施氮量对复合沙培番茄氮代谢酶活性及品质和产量的影响

刘迁杰, 程云霞, 贾凯, 时振宇, 张婧, 魏少伟, 吴慧

(新疆农业大学林学与园艺学院, 新疆特色园艺作物种质资源与高效生产实验室, 乌鲁木齐 830052)

番茄(LycopersiconesculentumMill.)因富含维生素C、氨基酸、可溶性糖、类胡萝卜素且产量高、经济效益好等特点深受人们喜爱，在全国范围内被广泛种植。近年来，为了缓解粮棉争地矛盾，对西北地区广阔的沙漠、戈壁滩等非耕地进行了大力开发，使得蔬菜栽培成为当今扩展农业生产空间的发展方向。以沙子为主的基质种植蔬菜具有避免根部连作障碍、减少病虫害、省工和生产成本低等优点，但也存在保水保肥能力差等缺点。当地农户在蔬菜沙培的过程中盲目增施氮肥，虽然达到了增产的目的，但是却影响了植物体内氮代谢途径与外界环境的平衡，导致果实品质下降、根际环境紊乱、农业生产成本增加等现象。

氮代谢是植物体内最重要的生理活动，与植物的生长发育及产量、品质关系密切。硝酸还原酶(nitrate reductase，NR)是植物体内氮代谢的起始酶和限速酶，谷氨酰胺合成酶(glutamine synthetase，GS)是参与无机氮同化过程的关键酶，这两种酶活性的强弱均直接影响植物氮代谢水平的高低[1]。植物体内的氮代谢反应对氮素水平变化的响应是多方面的，而目前关于氮素对植物体内氮代谢的研究多集中在玉米、谷类、小麦等作物中。如玉米中的硝酸还原酶活性随着氮素水平的提高呈递增趋势，说明适量施氮可显著提高氮肥利用率。已有研究表明，谷类作物土壤缺氮会导致根长发生变化，从而降低籽粒的蛋白质含量[2-4]。氮肥可显著提高小麦的氮素代谢酶活性，促进小麦籽粒氮素累积并获得高产[5]。番茄果实的氮素来自坐果前的氮素运转及坐果后的氮素吸收[6]。过量硝态氮的供应会造成植物体内的氮素吸收量大于还原量，成为硝酸盐积累的主要原因[7]。适量的氮肥施用是提高植物含氮化合物高效运转，降低硝酸盐含量的关键。吴正景等[8]研究表明，过量施用氮肥可提高番茄叶片的硝酸还原酶活性及叶绿素含量。张筱茜等[9]研究认为，低氮处理的NR活性显著高于高氮处理。毕晓庆等[10]推荐番茄氮肥施用量在270～360 kg·hm-2范围内，可使设施番茄达到高产优质的目标。关于番茄叶片氮代谢酶活性与硝酸盐含量及果实品质关系的报道较少，且多集中于某一代谢酶活性或生长和品质的单一研究，对不同生育期的多个氮代谢酶活性及果实品质和产量的综合研究，鲜见报道。本研究以‘毛粉812’为试验材料，在复合沙培基质槽栽的条件下，分析番茄叶片硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶活性的动态变化及其与果实品质和产量的关系，旨在为揭示番茄氮代谢的生理机制及优化番茄品质和高产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018年5—10月初，在新疆自治区乌鲁木齐市乌鲁木齐县水西沟村(N 43°49′，E 87°45′)进行，该地处于天山北麓，属温带大陆性气候，昼夜温差大，降水量充足，年均日照时数为2 488.8 h。试验地总面积为62 m2，每个小区面积为3 m×1.2 m=3.6 m2。混合基质容重0.71 g·cm-3，基质pH 8.53，EC值1.99 mS·cm-1，全氮0.58 g·kg-1，有机质8.19 g·kg-1，速效氮308.90 mg·kg-1，速效磷435.60 mg·kg-1，速效钾2.03 g·kg-1。

