基于SPAD值不同追施氮量對烤煙碳氮代謝與產質量的影響

宗釗輝,黃 浩,謝 晉,陳楨祿,賀廣生,曹阿敏,王 維*

(1.廣東煙草煙葉生產技術中心/廣東省煙草南雄科學研究所,廣東 韶關 512400;2.廣東中煙工業有限責任公司,廣東 廣州 510000;3.中國煙草總公司 廣東省公司,廣東 廣州 510610;4.華南農業大學,廣東 廣州 510642)

碳氮代謝是作物整個生育期生長與產量形成的基礎,氮素作為烤煙生長中必需的大量營養元素,對維持煙葉葉綠素與光合作用的進行具有重要作用,在多方面影響著烤煙的碳氮代謝過程,對烤煙糖類化合物以及氨基化合物的積累具有重大影響[1,2]。當氮肥供應不足時烤煙容易早熟，導致煙葉干物質積累量低,烤后煙葉油分不足,香氣質、香氣量過低；而當氮肥供應過多時煙葉中上部葉氨基化合物增加,刺激性變大。因此合理的氮素供應是平衡煙葉內在化學成分的基礎[3,4]。在不同生態條件下氮素在烤煙根際遷移、吸收方式及在煙株內的代謝都不盡相同[5],因而煙葉的施氮量與追肥時間受植煙地區土壤肥力、栽培方式和氣候條件等多種生態因素的影響[1,6]。在不同地方、不同年份適于烤煙生長的施氮量與追肥時間存在顯著差異。SPAD儀作為一種簡便、快速和準確地測定葉綠素含量的儀器,它能快速判斷作物的氮素營養豐缺狀況,已經被廣泛應用于水稻、小麥與棉花等作物生產[7,8]。鄧世媛、王維研究表明，以SPAD值43為閥值對烤煙進行追肥可以有效地促進煙株不同部位煙葉碳氮代謝平穩過渡和轉化,使煙葉成熟時碳氮代謝適時協調過渡,使烤煙糖氮更為協調[9,10]。因此,本文以云煙87為材料,設計了4個追氮量,探討了基于SPAD值不同追氮量對烤煙碳氮代謝及烤后煙葉產質量的影響規律,以期為梅州梅縣煙葉產區的烤煙施肥方案制訂提供參考意見。

1 材料與方法

1.1 試驗點的基本情況

試驗點位于廣東梅州梅縣,屬于亞熱帶季風濕潤區,年平均氣溫19.6 ℃,年降雨量1500 mm以上,全年無霜期273 d,煙葉生育期內>10 ℃有效積溫2200 ℃·d以上。土壤為酸性紫色土,土壤基本理化性狀為pH 5.79，有機質2.57 g/kg，全氮1.46 g/kg，全磷0.91 g/kg，全鉀24.81 g/kg，堿解氮75.12 mg/kg，速效磷40.40 mg/kg，速效鉀71.08 mg/kg。

1.2 試驗設計

試驗于2017年在廣東梅州梅縣松源鎮新南村進行,供試烤煙品種為云煙87,供試土壤類型為紫色土,前茬作物為水稻。本試驗固定鉀肥與磷肥的用量,基施40 kg/hm2的煙草專用復合肥,磷肥全部基施。試驗設計4個追氮肥量:T1(純氮15 kg/hm2)、T2(純氮20 kg/hm2)、T3(純氮30 kg/hm2)、T4(純氮40 kg/hm2)；每個處理3次重復,每個重復種植烤煙200株。以SPAD值43為閥值,從移栽后1個月烤煙進入團棵期開始,每隔7 d利用SPAD儀測量從頂葉往下數第4片煙葉中部的SPAD值,當SPAD值低于43時追肥,直到烤煙打頂后停止追肥。其他栽培措施按照梅州梅縣公司烤煙栽培技術方案標準。

1.3 取樣與測定方法

1.3.1 樣品取樣 在烤煙進入團棵期后，每隔15 d對各處理的烤煙進行樣品采集,每個處理選取生長較為一致的烤煙3株,選取同一葉位的煙葉用蒸餾水洗凈,進行鮮樣酶活性的測定;于烘烤前取中部的煙葉進行游離氨基酸與水溶性糖含量的測定。

1.3.2 烤煙葉片光合參數的測定 在烤煙進入團棵期后，每隔15 d選取各處理從頂葉往下數第5片葉的相同位置，于睛天10:00～11:00采用CI-340手持便攜式光合速率儀對凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr)與胞間二氧化碳濃度(Ci)進行測定；以自然光源提供光合有效輻射,進氣CO2濃度為300 mg/L。

