张静静，白由路，杨俐苹，卢艳丽，王 磊，李 格，张银杰

（中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/农业部植物营养与施肥重点开放实验室，北京 100081）

施肥是提高作物产量的有效措施。但是，随着化肥用量的增加，化肥的负面作用日益显现，如何在减少化肥用量的同时，保证粮食安全和环境安全成为社会关注的重点[1-3]。通过使用肥料增效剂来提高化肥利用率、增加作物产量、保证环境安全越来越受到人们的重视[4-6]。γ-聚谷氨酸 (γ-poly glutamic acid，γ-PGA) 是一种经微生物发酵，由L-谷氨酸或D-谷氨酸单体经α-氨基和γ-羧基缩合形成酰胺键连接而成的高分子阴离子聚合物[7]。γ-PGA 聚合链上含有大量游离的羧基、酰胺键等，这一独特的结构，使其具有强吸水性、保水性、良好的生物降解性、较强的吸附性等优良性能，在日化、轻工业、医药、食品、农业等众多领域被广泛应用[8-11]。近年来，γ-PGA 在农业上的应用研究也越来越多，主要作为农药缓释剂、抗旱保水剂、阳离子螯合剂、肥料增效剂等[12-14]。有研究认为γ-PGA 具有节肥、增产和提高品质等功效[15]。施用γ-PGA 能有效增加水稻土中无定形氧化铁和络合态铁含量，显著活化铁氧化物，有利于提高土壤中有效铁含量[16]。褚群等[17]研究表明，γ-PGA 添加到基质能增强其速效养分供应能力，促进番茄茎叶生长。黄巧义等[18]研究发现一次性淋施γ-PGA 能提高菜心的根系活力，促进菜心对养分尤其是中微量元素的吸收。也有研究证明尿素添加γ-PGA 提高油菜地上部鲜重，籽粒增产6.46%～11.0%[19]。此外，γ-PGA 浸种能促进烟草、绿豆等种子萌发，增加幼苗的株高、根长等[20-21]。γ-PGA 应用于蔬菜等作物的增产增效多有报道[22-25]，且多为土施或水培，对其在粮食作物特别是玉米上喷施效果及其作用机理的研究鲜有报道。此外，γ-PGA 可被微生物降解为谷氨酸供作物利用，故不能明确γ-PGA 增产增效的机理究竟是γ-PGA 大分子还是其分解产物谷氨酸在起主要作用。玉米是我国第一大粮食作物，播种面积稳居首位，每年玉米生产化肥的用量在化肥总消费量中占有相当大的比例[26]。本研究在常规施氮和减量30%施氮两种水平下，采用大田小区试验通过喷施γ-PGA 或谷氨酸，明确γ-PGA 在夏玉米上的应用效果，并探讨了γ-PGA 的作用机理，为γ-PGA 的科学使用提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验点概况

本研究于2017 年和2018 年6 月至10 月在河北省廊坊市万庄镇中国农业科学院国际农新技术产业园区 (116°35′19.51ʺE，39°35′51.75ʺN) 进行。该区属于黄淮海平原北部，土壤类型为潮土，质地偏砂，0—20 cm 土壤pH 为8.20、有机质含量5.93 g/kg、碱解氮70 mg/kg、有效磷25 mg/kg、速效钾100 mg/kg。

1.2 供试玉米品种及肥料

供试玉米品种为郑单958。供试氮肥为尿素 (N 46%)，磷肥为磷酸二铵 (N 18%、P2O546%)，钾肥为硫酸钾 (K2O 51%)。供试γ-聚谷氨酸剂型为液体，主要成分为γ-PGA (≥ 10 g/L)，由河南远东生物有限公司提供；谷氨酸为L 型谷氨酸，由国药集团化学试剂有限公司提供。

1.3 试验设计

试验采用随机区组设计，其中氮肥用量为2 个水平，即常规施氮 (180 kg/hm2)、减氮30% (126 kg/hm2)；设两种增效剂，即γ-PGA 和谷氨酸 (Glu)。每种类型设3 个喷施剂量:清水对照、低量37.5 g/hm2、高量150 g/hm2，共10 个处理，同一氮水平下γ-PGA 和Glu 共用一个清水对照。10 个小区完全随机排列，重复3 次。

