種植密度與施氮量對烤煙光合特性及代謝酶活性的影響

劉朝科，王 軍，謝玉華，陳永明，顧學(xué)文，王 佩，丁效東

(1 川渝中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，四川 成都610066;2 廣東省煙草南雄科學(xué)研究所，廣東 南雄512400;3 廣東省生態(tài)環(huán)境與土壤研究所，廣東 廣州510650)

烤煙是一種以質(zhì)量為主、兼顧產(chǎn)量的特殊葉用經(jīng)濟作物.種植密度和施氮量不僅影響煙株生長發(fā)育狀況，而且對煙葉質(zhì)量風(fēng)格特色有重要影響，是煙葉產(chǎn)量和品質(zhì)形成的關(guān)鍵.氮是烤煙產(chǎn)量和品質(zhì)最敏感元素之一，直接影響煙葉的成熟衰老與品質(zhì)形成，落黃過早或過晚均不利于煙葉品質(zhì)的提高［1］.煙株的形態(tài)建成、生長快慢、葉片大小及最終產(chǎn)量的高低均取決于氮素供應(yīng)［2-3］.氮對烤煙品質(zhì)的影響主要取決于其蛋白質(zhì)和煙堿的組成成分，對煙葉香氣組成、吸味及刺激性均有重要作用［4］.大量研究表明，施氮水平與煙葉生長、產(chǎn)量、總氮量、蛋白質(zhì)、總生物堿和煙堿含量呈正相關(guān)關(guān)系，與還原糖、淀粉含量呈負相關(guān)關(guān)系［5-8］.氮肥不合理施用會導(dǎo)致碳氮代謝失調(diào)、煙堿積累過多、煙葉品質(zhì)低劣等不良后果，且降低氮肥利用率［9］.種植密度主要通過烤煙有效截光葉面積、群體光合效能和田間微氣象等主要因素影響群體與個體的關(guān)系，制約群體的生理、生態(tài)特性，從而決定煙葉產(chǎn)量與品質(zhì)，種植密度過高或過低都將影響產(chǎn)量和品質(zhì)［4，10-11］.研究表明，隨種植密度增加，烤煙葉面積系數(shù)、煙田相對濕度、葉片氣孔導(dǎo)度均增大，群體葉片蒸騰速率增強，葉片胞間CO2濃度升高，而煙田光合有效輻射量減小，溫度降低，葉片凈光合速率下降［12］.

煙葉是進行光合作用和儲存光合產(chǎn)物的主要器官，且收獲煙葉是烤煙種植的主要目的.不同種植密度［13-16］和施氮量［17-19］對煙葉的產(chǎn)量和品質(zhì)影響研究較多，但是種植密度和施氮水平互作對烤煙生長、生理代謝及光合特性的影響卻鮮見報道.筆者在廣東省南雄煙區(qū)大田生態(tài)條件下，探討了不同種植密度下施氮水平對烤煙生長、葉片光合特性及其代謝酶活性的變化規(guī)律，從光合生理角度分析種植密度與施氮量互作對烤煙產(chǎn)量和品質(zhì)的調(diào)控效應(yīng)，以期為開發(fā)南雄濃香型風(fēng)格特色優(yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)技術(shù)體系提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1．1 材料

供試烤煙品種為“粵煙97”，由廣東省煙草南雄科學(xué)研究所提供.供試土壤為紫色土發(fā)育而來的牛肝土(水)田，土壤基本理化性狀為pH 6.35，w(有機質(zhì))2.977 %、w(全氮)0.181 %、w(全磷)0.076 %、w(全鉀)2.038 %、速效氮84.5 mg/kg、速效磷15.8 mg/kg、速效鉀170.0 mg/kg.前茬作物為水稻.