1.3.3 碳氮代謝主要酶活性的測定 采用活體法[11]對煙葉硝酸還原酶活性進行測定；利用谷氨酰胺轉化為γ-谷氨?；惲u肟酸與鐵絡合物的生成量來測定谷氨酰胺合成酶的活性[11]；采用3-5二硝基水楊酸法[11]測定淀粉酶與轉化酶的活性。

1.3.4 游離氨基酸、可溶性糖及常規化學成分含量的測定 利用德國賽卡姆公司生產的S-4300氨基酸分析儀測定游離氨基酸的含量[12]。采用液相色譜法[13]測定葡萄糖、麥芽糖、果糖及蔗糖的含量。常規化學成分含量的測定參考馮吉等[14]的方法。

2 結果與分析

2.1 不同追施氮處理煙葉的SPAD值與打頂時間

由表1可知，不同處理的打頂時間存在差異,T1、T2處理的打頂時間晚于T3、T4處理,其中T1、T2分別在移栽74、71 d后現蕾,分別在移栽76、73 d后打頂；T3、T4分別在移栽67、64 d后現蕾,分別在移栽68、65 d后打頂。由表2可知,不同處理煙葉的SPAD值存在差異,其中T1處理的SPAD值最高峰出現時間最早，在移栽后44 d；T3、T4處理的SPAD值最高峰出現在移栽后65 d；不同處理大田生育期的SPAD峰值表現為T3>T2>T4>T1；T3、T4處理的SPAD值在移栽65 d后逐漸減小。不同處理在整個大田生育期中追肥次數存在差異,T1、T2、T3、T4的追肥次數分別為5、4、3、3次；追氮肥總量表現為T4>T3 >T2>T1。

表1 不同追施氮處理烤煙的主要生育期

表2 不同追施氮處理烤煙團棵期至打頂前的SPAD值

2.2 不同追施氮處理對烤煙光合特性的影響

由圖1、圖2可見：不同處理烤煙葉片的Pn、Gs、Ci、Tr值呈現單峰變化,隨著生育的推進先上升后下降。不同處理的Pn、Gs、Tr值在移栽后30～60 d隨著生育期的推進而不斷增加,最大值出現在移栽后60 d；之后隨著生育期的推進Pn、Gs值逐漸下降；在移栽后45 d時T4處理的Pn、Gs值顯著高于T1、T2處理的,但是在移栽后60 d到90 d期間T2處理的Pn、Gs、Tr值均顯著高于其他處理的,而T1處理的Pn、Gs、Tr值低于其他處理的。不同處理的Ci值峰值出現時間不一致,其中T3、T4處理的峰值出現時間較早，在移栽后60 d,而T1、T2處理的峰值出現在移栽后75 d,并且T1、T2處理Ci值的峰值均大于T3、T4處理,在烤煙生長后期仍保持較高值。

圖1 不同追施氮處理對烤煙葉片凈光合速率(Pn)與氣孔導度(Gs)的影響

圖2 不同追施氮處理對烤煙葉片蒸騰速率(Tr)與胞間二氧化碳濃度(Ci)的影響

2.3 不同追施氮處理對烤煙關鍵氮代謝酶活性的影響

谷氨酰胺合成酶與硝酸還原酶是烤煙碳氮代謝中同化氮的重要酶類,其活性的高低可以體現烤煙同化氮的能力。由圖3可知,谷氨酰胺合成酶與硝酸還原酶的活性隨著生育期的進行均呈現先上升后下降的趨勢,其中T1、T2處理的谷氨酰胺合成酶活性在移栽后75 d達到最大值,T3、T4處理的最大值出現在移栽后60 d；不同處理的硝酸還原酶活性均在移栽后60 d時達到峰值。不同時期各處理間谷氨酰胺合成酶與硝酸還原酶活性存在顯著差異;在移栽后45 d時,T1、T2處理的谷氨酰胺合成酶與硝酸還原酶活性較低；在移栽后60 d時谷氨酰胺合成酶與硝酸還原酶活性分別以T3、T2處理最高,均以T1處理最低。在移栽75 d后,T1處理的谷氨酰胺合成酶與硝酸還原酶活性均高于T3、T4處理,這可能與T1處理后期仍有追肥有關；不同處理的谷氨酰胺合成酶與硝酸還原酶活性均表現為T2>T1>T3>T4。

