施氮量对高粱产量、品质及氮利用效率的影响

曹晓燕 武爱莲 王劲松 董二伟 焦晓燕

（1山西大学生物工程学院，030006，山西太原；2山西农业大学（山西省农业科学院）资源环境学院，030031，山西太原）

氮是作物生长过程中最重要的元素之一，植物吸收的氮素被同化酶硝酸还原酶（NR）、亚硝酸还原酶（NiR）、谷氨酰胺合成酶（GS）和谷氨酸合成酶（GOGAT）合成同化后形成蛋白质、核酸和其他产物（酶、次生代谢产物和细胞膜组成成分），维持作物生长[1]。施氮是农业生产中提高作物产量以满足世界日益增长的人口对粮食需求的主要手段[2]。1994年以来我国每年氮肥（纯氮）施用量达2×107t以上，居世界之首，但氮肥利用率仅为30%～35%，远低于世界40%～60%的平均利用率[3]。据估计，到2050年世界氮肥需求量将从2020年的1.35亿t进一步增长到2.36亿t，而其中50%～70%的氮会从植物-土壤系统中流失[4-6]，过量施氮也会造成严重的环境问题[7]。在保证作物产量和品质的情况下，降低施氮量和提高作物氮素利用效率对于保障粮食安全、应对环境退化和气候变化至关重要[8-9]。

高粱（Sorghumbicolor）是我国重要的禾谷类作物之一，被广泛应用于饲料、酿造、生物质能源以及食品加工等领域[10]，也是非洲国家的主要粮食作物，具有较强的抗旱及耐盐碱等特性[11]。高粱根系能够分泌具有硝化抑制特性的化合物[12-14]，调节土壤中氨氧化古菌（AOA）和细菌（AOB）的种群，这可能导致高粱对施氮量的响应不敏感[15]；缺氮通过影响籽粒千粒重和穗粒数影响高粱产量，同时会提高氮肥利用效率[16]；在一定施氮量范围内植株氮积累量随施氮量增加而增加[17]；施氮状况也影响植物不同阶段氮素吸收及营养器官氮素转运效率[18]，但尚不清楚氮素缺乏程度对高粱体内氮素累积、转运、利用及产量构成的调控效应。

淀粉含量是谷物籽粒的重要品质之一。以前的研究发现土壤肥力对高粱籽粒淀粉含量影响较小，但施氮量过大会降低籽粒淀粉含量[19]；高粱叶鞘是硝态氮贮存的主要部位，供氮水平会明显影响叶鞘中硝态氮含量[20]；硝态氮通过调节硝酸还原酶，抑制ADP-葡萄糖焦磷酸酶（AGPase）的调节亚基，从而影响淀粉的合成[21]。本研究通过盆栽控制施氮量，旨在明确施氮量对高粱体内氮素累积状况、氮素转运与利用、籽粒淀粉形成和淀粉产量的影响，为实现高粱增产、优质和氮肥高效利用的氮素管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

盆栽试验于2019年7月至11月在山西省农业科学院创新基地连栋温室内进行。供试品种为山西省农业科学院高粱研究所培育的“汾酒粱1号”。供试土壤为褐土，质地为壤土，土壤养分含量为有机质11.3g/kg，全氮0.6g/kg，硝态氮12.82mg/kg，有效磷3.6mg/kg，速效钾146.63mg/kg，pH 8.55，电导率226.24μS/cm，土壤风干过5mm筛后混合均匀备用。试验塑料盆高19.0cm，上部和底部直径分别为27.0cm和14.0cm，每盆装土8.7kg。

1.2 试验设计

设6个处理，分别为施氮水平0、0.05、0.1、0.2、0.4和0.6g/kg（风干土），分别表示为N0、N1、N2、N3、N4和N5，所有处理P2O5和K2O的施用量均为0.2g/kg（风干土），氮、磷及钾分别以尿素、过磷酸钙和硫酸钾的形式施入，50%氮基施，其余氮在拔节期前追施，每个处理22次重复。

