聚天門冬氨酸螯合氮肥減量基施對東北春玉米的增效機制

唐會會 許艷麗 王慶燕 馬正波 李光彥 董 會 董志強

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聚天門冬氨酸螯合氮肥減量基施對東北春玉米的增效機制

唐會會 許艷麗 王慶燕 馬正波 李光彥 董 會 董志強*

中國農業(yè)科學院作物科學研究所/ 農業(yè)部作物生理生態(tài)與栽培重點開放實驗室, 北京 100081

2016年和2017年在中國農業(yè)科學院作物科學研究所吉林公主嶺試驗站(43o29￠55￠￠N, 124o48￠43￠￠E), 以中單909為材料, 設置常規(guī)氮素(CN)和PASP螯合氮素(PASP-N)的不同施肥量全基施處理, 探討東北春玉米PASP螯合氮素減量全基施的增效機制。結果表明, 相比CN, PASP-N在總施氮量減少1/3的條件下, 玉米增產0.9%~3.0%, 穗長增加0.5%~2.9%, 灌漿中期葉面積指數(shù)增大18.5%~22.3%, 禿尖長降低13.8%~46.7%, 株高及穗位高分別降低1.5%~2.5%和0.7%~8.4%。PASP-N處理下, 花期玉米功能葉硝酸還原酶(NR)活性降低1.4%~19.8%, 花后30 d穗位葉谷氨酰胺合成酶(GS)活性提高18.5%~33.1%, 花后20 d穗位葉谷草轉氨酶(GOT)活性增高0.8%~6.4%。多項式曲線模擬結果表明, PASP-N和CN處理全基施最佳氮用量分別為185.3 kg hm–2和219.1 kg hm–2, PASP-N比CN少施氮肥33.8 kg hm–2, PASP-N產量比CN高108.9 kg hm–2。氮肥偏生產力、氮肥農學效率、氮肥表觀利用率和氮肥生理效率分別比常規(guī)氮素處理增加51.3%~54.4%、2.9%~104.2%、28.9%~126.6%和48.0%~405.2%。因此, PASP螯合氮肥能促進東北春玉米籽粒灌漿中后期氮素代謝, 提高玉米氮肥利用效率。

PASP; 春玉米; 減氮; 氮肥利用率; 全基施

在保障國家糧食安全中, 化肥起著不可替代的作用, 對我國糧食單產增長的貢獻率高達40%~ 50%[1]。但是, 大量的化肥投入在保障玉米高產穩(wěn)產的同時, 也導致了嚴重的生態(tài)環(huán)境問題, 比如提高了耕地土壤、地下水與地表水體的富營養(yǎng)化程度, 加劇了農田面源污染[2]。我國玉米生產中, 基施部分氮肥和全部磷肥、鉀肥, 配合拔節(jié)期和灌漿期追施氮肥, 是獲得高產的慣用施肥方法。但在玉米生育中后期追施氮肥工作量較大, 實際可操作性差, 而將氮肥全基施又容易造成氮素大量流失, 引起玉米后期早衰減產。因此, 研究新型綠色適宜全基施的肥料對保障玉米高產穩(wěn)產和簡化玉米施肥技術具有重要意義。已有研究表明, 通過少量多次追施氮肥與多層施氮[3-13]、施用添加脲酶抑制劑和硝化抑制劑等助劑的緩控釋肥料[14-23], 可有效提高作物氮素利用率, 但由于生產成本高、環(huán)境適應性差和環(huán)境污染等問題, 在推廣應用中存在一定局限性。聚天門冬氨酸(polyaspartic acid, PASP)是天然存在于軟體及蝸牛類殼內的一種氨基酸聚合物, 在環(huán)境中極易降解為二氧化碳和水[24]。PASP本身具有極強的鰲合、分散、吸附作用, 分子中的羥基和羧基, 能螯合金屬離子, 富集N、P、K及微量元素供給植物, 提高作物對氮、磷、鉀的利用率[25]。PASP能使尿素養(yǎng)分持效期延長[26]、改善土粒結構[27]、富集磷素[28]、能促進植株氮磷鉀的吸收[29]、提高土壤全氮、速效磷和速效鉀含量[30], 促進作物增產[28-29,31-32]。這些報道多以水培和盆栽試驗研究PASP對作物生物量、產量和氮肥利用率的影響。以PASP螯合氮素減量全基施對作物氮素生理代謝的影響及其作用機制方面的研究較少。本研究基于大田試驗, 設置不同施氮量處理, 研究氮肥全基施條件下PASP對春玉米氮素利用的調控效應, 以期揭示PASP對春玉米氮素利用的調控機制, 為建立東北春玉米減氮高效生產技術提供理論和技術依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

