控释尿素和普通尿素配比对不同氮效率玉米叶片衰老特性和土壤酶活性的影响

闫东良,何灵芝,李 欢,马梦金,王泳超,邵瑞鑫,杨青华,郭家萌

河南农业大学农学院,郑州 450046

玉米是重要的粮饲作物,对我国粮食安全生产及畜牧业的发展起着至关重要的作用[1]。氮素是玉米生长过程中所必需的而且需求量最大的矿物元素,其中土壤无机氮是判断土壤供氮能力的重要指标,因此合理施用氮肥是提高土壤肥力使作物获得高产的有效措施之一[2- 3]。研究发现[4]玉米生育期对氮素的吸收规律是前期缓慢增长,拔节后快速上升,吐丝至成熟期增幅较小,因此合理匹配其氮素需求是实现玉米高产的关键。树脂包膜尿素(CRU)具有缓慢释放养分的特性,能够满足各生育期玉米对养分的需求,从而提高氮肥利用率、降低环境风险[5- 6]。控释尿素与尿素掺混一次性施用,既可以满足玉米生长及对氮素的需求,又可以减少追肥投入,以应对当前集约化农业生产劳动力不足以及轻简化的趋势。

玉米花后籽粒形成和叶片衰老同时进行,延长绿叶持续期进而延长籽粒有效灌浆时间是获得高产的基础[7- 8]。土壤氮素供应不足或者过量都会造成超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)活性的降低,引起活性氧累积,导致膜脂过氧化产物(MDA)增加,光合能力下降,从而加速叶片衰老,不利于籽粒灌浆,最终导致作物产量下降[9- 10]。适量施氮能增强玉米生育后期叶片保护酶活性,延缓叶片衰老[11- 12]。土壤酶是土壤生态系统中最活跃的组分,在营养物质转化、有机质分解等方面起着非常重要的作用[13- 15],其活性反映了土壤中各种生物化学过程的强度和方向,是土壤质量和生态系统健康的重要指标,常用土壤蔗糖酶和脲酶活性作为土壤肥力水平评价的重要依据。武鹏[16]等研究发现,缓释/普通尿素配施可以提高玉米生育后期10—30 cm土层无机氮含量和脲酶活性。

不同基因型玉米品种对氮肥的转化吸收与利用等方面存在显著差异,这种差异主要来自于吐丝后氮的吸收和转运[17]。玉米氮吸收效率与其生育后期叶片光合特性密切相关,延长叶片的光合作用功能期,延缓叶片衰老,增加玉米的保绿性,能够显著提高玉米产量。Martin等[18]通过分析发现,玉米杂交种中,叶片衰老相关基因的表达模式是相同的,可能是因为不同氮效率品种间衰老信号启动时间不一样。开花后期的氮素供应不足作为外部信号可以加速叶片衰老。土壤酶活及无机氮含量等指标可以作为土壤是否缺氮的依据。有研究结果[19]表明,施氮条件下氮高效品种郑单958较氮低效品种秀青73- 1显著提高了单株叶面积、叶片光合势和叶片光合色素含量,保障了氮高效玉米品种光合产物的供应,有利于籽粒灌浆。

目前大部分研究都关注控释尿素与普通尿素配施对作物产量、经济效益和氮肥利用率的影响[20],关于控释尿素与普通尿素掺混一次性施入对不同氮效率玉米的功能叶片抗氧化酶活性及土壤酶活季节性变化规律研究较少。本试验通过两年大田试验,研究了控释尿素与普通尿素不同配比对不同氮效率玉米叶片衰老特性、土壤酶活性、土壤无机氮及玉米产量的影响,以期寻求不同氮效率玉米品种下匹配的控释尿素与尿素的合理配比,为延缓叶片衰老及玉米优质高效安全生产的控释尿素合理高效施用技术提供一定的科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018—2019年在河南农业大学原阳科教园区(113.94E,35.11N)进行。试验地地处黄淮海平原,属于温带季风气候。平均气温18℃,年降水量435.9 mm,平均日照时长12 h。试验期间该地气温及降水情况见图1,降雨集中在6—9月,且雨热同期。供试土壤为由河流沉积物受地下水运动影响形成的潮土,种植制度为常规小麦-玉米轮作,试验地肥力均匀,0—30 cm耕层土壤基础地力[21]如下,有机质含量10.6 g/kg,全氮含量1.1 g/kg,速效磷含量80.3 mg/kg,速效钾含量129.5 mg/kg,pH为7.0。

