減量施氮對(duì)滴灌春小麥籽粒灌漿特性和氮代謝酶活性的影響

李彥旬，王榮榮，羅雪梅，蔣桂英

(石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院，新疆石河子 832003)

對(duì)于大田作物來說，提高氮肥利用率、降低氮損失的方法有很多，水氮的綜合管理就是其中有效的方法之一[1]。而滴灌春小麥就是一種實(shí)行水氮綜合管理的種植模式，肥料隨著滴灌直接到達(dá)小麥根系區(qū)域，不但可以減少肥料的流失，還能保證小麥根部養(yǎng)分充足，有效提高根部對(duì)肥料的吸收[2]。目前，新疆滴灌春小麥氮肥投入量一般為300～315 kg·hm-2[3-4]，產(chǎn)量為5 772.45～ 6 689.72 kg·hm-2。郭天財(cái)?shù)萚5]研究發(fā)現(xiàn),在施氮0～360 kg·hm-2(前茬田菁掩底作基肥)范圍，適當(dāng)增施氮肥能夠增加小麥的產(chǎn)量。冉 輝等[6]研究表明，在施氮量為0～375 kg·hm-2、灌溉頻率為4～7 d一次時(shí)，灌水次數(shù)與施氮量的互作對(duì)春小麥產(chǎn)量影響明顯；當(dāng)施氮量為308.63 kg·hm-2、灌溉頻率為6.52 d 一次時(shí)，產(chǎn)量最大。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上隨著作物產(chǎn)量的逐步增加，氮素等養(yǎng)分的投入也在不斷加大，不僅導(dǎo)致生產(chǎn)成本提高，而且引起養(yǎng)分利用效率下降和環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)上升。因此，在傳統(tǒng)氮肥氮肥管理的基礎(chǔ)上開展減量施氮技術(shù)研究十分必要。對(duì)大豆[7]、番茄[8]、小麥[9]、玉米[10]等作物的試驗(yàn)結(jié)果顯示,適當(dāng)減量施氮不會(huì)引起作物產(chǎn)量顯著的變化,反而有利于提高氮肥利用率。在我國華北地區(qū)，麥田氮肥的施用量為300 kg·hm-2左右，而氮肥的利用率卻只有20%左右[11]。當(dāng)?shù)适┯昧拷档?25 kg·hm-2時(shí)，小麥的產(chǎn)量和對(duì)氮素吸收效率得到了同步提高[12]。楊家蘅等[13]研究表明，在前茬夏玉米秸稈全部還田條件下，當(dāng)?shù)适┯昧砍^360 kg·hm-2時(shí)，小麥產(chǎn)量開始降低。

灌水量和施肥量影響小麥籽粒灌漿速率和持續(xù)時(shí)間[14]。當(dāng)灌水165 mm、施氮192 kg·hm-2時(shí)，小麥強(qiáng)、弱勢(shì)粒的灌漿速率和持續(xù)時(shí)間均較高[15]。當(dāng)水分供應(yīng)充足、施純氮150 kg·hm-2時(shí)，小麥籽粒的灌漿快增期持續(xù)時(shí)間得到延長，而最大灌漿速率出現(xiàn)時(shí)間較晚，有利于粒重的增加[16]。谷氨酰胺合成酶(GS)、硝酸還原酶(NR)能夠促進(jìn)植株對(duì)氮素的吸收利用[17-18]，作物的氮素主要是通過GS/谷氨酸合成酶(GOGAT )循環(huán)途徑進(jìn)行的[19]。孟維偉等[20]認(rèn)為，當(dāng)施氮量在 0～168 kg·hm-2范圍時(shí)，小麥籽粒蛋白質(zhì)含量、GS活性均隨施氮量增加而顯著提高；當(dāng)施氮量為276 kg·hm-2時(shí)，籽粒蛋白質(zhì)含量和產(chǎn)量顯著降低。Wang等[21]認(rèn)為，285 kg·hm-2施氮量處理與195 kg·hm-2施氮量處理相比,小麥旗葉NR和GS活性及籽粒蛋白質(zhì)含量均無明顯差異。因此，施氮量過多或過少都不利于小麥籽粒灌漿和提高氮代謝酶的活性，且小麥產(chǎn)量和品質(zhì)都會(huì)受到影響。

