減氮條件下配施聚天門冬氨酸對烤煙氮代謝及氮素吸收利用的影響

楊啟航，陳建軍，葉曉青，周國榮，李淮源，鄧世媛*

1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草研究室，廣州市天河區(qū)五山路483號 510642 2.廣東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，廣州市天河區(qū)林和西橫路186號 510610 3.深圳煙草工業(yè)有限責(zé)任公司，廣東省深圳市龍華區(qū)清寧路2號 518109

氮素是植物生長發(fā)育過程中不可或缺的營養(yǎng)元素［1］，充足的氮肥是作物高產(chǎn)的保障。煙草是我國重要的經(jīng)濟(jì)作物，氮肥不僅影響其產(chǎn)量形成，還與煙葉中化學(xué)成分含量有關(guān)［2］。煙草生產(chǎn)上，煙農(nóng)往往通過增加肥料尤其是氮肥投入來保障產(chǎn)量，導(dǎo)致煙草的氮肥利用率普遍低于其他作物［2］，造成中上部煙葉成熟落黃慢、色素降解不充分、煙葉工業(yè)可用性低［3］、資源浪費及環(huán)境污染等一系列問題，因此，合理減少烤煙生產(chǎn)氮肥施用量、提高氮肥利用率勢在必行。

聚天門冬氨酸（Polyaspartic Acid，PASP）是一種氨基酸類聚合物，在環(huán)境中易降解為CO2和H2O［4］，無毒、無害、無污染，屬環(huán)境友好型高分子材料［5］。PASP本身具有極強的吸附作用，能螯合金屬離子，將N、P、K及微量元素富集在作物根系附近［6］，起到緩釋、促進(jìn)作物吸收、提高肥料利用效率的作用［7］，并可減少因養(yǎng)分流失造成的農(nóng)田污染［8-9］，近年來作為肥料增效劑在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上被廣泛探索。有研究表明，適宜濃度的聚天門冬氨酸可增加小麥幼苗氮鉀養(yǎng)分的積累［10］，提高油菜葉綠素和VC含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）、降低硝酸鹽含量［11］，促進(jìn)紫花苜蓿生長、提高干草產(chǎn)量［12］。根施PASP使溫室黃瓜的葉綠素含量、光合速率、根系活力明顯提高，氮磷鉀吸收量增加［13］，與尿素配施能減緩銨態(tài)氮的釋放速率，促進(jìn)蕹菜根系生長及對氮素的吸收［14］。噴施PASP可以提高玉米凈光合速率和抗氧化酶活性，降低丙二醛含量［15］，并增加玉米干物質(zhì)積累量和氮磷鉀養(yǎng)分積累，促進(jìn)玉米增產(chǎn)［16］，還能在銅鎘復(fù)合脅迫下促進(jìn)番茄幼苗生長和礦質(zhì)元素吸收［17］。

隨著PASP應(yīng)用的深入，研究其在肥料減量條件下的作用也逐步得到重視。已有報道，氮肥減量1/3后通過PASP螯合氮素可促進(jìn)玉米氮素代謝、增大葉面積指數(shù)、提高氮肥利用效率［18］，水稻減氮15%后配施PASP增加了花后物質(zhì)轉(zhuǎn)運量和穗數(shù)進(jìn)而提高了籽粒產(chǎn)量［19］，小麥減氮20%后添加PASP比對照增產(chǎn)101.5 kg·hm-2［8］，減氮20%～30%條件下施用PASP可改善烤煙根系和葉片生理特性，促進(jìn)氮素吸收、降低氮肥損失［2，20］，減鉀50%后配施PASP可改善葡萄品質(zhì)、提高鉀素利用率［21］。上述研究結(jié)果證實了減量施肥條件下PASP作為肥料吸收促進(jìn)劑的效果，但目前在煙草上的研究還較少，尚鮮見施用PASP對煙草氮代謝及氮素平衡的報道。因此，以氮肥減量與配施PASP處理相結(jié)合，研究不同用量的PASP對減氮條件下烤煙氮代謝、光合日變化、氮肥利用率及氮素平衡的影響，以期為PASP在煙草生產(chǎn)中的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1試驗材料與土壤背景

供試烤煙品種為云煙87，試驗于2018年12月至2019年7月在湖南省新田縣新圩鎮(zhèn)祖亭下村進(jìn)行。土壤基本理化性質(zhì)為：pH 7.33，有機(jī)質(zhì)52.74 g·kg-1，全氮2.89 g·kg-1，全磷1.40 g·kg-1，全鉀8.45 g·kg-1，堿解氮166.35 mg·kg-1，速效磷62.87 mg·kg-1，速效鉀384.19 mg·kg-1。

