控释氮肥比例对玉米氮代谢关键酶活性及干物质积累的影响

金 容，郭 萍，周 芳，杜伦静，刘斌祥，孔凡磊，袁继超

（四川农业大学农学院/农业部西南作物生理生态与耕作重点实验室，成都 611130）

玉米是我国第一大粮食作物，提高单产是增加玉米总产量、保障粮食安全的重要途径[1]。氮素对玉米器官建成具有重要作用，合理施肥在玉米增产诸因素中起28%～30%的作用[2]。目前我国农业生产中氮肥多以普通尿素等速效肥为主，肥效快但氮肥损失严重[3]，而控释肥料由于其本身养分控制释放的特点，可有效促进作物生育后期的氮素供应[4]，增强氮素转换与积累[5]，协调作物各器官养分吸收与分配[6]，从而大大提高作物物质积累[7]和产量[8-9]，是当今国际肥料研究的热点，也是肥料产业的发展方向与竞争热点[10]。但由于控释氮肥价格高，应用范围受限[11]，施用效果还可能出现前期缺氮后期贪青等现象[12]，故采用普通尿素和控释尿素配合施用的方法，以望实现作物全生育期氮素均衡，降低成本，达到既增产又增收的目的[13]。前人[14-17]对控释尿素和普通尿素混施的研究多集中北方平原地区，而且主要集中在玉米的产量和氮肥吸收利用方面，而关于玉米功能叶氮代谢关键酶活性以及各器官氮素积累和干物质积累分配的研究报道较少，西南地区更为鲜见。本研究在川中丘陵地区采用田间小区试验方法，探讨不同控释氮肥比例对玉米氮代谢关键酶活性及干物质积累与分配的影响，旨在筛选综合效果最佳掺混比例，为控释氮肥的合理施用和推广提供理论参考。

1 材料和方法

1.1 试验地概况和供试材料

试验地位于四川省中江县合兴乡新建村（30°95′N，104°63′E），属于亚热带湿润季风气候，年平均气温16.7 ℃，年降水量 883 mm，无霜期 286 d。2015年试验期间的具体日均温和降水情况见图1。试验地为黄色壤土，播前耕层土壤养分含量分别为：pH值7.60，有机质 30.95 g/kg，碱解氮 71.03 mg/kg，速效磷 3.2 mg/kg，速效钾 67.1 mg/kg。

图1 玉米生育期间气温和降水量Figure 1 The average temperature and rainfall of the experiment site during the growing period of maize

供试肥料：控释氮肥为树脂包膜控释尿素（CRU，含氮量43%，控释期为90 d），由山东金正大生态工程集团股份有限公司提供；普通尿素（CU，含氮量46%），由山东农大肥业有限公司提供；氯化钾（含K2O量60%）、过磷酸钙（含P2O5量12%）分别由中化化肥有限公司和成都市青白江区磷肥厂提供。供试玉米品种：正红505，由四川农业大学正红生物技术有限公司提供。

1.2 试验设计

采用单因素随机区组试验设计（试验处理见表1），重复3次。试验设4个控释氮肥比例：75%普通尿素+25%控释尿素（CRU25），50%普通尿素+50%控释尿素（CRU50），25%普通尿素+75%控释尿素（CRU75）和 100%控释尿素（CRU100）；以 100%普通尿素即常规施肥为对照（CK）。N、P2O5、K2O 用量分别是225、75和90 kg/hm2，各处理磷钾肥全部作底肥一次施入，氮肥分2次施入（60%作底肥，40%作追肥），底肥（播种前）按照控释氮肥掺混比例施入，追肥（大喇叭口期）均另施普通尿素。3月30日播种，7月28日收获，宽窄行种植，宽行1.4 m，窄行0.4 m，起垄后浇足底水，采用地膜覆盖撬窝穴播，株距0.2 m，种植密度为55 555株/hm2，小区面积为18 m2（5 m×3.5 m），其他栽管措施按当地高产要求进行。

表1 试验处理、养分用量及氮肥施用方案Table 1 The experimental treatment，the rates of fertilizer and N fertilizer application plan kg·hm-2

