施氮量對復合沙培番茄氮代謝酶活性及品質和產量的影響

劉遷杰, 程云霞, 賈凱, 時振宇, 張婧, 魏少偉, 吳慧

(新疆農業大學林學與園藝學院, 新疆特色園藝作物種質資源與高效生產實驗室, 烏魯木齊 830052)

番茄(LycopersiconesculentumMill.)因富含維生素C、氨基酸、可溶性糖、類胡蘿卜素且產量高、經濟效益好等特點深受人們喜愛，在全國范圍內被廣泛種植。近年來，為了緩解糧棉爭地矛盾，對西北地區廣闊的沙漠、戈壁灘等非耕地進行了大力開發，使得蔬菜栽培成為當今擴展農業生產空間的發展方向。以沙子為主的基質種植蔬菜具有避免根部連作障礙、減少病蟲害、省工和生產成本低等優點，但也存在保水保肥能力差等缺點。當地農戶在蔬菜沙培的過程中盲目增施氮肥，雖然達到了增產的目的，但是卻影響了植物體內氮代謝途徑與外界環境的平衡，導致果實品質下降、根際環境紊亂、農業生產成本增加等現象。

氮代謝是植物體內最重要的生理活動，與植物的生長發育及產量、品質關系密切。硝酸還原酶(nitrate reductase，NR)是植物體內氮代謝的起始酶和限速酶，谷氨酰胺合成酶(glutamine synthetase，GS)是參與無機氮同化過程的關鍵酶，這兩種酶活性的強弱均直接影響植物氮代謝水平的高低[1]。植物體內的氮代謝反應對氮素水平變化的響應是多方面的，而目前關于氮素對植物體內氮代謝的研究多集中在玉米、谷類、小麥等作物中。如玉米中的硝酸還原酶活性隨著氮素水平的提高呈遞增趨勢，說明適量施氮可顯著提高氮肥利用率。已有研究表明，谷類作物土壤缺氮會導致根長發生變化，從而降低籽粒的蛋白質含量[2-4]。氮肥可顯著提高小麥的氮素代謝酶活性，促進小麥籽粒氮素累積并獲得高產[5]。番茄果實的氮素來自坐果前的氮素運轉及坐果后的氮素吸收[6]。過量硝態氮的供應會造成植物體內的氮素吸收量大于還原量，成為硝酸鹽積累的主要原因[7]。適量的氮肥施用是提高植物含氮化合物高效運轉，降低硝酸鹽含量的關鍵。吳正景等[8]研究表明，過量施用氮肥可提高番茄葉片的硝酸還原酶活性及葉綠素含量。張筱茜等[9]研究認為，低氮處理的NR活性顯著高于高氮處理。畢曉慶等[10]推薦番茄氮肥施用量在270～360 kg·hm-2范圍內，可使設施番茄達到高產優質的目標。關于番茄葉片氮代謝酶活性與硝酸鹽含量及果實品質關系的報道較少，且多集中于某一代謝酶活性或生長和品質的單一研究，對不同生育期的多個氮代謝酶活性及果實品質和產量的綜合研究，鮮見報道。本研究以‘毛粉812’為試驗材料，在復合沙培基質槽栽的條件下，分析番茄葉片硝酸還原酶和谷氨酰胺合成酶活性的動態變化及其與果實品質和產量的關系，旨在為揭示番茄氮代謝的生理機制及優化番茄品質和高產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018年5—10月初，在新疆自治區烏魯木齊市烏魯木齊縣水西溝村(N 43°49′，E 87°45′)進行，該地處于天山北麓，屬溫帶大陸性氣候，晝夜溫差大，降水量充足，年均日照時數為2 488.8 h。試驗地總面積為62 m2，每個小區面積為3 m×1.2 m=3.6 m2?；旌匣|容重0.71 g·cm-3，基質pH 8.53，EC值1.99 mS·cm-1，全氮0.58 g·kg-1，有機質8.19 g·kg-1，速效氮308.90 mg·kg-1，速效磷435.60 mg·kg-1，速效鉀2.03 g·kg-1。