1.2 试验材料

供试材料为番茄品种‘毛粉812’，是由西安常丰园种业公司在‘毛粉802’的基础上改良而成的最新茸毛型番茄品种。供试肥料采用尿素(N 46%，河南延化化工有限公司)、磷酸二氢钾(P2O551.1%、K2O 34%，四川蜀灿化工有限责任公司)、硫酸钾(K2O 50%，挪威雅格化肥有限公司)。2018年3月25日播种，育苗基质体积配比为椰糠：蛭石=1∶1；5月12日定植，栽培基质体积配比为沙子：椰糠：鸡粪=2∶1∶1。采用地上槽栽，由砖筑成槽框高30 cm、槽内径宽50 cm的栽培槽，槽间距70 cm；同时在槽底挖深约10 cm并有一定坡度的条沟，然后依次铺上塑料膜(防止各试验处理间相互渗透影响)、石砾(直径3～6 cm石砾，高约10 cm左右)、编织袋(防沙子进入石砾中)，最后加入配制后的复合基质30 cm。

1.3 试验设计

试验以氮肥作为单因素，共设置5个处理。根据土壤种植施肥每生产1 000 kg番茄需要1.73 kg N、0.89 kg P2O5、3.51 kg K2O，设目标产量为165 t·hm-2，确定N2处理的纯氮施量为285.45 kg·hm-2、P2O5146.85 kg·hm-2、K2O 579.15 kg·hm-2。N0处理不施氮肥，N1处理在N2处理基础下调50%，N3处理在N2处理基础上上调50%，N4处理在N2处理的基础上上调100%，即5个处理的施氮量分别为0(N0)、143(N1)、285(N2)、428(N3)和571(N4) kg·hm-2，各处理的磷肥和钾肥施用量一致，磷酸二氢钾为287 kg·hm-2、硫酸钾为962 kg·hm-2。每个处理3次重复，共有15个小区，每个小区内种2行，每穴单株，株距为30 cm，每个小区20株。磷酸二氢钾作为基肥一次性施入，尿素和硫酸钾基肥施入量为总量的40%，剩余60%分别在第一穗果膨大期、第二穗果膨大期、第三穗果膨大期和第五穗果膨大期分次施入，每个时期分别追施尿素总量和硫酸钾总量的10%、20%、20%、10%；将肥料溶于水中进行逐株浇灌，以滴灌方式进行浇水。采用单干整枝，其他栽培管理条件均一致。

1.4 测定指标和方法

以番茄植株自上而下第3～4片完全展开的功能叶为取样对象，用液氮迅速冷冻保存，带回实验室测定，NR活性采用离体法[11]测定；GS活性采用比色法[12]测定。

每个小区选取6株(与测定生长性状的挂牌植株相对应)植株记产，从番茄第一穗果成熟开始采摘，累计记录每次采收时各小区挂牌植株的株数、果实数、单果重和产量。

待番茄第三穗果成熟时，每个小区选择发育状况一致的5个果实进行品质测定，每个小区3次重复。维生素C含量采用2,6-二氯靛酚滴定法[11]测定；可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝G-250染色法[11]测定；硝酸盐含量采用5%水杨酸-硫酸法[11]测定；可溶性糖含量采用蒽酮法[11]测定；有机酸采用标准碱液滴定法[11]测定；糖酸比是可溶性糖与有机酸的比值；可溶性固形物用BK-506手持式折光仪(标康科技有限公司)测定。

对番茄的各指标进行隶属函数综合指标分析，综合指标的隶属函数值[u(Xj)][13]、权重(Wj)[14]和综合评价值(D)[15]的计算公式如下：

u(Xj)=(Xj-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(1)

(2)

(3)

式中，Xj表示第j个综合指标，j=1, 2, 3, …n，Xmax表示第j个综合指标的最大值，Xmin表示第j个综合指标的最小值；Wj表示第j个综合指标在所有综合指标中的重要程度，即权重；Pj为各指标第j个综合指标的贡献率；D值为番茄在施氮处理条件下由综合指标评价所得的各性状指标的综合评价值。

1.5 数据处理与分析

试验数据采用Microsoft Excel 2003和GraphPad Prism 8软件进行整理并绘图，用SPSS 19.0软件进行单因素方差分析、相关性分析、主成分分析和隶属函数综合分析。

