高原夏季露地紫甘蓝叶片氮代谢相关酶、产量对不同水肥组合的响应

秦启杰，车旭升，罗 建，张 辉，冯 致，张国斌，郁继华

（甘肃农业大学园艺学院，甘肃 兰州 730070）

紫甘蓝是甘肃省兰州市榆中县高原夏菜主要种类之一，是当地农民致富增收的重要蔬菜作物。榆中县是全国典型的干旱区域，水资源匮乏是发展当地高原夏菜的最大困扰。加之农民为了追求蔬菜高产、稳产、经济效益最大化，过量施肥问题普遍存在，由于过量施肥造成蔬菜产量偏低、品质变劣，直接经济损失严重，而且引起了一系列的环境问题［1］。

水分和养分是作物生长发育的两大关键影响因子，水是养分发挥的关键，养分是打开水土系统的钥匙，水肥耦合可以达到高产、优质、高效吸收水肥的目的［2-4］。可以通过观察叶片的颜色变化来监测作物氮素营养状况，同时植物叶绿素含量与氮素水平有较好的正相关性，可作为氮素胁迫的指示器［5］。氮代谢与作物的生长发育和产量密切相关［6］，作物氮素利用效率取决于其氮代谢及抗性相关酶对氮素的响应机制［7］，而硝酸还原酶（NR）、谷氨酰胺合成酶（GS）、谷氨酸合成酶（GOGAT）等酶是反映植物氮代谢能力的重要指标。

氮素代谢途径是指在NR、谷氨酸脱氢酶（GDH）、GOGAT 及GS 等关键酶的作用下将硝态氮（NO3--N）转化成氨基酸和蛋白质的过程。正常环境条件下，当外来的NO3--N 进入细胞后，首先NO3--N在位于细胞质中NR的作用下还原成亚硝酸盐，亚硝酸盐再进一步还原成铵态盐。GSGOGAT 途径作为氮代谢同化铵态氮（NH4+-N）的关键途 径［8-9］，将进入植物体的NH4+-N 最终同化形成氨基酸和蛋白质，以降低NH4+-N在细胞组织中的积累，进而减少铵毒害［10］，同时形成的氨基酸和蛋白质是植物体内游离氨基酸和可溶性蛋白等大分子合成的主要供体［11-12］。GDH 是氨同化过程中的次要途径，也是对氨同化过程中的补充，在植物遭受环境胁迫时，对NH4+的再合成起着极其重要的作用［13］。本课题组前期的研究表明，氮代谢酶活性及相关物质含量与松花菜产量之间呈显著的正相关［14］。因此，研究不同水肥处理下的氮代谢强弱对紫甘蓝高产、优质栽培具有重要意义。所以，本试验结合当地的生态条件，以高原夏菜主要栽培种类之一的紫甘蓝为试材，以当地传统水肥管理为基础，研究不同水肥处理对紫甘蓝功能叶片氮代谢差异及产量的影响，探索紫甘蓝高产优质生产的节水省肥管理制度。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验于2019 年3～6 月在甘肃省兰州市榆中县清水驿稠泥河村进行。该地区平均海拔1790 m，年平均气温6.6 ℃，年降水量350 mm 左右，蒸发量为1343.1 mm，无霜期180 d 左右。供试土壤为壤土，肥力均匀。供试作物为紫甘蓝（欧美罗），供试肥料均使用水溶肥，分别为四川什邡德美实业有限公司生产的德美二铵（P2O5≥53.0%、N ≥20.8%）和硫酸钾（K2O ≥52.0%）；云南云天化股份有限公司生产的尿素（N ≥46.0%）；华诺联邦磷酸二氢钾（P2O5≥52%、K2O ≥34%）。耕层（0～20 cm）土壤基本理化性质见表1。

表1 供试土壤理化性质

1.2 试验设计

本试验以当地传统水肥管理为对照组（CK），试验组使用水肥一体化，采用双因素交互设计，因素一为灌水量，设有3 个梯度W1、W2 和W3，其中W1是最大田间持水量的80%，W2 是最大田间持水量的60%，W3 是最大田间持水量的40%，灌水上限统一设定为最大田间持水量的95%，具体情况见表2。用烘干法监测土壤含水量，待含水量到设定灌水下限时，灌水至上限，用水表记录灌水量。因素二为施肥量，设有3 个水平F1、F2、F3，其中高肥（F1 为当地传统施肥量），中肥（F2 为80%当地传统施肥量），低肥（F3 为60%当地传统施肥量）。试验开始前施用基肥N、P、K（108、276、0 kg/hm2），追肥分5 次进行，每次施肥量相同，具体情况见表3。水肥一体化处理组合灌水施肥均通过灌溉系统进行，灌溉系统主要有水泵，文丘里施肥器，管道系统，滴箭。3 月8 日育苗，4 月17 日选择大小一致，无病虫害，生长健壮的幼苗进行定植。定植当天浇一次缓苗水，10 d 以后进行正常的水肥处理。

