减氮条件下配施聚天门冬氨酸对烤烟氮代谢及氮素吸收利用的影响

杨启航，陈建军，叶晓青，周国荣，李淮源，邓世媛*

1.华南农业大学烟草研究室，广州市天河区五山路483号 510642 2.广东中烟工业有限责任公司，广州市天河区林和西横路186号 510610 3.深圳烟草工业有限责任公司，广东省深圳市龙华区清宁路2号 518109

氮素是植物生长发育过程中不可或缺的营养元素［1］，充足的氮肥是作物高产的保障。烟草是我国重要的经济作物，氮肥不仅影响其产量形成，还与烟叶中化学成分含量有关［2］。烟草生产上，烟农往往通过增加肥料尤其是氮肥投入来保障产量，导致烟草的氮肥利用率普遍低于其他作物［2］，造成中上部烟叶成熟落黄慢、色素降解不充分、烟叶工业可用性低［3］、资源浪费及环境污染等一系列问题，因此，合理减少烤烟生产氮肥施用量、提高氮肥利用率势在必行。

聚天门冬氨酸（Polyaspartic Acid，PASP）是一种氨基酸类聚合物，在环境中易降解为CO2和H2O［4］，无毒、无害、无污染，属环境友好型高分子材料［5］。PASP本身具有极强的吸附作用，能螯合金属离子，将N、P、K及微量元素富集在作物根系附近［6］，起到缓释、促进作物吸收、提高肥料利用效率的作用［7］，并可减少因养分流失造成的农田污染［8-9］，近年来作为肥料增效剂在农业生产上被广泛探索。有研究表明，适宜浓度的聚天门冬氨酸可增加小麦幼苗氮钾养分的积累［10］，提高油菜叶绿素和VC含量（质量分数）、降低硝酸盐含量［11］，促进紫花苜蓿生长、提高干草产量［12］。根施PASP使温室黄瓜的叶绿素含量、光合速率、根系活力明显提高，氮磷钾吸收量增加［13］，与尿素配施能减缓铵态氮的释放速率，促进蕹菜根系生长及对氮素的吸收［14］。喷施PASP可以提高玉米净光合速率和抗氧化酶活性，降低丙二醛含量［15］，并增加玉米干物质积累量和氮磷钾养分积累，促进玉米增产［16］，还能在铜镉复合胁迫下促进番茄幼苗生长和矿质元素吸收［17］。

随着PASP应用的深入，研究其在肥料减量条件下的作用也逐步得到重视。已有报道，氮肥减量1/3后通过PASP螯合氮素可促进玉米氮素代谢、增大叶面积指数、提高氮肥利用效率［18］，水稻减氮15%后配施PASP增加了花后物质转运量和穗数进而提高了籽粒产量［19］，小麦减氮20%后添加PASP比对照增产101.5 kg·hm-2［8］，减氮20%～30%条件下施用PASP可改善烤烟根系和叶片生理特性，促进氮素吸收、降低氮肥损失［2，20］，减钾50%后配施PASP可改善葡萄品质、提高钾素利用率［21］。上述研究结果证实了减量施肥条件下PASP作为肥料吸收促进剂的效果，但目前在烟草上的研究还较少，尚鲜见施用PASP对烟草氮代谢及氮素平衡的报道。因此，以氮肥减量与配施PASP处理相结合，研究不同用量的PASP对减氮条件下烤烟氮代谢、光合日变化、氮肥利用率及氮素平衡的影响，以期为PASP在烟草生产中的应用提供依据。

1 材料与方法

1.1试验材料与土壤背景

供试烤烟品种为云烟87，试验于2018年12月至2019年7月在湖南省新田县新圩镇祖亭下村进行。土壤基本理化性质为：pH 7.33，有机质52.74 g·kg-1，全氮2.89 g·kg-1，全磷1.40 g·kg-1，全钾8.45 g·kg-1，碱解氮166.35 mg·kg-1，速效磷62.87 mg·kg-1，速效钾384.19 mg·kg-1。

