环境温度对普通白菜硝酸盐含量、土壤硝态氮及氮代谢关键酶活性的影响

张春来 杨 芸 徐卫红迟荪琳 王卫中 李彦华 李 桃

环境温度对普通白菜硝酸盐含量、土壤硝态氮及氮代谢关键酶活性的影响

张春来 杨 芸 徐卫红*迟荪琳 王卫中 李彦华 李 桃

（西南大学资源环境学院，重庆 400715）

在人工气候培养箱条件下，采用土培试验研究了不同温度（5、15、25 ℃）对2个普通白菜品种（低富集硝酸盐的揭农4号、高富集硝酸盐的香港特选）生物量、硝酸盐含量、氮代谢关键酶活性以及土壤硝态氮含量、植物-土壤氮代谢关键酶活性的影响。结果表明：15 ℃是2个普通白菜品种最适生长温度，香港特选和揭农4号的地上部干质量较5 ℃处理分别增加了23.2%和26.8%。随着温度的升高，香港特选和揭农4号叶片硝酸盐含量显著增加；与5 ℃处理相比，15、25℃处理的硝酸盐含量分别增加了15.0%、18.3%和6.7%、16.7%。与5 ℃处理相比，15、25 ℃处理的香港特选和揭农4号叶片硝酸还原酶（NR）活性增强；亚硝酸还原酶（NiR）活性和土壤脲酶活性先增加后降低；谷氨酸合成酶（GOGAT）活性总体呈下降趋势；土壤硝酸还原酶活性先下降后上升。随温度的升高，香港特选土壤NO3--N含量逐渐升高，而揭农4号土壤NO3--N含量则显著降低。3种温度处理下，揭农4号叶片和叶柄中硝酸盐含量均低于香港特选。

普通白菜；环境温度；硝酸盐；氮代谢关键酶；土壤硝态氮蔬菜是一种易富集硝酸盐的作物，尤其是叶菜类蔬菜。业已证明蔬菜是人体摄入硝酸盐的主要来源，其贡献率高达72%～94%（Archer，2002；陈永勤 等，2016）。影响蔬菜中硝酸盐积累的因素很多，如蔬菜种类及品种、温度、光照强度和光照时间、湿度、氮肥等（陈永勤 等，2016）。温度对蔬菜硝酸盐积累的直接影响主要体现在其影响蔬菜对硝酸盐的吸收、运转和同化过程。一般情况下，植株体内的硝酸盐含量随温度的升高而增加，但高温对硝酸盐积累有一定的抑制作用。不同温度条件下，无论施氮情况如何，在5～25 ℃范围内菠菜中的硝酸盐含量随温度的升高而增加，高于25℃后菠菜中的硝酸盐含量反而降低（郭丽娜 等，2005）。黄建国和袁玲（1996）研究表明，蔬菜硝酸盐含量与温度之间呈负相关关系。也有研究认为甜菜硝酸盐含量在温度从8 ℃急升到32 ℃时大大降低，当温度从35 ℃缓慢降低到17 ℃时硝酸盐含量却未发生变化（Zandstra & Lampe，1983）。由此可见，蔬菜硝酸盐积累与温度的关系十分复杂，了解温度对硝酸盐积累的影响规律、探究温度与其他因素的相互影响，对于降低蔬菜中硝酸盐积累有着十分重要的意义（郭丽娜 等，2005）。此外，蔬菜中的NO3-主要是通过根系吸收土壤溶液中的NO3，进而在体内积累（邢肖毅 等，2012；彭亚静 等，2015）。因此，土壤中NO3--N含量也直接影响蔬菜硝酸盐的含量（Gruda，2005）。