中國農業(yè)科學院吉林省公主嶺試驗站(43o29￠55￠￠N, 124o48￠43￠￠E), 土壤為黑土, 耕層土壤(0~20 cm)含有機質26.7 g kg–1、全氮1.4 g kg–1、速效氮155.3 mg kg–1、速效磷34.4 mg kg–1、速效鉀184.2 mg kg–1, pH 5.8。

1.2 試驗材料與設計

以玉米(L.)雜交種中單909 (中國農業(yè)科學院作物科學研究所選育)為材料, 設置常規(guī)氮肥(CN)和聚天門冬氨酸螯合氮肥(PASP-N)兩種氮肥的處理(表1)。CN為尿素, PASP-N為尿素混拌0.3%的聚天門冬氨酸; 均在春玉米播種前一次性基施。磷肥和鉀肥施肥量分別為P2O575kg hm–2和 K2O 117 kg hm–2。采用隨機區(qū)組設計, 3次重復, 小區(qū)長6.0 m, 寬4.8 m, 玉米留苗密度為75,000株hm–2, 60 cm等行距播種。田間除草、植保等管理同當?shù)卮筇锷a。2016年4月30日播種, 5月14日出苗, 9月29日收獲; 2017年4月27日播種, 5月21日出苗, 9月27日收獲。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 產量及產量構成因素 玉米成熟后, 在小區(qū)中部選取10 m2測產稱重, 選取20個平均穗調查穗部性狀(穗長、禿尖長、穗粗、穗粒數(shù)和千粒重), 測定出籽率和含水率, 并折算產量(按14%含水量計)。

1.3.2 葉面積指數(shù) 在拔節(jié)(V6)、大口(V12)、開花吐絲期(VT)、花后15 d (VT+15)、花后30 d (VT+30)、花后45 d (VT+45)和收獲期(R6)選取有代表性的植株3株, 測量每株的株高和穗位高(花期開始測量穗位)及每片葉的長度和寬度。采用長寬系數(shù)法(0.75)計算葉面積指數(shù), 葉面積指數(shù)(LAI)=該土地面積上的總綠葉面積/土地面積。

表1 聚天門冬氨酸螯合氮肥(PASP-N)處理和常規(guī)氮肥(CN)處理的施氮量

1.3.3 地上部分干物質積累量 在開花吐絲期和收獲期選取有代表性的植株3株, 按部位(葉片、葉鞘、莖稈、苞葉、籽粒、穗軸)分開, 于105℃殺青30 min后85℃烘干至恒重, 稱量并粉碎以測定不同器官養(yǎng)分含量。

1.3.3 植株氮素含量及氮肥利用效率 利用VELP-UDK169型凱氏定氮儀測定植株不同部位氮素含量。按文獻[33-34]計算如下參數(shù)。

氮積累量(kg hm–2) = 植株含氮量(%)×單株干重×小區(qū)密度

氮肥偏生產力(partial factor productivity from applied N, PFP, kg kg–1) = 施肥區(qū)玉米產量/施氮量

氮肥農學效率(agronomic efficiency of applied N, AE, kg kg–1) = (施肥區(qū)玉米產量－對照區(qū)玉米產量)/施氮量

氮肥表觀利用率(recovery efficiency of applied N, N%) = (施氮區(qū)玉米地上部吸氮量－對照區(qū)玉米地上部吸氮量)/施氮量×100

氮肥生理利用率(physiological efficiency of applied N, PEN kg kg–1) = (施肥區(qū)玉米產量－未施肥區(qū)玉米產量)/(施肥區(qū)地上部的吸氮量－未施肥區(qū)地上部的吸氮量)

1.3.4 葉綠素相對含量(SPAD值) 在拔節(jié)期(V6)、大口期(V12)、開花期(VT)、花后10 d (VT+10)、花后20 d (VT+20)、花后30 d (VT+30)和花后40 d(VT+40)用日本美能達公司產手持式SPAD-502型葉綠素計測定穗位葉葉綠素相對含量(SPAD值)。

1.3.5 氮代謝相關酶活性測定 自開花期取至花后40 d, 每間隔10 d取一次穗位葉, 測定硝酸還原酶(NR), 谷氨酰胺合成酶(GS), 谷草轉氨酶(GOT)和谷丙轉氨酶(GPT)的活性。參考李合生[35]的磺胺比色法測定硝酸還原酶(NR)活性; 參照鄒琦[36]的方法測定谷氨酰胺合成酶(GS)活性, 以540 nm處吸光度的上升值間接表示酶活性。參考吳良歡等[37]的方法測定谷草轉氨酶(GOT)和谷丙轉氨酶(GPT)活性。

