滴灌施氮對(duì)番茄氮代謝及水氮利用的影響

羅 慧，李伏生

（廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院，南寧530005）

水分和氮素在作物生長(zhǎng)中相互影響和制約[1,2]，水氮管理是否適宜可顯著影響作物體內(nèi)氮代謝的強(qiáng)弱和協(xié)調(diào)程度，進(jìn)而影響作物生育進(jìn)程。于坤等[3]研究表明，水分適宜時(shí)增施氮肥可提高葉片氮含量，并保持葉片硝酸還原酶(NR)和谷氨酰胺合成酶(GS)的高活性；李佳帥等[4]研究表明，水分適宜時(shí)葉片NR、GS 和谷氨酸合成酶活性及可溶性蛋白和游離氨基酸含量隨施氮量增加而提高，而重度干旱脅迫時(shí)高氮處理則降低葉片中氮代謝相關(guān)酶活性、游離氨基酸和可溶性蛋白含量；ZHONG等[5]研究也表明，NR和GS活性隨土壤相對(duì)含水量降低而降低，降低程度因水分脅迫強(qiáng)度和作物生長(zhǎng)階段不同而異，但隨土壤含水量提高而顯著提高。

交替滴灌（ADI）[6,7]對(duì)不同作物生長(zhǎng)、產(chǎn)量和品質(zhì)及水肥利用效率等的影響及其管理模式研究已取得較好的效果，如FU 等[8]結(jié)果表明，與常規(guī)滴灌相比，ADI降低耗水量，而水分利用效率提高32.3%，且提高氮肥農(nóng)藝效率；LUO 等[9]研究發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)滴灌相比，ADI能保持番茄產(chǎn)量，并提高水分利用效率8.9%～16.7%，ADI、30%N 肥作基肥、70%N 肥作滴灌追肥處理是番茄生產(chǎn)適宜水氮供應(yīng)模式；LIU 等[10]研究表明，ADI與氮肥灌溉相結(jié)合，促進(jìn)作物根系生長(zhǎng)，提高產(chǎn)量和水氮利用效率。然而，不同施氮水平下，交替滴灌對(duì)番茄水氮利用影響的研究尚有不足，且對(duì)番茄氮代謝的影響尚未明晰。本文旨在進(jìn)一步研究滴灌施氮對(duì)番茄氮代謝、水氮利用和干物質(zhì)量的影響，探討不同滴灌施氮條件下番茄氮代謝變化規(guī)律及適宜水氮供應(yīng)模式，以期為受區(qū)域性與季節(jié)性干旱制約生產(chǎn)的番茄優(yōu)化灌水施肥制度提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

盆栽試驗(yàn)于2014年10月至2015年2月在廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院教學(xué)基地網(wǎng)室進(jìn)行。供試土壤采自本校教學(xué)基地的赤紅壤，其土壤質(zhì)地為黏壤土，有機(jī)質(zhì)含量26.2 g/kg，pH 值5.6，堿解氮（N）45.9 mg/kg，速效磷（P）53.2 mg/kg，速效鉀（K）177.5 mg/kg，田間持水量（θf(wàn)）28.6%。供試品種：Solanum lycopersicum L，西大櫻紅1 號(hào)。N 肥用尿素（含氮46%），磷肥用磷酸二氫鉀（含P2O552%），鉀肥用硫酸鉀（含K2O 54%），鈣肥用碳酸鈣（含Ca 40%）。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在聚乙烯塑料桶（高23.5 cm、直徑30 cm）中進(jìn)行，為阻止根兩側(cè)水分交換，所有處理桶均用塑料膜從中間隔開，在塑料布上部中間剪個(gè)小“V”形缺口，用于移栽番茄苗。每桶兩邊各裝入9 kg土，共18 kg土。試驗(yàn)設(shè)3種滴灌方式和3個(gè)施氮水平，共9個(gè)處理，重復(fù)4次，共36盆，隨機(jī)區(qū)組排列。

3 種滴灌方式包括常規(guī)滴灌CDI（每邊各設(shè)一個(gè)滴頭灌水或施肥）；固定滴灌FDI（一個(gè)滴頭固定對(duì)一邊灌水或施肥）；交替滴灌ADI（每邊各設(shè)一個(gè)滴頭，每次只對(duì)一邊進(jìn)行灌水或施肥，下次對(duì)另一邊進(jìn)行灌水或施肥）。各時(shí)期CDI 處理滴灌水量參照王賀輝等[11]提出的番茄滴灌灌水指標(biāo)（苗期45%～55%θf(wàn)，開花坐果期55%～75%θf(wàn)，坐果?成熟期65%～85%θf(wàn)）進(jìn)行，F(xiàn)DI和ADI處理各時(shí)期滴灌水量按苗期36%～44%θf(wàn)、開花坐果期44%～60%θf(wàn)、坐果?成熟期52%～68%θf(wàn)進(jìn)行。

