荒漠區(qū)滴灌施氮量對葡萄葉綠素?zé)晒馓匦约疤即x的影響

韓麗娜,馬宗桓,王 穎,胡紫璟,史星雲(yún),毛 娟,陳佰鴻

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝學(xué)院,甘肅 蘭州 730070；2.武威市林業(yè)科學(xué)研究院,甘肅 武威 733000)

釀酒葡萄是發(fā)酵成葡萄酒的主要原材料并且葡萄酒這一產(chǎn)業(yè)在我國得到了迅猛發(fā)展,但葡萄品質(zhì)是影響葡萄酒口感的一個重要因素,因此,如何提高葡萄品質(zhì)進(jìn)而改善葡萄酒的口感成為葡萄產(chǎn)業(yè)面臨的一個重大問題。葡萄樹的生長發(fā)育受水和氮素的影響[1]。水分和氮素會影響植物的光合產(chǎn)物和激素水平,進(jìn)而影響果樹的生長發(fā)育和果實的產(chǎn)率[2-4]。研究表明,水分和氮素供應(yīng)水平不僅影響葡萄的營養(yǎng)生長,同時對葡萄葉片光合特性、同化產(chǎn)物分配、呼吸作用、果實品質(zhì)改善和產(chǎn)量等方面均產(chǎn)生影響[5]。

以水調(diào)氮,以氮促水提高了植物對水和氮的吸收效率進(jìn)而調(diào)控了植株的生長,植物水肥利用的同時完成需要水肥一體化的技術(shù)來實現(xiàn),這成為近幾年研究的熱點[6-7]。目前,國內(nèi)外許多研究表明,水肥一體化的科學(xué)管理模式有助于植物碳水化合物的積累進(jìn)而提高果實的產(chǎn)量品質(zhì)[8-11]。施明等[12]研究發(fā)現(xiàn),與常規(guī)施肥相比,滴灌施肥條件下增強(qiáng)了樹體長勢,提高了葡萄葉綠素含量,使葉片的光合特性增強(qiáng),還原性糖含量增加,進(jìn)而有助于葡萄產(chǎn)量的增加和果實品質(zhì)的改善。Hebbar等[13]的施肥灌水研究發(fā)現(xiàn),75%的滴灌施肥好于傳統(tǒng)灌溉施肥。史星雲(yún)等[14]研究發(fā)現(xiàn)，適宜的水肥組合能夠促進(jìn)葡萄樹新梢生長,增加釀酒葡萄的單粒質(zhì)量,并對果實品質(zhì)和果皮酚類物質(zhì)有顯著影響。曾慶華等[15]研究報道氮肥通過提高北玫葡萄果實的維生素C、糖酸比和產(chǎn)量品質(zhì)來增加其經(jīng)濟(jì)效益；另外,氮肥含量的多少也影響葡萄樹對氮、磷、鉀元素的吸收。目前,研究施肥時期、施肥量分別對葡萄生長發(fā)育和產(chǎn)量品質(zhì)等的影響比較多,但將施肥時期和施肥量結(jié)合起來對葡萄影響的研究比較少。本試驗研究了荒漠區(qū)滴灌條件下,不同施氮量對葡萄葉片葉綠素?zé)晒馓匦院吞即x的影響,為釀酒葡萄在實踐生產(chǎn)中科學(xué)合理的施用氮肥提供可參考的施肥依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料與試驗設(shè)計

1.1.1 試驗田概況 2014-2015年在位于河西走廊東部的甘肅省武威市涼州區(qū)黃羊鎮(zhèn)莫高葡萄酒原料基地進(jìn)行試驗,氣候為比較干燥并且晝夜溫差大的內(nèi)陸荒漠性氣候。該地區(qū)多年平均氣溫6.9 ℃,氣溫最高能達(dá)到40.8 ℃,最低達(dá)到-32.1 ℃,年降雨量191 mm,蒸發(fā)量2 130.8 mm,年平均日照時數(shù)為2 724.8 h,≥10 ℃的積溫為2 800～3 200 ℃,無霜期150 d左右。土壤質(zhì)地是沙壤土且有機(jī)質(zhì)占0.62%,pH值7.8；試驗地中的速效氮、磷、鉀養(yǎng)分含量分別為0.9 g/kg,22 mg/kg和123 mg/kg,土壤容重為1.56 g/cm3,最大田間持水量為28%。