1.2試驗設(shè)計

試驗以新田當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)氮肥施用量為對照（CK），在減氮10%的條件下配施不同用量的PASP，并設(shè)置不施肥處理（NF）以計算肥料利用率，見表1。

表1 試驗處理設(shè)置①Tab.1 Experimental treatments

田間試驗采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，每處理重復(fù)3次，共15個小區(qū)。每個小區(qū)植煙60株，周邊設(shè)雙行保護(hù)行。行株距1.2 m×0.5 m，種植密度為1 100株/667 m2。

PASP施用方法：破膜后按試驗設(shè)計用量將PASP與純凈水按1∶500（體積比）的比例混合，采用根部淋入的方式分4次施用，每次間隔1周。

1.3 測定方法

采用活體法測定硝酸還原酶（NR）活性［22］；采用比色法測定谷氨酰胺合成酶（GS）活性［23］；采用吳良?xì)g等［24］的活度比色法測定谷氨酸草酰乙酸轉(zhuǎn)氨酶（GOT）和谷丙轉(zhuǎn)氨酶（GPT）活性。采用葉綠素含量測定儀（SPAD-502，日本大阪美能達(dá)公司）［25］測定SPAD值。使用便攜式光合系統(tǒng)（Li-6400，美國LI-COR公司）于煙草成熟期測定凈光合速率，從9:00至17:00，每隔2 h測定1次。

氮肥利用效率的計算［26］：

土壤氮素平衡的計算［27］：

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用EXCLE 2017和SPSS19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)作圖和統(tǒng)計分析。采用Duncan’s法對不同處理進(jìn)行差異顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1減氮配施不同用量PASP對烤煙葉片氮代謝相關(guān)酶活性的影響

2.1.1 對硝酸還原酶活性的影響

從圖1看到，CK的NR活性在各個生長時期均高于4個減氮處理，但減氮配施PASP卻對烤煙NR活性起到一定的提升作用。配施PASP的處理，其NR活性均高于未配施PASP的NP0處理，尤其是NP2處理，其NR活性在各個生長時期均明顯高于其他處理，表現(xiàn)為NP2>NP3>NP1>NP0，且NP2與CK的差值極小，在移栽后50 d達(dá)到峰值時與CK僅相差1.92μgN·g-1·h-1，但比NR活性最低的NP0處理高39.78%，差異達(dá)到顯著水平。

圖1 不同處理對NR活性的影響Fig.1 Effects of different treatments on NR activity

2.1.2 對谷氨酰胺合成酶活性的影響

谷氨酰胺合成酶—谷氨酸合成酶途徑是氨的重要同化途徑，谷氨酰胺合成酶（GS）是其中的多功能酶，參與多種氮代謝的調(diào)節(jié)［28］。圖2顯示，各處理間烤煙GS活性表現(xiàn)與NR一致，減氮處理GS活性在各個生長時期均低于CK，反映了減氮帶來的不利影響。從配施PASP的效果來看，配施PASP的減氮處理，其GS活性均高于未配施的NP0處理，其中配施5.0%PASP的NP2處理對GS活性的提升作用最為顯著。煙株大田生長前中期GS活性較高，NP2處理與CK的GS活性差異最小，僅比CK低1.00%～1.70%，而比未配施PASP的NP0處理提高53.38%～68.34%，NP1和NP3處理的GS活性也分別比NP0提高17.23%～46.69%，表明配施PASP對減氮條件下提高烤煙葉片GS活性有明顯作用。

圖2 不同處理對GS活性的影響Fig.2 Effects of different treatments on GS activity

2.1.3 對谷氨酸草酰乙酸轉(zhuǎn)氨酶活性的影響

從圖3可以看出，減氮未配施PASP的NP0處理，烤煙GOT活性明顯低于CK。但通過分析各配施PASP處理間的差異發(fā)現(xiàn)，NP1和NP2處理的GOT活性與CK較為接近，NP0和NP3處理的GOT活性在多個生育期內(nèi)均低于其他3個處理。移栽后90 d，GOT活性最高的CK為0.38μmol·g-1·30 min-1，NP0與CK相比降低15.96%，但NP2處理比CK僅降低1.76%，差異較小。