3 種施氮水平包括，N100：N 肥用量各為0.2 g/kg 土，N80：N 肥用量為N100的80%（0.16 g/kg 土），N60：N 肥用量為N100的60%（0.12 g/kg 土）。試驗(yàn)各處理30%N 作基肥土施，70%N 肥滴灌追施。各處理P2O5用量為0.1 g/kg 土，K2O 用量為0.3 g/kg土，Ca 用量為0.1 g/kg 土，全部P2O5、K2O 和Ca 肥與部分作基肥的N 肥裝盆時(shí)與土壤混勻；余下N 肥分別在苗期、開花期、果實(shí)膨大期和果實(shí)成熟期按設(shè)計(jì)比例作滴灌施肥，見表1。

試驗(yàn)于2014年10月15日移栽番茄苗，2014年11月2日至2015年2月6日進(jìn)行滴灌控水施肥處理；根據(jù)天氣情況和植株長(zhǎng)勢(shì)，所有處理每隔1～2 d 于下午稱量桶質(zhì)量，用水量平衡法確定各處理所需灌水量并記錄，總灌水量見表1。不加N 肥時(shí)，灌水量用量筒量取后注入模擬滴灌系統(tǒng)（為輸液吊袋，袋下部有出口接頭，接頭鏈接1 根塑料主管，主管上連接2 根帶滴頭的軟塑料分管，滴頭呈錐體狀），吊掛在距土面1.8 m處，以滴速為0.6 L/h 滴入土壤中。加N 肥時(shí)，事先按試驗(yàn)設(shè)計(jì)配好N肥溶液，按上述方法進(jìn)行滴灌追施處理。2015年2月10日試驗(yàn)結(jié)束。

表1 番茄不同施氮水平和灌水量Tab.1 Different nitrogen rates and irrigation amount for tomato

1.3 樣品采集與測(cè)定

采取番茄果實(shí)膨大期和果實(shí)成熟期的功能葉片，一部分用液氮迅速冷凍，存放于?80 ℃冰箱，用于測(cè)定硝酸還原酶（NR）和谷氨酰胺合成酶（GS）活性；另一部分帶回實(shí)驗(yàn)室立刻測(cè)定可溶性蛋白質(zhì)、游離氨基酸和硝態(tài)氮含量。NR和GS含量的測(cè)定參照孔祥生和易現(xiàn)峰[12]方法，可溶性蛋白質(zhì)含量用考馬斯亮藍(lán)法測(cè)定[12]，游離氨基酸含量用茚三酮比色法測(cè)定[12]，硝態(tài)氮含量的測(cè)定按照孔祥生和易現(xiàn)峰[12]方法測(cè)定。

收獲后采集番茄根系和地上部（包括番茄莖、葉和所有果實(shí)）于90 ℃殺青30 min 后，65 ℃烘至恒質(zhì)量，稱其干物質(zhì)量。收獲番茄地上部分后稱每桶質(zhì)量，扣除原土壤質(zhì)量和毛重，剩余部分為最后未消耗水分，把每次灌水量相加再減去最后未消耗的水分，即為總耗水量。因本試驗(yàn)番茄的總干物質(zhì)量包括根系、莖、葉和所有果實(shí)干物質(zhì)量，水分利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力的計(jì)算則以總干物質(zhì)量為基礎(chǔ)。計(jì)算公式如下：

1.4 用灰色關(guān)聯(lián)度分析法分析番茄總干物質(zhì)量與氮代謝指標(biāo)之間關(guān)系

灰色關(guān)聯(lián)度分析是反映構(gòu)成該指標(biāo)系統(tǒng)的各性狀組成的比較數(shù)列和參考數(shù)列間的密切程度，關(guān)聯(lián)度越大，說(shuō)明兩者間變化的勢(shì)態(tài)越接近，相互關(guān)系越密切[13,14]。番茄總干物質(zhì)量與氮代謝指標(biāo)之間關(guān)系用灰色關(guān)聯(lián)度分析法進(jìn)行分析，公式如下[13,14]。

關(guān)聯(lián)系數(shù)：

關(guān)聯(lián)度：

式中：ξi(k)為Xi對(duì)X0在k點(diǎn)的關(guān)聯(lián)系數(shù)；p為灰色關(guān)聯(lián)的分辨系數(shù)（一般取0.5）；為2級(jí)最小差的絕對(duì)值，為2級(jí)最大差的絕對(duì)值。

