氮素對(duì)茶樹生理及品質(zhì)成分影響的研究進(jìn)展

劉健偉，方寒寒，袁新躍，駱東亮，于 璇，楊 青，何 丹，夏再瑾

(1.浙江省杭州市富陽(yáng)區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，浙江 杭州 310400；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所/農(nóng)業(yè)部茶樹生物學(xué)與資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310008；3.富陽(yáng)學(xué)院，浙江 杭州 310400；4.杭州市富陽(yáng)區(qū)食品安全檢驗(yàn)檢測(cè)中心，浙江 杭州 310400；5.杭州市富陽(yáng)區(qū)銀湖街道綜合服務(wù)中心，浙江 杭州 310400)

茶葉[Camelliasinensis(L.) O. Kuntze] 作為中國(guó)天然藥物長(zhǎng)期被使用，同時(shí)現(xiàn)在也是世界上最受歡迎的飲品之一?，F(xiàn)代研究也發(fā)現(xiàn)茶葉中含有多種功能成分，如茶多酚、咖啡因、茶氨酸和維生素等多種化學(xué)成分，這些成分受多種因素影響，如遺傳背景、生長(zhǎng)環(huán)境(如氣候、土壤、海拔等)和不同栽培措施等[1-3]。在茶樹生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，施肥對(duì)于茶葉的品質(zhì)和產(chǎn)量有著重要作用，茶樹以幼嫩芽葉為采收對(duì)象，氮素在茶樹新梢中的含量可高達(dá)60～70 g·kg-1 [3]，因此茶樹對(duì)氮素的需求量很大，氮肥的用量顯著影響茶樹各器官的生長(zhǎng)發(fā)育，每公頃成齡茶園每年需要300～450 kg的氮肥，才能保證茶樹對(duì)氮素的正常需求[4-5]。

氮素是茶樹生長(zhǎng)發(fā)育不可或缺的且需求量最大的礦質(zhì)元素之一，也是茶樹體內(nèi)多種重要有機(jī)化合物的組成成分，如蛋白質(zhì)、核酸、酶、葉綠素、激素等；許多重要茶葉品質(zhì)成分也有氮素的構(gòu)成，如多酚類物質(zhì)、嘌呤類的生物堿、氨基酸、糖類及有機(jī)酸類物質(zhì)等；氮素參與了一系列茶樹生理生化反應(yīng)，涉及多種代謝途徑，如光合作用、氮代謝、次級(jí)代謝等[3,6]，因此茶樹體內(nèi)氮素含量的變化與茶樹的生理代謝以及茶葉品質(zhì)的好壞有著密切的相關(guān)性[6]。本文綜述了氮素對(duì)于茶樹生理以及品質(zhì)成分機(jī)理影響的研究進(jìn)展，以期為氮素對(duì)茶樹影響的系統(tǒng)研究提供理論基礎(chǔ)，為茶樹的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)提供科學(xué)依據(jù)。