表2 不同水肥组合灌水情况

表3 不同水肥组合施肥情况 （kg/hm2）

1.3 测定指标及方法

叶片：分别在莲座期、结球期、采收期每小区选9 棵植株，每棵植株上选取一片朝向相同的功能叶片测定氮代谢相关酶，每个处理9 次重复。

叶绿素含量：采用丙酮法测定［15］。可溶性蛋白质含量：采用考马斯亮蓝G-250 染色法测定，NR 活性：采用离体法测定［16］。

GS、GOGAT 和GDH活性：采用试剂盒测定（购自苏州科铭生物技术有限公司），以每克组织每分钟消耗1 nmol NADH 定义为一个酶活力单位。

干鲜重：每处理分别在莲座期、结球期、采收期避开边缘效应随机抽取9 个完整的样品进行测定。根的挖取方法如下：以植物的茎为圆心，对应不同时期分别以10、15、20 cm 为半径，并挖掘30 cm 深度的土壤柱状块，确保根的完整性，并分别清洁干净。将植株分为地上部分和地下部分，分别称量鲜重，在105℃干燥0.5 h，随后在70℃烘干，测定各部分的干物质质量。

产量测定：当紫甘蓝适合采收时，每小区避开边缘效应测取4.05 m2（共20 株）内的紫甘蓝经济产量，然后再换算成公顷产量。

1.4 数据处理与分析

利用Excel 2010 软件处理数据和作图，用SPSS 19.0 软件对数据进行单因素方差分析，并运用Duncan’s 检验法对显著性差异（P＜0.05）进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 水肥耦合对紫甘蓝功能叶片生理的影响

2.1.1 水肥耦合对紫甘蓝功能叶片叶绿素含量的影响

由图1 可知，不同水肥处理下紫甘蓝功能叶片叶绿素含量在各生育期均以W2F2 最高，较CK 分别增加20.74%、22.73%、23.24%。水肥一体化处理在相同灌水量条件下，不同时期叶绿素含量随着施肥量的减少呈现相同的趋势，在W1、W3 条件下，叶绿素含量随着施肥量的增加而增加，在W2条件下，叶绿素含量表现为：F2＞F1＞F3。水肥一体化处理在相同施肥量条件下，不同时期叶绿素含量随着灌水量的减少趋势一致，在F1、F3 条件下，叶绿素含量随着灌水量增加而增加，在F2 条件下，叶绿素含量在W2 条件下最高，W1 次之，W3最低。

2.1.2 水肥耦合对紫甘蓝功能叶片硝酸还原酶活性的影响

由图2 可知，不同水肥处理下紫甘蓝功能叶片NR 活性整个生育期呈现下降趋势，随生长时期的延伸，在各生育期均以W2F2 最高，分别较CK 提高了28.49%、18.18%、66.41%，各时期内水肥一体化处理NR 活性均高于CK 处理。不同生育期内，水肥一体化处理，在同一灌水下限时，NR 活性随着施肥量的增加均表现为先上升后下降；在同一施肥量时，NR 活性随着灌水量的增大亦均表现为先上升后下降。

2.1.3 水肥耦合对紫甘蓝功能叶片谷氨酰胺合成酶活性的影响

GS 是衡量植物氮素同化水平的一项重要生理指标，在作物体内催化谷氨酸和铵离子合成谷氨酰胺，可防止铵离子积累中毒。由图3 可知，不同水肥处理下紫甘蓝功能叶片GS 活性在整个生育期呈现先升高后降低的趋势。从各个生育期来看，W2F2 处理GS 活性最高，在莲座期、结球期、采收期分别较CK 升高136.67%、51.03%、21.21%；水肥一体化处理在相同灌水量条件下，不同时期GS 活性趋势相同，其中，在W1、W3 条件下，GS活性随着施肥量的减少呈现先升高后降低的趋势；在W2 条件下，GS 活性随着施肥量的增加而升高。在相同施肥量条件下，紫甘蓝GS 随着灌水量减少呈现先升高后降低的趋势。