高粱于7月13日播种，每盆播种15粒，出苗后13d（4叶期）每盆留苗5株，出苗后16d（5叶期）每盆定苗3株，11月22日收获，出苗至收获共131d。生育期内各盆随机排列，盆间距为80cm，每3d挪动一次，避免边际效应。

1.3 调查采样方法

分别于出苗后36、65、87、108和131d（分别为拔节期、挑旗期、穗花期、灌浆期和成熟期）调查地上部干物质累积量；在拔节期、挑旗期、穗花期和灌浆期调查可见绿叶叶片的叶面积和最新展开叶片的SPAD值；在拔节期、穗花期和灌浆期采集叶鞘，于65℃烘至恒重粉碎过0.25mm筛，用于硝态氮含量的测定；在穗花期和成熟期采样后，将植株分为茎秆、穗和籽粒，于105℃杀青后在65℃烘干至恒重，粉碎后用于测定氮含量，其籽粒还用于测定淀粉和单宁含量；成熟后每盆单独收获测产，测量千粒重。每次采样4盆。

1.4 测定方法

采用叶绿素仪（日产SPAD-502）测定SPAD值；采用H2SO4消煮，用凯氏定氮仪测定植株氮含量；茎基部和叶鞘中硝态氮测定方法为称取样品1.5g，加入2mol/L KCl 100mL浸提，振荡15min，用流动连续分析仪（Auto Analyzer3-AA3）测定硝态氮含量[22]；用CaCl2溶液分散，采用旋光法测定籽粒总淀粉含量[23]；用75%二甲基甲酰胺溶液浸提避光保存的粉碎籽粒，采用紫外可见分光光度计比色法测定籽粒单宁含量[24]。

1.5 数据处理与分析

采用以下公式计算相关指标[25-27]，叶面积（cm2）=叶片长（cm）×宽（cm）×0.75；某器官氮累积量（mg/kg）=某器官全氮含量×该部位生物量；氮转运率（%）=（开花期营养器官氮累积量−收获期营养器官氮累积量）/开花期营养器官氮累积×100；氮素利用效率（%）=（施氮处理氮素积累量−不施氮处理氮素积累量）/施氮量×100；氮肥偏生产力（g/g）=籽粒产量/施氮量；氮素生理利用效率（physiological nitrogen use efficiency，PNUE，%）=[施氮处理籽粒产量（g/盆）−不施氮处理籽粒产量（g/盆）]/[施氮处理地上部养分吸收量（g/盆）−不施氮处理地上部养分吸收量（g/盆）]。

采用Excel 2007进行数据处理、分析和作图，利用SPSS软件进行方差分析和回归拟合分析，每个特征值用平均值±标准误差表示。

2 结果与分析

2.1 施氮量对高粱生长、产量及品质的影响

由图1可知，施氮量显著影响了高粱生育期的干物质累积，N0干物质累积量最低，其次为N1和N5，N2、N3和N4的干物质累积量较高。在拔节期N0和N5的单株叶面积最低，其次为N4，N1、N2和N3之间差异不显著（P＜0.05）；随生育期推进，N3和N4的单株叶面积最高（图2）。就最上部展开叶的SPAD值来看，N0最低，N2、N3和N4的SPAD值最高（图2）。

图1 施氮量对高粱干物质累积量的影响Fig.1 Effects of N fertilization on dry matter accumulation in sorghum

图2 施氮量对单株叶面积和SPAD值的影响Fig.2 Effects of N fertilization on leaf area per plant and SPAD in sorghum

表1表明，施氮量显著影响了千粒重、穗粒数、籽粒产量及收获指数。盆栽试验籽粒产量取决于穗粒数和千粒重，N4条件下千粒重最高，达28.80g；N3处理的穗粒数最高，为545.10粒，其次为N2；N3处理籽粒产量最高，其次为N4和N2处理；N3处理的收获指数最高，达49.51%，其次为N2。N0处理的千粒重、穗粒数、籽粒产量及收获指数均显著低于其他处理。

