基于SPAD值不同追施氮量对烤烟碳氮代谢与产质量的影响

宗钊辉,黄 浩,谢 晋,陈桢禄,贺广生,曹阿敏,王 维*

(1.广东烟草烟叶生产技术中心/广东省烟草南雄科学研究所,广东 韶关 512400;2.广东中烟工业有限责任公司,广东 广州 510000;3.中国烟草总公司 广东省公司,广东 广州 510610;4.华南农业大学,广东 广州 510642)

碳氮代谢是作物整个生育期生长与产量形成的基础,氮素作为烤烟生长中必需的大量营养元素,对维持烟叶叶绿素与光合作用的进行具有重要作用,在多方面影响着烤烟的碳氮代谢过程,对烤烟糖类化合物以及氨基化合物的积累具有重大影响[1,2]。当氮肥供应不足时烤烟容易早熟，导致烟叶干物质积累量低,烤后烟叶油分不足,香气质、香气量过低；而当氮肥供应过多时烟叶中上部叶氨基化合物增加,刺激性变大。因此合理的氮素供应是平衡烟叶内在化学成分的基础[3,4]。在不同生态条件下氮素在烤烟根际迁移、吸收方式及在烟株内的代谢都不尽相同[5],因而烟叶的施氮量与追肥时间受植烟地区土壤肥力、栽培方式和气候条件等多种生态因素的影响[1,6]。在不同地方、不同年份适于烤烟生长的施氮量与追肥时间存在显著差异。SPAD仪作为一种简便、快速和准确地测定叶绿素含量的仪器,它能快速判断作物的氮素营养丰缺状况,已经被广泛应用于水稻、小麦与棉花等作物生产[7,8]。邓世媛、王维研究表明，以SPAD值43为阀值对烤烟进行追肥可以有效地促进烟株不同部位烟叶碳氮代谢平稳过渡和转化,使烟叶成熟时碳氮代谢适时协调过渡,使烤烟糖氮更为协调[9,10]。因此,本文以云烟87为材料,设计了4个追氮量,探讨了基于SPAD值不同追氮量对烤烟碳氮代谢及烤后烟叶产质量的影响规律,以期为梅州梅县烟叶产区的烤烟施肥方案制订提供参考意见。

1 材料与方法

1.1 试验点的基本情况

试验点位于广东梅州梅县,属于亚热带季风湿润区,年平均气温19.6 ℃,年降雨量1500 mm以上,全年无霜期273 d,烟叶生育期内>10 ℃有效积温2200 ℃·d以上。土壤为酸性紫色土,土壤基本理化性状为pH 5.79，有机质2.57 g/kg，全氮1.46 g/kg，全磷0.91 g/kg，全钾24.81 g/kg，碱解氮75.12 mg/kg，速效磷40.40 mg/kg，速效钾71.08 mg/kg。

1.2 试验设计

试验于2017年在广东梅州梅县松源镇新南村进行,供试烤烟品种为云烟87,供试土壤类型为紫色土,前茬作物为水稻。本试验固定钾肥与磷肥的用量,基施40 kg/hm2的烟草专用复合肥,磷肥全部基施。试验设计4个追氮肥量:T1(纯氮15 kg/hm2)、T2(纯氮20 kg/hm2)、T3(纯氮30 kg/hm2)、T4(纯氮40 kg/hm2)；每个处理3次重复,每个重复种植烤烟200株。以SPAD值43为阀值,从移栽后1个月烤烟进入团棵期开始,每隔7 d利用SPAD仪测量从顶叶往下数第4片烟叶中部的SPAD值,当SPAD值低于43时追肥,直到烤烟打顶后停止追肥。其他栽培措施按照梅州梅县公司烤烟栽培技术方案标准。

1.3 取样与测定方法

1.3.1 样品取样 在烤烟进入团棵期后，每隔15 d对各处理的烤烟进行样品采集,每个处理选取生长较为一致的烤烟3株,选取同一叶位的烟叶用蒸馏水洗净,进行鲜样酶活性的测定;于烘烤前取中部的烟叶进行游离氨基酸与水溶性糖含量的测定。

1.3.2 烤烟叶片光合参数的测定 在烤烟进入团棵期后，每隔15 d选取各处理从顶叶往下数第5片叶的相同位置，于睛天10:00～11:00采用CI-340手持便携式光合速率仪对净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)与胞间二氧化碳浓度(Ci)进行测定；以自然光源提供光合有效辐射,进气CO2浓度为300 mg/L。

