氮肥增效劑對(duì)水稻葉片保護(hù)酶活性、葉綠素含量及產(chǎn)量的影響

帥 鵬，楊 宙，胡蘭香，束愛(ài)萍，肖宇龍，孫明珠，何 虎*

（1.江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 水稻研究所/水稻國(guó)家工程研究中心（南昌）/國(guó)家水稻改良中心南昌分中心，江西 南昌 330200；2.江西省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，江西 南昌 330046）

氮素是影響水稻生長(zhǎng)發(fā)育最重要的營(yíng)養(yǎng)元素之一，對(duì)水稻生產(chǎn)的影響僅次于水，在產(chǎn)量形成過(guò)程中起著決定性作用［1-2］。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，化肥尤其是氮肥施用量顯著增加。目前，我國(guó)已成為世界第一大氮肥消費(fèi)國(guó)，氮肥用量占全球氮肥用量的30%［2］。但我國(guó)的氮肥利用率明顯低于世界平均水平，僅為30%～35%［3］。大量的氮肥通過(guò)氨揮發(fā)、反硝化作用、地表徑流、滲漏作用等途徑流失而進(jìn)入水體和大氣，不僅造成了資源浪費(fèi)，還導(dǎo)致了土壤污染、水體富營(yíng)養(yǎng)化等一系列環(huán)境污染問(wèn)題［4-5］。因此，在保證水稻單產(chǎn)的基礎(chǔ)上提高稻田氮肥利用率，對(duì)保障我國(guó)糧食安全和生態(tài)環(huán)境安全尤為重要。

近年來(lái)，采用氮肥增效劑調(diào)控氮素轉(zhuǎn)化成為減少氮素流失、提高作物氮肥利用效率的有效途徑［6］。氮肥增效劑主要分為硝化抑制劑和脲酶抑制劑。硝化抑制劑能夠抑制銨態(tài)氮向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化，從而減少氮肥的淋溶和反硝化作用損失。脲酶抑制劑能夠通過(guò)延緩尿素施入土壤后轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮的速度來(lái)減少氮的氨揮發(fā)損失［7］。生產(chǎn)中常用的硝化抑制劑包括雙氰胺（DCD）、3，4-甲基吡唑磷酸鹽（DMPP）、2-氯-6-（三氯甲基）吡啶等，常用的脲酶抑制劑包括氫醌（HQ）、N-丁基硫代磷酰三胺（NBPT）、苯基磷酰二胺（PPD）等。張志明等［8］研究表明在氮肥中加入DCD可使水稻增產(chǎn)10%；施用2-氯-6-（三氯甲基）吡啶后，水稻氮肥利用率增加11.1%～25.0%［9］。據(jù)石柱等［7］報(bào)道，配施HQ后水稻產(chǎn)量增加5%；添加NBPT后水稻增產(chǎn)14.8%［10］。除單獨(dú)施用硝化抑制劑或脲酶抑制劑作氮肥增效劑外，還有相關(guān)研究表明，配合施用硝化抑制劑和脲酶抑制劑能夠降低農(nóng)田氮素?fù)p失、提高作物產(chǎn)量和氮肥利用率［11-13］。目前，氮肥增效劑在水稻上的研究多集中于產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)效益、氮肥利用率、土壤氮素轉(zhuǎn)化等方面［14-22］，而對(duì)配施氮肥增效劑如何影響水稻生理生化反應(yīng)的研究則鮮有報(bào)道。本研究以硝化抑制劑DCD和脲酶抑制劑HQ為材料，探究了氮肥增效劑配施對(duì)水稻葉片保護(hù)酶活性、葉綠素含量和產(chǎn)量的影響，旨在為制定合理的稻田管理措施以提高水稻產(chǎn)量和稻田氮肥利用率提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2019年早稻種植季在江西省南昌市進(jìn)賢縣溫圳鎮(zhèn)（28°20′N(xiāo)，116°06′E）進(jìn)行。試驗(yàn)田塊為三等耕地，中潴灰潮沙泥田，pH值為 5.31，有機(jī)質(zhì)含量為23.8 g/kg，總氮含量為1.21 g/kg，堿解氮含量為75.7 mg/kg，速效磷含量為29.8 mg/kg，速效鉀含量為68.4 mg/kg。供試水稻品種為常規(guī)早稻品種湘早秈45，由湖南省益陽(yáng)市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所選育。供試肥料為尿素（含N 46%）、鈣鎂磷肥（含P2O512%）和氯化鉀（含K2O 60%）。氮肥增效劑為硝化抑制劑DCD和脲酶抑制劑HQ。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)置4個(gè)處理，處理1為常規(guī)施肥，其他3個(gè)處理在常規(guī)施肥的基礎(chǔ)上分別在基肥、穗肥以及基肥和穗肥中施用氮肥增效劑。氮肥的純氮施用量是180 kg/hm2，按基肥∶分蘗肥∶穗肥=5∶2∶3的比例施用；氮肥增效劑中雙氰胺按尿素施用量的1%配施，氫醌按尿素施用量的0.5%配施，各處理氮肥和增效劑施用時(shí)期和施用量見(jiàn)表1。各處理磷、鉀肥施用時(shí)期和施用量保持一致，其中磷肥施P2O590 kg/hm2，作基肥一次性施用；鉀肥施K2O 180 kg/hm2，按基肥∶穗肥=1∶1施用。每個(gè)處理小區(qū)面積均為20 m2，3次重復(fù)。