图1 2018—2019年夏玉米生育期间气温和降雨量Fig.1 The temperature and daily precipitation of the experiment site during the growth period of maize in 2018—2019

1.2 供试材料

供试玉米品种：河南省秋乐种业生产的郑单958(氮高效,ZD958)和河南省豫玉种业生产的豫禾988(氮低效,YH988)[22]。供试肥料品种：普通尿素(含N 46%)、山东茂施公司生产的控释尿素(含N 45%,释放周期60 d)、磷肥为过磷酸钙(P2O5,12%)、钾肥为硫酸钾(K2O,52%)。

1.3 试验设计

试验采用裂区设计,各处理小区随机排列,重复3次。主区设施氮处理,裂区设两个玉米品种(郑单958、豫禾988),试验设置6种氮肥处理分别设置为：CK、N180U、N180C1、N180C2、N180C、N300U,其中180、300表示施氮水平,分别为180 kg/hm2、300 kg/hm2,U表示全尿素处理,C为全控释尿素,C1、C2分别表示控释尿素：普通尿素=1∶2与2∶1,以CK处理为对照。行距为60 cm、株距为25 cm,种植密度为75000 株/hm2,控释尿素的处理是作为基肥一次性施入,全尿素的处理基追比为2∶3,追肥在拔节期进行。各处理基肥均施磷肥和钾肥,分别为P2O590 kg/hm2,K2O 90 kg/hm2。采用撒施旋耕的方式,小区面积40 m2(8.4 m×4.8 m),全生育期均按照当地习惯进行田间管理。

1.4 项目测定及方法

1.4.1叶面积指数

2018—2019年采用CI- 203CA叶面积仪测定叶面积。于玉米拔节期、吐丝期、成熟期测定单株叶片的叶面积。叶面积指数(LAI)=单株叶面积×种植密度(株/hm2)/10000

1.4.2功能叶抗氧化酶及膜脂过氧化产物

2019年于玉米拔节期、吐丝期、成熟期进行叶片取样。具体取样方法为：每个小区选取具有代表性的3株玉米,拔节期选取最新展开叶,吐丝期与成熟期选取穗位叶。将选定的叶片用剪刀剪下,去除主叶脉,用锡箔纸包好置于液氮中带回实验室放在-80℃冰箱进行保存。

超氧化物歧化酶(SOD)采用氮蓝四唑(NBT)法[23],抗氧化物酶(POD)采用愈创木酚法[23],丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法[23]。

1.4.3土壤酶活性

2018—2019年在玉米生育期内,分别于拔节期(V6)、吐丝期(R1) 和成熟期(R6) 在各处理小区随机选取3株玉米,用直径为2 cm的土钻取相应植株行间(距离植株10 cm左右)土壤,采样深度0—30 cm,混匀装入聚乙烯塑料袋中,带回实验室进行风干。土壤过1 mm 筛,用于测定土壤酶活性。

脲酶活性：靛酚蓝比色法[24],以37℃恒温培养24 h 后每克土中NH3-N的质量(mg)表示;蔗糖酶：蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水杨酸比色法[24]测定,以37℃恒温培养24 h后每克土产生还原糖的质量(mg)表示。

1.4.4土壤无机氮

2019年分别于拔节期、吐丝期和成熟期在每个小区中间垄上距植株30 cm处采用三点取样法,用土钻取0—30 cm土层新鲜土样,各自混匀带回实验室,用0.01 mol/LCaCl2浸提,采用 AA3流动注射分析仪测定土壤中硝态氮和铵态氮含量。

1.4.5产量

2018—2019年各处理于成熟期调查每个小区的实际穗数,并选取3.6 m2有代表性玉米植株全部收获后晒干,用谷物水分仪测定每个小区籽粒含水量,并折算成14%含水量的产量。

1.5 数据处理

数据用Microsoft Excel 2016进行统计计算,SAS V8方差分析,新复极差法多重比较,GraphPad Prism 7作图。

2 结果与分析

2.1 控释尿素与普通尿素配比对玉米叶片衰老特性及抗氧化酶活性的影响

2.1.1叶面积指数(LAI)

