施氮量對‘馬瑟蘭’葡萄葉片糖代謝的影響

張娟，王玉安，2

(1.甘肅農業大學園藝學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省農業科學院林果花卉研究所，甘肅 蘭州 730070)

氮是植物生長發育過程中需求量最多、最不可替代的重要營養元素[1]，很多研究發現，大多數植物氮素營養和水分的有效利用[2]，礦質元素養分的吸收[3]，激素變化水平[4]，生物量的分配[5]以及光合效應[6-7]等最終通過施用的不同氮源物質來調節植物的生長、品質和產量.氮素是果樹生長發育過程中必需礦質元素中的核心元素，也是果樹生長發育的物質基礎，同時氮是植物體內含氮有機物質的重要組成部分[8]，如蛋白質、核酸、磷脂、酶和激素等.在果樹生長過程中，進行細胞的分裂需要充足的氮，樹體器官的分化、形成與氮素供應水平密切相關.近年來對氮素營養代謝的研究表明，氮肥的施用量與果樹生長發育、果樹的產量與品質息息相關，而施用適量氮肥與葉片光合速率、光合葉面積呈正相關[9].孫聰偉等[10]研究表明，適量氮肥顯著增加植株葉片含氮量、葉綠素水平、干物質量以及產量，同時有研究發現，氮素對花芽分化進程有促進作用，可以有效的提高座果率[11]，相反，氮肥施用過量，可能致使樹體營養生長過旺、成齡樹樹冠郁閉、坐果率明顯降低和產量下降等[12]問題.因此，探究果樹的最適氮量，是合理調節果樹生長發育重要途徑.

人們通過施用氮肥來提高葡萄的產量與品質.氮肥在一定程度上促進了我國葡萄產量的穩步提升，但也造成了葡萄生產對氮肥很強的依賴性.目前，我國葡萄種植過程中氮肥的施用問題仍然存在很多爭議，如施氮量偏高、施肥時期不合理等[13].研究表明，雖然葡萄生產中的氮肥在逐年增加，但產量卻逐漸降低[14]，導致這一現象的主要原因是氮肥利用率的降低.研究發現，葡萄葉片糖含量以及相關代謝酶活性對釀酒葡萄的品質和產量影響顯著，而氮是影響葡萄葉片糖代謝的主要元素[15-16].本試驗，研究不同施氮量下‘馬瑟蘭’葡萄葉片淀粉、糖積累以及相關酶活性的變化規律，探討該品種生長所需的最適施氮量，為優質高效生產提供理論和依據.

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗以‘馬瑟蘭’葡萄為材料，于2019年4月在甘肅武威林業科學院試驗基地開展.該基地為堿性沙壤土，土層深厚，土質疏松.年降雨量182 mm，蒸發量2 105.8 mm，年平均日照時數2 720.5 h，≥10 ℃的有效積溫3 060 h，年平均氣溫7.1 ℃，無霜期172 d.生長期光照充足，降雨少，晝夜溫差大.土壤pH值為8.1，有機質含量0.85%，速效氮、磷、鉀含量分別為0.85 g/kg、20、120 mg/kg.采用單蔓籬架栽培，株行距1 m×3 m，管理水平中上.

1.2 試驗設計與取樣方法

1.2.1 試驗設計 選取長勢基本一致的‘馬瑟蘭’葡萄植株，采用隨機區組設計，小區面積約24 m2，每小區8株，重復3次.不同施氮量設計：采用尿素(總氮≥46.4%，中國石油天然氣蘭州石化分公司生產)作為氮肥，設5個處理：N0:0 kg/hm2；N1:150 kg/hm2；N2:300 kg/hm2；N3:450 kg/hm2；N4:600 kg/hm2.

根據各生育期需肥特點，施肥比例如下，萌芽前(出土后第1次灌水)30%、花序分離期30%、開花前10%、果實第1次膨大期20%和果實第2次膨大期10%.在距離葡萄植株40 cm、深40 cm處施入，具體施肥量見下表1.