氮代谢是植物最基本的物质代谢过程之一，不仅影响作物的正常生长发育，而且在生命活动中具有特殊作用（Scheible et al.，2004；宁书菊 等，2009；刘晓静 等，2015）。环境中的NO3-需通过硝酸还原酶（NR）和亚硝酸还原酶（NiR）作用还原成NH4才能被植物体直接利用（杜永成 等，2012）。硝酸还原酶是植物氮代谢过程中的一种重要的光诱导酶，存在于高等植物根、叶的细胞质中，催化NO3-转化生成NO2的过程，可直接调节NO3-的还原和硝酸盐含量（刘丽 等，2004）。与植物体内硝酸盐积累有关的酶还包括谷氨酰胺合成酶（GS）和谷氨酸脱氢酶（GDH）等。谷氨酰胺合成酶是高等植物氨同化的关键酶，在植物氮代谢中起着重要的作用（王云华 等，2004），高等植物体内95%以上的NH4+通过谷氨酰胺合成酶/谷氨酸合成酶（GS/GOGAT）循环同化形成氨基酸，氨基酸是植株体内氮化物的主要存在方式和运输形式（Oliveira et al.，2001）。谷氨酸脱氢酶是连接碳代谢和氮代谢的一个关键酶，在氨基酸代谢中发挥重要作用，目前已知的谷氨酸脱氢酶有两种：一种是依赖于NADP+的谷氨酸脱氢酶，参与α-酮戊二酸和氨同化生成谷氨酸；另一种是依赖于NAD+的谷氨酸脱氢酶，参与谷氨酸的分解代谢产生氨和α-酮戊二酸（田喜梅 等，2016）。

相比露地栽培，设施栽培蔬菜受季节和气温等影响小、产量高、效益好，可以调剂四季的蔬菜品种，提高人民的生活水平，成为蔬菜生产的重要方式之一（陈永 等，2013；范庆峰 等，2014；刘苹，2014）。普通白菜〔Brassica campestirs L. spp.chinensis（L.）Makino var. communis Tsen et Lee〕是常见的十字花科芸薹属植物，其生产周期短、产量高，是我国南方居民冬春季喜食的主要绿叶蔬菜之一（迟荪琳 等，2015；束胜 等，2017）。研究显示，蔬菜中硝酸盐含量较高，尤其叶菜类蔬菜具有更高的硝酸盐积累（张登晓 等，2014），目前有关环境温度对普通白菜硝酸盐含量与土壤硝态氮及氮代谢关键酶活性相关的研究报道较少。本试验选取低富集硝酸盐的揭农4号和高富集硝酸盐的香港特选为试材，通过人工气候培养箱模拟冬春季气候条件进行土培试验，探讨不同温度对普通白菜生长发育、光合特性、硝酸盐积累以及土壤氮代谢关键酶活性和土壤硝态氮含量的影响，以期为设施栽培蔬菜生产中温度的科学管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

土培试验的参试材料为前期水培试验中筛选出的低富集硝酸盐普通白菜品种揭农4号和高富集硝酸盐普通白菜品种香港特选。

试验土壤采自重庆市北碚区西南大学试验田，基本理化性质为：阳离子交换量为7.93 cmol·kg-1，全氮和有机质含量分别为0.63、16.61 g·kg-1，碱解氮、有效磷和速效钾含量分别为81.86、21.97、79.45 mg·kg-1，pH 值为 4.6。

1.2 试验设计

土培试验于2014年4月20日至6月10日在西南大学资源环境学院玻璃温室内进行，使用RXZ-500B型智能人工气候箱（宁波东南仪器有限公司）。设2个品种、3个温度（5、15、25 ℃）处理，共6个处理，每处理3次重复。采用直径×高=17 cm×25 cm的塑料盆，装入过5 mm筛的土壤3 kg，每盆定植三叶一心幼苗3株。底肥为氮180 mg·kg-1、磷 100 mg·kg-1、钾 150 mg·kg-1，氮、磷、钾分别由硝酸铵、磷酸二氢钾、硫酸钾提供。人工气候培养箱中的光照强度为6 000 lx。每处理1个培养箱，每个培养箱中放2个品种。培养52 d后收获，每处理随机选取长势一致的植株3株，取倒数第3～4片叶，将叶片沿主脉一侧剪下，迅速称取鲜质量后测定酶活性；剩下的植株用自来水冲洗后再用去离子水洗净擦干，分别称量叶片、叶柄和根系鲜质量，然后取部分新鲜的叶片和叶柄用于测定硝酸盐含量；余下的叶片、叶柄和根系分别在105 ℃下杀青15 min，然后60 ℃下烘干至恒重。植株收获后，采用多点混合法收集鲜土样，置于4 ℃冰箱中保存备用。

