施氮量对‘马瑟兰’葡萄叶片糖代谢的影响

张娟，王玉安，2

(1.甘肃农业大学园艺学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃省农业科学院林果花卉研究所，甘肃 兰州 730070)

氮是植物生长发育过程中需求量最多、最不可替代的重要营养元素[1]，很多研究发现，大多数植物氮素营养和水分的有效利用[2]，矿质元素养分的吸收[3]，激素变化水平[4]，生物量的分配[5]以及光合效应[6-7]等最终通过施用的不同氮源物质来调节植物的生长、品质和产量.氮素是果树生长发育过程中必需矿质元素中的核心元素，也是果树生长发育的物质基础，同时氮是植物体内含氮有机物质的重要组成部分[8]，如蛋白质、核酸、磷脂、酶和激素等.在果树生长过程中，进行细胞的分裂需要充足的氮，树体器官的分化、形成与氮素供应水平密切相关.近年来对氮素营养代谢的研究表明，氮肥的施用量与果树生长发育、果树的产量与品质息息相关，而施用适量氮肥与叶片光合速率、光合叶面积呈正相关[9].孙聪伟等[10]研究表明，适量氮肥显著增加植株叶片含氮量、叶绿素水平、干物质量以及产量，同时有研究发现，氮素对花芽分化进程有促进作用，可以有效的提高座果率[11]，相反，氮肥施用过量，可能致使树体营养生长过旺、成龄树树冠郁闭、坐果率明显降低和产量下降等[12]问题.因此，探究果树的最适氮量，是合理调节果树生长发育重要途径.

人们通过施用氮肥来提高葡萄的产量与品质.氮肥在一定程度上促进了我国葡萄产量的稳步提升，但也造成了葡萄生产对氮肥很强的依赖性.目前，我国葡萄种植过程中氮肥的施用问题仍然存在很多争议，如施氮量偏高、施肥时期不合理等[13].研究表明，虽然葡萄生产中的氮肥在逐年增加，但产量却逐渐降低[14]，导致这一现象的主要原因是氮肥利用率的降低.研究发现，葡萄叶片糖含量以及相关代谢酶活性对酿酒葡萄的品质和产量影响显著，而氮是影响葡萄叶片糖代谢的主要元素[15-16].本试验，研究不同施氮量下‘马瑟兰’葡萄叶片淀粉、糖积累以及相关酶活性的变化规律，探讨该品种生长所需的最适施氮量，为优质高效生产提供理论和依据.

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验以‘马瑟兰’葡萄为材料，于2019年4月在甘肃武威林业科学院试验基地开展.该基地为碱性沙壤土，土层深厚，土质疏松.年降雨量182 mm，蒸发量2 105.8 mm，年平均日照时数2 720.5 h，≥10 ℃的有效积温3 060 h，年平均气温7.1 ℃，无霜期172 d.生长期光照充足，降雨少，昼夜温差大.土壤pH值为8.1，有机质含量0.85%，速效氮、磷、钾含量分别为0.85 g/kg、20、120 mg/kg.采用单蔓篱架栽培，株行距1 m×3 m，管理水平中上.

1.2 试验设计与取样方法

1.2.1 试验设计 选取长势基本一致的‘马瑟兰’葡萄植株，采用随机区组设计，小区面积约24 m2，每小区8株，重复3次.不同施氮量设计：采用尿素(总氮≥46.4%，中国石油天然气兰州石化分公司生产)作为氮肥，设5个处理：N0:0 kg/hm2；N1:150 kg/hm2；N2:300 kg/hm2；N3:450 kg/hm2；N4:600 kg/hm2.

根据各生育期需肥特点，施肥比例如下，萌芽前(出土后第1次灌水)30%、花序分离期30%、开花前10%、果实第1次膨大期20%和果实第2次膨大期10%.在距离葡萄植株40 cm、深40 cm处施入，具体施肥量见下表1.

试验处理后，加强树体管理，及时绑蔓、摘心、去除副稍，同时加强病虫害防治.

表1 不同生育期氮肥施用比例及小区施氮量

1.2.2 取样方法 选择花前5 d、花后20、50、90 d进行采样，摘取叶片主梢中上部4～5片叶，置于冰盒中带回实验室，进行相关测定.

