種植密度和施氮量對烤煙碳氮代謝關(guān)鍵酶及品質(zhì)的影響

黃佳 李信 王子一 艾亥麥提·艾麥爾江 楊友才

摘要：研究種植密度和施氮量對瀏陽煙區(qū)烤煙碳氮代謝關(guān)鍵酶和品質(zhì)特征的影響，以期為該地區(qū)烤煙特色原料的質(zhì)量保障提供技術(shù)支撐。以烤煙G80為研究對象，采用田間裂區(qū)試驗，設(shè)置3個不同種植密度（C1：15 151株/hm2、C2：16 666株/hm2、C3：18 181株/hm2），3個水平施氮量（B1：150.0 kg/hm2、B2：172.5 kg/hm2、B3：195.0 kg/hm2），分析種植密度和施氮量2個因素對烤煙G80生長過程中碳氮代謝關(guān)鍵酶活性和烤后煙葉品質(zhì)的影響。研究結(jié)果表明，在同一種植密度下，隨著施氮量增加，煙葉硝酸還原酶（NR）、谷氨酰胺合成酶（GS）、淀粉酶（AL）活性均有所提高；烤后煙葉總糖含量、還原糖含量、糖堿比降低，煙堿、氮含量增加，氯離子、鉀含量表現(xiàn)出先增后降的趨勢。在同一施氮量下，隨種植密度增大，各酶活性均表現(xiàn)出先升后降的趨勢；烤后煙葉總糖、還原糖、糖堿比增加，煙堿含量降低。以種植密度C2（16 666株/hm2），施氮量B2（172.5 kg/hm2）相結(jié)合的C2B2處理煙葉碳氮代謝過程較為協(xié)調(diào)，各項化學(xué)成分較為適宜，有利于提高瀏陽煙區(qū)烤煙G80的品質(zhì)，對該產(chǎn)區(qū)煙葉生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

關(guān)鍵詞：烤煙G80；種植密度；施氮量；碳氮代謝；煙葉品質(zhì)

中圖分類號：S572.04；S572.06??文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A??文章編號：1002-1302（2023）09-0082-06

基金項目：湖南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司項目（編號：202043000934135）。

作者簡介：黃?佳（1998—），女，湖南漣源人，碩士研究生，研究方向為農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)。E-mail：3540126533@qq.com。

通信作者：楊友才，博士，教授，研究方向為農(nóng)業(yè)生態(tài)和作物栽培。E-mail：820132479@qq.com。

碳氮代謝是煙株生長過程中最基礎(chǔ)的代謝過程，其代謝強(qiáng)度和協(xié)調(diào)程度對煙葉的化學(xué)組成與轉(zhuǎn)化起著至關(guān)重要的作用［1-2］。碳、氮代謝過程緊密聯(lián)系，它們共同作用于植株的生長發(fā)育。碳代謝為氮代謝供給能量與碳源，而氮代謝過程中所生成的酶、蛋白質(zhì)等物質(zhì)又用于碳代謝［3］。在適宜時間內(nèi)及時從氮代謝、碳的固定轉(zhuǎn)化代謝向碳的積累代謝過渡是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)煙葉的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［4］。烤煙碳氮代謝過程以及煙葉品質(zhì)的形成受光照、溫度、施肥等多種因素的影響。種植密度作為煙田管理中的重要栽培措施，它通過改變田間小氣候、群體光合效能以及煙株對水、肥等的利用狀況來影響烤煙碳氮代謝過程和煙葉品質(zhì)［5］。氮素是烤煙所需營養(yǎng)元素中限制其生長發(fā)育和品質(zhì)的首要因素［6-7］。氮肥施用不合理會造成碳氮代謝不平衡、煙葉品質(zhì)下降等不良后果，且會降低氮肥的利用率［8］。張嘉雯等研究發(fā)現(xiàn)，適宜的種植密度能增強(qiáng)煙葉碳氮代謝能力，提高煙葉化學(xué)品質(zhì)［9］。魯黎明等研究發(fā)現(xiàn)，氮肥施用量對煙葉氮代謝產(chǎn)物的含量、氮代謝關(guān)鍵酶基因的表達(dá)產(chǎn)生顯著影響，且含氮化合物的合成受施氮量調(diào)控［10］。凡聰?shù)妊芯堪l(fā)現(xiàn)，增加施氮量可以提高煙葉蔗糖轉(zhuǎn)化酶、硝酸還原酶以及谷氨酰胺合成酶的活性，降低烤后煙葉糖含量，提高總氮和煙堿含量［11］。