1．2 方法

試驗在廣東省煙草南雄科學(xué)研究所試驗基地進行，于2010年11月28日播種，2011年3月1日移栽.采用裂區(qū)設(shè)計，主處理為種植密度，設(shè)高、中、低3 個水平，分別為16 650、13 860、11 880 株/hm2;副處理為施氮量(N)，設(shè)高、中、低3 個水平，分別為195、135、75 kg/hm2.隨機排列，3 次重復(fù)，每小區(qū)面積30 m2.

各處理均施用P2O5135 kg/hm2，施用K2O 270 kg/hm2.試驗用肥為硝酸磷銨［w(N)30%，w(P2O5)6%)］、過磷酸鈣［w(P2O5)12%)］、硫酸鉀［w(K2O)50%］.其中磷肥(過磷酸鈣)在煙株移栽時一次性基施，鉀肥(硫酸鉀)在提苗、旺長、開片時分別施用10%、80%、10%，氮肥(硝酸磷銨)分別在移栽、提苗、旺長、開片時分別施用40%、10%、40%、10%.

煙株生物學(xué)性狀按YC/T 142［20］進行測定;煙株用去離子水沖洗，分為葉、根和莖3 個部位，用吸水紙吸干表面水分，測定鮮質(zhì)量.再將部分鮮樣放在烘箱中105 ℃殺青0.5 h、65 ℃烘干，稱干質(zhì)量，然后將植株磨碎.分別在5月5日、5月23日、6月16日選取頂部以下第5 片煙葉，以φ 為80%丙酮提取葉綠素，分光光度法［21］測定其含量;活體法［21］測定硝酸還原酶活性;3，5-二硝基水楊酸顯色法［22］測定淀粉酶活性.

用LI-6400 便攜式光合儀測定凈光合速率氣孔導(dǎo)度(Cs)、光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr).測定時間是5月23日09:30—11:30，選取頂部以下第5 片最新完全展開葉測定，每處理重復(fù)3 次.

1．3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

所有數(shù)據(jù)采用SASTM軟件((Version 8.02;SAS Institute，Cary，NC))進行兩因素顯著性檢驗，用LSD 法進行多重比較.

2 結(jié)果與分析

2．1 施氮量和種植密度對干物質(zhì)積累的影響

從表1 可以看出，煙株各器官干質(zhì)量在不同種植密度之間無顯著差異，但是煙株總干質(zhì)量在種植密度之間差異達到顯著水平(P＜0.05);氮素水平顯著影響了根、莖、葉的干質(zhì)量，表現(xiàn)為根和莖干質(zhì)量在P=0.05 水平上差異顯著，而葉和總干質(zhì)量在P=0.01 水平上差異顯著;在高密度(16 650 株·hm-2)種植下，高氮(195 kg·hm-2)處理的煙株總干質(zhì)量顯著高于其他2 個氮處理;中密度(13 860株·hm-2)種植下，低氮(135 kg·hm-2)處理的煙株干質(zhì)量顯著低于其他2 個氮處理;在低密度(11 880 株·hm-2)種植下，低氮(75 kg·hm-2)處理的煙株干質(zhì)量顯著低于高氮處理的煙株干質(zhì)量;種植密度×施氮量顯著影響了葉和煙株總干質(zhì)量，但對根、莖干質(zhì)量無顯著影響，表現(xiàn)隨著種植密度、施氮量增加，烤煙地上部干質(zhì)量增加，表明種植密度與施氮水平在烤煙地上部生長中具有正的交互作用.

表1 不同施氮量和種植密度對煙株各器官干物質(zhì)積累的影響Tab．1 Effects of different nitrogen levels and planting densities on dry matter accumulation of the tobacco

2．2 施氮量和種植密度對葉片色素含量的影響

在光合色素中，部分葉綠素a 具有把光能轉(zhuǎn)化為電能的作用，因此煙株葉片中葉綠素a 的含量反映了煙株葉片光合過程中對光能的轉(zhuǎn)化能力;而作為聚光色素的葉綠素b 在光合作用中則起著聚集光能的作用.在本試驗條件下，種植密度、施氮量、種植密度×施氮量對煙株葉片的葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素含量均無顯著影響(表2).