1.3 指标测定方法

可溶性糖含量的测定采用蒽酮比色法[17]；淀粉含量测定参照李小芳[18]的方法；蔗糖合成酶(SS)和蔗糖磷酸合成酶(SPS)活性的测定，参照高俊凤[19]的方法；淀粉酶活性测定参照李如亮[20]的方法.

1.4 数据处理

采用Excel 2013和SPSS 19软件进行数据整理和统计数据，运用Duncan新复极差法进行差异显著性分析.

2 结果与分析

2.1 不同氮素水平对葡萄叶片生长过程中淀粉含量的影响

从图1可以看出，‘马瑟兰’葡萄叶片生长过程中淀粉含量变化呈先上升后下降的趋势.花后20 d CK的叶片淀粉含量达到最大值35.41 mg/g，不同施氮量下叶片中淀粉含量在花后50 d达到最高值，分别为27.33、46.97、56.25、40.48、33.52 mg/g，较CK推迟了30 d，说明不同氮肥处理延迟了淀粉的合成与降解时间.花后20 d时，各氮素处理淀粉含量的排序为CK>N2>N3>N4>N1，与CK差异显著(P<0.05)，说明花后20 d氮素处理的淀粉还处于合成阶段；花后50 d时，各处理淀粉含量依次是N2>N1>N3>N4>CK，与CK差异显著(P<0.05).

2.2 不同氮素水平对葡萄叶片生长过程中可溶性糖含量的影响

从图2可以看出，随着葡萄生长发育，叶片中的可溶性糖含量逐渐上升，N2处理的叶片中可溶性糖含量花后90 d达到最大，为15.35 mg/g；N1处理在花后50 d和花后90 d叶片可溶性糖含量显著升高，

不同小写字母表示相同时期处理之间差异显著性；AB,AA分别代表花前，花后.Different lowercase letters showed significant differences between treatments in the same period；AA and AB represent before and after bloom respectively.图1 不同氮素水平对葡萄叶片生长过程中淀粉含量的影响Figure 1 Effects of different nitrogen levels on starch content in grape leaf growth

不同小写字母表示相同时期处理之间差异显著性；AB,AA分别代表花前，花后.Different lowercase letters showed significant differences between treatments in the same period；AA and AB represent before and after bloom respectively.图2 不同氮素水平对葡萄叶片生长过程中可溶性糖含量的影响Figure 2 Effects of different nitrogen levels on the soluble sugar content in grape leaf growth

与花前5 d相对照，分别增加了6.02、7.14 mg/g；各个时期N4处理的葡萄叶片可溶性糖含量分别是6.13、8.55、11.72和13.36 mg/g，与CK差异不显著.同一时期N2可溶性糖含量与N4和CK显著差异(P<0.05).N4降低了叶片中可溶性糖含量，而其它处理提高了叶片中可溶性糖含量，说明不同水平氮肥对葡萄叶片中可溶性糖含量的积累有不同的影响，适量的氮肥有利于可溶性糖的积累.

2.3 不同氮素水平对葡萄叶片生长过程中蔗糖代谢酶活性的影响

从图3得知，随着葡萄叶片生长发育，SS(蔗糖合成酶)活性呈下降趋势，不同氮素处理后，N2处理的叶片SS活性最大，且与对照差异显著(P<0.05).在各个时期，N4处理的叶片中酶活性变化与CK相对照，SS活性分别下降了2.34、7.52、5.15和7.76 mg/(g·h)，说明氮肥施用量较大时，SS酶活性会明显下降.花前5 d不同氮肥处理的SS活性分别是384.32、386.17、388.94、384.76 mg/(g·h)，此时期SS活性最高，与CK相比，花后20 d不同水平氮肥处理间显著差异(P<0.05).

不同小写字母表示相同时期处理之间差异显著性；AB,AA分别代表花前，花后.Different lowercase letters showed significant differences between treatments in the same period；AA and AB represent before and after bloom respectively.图3 不同氮素水平对葡萄叶片生长过程中SS活性的影响Figure 3 Effects of different nitrogen levels on SS activity during the growth of grape leaves

从图4看出，叶片中SPS(蔗糖磷酸合成酶)活性前期较低，在花后20 d后逐渐升高，直到花后50 d达到最高峰，此后略有下降.花后20 d以后，不同处理叶片中SPS酶活性变化排序：N2>N1>N0>N3>N4，N2处理的叶片SPS活性最强.从图4还可以发现，不同时期不同水平氮肥处理间与CK相比，差异不显著.花后20 d施用450、600 kg/hm2氮肥时，葡萄叶片中SPS活性明显下降，与CK相对照，分别下降了3.51、5.53 mg/(g·h).综合以上，说明施用过量的氮肥会降低叶片中SPS和SS活性.