表1 試驗(yàn)各處理氮肥和增效劑的施用量 kg/hm2

在水稻播種前預(yù)先進(jìn)行浸種催芽，育秧方式為濕潤(rùn)育秧。于3月30日播種，4月27日移栽，7月14日收割。采用手工移栽方式，株行距為10.0 cm×30.0 cm。秧苗移栽后淺水灌溉，在莖蘗數(shù)達(dá)到計(jì)劃穗數(shù)的80%左右時(shí)開(kāi)始曬田以控制無(wú)效分蘗；幼穗分化期復(fù)水后采用干濕交替的灌溉方式。試驗(yàn)田的病蟲(chóng)草害管理按照當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)栽培管理方式，嚴(yán)格防治病、蟲(chóng)、草害。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.3.1 葉綠素相對(duì)含量（SPAD）的測(cè)定 分別在水稻的齊穗前7 d、齊穗期、齊穗后7 d和齊穗后14 d，用SPAD-502型葉綠素含量測(cè)定儀測(cè)定葉綠素的相對(duì)含量。從每個(gè)小區(qū)中各選擇20個(gè)代表性植株，選取主莖劍葉中部進(jìn)行測(cè)定。

1.3.2 丙二醛（MDA）含量和保護(hù)酶活性的測(cè)定 在水稻的齊穗期、齊穗后10 d和齊穗后20 d，從每個(gè)小區(qū)中各選擇20個(gè)代表性植株，取劍葉作為樣品，測(cè)定丙二醛（MDA）含量，以及過(guò)氧化氫酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）和過(guò)氧化物酶（POD）的活性。MDA含量、SOD活性和POD活性用上海索橋生物科技有限公司提供的試劑盒測(cè)定，CAT活性用南京建成生物工程研究所提供的試劑盒測(cè)定。測(cè)定過(guò)程嚴(yán)格按照試劑盒說(shuō)明書(shū)操作，用美國(guó)MD SpectraMax 190型酶標(biāo)儀測(cè)量反應(yīng)產(chǎn)物對(duì)特征波長(zhǎng)的吸收值，然后根據(jù)說(shuō)明書(shū)提供的公式計(jì)算樣品中物質(zhì)的含量或活性。

1.3.3 實(shí)際產(chǎn)量的測(cè)定 水稻成熟后收割各小區(qū)除去邊行之外的所有植株，脫粒后晾干稱(chēng)重，然后計(jì)算小區(qū)的產(chǎn)量。

1.3.4 氮肥偏生產(chǎn)力（PFP）的計(jì)算 氮肥偏生產(chǎn)力（kg/kg）=成熟期單位面積水稻籽粒產(chǎn)量/單位面積施氮量。

1.3.5 數(shù)據(jù)處理 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Office Excel 2016軟件整理，用Statistix 9.0軟件進(jìn)行方差分析，在LSD0.05水平上進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 施用氮肥增效劑對(duì)過(guò)氧化氫酶活性的影響

植物體內(nèi)過(guò)氧化氫酶（CAT）的主要功能是清除多余的H2O2，維持體內(nèi)活性氧的平衡，對(duì)植物細(xì)胞起保護(hù)作用。由圖1可知，在早稻齊穗期后，隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)，4個(gè)處理的葉片CAT活性均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。在齊穗期和齊穗后10 d，施用氮肥增效劑的3個(gè)處理葉片CAT活性均與常規(guī)施肥處理無(wú)顯著差異；在齊穗后20 d，施用氮肥增效劑的3個(gè)處理葉片CAT活性均顯著高于常規(guī)施肥處理。表明施用氮肥增效劑可以提高早稻生育后期葉片CAT活性。

