曹曉燕 武愛蓮 王勁松 董二偉 焦曉燕

（1山西大學生物工程學院，030006，山西太原；2山西農業(yè)大學（山西省農業(yè)科學院）資源環(huán)境學院，030031，山西太原）

氮是作物生長過程中最重要的元素之一，植物吸收的氮素被同化酶硝酸還原酶（NR）、亞硝酸還原酶（NiR）、谷氨酰胺合成酶（GS）和谷氨酸合成酶（GOGAT）合成同化后形成蛋白質、核酸和其他產物（酶、次生代謝產物和細胞膜組成成分），維持作物生長[1]。施氮是農業(yè)生產中提高作物產量以滿足世界日益增長的人口對糧食需求的主要手段[2]。1994年以來我國每年氮肥（純氮）施用量達2×107t以上，居世界之首，但氮肥利用率僅為30%～35%，遠低于世界40%～60%的平均利用率[3]。據估計，到2050年世界氮肥需求量將從2020年的1.35億t進一步增長到2.36億t，而其中50%～70%的氮會從植物-土壤系統中流失[4-6]，過量施氮也會造成嚴重的環(huán)境問題[7]。在保證作物產量和品質的情況下，降低施氮量和提高作物氮素利用效率對于保障糧食安全、應對環(huán)境退化和氣候變化至關重要[8-9]。

高粱（Sorghumbicolor）是我國重要的禾谷類作物之一，被廣泛應用于飼料、釀造、生物質能源以及食品加工等領域[10]，也是非洲國家的主要糧食作物，具有較強的抗旱及耐鹽堿等特性[11]。高粱根系能夠分泌具有硝化抑制特性的化合物[12-14]，調節(jié)土壤中氨氧化古菌（AOA）和細菌（AOB）的種群，這可能導致高粱對施氮量的響應不敏感[15]；缺氮通過影響籽粒千粒重和穗粒數影響高粱產量，同時會提高氮肥利用效率[16]；在一定施氮量范圍內植株氮積累量隨施氮量增加而增加[17]；施氮狀況也影響植物不同階段氮素吸收及營養(yǎng)器官氮素轉運效率[18]，但尚不清楚氮素缺乏程度對高粱體內氮素累積、轉運、利用及產量構成的調控效應。

淀粉含量是谷物籽粒的重要品質之一。以前的研究發(fā)現土壤肥力對高粱籽粒淀粉含量影響較小，但施氮量過大會降低籽粒淀粉含量[19]；高粱葉鞘是硝態(tài)氮貯存的主要部位，供氮水平會明顯影響葉鞘中硝態(tài)氮含量[20]；硝態(tài)氮通過調節(jié)硝酸還原酶，抑制ADP-葡萄糖焦磷酸酶（AGPase）的調節(jié)亞基，從而影響淀粉的合成[21]。本研究通過盆栽控制施氮量，旨在明確施氮量對高粱體內氮素累積狀況、氮素轉運與利用、籽粒淀粉形成和淀粉產量的影響，為實現高粱增產、優(yōu)質和氮肥高效利用的氮素管理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

盆栽試驗于2019年7月至11月在山西省農業(yè)科學院創(chuàng)新基地連棟溫室內進行。供試品種為山西省農業(yè)科學院高粱研究所培育的“汾酒粱1號”。供試土壤為褐土，質地為壤土，土壤養(yǎng)分含量為有機質11.3g/kg，全氮0.6g/kg，硝態(tài)氮12.82mg/kg，有效磷3.6mg/kg，速效鉀146.63mg/kg，pH 8.55，電導率226.24μS/cm，土壤風干過5mm篩后混合均勻備用。試驗塑料盆高19.0cm，上部和底部直徑分別為27.0cm和14.0cm，每盆裝土8.7kg。

1.2 試驗設計

設6個處理，分別為施氮水平0、0.05、0.1、0.2、0.4和0.6g/kg（風干土），分別表示為N0、N1、N2、N3、N4和N5，所有處理P2O5和K2O的施用量均為0.2g/kg（風干土），氮、磷及鉀分別以尿素、過磷酸鈣和硫酸鉀的形式施入，50%氮基施，其余氮在拔節(jié)期前追施，每個處理22次重復。

