%、67.81%和30.23%，MT增幅最大，产量最高，达到8 537.44 kg/hm2。

3 结论与讨论

图4 施肥方式对水稻产量的影响Fig.4 Effect of fertilizer treatments on rice yield

穗期是水稻营养生长和生殖生长最快的时期，且该时期水稻氮素营养状况关系到最终产量的获得［17］。本试验对穗期功能叶SPAD值和氮含量、植株干物质积累量和氮素积累量的研究均发现，化肥配施有机肥和化肥处理显著高于有机肥处理和不施肥处理，这与前人报道基本一致［18-19］。说明合理配施有机肥能够保证水稻穗期旺盛生长。

叶利庭等［7］研究发现施氮均增加齐穗期NR、GS、GOGAT和GDH的酶活性。本试验条件下氮代谢酶活性抽穗期明显高于孕穗期，其中NR活性均以化肥处理下最高；GS活性在不施肥处理下最高；GOGAT活性在化肥处理和化肥配施有机肥处理下均表现很高水平；GDH在不施肥处理下很高、化肥配施有机肥处理下最低。叶全宝等［20］研究发现NR活性在抽穗期时最大，且随施氮量增加而增加，本研究中施肥处理控制等氮量，但是氮肥种类不一样，氮素有效性不同，因此，处理间NR活性存在显著差异，化肥处理因其速效氮释放快，有较高的硝态氮供应，所以NR活性最高。许多学者［6，21］研究发现施氮能够提高叶片GS活性，且功能叶GS活性与各生育时期氮素积累量具有极显著的正相关，而本研究中不施肥处理下GS活性最高，与大多结果不一致，而刘淑云等［22］研究发现不施肥处理玉米吐丝后叶片GS活性一直降低，但始终高于其他施肥处理，与本研究结果相似。抽穗期GOGAT活性在不同处理间呈现与SPAD、叶片氮含量、植株干物质积累量和氮素积累量一样的趋势，相关分析表明，相关系数分别为0.814 、0.834 、0914 和0.936 ，均达到极显著正相关。GDH在衰老过程中存在潜在作用［23］，本研究不施肥处理的GDH活性抽穗期约是孕穗期的4倍，增幅明显高于其他处理，这可能预示着叶片衰老进程加快。总体而言，作物氮代谢的活跃程度是在外界因素影响下对氮代谢酶影响后综合作用的表现。因此，综合来讲，用20%的有机肥代替化肥可以维持水稻穗期旺盛的氮代谢，并获得高产。

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（责任编辑：张睿）

Effects of fertilization method on nitrogen metabolism at spiking stage

SHIChao-chao1，2，FENG Mei-chen1，SHA Zhi-min2，CAO Lin-kui2
（1College of Agriculture，Shanxi Agricultural University，Taigu 030801，China；2School of Agriculture and Biology，Shanghai Jiaotong University，Shanghai200240，China）

With‘Huayou14’as test material，a field experiment was conducted to study the effects of chemical fertilizer combined with organic manure on nitrogen metabolism at the spiking stage of rice.The results showed that SPAD value and nitrogen content of rice leaves，drymatter and nitrogen accumulation of rice ground plants with the treatment of MT（80%Urea plus 20%manure）were significantly higher than those of CK（no fertilizer）and OT（manure alone），but there was no significant difference between MT and CT（Urea alone）.The activities of nitrogen metabolism enzymes at the heading stage was higher than that at the booting stage，and the changes among treatmentswere consistent，there was a significant positive correlation between glutamate synthase（GOGAT）and nitrogen-related indexes at the heading stage.The yield of MTwas the highest，reaching 8 537.4 kg/hm2，significantly higher than that of OT and CK，which was 3.27%higher than CT.On the whole，the application of chemical fertilizer combined with organic manure could maintain the strong nitrogen metabolism at the spiking stage of rice.

Rice；SPAD value；Chemical fertilizer combined with organic manure；Nitrogen metabolism enzymes

S511

：A

1000-3924（2017）02-026-05

10.15955j.issn1000-3924.2017.02.05

2016-10-28

国家星火计划重点项目（2015GA680004）；上海市科技兴农重点项目［沪农科攻字（2015）第1-4号］

史超超（1991—），男，在读硕士，研究方向为作物生态与信息技术。Tel：13753419290，E-mail：13753419290＠163.com

，E-mail：fmc101＠163.com