1.2 試驗材料

供試材料為番茄品種‘毛粉812’，是由西安常豐園種業公司在‘毛粉802’的基礎上改良而成的最新茸毛型番茄品種。供試肥料采用尿素(N 46%，河南延化化工有限公司)、磷酸二氫鉀(P2O551.1%、K2O 34%，四川蜀燦化工有限責任公司)、硫酸鉀(K2O 50%，挪威雅格化肥有限公司)。2018年3月25日播種，育苗基質體積配比為椰糠：蛭石=1∶1；5月12日定植，栽培基質體積配比為沙子：椰糠：雞糞=2∶1∶1。采用地上槽栽，由磚筑成槽框高30 cm、槽內徑寬50 cm的栽培槽，槽間距70 cm；同時在槽底挖深約10 cm并有一定坡度的條溝，然后依次鋪上塑料膜(防止各試驗處理間相互滲透影響)、石礫(直徑3～6 cm石礫，高約10 cm左右)、編織袋(防沙子進入石礫中)，最后加入配制后的復合基質30 cm。

1.3 試驗設計

試驗以氮肥作為單因素，共設置5個處理。根據土壤種植施肥每生產1 000 kg番茄需要1.73 kg N、0.89 kg P2O5、3.51 kg K2O，設目標產量為165 t·hm-2，確定N2處理的純氮施量為285.45 kg·hm-2、P2O5146.85 kg·hm-2、K2O 579.15 kg·hm-2。N0處理不施氮肥，N1處理在N2處理基礎下調50%，N3處理在N2處理基礎上上調50%，N4處理在N2處理的基礎上上調100%，即5個處理的施氮量分別為0(N0)、143(N1)、285(N2)、428(N3)和571(N4) kg·hm-2，各處理的磷肥和鉀肥施用量一致，磷酸二氫鉀為287 kg·hm-2、硫酸鉀為962 kg·hm-2。每個處理3次重復，共有15個小區，每個小區內種2行，每穴單株，株距為30 cm，每個小區20株。磷酸二氫鉀作為基肥一次性施入，尿素和硫酸鉀基肥施入量為總量的40%，剩余60%分別在第一穗果膨大期、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，每個時期分別追施尿素總量和硫酸鉀總量的10%、20%、20%、10%；將肥料溶于水中進行逐株澆灌，以滴灌方式進行澆水。采用單干整枝，其他栽培管理條件均一致。

1.4 測定指標和方法

以番茄植株自上而下第3～4片完全展開的功能葉為取樣對象，用液氮迅速冷凍保存，帶回實驗室測定，NR活性采用離體法[11]測定；GS活性采用比色法[12]測定。

每個小區選取6株(與測定生長性狀的掛牌植株相對應)植株記產，從番茄第一穗果成熟開始采摘，累計記錄每次采收時各小區掛牌植株的株數、果實數、單果重和產量。

待番茄第三穗果成熟時，每個小區選擇發育狀況一致的5個果實進行品質測定，每個小區3次重復。維生素C含量采用2,6-二氯靛酚滴定法[11]測定；可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍G-250染色法[11]測定；硝酸鹽含量采用5%水楊酸-硫酸法[11]測定；可溶性糖含量采用蒽酮法[11]測定；有機酸采用標準堿液滴定法[11]測定；糖酸比是可溶性糖與有機酸的比值；可溶性固形物用BK-506手持式折光儀(標康科技有限公司)測定。

對番茄的各指標進行隸屬函數綜合指標分析，綜合指標的隸屬函數值[u(Xj)][13]、權重(Wj)[14]和綜合評價值(D)[15]的計算公式如下：

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

(1)

(2)

(3)

式中，Xj表示第j個綜合指標，j=1, 2, 3, …n，Xmax表示第j個綜合指標的最大值，Xmin表示第j個綜合指標的最小值；Wj表示第j個綜合指標在所有綜合指標中的重要程度，即權重；Pj為各指標第j個綜合指標的貢獻率；D值為番茄在施氮處理條件下由綜合指標評價所得的各性狀指標的綜合評價值。

1.5 數據處理與分析

試驗數據采用Microsoft Excel 2003和GraphPad Prism 8軟件進行整理并繪圖，用SPSS 19.0軟件進行單因素方差分析、相關性分析、主成分分析和隸屬函數綜合分析。