圖3 不同處理對GOT活性的影響Fig.3 Effects of different treatments on GOT activity

2.1.4 對谷丙轉(zhuǎn)氨酶活性的影響

如圖4所示，減氮未配施PASP的NP0處理，烤煙GPT活性在各個生育時期均低于CK，表明單純減氮條件下GPT活性會有所下降。從配施PASP處理來看，在移栽后50～70 d，NP2處理的GPT活性不僅明顯高于各配施PASP的處理，也高于CK且差異達(dá)到顯著水平。而移栽后70～90 d期間，CK的GPT活性略高于NP2處理，也高于其他處理，但差異不顯著。整體而言，減氮條件下配施一定量的PASP可以促進(jìn)GPT活性的提高。

2.2 減氮配施不同用量PASP對烤煙葉片光合性能的影響

2.2.1 對烤煙葉片SPAD值的影響

SPAD值可以反映葉綠素的相對含量［29］。由表2可以看出，減氮主要影響上部葉與中部葉的SPAD值，對下部葉影響不大。比較各處理移栽后不同時期上部葉與中部葉的SPAD值發(fā)現(xiàn)，CK始終高于其他處理，說明單純減氮會直接降低葉綠素含量。但在減氮的4個處理中，NP2處理的SPAD值最高，與CK相差極小。移栽后60 d，NP0和NP2處理上部葉SPAD值分別比CK低10.94、1.37，差異達(dá)到顯著水平，NP1和NP3處理的SPAD值也高于NP0，但差異未達(dá)到顯著水平；NP2處理中部葉的SPAD值與CK相差很小，僅為0.24，而NP0處理與CK的SPAD差值達(dá)到5.5。移栽后75 d，各減氮處理的上部葉SPAD值表現(xiàn)為NP2>NP3>NP0>NP1，而中部葉則表現(xiàn)為NP2>NP1>NP3>NP0，但差異均不顯著。移栽后90 d，上部葉的NP2處理與CK間差異不顯著，但與其他3個減氮處理間差異達(dá)到顯著水平，其中與NP0處理的差值最大，比NP0處理高23.36%；中部葉NP2與NP1處理間差異不顯著，但顯著高于NP3和NP0處理。說明減氮條件下通過配施適宜用量的PASP可以有效增加烤煙葉綠素含量。

表2 不同處理各部位煙葉的SPAD值比較①Tab.2 SPAD values of leaves from different stalk positions under different treatments

2.2.2 對烤煙葉片光合日變化的影響

減氮條件下配施PASP對上部葉和中部葉光合日變化的影響，見圖5。從上部葉光合日變化可以看出，減氮普遍降低了上部葉各時間點的凈光合速率（Pn），尤其NP0處理，比CK降低14.40%～28.14%，差異達(dá)到顯著水平，說明單純減氮不利于烤煙葉片的光合作用。但配施PASP的3個處理，其Pn均比NP0處理有所提高，尤其是NP2處理，僅比CK降低0.79%～7.71%，但比NP0處理提高15.90%～28.43%，差異達(dá)到顯著水平，NP1和NP3處理的Pn也高于NP0，表明配施PASP可以緩解減氮條件下Pn下降的幅度。中部葉Pn總體趨勢與上部葉基本一致，各個時間點仍然是NP0的Pn最低。總體來看，中部葉各處理仍是NP2處理對減氮條件下Pn的提升效果最顯著，在11:00與15:00時分別比NP0提高32.93%和31.39%。

圖5 不同處理對葉片Pn日變化的影響Fig.5 Effects of different treatments on diurnal change of net photosynthetic rate of leaves

從Pn的日均值（表3）來看，上部葉比中部葉略高但總體趨勢一致，均表現(xiàn)為CK>NP2>NP1>NP3>NP0，且NP2處理與CK的Pn差值極小，僅為0.52μmol·m-2·s-1（上 部 葉）和0.57μmol·m-2·s-1（中部葉），但NP2的Pn比NP0卻提高3.02μmol·m-2·s-1（上部葉）和2.30μmol·m-2·s-1（中部葉），差異達(dá)到顯著水平，NP1和NP3處理也高于NP0。說明減氮條件下配施PASP有利于烤煙葉片Pn的提高。

表3 不同處理對Pn日均值的影響Tab.3 Effects of different treatments on daily mean of net photosynthetic rate （μmol·m-2·s-1）