大田试验常规施肥量按中国农业科学院国家测土施肥中心实验室的推荐施肥量，N 180 kg/hm2、P2O590 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2。施肥方式为沟施覆土，磷钾肥于玉米苗期一次性沟施，40%氮肥苗期沟施，60% 氮肥于大喇叭口期追施。小区面积32 m2，每区6 行，玉米行距60 cm，株距25 cm。γ-PGA 和谷氨酸溶液于玉米六叶期 (2017 年7 月13 日和2018 年7 月12 日) 喷施。其它田间管理措施与当地农民习惯一致。

1.4 测试项目及方法

分别于拔节期、大喇叭口期、开花吐丝期、灌浆前期、成熟期采集植株样品，每次随机取3 株，成熟期将茎叶和籽粒分开，105℃杀青30 min 后75℃烘干至恒重，称重后计算地上部干物质积累量；植株氮磷钾含量采用H2SO4-H2O2消煮，连续流动分析仪比色法测定氮磷含量，原子吸收分光光度法测定钾含量[27]。

成熟期实收产量，并进行考种。记录穗行数、行粒数、穗粒数、百粒重等性状。

1.5 指标计算与统计方法

氮 (磷、钾) 养分积累量 (kg/hm2) = 植株干物质积累量 × 氮 (磷、钾) 养分含量。

采用Microsoft Excel 2013 软件对试验数据进行处理，采用SAS 9.2 统计软件进行四因素统计分析。

2 结果与分析

2.1 γ-PGA 对夏玉米产量及构成因素的影响

由表1 中方差分析可知，夏玉米产量和穗粒数在不同年份间、不同增效剂及不同剂量间均达到显著差异 (P ＜ 0.05)。不同增效剂间比较，喷施γ-PGA 玉米产量显著高于喷施谷氨酸，且同一增效剂下不同剂量的夏玉米产量各异 (表2)。喷施γ-PGA低量和高量处理均显著高于清水对照，分别增产2.89%、3.25%，而两个剂量间差异不显著；而喷施谷氨酸的处理较清水对照增产均不显著，且显著低于高量γ-PGA 处理。通过对产量构成因素的分析可知，当喷施γ-PGA 时，穗粒数较清水对照均显著提高，而百粒重则在低量处理下显著增加，高量处理下增加不显著。可见，喷施γ-PGA 主要通过有效提高夏玉米穗粒数实现增产，且高剂量处理效果显著高于喷施谷氨酸处理，而喷施谷氨酸则没有明显增产效果。

在不同氮肥水平下，不同剂量的增效剂对玉米产量的影响表现不一 (表3)。在常规施氮水平下，喷施高量γ-PGA 具有显著的增产作用，增幅达3.42%，其穗粒数也显著提高，而在减氮30%水平下，喷施低量和高量γ-PGA 均显著增产，增幅分别达4.71%、3.07%，两剂量下穗粒数均有显著提高，而百粒重则在低量下有显著增加。两种氮肥水平下，喷施谷氨酸均没有明显的增产作用。可见，常规施氮量下喷施高量γ-PGA 通过提高穗粒数来提高产量，增产效果更好；减氮30%水平下喷施两种剂量均通过提高穗粒数实现增产，但低量处理还有效增加百粒重，增产幅度更大；且与常规施氮水平相比，减氮30%水平下γ-PGA 的增产效应更好。通过不同处理产量的比较可以看出，减氮30% 条件下喷施γ-PGA 处理 ＞ 常规施氮清水对照 ＞ 减氮30%清水对照，说明减氮30% 水平下喷施γ-PGA 可以达到减肥增效的目的。

表 1 试验年份、氮肥水平、增效剂和剂量四因素试验的方差分析 (F 值)Table 1 Variance analysis of four factors including year, N rate, synergist and dosage (F value)

表 2 增效剂不同剂量处理玉米的产量及构成因素Table 2 Yield and yield components of maize with different doses of synergists