2 結果與分析

2.1 不同施氮水平復合沙培番茄葉片的氮代謝酶活性

由圖1可知，不同生長時期，不同處理間番茄葉片的NR活性差異顯著，且均高于對照；整體隨著時間表現為先升高后降低的趨勢，在7月26日達到峰值，此時較強的氮代謝可以促進番茄果實糖分的積累，同時有利于新葉的生長。7月1日，N3處理的酶活性最高，為75.41 μg·g-1·h-1，較N0增加84.80%；7月26日，各處理葉片的NR酶活性均高于7月1日和8月30日， N3處理葉片的NR活性最高，為98.77 μg·g-1·h-1，各處理間差異顯著，比N0增加42.79%；8月30日，各處理的NR酶活性較7月26日整體下降，N3處理下降最多，較7月26日降低21.26%，仍較N0顯著提高40.21%。

不同生長時期，不同處理間番茄葉片的GS活性的變化趨勢與NR活性相似，整體隨著時間表現為先升高后降低的趨勢，且不同處理間差異顯著，均高于對照。7月1日，N3處理的GS酶活性最高，為52.81 μmol·mg-1·h-1，較N0顯著增加187.40%；7月26日，N3處理的酶活性最高，為71.59 μmol·mg-1·h-1，分別比N0、N1、N2和N4處理顯著增加了182.90%、102.71%、73.66%和33.10%；8月30日，各處理GS酶活性有所下降，N4處理的酶活性較7月26日下降了141.84%，N3處理酶活性最高，較N0顯著增加193.49%，且與其他處理存在顯著性差異。

注：不同小寫字母表示同一時間不同處理間差異在P<0.05水平具有顯著性。Note: Different lowercase letters of the same date indicate significant differences between different treatments at P<0.05 level.圖1 不同施氮處理不同時間番茄葉片的NR和GS活性Fig.1 NR and GS activities of tomato leaves in different treatments at different date

2.2 不同施氮水平復合沙培番茄的果實品質

由表1可知，N3處理的維生素C含量顯著高于其他處理，較N0顯著提高了70.33%，各處理維生素C含量表現為N3>N4>N2>N1>N0，但N2和N4處理間差異不顯著，N0與N1處理間差異不顯著。N3處理的可溶性蛋白含量最高，為0.05 mg·g-1，較N0顯著增加66.67%，與N2和N4處理差異不顯著。隨著施氮量的增加，硝酸鹽含量不斷增加，N4處理的硝酸鹽含量最高，為198.62 mg·kg-1，與其他處理均差異顯著，較N0顯著增加17.19%。N3處理的可溶性糖含量較高，為0.35%，與N1和N2處理間無顯著性差異，較N0顯著增加25%。N1處理的有機酸含量最低，其他處理間均沒有顯著差異，N1較其他處理顯著降低了37.50%。N3處理的可溶性固形物含量最高，為4.67%，但各處理間差異不顯著。N1處理的糖酸比最高，為4.25%，較N0顯著增加了61.60%，其他處理間均沒有顯著差異。

2.3 不同施氮水平的復合沙培番茄產量及產量因子

由表2可知，各處理間單株結果數、單果重和產量間均存在差異，其中N2處理的單株結果數最多，N3處理次之，分別較N0增加了21.31%和18.46%，N0、N1與N4處理間差異不顯著。N2處理的單果重最大，為182.20 g，較N0顯著增加37.61%；N3處理次之，較N0顯著增加33.78%。隨著施氮量的增加，番茄產量呈現先升高后降低的趨勢，N2處理的產量最高，N3處理次之，分別較N0顯著增加66.92%和58.38%，施肥處理較對照處理增產33.50%～66.92%。

表1 不同施氮處理的番茄果實品質指標Table 1 Fruit quality indicators of tomato in different treatments

表2 不同施氮處理的番茄產量及產量因子Table 2 Yield and its components of tomato in different treatments

根據施氮量和番茄產量繪制施氮量與番茄產量的關系圖(圖2)，采用多項式方程進行模擬，得到施氮量(x)與番茄產量(y)的回歸方程：y=-0.000 6x2+0.434 5x+110.19，該方程的相關系數為0.992，相關性達到極顯著水平(P<0.01)。因此得出，隨著施氮量的增加番茄產量先升高后降低，二者極顯著相關。由方程式得出y的最大值為188.85 t·hm-2，此時對應的施氮量x為362.08 kg·hm-2。模擬方程得出的施氮量介于處理N2與N3之間。