2 结果与分析

2.1 不同施氮水平复合沙培番茄叶片的氮代谢酶活性

由图1可知，不同生长时期，不同处理间番茄叶片的NR活性差异显著，且均高于对照；整体随着时间表现为先升高后降低的趋势，在7月26日达到峰值，此时较强的氮代谢可以促进番茄果实糖分的积累，同时有利于新叶的生长。7月1日，N3处理的酶活性最高，为75.41 μg·g-1·h-1，较N0增加84.80%；7月26日，各处理叶片的NR酶活性均高于7月1日和8月30日， N3处理叶片的NR活性最高，为98.77 μg·g-1·h-1，各处理间差异显著，比N0增加42.79%；8月30日，各处理的NR酶活性较7月26日整体下降，N3处理下降最多，较7月26日降低21.26%，仍较N0显著提高40.21%。

不同生长时期，不同处理间番茄叶片的GS活性的变化趋势与NR活性相似，整体随着时间表现为先升高后降低的趋势，且不同处理间差异显著，均高于对照。7月1日，N3处理的GS酶活性最高，为52.81 μmol·mg-1·h-1，较N0显著增加187.40%；7月26日，N3处理的酶活性最高，为71.59 μmol·mg-1·h-1，分别比N0、N1、N2和N4处理显著增加了182.90%、102.71%、73.66%和33.10%；8月30日，各处理GS酶活性有所下降，N4处理的酶活性较7月26日下降了141.84%，N3处理酶活性最高，较N0显著增加193.49%，且与其他处理存在显著性差异。

注：不同小写字母表示同一时间不同处理间差异在P<0.05水平具有显著性。Note: Different lowercase letters of the same date indicate significant differences between different treatments at P<0.05 level.图1 不同施氮处理不同时间番茄叶片的NR和GS活性Fig.1 NR and GS activities of tomato leaves in different treatments at different date

2.2 不同施氮水平复合沙培番茄的果实品质

由表1可知，N3处理的维生素C含量显著高于其他处理，较N0显著提高了70.33%，各处理维生素C含量表现为N3>N4>N2>N1>N0，但N2和N4处理间差异不显著，N0与N1处理间差异不显著。N3处理的可溶性蛋白含量最高，为0.05 mg·g-1，较N0显著增加66.67%，与N2和N4处理差异不显著。随着施氮量的增加，硝酸盐含量不断增加，N4处理的硝酸盐含量最高，为198.62 mg·kg-1，与其他处理均差异显著，较N0显著增加17.19%。N3处理的可溶性糖含量较高，为0.35%，与N1和N2处理间无显著性差异，较N0显著增加25%。N1处理的有机酸含量最低，其他处理间均没有显著差异，N1较其他处理显著降低了37.50%。N3处理的可溶性固形物含量最高，为4.67%，但各处理间差异不显著。N1处理的糖酸比最高，为4.25%，较N0显著增加了61.60%，其他处理间均没有显著差异。

2.3 不同施氮水平的复合沙培番茄产量及产量因子

由表2可知，各处理间单株结果数、单果重和产量间均存在差异，其中N2处理的单株结果数最多，N3处理次之，分别较N0增加了21.31%和18.46%，N0、N1与N4处理间差异不显著。N2处理的单果重最大，为182.20 g，较N0显著增加37.61%；N3处理次之，较N0显著增加33.78%。随着施氮量的增加，番茄产量呈现先升高后降低的趋势，N2处理的产量最高，N3处理次之，分别较N0显著增加66.92%和58.38%，施肥处理较对照处理增产33.50%～66.92%。

表1 不同施氮处理的番茄果实品质指标Table 1 Fruit quality indicators of tomato in different treatments

表2 不同施氮处理的番茄产量及产量因子Table 2 Yield and its components of tomato in different treatments

根据施氮量和番茄产量绘制施氮量与番茄产量的关系图(图2)，采用多项式方程进行模拟，得到施氮量(x)与番茄产量(y)的回归方程：y=-0.000 6x2+0.434 5x+110.19，该方程的相关系数为0.992，相关性达到极显著水平(P<0.01)。因此得出，随着施氮量的增加番茄产量先升高后降低，二者极显著相关。由方程式得出y的最大值为188.85 t·hm-2，此时对应的施氮量x为362.08 kg·hm-2。模拟方程得出的施氮量介于处理N2与N3之间。