1.3 测定项目与方法

1.3.1 氮代谢关键酶活性

分别于发拔节期、吐丝期和灌浆期（吐丝后30 d），每个小区选取5片代表性叶（吐丝前取顶部第一全展开叶，吐丝及其以后取穗位叶），剪切叶片中部去叶脉部分用液氮速冻后带回实验室，置于-80℃超低温冰箱中保存。利用南京建成生物工程研究所提供的GS测定试剂盒测定谷氨酰胺合成酶（GS）活性；参照R.P.Singh等[18]的方法测定谷氨酸合酶（GOGAT）活性；参考吴良欢等[19]的方法测定谷草转氨酶（GOT）；参考 C.A.Loulakakis等[20]的方法测定谷氨酸脱氢酶（GDH）；其中GS以每mg组织蛋白在每mL反应体系中每min使540 nm下吸光值变化0.01定义为一个酶活力单位；GOGAT和GDH以每mg组织蛋白在反应体系中每min消耗1 μmol NADH定义为一个酶活力单位；GOT活度以每g植物鲜样在30 min内反应生成的丙酮酸微摩尔（μmol）表示。

1.3.2 植株氮素积累

分别于玉米拔节期、吐丝期、成熟期，每个小区选取代表性植株5株，按照叶片、茎鞘（含叶鞘和雄穗）、苞叶+穗轴和籽粒分开，放入烘箱中，105℃杀青30 min，80℃烘干至恒重并称重，然后粉碎后过0.2 mm筛子，采用浓H2SO4-H2O2消煮，用BUCHI Distillation Unit K-355+Hanon T860全自动电位滴定仪测定全氮含量，并计算氮素积累量。

1.3.3 考种与计产

于收获期，每个小区按平均穗重法选取20个果穗，调查穗长、穗粗、穗粒数、千粒重等产量构成因素，并按小区实收株数收获计产。

1.3.4 相关参数计算

各器官氮积累量=各器官干物重×各器官氮含量

植株氮积累量=各器官氮积累量之和

吐丝前干物质积累率=吐丝期干物质积累量/收获时干物质积累量×100

吐丝后干物质积累量=收获时干物质积累量-吐丝期干物质积累量

吐丝后干物质积累率=吐丝后干物质积累量/收获时干物质积累量×100

1.4 数据分析

利用Microsoft Excel 2010进行数据处理，Graph Pad Prism 5.0 作图，DPS 7.05 软件进行统计分析和相关分析，采用单因素方差分析（one-way ANOVA）和最小显著差异法（LSD），在 5%水平上对各处理的测定结果进行差异显著性检验，图表中数据为平均值±标准误。

2 结果与分析

2.1 控释氮肥比例对玉米功能叶氮代谢关键酶活性的影响

由图2可知，随生育进程的推进，玉米功能叶谷氨酸合酶（GOGAT）活性呈先增后降趋势，而谷氨酰胺合成酶（GS）、谷草转氨酶（GOT）和谷氨酸脱氢酶（GDH）活性均呈增加趋势，活跃期相对较长。拔节期，随控释尿素比例的增加，各控氮比处理氮代谢关键酶活性总体呈降低趋势，以CRU100活性最低且低于常规施肥处理CK，特别是GS和GOT，差异达到显著水平；吐丝期和灌浆期，各控氮比处理氮代谢关键酶活性随控释尿素比例的增加呈先增后降趋势，以CRU75处理活性最高，与CK相比，吐丝期提高 26.93%（GS）、20.36%（GOGAT）、14.99%（GOT）、3.24%（GDH），灌浆期提高 9.21%（GS）、18.88%（GOGAT）、12.11%（GOT）、6.12%（GDH）。掺混控释尿素处理吐丝期和灌浆期平均氮代谢关键酶活性较CK分别提高7.23%、4.42%。可见，适宜的控氮比有利于玉米中后期叶片氮代谢关键酶活性维持在较高水平，保证其氮代谢系统的畅通和高效运转，从而促进对氮素的同化能力，以CRU75%+CU25%较适宜。

图2 不同施肥处理对功能叶谷氨酰胺合成酶（A）、谷氨酸合酶（B）、谷草转氨酶（C）和谷氨酸脱氮酶（D）的影响Figure 2 Effects of different fertilization treatments on GS（A），GOGAT（B），GOT（C）and GDH（D）of function leaves