1.3.3 碳氮代谢主要酶活性的测定 采用活体法[11]对烟叶硝酸还原酶活性进行测定；利用谷氨酰胺转化为γ-谷氨酰基异羟肟酸与铁络合物的生成量来测定谷氨酰胺合成酶的活性[11]；采用3-5二硝基水杨酸法[11]测定淀粉酶与转化酶的活性。

1.3.4 游离氨基酸、可溶性糖及常规化学成分含量的测定 利用德国赛卡姆公司生产的S-4300氨基酸分析仪测定游离氨基酸的含量[12]。采用液相色谱法[13]测定葡萄糖、麦芽糖、果糖及蔗糖的含量。常规化学成分含量的测定参考冯吉等[14]的方法。

2 结果与分析

2.1 不同追施氮处理烟叶的SPAD值与打顶时间

由表1可知，不同处理的打顶时间存在差异,T1、T2处理的打顶时间晚于T3、T4处理,其中T1、T2分别在移栽74、71 d后现蕾,分别在移栽76、73 d后打顶；T3、T4分别在移栽67、64 d后现蕾,分别在移栽68、65 d后打顶。由表2可知,不同处理烟叶的SPAD值存在差异,其中T1处理的SPAD值最高峰出现时间最早，在移栽后44 d；T3、T4处理的SPAD值最高峰出现在移栽后65 d；不同处理大田生育期的SPAD峰值表现为T3>T2>T4>T1；T3、T4处理的SPAD值在移栽65 d后逐渐减小。不同处理在整个大田生育期中追肥次数存在差异,T1、T2、T3、T4的追肥次数分别为5、4、3、3次；追氮肥总量表现为T4>T3 >T2>T1。

表1 不同追施氮处理烤烟的主要生育期

表2 不同追施氮处理烤烟团棵期至打顶前的SPAD值

2.2 不同追施氮处理对烤烟光合特性的影响

由图1、图2可见：不同处理烤烟叶片的Pn、Gs、Ci、Tr值呈现单峰变化,随着生育的推进先上升后下降。不同处理的Pn、Gs、Tr值在移栽后30～60 d随着生育期的推进而不断增加,最大值出现在移栽后60 d；之后随着生育期的推进Pn、Gs值逐渐下降；在移栽后45 d时T4处理的Pn、Gs值显著高于T1、T2处理的,但是在移栽后60 d到90 d期间T2处理的Pn、Gs、Tr值均显著高于其他处理的,而T1处理的Pn、Gs、Tr值低于其他处理的。不同处理的Ci值峰值出现时间不一致,其中T3、T4处理的峰值出现时间较早，在移栽后60 d,而T1、T2处理的峰值出现在移栽后75 d,并且T1、T2处理Ci值的峰值均大于T3、T4处理,在烤烟生长后期仍保持较高值。

图1 不同追施氮处理对烤烟叶片净光合速率(Pn)与气孔导度(Gs)的影响

图2 不同追施氮处理对烤烟叶片蒸腾速率(Tr)与胞间二氧化碳浓度(Ci)的影响

2.3 不同追施氮处理对烤烟关键氮代谢酶活性的影响

谷氨酰胺合成酶与硝酸还原酶是烤烟碳氮代谢中同化氮的重要酶类,其活性的高低可以体现烤烟同化氮的能力。由图3可知,谷氨酰胺合成酶与硝酸还原酶的活性随着生育期的进行均呈现先上升后下降的趋势,其中T1、T2处理的谷氨酰胺合成酶活性在移栽后75 d达到最大值,T3、T4处理的最大值出现在移栽后60 d；不同处理的硝酸还原酶活性均在移栽后60 d时达到峰值。不同时期各处理间谷氨酰胺合成酶与硝酸还原酶活性存在显著差异;在移栽后45 d时,T1、T2处理的谷氨酰胺合成酶与硝酸还原酶活性较低；在移栽后60 d时谷氨酰胺合成酶与硝酸还原酶活性分别以T3、T2处理最高,均以T1处理最低。在移栽75 d后,T1处理的谷氨酰胺合成酶与硝酸还原酶活性均高于T3、T4处理,这可能与T1处理后期仍有追肥有关；不同处理的谷氨酰胺合成酶与硝酸还原酶活性均表现为T2>T1>T3>T4。

