木醋精制液浸种对玉米产量及氮肥利用率的影响

王泽平， 王祎，2， 朱学强， 李芳， 李青松， 杨艳霞， 韩燕来，2

(1.河南农业大学资源与环境学院，河南 郑州 450002；2.省部共建小麦玉米国家重点实验室，河南 郑州 450002；3.西平县农业技术推广中心，河南 西平 463900)

木醋液是把木材或农林废弃物干馏产生的烟气，通过冷凝和分离后所得到的一种有机混合物[1-3]。木醋液中不仅含有大量的有机成分如有机酸、酚类、醇类、酮及其衍生物，并含有植物生长所必需的中微量元素和其他矿物质[4-5]，如今已被广泛应用于化工业和农林牧业等行业[6-7]。随着研究方法的不断进步，已有大量研究表明，木醋液在农业生产中有诸多有利作用，如促进植物生长发育[8-10]，提高作物产量及品质[9-11]，提高抗病性[12-13]，提高氮肥利用效率[14-15]。大量研究已证明，木醋液可广泛应用于现代农业生产且具有广阔的研究前景[16]。然而，由于粗木醋液中含有焦油和其他有害物质，需要对其进行精制，才能加以利用[17]。

木醋液作为一种生长调节剂，在提高作物产量及品质、杀菌等方面的研究较多[9-13]，而对使用其浸种后对作物生长及品质的影响的研究较少。玉米在生产过程中对氮素的需求量大，但是，目前广泛存在着氮肥利用率低的问题，如何在降低氮肥用量的基础上，保证其产量和品质是目前的研究热点。前期研究表明，木醋精制液稀释1 000倍浸种可以显著促进玉米幼苗的生长，增加其对养分的吸收[18]。豫南地区是河南省玉米主产区之一，但是其土壤黏重板结，肥料利用率较低，限制该地区玉米高产高效生产。因此，本研究在前期基础上采用大田试验，研究在氮肥减施的条件下，木醋精制液浸种对玉米产量和氮肥利用率的影响，为其在农业中的生产应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试木醋液来源、组成与性质

试验所用的木醋精制液由稻壳经密闭无氧炭化，烟气经过过滤器过滤后，收集到的除木焦油外的液体成分通过膜分离技术将其分离制成。木醋精制液的化学成分和含量通过GC-MS进行测定，同朱学强等[18]的研究中所用木醋液。

1.2 试验设计

前期研究表明，木醋精制液稀释1 000倍对玉米幼苗生长具有显著促进作用[18]，因此本研究中采用该浓度浸种12 h，之后于阴凉处风干3 h，吹干表面水分，采用玉米种衣剂包衣后进行播种。供试品种为“郑单958”，田间小区试验共设置5个处理，每处理3次重复：不施肥+不浸种对照(0%N)、正常施肥+不浸种对照(100%N)、施80%氮肥+不浸种对照(80%N)、施80%氮肥+木醋精制液浸种(80%N+M)、施60%氮肥+木醋精制液浸种(60%N+M)(表1)。肥料一次性基施。小区面积约40 m2，玉米种植密度60 000株·hm-2。试验小区随机区组排列。田间小区管理与玉米大田常规管理相同。

表1 试验设计Table 1 Test disign

1.3 试验地基本情况

地处河南省西平县二郎乡张尧村，试验地土壤为砂姜黑土。供试土壤0～20 cm的土层基本理化性质：pH值为5.6，有机质含量26.07 g·kg-1，全氮含量1.21 g·kg-1，速效磷含量16.34 mg·kg-1，速效钾含量108.52 mg·kg-1。

1.4 测定指标与方法

1.4.1 干物质积累量与养分含量的测定 各处理玉米植株生物量和养分含量于吐丝期和收获期分别测定。地上部烘干后称取生物量，之后用粉样机粉碎并过20目筛。称取0.100 0～0.105 0 g粉碎样品，用5 mL浓H2SO4-H2O2消煮，定容至50 mL。植株全氮含量用凯氏定氮仪测定，全磷含量用钼黄比色法测定，全钾含量用火焰光度计测定。