1.1.2 試驗材料與設(shè)計 試驗材料為10年生蛇龍珠(Cabernetgernischet)葡萄,采用東西朝向的單臂籬架栽培方式,株行距0.7 m×3.0 m。氮肥以單管滴灌方式施入,磷鉀肥在出土后第1次注水前和果實轉(zhuǎn)色期這2個時期施入,在葡萄樹兩側(cè)挖溝分別施入過磷酸鈣和硫酸鉀750,825 kg/hm2。葡萄樹生長發(fā)育所需的總灌水量為4 800 m3/hm2,分別為萌芽期675 m3/hm2、開花期900 m3/hm2、果實第1次膨大期900 m3/hm2、副梢生長期330 m3/hm2、果實第2次膨大期720 m3/hm2和越冬水1 275 m3/hm2。

以尿素(CO(NH2)2)為氮肥,施氮水平為N1(150 kg/hm2)、N2(300 kg/hm2)、N3(450 kg/hm2)、N4(600 kg/hm2),對照(CK)為0 kg/hm2。氮肥分別按30%,30%,10%,20%,10%的比例在萌芽前(出土后第1次灌水)、新梢旺長期、開花期、果實第1次膨大期、果實第2次膨大期時施入。1行植株為1個處理(行長60 m),按隨機(jī)區(qū)組排列,重復(fù)3次。

1.2 測定指標(biāo)及方法

1.2.1 葉綠素?zé)晒鈪?shù) 測葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的時間為天晴的9:00-11:00,在花前5 d(DBF5)、花后20 d(DAF20)和花后50 d(DAF50)3個時期進(jìn)行。隨機(jī)選各處理每個小區(qū)內(nèi)的3棵葡萄樹,在每棵樹上選生長良好的新梢的第2～3片葉測定,每個處理選取9片葉測定(注意盡量保持葉片原來的方位不變)。葉綠素?zé)晒鈪?shù)和葉綠素含量參照胡紫璟[16]的方法進(jìn)行測定。ELISA測定試劑盒用于RuBp羧化酶活性的測定。

1.2.2 蔗糖代謝相關(guān)酶及代謝物 分別在花前5 d(DBF5)、花后20 d(DAF20)、花后50 d(DAF50)進(jìn)行3次采樣,取樣時間點為天氣晴朗的9:00-11:00。各處理的每個小區(qū)內(nèi)選擇不同植株上不同著生方位的功能葉片進(jìn)行取樣,每株葡萄樹選取2～3個主枝；用打孔器將葉片的不同部位打成1 cm2的碎片后混勻,按不同指標(biāo)所需的量稱取后在-80 ℃超低溫冰箱中保存,各處理設(shè)置3次重復(fù),用于測定糖代謝相關(guān)指標(biāo)。葉片蔗糖合成酶(SS)、蔗糖磷酸合成酶(SPS)、酸性轉(zhuǎn)化酶(AI)和中性轉(zhuǎn)化酶(NI)采用從南京建成生物研究所購買的試劑盒測定[17]。葉片可溶性糖(葡萄糖、果糖和蔗糖)含量和淀粉含量參照任凌燕等[18]和鄧榆川等[19]的方法測定。

1.2.3 果實品質(zhì)的測定 開花期時,在各處理的每個小區(qū)內(nèi)的每株葡萄樹上選取3個果穗進(jìn)行標(biāo)記,然后統(tǒng)計開花數(shù),待統(tǒng)計的花穗坐果后統(tǒng)計坐果數(shù),計算坐果率。在果實成熟期,在各處理每個小區(qū)樹體的上、中、下(保證取樣的均勻性)各采1串葡萄,每處理各采9串,標(biāo)記后帶到實驗室,進(jìn)行果實品質(zhì)指標(biāo)的測定。