目前有關(guān)施氮量對(duì)小麥生長發(fā)育的影響研究，主要都集中在施氮量對(duì)小麥氮肥利用率及氮平衡、干物質(zhì)積累、產(chǎn)量[22]、氮素吸收轉(zhuǎn)運(yùn)[23]及葉片光合特性[24]等方面，且這些研究大多是在漫灌條件下進(jìn)行的，而對(duì)于滴灌春小麥在減氮栽培下小麥籽粒灌漿特性和酶活性的報(bào)道較少[25]。由于小麥品種和區(qū)域性的差異，所得出的試驗(yàn)結(jié)果也不盡一致。本研究擬分析減氮條件下滴灌春小麥籽粒的灌漿特性及氮代謝酶活性變化，以期為滴灌春小麥優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)栽培提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2017-2018年在石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗(yàn)站(44°20′N，88°3′E)進(jìn)行。土壤為沙壤土，0～40 cm土層中有機(jī)質(zhì)含量28.4 g·kg-1，全氮含量1.3 g·kg-1，堿解氮含量71.3 mg·kg-1，速效磷含量15.2 mg·kg-1，速效鉀含量159 mg·kg-1，土壤容重 1.31 g·cm-3，pH 7.5。試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，主區(qū)為全生育期施氮量，副區(qū)為品種。施氮量設(shè)300 kg·hm-2(N1)、275 kg·hm-2(N2)、250 kg·hm-2(N3)、225 kg·hm-2(N4)、不施氮肥(N5，對(duì)照)5個(gè)水平。2017年供試品種為新春6號(hào)(矮稈)和新春31號(hào)(高稈)，2018年為新春38號(hào)(強(qiáng)筋，籽粒蛋白質(zhì)含量15.04%)與新春49號(hào)(中筋，籽粒蛋白質(zhì)含量12.89%)。氮肥20%基施，80%隨水追施，其中兩葉一心期施10%，分蘗期施10%，拔節(jié)期施30%(5葉齡和6葉齡各施15%)，孕穗期施15%，抽穗揚(yáng)期施10%，籽粒形成期施5%。磷肥(P2O5120 kg·hm-2)作為基肥一次性施入。兩年播期和播量均分別為4月7日和300 kg·hm-2。采用“12.5 cm +20 cm +12.5 cm +15 cm”寬窄行滴灌種植，滴灌帶配置采用“1管4行”模式，即每條滴灌帶灌溉4行小麥。小區(qū)面積 12 m2(3 m×4 m)，重復(fù)三次，各小區(qū)之間埋置100 cm深的防滲膜，防止養(yǎng)分側(cè)移。水分管理以 Watermark(Irrometer company,Inc)監(jiān)測(cè)值來指示灌溉水量，以近行(距離毛管水平距10 cm)根區(qū)30 cm土層含水量 Watermark 讀數(shù)升到 35 centibar(約75%相對(duì)田間持水量)時(shí)即開始灌溉[26]。整個(gè)生育期滴水9次，施肥7次， 總灌水量600 mm，其他各項(xiàng)管理與大田生產(chǎn) 相同。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

抽穗期于各小區(qū)內(nèi)選擇同一天抽穗且穗型大小基本一致的穗子150～200 個(gè)，掛牌標(biāo)記。

1.2.1 籽粒灌漿動(dòng)態(tài)的測(cè)定

從開花后第7天開始，取小麥穗中部籽粒，每隔7 d取樣一次。籽粒鮮樣在 105 ℃殺青30 min，然后在75 ℃下烘干至恒重。以花后天數(shù)(t)為自變量，籽粒千粒重(y)為因變量，用 Logistic 方程y=a/(1+b×e(-c×t))對(duì)籽粒增重過程進(jìn)行擬合。其中，a表示理論最大粒重，t表示開花后天數(shù)，b和c為模型形狀參數(shù)。