图3 不同追施氮处理对烤烟谷氨酰胺合成酶与硝酸还原酶活性的影响

2.4 不同追施氮处理对烤烟关键碳代谢酶活性的影响

如图4所示,不同处理烟叶的淀粉酶活性均在移栽后60 d时达到峰值；在移栽后45 d时T4处理的淀粉酶活性最高,T1处理活性最低并且显著低于其他处理的；在移栽后60 d时不同处理的淀粉酶活性表现为T2>T1>T3>T4,各处理间差异显著；在移栽后75 d时T2处理的淀粉酶活性显著高于其余处理的,而在其余各处理间不存在显著性差异；在移栽后90 d时T1、T2处理的淀粉酶活性有所上升,T3、T4处理无显著变化,不同处理的淀粉酶活性表现为T2>T1>T3>T4。在移栽后45 d到90 d期间,T2处理的转化酶活性均显著高于其他处理的,并且T2处理的转化酶活性最高值出现在移栽后45 d时,其余处理均出现在移栽后60 d时；在移栽后45～60 d期间不同处理的转化酶活性表现为T2 >T3>T4>T1,而在移栽后75～90 d期间不同处理的转化酶活性表现为T2 >T1>T3>T4。

图4 不同追施氮处理对烤烟淀粉酶与转化酶活性的影响

2.5 不同追施氮处理对烤烟氨基酸含量的影响

由表3可以看出：随着每次追施氮量的增加,氨基酸总量呈现出先上升后下降的趋势；在不同处理中氨基酸总量以T2最高,T1次之,T3、T4最低,其中天冬氨酸、甘氨酸、异亮氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸等5种氨基酸含量表现为T2>T1>T3>T4,丝氨酸、谷氨酸、缬氨酸、亮氨酸、色氨酸等5种氨基酸含量表现为T2>T1>T4>T3,脯氨酸、丙氨酸、苏氨酸、蛋氨酸、组氨酸、精氨酸、赖氨酸等7种氨基酸含量表现为T1>T2>T4>T3。天冬氨酸、精氨酸、苯丙氨酸、脯氨酸、缬氨酸作为参与美拉德反应的主要反应物,其含量的增高对烤后烟叶的香气质与香气量具有重要的影响；随着追施氮量的增加，这些氨基酸的含量同样表现出先上升后下降的趋势,其总含量表现为T2>T1>T3>T4,并且T1、T2处理的总含量显著高于T3、T4处理的。

表3 不同追施氮处理对烤烟氨基酸含量的影响 mg/g

2.6 不同追施氮处理对水溶性糖含量的影响

由表4～表5可知,随着每次追施氮量的增加,葡萄糖、果糖、淀粉含量呈现先上升后下降的趋势,麦芽糖与蔗糖含量呈现先下降后上升的趋势；葡萄糖、果糖、淀粉含量以T2处理最高,以T4处理最低；不同处理的果糖与淀粉含量表现为T2>T1>T3>T4,并且在不同处理间葡萄糖和果糖含量均存在显著差异,而淀粉含量差异不显著;T4处理的麦芽糖与蔗糖含量最高,且在不同处理间麦芽糖和蔗糖含量均存在显著性差异；不同处理间麦芽糖含量表现为T4>T3>T1>T2,蔗糖含量表现为T4>T1>T3>T2。

表4 不同追施氮处理对烤烟水溶性糖含量的影响 mg/g

2.7 不同追施氮处理对烤后烟叶常规化学成分含量的影响

由表5可知：T1处理的C3F与B2F烟叶还原糖、总糖、总氮含量均低于其余处理的,其中T3处理的中部叶总糖与还原糖含量最高,T4处理的中部叶烟碱含量最高(2.98%),T2、T3处理的烟碱含量适宜;除T1处理外其余处理的淀粉含量均低于5.445%,处于适宜水平；在T2、T3、T4处理间B2F烟叶的还原糖含量差异不显著；T3处理B2F烟叶的总糖含量最高。上部叶除T1处理外其余处理的淀粉含量均低于5.445%,也处于适宜水平；T1处理的烟碱含量偏低，而T4处理的烟碱含量偏高。从综合表现来看，以T2处理烤后烟叶的常规化学成分协调性最好。

表5 不同追施氮处理对烤烟常规化学成分含量的影响 %

2.8 不同追施氮处理烤烟经济性状的比较

由表6可见：不同处理的烤烟经济性状存在着差异,产量最高的是T2处理，最低的是T1处理；产值最高的同样为T2,最低的是T1;上等烟比例最高的是T2(62.33%),最低的是T3(53.71%),且T2的上等烟比例显著高于其余处理的。综合各方面的经济性状指标,在4个不同的处理中,T2处理在产量、产值、中上等烟比例方面均比较优秀，且与对照CK差异显著。

