氮肥减施下添加硝化抑制剂对夏玉米灌浆期叶片生理特性的影响

张盼盼 李 川 张美微 赵 霞 黄 璐 刘京宝 乔江方

(河南省农业科学院粮食作物研究所，河南 郑州 450002)

氮是作物需求量最大的营养元素，施氮是提高粮食作物产量最直接简单的方法。我国耕地面积占世界的9%，氮肥施用量却占全球氮肥用量的30%，而氮肥利用率平均仅为30%左右，远低于世界平均水平[1-3]。过量施用氮肥造成了大量氮肥流失，氮肥利用率低，这不仅增加了农业生产成本，而且造成了土壤酸化、大气氮氧化物污染和温室效应、水体硝酸盐污染和富营养化等环境问题[4-6]。

土壤氮素去向包括植株利用、土壤残留和氮素损失，损失的主要途径包括氨挥发、硝态氮淋溶、反硝化损失和其他表观损失[7-8]。土壤氮素的主要淋溶形态是硝态氮[9-10]。在北方旱作下，施入土壤中的铵态氮和酰胺态氮肥首先转化为硝态氮，氮肥施入过量后，土壤中累积的氮素多以硝态氮形式存在，过多的硝态氮很容易形成淋溶损失[11-12]。而硝化抑制剂可以抑制铵态氮向硝态氮的转化，通过抑制氨氧化细菌和亚硝酸氧化细菌活性，延长土壤中铵态氮的存留时间，进而减少硝态氮的淋溶及进一步的反硝化损失，提高氮肥利用率[13-14]。研究发现，与单施尿素相比，减氮20%并添加硝化抑制剂双氰胺后，玉米籽粒产量未显著降低，氮肥生理利用率提高，农业源温室气体年累积排放量显著降低[15]。盆栽试验表明，施用硫酸铵肥料并添加硝化抑制剂后，土壤中铵态氮含量提高1.4～2.0倍，土壤表观硝化率降低55.3%～59.8%，硝酸盐的淋溶损失显著降低[16]。赵自超等[17]发现，与尿素处理相比，尿素中添加硝化抑制剂能够提高夏玉米产量，降低净温室气体排放。

玉米是需氮量较高的一种粮食作物。目前玉米生产上存在施氮量过多的现象，氮肥减施下添加硝化抑制剂能够显著减少氮素损失，提高氮肥利用率[18]。前人关于氮肥减施下硝化抑制剂施用的研究，大多集中于对土壤硝态氮含量、玉米植株生物量和氮素含量及氮肥利用率的影响，而对灌浆期叶片生理特性的影响尚不清楚。为此，本研究采用大田试验，设置正常施氮和氮肥减施添加硝化抑制剂处理，研究不同处理下籽粒产量和氮效率的变化，从植株灌浆期穗位叶的叶绿素含量、荧光特性和氮素代谢关键酶活性的生理角度，探讨氮肥减施下添加硝化抑制剂对玉米灌浆期氮素代谢的影响，以期为硝化抑制剂在玉米生产上的推广应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

大田试验在河南省原阳县河南省农业科学院现代农业科技示范基地(35°0′17″N，113°42′4″E)开展，供试土壤为黄褐土，在玉米播种前，按“S”五点取样法取0～30 cm的土壤基础样品，混合均匀后测定基本化学性质：全氮0.42 g·kg-1，碱解氮55.3 mg·kg-1，速效磷69.6 mg·kg-1，速效钾175.2 mg·kg-1，有机质24.0 g·kg-1， pH值8.4。试验时间为2019年6月12日—10月2日。

1.2 试验设计

试验采用随机区组设计，共7个处理：正常施氮量，氮肥减施10%+硝化抑制剂，氮肥减施10%，氮肥减施20%+硝化抑制剂，氮肥减施20%，氮肥减施30%+硝化抑制剂，氮肥减施30%，分别设定为T1、T2、T3、T4、T5、T6和T7。每个处理3次重复，8行区，行长5 m，行间距0.6 m，种植密度75 000株·hm-2，供试品种为郑单958(河南省农业科学院粮食作物研究所选育，2000年审定)。

正常氮处理施氮量为农民习惯施肥用量225 kg N·hm-2， 氮肥减施10%、20%和30%处理的氮肥施用量分别为202.5、180和157.5 kg N·hm-2。肥料分别以尿素(46%)、过磷酸钙(约12%)、氯化钾(约60%)为氮、磷、钾源肥料，尿素按照2∶1分基施和大喇叭口期追施两次施用，磷、钾肥全部基施(施肥量均为100 kg·hm-2)。 硝化抑制剂主要成分为2-氯-6-三氯甲基吡啶，含量为44%，施用量为22.5 kg·hm-2。尿素基施时，硝化抑制剂与之充分混匀后共同施入。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 氮含量 在玉米成熟期，每小区取3株长势一致的有代表性植株，取地上部样品，杀青后烘至恒重，称重，粉碎后装入自封袋中，室内采用凯氏定氮法测定氮含量。