图2 施氮量与番茄产量的关系Fig.2 Relationship between nitrogen application amount and yield

2.4 不同施氮水平番茄果实品质及相关性状的综合评价

2.4.1不同性状间的相关性分析由图3可知，不同施氮处理的各性状指标之间存在不同程度的正负相关性，说明不同性状指标之间存在联系。其中NR与GS活性之间相关性显著(r=0.940，P<0.05)，可认为NR与GS活性提供的共同信息量为94.0%；NR活性与叶绿素含量之间存在显著正相关(r=0.953，P<0.05)；NR活性与维生素C和可溶性蛋白含量之间也存在显著相关；有机酸含量与糖酸比之间存在显著负相关(r=-0.906，P<0.05)；有的指标间也存在极显著相关性，NR活性与可溶性固形物含量之间存在极显著正相关(r=0.962，P<0.01)，可认为NR含量与可溶性固形物提供的共同信息量为96.2%；GS活性与维生素C和可溶性蛋白含量之间存在极显著相关(P<0.01)；维生素C含量与可溶性蛋白含量之间存在极显著正相关(r=0.993，P<0.01)，说明维生素C含量高的番茄，其可溶性蛋白含量也高。其他具有相关性的评价指标间也存在不同程度的信息重叠现象，选取其中某个指标来评价不同施氮量对番茄品质难以得到客观的结果，因此为了弥补用单一指标进行综合评价的不足，在此基础上进一步利用主成分分析来进行研究。

2.4.2不同性状的主成分分析对番茄的11个性状指标进行主成分分析，根据特征向量的绝对值将不同性状指标划分到不同主成分中。同一指标在各因子中的最大绝对值所在位置为其所属主成分。结果(表3)可以看出，主成分分析特征值中前2个成分的累积贡献率已达到92.155%，已满足特征值大于1且累积贡献率大于85%的原则，这样可将原来11个单项指标转换为2个新的相互独立的综合指标(comprehensive index，CI)，这2个综合指标基本上能代表11个单项指标的绝大部分信息。因此，可以用这两个综合指标对番茄品质进行概括分析。分别定义为第1主成分和第2主成分，根据表3中各指标的特征向量，得出综合指标的计算公式CI1=0.359X1+0.352X2+0.351X3+0.350X4+0.346X5+0.343X6+0.289X7+0.282X8+0.265X9-0.029X10+0.173X11；CI2=0.053X1-0.118X2+0.073X3+0.096X4-0.105X5-0.044X6+0.354X7+0.329X8-0.272X9+0.615X10-0.520X11。可知，在第1主成分的表达式中，NR活性(X1)、GS活性(X2)、叶绿素总含量(X3)和维生素C含量(X4)的系数较大；在第2主成分的表达式中，有机酸含量(X7)、糖酸比(X8)、硝酸盐含量(X10)、产量(X11)的系数较大。综合分析，NR活性、GS活性、叶绿素总含量、维生素C含量、有机酸含量、糖酸比、硝酸盐含量和产量可作为不同施氮条件下复合沙培番茄各性状的鉴定指标。

根据各综合指标贡献率的大小，第1个综合指标为69.597%，第2个综合指标为22.558%，计算其权重，得出2个综合指标的权重分别为0.755和0.245(表3)。

注：X1—NR活性；X2—GS活性；X3—叶绿素总含量[16]；X4—维生素C含量；X5—可溶性蛋白含量；X6—可溶性糖含量；X7—有机酸含量；X8—糖酸比；X9—可溶性固形物含量；X10—硝酸盐含量；X11—产量。*表示相关性在P<0.05水平具有显著性，**表示相关性在P<0.01水平具有显著性。Note：X1—NR activity；X2—GS activity；X3—Chlorophyll content[16]；X4—Vitamin C content；X5—Soluble protein content；X6—Soluble sugar content；X7—Organic acid content；X8—Sugar to acid ratio；X9—Soluble solids content；X10—Nitrate content；X11—Yield. * indicates significant correlation at P<0.05 level，** indicates significant correlation at P<0.01 level.图3 复合沙培番茄的叶片及果实指标的多重分析Fig.3 Multiple analysis of leaf and fruit indexes of tomato

