史超超，馮美臣，沙之敏，曹林奎

（1山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，山西太谷 030801；2上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院，上海 200240）

施肥方式對(duì)水稻穗期葉片氮代謝的影響

史超超1，2，馮美臣1，沙之敏2，曹林奎2

（1山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，山西太谷 030801；2上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院，上海 200240）

以雜交粳稻‘花優(yōu)14’為材料，研究化肥配施有機(jī)肥對(duì)水稻穗期氮代謝的影響。結(jié)果表明：化肥配施有機(jī)肥處理穗期水稻葉片SPAD值和含氮量，植株干物質(zhì)積累量和氮素積累量均顯著高于對(duì)照和有機(jī)肥處理，與化肥處理差異不顯著。功能葉氮代謝酶活性抽穗期均高于孕穗期，且兩個(gè)時(shí)期處理間變化趨勢一致，其中抽穗期谷氨酸合酶（GOGAT）與各氮素相關(guān)指標(biāo)均呈極顯著正相關(guān)?；逝涫┯袡C(jī)肥處理的產(chǎn)量最高，達(dá)到8 537.44 kg/hm2，顯著高于有機(jī)肥處理和不施肥處理，較化肥處理提高3.27%。綜合可見，化肥配施有機(jī)肥可以維持水稻穗期旺盛的氮代謝。

水稻；SPAD；化肥配施有機(jī)肥；氮代謝酶

水稻是中國三大糧食作物之一，在糧食生產(chǎn)中一直占據(jù)重要的地位。長期以來，化肥的過量、不平衡投入不僅增加了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，同時(shí)也給環(huán)境帶來了沉重負(fù)擔(dān)。畜禽糞便中含有大量的有機(jī)質(zhì)及作物生長所必需的元素，經(jīng)過處理后配合化肥適量施入稻田對(duì)改善農(nóng)田土壤性狀，提高水稻產(chǎn)量及保護(hù)環(huán)境均具有重要的意義［1-3］。近年來，為了切實(shí)推進(jìn)化肥減量工作，上海市農(nóng)委制定了一系列有利于商品有機(jī)肥推廣的方案。研究表明［4-5］，配施有機(jī)肥料能夠提高土壤礦質(zhì)氮含量，改善土壤供氮特性，同時(shí)可以促進(jìn)作物生育后期干物質(zhì)和氮素的積累，提高氮肥利用率。關(guān)于氮代謝的研究均指出施氮能增加水稻功能葉中硝酸還原酶、谷氨酰胺合成酶、谷氨酸合成酶和谷氨酸脫氫酶的活性，且酶活性最高幾乎均出現(xiàn)在穗期，其中氮代謝關(guān)鍵酶活性的強(qiáng)弱與水稻產(chǎn)量和氮效率密切相關(guān)［6-7］。目前，有許多施用有機(jī)肥的長期定位試驗(yàn)，但是主要集中在施用有機(jī)肥對(duì)土壤肥力、土壤微生物和作物產(chǎn)量等方面的研究［8-11］，而很少有關(guān)于施用有機(jī)肥對(duì)植株中氮代謝酶活性的研究。穗期是水稻生長過程中重要的生育時(shí)期，這段時(shí)期土壤中氮素供應(yīng)狀況、植株中氮素積累量及功能葉酶活性的強(qiáng)弱關(guān)系著氮素的轉(zhuǎn)化利用，最終影響著水稻的產(chǎn)量。因此，研究施肥方式對(duì)水稻穗期氮代謝的影響很有必要。本研究通過探討不同施肥方式下水稻穗期功能葉氮素相關(guān)指標(biāo)、氮代謝酶活性、植株干物質(zhì)積累的變化特征以及它們之間的相關(guān)性，以期為稻田科學(xué)的施肥管理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2015年6—11月在上海市青浦區(qū)農(nóng)田水利技術(shù)推廣站測坑定位試驗(yàn)田進(jìn)行。測坑試驗(yàn)裝置長、寬、高分別為3 m、2 m、3 m，設(shè)有底座，采用原狀土回填。該地區(qū)氣候類型為亞熱帶潮濕型季風(fēng)氣候，年平均溫度為15.6℃，年平均降雨量為1 178.2 mm，2015年降雨量為1 308.3 mm。試驗(yàn)地土壤類型為脫潛型水稻土，屬重壤土，最初土壤性質(zhì)相同，自2009年開始以稻麥輪作種植制度為主的定位施肥試驗(yàn)，稻季施肥，麥季不施肥。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)處理，分別是空白處理（CK）、化肥處理（CT）、化肥配施有機(jī)肥處理（MT）和有機(jī)肥處理（OT），每個(gè)處理3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排，本次水稻移栽前各取0—20 cm耕層土壤測定土壤理化性質(zhì)（表1）?？瞻滋幚聿皇┤魏畏柿?，其余施肥處理純氮量相等，施N量300 kg·hm－2；化肥處理和化肥配施有機(jī)肥處理施等量磷，P2O5施用量為60 kg·hm－2，鉀肥僅化肥處理施用，K2O施用量為60 kg·hm－2。所用化學(xué)肥料為尿素（46%N）、過磷酸鈣（17.5%P2O5）和氯化鉀（60%K2O）；有機(jī)肥為商品有機(jī)肥（上海市森農(nóng)環(huán)保有限公司提供），含N 1.4%、P2O52.3%、K2O 2.6%?；逝涫┯袡C(jī)肥處理按80%尿素＋20%有機(jī)肥（純氮比）施入，所有處理磷肥、鉀肥及有機(jī)肥均作基肥一次性施入，尿素分基肥和兩次追肥（比例為6∶2∶2）。