1.4 試驗數(shù)據處理

采用Microsoft Excel 2007整理計算數(shù)據及作圖, 用SAS 9.2統(tǒng)計分析, 以LSD (<0.05)檢驗平均數(shù)間差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 產量及產量構成因素

2.1.1 產量 如圖1-A所示, 2016年CN和PASP- N處理玉米籽粒產量均隨氮肥施用量的增加而降低, 除CN3處理外, CN和PASP-N處理籽粒產量顯著高于對照處理(以下簡稱CK)。相比CK, PASP-N處理增產2.1%~12.1%, CN處理增產6.1%~8.6%; 相比CN處理, PASP-N1和PASP-N3處理在氮肥減施1/3時增產3.1%~3.2%。

如圖1-B所示, 2017年產量變化趨勢與2016年略有差異, 隨肥料施用量的增加呈先增加后降低的趨勢, 而CN和PASP-N處理均顯著大于CK, 整體來看, PASP-N處理增產8.2%~15%, CN處理增產7.3%~12.5%。與CN相比, PASP-N處理在氮肥減施1/3時增產0.9%~3.0%。

圖1 CN與PASP-N處理不同施肥量對玉米產量的影響

A: 2016年產量; B: 2017年產量。CK: 對照; CN: 常規(guī)肥; PASP-N: PASP螯合氮肥; CN1、CN2和CN3分別代表施氮量為112.5 kg hm–2、225.0 kg hm–2和337.5 kg hm–2; PASP-N1、PASP-N2和PASP-N3分別代表施氮量為75.0 kg hm–2、150.0 kg hm–2和225.0 kg hm–2。圖中標以不同小寫字母的柱值在0.05水平上差異顯著。

A: yield in 2016; B: yield in 2017. CK: control; CN: conventional N fertilizer; PASP-N: N fertilizer coupled with PASP; CN1, CN2, and CN3 denote the N application rate of 112.5 kg hm–2, 225.0 kg hm–2and 337.5 kg hm–2respectively; PASP-N1, PASP-N2, and PASP-N3 denote the N application rate of 75.0 kg hm–2, 150.0 kg hm–2, and 225.0 kg hm–2, respectively. Value within a column yellowed by different letters are significantly different at< 0.05.

2.1.2 產量曲線擬合 CN和PASP-N施氮水平與玉米產量均呈二次曲線關系, 曲線方程分別為=-0.02672+11.698+10798 (2=0.51,<0.05)和=-0.4262+15.785+10726 (2=0.55,<0.0001)。兩者分別在施氮量219.1 kg hm–2和185.3 kg hm–2時達到最高產量12,079.3 kg hm–2和12,188.2 kg hm–2, PASP-N比CN高108.9 kg hm–2, 且比CN少施氮肥33.8 kg hm–2; 2條曲線在點(238.0, 12,069.7)處交匯; 即CN和PASP-N施氮量介于0~238.0 kg hm–2時, 獲得相同產量(圖2)。

2.1.3 產量構成因素 如表2所示, 與CK比較, CN和PASP-N處理穗長增加2.7%~3.8%, 禿尖縮短7.6%~51.9%, 穗粗增加5.6%~8.3%, 穗粒數(shù)增加7.0%~10.9%; 相比CN, PASP-N處理穗長增加0.5%~2.9%, 禿尖長縮短13.8%~46.7%。

2.2 地上部分干物質積累量

如表3所示, CN和PASP-N處理的地上部分干物質積累量顯著大于對照(CK)。相比CK處理, CN和PASP-N處理花前干物質積累分別增加31.9%~44.6%和16.4%~25.9%, 花后干物質積累分別增加22.4%~101.9%和15.5%%~39.3%。PASP-N1和PASP- N2處理的花前干物質積累顯著低于CN1和CN2, 而花后干物質積累與CN1和CN2差異不顯著。PASP-N1和PASP-N3處理的收獲指數(shù)比CN1、CN3高3.7%~6.0%, 但PASP-N2處理與CN2差異不顯著。

圖2 CN和PASP-N處理施氮量與玉米產量曲線擬合圖

CK: 對照; CN: 常規(guī)肥; PASP-N: PASP螯合氮肥。

CK: control; CN: conventional N fertilizer; PASP-N: N fertilizer coupled with PASP.

表2 CN與PASP-N不同施肥量對玉米產量構成因素的影響

CK: 對照; CN: 常規(guī)肥; PASP-N: PASP螯合氮肥; CN1、CN2和CN3分別代表施氮量為112.5 kg hm–2、225.0 kg hm–2和337.5 kg hm–2; PASP-N1、PASP-N2和PASP-N3分別代表施氮量為75.0 kg hm–2、150.0 kg hm–2和225.0 kg hm–2。標以不同小寫字母的值0.05水平上差異顯著。

CK: control; CN: conventional N fertilizer; PASP-N: N fertilizer coupled with PASP; CN1, CN2, and CN3 denote the N application rate of 112.5 kg hm–2, 225.0 kg hm–2, and 337.5 kg hm–2respectively; PASP-N1, PASP-N2, and PASP-N3 denote the N application rate of 75.0 kg hm–2, 150.0 kg hm–2, and 225.0 kg hm–2, respectively. Value within a column yellowed by different letters are significantly different at< 0.05.