2．3 施氮量和種植密度對葉片光合特性的影響

從煙株光合作用的特性來看(表3)，種植密度、施氮量對煙株的光合速率具有顯著影響(P＜0.05).種植密度×施氮量對煙株的光合速率有極顯著交互作用(P＜0.01);在高密度種植時，高氮處理的煙株光合速率顯著高于中、低氮處理;中密度種植時，中氮處理的煙株光合速率與低氮處理的光合速率沒有顯著差異，高氮處理的煙株光合速率顯著高于中氮處理，但與中、低氮處理時光合速率沒有顯著性差異;在低密度種植時，高氮處理的煙株光合速率顯著低于低氮處理，而中氮處理的煙株光合速率與低、高氮處理的煙株光合速率都沒有顯著性差異.

從煙株CO2濃度來看，種植密度、施氮量、種植密度×施氮量對煙株CO2濃度都沒有顯著性影響;在高密度種植時，高氮處理的煙株CO2濃度顯著高于中、低氮處理，且后兩者之間沒有顯著性差異;在中密度和低密度種植時，3 個氮處理之間都沒有顯著性差異.

種植密度對煙株葉片氣孔導(dǎo)度沒有顯著性影響，但是施氮量和種植密度×施氮量對葉片氣孔導(dǎo)度有顯著和極顯著影響(P=0.05;P=0.01).高密度種植時，低氮處理的氣孔導(dǎo)度顯著低于中、高氮處理，且后兩者之間沒有顯著性差異;中密度種植時，3 個施氮量處理之間的葉片氣孔導(dǎo)度沒有顯著性差異;低密度種植時，高氮處理的葉片氣孔導(dǎo)度顯著高于中、低氮處理，且后兩者處理之間沒有顯著性差異.

表2 不同施氮量和種植密度互作對烤煙葉片色素含量的影響1)Tab．2 Effects of different nitrogen levels and planting densities on pigment content in leaves of the tobacco

表3 不同施氮量和種植密度對烤煙光合特性的影響1)Tab．3 Effects of different nitrogen levels and planting densities on photosynthetic characteristics of the tobacco

在同一低施氮量水平下，煙株葉片的氣孔導(dǎo)度隨種植密度的增加呈先增加后下降的趨勢，其中高密度種植顯著低于中密度種植處理.在中施氮量水平時種植密度對煙株葉片的各光合作用指標(biāo)無顯著影響.在高施氮量水平時，低密度種植的煙株葉片光合速率明顯受到抑制，顯著地低于中、高密度種植;中密度種植的煙株葉片氣孔導(dǎo)度也顯著低于低密度種植的煙株;煙株葉片的蒸騰速率也隨著種植密度的下降而下降，其中低密度種植的煙株顯著低于高密度種植的煙株.

2．4 施氮量和種植密度對烤煙葉片硝酸還原酶和淀粉酶活性的影響

從表4 可以看出，在本試驗條件下，3 個不同生育期中，種植密度對烤煙硝酸還原酶活性無顯著影響;施氮量顯著影響了烤煙硝酸還原酶活性;種植密度×施氮量顯著影響了5月5日和6月16日時烤煙葉片硝酸還原酶活性(P=0.05).種植密度和施氮量均對烤煙3 個不同生育期內(nèi)葉片中淀粉酶活性無顯著影響;但兩者的交互作用對烤煙3 個不同生育期內(nèi)葉片中淀粉酶活性具有顯著影響(P=0.05).