試驗處理后，加強樹體管理，及時綁蔓、摘心、去除副稍，同時加強病蟲害防治.

表1 不同生育期氮肥施用比例及小區施氮量

1.2.2 取樣方法 選擇花前5 d、花后20、50、90 d進行采樣，摘取葉片主梢中上部4～5片葉，置于冰盒中帶回實驗室，進行相關測定.

1.3 指標測定方法

可溶性糖含量的測定采用蒽酮比色法[17]；淀粉含量測定參照李小芳[18]的方法；蔗糖合成酶(SS)和蔗糖磷酸合成酶(SPS)活性的測定，參照高俊鳳[19]的方法；淀粉酶活性測定參照李如亮[20]的方法.

1.4 數據處理

采用Excel 2013和SPSS 19軟件進行數據整理和統計數據，運用Duncan新復極差法進行差異顯著性分析.

2 結果與分析

2.1 不同氮素水平對葡萄葉片生長過程中淀粉含量的影響

從圖1可以看出，‘馬瑟蘭’葡萄葉片生長過程中淀粉含量變化呈先上升后下降的趨勢.花后20 d CK的葉片淀粉含量達到最大值35.41 mg/g，不同施氮量下葉片中淀粉含量在花后50 d達到最高值，分別為27.33、46.97、56.25、40.48、33.52 mg/g，較CK推遲了30 d，說明不同氮肥處理延遲了淀粉的合成與降解時間.花后20 d時，各氮素處理淀粉含量的排序為CK>N2>N3>N4>N1，與CK差異顯著(P<0.05)，說明花后20 d氮素處理的淀粉還處于合成階段；花后50 d時，各處理淀粉含量依次是N2>N1>N3>N4>CK，與CK差異顯著(P<0.05).

2.2 不同氮素水平對葡萄葉片生長過程中可溶性糖含量的影響

從圖2可以看出，隨著葡萄生長發育，葉片中的可溶性糖含量逐漸上升，N2處理的葉片中可溶性糖含量花后90 d達到最大，為15.35 mg/g；N1處理在花后50 d和花后90 d葉片可溶性糖含量顯著升高，

不同小寫字母表示相同時期處理之間差異顯著性；AB,AA分別代表花前，花后.Different lowercase letters showed significant differences between treatments in the same period；AA and AB represent before and after bloom respectively.圖1 不同氮素水平對葡萄葉片生長過程中淀粉含量的影響Figure 1 Effects of different nitrogen levels on starch content in grape leaf growth

不同小寫字母表示相同時期處理之間差異顯著性；AB,AA分別代表花前，花后.Different lowercase letters showed significant differences between treatments in the same period；AA and AB represent before and after bloom respectively.圖2 不同氮素水平對葡萄葉片生長過程中可溶性糖含量的影響Figure 2 Effects of different nitrogen levels on the soluble sugar content in grape leaf growth

與花前5 d相對照，分別增加了6.02、7.14 mg/g；各個時期N4處理的葡萄葉片可溶性糖含量分別是6.13、8.55、11.72和13.36 mg/g，與CK差異不顯著.同一時期N2可溶性糖含量與N4和CK顯著差異(P<0.05).N4降低了葉片中可溶性糖含量，而其它處理提高了葉片中可溶性糖含量，說明不同水平氮肥對葡萄葉片中可溶性糖含量的積累有不同的影響，適量的氮肥有利于可溶性糖的積累.

2.3 不同氮素水平對葡萄葉片生長過程中蔗糖代謝酶活性的影響

從圖3得知，隨著葡萄葉片生長發育，SS(蔗糖合成酶)活性呈下降趨勢，不同氮素處理后，N2處理的葉片SS活性最大，且與對照差異顯著(P<0.05).在各個時期，N4處理的葉片中酶活性變化與CK相對照，SS活性分別下降了2.34、7.52、5.15和7.76 mg/(g·h)，說明氮肥施用量較大時，SS酶活性會明顯下降.花前5 d不同氮肥處理的SS活性分別是384.32、386.17、388.94、384.76 mg/(g·h)，此時期SS活性最高，與CK相比，花后20 d不同水平氮肥處理間顯著差異(P<0.05).