圖2 施氮量與番茄產量的關系Fig.2 Relationship between nitrogen application amount and yield

2.4 不同施氮水平番茄果實品質及相關性狀的綜合評價

2.4.1不同性狀間的相關性分析由圖3可知，不同施氮處理的各性狀指標之間存在不同程度的正負相關性，說明不同性狀指標之間存在聯系。其中NR與GS活性之間相關性顯著(r=0.940，P<0.05)，可認為NR與GS活性提供的共同信息量為94.0%；NR活性與葉綠素含量之間存在顯著正相關(r=0.953，P<0.05)；NR活性與維生素C和可溶性蛋白含量之間也存在顯著相關；有機酸含量與糖酸比之間存在顯著負相關(r=-0.906，P<0.05)；有的指標間也存在極顯著相關性，NR活性與可溶性固形物含量之間存在極顯著正相關(r=0.962，P<0.01)，可認為NR含量與可溶性固形物提供的共同信息量為96.2%；GS活性與維生素C和可溶性蛋白含量之間存在極顯著相關(P<0.01)；維生素C含量與可溶性蛋白含量之間存在極顯著正相關(r=0.993，P<0.01)，說明維生素C含量高的番茄，其可溶性蛋白含量也高。其他具有相關性的評價指標間也存在不同程度的信息重疊現象，選取其中某個指標來評價不同施氮量對番茄品質難以得到客觀的結果，因此為了彌補用單一指標進行綜合評價的不足，在此基礎上進一步利用主成分分析來進行研究。

2.4.2不同性狀的主成分分析對番茄的11個性狀指標進行主成分分析，根據特征向量的絕對值將不同性狀指標劃分到不同主成分中。同一指標在各因子中的最大絕對值所在位置為其所屬主成分。結果(表3)可以看出，主成分分析特征值中前2個成分的累積貢獻率已達到92.155%，已滿足特征值大于1且累積貢獻率大于85%的原則，這樣可將原來11個單項指標轉換為2個新的相互獨立的綜合指標(comprehensive index，CI)，這2個綜合指標基本上能代表11個單項指標的絕大部分信息。因此，可以用這兩個綜合指標對番茄品質進行概括分析。分別定義為第1主成分和第2主成分，根據表3中各指標的特征向量，得出綜合指標的計算公式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主成分的表達式中，NR活性(X1)、GS活性(X2)、葉綠素總含量(X3)和維生素C含量(X4)的系數較大；在第2主成分的表達式中，有機酸含量(X7)、糖酸比(X8)、硝酸鹽含量(X10)、產量(X11)的系數較大。綜合分析，NR活性、GS活性、葉綠素總含量、維生素C含量、有機酸含量、糖酸比、硝酸鹽含量和產量可作為不同施氮條件下復合沙培番茄各性狀的鑒定指標。

根據各綜合指標貢獻率的大小，第1個綜合指標為69.597%，第2個綜合指標為22.558%，計算其權重，得出2個綜合指標的權重分別為0.755和0.245(表3)。

注：X1—NR活性；X2—GS活性；X3—葉綠素總含量[16]；X4—維生素C含量；X5—可溶性蛋白含量；X6—可溶性糖含量；X7—有機酸含量；X8—糖酸比；X9—可溶性固形物含量；X10—硝酸鹽含量；X11—產量。*表示相關性在P<0.05水平具有顯著性，**表示相關性在P<0.01水平具有顯著性。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.圖3 復合沙培番茄的葉片及果實指標的多重分析Fig.3 Multiple analysis of leaf and fruit indexes of tomato

2.4.3隸屬函數及綜合評價根據各綜合指標的系數得到各處理的綜合指標值(表4)，并對每個處理番茄各綜合指標的隸屬函數值進行計算，結果(表4)顯示，每個處理番茄的所有綜合指標的隸屬函數值均不相同。對于綜合指標CI1而言，不同施氮處理中，N3處理的u(X1)值最大，為1.000，表明該施氮水平在CI1表現為各性狀指標最好，而N0處理的u(X1)值最小，為0.000，表明此施氮水平在CI1這一綜合指標上各性狀指標最差。不同處理中，N3處理的綜合評價值(D)最大，為0.930，表明其綜合性狀指標最好，N0處理的D值最小，為0.194，說明其綜合性狀指標最差。對D值進行排序得出，不同施氮處理的復合沙培番茄各性狀指標的綜合排序為N3>N4>N2>N1>N0。