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2010 和SPSS 19.0 軟件進(jìn)行分析，多重比較用Duncan 法，處理之間字母不同表示差異顯著（P<5%），處理之間字母相同均表示差異不顯著（P>5%）；并用灰色關(guān)聯(lián)度分析法分析番茄總干物質(zhì)量與氮代謝指標(biāo)之間關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮代謝相關(guān)指標(biāo)

圖1表明，與CDI 相比，N100下ADI 果實(shí)膨大期和成熟期葉片硝態(tài)氮含量分別提高25.9%和17.3%，N80下ADI果實(shí)成熟期葉片硝態(tài)氮含量提高16.4%；N80下ADI果實(shí)成熟期葉片可溶性蛋白質(zhì)含量提高16.1%；N100下FDI 顯著降低果實(shí)成熟期葉片游離氨基酸和可溶性蛋白質(zhì)含量；各施氮水平（N100、N80和N60，下同）下，ADI 不顯著提高或降低番茄葉片游離氨基酸含量、NR 和GS 活性；FDI 不顯著提高或降低番茄葉片硝態(tài)氮含量、NR 和GS 活性。不同施氮水平間比較，各滴灌方式（CDI、ADI、FDI，下同）下，果實(shí)膨大期葉片硝態(tài)氮、可溶性蛋白質(zhì)、游離氨基酸含量以N100最高，而NR 和GS 活性以N80最高；ADI 下果實(shí)成熟期葉片硝態(tài)氮含量、NR 和GS 活性以N100最高，而可溶性蛋白質(zhì)和游離氨基酸含量以N80最高。

圖1 不同滴灌方式和施氮水平對(duì)番茄葉片氮代謝指標(biāo)的影響Fig.1 Effect of drip irrigation method and N fertilization level on leaf nitrogen metabolism-related indicators

2.2 水氮利用

圖2表明，與CDI相比，各施氮水平下，ADI的WUE提高3.2%～11.8%，但與CDI 的WUE差異不顯著；FDI 不顯著提高或降低WUE；ADI和FDI能保持氮肥偏生產(chǎn)力。各施氮水平間比較，各滴灌方式下WUE以N80最高，氮肥偏生產(chǎn)力以N60最高。

圖2 不同滴灌方式和施氮水平對(duì)番茄水氮利用的影響Fig.2 Effect of drip irrigation method and N fertilization level on tomato water and nitrogen use

2.3 干物質(zhì)積累

圖3表明，各施氮水平下，與CDI 相比，ADI 和FDI 地上部干物質(zhì)量、根干物質(zhì)量和總干物質(zhì)量提高或降低不顯著。各施氮水平間比較，ADI 下地上部干物質(zhì)量和總干物質(zhì)量以N80最高，而根干物質(zhì)量以N100最高；FDI 和CDI 下地上部干物質(zhì)量和總干物質(zhì)量以N100最高，而根干物質(zhì)量分別以N100和N80最高。

圖3 不同滴灌方式和施氮水平對(duì)番茄干物質(zhì)積累的影響Fig.3 Effect of drip irrigation method and N fertilization level on tomato dry mass accumulation

2.4 干物質(zhì)量與氮代謝指標(biāo)之間的關(guān)系

圖4對(duì)番茄總干物質(zhì)量與氮代謝指標(biāo)進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果表明，番茄總干物質(zhì)量與果實(shí)膨大期葉片氮代謝指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度大小表現(xiàn)為：可溶性蛋白質(zhì)＞GS＞NR＞游離氨基酸＞硝態(tài)氮含量?？偢晌镔|(zhì)量與可溶性蛋白質(zhì)的關(guān)聯(lián)度最高，GS和NR次之，說(shuō)明這3個(gè)指標(biāo)對(duì)干物質(zhì)積累影響較大。

圖4 不同滴灌方式和施氮水平下番茄總干物質(zhì)量與氮代謝指標(biāo)（果實(shí)膨大期）的關(guān)聯(lián)度Fig.4 The incidence of dry mass and nitrogen metabolism-related indicators(fruit enlarging stage)under different drip irrigation methods and N fertilization levels