圖1 施用氮肥增效劑對(duì)早稻葉片過(guò)氧化氫酶（CAT）活性的影響

2.2 施用氮肥增效劑對(duì)過(guò)氧化物酶活性的影響

植物體內(nèi)的過(guò)氧化物酶（POD）可以清除低濃度的H2O2，與超氧化物歧化酶（SOD）協(xié)同作用，維持活性氧平衡。由圖2可知，早稻齊穗后葉片的POD活性呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。在齊穗期和齊穗后10 d，施用氮肥增效劑的3個(gè)處理葉片POD活性均顯著高于常規(guī)施肥處理；齊穗后20 d，施用氮肥增效劑的處理與常規(guī)施肥處理葉片POD活性無(wú)顯著差異。可見(jiàn)施用氮肥增效劑能夠提高早稻灌漿前期葉片的POD活性。

圖2 施用氮肥增效劑對(duì)早稻葉片過(guò)氧化物酶（POD）活性的影響

2.3 施用氮肥增效劑對(duì)超氧化物歧化酶活性的影響

植物體內(nèi)的超氧化物歧化酶（SOD）可以清除多余的活性氧，保護(hù)植物細(xì)胞免受傷害。由圖3可知，穗肥+增效劑處理齊穗后葉片SOD活性呈現(xiàn)一直降低的趨勢(shì)，而其他3個(gè)處理呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)。在齊穗期，施用氮肥增效劑的3個(gè)處理葉片SOD活性顯著高于常規(guī)施肥處理。齊穗后10 d，4個(gè)處理的葉片SOD活性無(wú)顯著差異。齊穗后20 d，常規(guī)施肥處理葉片SOD活性顯著高于基、穗肥+增效劑處理，與基肥+增效劑處理和穗肥+增效劑處理無(wú)顯著差異。

圖3 施用氮肥增效劑對(duì)早稻葉片超氧化物歧化酶（SOD）活性的影響

2.4 施用氮肥增效劑對(duì)丙二醛含量的影響

丙二醛（MDA）是植物體內(nèi)膜脂過(guò)氧化的產(chǎn)物，過(guò)高的MDA含量會(huì)對(duì)植物的正常生理功能造成嚴(yán)重影響。由圖4可見(jiàn)，在齊穗后10 d，基肥+增效劑處理的葉片MDA含量顯著低于常規(guī)施肥處理；在齊穗后20 d，施用氮肥增效劑的3個(gè)處理的MDA含量均顯著低于常規(guī)施肥處理。表明施用氮肥增效劑可以抑制早稻生育后期MDA的積累。

圖4 施用氮肥增效劑對(duì)早稻葉片丙二醛（MDA）含量的影響

2.5 施用氮肥增效劑對(duì)葉綠素相對(duì)含量的影響

由圖5可知，試驗(yàn)中4個(gè)處理的葉片葉綠素相對(duì)含量（SPAD）均在齊穗期和齊穗后7 d呈上升趨勢(shì)，在齊穗后14 d呈大幅下降趨勢(shì)。在齊穗前7 d～齊穗后14 d期間，常規(guī)施肥處理的SPAD值均顯著低于施用氮肥增效劑的3個(gè)處理。基肥+增效劑處理的SPAD值在齊穗期低于穗肥+增效劑處理和基、穗肥+增效劑處理，但在齊穗后7 d和齊穗后14 d高于穗肥+增效劑處理和基、穗肥+增效劑處理，其中在齊穗后14 d差異達(dá)顯著水平。穗肥+增效劑處理和基、穗肥+增效劑處理的SPAD值變化規(guī)律較為一致。由此可見(jiàn)，增施氮肥增效劑可以使早稻在生育后期維持較高的葉綠素含量。

圖5 施用氮肥增效劑對(duì)葉綠素相對(duì)含量（SPAD）的影響

2.6 施用氮肥增效劑對(duì)早稻產(chǎn)量的影響

由表2可知，相對(duì)于常規(guī)施肥處理，施用氮肥增效劑的3個(gè)處理的水稻產(chǎn)量均有不同程度的提高，其中穗肥+增效劑處理的產(chǎn)量最高，為7.73 t/hm2，顯著高于常規(guī)施肥處理和基、穗肥+增效劑處理，較常規(guī)施肥處理增產(chǎn)6.04%。結(jié)果表明在穗肥中增施氮肥增效劑對(duì)早稻產(chǎn)量的提升效果最為明顯。

表2 施用氮肥增效劑對(duì)早稻產(chǎn)量的影響

2.7 施用氮肥增效劑對(duì)氮肥偏生產(chǎn)力的影響

由圖6可知，在4個(gè)處理中穗肥+增效劑處理的氮肥偏生產(chǎn)力最高，為42.93 kg/kg，顯著高于常規(guī)施肥處理?；?增效劑處理和基、穗肥+增效劑處理與常規(guī)施肥處理相比，氮肥偏生產(chǎn)力有所提高，但差異均未達(dá)到顯著水平。