在不同年份间，由于气候条件的差异，2018 年玉米产量普遍减产[28-29]，本试验2018 年夏玉米减产近20% (表3)，自然形成了高低两个玉米产量水平。由表3 可知，在高产条件下 (2017)，喷施γ-PGA 处理产量均有提高，其中高量处理与清水对照达显著差异，增产2.54%；通过不同剂量处理的产量构成分析表明，穗粒数和百粒重的增加均未达到显著水平，但穗粒数随喷施剂量的加大有增加趋势。而喷施谷氨酸处理没有显著的增产效果。当玉米产量较低时 (2018 年)，喷施低量和高量γ-PGA 处理均显著增产，增幅分别达4.37%、4.14%；通过不同剂量处理的产量构成因素分析，两种剂量下穗粒数均显著提高，且百粒重在低剂量下显著增加，高剂量下增加不显著，而两剂量间比较，产量及构成因素均未达显著差异。值得注意的是，在低产条件下 (2018)，喷施低量谷氨酸有显著的增产作用，增幅达3.40%，且其穗粒数可显著提高。可见与高产条件下相比，在低产条件下喷施不同剂量的γ-PGA 均有增产作用，且增效作用更大，且在低产下，低量谷氨酸也有一定的增产作用，但小于γ-PGA 的效果。

表 3 在不同氮水平下和不同年份下不同增效剂和剂量处理的玉米产量和构成因素Table 3 Yield and yield components of maize with different doses of synergists under different N rates and in different years

2.2 γ-PGA 对夏玉米干物质积累量的影响

玉米干物质积累总量和各生育阶段干物质积累方差分析结果表明 (表1)，γ-PGA 和谷氨酸处理间夏玉米干物质积累总量存在极显著的差异 (P ＜ 0.01)，而不同年份间及不同施氮水平间也存在显著差异 (P ＜0.05)。值得注意的是，虽然不同剂量间差异不显著，但不同增效剂及用量的互作存在极显著的差异(P ＜ 0.01)，表明不同增效剂及不同用量下对作物产量的影响存在明显的差异。

表4 结果表明，不同增效剂间，喷施γ-PGA 处理干物质积累总量显著高于谷氨酸处理。不同增效剂下的不同剂量间也存在差异，喷施低量和高量γ-PGA 处理的成熟期干物质积累量均显著高于清水对照，增幅分别为6.47%、4.57%，两剂量间无显著差异。分析各生育阶段的干物质积累可知，喷施γ-PGA 后，拔节期时夏玉米干物质积累量与清水对照间出现显著差异，随着生育进程的推进，喷施γ-PGA 两个剂量均显著提高大喇叭口期至开花吐丝期的干物质积累，且高量处理还显著提高开花吐丝期至灌浆前期的干物质积累，低量处理也可提高花后的干物质积累，但未达显著水平。而谷氨酸处理干物质积累总量略低于对照。可见喷施γ-PGA 能明显提高夏玉米干物质积累总量，其中低量处理主要促进大喇叭口期至开花吐丝期的干物质积累，高剂量处理主要促进大喇叭口期至灌浆前期的干物质积累，效果好于谷氨酸。

表5 结果表明，常规施氮水平下，喷施γ-PGA低量处理较清水对照干物质积累总量显著提高5.08%，而高量处理提高不明显，但两剂量间无显著差异。分析各阶段积累量可知，喷施γ-PGA 后，拔节期时夏玉米干物质积累量与清水对照间出现显著差异，低量处理的干物质积累在进入大喇叭口期后，在各个生育阶段内较对照均有增加，且在大喇叭口期至开花吐丝期阶段内达显著水平；高量处理则在开花吐丝期至灌浆前期有显著增加，在大喇叭口期至开花吐丝期也有增加，但未达显著水平。减氮30%水平下，喷施低量和高量γ-PGA 处理的干物质积累总量均显著高于清水对照，增幅分别为7.93%、6.48%。分析各生育阶段干物质积累可知，与清水对照相比，γ-PGA 低量处理的积累在拔节期 (Ⅰ) 时与清水对照间出现显著差异，至开花吐丝期前以及灌浆后均有提高，且在大喇叭口期至开花吐丝期均达显著性差异，而高剂量处理在拔节期至灌浆前期之间的各个阶段内均有增加，且在拔节期至大喇叭口期、大喇叭口期至开花吐丝期达显著性差异。两种施氮水平下，谷氨酸处理干物质积累总量均略低于清水对照。两种施氮水平下，喷施γ-PGA 处理均可提高夏玉米干物质积累总量，但均以低量喷施处理效果更好，且主要促进大喇叭口期至开花吐丝期夏玉米干物质积累，也可增加灌浆阶段的干物质积累，效果明显好于谷氨酸处理，且在减氮30%水平下增幅大于常规施氮水平。由此可见，在氮胁迫条件下，喷施γ-PGA对作物干物质积累量的影响大于非氮胁迫处理。