圖3 不同追施氮處理對烤煙谷氨酰胺合成酶與硝酸還原酶活性的影響

2.4 不同追施氮處理對烤煙關鍵碳代謝酶活性的影響

如圖4所示,不同處理煙葉的淀粉酶活性均在移栽后60 d時達到峰值；在移栽后45 d時T4處理的淀粉酶活性最高,T1處理活性最低并且顯著低于其他處理的；在移栽后60 d時不同處理的淀粉酶活性表現為T2>T1>T3>T4,各處理間差異顯著；在移栽后75 d時T2處理的淀粉酶活性顯著高于其余處理的,而在其余各處理間不存在顯著性差異；在移栽后90 d時T1、T2處理的淀粉酶活性有所上升,T3、T4處理無顯著變化,不同處理的淀粉酶活性表現為T2>T1>T3>T4。在移栽后45 d到90 d期間,T2處理的轉化酶活性均顯著高于其他處理的,并且T2處理的轉化酶活性最高值出現在移栽后45 d時,其余處理均出現在移栽后60 d時；在移栽后45～60 d期間不同處理的轉化酶活性表現為T2 >T3>T4>T1,而在移栽后75～90 d期間不同處理的轉化酶活性表現為T2 >T1>T3>T4。

圖4 不同追施氮處理對烤煙淀粉酶與轉化酶活性的影響

2.5 不同追施氮處理對烤煙氨基酸含量的影響

由表3可以看出：隨著每次追施氮量的增加,氨基酸總量呈現出先上升后下降的趨勢；在不同處理中氨基酸總量以T2最高,T1次之,T3、T4最低,其中天冬氨酸、甘氨酸、異亮氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸等5種氨基酸含量表現為T2>T1>T3>T4,絲氨酸、谷氨酸、纈氨酸、亮氨酸、色氨酸等5種氨基酸含量表現為T2>T1>T4>T3,脯氨酸、丙氨酸、蘇氨酸、蛋氨酸、組氨酸、精氨酸、賴氨酸等7種氨基酸含量表現為T1>T2>T4>T3。天冬氨酸、精氨酸、苯丙氨酸、脯氨酸、纈氨酸作為參與美拉德反應的主要反應物,其含量的增高對烤后煙葉的香氣質與香氣量具有重要的影響；隨著追施氮量的增加，這些氨基酸的含量同樣表現出先上升后下降的趨勢,其總含量表現為T2>T1>T3>T4,并且T1、T2處理的總含量顯著高于T3、T4處理的。

表3 不同追施氮處理對烤煙氨基酸含量的影響 mg/g

2.6 不同追施氮處理對水溶性糖含量的影響

由表4～表5可知,隨著每次追施氮量的增加,葡萄糖、果糖、淀粉含量呈現先上升后下降的趨勢,麥芽糖與蔗糖含量呈現先下降后上升的趨勢；葡萄糖、果糖、淀粉含量以T2處理最高,以T4處理最低；不同處理的果糖與淀粉含量表現為T2>T1>T3>T4,并且在不同處理間葡萄糖和果糖含量均存在顯著差異,而淀粉含量差異不顯著;T4處理的麥芽糖與蔗糖含量最高,且在不同處理間麥芽糖和蔗糖含量均存在顯著性差異；不同處理間麥芽糖含量表現為T4>T3>T1>T2,蔗糖含量表現為T4>T1>T3>T2。

表4 不同追施氮處理對烤煙水溶性糖含量的影響 mg/g

2.7 不同追施氮處理對烤后煙葉常規化學成分含量的影響

由表5可知：T1處理的C3F與B2F煙葉還原糖、總糖、總氮含量均低于其余處理的,其中T3處理的中部葉總糖與還原糖含量最高,T4處理的中部葉煙堿含量最高(2.98%),T2、T3處理的煙堿含量適宜;除T1處理外其余處理的淀粉含量均低于5.445%,處于適宜水平；在T2、T3、T4處理間B2F煙葉的還原糖含量差異不顯著；T3處理B2F煙葉的總糖含量最高。上部葉除T1處理外其余處理的淀粉含量均低于5.445%,也處于適宜水平；T1處理的煙堿含量偏低，而T4處理的煙堿含量偏高。從綜合表現來看，以T2處理烤后煙葉的常規化學成分協調性最好。

表5 不同追施氮處理對烤煙常規化學成分含量的影響 %

2.8 不同追施氮處理烤煙經濟性狀的比較

由表6可見：不同處理的烤煙經濟性狀存在著差異,產量最高的是T2處理，最低的是T1處理；產值最高的同樣為T2,最低的是T1;上等煙比例最高的是T2(62.33%),最低的是T3(53.71%),且T2的上等煙比例顯著高于其余處理的。綜合各方面的經濟性狀指標,在4個不同的處理中,T2處理在產量、產值、中上等煙比例方面均比較優秀，且與對照CK差異顯著。