1.2试验设计

试验以新田当地常规氮肥施用量为对照（CK），在减氮10%的条件下配施不同用量的PASP，并设置不施肥处理（NF）以计算肥料利用率，见表1。

表1 试验处理设置①Tab.1 Experimental treatments

田间试验采用随机区组设计，每处理重复3次，共15个小区。每个小区植烟60株，周边设双行保护行。行株距1.2 m×0.5 m，种植密度为1 100株/667 m2。

PASP施用方法：破膜后按试验设计用量将PASP与纯净水按1∶500（体积比）的比例混合，采用根部淋入的方式分4次施用，每次间隔1周。

1.3 测定方法

采用活体法测定硝酸还原酶（NR）活性［22］；采用比色法测定谷氨酰胺合成酶（GS）活性［23］；采用吴良欢等［24］的活度比色法测定谷氨酸草酰乙酸转氨酶（GOT）和谷丙转氨酶（GPT）活性。采用叶绿素含量测定仪（SPAD-502，日本大阪美能达公司）［25］测定SPAD值。使用便携式光合系统（Li-6400，美国LI-COR公司）于烟草成熟期测定净光合速率，从9:00至17:00，每隔2 h测定1次。

氮肥利用效率的计算［26］：

土壤氮素平衡的计算［27］：

1.4 数据处理

采用EXCLE 2017和SPSS19.0进行数据作图和统计分析。采用Duncan’s法对不同处理进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1减氮配施不同用量PASP对烤烟叶片氮代谢相关酶活性的影响

2.1.1 对硝酸还原酶活性的影响

从图1看到，CK的NR活性在各个生长时期均高于4个减氮处理，但减氮配施PASP却对烤烟NR活性起到一定的提升作用。配施PASP的处理，其NR活性均高于未配施PASP的NP0处理，尤其是NP2处理，其NR活性在各个生长时期均明显高于其他处理，表现为NP2>NP3>NP1>NP0，且NP2与CK的差值极小，在移栽后50 d达到峰值时与CK仅相差1.92μgN·g-1·h-1，但比NR活性最低的NP0处理高39.78%，差异达到显著水平。

图1 不同处理对NR活性的影响Fig.1 Effects of different treatments on NR activity

2.1.2 对谷氨酰胺合成酶活性的影响

谷氨酰胺合成酶—谷氨酸合成酶途径是氨的重要同化途径，谷氨酰胺合成酶（GS）是其中的多功能酶，参与多种氮代谢的调节［28］。图2显示，各处理间烤烟GS活性表现与NR一致，减氮处理GS活性在各个生长时期均低于CK，反映了减氮带来的不利影响。从配施PASP的效果来看，配施PASP的减氮处理，其GS活性均高于未配施的NP0处理，其中配施5.0%PASP的NP2处理对GS活性的提升作用最为显著。烟株大田生长前中期GS活性较高，NP2处理与CK的GS活性差异最小，仅比CK低1.00%～1.70%，而比未配施PASP的NP0处理提高53.38%～68.34%，NP1和NP3处理的GS活性也分别比NP0提高17.23%～46.69%，表明配施PASP对减氮条件下提高烤烟叶片GS活性有明显作用。

图2 不同处理对GS活性的影响Fig.2 Effects of different treatments on GS activity

2.1.3 对谷氨酸草酰乙酸转氨酶活性的影响

从图3可以看出，减氮未配施PASP的NP0处理，烤烟GOT活性明显低于CK。但通过分析各配施PASP处理间的差异发现，NP1和NP2处理的GOT活性与CK较为接近，NP0和NP3处理的GOT活性在多个生育期内均低于其他3个处理。移栽后90 d，GOT活性最高的CK为0.38μmol·g-1·30 min-1，NP0与CK相比降低15.96%，但NP2处理比CK仅降低1.76%，差异较小。

图3 不同处理对GOT活性的影响Fig.3 Effects of different treatments on GOT activity

2.1.4 对谷丙转氨酶活性的影响

如图4所示，减氮未配施PASP的NP0处理，烤烟GPT活性在各个生育时期均低于CK，表明单纯减氮条件下GPT活性会有所下降。从配施PASP处理来看，在移栽后50～70 d，NP2处理的GPT活性不仅明显高于各配施PASP的处理，也高于CK且差异达到显著水平。而移栽后70～90 d期间，CK的GPT活性略高于NP2处理，也高于其他处理，但差异不显著。整体而言，减氮条件下配施一定量的PASP可以促进GPT活性的提高。