圖6 施用氮肥增效劑對(duì)氮肥偏生產(chǎn)力的影響

3 討論與結(jié)論

水稻籽粒中2/3以上的干物質(zhì)是在開(kāi)花后通過(guò)光合作用積累的，而葉片是水稻進(jìn)行光合作用最主要的器官。由于葉片衰老會(huì)導(dǎo)致光合作用強(qiáng)度下降，因此水稻葉片在灌漿結(jié)實(shí)期的衰老快慢會(huì)影響水稻的產(chǎn)量［22］。延緩水稻葉片衰老有助于提高產(chǎn)量。

植物在長(zhǎng)期的進(jìn)化系統(tǒng)中，細(xì)胞內(nèi)形成了防御活性氧、自由基毒害的保護(hù)機(jī)制，其中起主要作用的是活性氧清除系統(tǒng)，維護(hù)植物體內(nèi)細(xì)胞正常的生理代謝和生化反應(yīng)［23］。CAT、POD和SOD是活性氧清除系統(tǒng)中重要的保護(hù)酶，它們能有效阻止高濃度氧的快速積累，防止膜脂的過(guò)氧化作用，延緩植物的衰老。朱誠(chéng)等［22］研究表明，水稻葉片細(xì)胞內(nèi)活性氧代謝的失調(diào)，即保護(hù)酶活性的降低和活性氧的增加是水稻結(jié)實(shí)期葉片衰老的原因之一。袁穎紅等［24］研究認(rèn)為水稻灌漿期葉片的SOD、POD和CAT活性與產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)。在本研究中，施用氮肥增效劑的3個(gè)處理較常規(guī)施肥處理能夠顯著提高齊穗后20 d的CAT活性、齊穗期至齊穗后10 d的POD活性以及齊穗期的SOD活性，表明施用氮肥增效劑能夠延緩葉片衰老，從而提高產(chǎn)量，這與前人的研究結(jié)果一致。MDA來(lái)自不飽和脂肪酸的降解，由植物體內(nèi)自由基引發(fā)而產(chǎn)生，是膜脂過(guò)氧化作用的最終產(chǎn)物，被作為檢測(cè)膜系統(tǒng)是否受損的重要指標(biāo)之一［25］。本研究發(fā)現(xiàn)，在齊穗后20 d，施用氮肥增效劑的3個(gè)處理的MDA含量顯著低于常規(guī)施肥處理，可見(jiàn)施用氮肥增效劑后水稻生育后期植株體內(nèi)相關(guān)的酶促保護(hù)系統(tǒng)對(duì)MDA產(chǎn)生的抑制能力增強(qiáng)。

葉綠素含量是反映植株生長(zhǎng)狀況和葉片光合能力的重要指標(biāo)，葉綠素含量下降、葉片黃化是葉片開(kāi)始衰老最明顯的特征［24］。陳溫福等［26］研究表明，水稻幼穗分化期和灌漿期后葉綠素含量與干物重呈顯著正相關(guān)，保持后期較高的葉綠素含量有助于提高產(chǎn)量［27］。從圖5中可以看出，施用氮肥增效劑的3個(gè)處理在各時(shí)期的SPAD值均高于常規(guī)施肥處理。由此可見(jiàn)，施用氮肥增效劑可以提高水稻灌漿結(jié)實(shí)期的葉綠素含量，有助于延緩水稻葉片衰老，延長(zhǎng)水稻葉片的光合功能期［28］。水稻的灌漿結(jié)實(shí)是葉片光合作用合成的糖類(lèi)物質(zhì)運(yùn)輸?shù)阶蚜：铣傻矸鄣倪^(guò)程［29］，目前已明確施用氮肥增效劑能夠延長(zhǎng)水稻葉片的光合功能期，但其對(duì)葉片光合作用和糖類(lèi)物質(zhì)合成與轉(zhuǎn)運(yùn)的影響尚不清楚，有待進(jìn)一步研究。

綜上所述，與常規(guī)施肥相比，DCD和HQ作為氮肥增效劑配合施用有助于提高水稻生育后期葉片葉綠素含量和保護(hù)酶活性，增強(qiáng)葉片組織保護(hù)能力，延緩葉片衰老進(jìn)程，延長(zhǎng)葉片光合功能期，進(jìn)而促進(jìn)水稻增產(chǎn)，提高氮肥利用率。