表3 主成分貢獻率及各性狀的特征向量Table 3 Contribution rate of principle components and eigenvectors of each trait

表4 各性狀指標的綜合評價Table 4 Comprehensive evaluation of various characteristic indexes

3 討論

氮素是影響作物生長發育和產量的三大營養元素之一，在所有的植物代謝過程中都起著重要作用。氮代謝直接影響氮元素及氮素化合物在植物體內的形成、轉化和分配過程[17]。有研究表明，增加施氮量可提高植株葉片的氮代謝酶活性，過量施氮會導致果實硝酸鹽含量升高[18]。本研究發現，隨著施氮量的增加，植株葉片NR和GS酶活性表現為先升高后降低，說明增施氮肥可促進番茄氮素的吸收和同化。相關分析結果也表明，NR和GS活性與果實可溶性蛋白含量關系密切。這與周寶利等[19]、從夕漢等[20]和趙春波等[21]研究結果一致。其中428 kg·hm-2施氮量(N3處理)的番茄葉片在各時期內酶活性均表現最活躍，說明施氮過量或不足均導致植株氮代謝活性降低，不利于光合產物的積累和運輸。本研究表明，隨著生育期的推進，各施氮水平氮代謝酶活性均表現為先上升后下降趨勢，且不同施氮條件下均呈現相同的變化模式，這與馬桂香等[22]和趙吉平等[5]研究結果一致。

合理施氮可以明顯提高蔬菜品質和產量，這已成為研究熱點。楊陽等[23]對黃瓜的研究表明，適量增施氮肥可顯著提高黃瓜品質和產量，并隨著氮肥用量的增加呈現先升高后降低的趨勢。本研究發現，隨著施氮量的增加，表征果實品質的維生素C、可溶性蛋白、可溶性糖和可溶性固形物含量均呈現先增加后降低的趨勢，N3處理較對照分別增加了70.90%、66.67%、25.00%、27.25%。這與前人[24-26]的研究結果基本一致。其中硝酸鹽含量與施氮量呈正比，而糖酸比最高的是N1處理，說明不施氮肥和過量施氮肥均會使番茄風味下降。本研究結果顯示，施氮量與產量呈正相關，當施氮在285～428 kg·hm-2范圍內，復合沙培番茄可達到高產優質的目標。原因可能是在低氮和高氮條件下，生殖器官的正常發育均受影響。畢曉慶等[10]研究得出，施氮量為450 kg·hm-2時，糖酸比最高，當超過360 kg·hm-2時，產量有所下降。劉恒旭等[27]研究表明，當施氮量≤450 kg·hm-2時，茄子的產量和品質可達到較好水平。有研究表明，氮素供應與果實產量呈正相關，當施氮量超過一個閾值，植株果實產量不再增加[28-30]，這與本研究研究結果一致。

綜合考慮植株葉片氮代謝酶活性及果實品質和產量，N3處理的葉片酶活性和果實品質明顯優于其他處理。此外，N2處理產量最高，N3處理產量次之，增產率均在58.38%以上。通過相關性分析得知，NR與GS活性呈顯著正相關，GS與維生素C和可溶性蛋白含量存在極顯著正相關，說明施氮量影響氮代謝酶活性，進而影響果實品質各指標之間的關系。由主成分分析把原來的11個單項指標轉換為2個新的綜合指標，并通過綜合指標值計算其隸屬函數值，得出N3處理在綜合指標CI1的隸屬函數值最大，表明該施氮處理在CI1的性狀指標最好。根據各性狀指標的D值對不同處理進行排序為N3>N4>N2>N1>N0。這說明N3處理植株的NR和GS酶活性、維生素C含量、可溶性糖含量、可溶性蛋白含量均顯著提升。綜上所述，本研究條件下，428 kg·hm-2施氮量的葉片氮代謝酶活性及果實品質和產量的綜合表現最優，可作為復合沙培番茄的最佳施氮量。