2.2 减氮配施不同用量PASP对烤烟叶片光合性能的影响

2.2.1 对烤烟叶片SPAD值的影响

SPAD值可以反映叶绿素的相对含量［29］。由表2可以看出，减氮主要影响上部叶与中部叶的SPAD值，对下部叶影响不大。比较各处理移栽后不同时期上部叶与中部叶的SPAD值发现，CK始终高于其他处理，说明单纯减氮会直接降低叶绿素含量。但在减氮的4个处理中，NP2处理的SPAD值最高，与CK相差极小。移栽后60 d，NP0和NP2处理上部叶SPAD值分别比CK低10.94、1.37，差异达到显著水平，NP1和NP3处理的SPAD值也高于NP0，但差异未达到显著水平；NP2处理中部叶的SPAD值与CK相差很小，仅为0.24，而NP0处理与CK的SPAD差值达到5.5。移栽后75 d，各减氮处理的上部叶SPAD值表现为NP2>NP3>NP0>NP1，而中部叶则表现为NP2>NP1>NP3>NP0，但差异均不显著。移栽后90 d，上部叶的NP2处理与CK间差异不显著，但与其他3个减氮处理间差异达到显著水平，其中与NP0处理的差值最大，比NP0处理高23.36%；中部叶NP2与NP1处理间差异不显著，但显著高于NP3和NP0处理。说明减氮条件下通过配施适宜用量的PASP可以有效增加烤烟叶绿素含量。

表2 不同处理各部位烟叶的SPAD值比较①Tab.2 SPAD values of leaves from different stalk positions under different treatments

2.2.2 对烤烟叶片光合日变化的影响

减氮条件下配施PASP对上部叶和中部叶光合日变化的影响，见图5。从上部叶光合日变化可以看出，减氮普遍降低了上部叶各时间点的净光合速率（Pn），尤其NP0处理，比CK降低14.40%～28.14%，差异达到显著水平，说明单纯减氮不利于烤烟叶片的光合作用。但配施PASP的3个处理，其Pn均比NP0处理有所提高，尤其是NP2处理，仅比CK降低0.79%～7.71%，但比NP0处理提高15.90%～28.43%，差异达到显著水平，NP1和NP3处理的Pn也高于NP0，表明配施PASP可以缓解减氮条件下Pn下降的幅度。中部叶Pn总体趋势与上部叶基本一致，各个时间点仍然是NP0的Pn最低。总体来看，中部叶各处理仍是NP2处理对减氮条件下Pn的提升效果最显著，在11:00与15:00时分别比NP0提高32.93%和31.39%。

图5 不同处理对叶片Pn日变化的影响Fig.5 Effects of different treatments on diurnal change of net photosynthetic rate of leaves

从Pn的日均值（表3）来看，上部叶比中部叶略高但总体趋势一致，均表现为CK>NP2>NP1>NP3>NP0，且NP2处理与CK的Pn差值极小，仅为0.52μmol·m-2·s-1（上 部 叶）和0.57μmol·m-2·s-1（中部叶），但NP2的Pn比NP0却提高3.02μmol·m-2·s-1（上部叶）和2.30μmol·m-2·s-1（中部叶），差异达到显著水平，NP1和NP3处理也高于NP0。说明减氮条件下配施PASP有利于烤烟叶片Pn的提高。

表3 不同处理对Pn日均值的影响Tab.3 Effects of different treatments on daily mean of net photosynthetic rate （μmol·m-2·s-1）