采用NaOH中和滴定法測定可滴定酸[20]；參照張彪[21]的方法測定單寧含量；參照胡紫璟[16]的方法測定花青素含量和果實單粒質(zhì)量。

1.2.4 葡萄產(chǎn)量計算 產(chǎn)量參照胡紫璟[16]的方法進(jìn)行計算。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)用Excel 2010軟件進(jìn)行整理,采用SPSS statistics 17.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和方差分析(P<0.05),作圖用 Origin 9.0軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮肥施用量對葡萄葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

如圖1所示,隨著生育期的推進(jìn),葉片F(xiàn)v′/Fm′呈升高的變化趨勢,ΦPSⅡ和qP呈先降后升的變化趨勢,而NPQ表現(xiàn)先升后降的變化趨勢且在DAF20時達(dá)到峰值。在DBF5時,N2和N3處理的Fv′/Fm′顯著高于其他處理且與CK相比增加10.5%和12.5%,而N4處理顯著低于CK；在DAF20和DAF50時的Fv′/Fm′均以N2處理最大,顯著高于其他處理。3個時期N1、N2和N3的葉片ΦPSⅡ均顯著高于CK和N4,但N4處理與CK無顯著差異。在DBF5時,qP隨氮肥用量的增加呈逐漸升高的趨勢,而在DAF20和DAF50時,qP隨氮肥用量的增加呈先升后降的變化趨勢,且N2處理值最大。NPQ隨氮肥用量的增多在DBF5和DAF50時均呈逐漸降低的趨勢,此時N4處理的NPQ分別比CK顯著降低了9.60%和53.76%。Fv′/Fm′、ΦPSⅡ和qP值在N2處理變化幅度最大,在DAF20時比CK分別顯著增加16.10%,21.49% 和11.77%,而在DAF50時比CK分別顯著增加17.80%,21.13% 和19.73%。

圖中不同小寫字母表示在0.05水平下同一生育期不同氮素水平間的顯著性差異。圖2-4同。 The different lowercase letters in the figure indicate significant differences between different nitrogen levels during the same growth period at 0.05 levels. The same as Fig.2-4.

2.2 氮肥施用量對葡萄葉片RuBp羧化酶活性和葉綠素含量的影響

各處理蛇龍珠葉片RuBp羧化酶活性和葉綠素含量測定結(jié)果(圖2)顯示,RuBp羧化酶活性隨葡萄的生長持續(xù)增大在DAF50達(dá)到峰值；隨施氮量增多酶活性在DBF5時呈升高的變化趨勢,而在DAF20和DAF50時呈先升后降的變化趨勢,并在DAF20和DAF50的N3處理酶活性最高,且與CK差異顯著。N4處理RuBp羧化酶活性在DBF5時是CK的3.88倍,N3處理 RuBp羧化酶活性在DAF20和DAF50時比CK顯著升高了59.4%和12.7%。隨著植株生長天數(shù)的增加,葉綠素含量在花前顯著低于花后,而DAF50時葉綠素含量略低于DAF20。在DBF5和DAF50時,各處理間的葉綠素含量差異不顯著,在DAF20時,葉綠素含量隨施氮量的增加而呈緩慢升高的趨勢,除N1處理外,其他氮處理的葉綠素含量均顯著高于CK,其中,N4處理比CK提高了9.8%?？梢?適宜的施N處理有助于葡萄樹葉片RuBp羧化酶活性和葉綠素含量的提高。

圖2 氮肥施用量對葡萄葉片葉綠素含量和RuBp羧化酶活性的影響Fig.2 Effects of nitrogen application rate on chlorophyll content and RuBp carboxylase activity of grape leaves