表3 CN與PASP-N處理不同施肥量對玉米干物質積累的影響

CK: 對照; CN: 常規(guī)肥; PASP-N: PASP螯合氮肥; CN1、CN2和CN3分別代表施氮量為112.5 kg hm–2、225.0 kg hm–2和337.5 kg hm–2; PASP-N1、PASP-N2和PASP-N3分別代表施氮量為75.0 kg hm–2、150.0 kg hm–2和225.0 kg hm–2。標以不同小寫字母的值0.05水平上差異顯著。

CK: control; CN: conventional N fertilizer; PASP-N: N fertilizer coupled with PASP; CN1, CN2, and CN3 denote the N application rate of 112.5 kg hm–2, 225.0 kg hm–2and 337.5 kg hm–2, respectively; PASP-N1, PASP-N2, and PASP-N3 denote the N application rate of 75.0 kg hm–2, 150.0 kg hm–2, and 225.0 kg hm–2, respectively. Value within a column yellowed by different letters are significantly different at< 0.05.

2.3 形態(tài)指標

2.3.1 葉面積指數(shù)(LAI) 如圖3所示, CN和PASP-N處理的玉米葉面積指數(shù)(LAI)顯著大于對照(CK), 在收獲期, CN和PASP-N處理玉米群體葉面積指數(shù)分別比CK增加44.8%~246.7%和36.5%~ 190.0%。拔節(jié)期至大口期, PASP-N和CN處理LAI差異不顯著, 在開花期和花后15 d, CN1和CN2處理LAI大于PASP-N1和PASP-N2處理, 而在花后30 d至成熟期, PASP-N1和PASP-N2處理LAI大于CN1和CN2處理, 在花后45 d PASP-N1、PASP-N2處理比CN1和CN2高18.5%~22.3%。

2.3.2 株高及穗位 如圖4, CN和PASP-N處理的株高顯著高于CK, 與CN相比, PASP-N處理玉米株高及穗位高平均分別降低1.5%~2.5%和0.7%~ 8.4%; 而與CK相比, 株高增加2.8%~5.6%, 穗位高差異不顯著。

2.4 葉片SPAD值

圖5表明, CN和PASP-N處理的葉綠素相對含量均高于CK, 在大口期, 分別比CK高21.2%~ 30.9%和17.1%~25.7%。PASP-N1處理各生育時期SPAD值高于CN1處理, PASP-N3處理在灌漿后期(VT+40) SPAD值高于CN3處理; 花期PASP-N1處理SPAD值比CN1高8.0%, PASP-N2與CN2處理無顯著差異, PASP-N3比CN3低9.1%。

圖3 CN與PASP-N處理不同施肥量對玉米葉面積指數(shù)的影響

CK: 對照; CN: 常規(guī)肥; PASP-N: PASP螯合氮肥; CN1、CN2和CN3分別代表施氮量為112.5 kg hm–2、225.0 kg hm–2和337.5 kg hm–2; PASP-N1、PASP-N2和PASP-N3分別代表施氮量為75.0 kg hm–2、150.0 kg hm–2和225.0 kg hm–2; V6: 拔節(jié)期; V12; 大口期; VT: 花期; VT+15: 花后15 d; VT+30: 花后30 d; VT+45: 花后45 d; R6: 收獲期。

CK: control; CN: conventional N fertilizer; PASP-N: N fertilizer coupled with PASP; CN1, CN2, and CN3 denote the N application rate of 112.5 kg hm–2, 225.0 kg hm–2, and 337.5 kg hm–2respectively; PASP-N1, PASP-N2, and PASP-N3 denote the N application rate of 75.0 kg hm–2, 150.0 kg hm–2, and 225.0 kg hm–2, respectively; V6: elongation period; V12: flare opening period; VT: anthesis; VT+15: 15 days after anthesis; VT+30: 30 days after anthesis; VT+45: 45 days after anthesis; R6: harvest period.