由图2两年的数据可知,从玉米拔节期至成熟期,各氮肥处理下的叶面积指数先增加后降低,在吐丝期达到最大值。2019年豫禾988拔节期各施氮处理叶面积指数显著高于不施氮处理,但各施氮处理间无显著差异;N180C1处理下的叶面积指数在吐丝期与成熟期均为最高,成熟期相较于N180U、N180C2、N180C、N300U分别增加了22.5%、5.4%、18.6%、 14.9%;郑单958各处理间叶面积指数在拔节期差异不显著,吐丝期N180C2处理下叶面积指数最大,显著高于不施氮处理,但各施氮处理间无显著差异,与其他施氮处理相比叶面积指数高出1.3%—9.7%。成熟期各施氮处理叶面积指数显著高于不施氮处理,且在N180C2处理下叶面积指数最大,较N180U、N180C1、N180C、N300U分别提高0.7%、4.7%、10.1%、17.7%。从两品种叶面积指数比较可知,豫禾988在拔节期高于郑单958,而成熟期时郑单958叶面积指数高于豫禾988,2018年叶面积指数总体变化趋势与2019年基本一致。

图2 氮肥处理对不同玉米品种叶面积指数(LAI)的影响(2018—2019)Fig.2 Effect of nitrogen fertilizer treatment on Leaf area Index (LAI) of different Maize cultivars(2018—2019)柱上不同字母表示同一时期差异达5% 显著水平

2.1.2超氧化物歧化酶(SOD)活性

由图3可知,郑单958和豫禾988穗位叶SOD活性变化趋势基本一致,从拔节期到成熟期呈现出先上升后降低的趋势,在吐丝期SOD活性最高。豫禾988吐丝期N180C1、N180C2处理下SOD活性显著高于其他处理,差异达到显著水平,但N180C1处理SOD活性高于N180C2,较之提高2.8%,成熟期SOD活性迅速下降与吐丝期各处理间的表现趋势基本一致,N180C1处理与其他处理相比较提高了2.5%—18.5%;郑单958吐丝期后各施氮处理SOD活性明显高于不施氮处理,且在N180C2下达到最大值,成熟期与N180C1、N180C、N180U、N300U相比,分别增加39.0%、7.2%、22.7%、46.8%。

图3 氮肥处理对不同玉米品种功能叶SOD活性的影响(2019)Fig.3 Effects of nitrogen fertilizer treatment on SOD activity in the functional leaves of different maize cultivars(2019)

2.1.3过氧化物酶(POD)活性

图4表明,豫禾988和郑单958两品种穗位叶POD活性变化差别较大。豫禾988在拔节期到吐丝期这一阶段,叶片POD活性急剧上升,并在吐丝期活性趋于稳定,后期变化程度较小。郑单958自拔节期开始,叶片POD活性一直持续增加,并在成熟期活性最大。豫禾988各时期条件下,施氮处理的叶片POD活性均显著高于不施氮处理,在吐丝期和成熟期N180C1处理下活性最大,在成熟期与N180U、N180C2、N180C、N300U相比较分别提高2.5%、1.7%、1.9%、23.9%;郑单958在各施氮处理条件下,叶片POD活性显著高于不施氮处理,但施氮处理间无显著差异。在吐丝期和成熟期,叶片POD活性最大值均是N180C2,成熟期与N180U、N180C1、N180C、N300U相比,分别提高8.0%、5.5%、5.6%、11.2%。

图4 氮肥处理对不同玉米品种功能叶POD活性的影响(2019)Fig.4 Effects of nitrogen fertilizer treatment on POD activity in the functional leaves of different Maize cultivars(2019)

2.1.4膜脂过氧化产物(MDA)含量

图5反映了两玉米品种生育期内MDA含量的动态变化过程,随玉米生育进程的推进,MDA含量呈现不断增加的趋势并在成熟期含量最高,施氮可以有效降低MDA含量。豫禾988在N180C1处理下,MDA下降幅度最大,在成熟期较CK降低22.6%。郑单958的N180C2处理在成熟期下降幅度最大,与CK相比,MDA含量减少了41.6%。

图5 氮肥处理对不同玉米品种功能叶MDA含量的影响(2019)Fig.5 Effects of nitrogen fertilizer treatment on MDA content in the functional leaves of different maize cultivars (2019)

2.2 控释尿素和普通尿素配施对土壤无机氮的影响

2.2.1硝态氮

2.2.2铵态氮

图6 0—30 cm土层含量(2019) contents in 0—30cm soil layer(2019)ns 表示差异不显著,*表示在 0.05 水平显著,**表示在 0.01 水平显著,***表示在 0.001 水平显著

