氮素对茶树生理及品质成分影响的研究进展

刘健伟，方寒寒，袁新跃，骆东亮，于 璇，杨 青，何 丹，夏再瑾

(1.浙江省杭州市富阳区农业技术推广中心，浙江 杭州 310400；2.中国农业科学院茶叶研究所/农业部茶树生物学与资源利用重点实验室，浙江 杭州 310008；3.富阳学院，浙江 杭州 310400；4.杭州市富阳区食品安全检验检测中心，浙江 杭州 310400；5.杭州市富阳区银湖街道综合服务中心，浙江 杭州 310400)

茶叶[Camelliasinensis(L.) O. Kuntze] 作为中国天然药物长期被使用，同时现在也是世界上最受欢迎的饮品之一。现代研究也发现茶叶中含有多种功能成分，如茶多酚、咖啡因、茶氨酸和维生素等多种化学成分，这些成分受多种因素影响，如遗传背景、生长环境(如气候、土壤、海拔等)和不同栽培措施等[1-3]。在茶树生长发育过程中，施肥对于茶叶的品质和产量有着重要作用，茶树以幼嫩芽叶为采收对象，氮素在茶树新梢中的含量可高达60～70 g·kg-1 [3]，因此茶树对氮素的需求量很大，氮肥的用量显著影响茶树各器官的生长发育，每公顷成龄茶园每年需要300～450 kg的氮肥，才能保证茶树对氮素的正常需求[4-5]。

氮素是茶树生长发育不可或缺的且需求量最大的矿质元素之一，也是茶树体内多种重要有机化合物的组成成分，如蛋白质、核酸、酶、叶绿素、激素等；许多重要茶叶品质成分也有氮素的构成，如多酚类物质、嘌呤类的生物碱、氨基酸、糖类及有机酸类物质等；氮素参与了一系列茶树生理生化反应，涉及多种代谢途径，如光合作用、氮代谢、次级代谢等[3,6]，因此茶树体内氮素含量的变化与茶树的生理代谢以及茶叶品质的好坏有着密切的相关性[6]。本文综述了氮素对于茶树生理以及品质成分机理影响的研究进展，以期为氮素对茶树影响的系统研究提供理论基础，为茶树的高产优质提供科学依据。

1 氮素的吸收、转运对茶树品质代谢的影响

1.1 茶树氮素的吸收、同化以及氮素吸收效率的研究进展

图1 氮素的吸收同化和转移

1.2 氮素的转运对茶树生理以及品质代谢的影响

已经有研究表明茶叶品质不仅受到气候条件的影响如温度的高低，更重要的是根系，茎，成熟叶等器官中再活化的碳和氮的转移，这也是多年生植物包括茶树的一般特征[14,18]。有研究表明每年春季茶树新梢开始萌发以后，主根和成熟叶中贮藏的氮素开始趋于减少，而茎枝，新梢中储存的含氮量递增，随着新梢的伸长发育，氮素不断地往新梢转移运输，新梢氮素的吸收具有季节性的变化[6]。有研究利用15N追踪技术发现大多数氮素在冬天被茶树吸收，其中很大一部分储存在根、茎、成熟叶中，当来年新梢萌发时，储存的75%氮将在新梢萌发时被重新利用，新梢中氮素的来源30%是重新吸收积累的，剩余多达70%的氮来自于根、茎、叶等器官的转运[18]。张振梅等研究发现成熟叶含氮量从初冬到春茶结束呈显著下降趋势，成熟叶中的氮素在春茶期间发生再利用，并对茶叶品质产生了显著的影响[19]。有研究表明春季茶叶品质的季节性波动除了与气候参数的变化有关，更重要的原因可能是还受到氮的转运和再利用[14,20]。Liu等使用代谢组学的方法评估茶树新梢和成熟叶在春季早期、中期、晚期初级和次级代谢产物的动态变化和代谢途径的变化，发现碳和氮的转移从成熟叶转运至新梢维持了春季新梢的活性，其中春茶后期新梢氨基酸如茶氨酸、谷氨酸、谷氨酰胺的含量显著降低，然而黄烷醇、槲皮素及其糖苷显著升高，这些都对茶叶品质代谢物产生了深刻的影响[14]。