2.4.3隶属函数及综合评价根据各综合指标的系数得到各处理的综合指标值(表4)，并对每个处理番茄各综合指标的隶属函数值进行计算，结果(表4)显示，每个处理番茄的所有综合指标的隶属函数值均不相同。对于综合指标CI1而言，不同施氮处理中，N3处理的u(X1)值最大，为1.000，表明该施氮水平在CI1表现为各性状指标最好，而N0处理的u(X1)值最小，为0.000，表明此施氮水平在CI1这一综合指标上各性状指标最差。不同处理中，N3处理的综合评价值(D)最大，为0.930，表明其综合性状指标最好，N0处理的D值最小，为0.194，说明其综合性状指标最差。对D值进行排序得出，不同施氮处理的复合沙培番茄各性状指标的综合排序为N3>N4>N2>N1>N0。

表3 主成分贡献率及各性状的特征向量Table 3 Contribution rate of principle components and eigenvectors of each trait

表4 各性状指标的综合评价Table 4 Comprehensive evaluation of various characteristic indexes

3 讨论

氮素是影响作物生长发育和产量的三大营养元素之一，在所有的植物代谢过程中都起着重要作用。氮代谢直接影响氮元素及氮素化合物在植物体内的形成、转化和分配过程[17]。有研究表明，增加施氮量可提高植株叶片的氮代谢酶活性，过量施氮会导致果实硝酸盐含量升高[18]。本研究发现，随着施氮量的增加，植株叶片NR和GS酶活性表现为先升高后降低，说明增施氮肥可促进番茄氮素的吸收和同化。相关分析结果也表明，NR和GS活性与果实可溶性蛋白含量关系密切。这与周宝利等[19]、从夕汉等[20]和赵春波等[21]研究结果一致。其中428 kg·hm-2施氮量(N3处理)的番茄叶片在各时期内酶活性均表现最活跃，说明施氮过量或不足均导致植株氮代谢活性降低，不利于光合产物的积累和运输。本研究表明，随着生育期的推进，各施氮水平氮代谢酶活性均表现为先上升后下降趋势，且不同施氮条件下均呈现相同的变化模式，这与马桂香等[22]和赵吉平等[5]研究结果一致。

合理施氮可以明显提高蔬菜品质和产量，这已成为研究热点。杨阳等[23]对黄瓜的研究表明，适量增施氮肥可显著提高黄瓜品质和产量，并随着氮肥用量的增加呈现先升高后降低的趋势。本研究发现，随着施氮量的增加，表征果实品质的维生素C、可溶性蛋白、可溶性糖和可溶性固形物含量均呈现先增加后降低的趋势，N3处理较对照分别增加了70.90%、66.67%、25.00%、27.25%。这与前人[24-26]的研究结果基本一致。其中硝酸盐含量与施氮量呈正比，而糖酸比最高的是N1处理，说明不施氮肥和过量施氮肥均会使番茄风味下降。本研究结果显示，施氮量与产量呈正相关，当施氮在285～428 kg·hm-2范围内，复合沙培番茄可达到高产优质的目标。原因可能是在低氮和高氮条件下，生殖器官的正常发育均受影响。毕晓庆等[10]研究得出，施氮量为450 kg·hm-2时，糖酸比最高，当超过360 kg·hm-2时，产量有所下降。刘恒旭等[27]研究表明，当施氮量≤450 kg·hm-2时，茄子的产量和品质可达到较好水平。有研究表明，氮素供应与果实产量呈正相关，当施氮量超过一个阈值，植株果实产量不再增加[28-30]，这与本研究研究结果一致。

综合考虑植株叶片氮代谢酶活性及果实品质和产量，N3处理的叶片酶活性和果实品质明显优于其他处理。此外，N2处理产量最高，N3处理产量次之，增产率均在58.38%以上。通过相关性分析得知，NR与GS活性呈显著正相关，GS与维生素C和可溶性蛋白含量存在极显著正相关，说明施氮量影响氮代谢酶活性，进而影响果实品质各指标之间的关系。由主成分分析把原来的11个单项指标转换为2个新的综合指标，并通过综合指标值计算其隶属函数值，得出N3处理在综合指标CI1的隶属函数值最大，表明该施氮处理在CI1的性状指标最好。根据各性状指标的D值对不同处理进行排序为N3>N4>N2>N1>N0。这说明N3处理植株的NR和GS酶活性、维生素C含量、可溶性糖含量、可溶性蛋白含量均显著提升。综上所述，本研究条件下，428 kg·hm-2施氮量的叶片氮代谢酶活性及果实品质和产量的综合表现最优，可作为复合沙培番茄的最佳施氮量。