2.3 减氮配施不同用量PASP对烤烟氮素吸收利用及植烟土壤氮素平衡的影响

2.3.1 对烟株氮素吸收量的影响

从图6可以看出，减氮10%的NP0处理，测定的大多数时间点氮素吸收量低于CK，尤其是大田生长中后期，与CK差异达到显著水平，表明单纯减氮会影响烟株的氮素吸收。从配施PASP的处理来看，同样减氮条件下由于配施PASP的用量不同，对氮素的吸收也存在差异。移栽后40 d，NP1、NP2和NP3的氮素吸收量分别比NP0提高19.34%、46.30%和24.69%，至下部叶采收前（移栽后80 d）处理间的差异更加明显，NP1、NP2和NP3处理的氮素吸收总量分别比NP0处理提高16.95 kg·hm-2、36.75 kg·hm-2和8.47 kg·hm-2，在相同地力和肥力条件下，施用PASP处理的氮素吸收量高于未施用PASP的处理，表明配施PASP可促进氮素的吸收。移栽后80 d的氮素吸收量略低于移栽后70 d，可能是由于未将打顶抹杈时去除的花序、腋芽和叶片等计算在内所致。

图6 不同处理对烤烟氮素吸收的影响Fig.6 Effects of different treatments on nitrogen absorption of flue-cured tobacco

2.3.2 对烤烟氮肥利用率的影响

减氮条件下配施PASP对烤烟氮肥利用率的影响见表4。表4表明，氮肥农学效率和偏生产力均表现为NP2>NP1>NP3>CK>NP0，可见单纯减氮会降低烤烟的氮肥农学效率和偏生产力，但是配施PASP却可改变这一状况，甚至高于不减氮处理，尤其是NP2处理效果最显著，与CK相比增加20.83%和16.86%，比最低的NP0处理提高42.2%和22.19%。氮肥当季回收率以NP2最高，达44.22%，与其他各处理间差异均达到显著水平，比CK增加7.69百分点，比NP0处理提高16.16百分点。氮肥经济利用率在各处理间的表现与当季回收率类似，以NP2处理最高，为31.34%，与CK相比增加8.49百分点，而NP0处理仅为18.07%，可见减氮条件下配施PASP尤其是5.0%PASP用量对氮肥利用率的提高效果显著。

表4 不同处理对烤烟氮肥利用率的影响Tab.4 Effects of different treatments on nitrogen utilization efficiency of flue-cured tobacco

2.3.3 对植烟土壤氮素平衡的影响

从表5可以看出，NP0处理在减氮10%的条件下，其氮素表观盈亏值最高，为64.41 kg·hm-2，说明单纯的减氮并不能增加植株的携出量，反而增加了氮素盈余。而从配施PASP的处理来看，NP1和NP2处理的氮素表观盈亏值均低于CK，尤其是NP2处理，降低幅度达94.32%，差异达到显著水平，NP3处理比CK略高但差异不显著。除了NP0处理的表观平衡系数超过2以外，其他各处理均在2以下，其中NP2处理最低，为1.27，与CK相比下降26.77%，比NP0处理降低58.27%。从最终的养分平衡率来看，以NP0处理最高且超过100%，比CK提高39.33百分点，而最低的NP2处理为27.5%，比CK降低34.06百分点，比NP0处理降低73.39百分点，差异均达到显著水平，表明配施PASP可促进植株氮素吸收并减少土壤氮素盈余。

表5 不同处理对植烟土壤氮素平衡的影响Tab.5 Effects of different treatments on nitrogen balance of tobacco planting soil

3 讨论

NR、GS、GOT和GPT均是植物氮代谢过程中的关键酶，参与氮代谢途径的催化和调节［30-31］，其活性的高低反映氮代谢的强弱［32］，并直接影响到氮素的同化力［33］。有研究表明，减氮显著降低玉米［34］和小麦叶片GS、NR活性，对氮素吸收能力及同化能力均有降低效应［35］。本试验中，减氮10%即对烤烟NR、GS、GOT和GPT活性产生不利影响，各减氮处理的氮代谢关键酶活性均低于CK。但施用PASP对作物氮代谢产生了影响，可增强玉米幼苗NR和GS［36］、叶片NR［37］、花后穗位叶GS和GOT活性［38］。本研究中也发现，减氮条件下配施不同用量的PASP对氮代谢酶活性均有一定程度的提高，其中以配施5%PASP的处理提升作用最大，其NR、GS和GOT活性显著高于未配施PASP的处理，GPT活性甚至在移栽后50～70 d还高于CK，推测原因可能与配施PASP促进氮素吸收并提高烟株氮素含量，进而激发了氮代谢相关酶活性有关［39］。