2 不同施氮水平对茶树茶叶品质代谢的影响

茶树的采摘以新梢为主，一年需进行多次采摘和修剪，因此要消耗大量营养物质，供应充足的氮肥可满足茶树对营养的需要，促进茶树的生长发育，但是不同氮素水平也会显著影响着茶树的品质代谢成分[3,21-22]。茶树鲜叶含氮量与茶叶品质成分氨基酸、茶多酚以及碳水化合物等密切相关，其中与氨基酸呈高度正相关[22,25]。氮素营养水平显著影响着茶树体内初级代谢物以及次级代谢物的变化，从而显著的影响茶叶的品质[3,23]。有研究通过不同氮素肥料处理茶树，发现茶叶中氮素含量与绿茶品质呈正线性回归关系，而与红茶品质呈负线性回归关系[24]。Ruan等研究发现茶树中多酚类化合物和游离氨基酸可分别代表树体的碳源和氮源，不同氮水平供应下，茶树碳氮分配比例存在差异，而这些都显著影响着茶树体内生理代谢循环[22]。

2.1 缺氮以及适氮条件下对茶树生理以及品质代谢的影响

当氮素营养供应不足时，茶树生长缓慢，顶芽以及侧芽萌发轮次减少，发芽密度降低，出现大量对夹叶，同时蛋白质、核酸、叶绿素的生物合成会受到阻碍，而这些因素都显著影响茶叶的产量以及品质[23]。氮素营养缺失还会对茶树的内在生理生化以及品质代谢物产生显著影响，有很多研究都已经揭示了低氮供应下，茶叶多酚物质的含量显著增加，氨基酸的含量显著减少[22,26]；同时茶树新梢缺氮会使叶绿素含量减少，光合作用减弱，影响茶树光合特性，林郑和等研究发现缺氮素条件下茶树品种(黄观音、毛蟹)叶片的CO2同化速率、气孔导度都显著下降，胞间CO2浓度显著增加，光合系统受到显著损害[27]。还有研究揭示，茶树氮缺失条件下CO2的同化效率会下降，而原因可能是氮素缺失引起得光合电子链传递减少，叶绿素含量以及rubisco酶活性的下降[28]。

随着氮素水平的提高，茶树叶片中叶绿素含量增加，茶树体内光合产物和含氮化合物积累提高，茶树顶芽以及侧芽在春季萌发提早，新梢发芽轮次以及嫩度都得到显著增加，发芽密度提高，茶树采摘时间得到延长，同时茶树叶片中叶绿素含量增加，茶树体内光合产物和含氮化合物积累提高，从而有效地增加茶叶产量以及品质[4,28]。此外，Ruan等[22]研究随着氮水平的增加，茶树叶片GS酶的活性提高，PEP活性增强，分配到游离氨基酸中的氮也逐渐增加，茶氨酸含量增加，茶多酚含量明显降低，茶叶的品质得到显著改善。Ruan等[22]还研究发现施用足量的氮肥，能增加茶叶中游离氨基酸和叶绿素的含量，增加水浸出物含量，降低酚类化合物的含量，降低茶叶中酚氨比，提高绿茶滋味的鲜爽度及醇和感，此外，适量的氮肥，还会增加茶叶香气成分，从而提高绿茶品质[4,26]。脂类化合物是构成茶叶香气和风味的重要的化合物，其合成受到冷害和磷胁迫等环境因素的影响，刘美雅等[29]通过脂质组学研究发现适当的氮肥处理可以平衡脂质代谢和促进茶叶芳香物质的形成，这有助于提高茶叶的品质。

2.2 高氮对于茶树生理以及品质代谢的影响

若施用较多的氮肥，会限制茶叶可溶性糖的形成以及茶多酚的合成，更多的精氨酸，谷氨酸被合成，过多的氮肥对于有鲜爽滋味的茶氨酸在氨基酸总量比例中提升比较小，而且过多精氨酸的苦涩味会导致茶叶品质下降[22]。还有研究表明，施用过多氮肥，茶树光合作用增强，从而有更多产物被用于蛋白质合成而限制了一部分糖类向多酚类物质的转化，导致多酚类物质跟水浸出物含量的下降，对于红茶加工，不利于其品质的形成[31]。阮建云等[22]通过不同氮素水平处理茶树发现由于氮素显著影响着茶树碳氮分配比例的变化，高氮限制了茶树中含碳化合物的合成，其中随着氮素的增加新梢中多酚含量显著下降，同时伴随着糖类物质合成的减少，促使了更多的碳骨架用于氨基酸等含氮化合物的合成。也有研究表明过量施用氮肥会抑制茶叶香气物质的形成，而这是由于茶叶香气化合物的合成前体的增加，导致在制茶过程中青草味代谢物的增加[29]。