2.3 減氮配施不同用量PASP對烤煙氮素吸收利用及植煙土壤氮素平衡的影響

2.3.1 對煙株氮素吸收量的影響

從圖6可以看出，減氮10%的NP0處理，測定的大多數(shù)時間點氮素吸收量低于CK，尤其是大田生長中后期，與CK差異達(dá)到顯著水平，表明單純減氮會影響煙株的氮素吸收。從配施PASP的處理來看，同樣減氮條件下由于配施PASP的用量不同，對氮素的吸收也存在差異。移栽后40 d，NP1、NP2和NP3的氮素吸收量分別比NP0提高19.34%、46.30%和24.69%，至下部葉采收前（移栽后80 d）處理間的差異更加明顯，NP1、NP2和NP3處理的氮素吸收總量分別比NP0處理提高16.95 kg·hm-2、36.75 kg·hm-2和8.47 kg·hm-2，在相同地力和肥力條件下，施用PASP處理的氮素吸收量高于未施用PASP的處理，表明配施PASP可促進(jìn)氮素的吸收。移栽后80 d的氮素吸收量略低于移栽后70 d，可能是由于未將打頂抹杈時去除的花序、腋芽和葉片等計算在內(nèi)所致。

圖6 不同處理對烤煙氮素吸收的影響Fig.6 Effects of different treatments on nitrogen absorption of flue-cured tobacco

2.3.2 對烤煙氮肥利用率的影響

減氮條件下配施PASP對烤煙氮肥利用率的影響見表4。表4表明，氮肥農(nóng)學(xué)效率和偏生產(chǎn)力均表現(xiàn)為NP2>NP1>NP3>CK>NP0，可見單純減氮會降低烤煙的氮肥農(nóng)學(xué)效率和偏生產(chǎn)力，但是配施PASP卻可改變這一狀況，甚至高于不減氮處理，尤其是NP2處理效果最顯著，與CK相比增加20.83%和16.86%，比最低的NP0處理提高42.2%和22.19%。氮肥當(dāng)季回收率以NP2最高，達(dá)44.22%，與其他各處理間差異均達(dá)到顯著水平，比CK增加7.69百分點，比NP0處理提高16.16百分點。氮肥經(jīng)濟(jì)利用率在各處理間的表現(xiàn)與當(dāng)季回收率類似，以NP2處理最高，為31.34%，與CK相比增加8.49百分點，而NP0處理僅為18.07%，可見減氮條件下配施PASP尤其是5.0%PASP用量對氮肥利用率的提高效果顯著。

表4 不同處理對烤煙氮肥利用率的影響Tab.4 Effects of different treatments on nitrogen utilization efficiency of flue-cured tobacco

2.3.3 對植煙土壤氮素平衡的影響

從表5可以看出，NP0處理在減氮10%的條件下，其氮素表觀盈虧值最高，為64.41 kg·hm-2，說明單純的減氮并不能增加植株的攜出量，反而增加了氮素盈余。而從配施PASP的處理來看，NP1和NP2處理的氮素表觀盈虧值均低于CK，尤其是NP2處理，降低幅度達(dá)94.32%，差異達(dá)到顯著水平，NP3處理比CK略高但差異不顯著。除了NP0處理的表觀平衡系數(shù)超過2以外，其他各處理均在2以下，其中NP2處理最低，為1.27，與CK相比下降26.77%，比NP0處理降低58.27%。從最終的養(yǎng)分平衡率來看，以NP0處理最高且超過100%，比CK提高39.33百分點，而最低的NP2處理為27.5%，比CK降低34.06百分點，比NP0處理降低73.39百分點，差異均達(dá)到顯著水平，表明配施PASP可促進(jìn)植株氮素吸收并減少土壤氮素盈余。

表5 不同處理對植煙土壤氮素平衡的影響Tab.5 Effects of different treatments on nitrogen balance of tobacco planting soil

3 討論

NR、GS、GOT和GPT均是植物氮代謝過程中的關(guān)鍵酶，參與氮代謝途徑的催化和調(diào)節(jié)［30-31］，其活性的高低反映氮代謝的強弱［32］，并直接影響到氮素的同化力［33］。有研究表明，減氮顯著降低玉米［34］和小麥葉片GS、NR活性，對氮素吸收能力及同化能力均有降低效應(yīng)［35］。本試驗中，減氮10%即對烤煙NR、GS、GOT和GPT活性產(chǎn)生不利影響，各減氮處理的氮代謝關(guān)鍵酶活性均低于CK。但施用PASP對作物氮代謝產(chǎn)生了影響，可增強玉米幼苗NR和GS［36］、葉片NR［37］、花后穗位葉GS和GOT活性［38］。本研究中也發(fā)現(xiàn)，減氮條件下配施不同用量的PASP對氮代謝酶活性均有一定程度的提高，其中以配施5%PASP的處理提升作用最大，其NR、GS和GOT活性顯著高于未配施PASP的處理，GPT活性甚至在移栽后50～70 d還高于CK，推測原因可能與配施PASP促進(jìn)氮素吸收并提高煙株氮素含量，進(jìn)而激發(fā)了氮代謝相關(guān)酶活性有關(guān)［39］。