3 讨论与结论

碳、氮代谢作为植物生命活动中最基本的代谢活动,对植物体内碳水化合物与含氮化合物的积累具有重要意义,平衡这两种代谢对提高烤烟的产量与烟叶内在品质具有重要的意义[15]。罗莎莎等研究发现适当提高追肥比例可以使烤烟叶片的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度保持较高水平,有利于提高烤烟成熟期的光合作用,促进烟叶干物质的积累,提高烟叶的产量[16]。高琴等的研究表明：烤烟硝酸还原酶、淀粉酶、转化酶的活性随着施氮量的增加而逐渐升高；在低氮水平下烤烟叶片的碳氮代谢水平太低，不能满足烤烟正常生长的需求；在高氮水平下，烤烟叶片碳氮代谢水平太高,导致烟叶贪青晚熟[17]。本研究结果表明：基于SPAD值的不同追氮量对烤烟叶片的光合特性与碳氮代谢酶活性影响显著;在T1处理的追低氮量下,不同时间段下烤烟叶片的光合特性指标均处于较低水平,同时烤烟的碳氮代谢主要酶类活性较低,这与王维等[9]的研究结果一致,表明追氮量过低会抑制烤烟光合作用的进行,不利于烤烟含碳、氮化合物前期的积累与后期的转化;在T3、T4的追高氮量下,在烤烟移栽后0～55 d期间烤烟叶片的光合特性指标与碳氮代谢酶类活性均处于较高的水平,但T3、T4处理由于前期追肥量较大,导致烟叶在成熟期生长过快,较早打顶,T3处理与T4处理分别在移栽后56 d、46 d时停止追肥,烤烟后期存在轻微缺肥现象,以致烤烟的光合特性与酶类活性均下降,影响烟叶成熟期干物质的积累与糖分的分解,碳氮代谢不协调。在T2追施中氮量下，在移栽55 d后烟叶的光合特性与酶活性均处于较高水平,并且在移栽70 d后碳氮代谢有关酶活性逐渐下降,碳氮代谢减弱,但仍维持在一定水平；同时在移栽后85 d时的淀粉酶活性较70 d时有所提高,淀粉的分解代谢能力加强,有助于葡萄糖与果糖的积累,碳氮代谢更为协调,符合生产优质烟叶的要求。

氨基酸与水溶性糖作为碳氮代谢过程的主要代谢产物,是植株整个生育期碳氮代谢进程的体现。植株在生长发育过程中通常会积累大量的游离氨基酸以调节细胞内的渗透压。在本试验中，随着追氮量的增加，烟叶的氨基酸总量呈现先上升后下降的趋势,这与其光合特性以及碳氮代谢酶活性的规律一致。葡萄糖、果糖、淀粉含量的变化规律与氨基酸含量的一致；淀粉含量过高会影响烤后烟叶的品质,但由于淀粉酶在烤烟生育后期仍保持较高的活性,有助于淀粉转化为单糖,因此在不同处理间淀粉含量差异不显著。蔗糖与麦芽糖含量与转化酶活性以及光合作用密切相关,随着施氮量的增加转化酶活性表现为先上升后下降的趋势,而蔗糖与麦芽糖含量表现为T4>T3>T1>T2,表明转化酶活性对蔗糖与麦芽糖含量的影响大于对光合作用的影响。

常规化学成分含量是衡量烟叶内在质量的重要指标。基于SPAD值的不同追氮量对烤烟常规化学成分含量的影响较大,当追氮量为15 kg/hm2时，烤后烟叶总糖、还原糖含量偏低,中部叶烟碱含量低于2%,淀粉含量高于5%；当追氮量为30 kg/hm2时,烟碱含量与总糖含量偏高,这与光合特性与碳氮代谢酶活性的表现一致；当追氮量为20 kg/hm2时糖碱比适宜,淀粉含量较低,钾含量高,化学成分协调。

在本试验中,基于SPAD值每次追施纯氮20 kg/hm2时,烤后烟叶中上等烟比例与产值均高于其他处理,有效提高了烤烟生育期的光合速率、蒸腾速率,增强了碳氮代谢过程关键酶的活性,提高了烤烟碳氮代谢产物的积累,加快了淀粉的代谢,提高了烤后烟叶的产量与质量,为基于SPAD阈值43的最佳追施氮量。