湖南省瀏陽煙區(qū)G80特色品種種植面積較大，是湖南省中煙特色原料供應(yīng)的主要基地，近年來，因生態(tài)環(huán)境變化、施肥不平衡、栽培管理精準(zhǔn)性不強(qiáng)等問題導(dǎo)致煙葉碳、氮代謝失衡，煙葉品質(zhì)較差，難以滿足高檔卷煙對特色原料的需求。目前，有關(guān)瀏陽煙區(qū)煙葉碳氮代謝的研究報道較少，且國內(nèi)外有關(guān)煙葉碳氮代謝的研究多是以氮肥或其他單一因子為主，而對種植密度與施氮量結(jié)合的研究甚少。因此，本研究以瀏陽煙區(qū)特色品種G80為材料，研究種植密度、施氮量對烤煙碳氮代謝關(guān)鍵酶活性及品質(zhì)的影響，旨在明確瀏陽煙區(qū)特色品種G80適宜的氮肥、密度調(diào)控栽培管理措施，為保障優(yōu)質(zhì)煙葉品質(zhì)特征和風(fēng)格特色提供理論依據(jù)。

1?材料與方法

1.1?試驗地點和材料

試驗于2021年在湖南省瀏陽市達(dá)滸鎮(zhèn)金田村進(jìn)行，供試煙田為水稻田，地勢平坦、肥力均勻、排灌便利。試驗土壤pH值4.83，有機(jī)質(zhì)含量 36.20 g/kg，全氮含量1.14 g/kg，堿解氮含量 148.40 mg/kg，全磷含量0.83 g/kg，速效磷含量 11.89 mg/kg，全鉀含量19.38 g/kg；速效鉀含量 364.80 mg/kg。供試品種為云煙G80。

1.2?試驗設(shè)計

采用雙因素裂區(qū)設(shè)計，種植密度為主區(qū)，施氮量為副區(qū)，種植密度設(shè)置為C1：15 151株/hm2（行距120 cm，株距55 cm）、C2：16 666株/hm2（行距 120 cm，株距50 cm）、C3：18 181株/hm2（行距 120 cm，株距45 cm）。施氮量設(shè)置為B1：150.0 kg/hm2、B2：172.5 kg/hm2、B3：195.0 kg/hm2。試驗共9個處理（表1），重復(fù)3次，小區(qū)面積 39.6 m2。于2021年3月12日移栽煙苗。不同處理每個小區(qū)施加等量基肥，然后按不同施氮量處理分別分3次施加追肥，試驗中所用肥料由當(dāng)?shù)責(zé)煵莨咎峁▽Ｓ锰撞头剩?，氮肥用量按套餐肥中氮肥含量比例折合調(diào)整，并按照規(guī)定的氮、磷、鉀比例，使用不含氮的磷鉀肥進(jìn)行補(bǔ)施，其他管理措施同當(dāng)?shù)貎?yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)技術(shù)要求進(jìn)行。

1.3?測定指標(biāo)與方法

1.3.1?碳氮代謝關(guān)鍵酶活性?于移栽后45、60、75、90 d選取各小區(qū)煙株8～10葉位的中部葉片，采集后立即用液氮冷凍，帶回實驗室置于-80 ℃冰箱內(nèi)儲存用于酶活測定。淀粉酶（AL）、硝酸還原酶（NR）、谷氨酰胺合成酶（GS）活性均采用試劑盒測定。

1.3.2?常規(guī)化學(xué)成分?選取各處理烤后中部煙葉進(jìn)行化學(xué)成分檢測。采用連續(xù)流動分析儀測定煙葉總糖、還原糖、煙堿、總氮、氯離子含量，采用火焰分光光度法測定鉀含量［12］。糖堿比指總糖含量與煙堿含量的比值，鉀氯比指鉀含量和氯離子含量的比值。

1.4?數(shù)據(jù)分析

使用 Excel 2019軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，用SPSS 22.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析，用Origin 2021軟件進(jìn)行繪圖。