圖4 CN與PASP-N處理不同施肥量對玉米株高及穗位的影響

CK: 對照; CN: 常規(guī)肥; PASP-N: PASP螯合氮肥; CN1、CN2和CN3分別代表施氮量為112.5 kg hm–2、225.0 kg hm–2和337.5 kg hm–2; PASP-N1、PASP-N2和PASP-N3分別代表施氮量為75.0 kg hm–2、150.0 kg hm–2和225.0 kg hm–2。圖中標以不同小寫字母的柱值在0.05水平上差異顯著。

CK: control; CN: conventional N fertilizer; PASP-N: N fertilizer coupled with PASP; CN1, CN2, and CN3 denote the N application rate of 112.5 kg hm–2, 225.0 kg hm–2, and 337.5 kg hm–2, respectively; PASP-N1, PASP-N2, and PASP-N3 denote the N application rate of 75.0 kg hm–2, 150.0 kg hm–2, and 225.0 kg hm–2respectively. Value within a column yellowed by different letters are significantly different at< 0.05.

2.5 穗位葉生理活性

2.5.1 硝酸還原酶(NR) 在開花期, CN和PASP- N處理的葉片NR活性分別比CK低7.9%~27.4%和29.0%~29.2%, 而在花期和花后10 d , 分別高1.4%~ 19.8%和4.0%~49.5%。在花后30 d , PASP-N1處理的葉片NR活性顯著低于CN1; 花后20 d和40 d各處理間差異不顯著(表6)。

2.5.2 谷氨酰胺合成酶(GS) GS活性如圖7所示, CN1和CN3處理在花期至花后40 d呈增加趨勢, CN2和PASP-N處理呈先增加后降低的趨勢, 其中花后30 d最高; 花期PASP-N和CN各處理間差異不顯著; 灌漿初期(花后10 d和20 d) CK顯著高于CN和PASP-N處理, 灌漿中期(花后30 d及40 d)顯著低于CN和PASP-N處理, 花后30 d PASP-N處理比CN高18.5%~33.1%。

2.5.3 谷丙轉氨酶(GPT) 如圖8所示, 花期至花后40 d, 各處理GPT酶活性變化呈先增加后降低趨勢, 其中CN和PASP-N處理在花后10 d和20 d均顯著大于CK, 花后20 d分別比CK高74.5%~92.3%和39.2%~99.0%; 花后10 d和20 d PASP-N1處理分別比CN處理低17.4%和30.2%。

2.5.4 谷草轉氨酶(GOT) 如圖9所示, CN和PASP-N處理下, 在花后10 d GOT活性達到最大值, 而CK處理處于低谷。在花期、花后10 d至花后40 d, PASP-N處理下GOT活性比CN處理高0.8%~ 6.4%。

2.6 氮肥利用效率

如表4所示, CN和PASP-N處理隨施肥量增加, 氮肥偏生產力和氮肥表觀利用率呈降低趨勢; PASP- N處理的氮肥偏生產力、氮肥農學效率、氮肥表觀利用率和氮肥生理效率均顯著大于CN, 分別比CN高51.3%~54.4%、2.9%~104.2%、28.9%~126.6%和48.0%~405.2%。

圖5 CN與PASP-N處理不同施肥量對玉米SPAD值的影響

CK: 對照; CN: 常規(guī)肥; PASP-N: PASP螯合氮肥; CN1、CN2和CN3分別代表施氮量為112.5 kg hm–2、225.0 kg hm–2和337.5 kg hm–2; PASP-N1、PASP-N2和PASP-N3分別代表施氮量為75.0 kg hm–2、150.0 kg hm–2和225.0 kg hm–2; V6: 拔節(jié)期; V12; 大口期; VT: 花期; VT+10: 花后10 d; VT+20: 花后20 d; VT+30: 花后30 d; VT+40: 花后40 d。

CK: control; CN: conventional N fertilizer; PASP-N: N fertilizer coupled with PASP; CN1, CN2, and CN3 denote the N application rate of 112.5 kg hm–2, 225.0 kg hm–2, and 337.5 kg hm–2respectively; PASP-N1, PASP-N2, and PASP-N3 denote the N application rate of 75.0 kg hm–2, 150.0 kg hm–2, and 225.0 kg hm–2, respectively; V6: elongation period; V12: flare opening period; VT: anthesis; VT+10: 10 days after anthesis; VT+20: 20 days after anthesis; VT+30: 30 days after anthesis; VT+40: 40 days after anthesis.

圖6 CN與PASP-N處理不同施肥量對玉米硝酸還原酶活性的影響

CK: 對照; CN: 常規(guī)肥; PASP-N: PASP螯合氮肥; CN1、CN2和CN3分別代表施氮量為112.5 kg hm–2、225.0 kg hm–2和337.5 kg hm–2; PASP-N1、PASP-N2和PASP-N3分別代表施氮量為75.0 kg hm–2、150.0 kg hm–2和225.0 kg hm–2; VT: 花期; VT+10: 花后10 d; VT+20: 花后20 d; VT+30: 花后30 d; VT+40: 花后40 d。

CK: control; CN: conventional N fertilizer; PASP-N: N fertilizer coupled with PASP; CN1, CN2 and CN3 denote the N application rate of 112.5 kg hm–2, 225.0 kg hm–2, and 337.5 kg hm–2, respectively; PASP-N1, PASP-N2, and PASP-N3 denote the N application rate of 75.0 kg hm–2, 150.0 kg hm–2, and 225.0 kg hm–2, respectively; VT: anthesis; VT+10: 10 days after anthesis; VT+20: 20 days after anthesis; VT+30: 30 days after anthesis; VT+40: 40 days after anthesis.