2.3 氮肥施用量對葡萄葉片蔗糖代謝相關(guān)酶活性的影響

如圖3所示,隨著生育期的發(fā)展,SPS、SS、AI和NI酶活性呈升高趨勢并均在DAF50時酶活性最高。除SPS在DAF50時N3與CK間無顯著差異外,各時期施氮處理的SPS和SS酶活性均以N3處理增幅最大且與CK差異顯著；AI和NI酶活性(以鮮質(zhì)量計)在DBF5和DAF20時以N2處理增幅最大而DAF50時以N1處理增幅最大。其中,在生育期DAF50時,N3處理葉片SPS和SS活性比同期CK分別增加1.23%和18.46%,而N1處理葉片AI和NI活性比CK分別增加了11.99%和8.36%。因此,適宜的施氮量可以提高葡萄葉片SPS、SS、AI和NI酶活性,但缺氮或過量氮可導(dǎo)致葉片蔗糖代謝相關(guān)酶活性降低,其中N3處理有助于SPS和SS酶活性的提高,N2處理在DBF5和DAF20有助于AI和NI酶活性的提高,而N1處理有助于AI和NI酶活性在DAF50時的提高。

圖3 氮肥施用量對葡萄葉片蔗糖代謝相關(guān)酶活性的影響 Fig.3 Effects of nitrogen application rate on sucrose metabolism related enzyme activities of grape leaves

2.4 氮肥施用量對葡萄葉片蔗糖代謝物的影響

各處理蛇龍珠葉片碳水化合物含量測定結(jié)果(圖4)顯示,在整個生育時期,葉片中花前淀粉含量(以干質(zhì)量計)高于花后,在DAF20時含量最少；在DBF5和DAF20時,N1和N2處理淀粉含量顯著高于CK,DBF5時的N3處理與CK無顯著差異而N4處理顯著低于CK，DAF20時的N3和N4處理顯著低于CK；在DAF50時,施氮處理的淀粉含量均顯著低于CK。葉片中葡萄糖和果糖的含量(以干質(zhì)量計)在花前與花后變化不大,而花后蔗糖含量(以干質(zhì)量計)較花前增高幅度較大；與同期CK相比,施氮處理提高了葉片中葡萄糖、蔗糖和果糖的含量(果糖DAF50時N4處理外),且隨施N量的增加呈先增加后減少的變化趨勢。在DBF5～DAF50時,同CK相比,葡萄糖和果糖含量均以N2處理增幅最大而蔗糖含量以N3處理增幅最大,且均較CK差異顯著。N2處理果糖和葡萄糖含量以及N3處理蔗糖含量在DBF5～DAF50時分別比CK顯著增加了13.55%,17.15%,20.99%和40.16%,30.87%,14.94%及71.79%,31.71%,29.80%。說明有利于葡萄樹葉片葡萄糖、果糖和蔗糖含量積累的氮肥施用范圍為300～450 kg/hm2。

圖4 氮肥施用量對葡萄葉片蔗糖代謝物的影響 Fig.4 Effect of nitrogen application rate on sucrose metabolites of grape leaves

2.5 氮肥施用量對蛇龍珠果實品質(zhì)和產(chǎn)量的影響

由表1可知,隨著氮肥含量的增多,果實可溶性糖、單寧及果皮花青素含量呈現(xiàn)先升后降的趨勢,糖酸比也是先升后降的趨勢,均在N2處理值最大且與CK相比分別增加了16.4%,46.8%,25.6%,12.7%。而各施氮處理與不施氮相比顯著提高了可滴定酸含量,N2處理最少。坐果率隨施氮量增加呈先增后降趨勢,而施氮處理下的坐果率均顯著高于CK,N3坐果率最高,其次是N2,二者差異不顯著。與CK相比,氮素處理更有利于果實質(zhì)量和產(chǎn)量的提高,且隨著施氮量的增加,施氮處理間的果實單粒質(zhì)量差異不顯著,N4處理的產(chǎn)量比CK提高36.90%,顯著高于N1和N2,但與N3差異不顯著,產(chǎn)量在N1、N2和N3處理下無顯著性差異。

表1 氮肥施用量對葡萄果實品質(zhì)和產(chǎn)量的影響 Tab.1 The effect of nitrogen application rate on fruit quality and yield of grape berry

注:不同小寫字母表示差異在0.05水平顯著。

Note: Different small letters indicate significant difference atP<0.05 level.