表 4 不同增效剂各剂量下玉米干物质积累量 (kg/hm2)Table 4 The dry matter accumulation of maize with different doses of synergists

表5 表明，在2017 年，喷施γ-PGA 处理干物质积累总量较清水对照显著提高5.38%～7.61%，且高剂量 ＞ 低剂量，两剂量间差异不显著，而在2018年，低量喷施γ-PGA 处理显著提高7.55%，高量处理增加不明显；由各阶段干物质积累可知，两年试验，喷施γ-PGA 后，拔节期两剂量处理干物质积累量均与对照出现显著差异，随着生育期推进，低剂量处理在大喇叭口期至开花吐丝期阶段内干物质有显著增加，而高量处理在年际间表现不一，2017年在进入灌浆期前均有增加，且在开花吐丝期至灌浆前期显著增加，而2018 年在开花吐丝前虽有增加但不显著。而两年试验，喷施谷氨酸处理干物质积累总量均表现为略高于或略低于对照。可见，低量喷施γ-PGA 均可明显提高干物质积累总量，且主要促进大喇叭口期至开花吐丝期的积累；而高剂量处理仅在2017 年明显提高干物质积累总量，主要促进夏玉米开花吐丝期至灌浆前期的干物质积累。

2.3 γ-PGA 对夏玉米养分积累量的影响

夏玉米氮磷钾养分积累总量的方差分析结果表明 (表1)，不同增效剂、剂量及二者之间的交互作用均对氮磷钾积累总量有极显著影响 (P ＜ 0.01)。不同增效剂间表现为喷施γ-PGA 显著高于谷氨酸处理，增幅分别达6.37%、11.56%、5.23%，且不同剂量在不同增效剂下表现各异 (表6)。喷施γ-PGA 处理的氮磷钾积累总量均显著高于清水对照，增幅分别达4.32%～7.68%、5.50%～11.38%、3.92%～5.69%，且低量处理显著高于高量处理；谷氨酸处理均略低于清水对照，但与对照差异不显著，而均显著低于γ-PGA 处理。可知，喷施γ-PGA 能明显提高夏玉米的氮磷钾养分积累总量，且效果好于谷氨酸。

常规施氮水平下氮磷钾积累量显著高于减氮30%水平 (P ＜ 0.01) (表7)。不同施氮水平下，增效剂和剂量的氮磷钾积累量变化趋势基本一致 (表7)。常规施氮水平下，喷施γ-PGA 处理的氮磷钾积累总量较清水对照分别显著增加5.20%～6.97%、7.29%～10.85%、3.48%～5.27%，剂量间差异不显著。减氮30%水平下，低量喷施γ-PGA 处理氮磷钾积累总量较清水对照分别显著增加8.42%、11.93%、6.12%，而高量处理的氮磷积累总量提高不明显，但钾积累总量则显著提高4.36%。两种施氮水平下，谷氨酸处理养分积累与对照无显著差异。两种施氮水平下，喷施低量γ-PGA 处理氮磷钾养分积累总量增幅更大，促进养分吸收的效果更好。

表 5 在不同氮水平下和不同年份下不同增效剂和剂量处理的玉米干物质积累量 (kg/hm2)Table 5 The dry matter accumulation of each synergist with different doses in different N rates and years