2.1.4 水肥耦合对紫甘蓝功能叶片谷氨酸合成酶活性的影响

由图4 可知，不同水肥处理下紫甘蓝功能叶片GOGAT 活性在整个生育期呈现先升高后降低的趋势。从各个生育期来看，W2F2 处理叶片GOGAT活性均达到最大，分别在莲座期、结球期、采收期较CK 显著提高76.45%、115.81%、164.33%。水肥一体化处理，在各时期内，相同灌水量条件下，随施肥量的增加，GOGAT 活性表现为先增后减的趋势。水肥一体化处理，在莲座期，GOGAT 活性在同一施肥条件下，随灌水量增加表现为先升后降的趋势。在结球期、采收期，GOGAT 活性在F1、F3 条件下，表现为W1＞W2＞W3；在F2 条件下表现为：W2＞W1＞W3。

2.1.5 水肥耦合对紫甘蓝功能叶片谷氨酸脱氢酶活性的影响

由图5 可知，不同水肥处理下紫甘蓝功能叶片GDH 活性在整个生育期内均以W2F2 处理最大，在莲座期、结球期、采收期较CK 处理分别显著提高13.11%、10.79%、11.84%。从各生育期来看，在相同灌水量条件下，不同时期GDH 活性均随着施肥量的增加呈现先升高后降低的趋势。水肥一体化处理，在相同施肥量条件下，不同时期GDH 活性趋势一致。在F1 条件下，GDH 活性随着灌水量的增加而增加（除采收期W2＞W3，但并无显著差异）；在F2、F3施肥条件下，以W2 最高，W3 次之，W1 最低。

2.1.6 水肥耦合对紫甘蓝功能叶片可溶性蛋白的影响

由图6 可知，不同水肥处理下紫甘蓝功能叶片可溶性蛋白含量在整个生育期内表现为先升高后降低。从各生育期来看，W2F2 处理叶片可溶性蛋白含量最高，较CK 处理分别增高5.56%、5.02%、16.22%。同一生育时期内，水肥一体化处理，在同一灌水下限时，可溶性蛋白含量随着施肥量的增加呈现先升高后降低的趋势。水肥一体化处理，相同施肥量条件下，各时期叶片可溶性蛋白含量随灌水量的增加表现为先升后降的趋势。

2.2 水肥耦合对紫甘蓝干物质量和产量的影响

2.2.1 水肥耦合对紫甘蓝干物质量的影响

由表4 可知，随着紫甘蓝生育期的推进，各处理根干重和地上部干重由莲座期1.853～2.528 g和36.850～45.157 g 到结球期6.495～10.313 g和116.707～170.572 g，再增长到采收期8.711～14.178 g 和139.896～196.622 g。从各生育期来看，在莲座期，不同水肥处理之间的根干重与地上部干重差异不显著；在结球期，根干重在W1F2、W2F1、W2F2、W2F3、W3F2、W3F3 处理下显著高于CK 处理，水肥一体化处理地上部干重均显著高于CK 处理，其中W2F2 处理根干重、地上部干重最大，较CK 处理分别增高58.78%、46.15%。在采收期，根干重以W3F2 处理最大，较CK 处理提高62.75%；地上部干重以W1F2 处理最高，W2F2 处理次之，但与W1F2处理并无显著差异。莲座期，各处理间根冠比无差异；结球期和采收期，在同一灌水下限时，水肥一体化处理根冠比随施肥量的增加表现为降低的趋势。

表4 水肥耦合对紫甘蓝干物质量的影响

2.2.2 水肥耦合对紫甘蓝产量的影响

由图7 可知，不同水肥处理下紫甘蓝产量大小为：W2F2＞W1F2＞W2F1＞W1F1＞W3F1＞W1F3＞W1F3＞W2F3＞W3F3＞CK。W2F2 处理较CK 显著增产16.37%。水肥一体化处理，在相同灌水量条件下，产量随着施肥量的增加呈现先增后减的趋势；在同一施肥水平下，产量随着灌水量的增加表现为W2＞W1＞W3。其 中，在F1 条件下，W2 较W1 和W3 分别增加0.79%和1.76%；在F2 条件下，W2较W1 和W3 分别增加4.12%和6.76%。在F3 条件下，W1＞W2＞W3，但处理间无显著差异。

3 讨论与结论

蔬菜产量和品质主要取决于品种遗传特性，但外在条件依然重要。生产上通过优化蔬菜的生态环境和栽培措施来提高产量。水肥耦合效应会影响叶色、气孔导度、蒸腾速率及叶片中的各种酶活性，对植株的光合作用造成影响，进而影响植株产量［17］。杨丽珍等［18］研究结果表明，适当增施氮肥有利于提高作物叶片叶绿素含量。本试验结果同样表明，在相同灌水量条件下，叶绿素含量随着施肥量的增加呈现先升高后降低的趋势。水分胁迫能够降低作物的叶绿素含量［19-21］。本试验结果也表明，在相同施肥量条件下，随着灌水量的减少，叶绿素含量呈先升高后降低的趋势，灌水下限60%时达到峰值，说明适度降低土壤含水量使紫甘蓝叶片水分减少，叶绿素浓缩使其含量增加。