2?結(jié)果與分析

2.1?種植密度和施氮量對烤煙淀粉酶活性的影響

由圖1可知，隨著生育期推進(jìn)各處理煙葉AL活性逐漸增加，移栽后75 d達(dá)峰值。隨種植密度增大，AL活性表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢。隨施氮量增加，煙葉AL活性均表現(xiàn)為B3>B2>B1處理。在相同種植密度下，移栽后45、75 d，B3處理AL活性顯著大于B1處理，B2、B3處理之間AL活性無顯著差異；移栽后60 d，B2、B3處理AL活性顯著大于B1處理。在相同施氮量下，移栽后45、90 d，C2、C3處理AL活性顯著高于C1處理，且C2、C3 處理之間酶活無顯著差異；移栽后75 d，C2處理AL活性顯著高于C1處理，C1、C3處理間AL活性無顯著差異。在種植密度和施氮量共同作用下，不同時期C2B2、C2B3、C3B3處理AL活性顯著較高，C1B1、C1B2、C3B1 AL活性較低。

2.2?種植密度和施氮量對烤煙硝酸還原酶活性的影響

由圖2可知，隨移栽時間推移，烤煙G80中部煙葉NR活性表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，移栽后 60 d 最大。在同一種植密度下，隨施氮量的增加，各處理NR活性升高，移栽后45、75、90 d，B1處理煙葉NR活性顯著低于B3處理，B2、B3處理之間NR活性無顯著差異；移栽后60 d，B2、B3處理NR活性顯著高于B1處理。在同一施氮量下，隨種植密度的增加，NR活性表現(xiàn)出先升后降的趨勢。移栽后45 d，C2、C3處理NR活性顯著高于C1處理；移栽后60、75、90 d，C2處理酶活顯著高于C1處理。在種植密度和施氮量影響下，整個生育期內(nèi)C2B3處理NR活性均較高，其次是C2B2、C3B3處理，C1B1處理NR活性顯著低于其他處理。整體上而言，C2B2處理前期NR活性較高，后期活性下降，但較為穩(wěn)定。

2.3?種植密度和施氮量對烤煙谷氨酰胺合成酶活性的影響

由圖3可知 各處理GS活性均在60 d達(dá)最大值，然后隨著生育期的推進(jìn)活性降低，結(jié)合NR活性表明前期是氮代謝的旺盛時期。在同一種植密度下，不同時期GS活性隨著施氮量的增加而增加，移栽后45、90 d，B1 處理GS活性顯著低于B2、B3處理；移栽后60、75 d，B1處理GS活性顯著低于B3處理。在同一施氮量下，GS活性表現(xiàn)為C2>C3>C1處理；移栽后45、60、90 d，C2處理GS活性顯著高于C1處理；移栽后75 d，C2處理GS活性顯著高于C1、C3處理，且C1、C3處理間GS活性無顯著差異。在種植密度和施氮量影響下，移栽后45、90 d，C1B1處理GS活性顯著較低，移栽后45、75、90 d C2B3處理GS活性最高，與C2B2處理間無顯著差異，但與其他處理間相比顯著較高。

2.4?種植密度和施氮量對烤后煙葉品質(zhì)的影響

由表2可知，種植密度和施氮量對烤后煙葉總糖、還原糖、煙堿、總氮、鉀含量、糖堿比調(diào)控主效應(yīng)均達(dá)顯著或極顯著水平，2個因素交互效應(yīng)對烤后煙葉氯離子、鉀含量產(chǎn)生顯著影響，對其他化學(xué)成分影響均不顯著。種植密度和施氮量對烤后煙葉鉀氯比無顯著影響。