高粱于7月13日播種，每盆播種15粒，出苗后13d（4葉期）每盆留苗5株，出苗后16d（5葉期）每盆定苗3株，11月22日收獲，出苗至收獲共131d。生育期內各盆隨機排列，盆間距為80cm，每3d挪動一次，避免邊際效應。

1.3 調查采樣方法

分別于出苗后36、65、87、108和131d（分別為拔節(jié)期、挑旗期、穗花期、灌漿期和成熟期）調查地上部干物質累積量；在拔節(jié)期、挑旗期、穗花期和灌漿期調查可見綠葉葉片的葉面積和最新展開葉片的SPAD值；在拔節(jié)期、穗花期和灌漿期采集葉鞘，于65℃烘至恒重粉碎過0.25mm篩，用于硝態(tài)氮含量的測定；在穗花期和成熟期采樣后，將植株分為莖稈、穗和籽粒，于105℃殺青后在65℃烘干至恒重，粉碎后用于測定氮含量，其籽粒還用于測定淀粉和單寧含量；成熟后每盆單獨收獲測產，測量千粒重。每次采樣4盆。

1.4 測定方法

采用葉綠素儀（日產SPAD-502）測定SPAD值；采用H2SO4消煮，用凱氏定氮儀測定植株氮含量；莖基部和葉鞘中硝態(tài)氮測定方法為稱取樣品1.5g，加入2mol/L KCl 100mL浸提，振蕩15min，用流動連續(xù)分析儀（Auto Analyzer3-AA3）測定硝態(tài)氮含量[22]；用CaCl2溶液分散，采用旋光法測定籽?？偟矸酆縖23]；用75%二甲基甲酰胺溶液浸提避光保存的粉碎籽粒，采用紫外可見分光光度計比色法測定籽粒單寧含量[24]。

1.5 數據處理與分析

采用以下公式計算相關指標[25-27]，葉面積（cm2）=葉片長（cm）×寬（cm）×0.75；某器官氮累積量（mg/kg）=某器官全氮含量×該部位生物量；氮轉運率（%）=（開花期營養(yǎng)器官氮累積量?收獲期營養(yǎng)器官氮累積量）/開花期營養(yǎng)器官氮累積×100；氮素利用效率（%）=（施氮處理氮素積累量?不施氮處理氮素積累量）/施氮量×100；氮肥偏生產力（g/g）=籽粒產量/施氮量；氮素生理利用效率（physiological nitrogen use efficiency，PNUE，%）=[施氮處理籽粒產量（g/盆）?不施氮處理籽粒產量（g/盆）]/[施氮處理地上部養(yǎng)分吸收量（g/盆）?不施氮處理地上部養(yǎng)分吸收量（g/盆）]。

采用Excel 2007進行數據處理、分析和作圖，利用SPSS軟件進行方差分析和回歸擬合分析，每個特征值用平均值±標準誤差表示。

2 結果與分析

2.1 施氮量對高粱生長、產量及品質的影響

由圖1可知，施氮量顯著影響了高粱生育期的干物質累積，N0干物質累積量最低，其次為N1和N5，N2、N3和N4的干物質累積量較高。在拔節(jié)期N0和N5的單株葉面積最低，其次為N4，N1、N2和N3之間差異不顯著（P＜0.05）；隨生育期推進，N3和N4的單株葉面積最高（圖2）。就最上部展開葉的SPAD值來看，N0最低，N2、N3和N4的SPAD值最高（圖2）。

圖1 施氮量對高粱干物質累積量的影響Fig.1 Effects of N fertilization on dry matter accumulation in sorghum

圖2 施氮量對單株葉面積和SPAD值的影響Fig.2 Effects of N fertilization on leaf area per plant and SPAD in sorghum

表1表明，施氮量顯著影響了千粒重、穗粒數、籽粒產量及收獲指數。盆栽試驗籽粒產量取決于穗粒數和千粒重，N4條件下千粒重最高，達28.80g；N3處理的穗粒數最高，為545.10粒，其次為N2；N3處理籽粒產量最高，其次為N4和N2處理；N3處理的收獲指數最高，達49.51%，其次為N2。N0處理的千粒重、穗粒數、籽粒產量及收獲指數均顯著低于其他處理。