1.3.2 穗位叶SPAD和荧光参数 在吐丝期及吐丝后10、20、30、40 d和成熟期，于每小区选取连续5株长势一致的有代表性植株，利用SPAD-502 Plus叶绿素测量仪(KONICΛ MINOLTΛ，上海)和Pocket PEA荧光仪(Hansatech，香港)分别测定穗位叶的相对叶绿素值(soil and plant analyzer development,SPAD)和荧光特性。

1.3.3 穗位叶硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶活性 在吐丝期及吐丝后10、20、30、40 d和成熟期，于每小区选取连续3株长势一致的有代表性植株，取穗位叶相同光合作用部分，置于液氮中带回室内，按照叶利庭等[19]的方法测定硝酸还原酶(nitrate reductase，NR)和谷氨酰胺合成酶(glutamine synthetase，GS)活性。

1.3.4 籽粒产量 在玉米成熟期，对每小区中间两行全部收获，随机选取15个果穗进行考种，晒干脱粒，测定含水量和籽粒质量，并折合含水率(14%)计算产量。

1.4 数据处理

氮吸收效率=植株氮吸收量/氮素供应量

氮利用效率=籽粒产量/植株氮吸收量

氮效率=氮吸收效率×氮利用效率=籽粒产量/氮素供应量

试验数据采用Excel 2010 和SPSS 22软件进行统计与分析，用最小显著差异法(least significance difference test,LSD)和Duncan法进行方差分析和多重比较(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同处理对玉米产量及其构成因素的影响

由表1可知，各处理下收获穗数无显著差异，穗行数除T6和T7稍低外，各处理间差异不明显，行粒数以T4和T2较高，平均为35.1，而T5最低，为30.2，各处理的千粒重在统计上无显著差异。产量以T4最高，为11.59 t·hm-2，T1和T2与之差异不显著，T6和T7的产量较低，平均为9.33 t·hm-2。

2.2 不同处理下玉米氮效率分析

由表2可知，植株的氮效率平均为34.03 kg·kg-1， 氮吸收效率为0.59 kg·kg-1，氮利用效率为57.92 kg·kg-1。氮效率在各处理下的表现不一致，以T7、T6和T5较高，平均为39.76 kg·kg-1，均显著高于T2、T3和T1。氮吸收效率以T7和T4较高，平均为0.71 kg·kg-1，其次是T5，为0.60 kg·kg-1，T1最低，仅为0.47 kg·kg-1。T6的氮利用效率最高,为72.23 kg·kg-1， 较T1、T2和T3平均提高40.16%。

表1 不同处理下玉米产量及其构成因素变化Table 1 Variation of yield and its components in the different treatments

图1 不同处理下植株灌浆期穗位叶SPAD变化Fig.1 Variation of spike leaf SPAD in the grain filling stage in the different treatments

表2 不同处理下玉米的氮效率变化Table 2 Variation of nitrogen efficiency in the different treatments /(kg·kg-1)

2.3 不同处理对玉米植株灌浆期穗位叶SPAD值的影响

由图1可知，玉米植株灌浆期穗位叶SPAD值在灌浆前期较高，吐丝后20 d开始下降，至成熟期降至42.39。各处理下SPAD值表现不一致，在吐丝期，T1的SPAD值最高，为62.10，T6和T7较低，平均为59.19。吐丝后10 d，T4的SPAD值最高，为67.00，其次是T3。吐丝后30 d至成熟期，T4的SPAD值均表现出明显优势，T6和T7的SPAD值较低。

2.4 不同处理对玉米植株灌浆期穗位叶荧光特性的影响

玉米植株穗位叶荧光指标的变化如表3所示。结果表明，各处理初始荧光Fo吐丝期平均为38.09，灌浆后期(吐丝后30 d至成熟期)有增加趋势，各处理表现不一致，总体来看，以T7较高，其次是T6。吐丝期最大荧光Fm平均为149.99，之后呈现先增后降的趋势，吐丝期以T4和T2最高，其次是T1和T3，吐丝后10和20 d，均以T3表现最低，成熟期各处理间差异不显著。吐丝期最大光化学效率Fv/Fm平均为0.77，成熟期降至0.63，吐丝后20 d，T7最低，仅为0.67，成熟期各处理间无显著差异。吐丝期PSⅡ综合性能指数PI平均为5.23，随时间推进逐渐下降，成熟期降至2.21，吐丝期及其后30 d内T4优势明显，T1和T5显著高于T3和T6处理。

表3 不同处理对灌浆期穗位叶荧光参数的影响Table 3 Effect of different treatments on the fluorescence characteristics of spike leaf in the grain filling stage