一般認(rèn)為，優(yōu)質(zhì)煙葉化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)為：總糖含量為23%～29%，還原糖含量為18%～22%，煙堿含量為2.5%～3.0%，總氮含量為1.5%～3.5%，氯含量低于0.8%，鉀含量在2%以上，糖堿比為8～10，鉀氯比為4～10［13］。由表2可知，G80烤后煙葉總糖和還原糖含量隨施氮量的增加而降低，隨種植密度的增加而增加。煙葉總糖含量在25.51%～31.88%之間，還原糖含量在21.23%～24.29%之間。以C1B2、C1B3、C2B2、C2B3處理的總糖、還原糖含量較為適宜。煙堿含量隨種植密度的增加而降低，隨施氮量的增加而增加。煙葉煙堿含量在2.63%～3.78%之間，其中C2B1、C2B2、C3B1、C3B2處理的煙堿含量較為適宜，其余處理煙堿含量過高，會增強(qiáng)煙葉的刺激性。煙葉總氮含量隨種植密度的增加呈現(xiàn)出先增后降的趨勢，隨施氮量增加而增加。煙葉總氮含量偏低，在1.21%～1.45%之間，其中C2B2、C2B3處理的總氮含量顯著較高。煙葉氯離子含量和鉀含量在合適范圍內(nèi)，均以C2B2處理較高，其次是C1B2、C3B2處理。煙葉糖堿比隨種植密度增加而增加，隨施氮量增加而降低。煙葉糖堿比在6.77～12.24之間，以C1B1、C2B2、C3B3處理的煙葉糖堿比較為適宜。C2B2處理的煙葉鉀氯比最高，顯著高于C1B3、C2B1處理，與其他處理之間無顯著差異?？傮w上來看，C2B2處理烤后煙葉化學(xué)成分較為適宜。

2.5?煙葉碳氮代謝關(guān)鍵酶活性與烤后煙葉化學(xué)成分的相關(guān)性分析

由表3可知，移栽后60 d煙葉NR活性與烤后煙葉總糖含量呈顯著負(fù)相關(guān)；45、75 d GS活性及60、75 d NR活性與還原糖含量均呈顯著負(fù)相關(guān)；不同時期煙葉酶活性與總氮含量均呈極顯著正相關(guān)；90 d AL活性與氯離子含量、鉀含量呈顯著正相關(guān)，煙葉碳氮代謝酶活與烤后煙葉煙堿含量、鉀氯比、糖堿比之間均無顯著相關(guān)性。

2.6?烤后煙葉化學(xué)成分間的相關(guān)性分析

由表4可知，烤后煙葉總糖含量與還原糖含量呈極顯著正相關(guān)；總糖、還原糖含量與煙堿含量均呈極顯著負(fù)相關(guān)，與糖堿比呈極顯著正相關(guān)；煙堿含量與糖堿比呈極顯著負(fù)相關(guān)；總氮含量與其他煙葉化學(xué)成分之間的相關(guān)性不顯著；氯離子含量與鉀含量呈極顯著正相關(guān)；鉀含量與鉀氯比呈極顯著正相關(guān)。

3?討論與結(jié)論

AL是衡量煙葉碳代謝的關(guān)鍵指標(biāo)，它可將葉片中的淀粉轉(zhuǎn)化成單糖等物質(zhì)，從而調(diào)節(jié)葉片的淀粉積累量［14-16］。王冠等的研究表明，不同施氮水平下AL活性變化規(guī)律不一樣，低氮水平條件下，AL活性在整個生育期內(nèi)不斷上升，高氮水平條件下，AL活性呈現(xiàn)出先降后升的趨勢［17］。本研究結(jié)果表明，在煙株生長過程中，煙葉AL活性前期較低 隨著葉片的生長和成熟，AL活性不斷增強(qiáng)，移栽后75 d AL活性最高，后期AL活性下降，說明煙葉碳的合成積累代謝在后期逐漸增強(qiáng)，這與劉國順等的研究結(jié)果［18］相同。隨施氮量增加AL活性逐漸增強(qiáng)，表明增施氮肥能提高煙葉AL活性，且在煙葉成熟期，B3處理AL活性下降較快，相對來說B2處理AL活性下降較為緩慢，煙葉處于穩(wěn)定的碳代謝水平，對優(yōu)質(zhì)煙葉的形成更為有利，這與高琴等的研究結(jié)果［19］一致。在同一施氮量下，AL活性隨著種植密度增大表現(xiàn)出先升后降的趨勢，以C2處理AL活性較高，可能是C2處理種植密度下形成的田間小氣候較好，碳代謝強(qiáng)度增強(qiáng)，有利于碳水化合物的合成和轉(zhuǎn)化［9］。