1.3 项目测定

硝酸盐含量采用GB/T 5009.33—2010《食品中亚硝酸盐与硝酸盐的测定》中的方法进行测定；硝酸还原酶（NR）活性测定采用活体法（邹奇，1995）；亚硝酸还原酶（NiR）活性测定参照Ozawa和Kawahigashi（2006）的方法；谷氨酰胺合成酶（GS）活性测定参照邹奇（2003）的方法；谷氨酸合成酶（GOGAT）和谷氨酸脱氢酶（GDH）活性测定参照叶利庭等（2011）的方法。

2014年6月3日（晴天）上午9：00～11：00，每处理选取生长均匀健康的植株3株，采用Li-6400便携式光合系统测定仪（美国LI-COR公司）测定第2片完全展开叶的净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）和蒸腾速率（Tr），取平均值。

土壤硝态氮（NO3--N）含量的测定采用新鲜土样用1 mol·L-1的KCl浸提，在210 nm和275 nm波长下用紫外分光光度法进行测定（鲁如坤，1999）。土壤硝酸还原酶、亚硝酸还原酶、脲酶活性的测定参照哈兹耶夫（1980）的方法。

1.4 数据处理

采用Excel 2013软件和SPSS 23.0软件对试验数据进行统计分析，采用LSD法进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 环境温度对普通白菜干质量的影响

从表1可以看出，2个普通白菜品种的叶片、叶柄及根系干质量均随温度的升高呈先增加后下降的趋势，其中15 ℃为最适生长温度。与5 ℃处理相比，15 ℃处理下香港特选和揭农4号的叶片、叶柄、根系干质量分别显著增加了13.6%和24.2%、46.0%和32.3%、89.4%和51.2%，地上部干质量（叶片和叶柄干质量之和）分别增加了23.2%和26.8%；温度升高到25 ℃时，香港特选和揭农4号的叶片、叶柄、根系干质量分别增加了2.1%和5.4%、4.3%和2.3%、46.8%和12.6%，地上部干质量分别增加了2.7%和4.4%。3种温度处理下，揭农4号叶片、叶柄、地上部和根系干质量均高于香港特选。

2.2 环境温度对普通白菜硝酸盐含量的影响

从表2可以看出，环境温度对2个普通白菜品种叶片硝酸盐含量有显著影响，对叶柄硝酸盐含量的影响程度比叶片轻。随着温度的升高，2个品种叶片和叶柄中的硝酸盐含量均呈增加趋势。与5 ℃处理相比，香港特选和揭农4号15、25 ℃处理的叶片硝酸盐含量分别显著增加了15.0%、18.3%和6.7%、16.7%，叶柄硝酸盐含量分别增加了2.9%、8.1%和1.1%、8.3%。3种温度处理下，香港特选叶片和叶柄中的硝酸盐含量始终高于揭农4号。

2.3 环境温度对普通白菜叶片光合系统参数的影响

从表3可以看出，2个普通白菜品种叶片的净光合速率（Pn）随温度的升高呈先增加后降低的趋势，胞间CO2浓度（Ci）呈先降低后增加的趋势，香港特选的叶片蒸腾速率（Tr）和气孔导度（Gs）呈逐渐增加的趋势，而揭农4号的叶片Tr和Gs呈先增加后降低的趋势；相对于5 ℃处理，温度增至15、25 ℃时，香港特选和揭农4号叶片的Pn分别显著增加了27.3%、23.9%和50.1%、8.6%，Tr分别显著增加了49.0%、110.5%和70.0%、59.5%，Gs分别显著增加了30.7%、105.0%和51.0%、34.9%。