氮是叶绿素的主要组成成分［18］，减氮可降低小麦倒二叶和倒三叶花后SPAD值［40］。研究发现，在玉米幼苗［37］和黄瓜［13］上使用PASP可提高叶绿素含量，但本试验中减氮10%条件下烤烟上部叶和中部叶SPAD值显著降低，与前人在小麦［41］和甘薯［18］上的研究结果不一致，这可能与试验对象、减氮程度及氮肥施用方法不同有关。本研究结果显示，配施2.5%和5.0%PASP处理的SPAD值高于不添加PASP的处理，尤其配施5.0%PASP处理的SPAD值与CK极为接近，说明施用适当浓度的PASP能促进烤烟叶片中叶绿素合成，对上中部叶作用更明显。叶绿素是衡量叶片光合功能的重要参数，其含量高低是反映光合强度的重要生理指标，因此提高叶绿素含量是提高光合速率的生理基础［18］。本研究中，单纯减氮降低了烤烟叶片的净光合速率，但配施PASP对Pn显示出促进效应，3个配施PASP处理的Pn均高于未配施PASP的处理，结合SPAD值结果分析，减氮条件下配施5.0%PASP增加了烤烟叶片的SPAD值，因而促进了Pn的提高，与前人提出的叶绿素含量高低反映光合速率大小相吻合［41］。

作为肥料增效剂，PASP具有极强的螯合和吸附作用，有助于植物对养分的吸收［42］。已有报道，施用含PASP的肥料，植物对N、P、K及其他中微量元素的吸收均有所增加［43］，玉米幼苗中的矿质元素积累量得到提高［37］，蕹菜吸氮量增加、标记氮肥损失率降低［44］。本试验中，减氮10%即降低了烤烟氮肥利用率，与曹本福等［2］减氮30%提高烤烟成熟期氮肥利用率的结果有所不同，可能是试验土壤供肥水平及PASP用量不同所致。但减氮配施PASP促进了烤烟氮肥利用率的提高，与玉米［37］、冬小麦［8］的研究结果一致，尤其是配施5.0%PASP的效果最显著，不仅远高于不添加PASP的处理，也显著高于CK，可能是由于PASP的螯合和吸附作用促进了烤烟对氮素的吸收和利用，因而提高了氮肥利用率。

农田养分平衡是指养分被作物消耗和施肥投入之间的平衡，土壤氮素盈余超过20%即可能引起对环境的潜在威胁［45］。适当减氮可降低土壤氮素表观损失量［46］及氮素径流、渗漏、残留等损失［47］，减小土壤氮素盈余［48］，添加PASP的尿素与不添加相比，可以显著降低氮素表观盈亏量［17］。本试验结果显示，减氮10%而不添加PASP的处理由于氮携出量降低，其表观盈亏值反而高于CK，与前人研究结果不一致［17］，但配施适宜用量的PASP可降低氮素表观盈亏值和平衡系数，氮素平衡率降低。结合氮素携出量分析，配施5.0%的PASP因促进低氮条件下烟株对氮素更有效的利用而降低了土壤中的氮素盈余。

4 结论

减氮10%条件下不配施PASP可导致烤烟氮代谢相关酶活性、光合性能、氮素吸收利用显著下降，单纯减氮处理会对烤烟生长发育产生不利影响。但减氮10%条件下配施不同用量的PASP，烤烟NR、GS、GOT和GPT等氮代谢关键酶活性均提高，SPAD值和Pn日均值也有不同程度提高，氮素吸收总量、氮肥农学效率、偏生产力、当季回收率和经济利用率均大幅提高，氮素表观盈亏值和平衡率则显著下降。因此，减氮条件下配施5.0%的PASP有利于促进烤烟氮代谢和氮素吸收利用，减少土壤氮素盈余。