高密度種植水平下，后期高氮處理的煙株煙株葉片的淀粉酶活性高于低、中氮處理，但差異不顯著.3 個不同生育期種植密度、施氮量對煙株葉片的淀粉酶活性無顯著影響，但種植密度×施氮量對淀粉酶活性有顯著影響(P=0.05).從3 個測定時間來看，5月23日時烤煙葉片硝酸還原酶活性最高，5月5日硝酸還原酶活性次之，6月16日時硝酸還原酶活性最低;淀粉酶活性表現(xiàn)為5月5日時最高，6月16日次之，5月23日最低.

表4 不同施氮量和種植密度對不同時期煙株葉片硝酸還原酶和淀粉酶活性的影響1)Tab．4 Effects of different nitrogen levels and planting densities on nitrate reductase and amylase in leaves of the tobacco

3 討論與結(jié)論

3．1 種植密度和施氮量對煙株干物質(zhì)積累的作用

種植密度是協(xié)調(diào)烤煙群體與個體矛盾、決定作物有效截光葉面積、影響群體光合效能和田間微氣象的主要因素［11］.而種植密度過高或過低會影響作物質(zhì)量與產(chǎn)量［12］.本研究表明，在不同種植密度之間煙株各器官干質(zhì)量無顯著差異，但是高密度種植下煙株總干質(zhì)量顯著高于低密度和中密度種植;煙株形態(tài)建成、生長快慢、葉片大小及產(chǎn)量高低均取決于氮素供應(yīng).本研究表明，3 種種植密度均隨著施氮量的增加，煙株總干物質(zhì)量有增加的趨勢.而種植密度通過影響植株營養(yǎng)狀況、作物冠層的光截獲和光分布特征，進而影響植株個體活力、不同葉位葉片光合速率和群體光合碳同化能力，直至群體干物質(zhì)生產(chǎn)能力.在高密度種植下，高氮處理時煙株總干質(zhì)量顯著高于其他2 個氮素處理;中密度種植下，低氮處理時煙株干質(zhì)量顯著低于其他2 個氮素處理的;在低密度種植下，低氮處理時煙株干質(zhì)量顯著低于高氮處理的煙株干質(zhì)量;種植密度×施氮量顯著影響了葉片干質(zhì)量，但對根和莖干質(zhì)量無顯著影響;隨著種植密度增加，增加施氮量烤煙地上部干質(zhì)量增加，表明種植密度與施氮水平在烤煙地上部生長中具有正交互作用.

3．2 種植密度和施氮量對烤煙葉片光合特性的影響

光合作用是煙草產(chǎn)量和品質(zhì)形成的基礎(chǔ)，其變化過程反映烤煙進行物質(zhì)積累與生理代謝的持續(xù)能力［23-24］，是分析環(huán)境因素影響植物生長和代謝的重要手段［25］.葉綠素高低是反映光合能力強弱的重要指標(biāo)，直接關(guān)系到光合碳固定生成有機物;而類胡蘿卜素可降解為紫羅蘭酮、大馬酮和異佛爾酮等關(guān)鍵致香成分［9］，其含量隨施氮量增加而增加;當(dāng)施氮量超過一定程度時，類胡蘿卜素隨施氮量增加變化不明顯［17］.葉綠素含量的總體變化趨勢是隨著生育期的推移先升高后遞減［25］.本研究表明，種植密度、施氮量、種植密度×施氮量對煙葉葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素?zé)o顯著影響，這一方面可能與取樣部位偏上有關(guān)，另一方面可能由于煙株在缺氮脅迫時氮素在體內(nèi)轉(zhuǎn)移優(yōu)先滿足生長點需求所致.

種植密度對光合及其同化產(chǎn)物的影響表明，適宜的種植密度能延長中、下部器官功能，推遲衰老;而高密度加速其衰老［27］.本研究表明，降低種植密度可以延緩光合功能的衰退，也延長光合同化產(chǎn)物積累時間.在烤煙生育前期，煙株個體較小，種植密度引起的光照和養(yǎng)分脅迫較小;而后期脅迫程度增加，葉片衰退加快.在一定范圍內(nèi)，增加氮施用量可以使煙株地上部生長加快、葉綠素含量及生物學(xué)產(chǎn)量顯著增加.研究表明，葉片光合作用與蒸騰作用是2 個同時進行的過程.氣孔作為氣體交換的門戶，調(diào)控光合作用和蒸騰作用的變化，兩者一起決定著葉片的水分利用率［28-29］.