2.5 不同处理对玉米植株灌浆期穗位叶氮素代谢关键酶活性的影响

玉米植株灌浆期穗位叶中NR活性的变化如图2所示。吐丝期穗位叶NR活性平均约为37.97 U·L-1，之后先降后增，吐丝20 d后逐渐降低，至成熟期平均为21.89 U·L-1。具体来说，整个灌浆期均以T4穗位叶NR活性最高，吐丝期T1、T2、T3和T5间差异不明显，但均高于T7和T6。吐丝后10 d表现出同样趋势。吐丝后20 d穗位叶NR活性在T1和T2下平均约为70.31 U·L-1，高出T7约21.94%。吐丝后30和40 d，T6和T7均明显较低。吐丝期至成熟期，均以T4处理表现最高。

图2 不同处理下植株灌浆期穗位叶NR活性变化Fig.2 Variation of spike leaf NR activity in the grain filling stage in the different treatments

植株穗位叶GS活性在灌浆期各处理下的表现不一致(图3)。吐丝期穗位叶GS活性平均为32.19 U·L-1， 之后在吐丝后20 d出现小高峰，随后逐渐下降，成熟期GS活性平均为21.89 U·L-1。吐丝期以T1、T4和T2下GS活性最高，较T7平均提高34.32%。吐丝后10 d至成熟期，T4下GS活性均表现出明显的优势，而T7最低。除此以外，吐丝后10 d，T1>T2、T3、T5和T6，之后T1、T2和T3均高于T5和T6。

图3 不同处理下植株灌浆期穗位叶GS活性变化Fig.3 Variation of spike leaf GS activity in the grain filling stage in the different treatments

3 讨论

硝化抑制剂能够抑制土壤中亚硝化细菌等微生物的生理活性，从而介导氮素在土壤中的转化过程，减少氮素的硝化和反硝化损失，提高氮素利用效率[20-23]。因此，在氮肥减施下，添加硝化抑制剂对玉米的高产稳产有着重要作用。吴得峰等[24]发现，氮肥减施20%添加硝化抑制剂双氰胺条件下，玉米减产不明显，土壤剖面硝态氮的残留量和农业源温室气体排放量均明显降低，氮素利用效率和种植效益显著提高。春玉米和甜玉米上均有类似结果[25-28]。本研究中，在氮肥减施20%和10%时添加硝化抑制剂2-氯-6-三氯甲基吡啶，玉米籽粒产量均达到正常施氮水平，氮肥减施添加硝化抑制剂处理通过增加穗粒数促进籽粒高产(表1)，与前人的研究结果基本一致[18]。推测是由于氮肥添加硝化抑制剂后，土壤中氮素利用时效得以延长，在玉米生长后期能够提供较多的氮素供给籽粒灌浆，增加籽粒形成所需的有机物质供应，减少了空瘪粒数，使穗粒数明显高于未添加硝化抑制剂处理。因此，在本研究条件下，氮肥减施后添加2-氯-6-三氯甲基吡啶，能够维持玉米籽粒产量，同时节约生产成本，减少对生态环境的威胁，进而促进玉米高产、高效生产。

氮肥添加硝化抑制剂后对玉米的生长生理有较大的影响。硫酸铵添加硝化抑制剂后，玉米不同生育时期的表观硝化率显著降低，叶片叶绿素SPAD值明显提高，氮素籽粒生产效率和收获指数也显著增加[16,29]。尿素配施含有硝化抑制剂的氮肥增效剂后，叶片NR活性、GS活性和光合速率显著提高，籽粒产量明显增加，作物品质也得以改善[30]，王彬等[31]得到了类似结果。本研究也发现，与正常氮和其他氮肥减施添加硝化抑制剂处理相比，减氮20%配施硝化抑制剂能提高玉米灌浆期穗位叶SPAD值，提高吐丝期最大荧光和PSⅡ综合性能指数等荧光指标，增强叶片氮素代谢关键酶NR 和GS活性(图1～3、表3)。这可能是因为，氮肥减施20%配施硝化抑制剂时，氮素缓慢释放，氮素供应与植株生长需求保持一致，在籽粒灌浆期间穗位叶SPAD值提高，进而能够维持较高的光合效率，增强氮素生理代谢，更好地协调氮代谢和碳代谢之间的关系，从而增加玉米籽粒产量。氮肥减施添加硝化抑制剂下玉米叶片碳氮转运的分子机制，仍需进一步深入研究。

4 结论

本研究结果表明，在黄淮海夏玉米生产区，与正常施氮量和减氮处理相比，在氮肥减施20%时添加硝化抑制剂能够提高灌浆期穗位叶SPAD值和荧光特性，增强氮素代谢关键酶活性，增加籽粒产量和氮效率。因此，在玉米生产上，采用氮肥减施20%添加硝化抑制剂能减少生产投入，达到玉米节本增产的目的。