不同小寫字母表示相同時期處理之間差異顯著性；AB,AA分別代表花前，花后.Different lowercase letters showed significant differences between treatments in the same period；AA and AB represent before and after bloom respectively.圖3 不同氮素水平對葡萄葉片生長過程中SS活性的影響Figure 3 Effects of different nitrogen levels on SS activity during the growth of grape leaves

從圖4看出，葉片中SPS(蔗糖磷酸合成酶)活性前期較低，在花后20 d后逐漸升高，直到花后50 d達到最高峰，此后略有下降.花后20 d以后，不同處理葉片中SPS酶活性變化排序：N2>N1>N0>N3>N4，N2處理的葉片SPS活性最強.從圖4還可以發現，不同時期不同水平氮肥處理間與CK相比，差異不顯著.花后20 d施用450、600 kg/hm2氮肥時，葡萄葉片中SPS活性明顯下降，與CK相對照，分別下降了3.51、5.53 mg/(g·h).綜合以上，說明施用過量的氮肥會降低葉片中SPS和SS活性.

不同小寫字母表示相同時期處理之間差異顯著性；AB,AA分別代表花前，花后.Different lowercase letters showed significant differences between treatments in the same period；AA and AB represent before and after bloom respectively.圖4 不同氮素水平對葡萄葉片生長過程中SPS活性的影響Figure 4 Effects of different nitrogen levels on SPS activity in grape leaf growth

2.4 不同氮素水平對不同生長時期葡萄葉片淀粉酶活性的影響

從圖5～6可以看出，葡萄葉片生長過程中α-淀粉酶和β-淀粉酶活性呈上升趨勢，并且在整個葉片生長過程中，α-淀粉酶的活性比β-淀粉酶高，花后90 d兩者活性略有下降.花后20 d后不同水平氮肥處理下，β-淀粉酶的活性明顯提高；花后50 d N2處理的葉片酶活性達到最大值為0.09 U/mL，與CK差異顯著(P<0.05).同一時期N1和N4氮肥處理與CK相比，差異不太明顯.從圖6中得知，花后20 d除N4外不同氮肥處理葉片中α-淀粉酶的活性與CK差異顯著，各處理間酶活性的變化順序：N2>N3>N1>N0>N4，說明施用300 kg/hm2氮肥最有利于提高葡萄葉片中淀粉酶活性，施用600 kg/hm2氮肥會降低淀粉酶活性.花后50 d不同水平氮肥處理下α-淀粉酶變化量分別為0.18、0.21、0.25、0.22、0.17 U/mL，N2、N3與CK差異顯著(P<0.05).

圖5～6說明施用300 kg/hm2的氮肥，可以提高α-淀粉酶和β-淀粉酶的活性，施用過量的氮肥，α-淀粉酶和β-淀粉酶的酶活性會降低.適宜的氮肥濃度對葡萄葉片中酶活性的變化有顯著影響，同時會提高葉片中的酶活性.

不同小寫字母表示相同時期處理之間差異顯著性；AB,AA分別代表花前，花后.Different lowercase letters showed significant differences between treatments in the same period；AA and AB represent before and after bloom respectively.圖5 不同氮素水平對不同生長時期葡萄葉片β-淀粉酶活性的影響Figure 5 Effects of different nitrogen levels on the activity of grape leaves in different growth stages

2.5 不同生育期葉片各指標相關性

從表2～5中可看出，葡萄葉片可溶性糖含量與α-淀粉酶呈極顯著正相關，相關系數分別是0.991、0.952、0.964和0.924(P<0.01)，但與淀粉相關性不顯著，淀粉與α-淀粉酶以及SS與SPS呈顯著負相關，由此說明隨著葡萄葉片生長過程中可溶性糖積累，α-淀粉酶活性提高，葉片中淀粉含量增加.