氮是葉綠素的主要組成成分［18］，減氮可降低小麥倒二葉和倒三葉花后SPAD值［40］。研究發(fā)現(xiàn)，在玉米幼苗［37］和黃瓜［13］上使用PASP可提高葉綠素含量，但本試驗中減氮10%條件下烤煙上部葉和中部葉SPAD值顯著降低，與前人在小麥［41］和甘薯［18］上的研究結(jié)果不一致，這可能與試驗對象、減氮程度及氮肥施用方法不同有關(guān)。本研究結(jié)果顯示，配施2.5%和5.0%PASP處理的SPAD值高于不添加PASP的處理，尤其配施5.0%PASP處理的SPAD值與CK極為接近，說明施用適當(dāng)濃度的PASP能促進(jìn)烤煙葉片中葉綠素合成，對上中部葉作用更明顯。葉綠素是衡量葉片光合功能的重要參數(shù)，其含量高低是反映光合強度的重要生理指標(biāo)，因此提高葉綠素含量是提高光合速率的生理基礎(chǔ)［18］。本研究中，單純減氮降低了烤煙葉片的凈光合速率，但配施PASP對Pn顯示出促進(jìn)效應(yīng)，3個配施PASP處理的Pn均高于未配施PASP的處理，結(jié)合SPAD值結(jié)果分析，減氮條件下配施5.0%PASP增加了烤煙葉片的SPAD值，因而促進(jìn)了Pn的提高，與前人提出的葉綠素含量高低反映光合速率大小相吻合［41］。

作為肥料增效劑，PASP具有極強的螯合和吸附作用，有助于植物對養(yǎng)分的吸收［42］。已有報道，施用含PASP的肥料，植物對N、P、K及其他中微量元素的吸收均有所增加［43］，玉米幼苗中的礦質(zhì)元素積累量得到提高［37］，蕹菜吸氮量增加、標(biāo)記氮肥損失率降低［44］。本試驗中，減氮10%即降低了烤煙氮肥利用率，與曹本福等［2］減氮30%提高烤煙成熟期氮肥利用率的結(jié)果有所不同，可能是試驗土壤供肥水平及PASP用量不同所致。但減氮配施PASP促進(jìn)了烤煙氮肥利用率的提高，與玉米［37］、冬小麥［8］的研究結(jié)果一致，尤其是配施5.0%PASP的效果最顯著，不僅遠(yuǎn)高于不添加PASP的處理，也顯著高于CK，可能是由于PASP的螯合和吸附作用促進(jìn)了烤煙對氮素的吸收和利用，因而提高了氮肥利用率。

農(nóng)田養(yǎng)分平衡是指養(yǎng)分被作物消耗和施肥投入之間的平衡，土壤氮素盈余超過20%即可能引起對環(huán)境的潛在威脅［45］。適當(dāng)減氮可降低土壤氮素表觀損失量［46］及氮素徑流、滲漏、殘留等損失［47］，減小土壤氮素盈余［48］，添加PASP的尿素與不添加相比，可以顯著降低氮素表觀盈虧量［17］。本試驗結(jié)果顯示，減氮10%而不添加PASP的處理由于氮攜出量降低，其表觀盈虧值反而高于CK，與前人研究結(jié)果不一致［17］，但配施適宜用量的PASP可降低氮素表觀盈虧值和平衡系數(shù)，氮素平衡率降低。結(jié)合氮素攜出量分析，配施5.0%的PASP因促進(jìn)低氮條件下煙株對氮素更有效的利用而降低了土壤中的氮素盈余。

4 結(jié)論

減氮10%條件下不配施PASP可導(dǎo)致烤煙氮代謝相關(guān)酶活性、光合性能、氮素吸收利用顯著下降，單純減氮處理會對烤煙生長發(fā)育產(chǎn)生不利影響。但減氮10%條件下配施不同用量的PASP，烤煙NR、GS、GOT和GPT等氮代謝關(guān)鍵酶活性均提高，SPAD值和Pn日均值也有不同程度提高，氮素吸收總量、氮肥農(nóng)學(xué)效率、偏生產(chǎn)力、當(dāng)季回收率和經(jīng)濟(jì)利用率均大幅提高，氮素表觀盈虧值和平衡率則顯著下降。因此，減氮條件下配施5.0%的PASP有利于促進(jìn)烤煙氮代謝和氮素吸收利用，減少土壤氮素盈余。