氮素代谢主要依靠关键酶（NR、GS、GOGAT、GDH）将NO3--N 转化成氨基酸和蛋白质的过程，是植物体内最基本、最重要的物质代谢之一，其活性与土壤中肥料的供给水平息息相关［22］。何舞等［23］研究认为随着化学肥料施用量的加大，植株的硝酸盐含量和NR 活性增加。牛巧龙等［24］研究表明，NR 随着施氮量增加呈现单峰曲线变化的规律。本试验结果表明，在同一灌水下限时，随施肥量增加叶片NR 活性呈先升后降的趋势。张丽莹［25］对黄瓜叶片研究发现，在中肥和高肥条件下，中等灌水量最有利于NR 活性的提高。本试验得到相似的结果，水肥一体化处理在同一施肥水平时，W2 处理较W1、W3 处理更能激发叶片NR活性。GS-GOGAT 途径是氮代谢氨同化的关键途径，最终同化形成氨基酸。Li 等［26］研究表明，在一定范围内增加施肥量，各生育期夏玉米叶片GS、GOGAT 活性显著提高。本试验得到相似结果，在相同灌水量条件下，GS、GOGAT 活性随着施肥量的增加呈现先升高后下降的趋势。曹慧等［27］认为水分胁迫下植株叶片中的GS、GOGAT 活性呈明显的下降趋势。本试验结果同样表明，在相同施肥条件下，GS 活性随着灌水量的减少呈现先升高后降低的趋势。研究表明，较高氮素水平抑制GDH活性，而低氮素水平下GDH 活性增强［28］。本试验得出相似结果，在相同灌水条件下，GDH 活性随着施肥量的增加呈现先升高后降低的趋势。蛋白质作为氮素代谢的终极产物，其生物合成主要在NR、GS、GOGAT、GDH 等一系列酶促反应下完成［29］。本试验得出，W2F2 处理叶片可溶性糖含量均高于其他处理，在相同灌水下限时，F2 处理叶片可溶性蛋白含量优于F1、F3 处理。高强度的水分胁迫会导致可溶性蛋白显著降低［30］。本试验同样得出，水肥一体化处理，在相同施肥量时，W1、W3 处理叶片可溶性蛋白含量均低于W2处理。

干物质积累量可以反映作物本阶段营养状况，而适宜的水肥配比可以改变作物的生态环境，从而增加植株的干物质积累，获得高产［20］，且灌水量和施肥量之间存在显著交互作用［31］。姜芳红等［32］研究发现，与农民常规施氮方式相比，减氮施肥方式可以提高水稻产量。张智等［33］研究发现，随着氮肥用量的降低，油菜氮素吸收量呈显著下降的趋势。而袁宇霞［34］研究发现，在番茄生长旺盛期，过高的灌水下限和施肥量对番茄的干物质量有抑制作用。高肥和低肥均不利于总干物质量的积累、经济产量的增加，高肥的抑制作用更明显［35］。滴灌水肥一体化处理下良好的水肥气热条件，有利于作物根系的生长，尤其是根毛丰富，活性好，保证了养分充分向上输送［36］。本试验结果表明，水肥一体化处理的干物质总积累量与产量均高于CK 处理且有显著差异，以W2F2 最高。在相同施肥条件下，随着灌水量的增加，干物质量积累与产量以W2 处理最优；相同灌水条件下，干物质量与产量随施肥量的增加呈先增后减的趋势。这可能是因为适宜的水分条件有利于提高气孔导度，在此条件下适量增施氮肥，有利于增加叶绿素含量，从而促进了光合速率，增加产量［37］。唐玉霞等［38］也得到水肥耦合在作物栽培过程中具有一定的阈值，低于此阈值时增加水肥作物产量明显增加，而高于此阈值时增产效果不明显的结果。土壤肥力越高，植株吸收的化学氮肥越多，氮肥回收率也越高［39］。氮素供应不足对地上部生长限制程度较大，导致根冠比增大，这种碳水化合物分配比例的变化有利于根系生长［40］。本试验同样得出，水肥一体化处理可以调节养分分配、根冠比大小，同时得到在相同灌水量时，F3处理根冠比最高。

综上所述，W2F2（60%田间持水量，N 394.8 kg/hm2，P2O5660 kg/hm2，K2O 216 kg/hm2）处理在氮代谢酶活性、干物质量及产量方面优于其他处理，与传统水肥处理相比，W2F2 处理增产16.37%，节水58.27%，节肥20%，为提高紫甘蓝产量及高品质栽培提供一定的依据。