根據(jù)方程推導(dǎo)出灌漿最快時(shí)間段的起始時(shí)間(t1)、終止時(shí)間(t2)、最大灌漿速率(Vm)、最大灌漿速率出現(xiàn)時(shí)間(tm)和快增期持續(xù)的時(shí)間(△t)：

t1=[ln(b)-ln(3.732 1)]/c,t2=[ln(b)+ln(3.732 1)]/c,tm=ln(b/c),Vm=ac/4,△t=t2-t1。

1.2.2 NR、GS和GOGAT活性測(cè)定

從開花后第7天開始，每7 d取樣一次，分別參照董召娣[27]、鄒 琦[28]、Lin[29]的方法對(duì)NR、GS和GOGAT活性進(jìn)行測(cè)定。

1.2.3 產(chǎn)量及其構(gòu)成的測(cè)定

成熟期各小區(qū)取1 m2，測(cè)定穗數(shù)，再取20個(gè)單莖，測(cè)定穗粒數(shù)和千粒重，然后人工收割(收割面積為240 m2)，計(jì)算籽粒產(chǎn)量。

1.3 數(shù)據(jù)處理分析

采用Excel 2017、SigmaPlot 12.0、SPSS 20.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、統(tǒng)計(jì)分析及 繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮對(duì)小麥籽粒灌漿參數(shù)的影響

從表1可以看出，隨著施氮量的減少，新春6號(hào)和新春38號(hào)籽粒最大灌漿速率(Vm)先降后升再降，新春31號(hào)和新春49號(hào)則先升后降，前兩個(gè)品種的Vm均在N3處理下達(dá)到最高值，分別比其他處理高0.72%～16.60%和7.51%～27.10%；后兩個(gè)品種的Vm均在N2處理下達(dá)到最大值，分別比其他處理高1.77%～20.59%和4.69%～16.02%。隨著施氮量的減少，籽粒達(dá)到最大灌漿速率的時(shí)間(tm)相對(duì)提前，同時(shí)Vm和灌漿持續(xù)時(shí)間(△t)增加，所以小麥粒重仍然比較高。

不同小麥品種的理論最大千粒重對(duì)施氮量的反應(yīng)表現(xiàn)不同。新春6號(hào)和新春38號(hào)的理論最大千粒重均以N3處理最高，比其他處理分別高3.68%～10.96%和3.94%～13.73%。新春31號(hào)和新春49號(hào)的理論最大千粒重均以N2處理最高，分別比其他處理高0.49%～5.64%和 2.50%～10.50%。這說明適宜的施氮量有利于小麥籽粒灌漿。

2.2 施氮對(duì)小麥籽粒氮代謝酶活性的影響

各小麥品種籽粒的NR、GS和GOGAT活性均隨花后天數(shù)的增加呈下降趨勢(shì)(圖1)。三種酶活性對(duì)施氮量的反應(yīng)因品種而異。新春6號(hào)和新春38號(hào)的三種酶活性均表現(xiàn)為N3>N1>N2>N4>N5,而新春31號(hào)和新春49號(hào)均表現(xiàn)為N2>N1>N3>N4>N5。其中，在花后14 d,N3處理下，新春6號(hào)的三種酶活性分別比其他處理高5.03%～29.42%、7.25%～34.27%和7.22%～ 29.66%，新春38號(hào)分別高3.11%～ 18.34%、7.08%～33.06%和3.64%～21.21%；N2處理下新春31號(hào)的三種酶活性分別比其他處理高2.98%～30.02%、6.15%～36.07%和 5.25%～28.61%，新春49號(hào)分別高6.14%～22.25%、7.65%～33.07%和 6.50%～20.98%。

表1 不同供氮水平下滴灌春小麥籽粒灌漿參數(shù)比較Table 1 Comparison of grain filling parameters of spring wheat under drip irrigation with different nitrogen levels

**:P<0.01.

圖1 不同供氮水平下小麥籽粒硝酸還原酶(NR)的活性

圖2 不同供氮水平下小麥籽粒谷氨酰胺合成酶(GS)的活性

圖3 不同供氮水平下小麥籽粒谷氨酸合成酶(GOGAT)的活性

2.3 施氮對(duì)滴灌春小麥籽粒產(chǎn)量及其構(gòu)成的影響

隨施氮量的增加，兩年的滴灌春小麥籽粒產(chǎn)量及其構(gòu)成因素均呈先增后降的趨勢(shì)，且新春6號(hào)和新春38號(hào)均以N3處理、新春31號(hào)和新春49號(hào)均以N2處理最高(表2)。新春6號(hào)、新春31號(hào)、新春38號(hào)和新春49號(hào)的最高籽粒產(chǎn)量分別比其他處理提高2.49%～33.47%、0.74%～30.36%、1.26%～35.48%和1.44%～34.75%，說明適量施氮可改善滴灌春小麥籽粒產(chǎn)量結(jié)構(gòu)，獲得高產(chǎn)。