1.4.2 叶片SPAD值的测定 在玉米灌浆期，每个小区选取大小一致的5株植株用SPAD-502叶绿素测定仪测定穗位叶的SPAD值。

1.4.3 氮代谢相关酶的测定 在大喇叭口期取玉米植株最新完全展开叶，在灌浆中期取穗位叶用于氮代谢相关酶活性的分析。酶活性测定时，叶片用液氮研磨成粉末后，称取100 mg，根据试剂盒的操作说明，加入提取剂，离心后上清用于硝酸还原酶(NR)、谷氨酰胺合成酶(GS)和谷氨酸合成酶(GOGAT)活性的测定。酶活性分别用苏州科铭生物技术有限公司的硝酸还原酶(NR)测试盒(NADH速率法)(NR-1-W)、谷氨酰胺酶(GLS)测试盒(GLS-1-Y)、NADH-谷氨酸合成酶(NADH-GOGAT)测试盒(GOGAT-1-Y)进行分析。NR酶活力单位定义为：每h每mg鲜质量样品中催化减少1 nmol NADH的量为1个NR活力单位；GS酶活力单位定义为每g鲜样每h催化谷氨酰胺生成1 mol氨定义为1个酶活力单位；GOGAT酶活力单位定义为每g鲜样每分钟消耗1 nmol NADH定义为1个酶活力单位。

1.4.4 产量测定 玉米成熟后各小区随机选取20穗，进行考种，并计算产量。

1.5 相关计算公式

地上部氮积累量/(kg·hm-2)=植株氮含量/(kg·kg-1)×植株地上部干物质积累量/(kg·hm-2)；

氮肥利用效率/%=[施氮区氮素吸收量/(kg·hm-2)-空白区氮素吸收量/(kg·hm-2)]/施氮量(kg·hm-2)×100；

茎秆氮再转运效率/%=[吐丝期茎秆氮积累量/(kg·hm-2)-成熟期茎秆氮积累量/(kg·hm-2)]/吐丝期茎秆氮积累量/(kg·hm-2)×100；

叶片氮再转运效率/%=[吐丝期叶片氮含量/(kg·hm-2)-成熟期叶片氮含量/(kg·hm-2)]/吐丝期叶片氮含量/(kg·hm-2)×100；

茎秆氮再转运对子粒氮的贡献率/%=[吐丝期茎秆氮积累量/(kg·hm-2)-成熟期茎秆氮积累量/(kg·hm-2)]/成熟期子粒氮积累量/(kg·hm-2)×100；

叶片氮再转运对子粒氮的贡献率/%=[吐丝期叶片氮积累量/(kg·hm-2)-成熟期叶片氮积累量/(kg·hm-2)]/成熟期子粒氮积累量/(kg·hm-2)×100。

1.6 数据处理及分析

所得数据均使用Excel 2019和SPSS 22.0进行统计分析，并使用GraphPad Prism 8.0.1作图，最小显著差数法(LSD)进行差异显著性检验(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 减氮条件下木醋精制液浸种对玉米干物质积累量的影响

吐丝期和收获期生物量结果显示，不施氮肥和氮肥减施均显著降低玉米产量，但是，木醋精制液浸种可以显著提高80%N条件下的玉米产量，并且与100%N水平没有显著差异。然而，当施氮量为60%时，木醋精制液浸种处理的产量与80%N无显著差异，但低于80%N+M(图1)。与80%N相比，吐丝期和收获期80%N+M处理植株生物量分别增加18.4%和10.1%。

注：不同小写字母代表同一时期不同处理之间的差异显著性(P<0.05)。下同。Note: Different lowercase letters represent significant differences between different treatments under the same time (P<0.05).The same as below.图1 木醋精制液浸种对玉米吐丝期和收获期植株生物量的影响Fig.1 Effects of seed soaking in refined wood vinegar on plant biomass of maize during spinning and harvesting

2.2 减氮条件下木醋精制液浸种对玉米叶片SPAD值的影响

灌浆期穗位叶SPAD值结果显示，不施氮肥和氮肥减施均显著降低玉米叶片SPAD值，但是木醋精制液浸种可以显著提高80%N条件下的SPAD值，并且与100%N水平没有显著差异。然而当氮肥继续减量后，木醋精制液浸种处理(60%N+M)的SPAD值显著低于100%N和80%N+M，但是与80%N处理无显著差异(图2)。与80%N相比，80%N+M处理叶片SPAD值增加9.7%。