2.4 环境温度对普通白菜叶片NR、NiR、GS、GOGAT和GDH活性的影响

从表4可以看出，环境温度对2个普通白菜品种叶片中亚硝酸还原酶（NiR）、谷氨酸合成酶（GOGAT）活性有显著影响，对硝酸还原酶（NR）、谷氨酰胺合成酶（GS）和谷氨酸脱氢酶（GDH）活性的影响不显著。随着温度的升高，香港特选和揭农4号叶片NR活性增加，与5 ℃处理相比，25℃处理的NR活性分别增加了11.3%和31.4%。随着温度的升高，香港特选和揭农4号叶片NiR活性呈先增加后降低的趋势；与5 ℃处理相比，温度升高到15 ℃时，2个品种叶片NiR活性分别增加了41.5%和14.4%；当温度升高到25 ℃时，2个品种叶片NiR活性分别显著减少了57.6%和53.7%。随着温度的升高，香港特选和揭农4号叶片GOGAT活性总体呈降低趋势，与5 ℃处理相比，15、25 ℃处理的叶片GOGAT活性分别显著减少了57.3%、66.9%和60.8%、53.6%。随着温度的升高，香港特选叶片GDH活性呈下降趋势，而揭农4号叶片GDH活性呈先升高后下降的趋势；与5 ℃处理相比，15 ℃和25 ℃处理的香港特选叶片GDH活性降低了32.2%和36.1%，揭农4号叶片GDH活性增加了57.4%和28.3%。

表1 不同温度对普通白菜各部位干质量的影响

表2 不同温度对普通白菜硝酸盐含量的影响

表3 不同温度对普通白菜叶片光合系统参数的影响

2.5 环境温度对土壤硝态氮含量的影响

从表5可以看出，环境温度对土壤中NO3--N含量的影响因品种而异。随着温度的升高，香港特选土壤中NO3--N含量显著升高，而揭农4号土壤NO3含量则显著降低；与5 ℃处理相比，当温度增至15 ℃和25 ℃时，香港特选土壤NO3-N含量分别显著增加了8.3%和11.4%，而揭农4号土壤NO3--N含量分别显著降低了7.3%和16.6%。

2.6 环境温度对土壤硝酸还原酶、亚硝酸还原酶和脲酶活性的影响

从表5还可以看出，2个普通白菜品种的土壤硝酸还原酶活性均随温度的升高呈先下降后上升的趋势；与5 ℃处理相比，当温度增至15 ℃时，香港特选和揭农4号土壤硝酸还原酶活性分别显著降低了3.7%和13.2%；当温度增至25 ℃时，土壤硝酸还原酶活性分别增加了7.4%和1.8%。香港特选土壤亚硝酸还原酶活性随温度的升高呈先增加后降低的趋势，与5 ℃处理相比，15 ℃和25 ℃处理的土壤亚硝酸还原酶活性分别增加了41.6%和2.4%；揭农4号土壤亚硝酸还原酶活性随温度的升高呈先降低后升高的趋势，与5 ℃处理相比，温度升高到15 ℃时，土壤亚硝酸还原酶活性显著降低了52.3%，温度升高到25 ℃时，土壤亚硝酸还原酶活性显著增加了18.0%。随着温度的升高，香港特选和揭农4号土壤脲酶活性均呈先上升后下降的趋势；与5 ℃处理相比，当温度增至15 ℃时，2个品种土壤脲酶分别显著增加了3.2%和26.0%；当温度增至25 ℃时，2个品种土壤脲酶活性分别显著降低了6.1%和29.0%。

表4 不同温度对普通白菜叶片NR、NiR、GS、GOGAT和GDH活性的影响

表5 不同温度对土壤硝态氮含量及硝酸还原酶、亚硝酸还原酶、脲酶活性的影响

3 结论与讨论

所有环境条件中，蔬菜生长发育对温度的反应最为敏感（李莉，2013）。本试验条件下，温度对2个普通白菜品种的可食用部分生物量存在显著影响。2个普通白菜品种的生物量均随温度的升高表现出先升高后下降的变化趋势，且差异达到显著水平，15 ℃是2个普通白菜品种的最适生长温度；相较于25 ℃而言，5 ℃对普通白菜生长更为不利。另外，3种温度处理下揭农4号的生物量均高于香港特选，说明揭农4号对温度的适应能力更强。