1 氮素的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)茶樹品質(zhì)代謝的影響

1.1 茶樹氮素的吸收、同化以及氮素吸收效率的研究進(jìn)展

圖1 氮素的吸收同化和轉(zhuǎn)移

1.2 氮素的轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)茶樹生理以及品質(zhì)代謝的影響

已經(jīng)有研究表明茶葉品質(zhì)不僅受到氣候條件的影響如溫度的高低，更重要的是根系，莖，成熟葉等器官中再活化的碳和氮的轉(zhuǎn)移，這也是多年生植物包括茶樹的一般特征[14,18]。有研究表明每年春季茶樹新梢開始萌發(fā)以后，主根和成熟葉中貯藏的氮素開始趨于減少，而莖枝，新梢中儲(chǔ)存的含氮量遞增，隨著新梢的伸長(zhǎng)發(fā)育，氮素不斷地往新梢轉(zhuǎn)移運(yùn)輸，新梢氮素的吸收具有季節(jié)性的變化[6]。有研究利用15N追蹤技術(shù)發(fā)現(xiàn)大多數(shù)氮素在冬天被茶樹吸收，其中很大一部分儲(chǔ)存在根、莖、成熟葉中，當(dāng)來(lái)年新梢萌發(fā)時(shí)，儲(chǔ)存的75%氮將在新梢萌發(fā)時(shí)被重新利用，新梢中氮素的來(lái)源30%是重新吸收積累的，剩余多達(dá)70%的氮來(lái)自于根、莖、葉等器官的轉(zhuǎn)運(yùn)[18]。張振梅等研究發(fā)現(xiàn)成熟葉含氮量從初冬到春茶結(jié)束呈顯著下降趨勢(shì)，成熟葉中的氮素在春茶期間發(fā)生再利用，并對(duì)茶葉品質(zhì)產(chǎn)生了顯著的影響[19]。有研究表明春季茶葉品質(zhì)的季節(jié)性波動(dòng)除了與氣候參數(shù)的變化有關(guān)，更重要的原因可能是還受到氮的轉(zhuǎn)運(yùn)和再利用[14,20]。Liu等使用代謝組學(xué)的方法評(píng)估茶樹新梢和成熟葉在春季早期、中期、晚期初級(jí)和次級(jí)代謝產(chǎn)物的動(dòng)態(tài)變化和代謝途徑的變化，發(fā)現(xiàn)碳和氮的轉(zhuǎn)移從成熟葉轉(zhuǎn)運(yùn)至新梢維持了春季新梢的活性，其中春茶后期新梢氨基酸如茶氨酸、谷氨酸、谷氨酰胺的含量顯著降低，然而黃烷醇、槲皮素及其糖苷顯著升高，這些都對(duì)茶葉品質(zhì)代謝物產(chǎn)生了深刻的影響[14]。

2 不同施氮水平對(duì)茶樹茶葉品質(zhì)代謝的影響

茶樹的采摘以新梢為主，一年需進(jìn)行多次采摘和修剪，因此要消耗大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，供應(yīng)充足的氮肥可滿足茶樹對(duì)營(yíng)養(yǎng)的需要，促進(jìn)茶樹的生長(zhǎng)發(fā)育，但是不同氮素水平也會(huì)顯著影響著茶樹的品質(zhì)代謝成分[3,21-22]。茶樹鮮葉含氮量與茶葉品質(zhì)成分氨基酸、茶多酚以及碳水化合物等密切相關(guān)，其中與氨基酸呈高度正相關(guān)[22,25]。氮素營(yíng)養(yǎng)水平顯著影響著茶樹體內(nèi)初級(jí)代謝物以及次級(jí)代謝物的變化，從而顯著的影響茶葉的品質(zhì)[3,23]。有研究通過(guò)不同氮素肥料處理茶樹，發(fā)現(xiàn)茶葉中氮素含量與綠茶品質(zhì)呈正線性回歸關(guān)系，而與紅茶品質(zhì)呈負(fù)線性回歸關(guān)系[24]。Ruan等研究發(fā)現(xiàn)茶樹中多酚類化合物和游離氨基酸可分別代表樹體的碳源和氮源，不同氮水平供應(yīng)下，茶樹碳氮分配比例存在差異，而這些都顯著影響著茶樹體內(nèi)生理代謝循環(huán)[22]。