表1 施氮量对高粱产量和收获指数的影响Table 1 Effects of N fertilization on grain yield and harvest index of sorghum

表2表明，施氮量影响高粱籽粒的单宁含量，随施氮量的增加籽粒单宁含量降低，N4处理最低，说明氮胁迫也提高籽粒单宁含量。施氮量也影响籽粒淀粉含量，N1处理的淀粉含量最高，达73.7%，随施氮量的增加淀粉含量降低；N4单粒淀粉产量最高，N3处理的淀粉总产量最高。籽粒蛋白质含量随施氮量增加而增加，N4处理的单籽粒蛋白质产量最高，N3和N4处理籽粒蛋白质总产量最高。

表2 施氮量对高粱籽粒品质的影响Table 2 Effects of N fertilization on quality of grain yield of sorghum

2.2 施氮量对高粱各部位氮含量、氮累积量、氮转运及氮利用的影响

植物体叶鞘是硝态氮储存器官，叶鞘中硝态氮的运转和再利用影响着高粱籽粒产量。对挑旗期、穗花期和灌浆期高粱叶鞘硝态氮含量（表3）分析表明，随施氮量增加，叶鞘中硝态氮含量增加；挑旗时N0、N1和N2叶鞘硝态氮含量没有差异，含量为34.5～63.2mg/kg；灌浆期N0、N1、N2和N3叶鞘中硝态氮含量没有显著差异，含量为29.6～56.3mg/kg，N4和N5的硝态氮含量分别高达2800.0和6804.4mg/kg，说明氮过量供给导致叶鞘硝态氮过量累积。

表3 施氮量对叶鞘中硝态氮含量的影响Table 3 Effects of N fertilization on NO3--N concentration in leaf sheaths mg/kg

由表4可知，施氮量显著影响穗花期高粱茎叶和花穗中氮含量（P＜0.05），随施氮量的增加茎叶中氮含量增加，N5茎叶中氮含量是N0的3倍，N0与N1处理间差异不显著；N5花穗中氮含量是N0的1.5倍，N2、N3、N4和N5处理对花穗中氮含量没有显著影响，施氮对茎叶中氮含量的影响比对花穗的影响更明显。收获时N0、N1、N2和N3处理茎叶中氮含量降低，而N4和N5氮含量较高，分别为8.71和12.10g/kg；N0、N1和N2对籽粒和穗芯中氮含量影响不显著（P＜0.05），N3处理籽粒和穗芯中氮含量明显减少（P＜0.05）。

表4 施氮量对各器官中氮含量的影响Table 4 Effects of N fertilization on N concentration in different parts of sorghum g/kg

由图3可知，在花期随施氮量增加，氮素总累积量增加，N3和N4处理氮的累积量达到最高，N5处理显著下降；N3处理穗部的氮素累积量最高，其次为N2和N4处理，N0处理最低。收获时N4和N3氮素总累积量最高，其次为N5和N2；各施氮处理显著影响了茎叶、穗芯和籽粒中氮素累积量，其中对籽粒的氮素累积量更明显，N0氮素累积量仅为63.3g/盆，N3和N4处理籽粒氮素累积量分别为641.1和645.2g/盆，N1、N2、N3、N4和N5籽粒的氮素累积量分别是N0的3.6、6.0、10.1、10.2和7.1倍。

图3 施氮量对各部位氮素累积的影响Fig.3 Effects of N fertilization on nitrogen accumulation in different positions

籽粒中的氮一部分来自花期后植物从土壤中的吸收，另一部分则是从营养器官向生殖器官的转运。

由表5可知，N0的氮转运率量最低，N3和N4的转运量最高，达470～490mg/盆；N0和N5从营养器官转运的氮素占籽粒中氮的累积量约为50%，其他处理为67%～76%；施氮量也显著影响了营养器官的氮素转运率，N0和N5的氮素转运率约为40%～44%，N3的转运率最高，达76%左右。