表1 試驗(yàn)前耕層土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Physical and chem ical characteristic of surface soils before experiment

1.3 測定項(xiàng)目和分析方法

分別在水稻孕穗期（2015年9月3日）和抽穗期（2015年9月10日），于9：00—10：00每坑選取24片有代表性的完全展開的頂一葉，用SPAD-502型葉綠素儀測定葉片中部（避開葉脈），3次重復(fù)，取平均值。同時(shí)，每坑取10片生長基本一致的主莖完全展開的頂葉，置于冰盒中取回，用蒸餾水洗凈、擦干，去除葉脈，剪碎混勻，用離體法［12］測定硝酸還原酶（NR）活性，酶活力以每小時(shí)每克鮮重中產(chǎn)生的NaNO2微克數(shù)（μg·h－1·g－1FW）表示；參照Lea等［13］的方法，用絡(luò)合物在540 nm處的吸光值變化來表示谷氨酰胺合成酶（GS）活性，單位△OD·h－1·g－1FW；參照Singh等［14］的方法測定谷氨酸合酶（GOGAT），酶活力用每小時(shí)每克鮮樣催化氧化的NADH微摩爾數(shù)（μmol·h－1·g－1FW）表示；谷氨酸脫氫酶（GDH）的測定參照葉利庭等［7］的方法。

在上述時(shí)期，另取代表性植株兩穴，去除根部，地上部分洗凈，莖葉穗分離，在80℃下烘干至恒重，稱重，各器官中氮含量經(jīng)H2SO4-H2O2消煮后，用凱氏定氮儀測定。另外，于水稻成熟后，每小區(qū)分別全部收割，脫粒，晾曬后稱重并計(jì)算實(shí)產(chǎn)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用Excel 2010軟件整理數(shù)據(jù)并作圖，SPSS 19.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對(duì)穗期水稻葉片SPAD和氮含量的影響

SPAD值表示葉綠素的相對(duì)含量，而氮素是葉綠素的主要組成物質(zhì)，所以葉片SPAD值與其含氮量之間有顯著相關(guān)關(guān)系［15］。由表2可知，在水稻穗期，葉片SPAD值和氮含量在4個(gè)處理間有一致的表現(xiàn)，均為CT、MT顯著高于OT、CK。另外，從孕穗期到抽穗期，除OT、CK的葉片SPAD值有所降低外，其余葉片SPAD值和氮含量均有所增加，且可以看出SPAD值和氮含量CT、MT較OT、CK增加明顯。綜上可知，單施有機(jī)肥對(duì)穗期葉片SPAD值和氮含量幾乎沒有什么影響，而在施用化肥后得到顯著提高。

表2 不同施肥處理下葉片SPAD值和氮含量Table 2 Leaf SPAD value and nitrogen content under different fertilizer treatment

2.2 不同施肥處理對(duì)穗期水稻植株干物質(zhì)積累量和氮素積累量的影響

從圖1可以看出，在水稻穗期，4個(gè)處理的水稻地上部植株干物質(zhì)積累量均為MT＞CT＞OT＞CK，且隨著生育期的推進(jìn)，均有所增加。其中，在水稻孕穗期，MT、CT和OT的干物質(zhì)積累量與CK相比，增幅分別為116.99%、96.29%和44.08%；到抽穗期時(shí)，增幅分別為77.32%、70.75%和30.52%，穗期MT、CT與OT差異不顯著，但顯著高于CK。對(duì)于氮素積累量，在水稻孕穗期MT、CT和OT分別較CK增加18144%、194.20%和44.65%；在抽穗期則分別增加157.51%、161.94%和38.88%，穗期MT和CT顯著高于OT和CK。綜上可知，與不施肥相比，單施有機(jī)肥雖然增加穗期水稻植株干物質(zhì)積累量和氮素積累量，但均未達(dá)顯著，而單施化肥和化肥配施有機(jī)肥均可以顯著增加穗期水稻植株干物質(zhì)積累量和氮素積累量。