本研究表明，種植密度×施氮量對煙株的光合速率有顯著交互作用.在高密度種植時，高氮處理的煙株光合速率顯著高于中氮和低氮處理;中密度種植時，中氮處理的煙株光合速率與低氮處理的光合速率沒有顯著差異，但顯著低于高氮處理，而低氮與中、高氮處理的光合速率都沒有顯著性差異;在低密度種植時，高氮處理時煙株光合速率顯著低于低氮處理，而中氮處理時光合速率與低、高氮處理都沒有顯著性差異.

在同一低施氮量水平下，煙株葉片的氣孔導(dǎo)度隨種植密度的增加呈先增加后下降的趨勢.從本研究來看，適宜的種植密度下，煙株光合作用和蒸騰作用可以達到最為協(xié)調(diào)的狀態(tài)，有較高的葉片水分利用率;而低種植密度下雖然有著較高的光合速率，但其蒸騰總量更高，所以其葉片的水分利用率較低.

3．3 種植密度和施氮量對烤煙葉片硝酸還原酶和淀粉酶活性的作用

硝酸還原酶(NR)是一種光誘導(dǎo)酶，其活性的高低關(guān)系到煙株對氮肥和光合產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化與利用［30］.盡管NR 受施氮量、光照、降水等多方面因素的影響，但NR 活性高有利于煙葉成熟、產(chǎn)量和品質(zhì)的形成［31］.NR 是NO3-同化過程中第1 個誘導(dǎo)酶，是植物氮代謝中的一個重要調(diào)節(jié)和限速酶;而淀粉酶則是在煙葉淀粉積累和分解的過程中的一個關(guān)鍵酶.這2 個酶的活性在一定程度上反映了煙株碳氮代謝的強度.在本試驗條件下，3 個不同生育期中，種植密度對烤煙NR 活性無顯著影響;施氮量顯著影響了烤煙NR 活性;而種植密度×施氮量顯著影響了5月5日和6月16日時烤煙葉片NR 活性;從3 個測定時間來看，5月23日時烤煙葉片NR 活性最高，5月5日次之，6月26日時最低.

淀粉酶對碳水化合物代謝起重要作用，可將葉綠體中積累的淀粉轉(zhuǎn)化為單糖，直接關(guān)系到煙葉中淀粉積累，進而影響整個光合碳固定的強度和其他以單糖分解和轉(zhuǎn)化為基礎(chǔ)的代謝過程［17-18］.本試驗表明，種植密度和施氮量均對烤煙3 個不同生育期內(nèi)葉片中淀粉酶活性無顯著影響;兩者交互作用對3個不同生育期葉片淀粉酶活性具有顯著影響;3 個不同生育期種植密度、施氮量對煙株葉片的淀粉酶活性無顯著影響.從3 個測定時間來看，淀粉酶活性表現(xiàn)為5月5日時最高，6月16日次之，5月23日最低，表明隨著葉片進入功能盛期，淀粉酶活性顯著升高，功能盛期以后，隨著葉片的進一步生長，活性又下降.低氮水平下煙株在旺長期開始由氮代謝為主轉(zhuǎn)向碳代謝為主，中氮和高氮在現(xiàn)蕾期開始轉(zhuǎn)化.隨著施氮量的增加，葉片中后期的淀粉酶活性也隨之增加.說明種植密度與施氮量互作對煙葉中后期淀粉酶活性影響較大，通過調(diào)整種植密度與施氮量水平可以明顯調(diào)控淀粉酶的活性，促使碳代謝能力增強.

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