表5 施氮量对茎叶向籽粒氮转运的影响Table 5 Effects of N fertilization on N translocation from leaf and stem to grain

由表6可知，施氮量还显著影响了氮肥利用效率，随氮用量增加，氮利用效率和氮的生理利用效率显著降低（P＜0.05），N1、N2和N3氮利用效率在40%～50%，而N5的氮利用效率仅为12%左右；施氮量也显著影响氮偏生产力，N1最高，其次为N2和N0，N5处理的氮偏生产力最低。

表6 施氮量对氮利用的影响Table 6 Effects of N fertilization on N utilization efficiency

2.3 植株氮状况与产量和籽粒淀粉形成关系分析

从籽粒产量、淀粉产量和淀粉含量与茎叶氮含量关系（图4）可以看出，花期茎叶中氮含量为0.6%～0.7%时淀粉含量最高，茎叶中氮含量为1.2%左右，籽粒产量和淀粉产量最高。而在收获期茎叶含量为0.4%时籽粒淀粉含量最高，0.6%～0.7%时籽粒产量和淀粉含量最高。

图4 籽粒淀粉含量、籽粒产量及淀粉产量对茎叶氮含量的响应Fig.4 The response of grain starch content, grain yield and starch yield to the nitrogen content of shoot

施氮量明显影响挑旗期、花期和灌浆期叶鞘中硝态氮含量（图5），3个时期均表现出叶鞘硝态氮含量为27.0～35.4mg/kg时粒籽淀粉含量最高；挑旗期、花期和灌浆期叶鞘硝态氮含量为1903、756和46mg/kg时籽粒产量和淀粉含量最高。

图5 籽粒淀粉含量、籽粒产量及淀粉产量对叶鞘硝态氮含量的响应Fig.5 Response of grain starch content, grain yield and starch yield to nitrate content in leaf sheath

由表7和表8可知，在花期和收获期，籽粒产量、籽粒淀粉含量和淀粉产量与茎叶中全氮含量均呈指数关系，达极显著水平（P=0.000）；籽粒淀粉含量与拔节期、花期和灌浆期叶鞘中硝态氮含量呈显著的回归关系（P=0.000），籽粒产量和淀粉产量与3个时期叶鞘中硝态氮含量的决定系数R2较低。

表8 籽粒产量、淀粉含量和淀粉产量（y）与叶鞘硝态氮含量（x）的关系Table 8 Relationship between grain yield, starch content and starch yield with NO3--N concentration in leaf sheaths

3 讨论

3.1 施氮量对高粱生长、产量与品质的影响

氮是植物生长必需的大量营养元素，缺氮和氮过量均会限制高粱生长。尽管施氮量0.60g/kg处理在后期的叶面积和SPAD值高于施氮量0.05g/kg，但没有影响地上部生物量，二者生物量均低于施氮量0.10、0.20和0.40g/kg处理的生物量。与前人的研究结果相一致[28]，缺氮和氮过量会降低单穗籽粒数和千粒重；已有报道表明茎基部和叶鞘的硝态氮含量可以反映供氮状况[20，22]，硝态氮能够诱导细胞分裂素合成基因IPT3和CYP735A的表达[29]，细胞分裂素通过调节控制植物顶端的分裂进而会影响籽粒形成[30]。本研究发现供氮状况与叶鞘硝态氮含量关系密切，挑旗、穗花和灌浆3个时期N4和N5处理叶鞘硝态氮含量均较高，而产量最高的N3处理叶鞘硝态含量与生育期有关，在灌浆期降至与N0、N1和N2处理的含量相当，说明拔节期和穗花期硝态氮含量过高（＞2000mg/kg）也会降低籽粒淀粉形成和千粒重。