2.3 控释尿素和普通尿素配施对土壤酶活性的影响

2.3.1脲酶活性

由表1数据可知,0—30 cm土层中,与CK相比,各施氮处理均可有效提高土壤脲酶活性。2018年数据表明,豫禾988在N180C1处理下各生育时期脲酶活性均显著高于其他各处理,随着玉米生育期的推进逐渐升高,成熟期达到最大值。N180C1较同时期的N180U、N180C2、N180C、N300U处理分别提高了24.8%、11.8%、35.6%、10.9%;郑单958在N180C2处理下,随着生育进程的推进,土壤脲酶活性表现为先升高后降低,吐丝期达到峰值。而且较同时期较同时期的N180U、N180C1、N180C、N300U处理分别增加了19.0%、17.0%、44.2%、47.7%。年份和品种显著影响各生育时期的脲酶活性。年份和品种的交互作用对各生育时期脲酶活性影响影响达到极显著水平,处理和品种的交互作用对脲酶活性没有显著影响。年份、处理和品种三者的交互作用对脲酶活性影响达到极显著水平。

表1 0—30cm土层脲酶活性/(mg kg-1 d-1)

2.3.2蔗糖酶活性

由表2数据可知,2018年豫禾988和郑单958各处理在0—30cm土层的蔗糖酶活性变化趋势一致,均随玉米生长发育呈现降低趋势,成熟期达到最低。豫禾988的N180C1处理土壤蔗糖酶活性在拔节期和吐丝期较其他各处理显著提高,在成熟期N180C1处理比同时期N180C2、N180C处理高出2.2%、11.9%;郑单958的N180C2处理在各生育时期均高于同等施氮水平下的其他处理,在成熟期比同时期N180U、N180C1、N180C、N300U处理分别提高4.9%、4.6%、11.4%、3.4%。2019年豫禾988的N180C处理土壤蔗糖酶活性在拔节期和吐丝期相对较高,在成熟期N180U处理在该时期比N180C1、N180C2、N180C处理增加15.0%、17.5%、9.8%;郑单958的N180U处理在玉米生与前期蔗糖酶活性相对较高,拔节期N180U处理分别较N180C1、N180C2、N180C处理高1.5%、1.6%、5.6%,但是在成熟期N180C1较N180U、N180C2、N180C处理提高了1.8%、13.2%、8.1%,说明在生育后期控释尿素与尿素掺混处理可以提高土壤耕层肥力,给玉米提供生长所需的氮素。施氮处理在成熟期对蔗糖酶活性有显著影响,而在拔节期和吐丝期无显著影响。年份及年份和品种交互作用在拔节期对蔗糖酶活性影响显著,在吐丝期和成熟期无显著影响。施氮处理、年份和品种的交互对拔节期和吐丝期蔗糖酶活性影响达到极显著水平。

表2 0—30cm土层蔗糖酶活性/(mg kg-1 d-1)

2.4 控释尿素和普通尿素配施对玉米产量的影响

从图7可以看出,2018—2019施氮能够显著提高玉米产量,两年的产量表现基本一致。 2018—2019年豫禾988和郑单958均在180 kg/hm2施氮水平下表现出较高的产量水平,其中豫禾988和郑单958分别在控释氮：尿素氮为1∶2(N180C1)和2∶1(N180C2)的配比下产量最高,分别为9758.8—11334.7 kg/hm2和9848.0—11023.3 kg/hm2。

图7 2018—2019年玉米产量图Fig.7 Maize yield in 2018—2019

3 讨论

叶片是玉米进行光合作用的重要器官[25],叶面积指数(LAI)与产量之间有着密切的关系。玉米叶片衰老过程是氮素从同化过程向再转移过程的转变,为籽粒生长提供所需的氮源,延长绿叶持续期进而延长籽粒有效灌浆时间是获得高产的重要条件[26- 27]。温立玉[28]研究表明施氮延缓了花后植株下部叶片的衰老与脱落,延长了LAI高值持续期,在籽粒灌浆期保持了较高的光合面积。米国华[29]研究发现,在高氮条件下,氮高效品种在绿叶保持性方面明显具有优势,而氮低效品种叶片光合效率则显著降低。本研究结果表明施氮显著提高了玉米吐丝期和成熟期的叶面积指数,豫禾988在N180C1和郑单958在N180C2处理下,效果最为显著。结果表明不同氮效率玉米品种,配合控释尿素与尿素合理配比可以延长玉米花后绿叶持续期,改善玉米光合作用,进而提高产量。