不同小寫字母表示相同時期處理之間差異顯著性；AB,AA分別代表花前，花后.Different lowercase letters showed significant differences between treatments in the same period；AA and AB represent before and after bloom respectively.圖6 不同氮素水平對不同生長時期葡萄葉片α-淀粉酶活性的影響Figure 6 Effects of different nitrogen levels on the activity of grape leaves in different growth stages

表2 花前5 d各指標相關性系數矩陣

表3 花后20 d各指標相關性系數矩陣

表4 花后50 d各指標相關性系數矩陣

表5 花后90 d各指標相關性系數矩陣

3 討論

氮是植物生長發育必需的生命元素之一，適宜施氮量促進葡萄生長發育和新陳代謝起著非常重要的作用[21].綠色植物白天進行光合作用，產生相應的同化產物在蔗糖和淀粉之間進行分配運輸，蔗糖是光合產物的主要運輸和貯存形式，可以為植物生長發育提供能量[22]，在白天起作用，淀粉具有暫貯功能，夜晚給植物提供能量.本研究結果表明，施用氮肥可以提高葉片中可溶性糖和淀粉含量，這與溫志靜[23]的研究結果相似，可能是由于施氮肥能提高葡萄葉片中葉綠素含量，符合果樹生長過程中葉片糖含量變化規律.隨著不同氮肥處理，同一時期不同氮素水平處理下，N2的葡萄葉片可溶性糖含量最高，與CK差異顯著，N4處理下可溶性糖含量與CK差異不顯著，說明施用過多的氮肥并不會促進可溶性糖含量一直增加，這與李春輝[24]的研究結果相同.本研究還發現，施氮處理后葡萄葉片中淀粉含量變化呈先上升后下降的趨勢，同時不同水平施氮處理延長了淀粉的合成和降解的時間，300 kg/hm2氮素處理提高了α-淀粉酶和β-淀粉酶活性，這與李鵬程[25]的研究結果相似，葡萄生長發育前期淀粉含量較少，中期含量明顯提高，生長后期逐漸降解，這有可能是因為淀粉的合成需要很多酶的參與，使新合成的淀粉迅速的轉化為葡萄糖，也是一個復雜的生化過程.

SS和SPS作為控制葡萄葉片酶活性的關鍵酶[26]，也是催化植物細胞中蔗糖合成的重要酶.本研究中，不同處理SS活性呈下降趨勢，花后50 d以前適量濃度的氮素對SS活性的影響較大，與CK相差異顯著，這與劉麗媛[27]的研究結果相同，可能因為SS在葉片生長前期活性較高，分解產生較多的尿苷二磷酸葡萄糖(UDPG)用于植物葉片中細胞生命基礎物質的合成，在葡萄生長后期對UDPG的需求量較少，因此SS活性較低.隨著葉片的生長發育，SPS參與葉片中蔗糖的合成，并且SPS是葉片中蔗糖重新合成的控制點，施用適量氮肥提高了SPS酶活性，SPS酶活性在葡萄葉片生長后期出現高峰值，蔗糖含量也會隨著升高.

大量研究表明，合理施用氮肥可以調控土層中水分的分布和運動，提高葡萄根系對水分利用效率[28-29]，有利于葉片水分與礦質元素的運輸與利用，可以維持地上部分與地下部分營養的平衡.而過量的施用氮肥，會間接導致土壤控肥率下降[30]，造成地上部分生長過旺，從而影響葡萄葉片糖含量及酶活性偏高，導致生長后期果實充實率下降[31].由此說明通過合理優化施氮量可實現葡萄對氮肥和水分利用效率的提高.