2.1 缺氮以及適氮條件下對(duì)茶樹生理以及品質(zhì)代謝的影響

當(dāng)?shù)貭I(yíng)養(yǎng)供應(yīng)不足時(shí)，茶樹生長(zhǎng)緩慢，頂芽以及側(cè)芽萌發(fā)輪次減少，發(fā)芽密度降低，出現(xiàn)大量對(duì)夾葉，同時(shí)蛋白質(zhì)、核酸、葉綠素的生物合成會(huì)受到阻礙，而這些因素都顯著影響茶葉的產(chǎn)量以及品質(zhì)[23]。氮素營(yíng)養(yǎng)缺失還會(huì)對(duì)茶樹的內(nèi)在生理生化以及品質(zhì)代謝物產(chǎn)生顯著影響，有很多研究都已經(jīng)揭示了低氮供應(yīng)下，茶葉多酚物質(zhì)的含量顯著增加，氨基酸的含量顯著減少[22,26]；同時(shí)茶樹新梢缺氮會(huì)使葉綠素含量減少，光合作用減弱，影響茶樹光合特性，林鄭和等研究發(fā)現(xiàn)缺氮素條件下茶樹品種(黃觀音、毛蟹)葉片的CO2同化速率、氣孔導(dǎo)度都顯著下降，胞間CO2濃度顯著增加，光合系統(tǒng)受到顯著損害[27]。還有研究揭示，茶樹氮缺失條件下CO2的同化效率會(huì)下降，而原因可能是氮素缺失引起得光合電子鏈傳遞減少，葉綠素含量以及rubisco酶活性的下降[28]。

隨著氮素水平的提高，茶樹葉片中葉綠素含量增加，茶樹體內(nèi)光合產(chǎn)物和含氮化合物積累提高，茶樹頂芽以及側(cè)芽在春季萌發(fā)提早，新梢發(fā)芽輪次以及嫩度都得到顯著增加，發(fā)芽密度提高，茶樹采摘時(shí)間得到延長(zhǎng)，同時(shí)茶樹葉片中葉綠素含量增加，茶樹體內(nèi)光合產(chǎn)物和含氮化合物積累提高，從而有效地增加茶葉產(chǎn)量以及品質(zhì)[4,28]。此外，Ruan等[22]研究隨著氮水平的增加，茶樹葉片GS酶的活性提高，PEP活性增強(qiáng)，分配到游離氨基酸中的氮也逐漸增加，茶氨酸含量增加，茶多酚含量明顯降低，茶葉的品質(zhì)得到顯著改善。Ruan等[22]還研究發(fā)現(xiàn)施用足量的氮肥，能增加茶葉中游離氨基酸和葉綠素的含量，增加水浸出物含量，降低酚類化合物的含量，降低茶葉中酚氨比，提高綠茶滋味的鮮爽度及醇和感，此外，適量的氮肥，還會(huì)增加茶葉香氣成分，從而提高綠茶品質(zhì)[4,26]。脂類化合物是構(gòu)成茶葉香氣和風(fēng)味的重要的化合物，其合成受到冷害和磷脅迫等環(huán)境因素的影響，劉美雅等[29]通過(guò)脂質(zhì)組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)牡侍幚砜梢云胶庵|(zhì)代謝和促進(jìn)茶葉芳香物質(zhì)的形成，這有助于提高茶葉的品質(zhì)。

2.2 高氮對(duì)于茶樹生理以及品質(zhì)代謝的影響

若施用較多的氮肥，會(huì)限制茶葉可溶性糖的形成以及茶多酚的合成，更多的精氨酸，谷氨酸被合成，過(guò)多的氮肥對(duì)于有鮮爽滋味的茶氨酸在氨基酸總量比例中提升比較小，而且過(guò)多精氨酸的苦澀味會(huì)導(dǎo)致茶葉品質(zhì)下降[22]。還有研究表明，施用過(guò)多氮肥，茶樹光合作用增強(qiáng)，從而有更多產(chǎn)物被用于蛋白質(zhì)合成而限制了一部分糖類向多酚類物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致多酚類物質(zhì)跟水浸出物含量的下降，對(duì)于紅茶加工，不利于其品質(zhì)的形成[31]。阮建云等[22]通過(guò)不同氮素水平處理茶樹發(fā)現(xiàn)由于氮素顯著影響著茶樹碳氮分配比例的變化，高氮限制了茶樹中含碳化合物的合成，其中隨著氮素的增加新梢中多酚含量顯著下降，同時(shí)伴隨著糖類物質(zhì)合成的減少，促使了更多的碳骨架用于氨基酸等含氮化合物的合成。也有研究表明過(guò)量施用氮肥會(huì)抑制茶葉香氣物質(zhì)的形成，而這是由于茶葉香氣化合物的合成前體的增加，導(dǎo)致在制茶過(guò)程中青草味代謝物的增加[29]。

