文章背后的故事:光合对氮肥追施的快速响应

氮肥管理是现代农业生产中最为重要的栽培管理措施之一。通常认为矮杆化后氮肥的大量使用是绿色革命后粮食作物产量大幅提升的关键原因之一(不少人甚至认为没有之一)。从学术论文的角度应该说氮肥管理也是现代栽培耕作学领域造文章的第一主题,每年都有大量关于氮肥管理优化、植物氮素诊断方面的文章发表。十三五支持的绿色超级稻、粮食丰产项目以及植物营养为主的作物绿色生产体系等众多专项中均有提高氮素利用效率方面的课题,由此可见其江湖地位。

有意思的是以氮肥管理优化为目标,似乎什么都没有明确的答案,但又好像什么被人做过或在做。从农业生态、遥感、智慧农业、作物栽培、作物生理、分子机制、植物营养、食品科学、农业化学等等领域已经发表了海量的文章。可能因为发的是在是太多了,矛盾的结论也很多。

硕士期间,与多数研究生一样,怀着一腔热情开始了水稻氮肥利用效率的课题。最初做的也就是做几个氮肥处理,测测各种可测的指标,然后做做比较。做完一季试验后,真是觉得太无聊,因为所谓的测定基本都被做了几十年,意识到这种范式太过浪费时间也不大可能有啥发现。这以后我开始思考从氮素经济谱的角度来看到作物氮素,即植物如何权衡结构性氮投资和生产性氮投资。事实上,我截止目前几乎所有氮相关的文章都是围绕这个主题在展开。

当然这一年‘无用的试验’也让我对植物响应氮有了非常深刻的了解,其中一个很大或者说最关键的认识是作物对氮的需求远没有我们想象的大(跟准确地说土壤背景氮远比我们想象的高)。南方稻田土即使不施用任何氮肥,也难以表现出缺氮症状。以至于我在后面的工作中要么先种一茬作物以去除部分土壤氮(这个方法在与张亚黎教授交流后,他也开始采纳了),要么选用未耕作的含氮量相对较低的红壤土。当然,这样也产生了一个巨大的问题,我导师就经常提醒我:氮太低了,没有生产实际意义(这也是导师众多可敬之处的一处:告诉你他的意见,但不会因此制止你继续做自己认为有价值的工作)。2014年某次试验,在给高氮处理的水稻加氮素溶液(硝酸铵溶液)时,一个惯性动作把100毫升氮溶液加到了紧挨着的零氮处理桶。当时只是把加错的桶搬到了旁边过道,并未丢弃。故事也就有了新的情节。

三、四天后,原本很黄的叶片(植株大约在6-7叶时期)全部肉眼可辨地转绿了。当时很震惊,水稻能这么快就把土壤中的氮素用起来?那生产上的氮肥追施几天可以用起来呢?当即查了文献,似乎并没有很好的答案。于是默默地把这个事情记录在案了。没多久,就设计了一个试验来干这个事情。测定的结果还是很有意思,水稻植株的氮素含量在施氮后24小时开始急剧增加,大约100小时达峰值,叶绿素含量也与氮素含量非常吻合。光合甚至增加的比氮含量还要快很多。当时因为对叶肉导度情有独钟(回想起来硕士期间的自己知识面和眼界还真是太窄了),也只知道测测结构、生化酶和气体交换。当时花了很多精力做了切片,但是无例外清晰度不够好,拿不到想要的结构数据。但从未放弃,出国后还让师妹俞婷婷重复了同样的试验,只是也很遗憾地失败在了切片上。水稻叶片,尤其是7叶期以后的叶片做半薄切片真是太难了。

到了西班牙,也琢磨过这个事情。但是在那边养水稻不是很方便,水碱性太强,所用的葡萄圃基质也不是很适合水稻,当然更核心的是没把握把切片做成,毕竟那边做切片的设备远不如国内的先进。2015年底同实验室的法国人因外出攀岩,跟朋友玩疯了,回来发现自己养了快两月的烟草全旱死了。在帮忙处理盆钵时,我感觉所有苗子都很黄,不像正常长了两月的烟草。于是问试验是不是有什么特别的处理,为什么苗子快两月不是很高。他告诉我,一直没时间配置营养液,从没加过营养液。我意识到这是很好的做低氮的基质,于是我当即把所有盆要了下来,并告诉他我帮他处理。我花了一天时间把盆里的植株和根系清理干净,同时把土灭了下菌,烘干拌匀,开始了试验。只是这一次用的是烟草而不是水稻。