表1 施氮量對高粱產量和收獲指數的影響Table 1 Effects of N fertilization on grain yield and harvest index of sorghum

表2表明，施氮量影響高粱籽粒的單寧含量，隨施氮量的增加籽粒單寧含量降低，N4處理最低，說明氮脅迫也提高籽粒單寧含量。施氮量也影響籽粒淀粉含量，N1處理的淀粉含量最高，達73.7%，隨施氮量的增加淀粉含量降低；N4單粒淀粉產量最高，N3處理的淀粉總產量最高。籽粒蛋白質含量隨施氮量增加而增加，N4處理的單籽粒蛋白質產量最高，N3和N4處理籽粒蛋白質總產量最高。

表2 施氮量對高粱籽粒品質的影響Table 2 Effects of N fertilization on quality of grain yield of sorghum

2.2 施氮量對高粱各部位氮含量、氮累積量、氮轉運及氮利用的影響

植物體葉鞘是硝態(tài)氮儲存器官，葉鞘中硝態(tài)氮的運轉和再利用影響著高粱籽粒產量。對挑旗期、穗花期和灌漿期高粱葉鞘硝態(tài)氮含量（表3）分析表明，隨施氮量增加，葉鞘中硝態(tài)氮含量增加；挑旗時N0、N1和N2葉鞘硝態(tài)氮含量沒有差異，含量為34.5～63.2mg/kg；灌漿期N0、N1、N2和N3葉鞘中硝態(tài)氮含量沒有顯著差異，含量為29.6～56.3mg/kg，N4和N5的硝態(tài)氮含量分別高達2800.0和6804.4mg/kg，說明氮過量供給導致葉鞘硝態(tài)氮過量累積。

表3 施氮量對葉鞘中硝態(tài)氮含量的影響Table 3 Effects of N fertilization on NO3--N concentration in leaf sheaths mg/kg

由表4可知，施氮量顯著影響穗花期高粱莖葉和花穗中氮含量（P＜0.05），隨施氮量的增加莖葉中氮含量增加，N5莖葉中氮含量是N0的3倍，N0與N1處理間差異不顯著；N5花穗中氮含量是N0的1.5倍，N2、N3、N4和N5處理對花穗中氮含量沒有顯著影響，施氮對莖葉中氮含量的影響比對花穗的影響更明顯。收獲時N0、N1、N2和N3處理莖葉中氮含量降低，而N4和N5氮含量較高，分別為8.71和12.10g/kg；N0、N1和N2對籽粒和穗芯中氮含量影響不顯著（P＜0.05），N3處理籽粒和穗芯中氮含量明顯減少（P＜0.05）。

表4 施氮量對各器官中氮含量的影響Table 4 Effects of N fertilization on N concentration in different parts of sorghum g/kg

由圖3可知，在花期隨施氮量增加，氮素總累積量增加，N3和N4處理氮的累積量達到最高，N5處理顯著下降；N3處理穗部的氮素累積量最高，其次為N2和N4處理，N0處理最低。收獲時N4和N3氮素總累積量最高，其次為N5和N2；各施氮處理顯著影響了莖葉、穗芯和籽粒中氮素累積量，其中對籽粒的氮素累積量更明顯，N0氮素累積量僅為63.3g/盆，N3和N4處理籽粒氮素累積量分別為641.1和645.2g/盆，N1、N2、N3、N4和N5籽粒的氮素累積量分別是N0的3.6、6.0、10.1、10.2和7.1倍。

圖3 施氮量對各部位氮素累積的影響Fig.3 Effects of N fertilization on nitrogen accumulation in different positions

籽粒中的氮一部分來自花期后植物從土壤中的吸收，另一部分則是從營養(yǎng)器官向生殖器官的轉運。

由表5可知，N0的氮轉運率量最低，N3和N4的轉運量最高，達470～490mg/盆；N0和N5從營養(yǎng)器官轉運的氮素占籽粒中氮的累積量約為50%，其他處理為67%～76%；施氮量也顯著影響了營養(yǎng)器官的氮素轉運率，N0和N5的氮素轉運率約為40%～44%，N3的轉運率最高，達76%左右。