NR和GS都是參與氮代謝過程的關(guān)鍵酶［20-21］。NR是氮代謝過程中氮素同化的限速酶，GS參與合成氨基酸［22］。Weybrew等的研究表明，在適當(dāng)?shù)乃趾褪┓蕳l件下，煙株開花期是煙葉從硝酸鹽還原代謝轉(zhuǎn)化為淀粉積累代謝的過渡期［23］。本研究結(jié)果表明，NR和GS活性在移栽后60 d達(dá)到峰值，隨著煙葉的成熟酶活性降低，表明煙葉生長前期氮代謝旺盛，后期氮代謝減弱，酶活下降，這與康雪莉等的研究結(jié)果［24］相同。煙葉NR和GS活性隨施氮量的增加而增加，表明增加施氮量能增強(qiáng)煙葉氮代謝水平，但氮肥施用量過少，煙葉酶活較低，氮代謝較弱，影響煙葉的正常生長發(fā)育；而氮肥施用量過高，煙葉NR和GS活性始終保持在較高水平，不利于氮代謝向碳代謝轉(zhuǎn)化，易造成煙葉晚熟、不易落黃等不良影響［25-26］。在相同施氮量下，NR和GS活性隨種植密度的增加呈現(xiàn)出先增后降的趨勢，可能是由于煙株在高密度種植下前期根系生長發(fā)育較弱，對氮的吸收和同化作用較小，導(dǎo)致氮代謝強(qiáng)度較弱［27］。C2處理種植密度下酶活較高，氮代謝過程較強(qiáng)，有利于煙葉的生長發(fā)育。

烤后煙葉的化學(xué)成分及其協(xié)調(diào)性與煙葉品質(zhì)緊密聯(lián)系?？竞鬅熑~總糖、還原糖、總氮、煙堿和氯離子含量可以衡量煙葉的香吃味，糖堿比反映煙葉酸堿平衡，鉀氯比影響煙葉燃燒性，這些都是決定煙葉品質(zhì)的重要指標(biāo)［28-29］。相關(guān)研究表明，種植密度和施氮量等因素對烤后煙葉品質(zhì)的形成有較好的調(diào)節(jié)作用［30-31］。夏玉珍等的研究表明，增加施氮量可以提高煙葉氮含量、降低糖含量［32］。本研究結(jié)果表明，在同一施氮量下，隨種植密度增大，總糖、還原糖、糖堿比增加，總氮含量呈先增后降的趨勢，這與高升的研究結(jié)果［33］一致。煙堿含量隨種植密度增大而降低，可能是因為植煙密度過大，田間溫度相對較低，濕度相對較高，煙堿的合成積累較少［34］。在同一種植密度下，隨施氮量增加，煙堿、總氮含量增加，總糖、還原糖含量減少，糖堿比下降，這與晏玲等的研究結(jié)果［35-36］一致，可能是因為增加施氮量，能夠有效促進(jìn)煙株對氮素的吸收，氮素同化作用增強(qiáng)，煙葉光合作用加強(qiáng)，煙葉碳固定和轉(zhuǎn)化代謝強(qiáng)度增大，糖分形式減弱。鉀、氯離子含量隨施氮量增加表現(xiàn)出先增后降的趨勢，說明適宜的施氮量可以提高烤后煙葉鉀、氯離子含量。

本研究相關(guān)性結(jié)果表明，不同時期煙葉碳氮代謝酶活性與烤后煙葉還原糖、總氮、鉀、氯離子含量之間存在顯著或極顯著相關(guān)性，說明煙株生長發(fā)育過程中碳氮代謝影響煙葉化學(xué)成分的轉(zhuǎn)化合成，且烤后煙葉各成分之間存在一定關(guān)聯(lián)性，它們共同影響烤后煙葉品質(zhì)的形成［24］。

種植密度和施氮量對烤煙G80碳氮代謝關(guān)鍵酶活性以及煙葉品質(zhì)均產(chǎn)生顯著影響。綜合來看，種植密度為16 666株/hm2，施氮量為172.5 kg/hm2組合的C2B2處理煙葉碳氮代謝關(guān)鍵酶活性較高，碳代謝與氮代謝轉(zhuǎn)化平衡，且烤后煙葉化學(xué)成分最為協(xié)調(diào)，可作為烤煙特色品種G80在瀏陽煙區(qū)種植的適宜氮密組合。

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