这次试验的效果很好,就是样品太多,每天浇水很麻烦。我们总共做了三个处理,三分之一的盆子每周浇一次全营养液;三分之一的盆子整个过程都只加缺氮的营养液;另外三分之一在前期加无氮的营养液,直到试验开始时才一次性加入大剂量氮素营养液。再加入营养液后每天测定光合气体交换、叶绿素含量、氮素含量、光合相关酶含量、以及叶片结构。为了使测定更具可比性和规范性,加氮素之前一天,选取完全展开的最新叶片,进行了标记。

试验进行的一周很紧张,因为只要稍有失误就意味着要重新来一次。每天都是最早一班公交去学校,最后一班公交回家。回家也基本都是烤上鸡肉开始处理数据,处理完基本都是12点以后。好在一周的测定还算顺利,基本没有什么失误,算是按计划完成所有工作。当然这仅仅是气体交换测定,后续的酶含量、切片远比这复杂和富有戏剧性。

气体交换测完之后,样品也进入了超低温冰箱和离心管。切片样品和元素样品在2015年底被我带回了国内实验室。酶样品直到回国前三周才开始测,因时间稍长了点,Rubisco酶等众多生化酶都开始分解,加上测定的平台确实让人糟心,不过还是在一帮人帮助下最终完成了,这也为审稿折腾埋下了伏笔。

大约在2016年年底拿到了项目的所有数据。切片质量不算太高,但是对我们所关注的问题应该说绰绰有余了。奈何我一贯的出活凭冲动的作风。这些数据在我先后换的三个电脑里饱饱地睡几觉。2020年疫情在家,无聊地冲动着想写文章,于是挑了这个几乎不用怎么动脑子的项目动手了。写起来倒是也很快,把当时做的试验记录和及时分析报告读了一遍,用了两天时间整理了大概的故事梗要,随后根据故事主线准备了相应的图和表(多数都是试验期间已经准备好了,只是做了做组合),又用了将近一周的时间把初稿搞出来了,然后发给Jaume看了一下,他又耽搁了大概一个月才反馈给我修改稿。终于投出去了,当时因为觉得工作系统性也很一般,创新性也确实一般,于是在Jaume的建议下扔到了J Exp Bot。疫情期间的审稿可真是慢啊,一审花了136天,回来两个意见,十几页,不过基本上都是不痛不痒的意见(倒是蛮能写),有一个审稿人是基本没看懂文章和数据。编辑拒稿鼓励重投。

放了将近三个月,才抽出一个周末改完又投出去。本以为这下应该很快了,奈何又是两个多月,回来三个审稿意见,又是十几页的意见。不过这一次审稿意见都很专业,非常尖锐。尤其是对于我们不那么标准的Rubisco酶测定提出了很多问题(真是无奈,当实验室生化测定的条件有点差)。其中更有一个审稿人明显不太友好,觉得我做的什么都不对,尤其是数据分析不对他胃口。编辑给了大修。这一次我还真有点觉得被拒稿的可能性太大,花了不少时间把问题的回答方式做了比较多的设计。尤其是花了大量的时间抠别人数据来佐证我的工作,因为感觉到这种情况下,自己要证明自己不容易,利用第三方的证据要稳妥的多。改完本想让Jaume改改,他只看了下我对审稿意见的回答。他觉得那几个比较尖锐的问题,我处理的都非常聪明,他没有更好意见了。于是我又投出去了。

再一次,三个月后才回来,回来三个审稿人都被打动了,两个审稿人没有意见,其中一个发现‘考马斯亮蓝’首字母没有大写;文字描述部分某个统计的p值应该要标注,而我们却没有标注两个小问题。编辑给了小修(真是服了编辑)。花了十分钟改回去,本以为两三天就能被接受了;结果又是一个月才收到接收函。整个投稿过程非常漫长,是我经历的审稿周期最长的一个文章。当然终究是发表了,也算是一个句号接近画上了。

因为文章的主题其实就是题目,就不再赘述了。

全文在这:Dongliang Xiong and Jaume Flexas, Leaf anatomical characteristics are less important than leaf chemical properties in determining photosynthesis responses to top-dress N Journal of Experimental Botany PDF

当然文章与我之前的所有文章一样,有很多局限性。只能说抛出了一个可能有点意义的问题,但是离解决问题,尤其是利用作物响应氮追施的特点来优化氮肥管理,甚至开发全新的管理方式还路途遥远,不过我隐约觉得这可能是氮高效技术的一个潜在的要点之一。

午夜于华农南苑公寓