表5 施氮量對莖葉向籽粒氮轉運的影響Table 5 Effects of N fertilization on N translocation from leaf and stem to grain

由表6可知，施氮量還顯著影響了氮肥利用效率，隨氮用量增加，氮利用效率和氮的生理利用效率顯著降低（P＜0.05），N1、N2和N3氮利用效率在40%～50%，而N5的氮利用效率僅為12%左右；施氮量也顯著影響氮偏生產力，N1最高，其次為N2和N0，N5處理的氮偏生產力最低。

表6 施氮量對氮利用的影響Table 6 Effects of N fertilization on N utilization efficiency

2.3 植株氮狀況與產量和籽粒淀粉形成關系分析

從籽粒產量、淀粉產量和淀粉含量與莖葉氮含量關系（圖4）可以看出，花期莖葉中氮含量為0.6%～0.7%時淀粉含量最高，莖葉中氮含量為1.2%左右，籽粒產量和淀粉產量最高。而在收獲期莖葉含量為0.4%時籽粒淀粉含量最高，0.6%～0.7%時籽粒產量和淀粉含量最高。

圖4 籽粒淀粉含量、籽粒產量及淀粉產量對莖葉氮含量的響應Fig.4 The response of grain starch content, grain yield and starch yield to the nitrogen content of shoot

施氮量明顯影響挑旗期、花期和灌漿期葉鞘中硝態(tài)氮含量（圖5），3個時期均表現出葉鞘硝態(tài)氮含量為27.0～35.4mg/kg時粒籽淀粉含量最高；挑旗期、花期和灌漿期葉鞘硝態(tài)氮含量為1903、756和46mg/kg時籽粒產量和淀粉含量最高。

圖5 籽粒淀粉含量、籽粒產量及淀粉產量對葉鞘硝態(tài)氮含量的響應Fig.5 Response of grain starch content, grain yield and starch yield to nitrate content in leaf sheath

由表7和表8可知，在花期和收獲期，籽粒產量、籽粒淀粉含量和淀粉產量與莖葉中全氮含量均呈指數關系，達極顯著水平（P=0.000）；籽粒淀粉含量與拔節(jié)期、花期和灌漿期葉鞘中硝態(tài)氮含量呈顯著的回歸關系（P=0.000），籽粒產量和淀粉產量與3個時期葉鞘中硝態(tài)氮含量的決定系數R2較低。

表8 籽粒產量、淀粉含量和淀粉產量（y）與葉鞘硝態(tài)氮含量（x）的關系Table 8 Relationship between grain yield, starch content and starch yield with NO3--N concentration in leaf sheaths

3 討論

3.1 施氮量對高粱生長、產量與品質的影響

氮是植物生長必需的大量營養(yǎng)元素，缺氮和氮過量均會限制高粱生長。盡管施氮量0.60g/kg處理在后期的葉面積和SPAD值高于施氮量0.05g/kg，但沒有影響地上部生物量，二者生物量均低于施氮量0.10、0.20和0.40g/kg處理的生物量。與前人的研究結果相一致[28]，缺氮和氮過量會降低單穗籽粒數和千粒重；已有報道表明莖基部和葉鞘的硝態(tài)氮含量可以反映供氮狀況[20，22]，硝態(tài)氮能夠誘導細胞分裂素合成基因IPT3和CYP735A的表達[29]，細胞分裂素通過調節(jié)控制植物頂端的分裂進而會影響籽粒形成[30]。本研究發(fā)現供氮狀況與葉鞘硝態(tài)氮含量關系密切，挑旗、穗花和灌漿3個時期N4和N5處理葉鞘硝態(tài)氮含量均較高，而產量最高的N3處理葉鞘硝態(tài)含量與生育期有關，在灌漿期降至與N0、N1和N2處理的含量相當，說明拔節(jié)期和穗花期硝態(tài)氮含量過高（＞2000mg/kg）也會降低籽粒淀粉形成和千粒重。