3 氮素形態(tài)對(duì)茶樹代謝機(jī)制的影響

4 氮素與其它營(yíng)養(yǎng)元素交互作用

4.1 氮素與大量元素的關(guān)系對(duì)于茶樹生長(zhǎng)的影響

茶樹正常生長(zhǎng)需要多種營(yíng)養(yǎng)元素，缺一不可，各種營(yíng)養(yǎng)元素相互影響、相互作用。茶園施肥要根據(jù)茶樹的生長(zhǎng)情況以及環(huán)境等多種因素確定各種營(yíng)養(yǎng)元素的施用比例，氮素作為茶樹生長(zhǎng)所需的一種大量元素，與其它元素的吸收和利用有著顯著相關(guān)影響[38]。磷是茶樹體內(nèi)核酸、核蛋白、磷脂以及高能磷酸化合物(ATP，ADP)和遺傳物質(zhì)(DNA)的組成元素。鉀被稱為抗逆元素，品質(zhì)元素，以離子狀態(tài)存在于植物體內(nèi)，在茶樹體內(nèi)鉀移動(dòng)能力加強(qiáng)，施鉀能增強(qiáng)茶樹的光合作用，促進(jìn)碳水化合物的代謝及其運(yùn)輸?shù)茸饔肹38-40]。施用氮肥時(shí)，合理配合磷、鉀肥的施用，可以顯著提高茶園產(chǎn)量以及改善茶葉品質(zhì)[39-40]。因此研究氮素與其它元素的相互影響是茶園生產(chǎn)非常重要的科學(xué)研究與應(yīng)用方向。

茶園施用氮磷鉀肥料需按照比例進(jìn)行，按比例的用量要結(jié)合茶樹的養(yǎng)分吸收狀況、土壤養(yǎng)分狀況、土壤質(zhì)地及天氣狀況以及茶樹年齡等多種因素確定。根據(jù)不同茶園情況，前人提出了許多不同氮、磷、鉀配比方法。尤雪琴通過(guò)分析大田條件下不同年齡茶樹(品種為龍井43)新稍、修剪物、落葉的生物量以及氮、磷、鉀養(yǎng)分量，研究得出不同生育期茶樹氮、磷、鉀養(yǎng)分需求規(guī)律[41]。馬立鋒等根據(jù)浙江省綠茶主產(chǎn)區(qū)茶園產(chǎn)區(qū)進(jìn)行了調(diào)查，提出了適用浙江產(chǎn)區(qū)氮、磷、鉀肥比例[5]。張亞蓮等[42]通過(guò)測(cè)定湖南省茶園土樣肥力水平，針對(duì)4種土壤類型提出了氮、磷、鉀施肥比例。羅凡等[43]研究發(fā)現(xiàn)氮磷鉀合理配施可顯著提升茶樹新梢葉片的氣孔導(dǎo)度并保證茶樹新梢中較高的磷含量，從而提高了茶樹的凈光合速率，此外，氮、磷、鉀營(yíng)養(yǎng)共同作用可以顯著提高春茶氨基酸總量及其組分含量，從而提高了春茶的品質(zhì)。