淀粉、单宁及蛋白质含量是高粱籽粒的重要品质。与以前研究结果一致，即施氮降低了籽粒淀粉含量[15]；但本试验N0处理籽粒淀粉含量明显低于N1，这可能是由于本试验条件下土壤氮胁迫更为明显的缘故，为此氮素相当缺乏的情况下也会降低籽粒的淀粉含量，但淀粉产量受籽粒产量和籽粒含量共同影响和作用。已有研究表明，水胁迫、氮胁迫及水氮互作胁迫会促进高粱籽粒中单宁含量[15]，本试验进一步证实了缺氮会提高高粱籽粒单宁含量，但过量的氮对单宁形成与累积影响不明显；施氮量明显影响籽粒蛋白质含量[31]，虽然籽粒的淀粉含量增加伴随蛋白质的含量降低[15]，N3处理淀粉产量和蛋白质产量均达到最大，为此通过氮调控能够实现淀粉产量和蛋白质产量二者的最大化。

3.2 施氮量与氮素的利用和转运

氮素在植物体内移动性较高[32]。籽粒中的氮素一方面来自花后氮素的吸收，另一方面主要来自生育后期营养体中氮素的重新分配[33]，在确保生长和籽粒产量的条件下，从营养器官转运的氮占到籽粒氮素的70%以上，因而较强的氮素转移再分配能力对保证作物生育后期的氮素需要，实现作物的高产高效至关重要[34]。N3处理营养器官氮转运量最高，这可能是N3处理灌浆期叶鞘硝态氮含量及收获期茎叶全氮含量明显下降的主要原因；N4和N5处理氮素奢侈吸收，收获时秸秆中较高的氮含量提高了秸秆氮素残留。谷物籽粒也是提供蛋白质的重要途径之一，适宜的施氮量（N3）能够获得较高产量和籽粒蛋白质含量，使秸秆中的氮低残留。

3.3 植株体内氮与单宁、淀粉含量关系

植物根系吸收的硝态氮通过一系列同化酶（如硝酸还原酶、亚硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合成酶）的作用形成氨基酸和含氮分子维持植物生长[35]；硝态氮不仅影响氮同化酶的活性，也会影响叶片光合作用和碳水化合物的同化[36]；碳同化产物提供ATP用于氮的同化；叶片中同化物的含量、存在形式及分配对植物的籽粒形成具有决定性的作用，与植株生长和产量密切相关[37]；碳氮耦合有利于获得高氮利用效率和产量[38]。有研究表明，玉米缺氮促进糖分累积，过量糖分累积会转化为花青素和有机酸等次生代谢产物[31]，单宁是高粱特有的一种次生代谢产物[39]，缺氮促进了单宁的累积。淀粉形成受调控生长的因素影响，玉米在缺氮条件下会积累大量的糖分[29]，淀粉作为籽粒中主要非结构碳水化合物，缺氮促进了高粱籽粒的淀粉累积，无论是茎叶中全氮含量（R2=0.626～0.854，P=0.000），还是3个时期的叶鞘中硝态氮含量均与籽粒淀粉含量（R2=0.532～0.724，P=0.000）呈显著回归关系，仍有必要进一步研究，以明确缺氮调控籽粒淀粉形成和分配机制。

4 结论

施氮量影响氮素从高粱营养器官向籽粒的运转，适宜的施氮量使氮转运率高，也有利于籽粒产量的形成；适宜施氮量表现出随生育期进程叶鞘中硝态氮含量和营养体中氮含量持续降低，与低氮处理相当，才能获得较高产量和氮肥利用效率；低氮胁迫影响了籽粒发育，提高了籽粒单宁和淀粉含量，降低了蛋白质含量，高氮胁迫对籽粒单宁及淀粉含量没有显著影响。尽管获得最高产量的供氮处理淀粉和蛋白质含量较低，但籽粒淀粉和蛋白质的总产量最高，故仍可以达到高产和氮肥高效利用，可据此指导高粱氮肥养分管理。