2.3 减氮条件下木醋精制液浸种对氮代谢相关酶活性的影响

大喇叭口期(最新完全展开叶)和灌浆期(穗位叶)叶片氮代谢相关酶活性结果表示，不施氮肥和氮肥减施均显著降低NR、GS以及GOGAT活性(图3)。大喇叭口期木醋精制液浸种可以显著提高80%N条件下的NR、GS以及GOGAT活性，灌浆期可以显著提高80%N条件下NR、GS以及GOGAT活性，但与100%N水平下没有显著差异。

当氮肥继续减量后，大喇叭口期与灌浆期木醋精制液浸种处理(60%N+M)的NR、GS以及GOGAT活性显著低于100%N和80%N+M，但与80%N处理无显著差异(图3)。大喇叭口期与灌浆期与80%N相比， 80%N+M处理下硝酸还原酶活性分别增加35.7%和12.7%，谷氨酰胺合成酶活性分别增加40.9%和13.8%，谷氨酸合成酶活性分别增加22.9%和11.1%。

图2 木醋精制液浸种对玉米穗位叶SPAD值的影响Fig.2 Effect of seed soaking in refined wood vinegar on SPAD value of ear-bearing leaves in maize

图3 木醋精制液浸种对玉米NR (A)、GS (B)、GOGAT (C)酶活性的影响Fig.3 Effects of seed soaking in refined wood vinegar on the enzyme activities of NR (A), GS (B) and GOGAT(C) of maize

2.4 减氮条件下木醋精制液浸种对玉米氮积累量的影响

吐丝期和收获期地上部氮素积累量结果显示，不施氮肥和氮肥减施均显著降低地上部氮素积累量，但是木醋液浸种可以显著提高80%N条件下的氮素积累量，并且与100%N水平没有显著差异，然而当施氮量为60%时，木醋精制液浸种处理的氮素积累量显著低于100%N和80%N+M，但是与80%N无显著差异(图4)。与80%N相比，80%N+M处理吐丝期和收获期地上部氮素积累量分别增加17.1%和9.0%。

图4 木醋精制液浸种对玉米氮积累量的影响Fig.4 Effects of seed soaking in refined wood vinegar on nitrogen accumulation of maize

2.5 减氮条件下木醋精制液浸种对玉米产量及构成因素的影响

玉米产量及其构成要素结果显示，不施氮肥和氮肥减施均降低玉米的穗粒数、百粒质量及产量且与正常施肥差异显著，但木醋液浸种可以显著提高80%N条件下玉米的穗粒数、百粒质量及产量，并且与100%N水平没有显著差异，然而施氮量继续减小后，木醋精制液浸种处理(60%N+M)的穗粒数、百粒质量及产量显著低于100%N和80%N+M，但是与80%N无显著差异(表2)。与80%N相比，80%N+M处理下穗粒数、百粒质量和产量分别显著增加6.4%、7.8%和5.6%。

表2 木醋精制液浸种对产量及其构成要素的影响Table 2 Effects of seed soaking in refined wood vinegar on yields and their constituent elements

2.6 减氮条件下木醋精制液浸种对氮素再转运效率及其对籽粒贡献率的影响

氮素再转运效率及其对子粒贡献率结果表明，不施氮肥和氮肥减施均降低了茎秆和叶片的氮素再转运效率及其对子粒贡献率且与正常施肥差异显著。但是木醋液浸种可以显著提高80%N条件下茎秆和叶片的氮素再转运效率及其对子粒贡献率，并且与100%N水平没有显著差异，然而当施氮量为60%时，木醋精制液浸种处理的氮素再转运效率及其对子粒贡献率显著低于100%N和80%N+M，但是与80%N无显著差异(表3)。与80%N相比，80%N+M处理下茎秆的氮素再转运效率与对籽粒贡献率分别增加了22.3%和13.3%，叶片分别增加了7.6%和16.6%。