淀粉、單寧及蛋白質含量是高粱籽粒的重要品質。與以前研究結果一致，即施氮降低了籽粒淀粉含量[15]；但本試驗N0處理籽粒淀粉含量明顯低于N1，這可能是由于本試驗條件下土壤氮脅迫更為明顯的緣故，為此氮素相當缺乏的情況下也會降低籽粒的淀粉含量，但淀粉產量受籽粒產量和籽粒含量共同影響和作用。已有研究表明，水脅迫、氮脅迫及水氮互作脅迫會促進高粱籽粒中單寧含量[15]，本試驗進一步證實了缺氮會提高高粱籽粒單寧含量，但過量的氮對單寧形成與累積影響不明顯；施氮量明顯影響籽粒蛋白質含量[31]，雖然籽粒的淀粉含量增加伴隨蛋白質的含量降低[15]，N3處理淀粉產量和蛋白質產量均達到最大，為此通過氮調控能夠實現淀粉產量和蛋白質產量二者的最大化。

3.2 施氮量與氮素的利用和轉運

氮素在植物體內移動性較高[32]。籽粒中的氮素一方面來自花后氮素的吸收，另一方面主要來自生育后期營養(yǎng)體中氮素的重新分配[33]，在確保生長和籽粒產量的條件下，從營養(yǎng)器官轉運的氮占到籽粒氮素的70%以上，因而較強的氮素轉移再分配能力對保證作物生育后期的氮素需要，實現作物的高產高效至關重要[34]。N3處理營養(yǎng)器官氮轉運量最高，這可能是N3處理灌漿期葉鞘硝態(tài)氮含量及收獲期莖葉全氮含量明顯下降的主要原因；N4和N5處理氮素奢侈吸收，收獲時秸稈中較高的氮含量提高了秸稈氮素殘留。谷物籽粒也是提供蛋白質的重要途徑之一，適宜的施氮量（N3）能夠獲得較高產量和籽粒蛋白質含量，使秸稈中的氮低殘留。

3.3 植株體內氮與單寧、淀粉含量關系

植物根系吸收的硝態(tài)氮通過一系列同化酶（如硝酸還原酶、亞硝酸還原酶、谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合成酶）的作用形成氨基酸和含氮分子維持植物生長[35]；硝態(tài)氮不僅影響氮同化酶的活性，也會影響葉片光合作用和碳水化合物的同化[36]；碳同化產物提供ATP用于氮的同化；葉片中同化物的含量、存在形式及分配對植物的籽粒形成具有決定性的作用，與植株生長和產量密切相關[37]；碳氮耦合有利于獲得高氮利用效率和產量[38]。有研究表明，玉米缺氮促進糖分累積，過量糖分累積會轉化為花青素和有機酸等次生代謝產物[31]，單寧是高粱特有的一種次生代謝產物[39]，缺氮促進了單寧的累積。淀粉形成受調控生長的因素影響，玉米在缺氮條件下會積累大量的糖分[29]，淀粉作為籽粒中主要非結構碳水化合物，缺氮促進了高粱籽粒的淀粉累積，無論是莖葉中全氮含量（R2=0.626～0.854，P=0.000），還是3個時期的葉鞘中硝態(tài)氮含量均與籽粒淀粉含量（R2=0.532～0.724，P=0.000）呈顯著回歸關系，仍有必要進一步研究，以明確缺氮調控籽粒淀粉形成和分配機制。

4 結論

施氮量影響氮素從高粱營養(yǎng)器官向籽粒的運轉，適宜的施氮量使氮轉運率高，也有利于籽粒產量的形成；適宜施氮量表現出隨生育期進程葉鞘中硝態(tài)氮含量和營養(yǎng)體中氮含量持續(xù)降低，與低氮處理相當，才能獲得較高產量和氮肥利用效率；低氮脅迫影響了籽粒發(fā)育，提高了籽粒單寧和淀粉含量，降低了蛋白質含量，高氮脅迫對籽粒單寧及淀粉含量沒有顯著影響。盡管獲得最高產量的供氮處理淀粉和蛋白質含量較低，但籽粒淀粉和蛋白質的總產量最高，故仍可以達到高產和氮肥高效利用，可據此指導高粱氮肥養(yǎng)分管理。