夏玉米氮磷钾积累总量在年际间存在极显著差异 (P ＜ 0.01) (表1)。与2017 年相比，2018 年磷钾积累量提高，增幅分别达4.11%、27.34%，氮素积累量下降5.40%，且不同增效剂和剂量在年际间表现不一 (表7)。在2017 年，喷施低量和高量γ-PGA 的氮磷钾积累总量较清水对照分别显著提高4.10%～6.11%、7.69%～8.30%、4.98%～5.75%，两剂量间无显著差异。2018 年，喷施低量γ-PGA 处理的氮磷钾积累总量较对照分别显著提高12.17%、14.28%、6.25%，高剂量处理下略高于对照，但未达显著性差异。两年试验下谷氨酸处理的氮磷钾积累总量均与对照无显著差异。

表 6 不同剂量增效剂的氮、磷、钾养分积累总量Table 6 Total accumulation of N, P and K in maize plants with different doses of synergists

3 讨论

3.1 γ-聚谷氨酸对作物的增产增效作用

前人研究表明，γ-聚谷氨酸作为新一代肥料增效剂使肥料利用率平均提高7%～12%，并使作物增产10%～25%[14-15]，且在节肥20%的情况下，水稻产量未受到影响[30]。本文研究从两年大田试验整体平均效应来看，喷施γ-PGA 有效提高夏玉米穗粒数而提高产量，显著增产2.89%～3.25%；常规施氮水平下，高量处理显著增产3.42%，减氮30%水平下低量和高量处理分别显著增产4.71%、3.07%，且减氮低量处理 ＞ 常规施氮 ＞ 减氮30%对照，这说明减氮30%水平下喷施低量γ-PGA 不仅可以缓解氮肥减施的减效作用还达到减肥增效的目的。这与刘端义等[30]、Xu 等[14]认为喷施γ-PGA 能达到减肥不减效的研究结果相一致。本研究发现在高产年份 (2017) 下，高量处理显著增产2.54%；低产年份 (2018) 下，低量和高量均显著增产分别达4.37%、4.14%。2018 年由于气候原因[28-29]，造成作物减产，可视为低产环境，而本研究中减氮30%的养分条件可视为低养分环境，这两种非正常环境条件一定程度上给作物生长造成胁迫，本研究发现在这两种非正常环境条件下，喷施γ-PGA 增产效果更好，两种喷施剂量均有明显的增产作用，且表现为低量喷施效果更好。而在正常环境条件下 (2017 年和常规施氮水平下) 均表现为高量喷施增产效果更好，低量喷施无明显效果。Xu等[14]、尹成红等[31]试验也表明在低养分条件下施用γ-PGA 效果更好。这表明在非生物胁迫下，γ-PGA 可能发挥更好的增产增效作用，具体的机制还需要进一步研究。

玉米干物质积累是产量形成的物质基础，从吐丝期到完熟期玉米秸秆干重占总重变化随着生育进程的推进而逐渐下降，灌浆期开始籽粒干重所占比例不断增加，增加干物质积累量，尤其是花后干物质生产和积累直接决定着籽粒产量，对实现玉米高产意义重大[32-34]。两年试验结果表明喷施γ-PGA 处理较清水对照均显著提高夏玉米干物质积累总量，平均增幅达4.57%～6.47%；两剂量处理在大喇叭口期至开花吐丝期阶段的积累显著高于清水对照，而高量处理在开花吐丝期至灌浆前期阶段的积累也有显著增加，这可能是高剂量处理比低剂量处理获得更高产量的原因；低产年份减氮30%条件下夏玉米干物质积累总量与产量变化趋势相似，也表现为低剂量作用更好，且好于正常环境条件；在这两种非正常环境条件下，喷施低量和高量处理均可以明显促进大喇叭口期至开花吐丝期阶段的夏玉米干物质积累，且低量处理还促进灌浆前期至收获期的干物质积累，这与其增产的效果相吻合，喷施γ-PGA 的增产作用可能与其促进花后干物质积累有关。