影响蔬菜中硝酸盐积累的因素有很多，除了受自身遗传因素的影响外，外界环境条件如光照、温度、施肥、空气湿度等也会对其产生重要的作用（鲁奇林 等，2014）。在欧洲，由于各地气温较低且光照弱、日照短，因此大部分蔬菜硝酸盐含量普遍很高；而非洲地区因光照强、光照时间长，蔬菜的硝酸盐含量相对较低（都韶婷 等，2010）。温度对蔬菜体内硝酸盐含量的影响十分复杂，国内外就温度对蔬菜体内硝酸盐含量影响已有不少报道，但看法不一（Cantliffe，1972；Vaast et al.，1998；李慧霞 等，2016），其影响机理有待进一步研究。目前较为统一的说法是，在低温胁迫和高温胁迫下蔬菜硝酸盐含量均维持在较高的水平（陈洁，2009；姜仕豪 等，2014）。本试验条件下，温度为25 ℃时2个普通白菜品种叶片和叶柄中的硝酸盐含量均为最高；随着温度的升高，2个品种叶片中硝酸盐含量均显著增加；3种温度处理下，揭农4号的硝酸盐含量总是低于香港特选。该结果与陶正平和尹凯丹（2008）报道的随环境温度的升高大白菜各品系的硝酸盐含量均增高的结论一致。但温度的变化并没有对2个普通白菜叶柄中的硝酸盐含量产生显著影响。由此可知，温度对不同品种、同一植株不同器官中硝酸盐含量的影响都不相同。

先前有报道称，普通白菜叶片硝酸盐含量与Pn呈极显著负相关，而其他光合指标（Tr、Ci、Gs）则对硝酸盐的积累没有显著影响（陈龙正 等，2009；陈永勤 等，2016）。也有研究表明，硝酸盐胁迫下黄瓜的光合速率降低，表现在由于气孔开度的下降导致Ci下降；胁迫初期由于黄瓜叶片Gs下降，导致Ci降低，但处理后期Ci明显升高（高青海 等，2009）。本试验条件下，2个普通白菜品种叶片的Pn随着温度的升高呈先增加后降低的变化趋势，但相比于5 ℃处理，15 ℃和25 ℃处理均显著提高了普通白菜叶片的Pn。原因可能是高Pn使得作物体内物质生产能力较强，可增加植物蛋白含量，促进硝酸还原酶的合成，并且叶片能够为硝酸盐的同化提供能量和碳骨架，从而降低了普通白菜硝酸盐的积累（Zandstra & Lampe，1983；赵建平，2005）。与5 ℃处理相比，15 ℃和25 ℃处理提高了2个普通白菜品种叶片Tr和Gs；除了香港特选25℃处理叶片Ci略高于5 ℃处理外，15 ℃和25 ℃处理的香港特选和揭农4号叶片Ci相较于5 ℃处理均呈显著降低趋势。这与赵玉萍等（2010）的研究结果相似。

硝酸还原酶（NR）作为植物氮代谢中一个重要的调节酶和限速酶，其生化、生理和分子生物学特性已得到了广泛研究（Zandstra & Lampe，1983；李亦松，2006；何玲 等，2007；梁亮，2008；许苗苗 等，2008）。本试验条件下，随着环境温度的升高，2个普通白菜品种叶片NR活性亦增加。提高温度能够增强NR活性，这也是叶片硝酸盐含量随温度升高而增加的重要原因。因此，在实际生产中，除了选择低硝酸盐积累的蔬菜品种外，还应该充分考虑用温度来调控NR活性，以达到控制蔬菜中硝酸盐含量的目的。本试验中，温度从5 ℃上升到15℃时，香港特选叶片GS活性降低，这与Lu等（2005）的研究结果相似。原因可能是升高温度导致GDH活性下降，刺激了GS活性，而GS和GOGAT一起构成的循环是高等植物NH4+同化的主要途径（邱旭华，2009），加速了NH4+的同化，增强了NR的活性。温度从15 ℃上升到25 ℃时，香港特选和掲农4号叶片GS活性增强，这与刘国英（2014）的研究结果亚低温胁迫处理使番茄幼苗叶片GS活性显著降低相似。原因可能是短期的低温可能使植株体内GS活性暂时增大，加速氮代谢过程，但随着低温持续时间的增加，GS活性逐渐减小。随着温度的升高，香港特选叶片GDH活性降低，而掲农4号叶片GDH活性先升高后降低。刘兰英等（1993）研究表明，GDH作用的最适温度为40 ℃，低于或高于40 ℃时GDH的活性都较低。GDH活性升高的原因可能是生物量增加，叶片中储存的蛋白质分解代谢成氨基酸所致（魏国威 等，2002），具体原因有待进一步深入研究。陈永勤等（2016）研究显示，普通白菜叶片、叶柄中的硝酸盐含量与土壤硝态氮含量呈显著正相关。本试验条件下，随着环境温度的升高，香港特选土壤NO3--N含量逐渐升高，而揭农4号土壤NO3--N含量则逐渐降低，这可能是揭农4号叶片和叶柄中硝酸盐含量总是低于香港特选的重要原因之一。