表2 滴灌春小麥籽粒產(chǎn)量及其構(gòu)成因素Table 2 Yield and yield components of spring wheat under drip irrigation

同列數(shù)據(jù)后字母不同表示同一品種的不同處理間差異顯著(P<0.05)。

Different letters after the values in same columns mean significant differences among the treatments for same variety at 0.05 level.

3 討 論

小麥的籽粒灌漿特性不但受小麥品種本身的遺傳特性的影響，還受施氮時(shí)期、施氮量和栽培方法的影響[30-31]。本研究表明，新春6號(hào)和新春38號(hào)在N3處理下小麥籽粒產(chǎn)量達(dá)到最高，比N5處理分別提高33.47%、35.48%；新春31號(hào)和新春49號(hào)小麥籽粒產(chǎn)量在N2處理下表現(xiàn)最高，比N5處理分別提高30.36%、34.75%。與常規(guī)施氮的N1處理相比，N2、N3處理的小麥籽粒產(chǎn)量并沒有降低，反而得到增加。這與周蘇玫等[32]和徐云姬等[33]研究結(jié)果一致，說明在常規(guī)施肥量的基礎(chǔ)上，適當(dāng)減少氮肥施用量可以提高小麥籽粒產(chǎn)量。

研究發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)，增施氮肥能夠提高小麥籽粒最大灌漿，且延遲灌漿啟動(dòng)的時(shí)間，使達(dá)到最大灌漿速率的時(shí)間提前[34]。本研究也得出相同的結(jié)果一致。本研究中，新春6號(hào)和春31號(hào)最大灌漿速率(Vm)分別在N3和N2處理下最大，分別比N5處理提高16.60%和20.59%；新春38號(hào)與新春49號(hào)的Vm分別在N3和N2處理下表現(xiàn)最優(yōu)，分別比N5處理提高27.10%和 16.02%。綜上所述，適宜的施氮量不但能延長了小麥灌漿活躍期，還能提高籽粒灌漿速率，對(duì)最終高粒重形成有利。

作物吸收的氮素經(jīng)過一系列代謝合成體內(nèi)所需要的蛋白質(zhì)、核酸和其他含氮化合物。而NR、GS、GOGAT等是這一過程中的關(guān)鍵酶，對(duì)氮代謝起著重要的作用[35-36]。研究表明,水稻的施氮量為180 kg·hm-2時(shí)水氮互作優(yōu)勢(shì)能提高氮肥利用效率，且使氮代謝酶活性得到提升,達(dá)到提高產(chǎn)量的目的;但當(dāng)施氮量為270 kg·hm-2時(shí),其耦合效應(yīng)優(yōu)勢(shì)減弱,導(dǎo)致NR、GS和GOGAT活性的降低,使氮素利用效率及產(chǎn)量下降[37]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，小麥籽粒中的NR、GS和GOGAT活性都是呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。其中，新春6號(hào)和新春38號(hào)籽粒的三種酶活性在N3處理下達(dá)到最大，而新春38號(hào)和新春49號(hào)籽粒的三種酶活性在N2處理下表現(xiàn)最優(yōu)。這與李金娜等[38]和易 媛等[39]研究結(jié)果一致。小麥籽粒蛋白質(zhì)品質(zhì)的形成是一個(gè)復(fù)雜的生理生化過程，由遺傳因素和環(huán)境因素共同決定，因此應(yīng)進(jìn)一步驗(yàn)證上述試驗(yàn)結(jié)果，并通過適當(dāng)減少氮肥施用量來提高小麥籽粒中氮代謝酶的活性，從而改善小麥品質(zhì)，為指導(dǎo)優(yōu)質(zhì)小麥栽培提供依據(jù)。