圖1 施肥方式對(duì)水稻植株干物質(zhì)積累量和氮素積累量的影響Fig.1 Effect of different fertilizer treatments on the dry m atter accumulation of rice

2.3 不同施肥處理對(duì)穗期水稻葉片氮代謝酶活性的影響

2.3.1 葉片硝酸還原酶和谷氨酰胺合成酶活性

NR是氮代謝過程中的第一個(gè)酶，也是硝酸鹽同化過程中的限速酶。從圖2A可以看出，功能葉的NR活性在各個(gè)處理上均表現(xiàn)為抽穗期高于孕穗期，且兩個(gè)時(shí)期均為CT最高，其中，孕穗期4種處理間差異均不顯著；而抽穗期表現(xiàn)為CT最高，其次為MT與CK處理，OT最低。其中，CT與其他3個(gè)處理之間差異顯著。

圖2 施肥方式對(duì)NR和GS活性的影響Fig.2 Effect of fertilizer treatments on the activities of NR and GS

GS是處于氮代謝中心的多功能酶，在高等C3植物綠色組織中主要以GS2的形式存在，主要參與同化光呼吸及硝酸鹽還原產(chǎn)生的NH＋4，葉綠體GS2主要受光、NO－3、NH＋4等調(diào)節(jié)［16］。4種處理下，穗期功能葉GS活性均表現(xiàn)為CK顯著高于其他處理，且其他處理彼此之間差異不顯著（圖2B）。

2.3.2 葉片谷氨酸合酶和谷氨酸脫氫酶活性

GOGAT可以將谷氨酰胺和α-戊二酸轉(zhuǎn)變?yōu)?個(gè)分子谷氨酸，在GS/GOGAT循環(huán)中起著重要的作用，水稻葉片中主要以Fd-GOGAT的形式存在［11］。由圖3A可知，隨著生育期的推進(jìn)，GOGAT的活性均升高，且兩個(gè)時(shí)期均為CT、MT下GOGAT活性顯著高于OT和CK。

GDH在作物生育后期催化NH＋4合成谷氨酸過程中具有重要作用。兩個(gè)時(shí)期，GDH酶活性均表現(xiàn)為CT最高，MT最低。單獨(dú)來看，在孕穗期，處理彼此間差異不顯著；而抽穗期CT與MT顯著差異，主要是因?yàn)槊富钚栽贑K和CT下增長幅度較MT和OT快（圖3B）。

圖3 施肥方式對(duì)GOGAT和GDH活性的影響Fig.3 Effect of fertilizer treatm ents on the activities of GOGAT and GDH

2.4 葉片氮代謝酶與葉片SPAD值和氮含量、植株干物質(zhì)和氮素積累間的關(guān)系

水稻葉片中氮代謝酶參與氮素在植株體內(nèi)的轉(zhuǎn)化與利用。由表3可以看出，NR活性與SPAD值、葉片氮含量之間均顯著正相關(guān)，與干物質(zhì)積累量和氮素積累量相關(guān)不顯著；GS活性與各指標(biāo)均呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，除與葉片氮含量相關(guān)不顯著外，與其余指標(biāo)均顯著；GOGAT與各指標(biāo)間均呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)；GDH與各指標(biāo)均無明顯相關(guān)。

表3 葉片氮代謝酶與4個(gè)氮素相關(guān)指標(biāo)的關(guān)系Table 3 Correlation between N m etabolism enzym es and N related indicators

2.5 不同施肥方式對(duì)水稻產(chǎn)量影響

由圖4可知，水稻產(chǎn)量從高到低依次是MT＞CT＞OT＞CK。其中，MT與CT間差異性不顯著，但兩者均顯著高于OT，OT又顯著高于CK。與不施肥相比，施氮和有機(jī)肥均提高了水稻產(chǎn)量，CT、MT和OT分別較CK增產(chǎn)62.50%、67.81%和30.23%，MT增幅最大，產(chǎn)量最高，達(dá)到8 537.44 kg/hm2。