3 討 論

（1）滴灌方式和施氮水平對(duì)番茄氮代謝指標(biāo)的影響。氮代謝為番茄生長(zhǎng)發(fā)育提供物質(zhì)基礎(chǔ)，NR 是氮代謝同化硝態(tài)氮關(guān)鍵酶，其活性高低對(duì)作物氮素代謝的強(qiáng)弱起關(guān)鍵作用[15]；GS 是氮代謝氨態(tài)氮同化主要酶系[16]；游離氨基酸是氮代謝中間產(chǎn)物，可溶性蛋白質(zhì)作為氮代謝的最終產(chǎn)物，它們的合成是在NR 和GS 等酶的共同催化下完成的[15,16]；硝態(tài)氮是作物體內(nèi)最安全且最易運(yùn)輸?shù)牡刭A存形態(tài)[17,18]。適宜的水氮管理可提高作物葉片氮代謝關(guān)鍵酶活性和相關(guān)物質(zhì)含量，為作物增產(chǎn)調(diào)質(zhì)奠定基礎(chǔ)[19?21]。本試驗(yàn)結(jié)果也表明，與CDI相比，N80下ADI提高果實(shí)成熟期葉片硝態(tài)氮和可溶性蛋白質(zhì)含量，保持葉片游離氨基酸含量、NR和GS活性，說(shuō)明交替滴灌條件下，合理減量施氮不影響番茄氮代謝。

（2）滴灌方式和施氮水平對(duì)番茄水氮利用的影響。ADI能提高或保持作物水、氮利用效率。劉學(xué)娜等[22]結(jié)果表明，減量施氮下ADI 可保證黃瓜生長(zhǎng)、產(chǎn)量和品質(zhì)的同時(shí)顯著提高WUE和氮肥利用效率；ZHAO 等[23]結(jié)果表明，即使ADI灌溉定額降至中等水平（51.6 mm），但番茄水分利用效率提高31.8%～32.7%。本試驗(yàn)結(jié)果也表明，與CDI 相比，ADI 提高WUE，但與CDI 差異不顯著，且保持了氮肥偏生產(chǎn)力。不同施氮水平間比較，ADI下WUE以N80最高，說(shuō)明N80和ADI結(jié)合WUE較好，可能原因?yàn)檫m宜的水氮管理促進(jìn)番茄根系發(fā)育，提高根系的吸水吸肥能力，施氮調(diào)水和灌水調(diào)氮的作用較好。

（3）滴灌方式和施氮水平對(duì)干物質(zhì)量的影響。干物質(zhì)量可為作物是否高產(chǎn)的一個(gè)基本指標(biāo)，因?yàn)樽魑餇I(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段所積累的干物質(zhì)量控制著產(chǎn)量，綠色部分長(zhǎng)勢(shì)好可為籽?；蛸A藏組織提供充足的光合產(chǎn)物[24]。大量研究結(jié)果表明，交替灌溉能提高或保持作物干物質(zhì)量或產(chǎn)量[25?27]。與CDI相比，N80下ADI也保持番茄根系、地上部和總干物質(zhì)量，說(shuō)明ADI處理既達(dá)到節(jié)水目的又不影響番茄干物質(zhì)量的積累，是一種有效的節(jié)水灌溉方式。施用氮肥有利于干物質(zhì)量積累和產(chǎn)量的形成，作物產(chǎn)量隨著施氮水平的增加而提高，但施氮水平過(guò)高作物產(chǎn)量則提高不明顯或降低[28]。本試驗(yàn)中，ADI下地上部干物質(zhì)量、總干物質(zhì)量以N80最高。說(shuō)明ADI和N80結(jié)合更有利于提高番茄干物質(zhì)量積累。

此外，總干物質(zhì)量與葉片可溶性蛋白質(zhì)含量、NR和GS活性關(guān)聯(lián)度較高，說(shuō)明干物質(zhì)量與葉片可溶性蛋白質(zhì)含量、NR和GS 活性關(guān)系較為密切，葉片可溶性蛋白質(zhì)含量、NR 和GS活性變化對(duì)干物質(zhì)量影響較大。

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）與CDI 相比，ADI 保持番茄葉片游離氨基酸含量、NR 和GS 活性；N80下ADI 果實(shí)成熟期葉片硝態(tài)氮和可溶性蛋白質(zhì)含量分別提高16.4%和16.1%；各滴灌方式下，果實(shí)膨大期葉片硝態(tài)氮、可溶性蛋白質(zhì)、游離氨基酸含量以N100最高，而NR和GS活性以N80最高。

（2）與CDI 相比，ADI 和FDI 保持WUE、氮肥偏生產(chǎn)力和干物質(zhì)量；各施氮水平間比較，ADI 下WUE、地上部干物質(zhì)量和總干物質(zhì)量以N80最高，而氮肥偏生產(chǎn)力以N60最高。

（3）總干物質(zhì)量與葉片可溶性蛋白質(zhì)含量、NR和GS活性關(guān)聯(lián)度較高。

因此，ADI?N80，即交替滴灌?N80既有利于改善番茄氮代謝，又保持了番茄WUE、氮肥偏生產(chǎn)力和干物質(zhì)量，為最適宜水氮供應(yīng)模式。