圖7 CN與PASP-N處理施肥量對玉米谷氨酰胺合成酶活性的影響

CK: 對照; CN: 常規(guī)肥; PASP-N: PASP螯合氮肥; CN1、CN2和CN3分別代表施氮量為112.5 kg hm–2、225.0 kg hm–2和337.5 kg hm–2; PASP-N1、PASP-N2和PASP-N3分別代表施氮量為75.0 kg hm–2、150.0 kg hm–2和225.0 kg hm–2; VT: 花期; VT+10: 花后10 d; VT+20: 花后20 d; VT+30: 花后30 d; VT+40: 花后40 d。

CK: control; CN: conventional N fertilizer; PASP-N: N fertilizer coupled with PASP; CN1, CN2, and CN3 denote the N application rate of 112.5 kg hm–2, 225.0 kg hm–2, and 337.5 kg hm–2, respectively; PASP-N1, PASP-N2, and PASP-N3 denote the N application rate of 75.0 kg hm–2, 150.0 kg hm–2, and 225.0 kg hm–2, respectively; VT: anthesis; VT+10: 10 days after anthesis; VT+20: 20 days after anthesis; VT+30: 30 days after anthesis; VT+40: 40 days after anthesis.

表4 CN與PASP-N處理不同施肥量對玉米氮素利用效率的影響

CN: 常規(guī)肥; PASP-N: PASP螯合氮肥; CN1、CN2和CN3分別代表施氮量為112.5 kg hm–2、225.0 kg hm–2和337.5 kg hm–2; PASP-N1、PASP-N2和PASP-N3分別代表施氮量為75.0 kg hm–2、150.0 kg hm–2和225.0 kg hm–2。圖中標以不同小寫字母的值在0.05水平上差異顯著。

CN: conventional N fertilizer; PASP-N: N fertilizer coupled with PASP; CN1, CN2, and CN3 denote the N application rate of 112.5 kg hm–2, 225.0 kg hm–2, and 337.5 kg hm–2respectively; PASP-N1, PASP-N2, and PASP-N3 denote the N application rate of 75.0 kg hm–2, 150.0 kg hm–2, and 225.0 kg hm–2respectively. Value within a column yellowed by different letters are significantly different at< 0.05.

圖8 CN與PASP-N處理不同施肥量對玉米谷丙轉氨酶活性的影響

CK: 對照; CN: 常規(guī)肥; PASP-N: PASP螯合氮肥; CN1、CN2和CN3分別代表施氮量為112.5 kg hm–2、225.0 kg hm–2和337.5 kg hm–2; PASP-N1、PASP-N2和PASP-N3分別代表施氮量為75.0 kg hm–2、150.0 kg hm–2和225.0 kg hm–2; VT: 花期; VT+10: 花后10 d; VT+20: 花后20 d; VT+30: 花后30 d; VT+40: 花后40 d。

CK: control; CN: conventional N fertilizer; PASP-N: N fertilizer coupled with PASP; CN1, CN2, and CN3 denote the N application rate of 112.5 kg hm–2, 225.0 kg hm–2, and 337.5 kg hm–2respectively; PASP-N1, PASP-N2, and PASP-N3 denote the N application rate of 75.0 kg hm–2, 150.0 kg hm–2, and 225.0 kg hm–2, respectively; VT: anthesis; VT+10: 10 days after anthesis; VT+20: 20 days after anthesis; VT+30: 30 days after anthesis; VT+40: 40 days after anthesis.

圖9 CN與PASP-N處理不同施肥量對玉米谷草轉氨酶活性的影響

CK: 對照; CN: 常規(guī)肥; PASP-N: PASP螯合氮肥; CN1、CN2和CN3分別代表施氮量為112.5 kg hm–2、225.0 kg hm–2和337.5 kg hm–2; PASP-N1、PASP-N2和PASP-N3分別代表施氮量為75.0 kg hm–2、150.0 kg hm–2和225.0 kg hm–2; VT: 花期; VT+10: 花后10 d; VT+20: 花后20 d; VT+30: 花后30 d; VT+40: 花后40 d。

CK: control; CN: conventional N fertilizer; PASP-N: N fertilizer coupled with PASP; CN1, CN2, and CN3 denote the N application rate of 112.5 kg hm–2, 225.0 kg hm–2, and 337.5 kg hm–2respectively; PASP-N1, PASP-N2, and PASP-N3 denote the N application rate of 75.0 kg hm–2, 150.0 kg hm–2, and 225.0 kg hm–2, respectively; VT: anthesis; VT+10: 10 days after anthesis; VT+20: 20 days after anthesis; VT+30: 30 days after anthesis; VT+40: 40 days after anthesis.