4.2 氮素與中量和微量元素的關(guān)系以及對(duì)于茶樹的影響

茶園土壤長(zhǎng)期或者過(guò)量施用氮肥，會(huì)引起土壤酸化，從而影響其它營(yíng)養(yǎng)元素的吸收和利用[34,44]。有研究表明氮形態(tài)可以影響茶樹根際周圍pH值，從而顯著影響了其他營(yíng)養(yǎng)元素(磷、鈣、鉀、鎂、鋁、錳)在茶樹的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)，這是因?yàn)椴铇鋵?duì)銨態(tài)氮的偏好吸收導(dǎo)致其根系釋放質(zhì)子，從而降低了茶樹根際周圍pH值[34,44-45]。此外，土壤酸化增加土壤中固體磷的溶出，從而提高土壤中可溶性磷的含量，影響磷的吸收[34]。還有研究也表明土壤氮肥的增加可以顯著提高土壤中活性鋁的含量以及茶樹葉片中鋁的含量，而原因也可能是氮素降低了土壤中的pH值[46]。

茶園中合理的增加鉀素和鎂素可以顯著增強(qiáng)茶樹硝酸還原酶的活性，提高茶樹氮代謝，促進(jìn)了氨基酸的合成[47]，此外氮素配施鉀素顯著促進(jìn)了氮素的吸收，并且可以促進(jìn)氮素向萌發(fā)新梢轉(zhuǎn)移，改善茶葉品質(zhì)代謝成分[48]。鎂營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)可以促進(jìn)茶氨酸在根部合成以及茶樹新梢中的積累。當(dāng)春季新梢萌發(fā)時(shí)隨著氮素在茶樹中的轉(zhuǎn)移，鎂營(yíng)養(yǎng)影響木質(zhì)部和韌皮部中氨基酸和糖類的轉(zhuǎn)運(yùn)，促進(jìn)茶樹碳氮向新梢轉(zhuǎn)移，顯著地影響著茶葉的品質(zhì)[49]。

5 展望

綜上所述，目前氮素在茶樹的吸收轉(zhuǎn)移，以及氮素水平、氮素形態(tài)如何影響茶樹品質(zhì)成分的研究較多，但是在氮素從整體上調(diào)節(jié)茶樹生理代謝以及氮素如何影響茶樹基因變化等深入內(nèi)容的研究較少，未來(lái)利用組學(xué)技術(shù)探究氮素對(duì)茶樹整體(如代謝組、蛋白質(zhì)組、基因組等)的影響，是茶樹科學(xué)研究的重要方向。另外，通過(guò)分子技術(shù)手段深入研究氮素對(duì)于茶樹關(guān)鍵基因的影響也將是揭示氮素影響茶樹機(jī)理的重要內(nèi)容。

再次，茶樹的采摘以新梢為主，氮素是茶樹需求最大的營(yíng)養(yǎng)元素，但是茶樹對(duì)于氮素的利用效率卻很低, 在茶園中超過(guò)一半施入的氮肥都被損失掉[8,50]，因此，提高氮素利用率是茶園生產(chǎn)中的關(guān)鍵實(shí)際問(wèn)題。目前在茶園生產(chǎn)中主要通過(guò)合理栽培措施結(jié)合施肥方法來(lái)提高氮素的利用效率，未來(lái)挖掘提高茶樹氮素利用效率的相關(guān)基因，篩選高氮素利用效率茶樹品種，將會(huì)是研究茶樹氮素吸收利用的重要研究方向。

最后，茶樹正常生長(zhǎng)所需的多種營(yíng)養(yǎng)元素缺一不可，并且各種營(yíng)養(yǎng)元素都按比例吸收[40]。氮素作為茶樹所需的大量營(yíng)養(yǎng)元素，與其它營(yíng)養(yǎng)元素存在顯著的相互影響。由于茶園生產(chǎn)中多追求茶葉產(chǎn)量，生產(chǎn)中出現(xiàn)了高氮栽培的現(xiàn)象，從而使茶園土壤氮、磷、鉀的比例失常的現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生。未來(lái)研究如何協(xié)調(diào)配比氮素與其它營(yíng)養(yǎng)元素的關(guān)系對(duì)于茶園生產(chǎn)具有實(shí)際意義。