土壤脲酶可以促进土壤中含氮有机化合物的转化和尿素的水解，土壤蛋白酶能够分解蛋白质、肽类为氨基酸，硝酸还原酶能促进硝态氮还原成氨，这3种土壤酶的活性对土壤中的氮素转化具有重要调节作用（马宗斌 等，2008）。陈永勤等（2016）研究发现，土壤硝态氮含量与土壤硝酸还原酶活性呈极显著负相关。但本试验条件下，随着环境温度的升高，香港特选土壤NO3--N含量逐渐升高，而揭农4号土壤NO3--N含量则逐渐降低；土壤中硝酸还原酶活性呈先下降后上升的变化趋势；土壤脲酶活性呈先上升后下降的变化趋势，其原因有待进一步研究。此外，在蔬菜生产上，如何合理调节环境温度及其他栽培管理措施（如适量配施硝化抑制剂等），使土壤酶活性有利于蔬菜品质的提高（如降低硝酸盐含量）也需进一步研究。

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Abstract：The effects of different temperature（5，15，25 ℃）on biomass，nitrate content，activities of keyenzymes，soil nitrate nitrogen content，and key enzymes activities of plant-soil nitrogen metabolism of 2 pakchoi varieties〔Brassica campestirs L. spp. chinensis（L.）Makino var. communis Tsen et Lee〕（lownitrate variety‘Jienong No.4’and high-nitrate variety‘Xianggangtexuan’）were studied under artificial climate incubator by pot experiment．The results indicated that 15 ℃ was the optimal temperature for growth of 2 pakchoi varieties．The shoot dry weight of‘Jienong No.4’and‘Xianggangtexuan’increased by 23.2% and 26.8%，respectively．The nitrate contents in leaves of 2 pakchoi varieties were increased significantly along with theincrease of temperature．Compared with the treatment 5 ℃，the nitrate content in leaves of‘Jienong No.4’，‘Xianggangtexuan’under the light intensity of 15 ℃ and 25 ℃ increased by 15.0% and 18.3%，6.7% and 16.7%，respectively．The activity of nitrate reductase（NR）in leaves of pakchoi increased with temperature increasing．The activity of nitrite reductase（NiR）in leaves of pakchoi increased first，then decreased．The activities of glutamate synthase（GOGAT） in leaves of pakchoi decreased．With the increase of temperature，the soil NO3

--N content of‘Xianggangtexuan’increased，while soil NO3--N content of‘Jienong No.4’decreased．The activity of nitrate reductase in soil decreased first，then increased with the increase of temperature．But the urease activity in soil increased at first and then decreased．Under 3 temperature treatments，nitrate contents in leaf and petiole of‘Jienong No.4’were lower than that of‘Xianggangtexuan’．

Key words：Pakchoi；Environmental temperature；Nitrate content；Key enzymes in nitrogen metabolism；NO3

--N in soil

Effect of Environmental Temperature on Nitrate Content of Pakchoi，NO3--N Content in Soil and Activity of Key Enzymes in Nitrogen Metabolism

ZHANG Chun-lai，YANG Yun，XU Wei-hong*，CHI Sun-lin，WANG Wei-zhong，LI Yan-hua，LI Tao
（College of Resources and Environmental Sciences，Southwest University，Chongqing 400715，China）

张春来，女，硕士研究生，专业方向：土壤污染修复技术，E-mail：13101391588@163.com

*通讯作者（Corresponding author）：徐卫红，女，教授，博士生导师，专业方向：土壤污染修复技术，E-mail：xuwei_hong@163.com

2017-04-24；接受日期：2017-06-23

国家现代农业产业技术体系建设专项（Nycytx-23），“十一五”国家科技支撑计划项目（2007BAD87B10）