3 討論

3.1 PASP-N減量全基施的增產效應

前人對玉米[38-40]、水稻[41-43]、小麥[44]等糧食作物和蕹菜[45]、油菜[29]、芹菜[46]、甜茶[47]、黃瓜[48]等經濟作物的研究表明, 相同施氮量下, PASP能夠顯著提高作物干物質積累量、產量以及氮肥利用效率。在本研究中, 2016、2017兩年間, 聚天門冬氨酸螯合氮(PASP-N)在總施氮量相比常規(guī)氮肥(CN)降低1/3的條件下, 玉米單產分別增加3.1%~3.2%和0.9%~3.0%, 氮肥偏生產力、氮肥農學效率、氮肥表觀利用率和氮肥生理效率分別增加51.3%~54.4%、2.9%~104.2%、28.9%~126.6%和48.0%~405.2%。而玉米產量的增加主要是通過增加穗長、縮短禿尖實現(xiàn)的, 這與前人研究一致[49]。PASP-N處理玉米花前干物質積累量顯著低于CN處理, 而花后干物質積累量兩者的差異不顯著, 因此, PASP-N處理提高了花后/花前干物質積累比例, 這表明PASP-N處理相比CN處理提高了玉米花后的抗逆能力, 增加了玉米花后干物質積累量[50-53]。

3.2 PASP-N減量全基施對玉米氮肥利用率的調控效應

PASP具有極強的鰲合、分散、吸附作用, 分子中的羧基, 能螯合陽離子, 并且通過對土壤養(yǎng)分離子的交換吸附力和環(huán)狀分子結構的吸蓄能力, 明顯減少氮素、磷素和鉀等養(yǎng)分的流失、揮發(fā)和被固定[26], 并促進植株氮磷鉀的吸收[28], 提高作物產量和肥料利用率[25,29-30]。在本研究中, 氮肥在玉米播種前一次性全基施下, 聚天門冬氨酸螯合氮肥(PASP-N)相比傳統(tǒng)氮肥(CN), 在各個施氮梯度上氮肥用量降低1/3, 由于玉米在生育前期生長緩慢, 對氮肥的吸收利用同樣較慢, 常規(guī)施氮(CN)一方面容易造成氮肥的大量淋失和揮發(fā)損失, 另一方面在玉米生育前期過量施氮也容易造成玉米長勢過旺, 后期容易出現(xiàn)早衰。在2年的試驗中, PASP-N處理下, 玉米開花前地上部分干物質積累量顯著低于CN處理, 而在花后反而高于CN處理, 從LAI的變化趨勢上同樣可以看出, PASP-N處理比CN處理延緩了花后玉米葉片的衰老速率。這些現(xiàn)象表明, PASP-N處理玉米在生育后期的氮肥供應狀況優(yōu)于CN處理, 因而玉米氮素的農學效率和偏生產力均顯著大于CN處理, 顯著提高了氮肥的利用率。