作物生物量累积与养分累积有着密切的关系，养分积累是生物量积累的基础，也是作物产量形成的基础[35]。黄巧义等[18]的盆栽试验结果表明，施用γ-PGA 可提高菜心氮磷钾养分累积量。本文试验中，喷施γ-PGA 均显著提高氮磷钾积累量，变化趋势与干物质积累量基本一致，高产年份常规施氮条件下，喷施两个剂量γ-PGA 均能显著促进养分积累，两个剂量间无显著差异，而低产年份减氮30%水平下，低量喷施处理能明显促进氮磷钾积累，而高量处理的效果不明显。

表 7 在不同氮水平下和不同年份下不同增效剂和剂量处理的玉米氮、磷、钾养分积累量 (kg/hm2)Table 7 The accumulation of N, P and K in maize plants with different doses of synergists under different N rates and in different years

3.2 γ-聚谷氨酸增效机制的探讨

γ-聚谷氨酸主要是微生物发酵产物，由于其发酵条件以及菌株等不同，其分子量具有多分散性，从几千到几百万不等[36-37]。有研究认为γ-PGA 吸水率可达到1108.4 倍，对土壤水分的吸收率达30～80 倍，在土壤中有较强的保水性能，可作为良好的抗旱保水剂起到抗旱促苗的作用[38]。也有学者认为γ-PGA可以络合养分阳离子，提高土壤中微量元素养分的有效性，以供作物吸收利用[23,39-40]。还有研究者认为γ-PGA 在微生物和土壤酶的作用下可完全分解为谷氨酸单体，不仅可以供作物直接吸收利用，还可以供微生物利用，改善土壤微生物结构[14,19]。

前人研究多以γ-PGA 施于土壤中，通过以上机制来促进作物生长，达到增产增效。而本试验结果表明，γ-PGA 作为制剂喷施于作物叶面，也可以起到增产增效的作用。这说明γ-PGA 对植物生长的调控还可能存在其他途径。结合γ-PGA 本身特性和本试验结果推测其作用于作物还可能通过以下两种途径:一是γ-PGA 作为生物大分子整体作用于植株，调控或影响其体内的某些功能代谢，发挥作用；二是γ-PGA 被分解成小分子或谷氨酸单体，进入体内参与调控或影响某些代谢。本文进行的两年大田试验，发现喷施γ-PGA 对夏玉米生长的增效作用明显好于谷氨酸 (L 型)，而谷氨酸 (L 型) 无明显效果。这说明喷施γ-PGA 的增产增效并不是由分解的L-型谷氨酸单体起主要作用。由γ-PGA 分解的谷氨酸单体，还可能有D 型谷氨酸，有研究表明氨基酸在生物体蛋白质中只以L 型存在，植物代谢中不能直接利用D 型氨基酸，甚至产生植物毒害[41-42]。可见，γ-PGA 的增效作用并非是由分解的单体发挥作用，而是其本身起主要作用。且本研究低剂量γ-PGA 在低产年份和低养分条件下表现出与高产年份和常规养分条件下不同的增效作用，同一条件下剂量间γ-PGA的增产作用没有明显的差异，这可能是低产年份和低养分下的生长环境中的作物对γ-PGA 及其剂量更为敏感，且组成γ-PGA 大分子结构的D 型谷氨酸和L 型谷氨酸的比例和数量各异，分子链长短不一，因此关于γ-PGA 的剂量和分子量结构对其增效作用的影响还需要进一步深入探究。

4 结论

喷施γ-PGA 明显提高夏玉米干物质积累量，特别是在大喇叭口期至开花吐丝期，提高夏玉米植株的氮、磷、钾积累量，显著增加穗粒数，进而提高夏玉米产量，并且在减量30%施氮时，喷施γ-PGA的增效作用优于常规施氮。常规施氮水平下喷施高量γ-PGA 的增产效果更好，而在减氮30%水平下喷施低量γ-PGA 的效果更好，且显著高于常规施氮对照，能达到减肥增效的目的。而喷施谷氨酸没有取得明显效果，从侧面证实了γ-PGA 增效作用的机理是γ-PGA 整个分子起主要的作用，并非其分解产物谷氨酸的作用。