玉米生育后期活性氧清除酶活性降低,活性氧积累氧化细胞膜蛋白,加剧膜脂过氧化作用,进而导致叶片衰老脱落,降低产量[30]。而植物本身也有一些防御机制来延缓衰老,如活性氧酶促清除系统,SOD是该系统的第一道防线,催化超氧自由基歧化成H2O2和O2。POD可以清除植物体内的H2O2,与SOD协同保护体内活性氧代谢平衡。MDA是过氧化物会与细胞内多种成分发生反应,严重损害多种酶活性和膜系统,其含量的升高代表了叶片的衰老[31]。本课题组前期的研究结果表明,氮低效品种豫禾988在N180C1(CRU-N∶Urea-N=1∶2)处理下,依靠后期持续吸氮延缓衰老,氮高效品种郑单958在N180C2(CRU-N∶Urea-N=2∶1)处理下,依靠后期茎秆转移氮素实现了较高的氮累积量。本试验结果进一步表明豫禾988在N180C1和郑单958在N180C2处理下,能够显著降低MDA含量和提高叶片SOD、POD活性,有效清除活性自由基,延缓叶片衰老进程。豫禾988的叶片POD活性在吐丝期显著高于郑单958,说明豫禾988植株叶片较郑单958较早进入衰老阶段,同时也说明氮高效品种叶片较氮低效在生育后期具有更好的光合功能,延长了叶片的功能期,更有利于植株的生长发育和产量的提高。

土壤中无机氮含量能够体现土壤中可利用氮水平的高低,也直接反映其对作物的营养供应能力,是评价外源氮投入是否适宜的重要依据之一[32- 33]。本试验结果表明在豫禾988品种下,N180C1处理在拔节期、吐丝期及成熟期土壤硝态氮含量均保持较高水平,在拔节期N300U土壤铵态氮含量高于其他施氮处理,在吐丝期和成熟期却低于N180C1处理;在郑单958品种下,N180C2处理在吐丝期和成熟期也保持较高水平且较稳定。本试验中控释尿素和尿素以不同比例配施使得氮素养分的释放与玉米养分的吸收相互匹配,延长了氮素的供应周期,维持并提高了土壤供氮能力,满足了玉米“氮素后移”的需求规律,促进了玉米的生长发育,进而提高产量。土壤酶能够影响土壤的生化活性、养分的组成与转化,对土壤肥力有直接影响[34- 35]。脲酶广泛存在于土壤中,是一种分解酰胺态氮的酶,能促进有机质分子中肽键的水解,生成铵离子,改善土壤有效氮含量[36]。本研究发现豫禾988的N180C1和郑单958的N180C2处理下脲酶和蔗糖酶在整个生育时期一直保持较高活性,而在成熟期豫禾988却低于郑单958,这可能是由于N180C1(CRU-N∶Urea-N=1∶2)处理速效氮肥前期释放较快,豫禾988在前期吸氮量较高刺激了土壤酶活性,而后期叶片的早衰导致吸氮量减少所以酶活性降低。豫禾988的N180C1和郑单958的N180C2处理在生育后期土壤脲酶和蔗糖酶活性相对稳定,且保持较高水平,说明控释普通尿素与尿素配施在玉米生育后期还能释放大量氮素,维持了较高的无机氮水平,降低了氮素损失。李潮海[37]等研究表明土壤脲酶、蔗糖酶活性除与施肥有关外,还可能与作物生长有关,在作物生长过程中根系分泌物逐渐增加,促进了根系周边土壤微生物的生长,进而增加了脲酶和蔗糖酶活性。对土壤微生物研究还需后续的试验进一步验证。

4 结论

通过2018—2019年的试验结果表明,豫禾988和郑单958分别在控释氮：尿素氮为1∶2和2∶1的配比下,能够通过前期尿素氮的快速释放和后期控释氮的持续释放的互补作用来延缓地上部玉米功能叶片衰老,延长功能期,提高叶片抗衰老特性;同时也增加了生育后期地下部土壤酶活性和土壤无机氮含量,提升了土壤肥力,实现了玉米的增产稳产,为黄淮海夏玉米精简化栽培提供了科学有效的施肥模式。