3.3 PASP-N對玉米氮素代謝關鍵酶活性的調控效應

有研究人員通過玉米盆栽試驗發(fā)現(xiàn)[40], 聚天門冬氨酸與常規(guī)肥料混用, 可以提高玉米幼苗葉片葉綠素含量、硝酸還原酶(NR)活性; 高嬌等[50-51]利用含PASP的聚糠萘合劑(PKN)處理盆栽玉米幼苗和田間不同積溫帶玉米, 發(fā)現(xiàn)PKN 處理提高了盆栽玉米幼苗NR活性、谷氨酰胺合成酶(GS)活性。NR是氮代謝過程中的限速酶, 受光照、溫度、CO2、水勢等多因素影響。Ferrario-Mery等[54]證明NR活性與其底物(NO3–)濃度正相關, 與氮同化產物NH3、谷氨酰胺、谷氨酸成負相關, 而GS是植物體內氨同化的關鍵酶之一, 在ATP和Mg2+存在下, 它催化植物體內NH3和谷氨酸形成谷氨酰胺。本研究中PASP-N處理玉米葉片NR活性從花期至花后20 d的減弱, 可能與該時段GS活性低, 導致NH3、谷氨酰胺、谷氨酸等氮同化產物積累多有關。在花后30 d和40 d, NR活性與CN無顯著差異, 同時期GS活性顯著高于CN處理, 進一步證明NR活性受GS活性調控; 在氮素同化過程中, NR催化NO3-轉化成NO2-, NO2-在亞硝酸還原酶(NiR)的作用下將NO2-還原成NH3, 植物組織中的NiR存在量大, 所以亞硝酸鹽很少在植物體內積累, GS催化無機NH3轉化為谷氨酸; GS和GPT、GOT調控谷氨酸、谷氨酰胺以及天門冬氨酸、丙氨酸等其他氨基酸的合成[55-57]。本試驗中, PASP-N處理GOT活性增強, GPT活性下降, 由此可見, PASP-N處理下, 玉米植株對天門冬氨酸的合成和代謝強于丙氨酸。前人研究表明, CN全基施易造成氮肥資源浪費和玉米早衰減產[58], 本試驗中, PASP-N處理下玉米花后干物質積累較花前強, 灌漿中后期NR活性高于CN處理, 且GS活性高于CN處理, 同時葉面積指數(shù)增大, 由此可看出, PASP-N處理加強了玉米在灌漿中后期功能葉的氮素代謝能力, 延緩了玉米葉片衰老速率。綜上, PASP-N處理相比CN處理具有緩控氮肥釋放的作用, 能夠在東北春玉米區(qū)作為基肥一次性施用取得較理想的效果。

4 結論

聚天門冬氨酸螯合氮肥(PASP-N)能比常規(guī)氮肥(CN)降低玉米灌漿期葉片硝酸還原酶(NR)活性, 提高葉片谷氨酰胺合成酶(GS)和谷草轉氨酶的活性(GOT), 促進玉米籽粒灌漿中后期的氮素代謝, 延緩葉片衰老并提高花后地上部分干物質的積累量。一次性基施PASP-N比CN施氮量減少1/3, 可增產玉米, 提高肥料利用率, 適合在東北春玉米區(qū)應用。

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Increasing spring maize yield by basic application of PASP chelating nitrogen fertilizer in northeast China

TANG Hui-Hui, XU Yan-Li, WANG Qing-Yan, MA Zheng-Bo, LI Guang-Yan, DONG Hui, and DONG Zhi-Qiang*

Institute of Crop Sciences, Chinese Academy of Agricultural Sciences / Key Laboratory of Crop Ecophysiology and Cultivation, Beijing 100081, China

The randomized block field experiments were conducted using maize variety of Zhongdan 909 with different nitrogen treatments of polyaspartic acid chelating nitrogen fertilizer (PASP-N) and commonly used nitrogen fertilizer (CN) in Gongzhuling Experimental Station (43o29￠55￠￠N, 124o48￠43￠￠E) in Jilin province in 2016 and 2017. The PASP-N increased maize yield, ear length and leaf area index (LAI) by 0.9%–3.0%, 0.5%–2.9%, and 18.5%–22.3% respectively, and decreased bare top length, plant height and ear height by 13.8%–46.7%, 1.5%–2.5%, and 0.7%–8.4%, respectively, compared with CN. Moreover, PASP-N significantly influenced activity of enzymes related to nitrogen metabolism: nitrate reductase (NR) activity decreased by 1.4%–19.8% at anthesis stage, glutamine synthetase (GS) activity increased by 18.5%–33.1% at 30 days after anthesis, and glutamic oxalacetic transaminase (GOT) activity increased by 0.8%–6.4% at 20 days after anthesis. The total nitrogen inputs of PASP-N and CN for the highest maize yield were 185.3 kg ha–1and 219.1 kg ha–1, respectively, with 108.9 kg ha–1higher in PASP-N treatment than in CN treatment. Nitrogen fertilizer partial productivity, agronomic efficiency, apparent utilization and physiological efficiency of nitrogen fertilizer in PASP-N treatment increased by 51.3%–54.4%, 2.9%–104.2%, 28.9%–126.6%, and 48.0%–405.2%, respectively, compared with these in CN treatments. In conclusion, PASP could enhance nitrogen metabolism during middle and late grain-filling stage, resulting in increased yield and nitrogen use efficiency in maize.

PASP; spring maize; reduction of nitrogen; nitrogen use efficiency; one-time basic fertilizer application

2018-07-22;

2018-12-25;

2019-01-07.

10.3724/SP.J.1006.2019.83056

董志強, E-mail: dongzhiqiang@caas.cn, Tel: 010-82106043

E-mail: tanghuihui0609@163.com

本研究由國家重點研發(fā)計劃項目(2018YFD0200608)和橫向合作項目(2016110001000035)資助。

The study was supported by the National Key Research and Development Program of China (2018YFD0200608) and the Horizontal Cooperation Project (2016110001000035).

URL:http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.s.20190103.1711.011.html