3 討論與結(jié)論

葉綠素含量的多少直接影響光能轉(zhuǎn)化率和光合產(chǎn)物的形成。增施氮肥提高了玉米葉片的光合作用,延長了葉片葉綠素含量降低和最大光合速率持續(xù)的時間,提高了光合性能[22]。試驗結(jié)果表明,適宜的氮肥促進(jìn)葉片葉綠素含量的增加,有利于光合作用,施氮過多時,則效率下降；在DBF5時,N4處理最有利于RuBp羧化酶活性增強(qiáng),而在DAF20和DAF50時,N3處理的RuBp羧化酶活性較CK顯著增強(qiáng),這與馬冬云等[23]在小麥旗葉中研究結(jié)果相一致。適宜的灌水施肥改善了樹體的光合性能,并可增強(qiáng)棉花葉片的Fv′/Fm′及光能的利用效率[24]。本研究結(jié)果表明,適宜的施N量提高了葉片的Fv′/Fm′、ΦPSⅡ和qP值,而不同時期的同一處理的變化不同,N2和N3處理提高了Fv′/Fm′、ΦPSⅡ和qP值,但N4處理(DBF5時的qP除外)反而降低；在DBF5和DAF50時,隨氮肥用量的增加,NPQ逐漸減小。說明適量施用氮肥促進(jìn)葡萄葉片PSⅡ反應(yīng)中心的活性和電子捕獲效率,有利于葡萄的光合作用,而氮肥過量容易導(dǎo)致葉片發(fā)生光抑制,不利于葡萄的生長發(fā)育,這與伊海龍等[25]在甜菜上的研究一致。因此,氮肥的合理追施,能夠改變葡萄葉片的葉綠素?zé)晒鈪?shù)值,促進(jìn)光合產(chǎn)物的積累,張旺鋒等[24]研究的結(jié)果也證實了這一點。