2.2 控释氮肥比例对植株氮素积累的影响

养分在植株各器官的积累分配是植株生长发育的物质基础，由表2可知，随生育进程的推进，玉米叶片氮素积累量先升高后降低，吐丝期达到最大，茎鞘和植株氮素总积累量则逐渐增加。成熟期籽粒中的氮素积累量最大，占植株氮总积累量的50.48%～55.73%。各控氮比处理拔节期玉米叶和茎鞘氮素积累量均低于常规施肥处理CK；吐丝期和成熟期各器官氮素积累量均随控释尿素比例的增加呈先增后降趋势，以CRU75处理显著最高，与CK相比，叶、茎鞘、穗（包括苞叶、穗轴和籽粒）氮素积累量吐丝期分别增加 10.89%、7.67%和 26.85%，成熟期增加 10.30%、12.81%和 35.08%。掺混控释尿素后拔节-吐丝期和吐丝-成熟期平均植株氮素积累量较CK分别提高4.36%和31.16%，吐丝后期植株氮素积累量增幅更大。可见，适宜比例的控释尿素与普通尿素混合施用既能保证前期玉米对氮素的需求，又能使后期养分维持一个较高水平，最终显著提高玉米植株特别是籽粒的氮素积累量。

表2 不同施肥处理对玉米植株氮素积累量的影响Table 2 Effects of different fertilization treatments on N accumulation of maize kg·hm-2

2.3 控释氮肥比例对玉米干物质积累的影响

从表3可以看出，与常规施肥处理CK相比，控释氮肥处理提高了玉米吐丝前和吐丝后平均干物质积累量，最终提高了成熟期干物质总积累量。随控释尿素比例的增加，各控氮比处理吐丝前和吐丝后干物质积累量均呈先增后降趋势，以CRU75处理最高，但吐丝前各处理间差异不显著；而吐丝前干物质积累率随控释尿素比例的增加呈降低趋势，吐丝后则呈增加趋势，且以CRU100和CRU75处理较高并显著高于CK。表明掺混适宜比例的控释尿素可在一定程度上提高玉米特别是吐丝后干物质积累量和干物质积累率，最终提高玉米干物质总积累量。

表3 不同施肥处理对玉米干物质积累量和积累率的影响Table 3 Effects of different fertilization treatments on N accumulation and N accumulation rate of maize

2.4 控释氮肥比例对玉米干物质分配的影响

从表4可看出，干物质积累在各器官中的分配随生长中心转移而变化。从拔节期至吐丝期，叶和茎依次成为光合产物的分配中心；吐丝期以后，随着生殖器官的生长发育，在茎和叶片中的分配比例逐渐减少，开始向果穗转运；成熟期，穗（包括苞叶、穗轴和籽粒）的分配比例增加，籽粒成为光合产物的主要分配中心，分配比例达39.26%～43.13%。

掺混控释尿素后拔节期叶分配比例显著低于常规施肥处理CK，但各控氮比处理间差异不显著。吐丝期各控氮比处理叶和茎鞘的分配比例均高于CK，而穗则低于CK，且随控释尿素比例的增加呈先增后降趋势。成熟期各控氮比处理穗（包括苞叶、穗轴和籽粒）分配比例随控释尿素比例的增加而先增后降，以CRU75处理最高，其中籽粒分配比例较常CK显著提高9.86%。表明适宜的控氮比可促进玉米吐丝后营养器官干物质向籽粒转移，表现出明显的“前控后保”效果，进而提高籽粒干物质积累。

表4 不同施肥处理对玉米干物质分配的影响Table 4 Effects of different fertilization treatments on dry matter distribution of maize%

2.5 控释氮肥比例对玉米产量及其构成因素的影响

从表5可以看出，施用控释尿素可显著提高玉米籽粒产量。与常规施肥处理CK相比，CRU25、CRU50、CRU75和CRU100处理产量分别提高0.59%、3.95%、10.51%和 3.84%，其增产的原因是改善穗部性状，穗长、穗粗、行粒数、穗粒数和百粒重与其产量的变化趋势一致，也都随控释尿素比例的增加呈先增后降趋势，均以CRU75处理最高，较CK分别增加 2.78%、2.04%、4.15%、6.93%和 3.49%，其中有效穗长、穗粒数和百粒重差异达到显著水平。

表5 不同施肥处理对玉米产量及其构成因素的影响Table 5 Effects of different fertilization treatments on grain yield and its components of maize