3 討論與結論

碳、氮代謝作為植物生命活動中最基本的代謝活動,對植物體內碳水化合物與含氮化合物的積累具有重要意義,平衡這兩種代謝對提高烤煙的產量與煙葉內在品質具有重要的意義[15]。羅莎莎等研究發現適當提高追肥比例可以使烤煙葉片的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度保持較高水平,有利于提高烤煙成熟期的光合作用,促進煙葉干物質的積累,提高煙葉的產量[16]。高琴等的研究表明：烤煙硝酸還原酶、淀粉酶、轉化酶的活性隨著施氮量的增加而逐漸升高；在低氮水平下烤煙葉片的碳氮代謝水平太低，不能滿足烤煙正常生長的需求；在高氮水平下，烤煙葉片碳氮代謝水平太高,導致煙葉貪青晚熟[17]。本研究結果表明：基于SPAD值的不同追氮量對烤煙葉片的光合特性與碳氮代謝酶活性影響顯著;在T1處理的追低氮量下,不同時間段下烤煙葉片的光合特性指標均處于較低水平,同時烤煙的碳氮代謝主要酶類活性較低,這與王維等[9]的研究結果一致,表明追氮量過低會抑制烤煙光合作用的進行,不利于烤煙含碳、氮化合物前期的積累與后期的轉化;在T3、T4的追高氮量下,在烤煙移栽后0～55 d期間烤煙葉片的光合特性指標與碳氮代謝酶類活性均處于較高的水平,但T3、T4處理由于前期追肥量較大,導致煙葉在成熟期生長過快,較早打頂,T3處理與T4處理分別在移栽后56 d、46 d時停止追肥,烤煙后期存在輕微缺肥現象,以致烤煙的光合特性與酶類活性均下降,影響煙葉成熟期干物質的積累與糖分的分解,碳氮代謝不協調。在T2追施中氮量下，在移栽55 d后煙葉的光合特性與酶活性均處于較高水平,并且在移栽70 d后碳氮代謝有關酶活性逐漸下降,碳氮代謝減弱,但仍維持在一定水平；同時在移栽后85 d時的淀粉酶活性較70 d時有所提高,淀粉的分解代謝能力加強,有助于葡萄糖與果糖的積累,碳氮代謝更為協調,符合生產優質煙葉的要求。

氨基酸與水溶性糖作為碳氮代謝過程的主要代謝產物,是植株整個生育期碳氮代謝進程的體現。植株在生長發育過程中通常會積累大量的游離氨基酸以調節細胞內的滲透壓。在本試驗中，隨著追氮量的增加，煙葉的氨基酸總量呈現先上升后下降的趨勢,這與其光合特性以及碳氮代謝酶活性的規律一致。葡萄糖、果糖、淀粉含量的變化規律與氨基酸含量的一致；淀粉含量過高會影響烤后煙葉的品質,但由于淀粉酶在烤煙生育后期仍保持較高的活性,有助于淀粉轉化為單糖,因此在不同處理間淀粉含量差異不顯著。蔗糖與麥芽糖含量與轉化酶活性以及光合作用密切相關,隨著施氮量的增加轉化酶活性表現為先上升后下降的趨勢,而蔗糖與麥芽糖含量表現為T4>T3>T1>T2,表明轉化酶活性對蔗糖與麥芽糖含量的影響大于對光合作用的影響。

常規化學成分含量是衡量煙葉內在質量的重要指標?；赟PAD值的不同追氮量對烤煙常規化學成分含量的影響較大,當追氮量為15 kg/hm2時，烤后煙葉總糖、還原糖含量偏低,中部葉煙堿含量低于2%,淀粉含量高于5%；當追氮量為30 kg/hm2時,煙堿含量與總糖含量偏高,這與光合特性與碳氮代謝酶活性的表現一致；當追氮量為20 kg/hm2時糖堿比適宜,淀粉含量較低,鉀含量高,化學成分協調。

在本試驗中,基于SPAD值每次追施純氮20 kg/hm2時,烤后煙葉中上等煙比例與產值均高于其他處理,有效提高了烤煙生育期的光合速率、蒸騰速率,增強了碳氮代謝過程關鍵酶的活性,提高了烤煙碳氮代謝產物的積累,加快了淀粉的代謝,提高了烤后煙葉的產量與質量,為基于SPAD閾值43的最佳追施氮量。