蔗糖代謝相關(guān)酶在植物葉片光合作用合成糖的過程中發(fā)揮著重要的作用[26],而SPS、SS、AI和NI的活性以及葉片中糖的含量受氮肥的影響[27]。陳洋等[28]研究表明，氮肥用量適宜有利于春玉米穗位葉片SPS活性的增強(qiáng)。本研究表明,葡萄的SPS活性在DAF50時達(dá)到峰值,不同時期不同施氮量對SPS活性的影響不同,N3處理在DBF5和DAF20時的SPS活性顯著高于CK,而N3處理SPS在 DAF50時高于CK但二者無顯著差異,表明從葡萄開花到果實膨大,N3處理的施氮量有助于葉片中糖的積累；在葡萄的生長發(fā)育期,SS在DBF5和DAF20酶活大小相近,但在DAF50時酶活性迅速增強(qiáng)；從DBF5到DAF50,N3處理SS活性均顯著高于CK。因此,保證SS和SPS酶在蔗糖合成過程中高效發(fā)揮作用需要合理的施用N素。植物體內(nèi)的葡萄糖和果糖是通過轉(zhuǎn)化酶催化蔗糖而得到的。李丹[29]研究也表明了轉(zhuǎn)化酶活性受氮肥多少的影響,增加氮肥用量提高了轉(zhuǎn)化酶的活性,但氮肥施入過量反而降低了轉(zhuǎn)化酶活性,并且酶活性的變化在花前與花后存在差異。本試驗結(jié)果表明,AI和NI的酶活性隨葡萄樹生育期的推進(jìn)逐漸增強(qiáng),而在不同生育期增施氮肥AI與NI活性呈先增強(qiáng)后減弱；AI與 NI在DBF5和DAF20時,N2處理的AI和NI活性顯著高于CK,而在DAF50時,N1處理的AI和NI酶活性高于CK但差異不顯著,這表明葡萄的生育期和氮素營養(yǎng)同時影響了葉片轉(zhuǎn)化酶的活性。蔗糖是光合作用的主要產(chǎn)物,在植物中通過庫向源的方式進(jìn)行運輸,因此,蔗糖的合成與分解過程對葉片光合產(chǎn)物的積攢與運輸起到了一定的調(diào)節(jié)作用[30]。本研究結(jié)果表明,隨葡萄的生長和氮肥的施加,葉片蔗糖含量的變化趨勢為先升后降,在DAF20時達(dá)到最大值,且各個時期均以N3處理含量最高,表明氮素營養(yǎng)對葡萄樹花后蔗糖的合成與積累有促進(jìn)作用,但在果實膨大后對營養(yǎng)物質(zhì)需求的增多,使蔗糖從葉片運輸?shù)焦麑?減少了葉片中蔗糖的含量,但N4處理使葡萄樹每個時期的葉片蔗糖含量都降低,表明N4處理不利于葉片蔗糖的積累。葡萄樹不同生育期的不同施氮量對葉片葡萄糖和果糖含量的影響不同,隨施氮量的增加葡萄糖和果糖含量先增加后降低,整個生育期葡萄糖和果糖含量均在N2處理最高,且與CK差異顯著。試驗中各種因素會影響葉片中還原糖的含量,如氮素種類、施氮水平、葡萄品種等,而前人研究與本試驗略有不同的是葉片中還原糖的含量因氮肥增加而減少[31]。一般認(rèn)為,土壤中氮肥含量過高,會使葉片中淀粉的積累受阻,導(dǎo)致植物光合作用的減弱和蔗糖代謝途徑的下降。本試驗結(jié)果表明,葉片淀粉含量在DBF5～DAF50時呈先降低后升高的變化趨勢,在DAF20時淀粉含量積累最少,DBF5時積累最多,這2個時期N1、N2處理淀粉含量顯著高于CK,而N3、N4低于CK；在DAF50時淀粉含量最低且隨氮肥的增多先降低后升高,這些結(jié)果表明N2和N3處理有利于果實品質(zhì)的提高。

彭福田等[32]研究表明,施氮可使植物達(dá)到“氮增碳”的效果,提高植物葉片的光合能力,促進(jìn)碳水化合物的合成,增強(qiáng)果庫活力,延長果實的生長發(fā)育期,最終影響果實的產(chǎn)量品質(zhì)。本研究發(fā)現(xiàn),提高施氮量可有效提高果實可溶性總糖含量和增大糖酸比,但土壤中過量的N素施用量(N3、N4)會導(dǎo)致果實中可溶性糖不易積累；葡萄皮中花青素含量的積累受氮肥含量的影響,施氮量為300 kg/hm2(N2)時有助于葡萄果皮中花青素含量的增加,而超過300 kg/hm2(N2)時花青素含量減少；葡萄坐果率隨氮肥用量的增加呈先升后降的趨勢,N3處理坐果率最高,而N4處理降低了葡萄坐果率；施氮量對果實單粒質(zhì)量和果實產(chǎn)量有促進(jìn)作用,會隨氮肥用量的增加果粒增大產(chǎn)量增多。因此,氮素營養(yǎng)對提高葡萄產(chǎn)量和品質(zhì)有重要意義。

綜上所述,氮肥用量在300 kg/hm2(N2)～450 kg/hm2(N3)內(nèi)提高了葡萄葉片的光合作用,增強(qiáng)了葉片中蔗糖代謝相關(guān)酶的活性,促進(jìn)了還原糖的積累和葡萄樹營養(yǎng)的增加,增強(qiáng)了樹體長勢,進(jìn)一步提高了葉片的氮素利用率,提高了釀酒葡萄品質(zhì)、增加了產(chǎn)量。