2.6 氮代谢关键酶活性与植株干物质和氮素积累及产量之间的关系

从表6可以看出，玉米功能叶氮代谢关键酶活性与氮素积累总量、干物质积累总量和产量呈正相关，除谷氨酸合酶（GOGAT）与干物质积累总量和产量相关系数未达显著水平外，其余均达显著或极显著水平。氮素积累总量与干物质积累总量呈极显著正相关；产量与氮素积累总量和干物质积累总量正相关，相关系数均达极显著水平。表明氮肥不仅影响玉米对氮素的吸收，还影响其代谢，并进一步影响其干物质积累，最终影响玉米产量的形成；适当提高玉米功能叶氮代谢关键酶活性可促进玉米的氮素积累和干物质积累，从而提高玉米产量。

3 讨论与结论

3.1 讨论

作物吸收的氮素需要在一系列氮代谢酶（GS、GOGAT、GOT及GDH）催化下形成各种有益功能与贮藏物质，其中GS和GOGAT偶联形成的循环反应是作物氮代谢的主要途径，是整个氮代谢的中心，氨基交换作用（例如GOT）以及GDH途径是氮代谢的重要支路，在氨态氮的再利用过程中占有一定地位[21-23]。本试验中100%普通尿素处理CK较控释尿素处理，拔节期氮代谢关键酶活性较高，氮素积累量较大，但中后期不如控释尿素处理，这主要是由于普通尿素前期释放较快，肥效期相对较短[24]，而控释尿素能有效降低或控制养分释放速率，减少肥料挥发和淋溶损失，肥效期相对较长[25-26]，因此有利于提高玉米叶片吐丝后氮代谢酶活性，增加玉米氮素积累量。这与杜君等、罗胜芳等[27-28]在水稻上的研究结果基本一致，表明控释肥与普通尿素配施对玉米中后期氮代谢有一定的促进作用。本试验结果还得出75%控释尿素配比处理在玉米生育中后期，氮代谢关键酶活性和氮素积累量均高于100%普通尿素CK和100%控释尿素处理，表明一定比例的普通尿素和控释尿素配合施用，既能弥补因控释尿素前期释放过慢的不足，又能满足玉米生育中后期对氮素的需求，从而实现肥料间养分供应持续接力[29]，达到缓急兼济，平衡供肥的目的。

表6 氮代谢关键酶活性（灌浆期）与氮素积累总量、干物质积累总量及产量之间的关系Table 6 Correlation between N metabolism key enzyme activity（filling period），total N accumulation，total dry matter accumulation and yield

已有研究[30-31]表明，控释尿素氮素缓慢释放能够显著促进植株干物质积累，提高玉米产量，但前人[32-35]对控释尿素适宜的掺混比例的研究结果不尽一致，从50%～75%不等。本试验中控释尿素与普通尿素配施的处理吐丝前（除CRU25外）干物质积累量均高于100%控释尿素处理，吐丝后干物质积累量又均高于100%普通尿素处理CK，干物质积累总量（尤其是吐丝后干物质积累）和玉米产量均随控释尿素比例的增加呈先增后降趋势，以CRU75%+CU25%配施处理最高，与北方双城地区姬景红等[34]的研究结果相似，但与黄淮海平原地区李伟等[12]研究结果不一致，这一结果对指导西南丘陵山地类似土壤生态玉米区控释肥的合理利用具有重要参考价值。不同控释氮与普通氮肥混合比对各器官的干物质分配也有一定的影响，总体而言，成熟期籽粒的分配比例随控释氮与普通氮肥混合比的提 髙 而先 増 后降，适宜的控释氮与普通氮肥混合比有利于茎鞘和叶的干物质及时向籽粒转移。可见，一定比例的普通尿素和控释尿素掺混施用能够促进玉米中前期生长，延缓后期衰老，增加干物质积累并提高籽粒的分配比例，从而增加玉米产量。

相关分析表明，玉米的干物质和氮素吸收积累量与灌浆期功能叶GS、GOGAT、GOT和GDH等氮代谢关键酶活性显著正相关，产量与干物质和氮素吸收积累量极显著正相关，表明适宜控释氮肥比例提高玉米产量的生理基础是提高了功能叶的氮代谢关键酶活性，促进了植株对氮素的同化能力，增加了氮素吸收与干物质积累量。

3.2 结论

适宜控释氮与普通氮肥混合比处理能显著提高玉米中后期功能叶GS、GOGAT、GOT及GDH等氮代谢关键酶活性，增加植株的氮素积累和干物质积累，并促进吐丝后叶、茎鞘干物质向穗部转移，显著提高籽粒分配比例，改善穗部性状，增加穗粒数和百粒重，从而提高玉米产量。本试验条件下，普通尿素与控释尿素配合施用适宜的比例为25∶75。