表3 木醋精制液浸种对营养体氮素再运转的影响Table 3 Effects of seed soaking in refined wood vinegar on nitrogen recirculation of nutrients

2.7 减氮条件下木醋精制液浸种对氮肥利用率的影响

氮肥利用率结果表示，减氮20%木醋精制液浸种处理(80%N+M)能显著提高氮肥利用率，然而当施氮量为60%时，木醋精制液浸种处理(60%N+M)的氮肥利用率较100%N和80%N+M增加但差异不显著(图5)。与80%N相比，80%N+M处理下氮肥利用率增加7.56%。

图5 木醋精制液浸种对玉米氮肥利用率的影响Fig.5 Effect of seed soaking in refined wood vinegar on nitrogen use efficiency of maize

3 讨论

利用化学方法对种子进行预处理，可提高其抗逆性和酶活性，促进根系生长，进而使作物的品质和产量得到提高[19]。木醋液是生物刺激素的一种, 含有大量含氧官能团、有机酸以及微量元素，在农业上的应用表明其对多种作物均有促生效果[20]。前期研究结果显示，木醋液稀释浸种可以显著促进玉米幼苗生长和养分吸收，并提高叶片光合作用[18]。本研究基于前期结果，通过大田试验进一步分析木醋液浸种对减氮条件下玉米产量的影响。结果表明，氮肥减施20%条件下使用木醋精制液浸种后，玉米植株生物量和子粒产量均显著高于80%N处理，且与100%条件下没有显著差异，表现出明显的减氮增效潜力，这一效果可能与木醋液中的成分对植株生长的刺激作用有关[21-23]。

玉米对氮素需求量大，充分的养分吸收和利用是作物高产稳产和改善子粒品质的关键[30-31]。化肥减施已成为国家行动，如何在减氮的条件下保证作物产量和品质是目前的研究热点。生物刺激素由于具有植物生长调节作用，在提高肥料利用率方面具有广阔应用前景[32]。 本研究表明，氮肥减施20%木醋液浸种处理(80%+M)的氮积累量与正常施肥(100%N)没有显著差异，且能显著提高玉米的氮肥利用率。目前对木醋液浸种效果的研究多集中在种子萌发和幼苗的生长上，缺乏对作物产量的调查和分析，这可能与大田试验周期长、投入大、实验繁琐有关。但从农业生产的角度出发，研究木醋液浸种对作物产量的影响十分必要。木醋液成分复杂，其中的酚类、酯类和乙酸与木醋液的抗氧化、抗菌和促进植物生长的特性有关[33-35]。此外，叶面喷施木醋液能显著影响植株的产量与形态，可能是植物根系受木醋液有关物质的刺激后能释放出改善根际土壤微环境的物质，提高根系在土壤中吸收养分的能力，促进了植株的生长与品质[36-37]。SIMMA等[38]通过两年的大田试验首次证明木醋液作为种子引发剂(浸种后再干燥)可以显著提高水稻穗数和子粒产量。这表明木醋液浸种后对作物的生长具有持续效应。其他植物生长调节剂浸种后对作物生长具有持续效应的研究也有报道。玉米种子经过赤霉素GA4+7引发后可提高玉米产量9.7%[39]。烯效唑浸种显著提高大豆产量和单株粒数以及荚果数[40]。这些研究表明，生物刺激素或植物生长调节剂浸种后对作物可能具有持续的后效，在农业上具有较大的应用潜力，但是作用机理并不清楚。本研究推测：在适宜的浓度下，供试木醋液通过酸类、酚类和酯类等化合物刺激玉米根系的生长，促进对养分的吸收，进而提高了根系对氮素的吸收效率。另外，木醋液中的小分子物质也可能作为信号分子进入植株体内调控相关的生理代谢过程。但是，由于木醋液的成分复杂，其作用机理需要从分子生物学的角度深入解析。

4 结论

本研究结果表明大田条件下，用木醋精制液稀释1 000倍浸种玉米种子，可以显著提高减氮20%条件下的玉米产量，并与100%N处理无显著差异；提高玉米叶片氮同化关键酶的活性，促进了玉米对氮的吸收和转运，同时使氮肥利用率提高了9.2%，实现减氮增效的肥料高效利用目标。