3 氮素形态对茶树代谢机制的影响

4 氮素与其它营养元素交互作用

4.1 氮素与大量元素的关系对于茶树生长的影响

茶树正常生长需要多种营养元素，缺一不可，各种营养元素相互影响、相互作用。茶园施肥要根据茶树的生长情况以及环境等多种因素确定各种营养元素的施用比例，氮素作为茶树生长所需的一种大量元素，与其它元素的吸收和利用有着显著相关影响[38]。磷是茶树体内核酸、核蛋白、磷脂以及高能磷酸化合物(ATP，ADP)和遗传物质(DNA)的组成元素。钾被称为抗逆元素，品质元素，以离子状态存在于植物体内，在茶树体内钾移动能力加强，施钾能增强茶树的光合作用，促进碳水化合物的代谢及其运输等作用[38-40]。施用氮肥时，合理配合磷、钾肥的施用，可以显著提高茶园产量以及改善茶叶品质[39-40]。因此研究氮素与其它元素的相互影响是茶园生产非常重要的科学研究与应用方向。

茶园施用氮磷钾肥料需按照比例进行，按比例的用量要结合茶树的养分吸收状况、土壤养分状况、土壤质地及天气状况以及茶树年龄等多种因素确定。根据不同茶园情况，前人提出了许多不同氮、磷、钾配比方法。尤雪琴通过分析大田条件下不同年龄茶树(品种为龙井43)新稍、修剪物、落叶的生物量以及氮、磷、钾养分量，研究得出不同生育期茶树氮、磷、钾养分需求规律[41]。马立锋等根据浙江省绿茶主产区茶园产区进行了调查，提出了适用浙江产区氮、磷、钾肥比例[5]。张亚莲等[42]通过测定湖南省茶园土样肥力水平，针对4种土壤类型提出了氮、磷、钾施肥比例。罗凡等[43]研究发现氮磷钾合理配施可显著提升茶树新梢叶片的气孔导度并保证茶树新梢中较高的磷含量，从而提高了茶树的净光合速率，此外，氮、磷、钾营养共同作用可以显著提高春茶氨基酸总量及其组分含量，从而提高了春茶的品质。

4.2 氮素与中量和微量元素的关系以及对于茶树的影响

茶园土壤长期或者过量施用氮肥，会引起土壤酸化，从而影响其它营养元素的吸收和利用[34,44]。有研究表明氮形态可以影响茶树根际周围pH值，从而显著影响了其他营养元素(磷、钙、钾、镁、铝、锰)在茶树的吸收和转运，这是因为茶树对铵态氮的偏好吸收导致其根系释放质子，从而降低了茶树根际周围pH值[34,44-45]。此外，土壤酸化增加土壤中固体磷的溶出，从而提高土壤中可溶性磷的含量，影响磷的吸收[34]。还有研究也表明土壤氮肥的增加可以显著提高土壤中活性铝的含量以及茶树叶片中铝的含量，而原因也可能是氮素降低了土壤中的pH值[46]。

茶园中合理的增加钾素和镁素可以显著增强茶树硝酸还原酶的活性，提高茶树氮代谢，促进了氨基酸的合成[47]，此外氮素配施钾素显著促进了氮素的吸收，并且可以促进氮素向萌发新梢转移，改善茶叶品质代谢成分[48]。镁营养供应可以促进茶氨酸在根部合成以及茶树新梢中的积累。当春季新梢萌发时随着氮素在茶树中的转移，镁营养影响木质部和韧皮部中氨基酸和糖类的转运，促进茶树碳氮向新梢转移，显著地影响着茶叶的品质[49]。

5 展望

综上所述，目前氮素在茶树的吸收转移，以及氮素水平、氮素形态如何影响茶树品质成分的研究较多，但是在氮素从整体上调节茶树生理代谢以及氮素如何影响茶树基因变化等深入内容的研究较少，未来利用组学技术探究氮素对茶树整体(如代谢组、蛋白质组、基因组等)的影响，是茶树科学研究的重要方向。另外，通过分子技术手段深入研究氮素对于茶树关键基因的影响也将是揭示氮素影响茶树机理的重要内容。

再次，茶树的采摘以新梢为主，氮素是茶树需求最大的营养元素，但是茶树对于氮素的利用效率却很低, 在茶园中超过一半施入的氮肥都被损失掉[8,50]，因此，提高氮素利用率是茶园生产中的关键实际问题。目前在茶园生产中主要通过合理栽培措施结合施肥方法来提高氮素的利用效率，未来挖掘提高茶树氮素利用效率的相关基因，筛选高氮素利用效率茶树品种，将会是研究茶树氮素吸收利用的重要研究方向。

最后，茶树正常生长所需的多种营养元素缺一不可，并且各种营养元素都按比例吸收[40]。氮素作为茶树所需的大量营养元素，与其它营养元素存在显著的相互影响。由于茶园生产中多追求茶叶产量，生产中出现了高氮栽培的现象，从而使茶园土壤氮、磷、钾的比例失常的现象经常发生。未来研究如何协调配比氮素与其它营养元素的关系对于茶园生产具有实际意义。