3 結(jié)論與討論

圖4 施肥方式對(duì)水稻產(chǎn)量的影響Fig.4 Effect of fertilizer treatments on rice yield

穗期是水稻營養(yǎng)生長和生殖生長最快的時(shí)期，且該時(shí)期水稻氮素營養(yǎng)狀況關(guān)系到最終產(chǎn)量的獲得［17］。本試驗(yàn)對(duì)穗期功能葉SPAD值和氮含量、植株干物質(zhì)積累量和氮素積累量的研究均發(fā)現(xiàn)，化肥配施有機(jī)肥和化肥處理顯著高于有機(jī)肥處理和不施肥處理，這與前人報(bào)道基本一致［18-19］。說明合理配施有機(jī)肥能夠保證水稻穗期旺盛生長。

葉利庭等［7］研究發(fā)現(xiàn)施氮均增加齊穗期NR、GS、GOGAT和GDH的酶活性。本試驗(yàn)條件下氮代謝酶活性抽穗期明顯高于孕穗期，其中NR活性均以化肥處理下最高；GS活性在不施肥處理下最高；GOGAT活性在化肥處理和化肥配施有機(jī)肥處理下均表現(xiàn)很高水平；GDH在不施肥處理下很高、化肥配施有機(jī)肥處理下最低。葉全寶等［20］研究發(fā)現(xiàn)NR活性在抽穗期時(shí)最大，且隨施氮量增加而增加，本研究中施肥處理控制等氮量，但是氮肥種類不一樣，氮素有效性不同，因此，處理間NR活性存在顯著差異，化肥處理因其速效氮釋放快，有較高的硝態(tài)氮供應(yīng)，所以NR活性最高。許多學(xué)者［6，21］研究發(fā)現(xiàn)施氮能夠提高葉片GS活性，且功能葉GS活性與各生育時(shí)期氮素積累量具有極顯著的正相關(guān)，而本研究中不施肥處理下GS活性最高，與大多結(jié)果不一致，而劉淑云等［22］研究發(fā)現(xiàn)不施肥處理玉米吐絲后葉片GS活性一直降低，但始終高于其他施肥處理，與本研究結(jié)果相似。抽穗期GOGAT活性在不同處理間呈現(xiàn)與SPAD、葉片氮含量、植株干物質(zhì)積累量和氮素積累量一樣的趨勢，相關(guān)分析表明，相關(guān)系數(shù)分別為0.814 、0.834 、0914 和0.936 ，均達(dá)到極顯著正相關(guān)。GDH在衰老過程中存在潛在作用［23］，本研究不施肥處理的GDH活性抽穗期約是孕穗期的4倍，增幅明顯高于其他處理，這可能預(yù)示著葉片衰老進(jìn)程加快。總體而言，作物氮代謝的活躍程度是在外界因素影響下對(duì)氮代謝酶影響后綜合作用的表現(xiàn)。因此，綜合來講，用20%的有機(jī)肥代替化肥可以維持水稻穗期旺盛的氮代謝，并獲得高產(chǎn)。

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（責(zé)任編輯：張睿）

Effects of fertilization method on nitrogen metabolism at spiking stage

SHIChao-chao1，2，F(xiàn)ENG Mei-chen1，SHA Zhi-min2，CAO Lin-kui2
（1College of Agriculture，Shanxi Agricultural University，Taigu 030801，China；2School of Agriculture and Biology，Shanghai Jiaotong University，Shanghai200240，China）

With‘Huayou14’as test material，a field experiment was conducted to study the effects of chemical fertilizer combined with organic manure on nitrogen metabolism at the spiking stage of rice.The results showed that SPAD value and nitrogen content of rice leaves，drymatter and nitrogen accumulation of rice ground plants with the treatment of MT（80%Urea plus 20%manure）were significantly higher than those of CK（no fertilizer）and OT（manure alone），but there was no significant difference between MT and CT（Urea alone）.The activities of nitrogen metabolism enzymes at the heading stage was higher than that at the booting stage，and the changes among treatmentswere consistent，there was a significant positive correlation between glutamate synthase（GOGAT）and nitrogen-related indexes at the heading stage.The yield of MTwas the highest，reaching 8 537.4 kg/hm2，significantly higher than that of OT and CK，which was 3.27%higher than CT.On the whole，the application of chemical fertilizer combined with organic manure could maintain the strong nitrogen metabolism at the spiking stage of rice.

Rice；SPAD value；Chemical fertilizer combined with organic manure；Nitrogen metabolism enzymes

S511

：A

1000-3924（2017）02-026-05

10.15955j.issn1000-3924.2017.02.05

2016-10-28

國家星火計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（2015GA680004）；上海市科技興農(nóng)重點(diǎn)項(xiàng)目［滬農(nóng)科攻字（2015）第1-4號(hào)］

史超超（1991—），男，在讀碩士，研究方向?yàn)樽魑锷鷳B(tài)與信息技術(shù)。Tel：13753419290，E-mail：13753419290＠163.com

，E-mail：fmc101＠163.com