不同小写字母表示相同时期处理之间差异显著性；AB,AA分别代表花前，花后.Different lowercase letters showed significant differences between treatments in the same period；AA and AB represent before and after bloom respectively.图4 不同氮素水平对葡萄叶片生长过程中SPS活性的影响Figure 4 Effects of different nitrogen levels on SPS activity in grape leaf growth

2.4 不同氮素水平对不同生长时期葡萄叶片淀粉酶活性的影响

从图5～6可以看出，葡萄叶片生长过程中α-淀粉酶和β-淀粉酶活性呈上升趋势，并且在整个叶片生长过程中，α-淀粉酶的活性比β-淀粉酶高，花后90 d两者活性略有下降.花后20 d后不同水平氮肥处理下，β-淀粉酶的活性明显提高；花后50 d N2处理的叶片酶活性达到最大值为0.09 U/mL，与CK差异显著(P<0.05).同一时期N1和N4氮肥处理与CK相比，差异不太明显.从图6中得知，花后20 d除N4外不同氮肥处理叶片中α-淀粉酶的活性与CK差异显著，各处理间酶活性的变化顺序：N2>N3>N1>N0>N4，说明施用300 kg/hm2氮肥最有利于提高葡萄叶片中淀粉酶活性，施用600 kg/hm2氮肥会降低淀粉酶活性.花后50 d不同水平氮肥处理下α-淀粉酶变化量分别为0.18、0.21、0.25、0.22、0.17 U/mL，N2、N3与CK差异显著(P<0.05).

图5～6说明施用300 kg/hm2的氮肥，可以提高α-淀粉酶和β-淀粉酶的活性，施用过量的氮肥，α-淀粉酶和β-淀粉酶的酶活性会降低.适宜的氮肥浓度对葡萄叶片中酶活性的变化有显著影响，同时会提高叶片中的酶活性.

不同小写字母表示相同时期处理之间差异显著性；AB,AA分别代表花前，花后.Different lowercase letters showed significant differences between treatments in the same period；AA and AB represent before and after bloom respectively.图5 不同氮素水平对不同生长时期葡萄叶片β-淀粉酶活性的影响Figure 5 Effects of different nitrogen levels on the activity of grape leaves in different growth stages

2.5 不同生育期叶片各指标相关性

从表2～5中可看出，葡萄叶片可溶性糖含量与α-淀粉酶呈极显著正相关，相关系数分别是0.991、0.952、0.964和0.924(P<0.01)，但与淀粉相关性不显著，淀粉与α-淀粉酶以及SS与SPS呈显著负相关，由此说明随着葡萄叶片生长过程中可溶性糖积累，α-淀粉酶活性提高，叶片中淀粉含量增加.

不同小写字母表示相同时期处理之间差异显著性；AB,AA分别代表花前，花后.Different lowercase letters showed significant differences between treatments in the same period；AA and AB represent before and after bloom respectively.图6 不同氮素水平对不同生长时期葡萄叶片α-淀粉酶活性的影响Figure 6 Effects of different nitrogen levels on the activity of grape leaves in different growth stages

表2 花前5 d各指标相关性系数矩阵

表3 花后20 d各指标相关性系数矩阵

表4 花后50 d各指标相关性系数矩阵

表5 花后90 d各指标相关性系数矩阵

3 讨论

氮是植物生长发育必需的生命元素之一，适宜施氮量促进葡萄生长发育和新陈代谢起着非常重要的作用[21].绿色植物白天进行光合作用，产生相应的同化产物在蔗糖和淀粉之间进行分配运输，蔗糖是光合产物的主要运输和贮存形式，可以为植物生长发育提供能量[22]，在白天起作用，淀粉具有暂贮功能，夜晚给植物提供能量.本研究结果表明，施用氮肥可以提高叶片中可溶性糖和淀粉含量，这与温志静[23]的研究结果相似，可能是由于施氮肥能提高葡萄叶片中叶绿素含量，符合果树生长过程中叶片糖含量变化规律.随着不同氮肥处理，同一时期不同氮素水平处理下，N2的葡萄叶片可溶性糖含量最高，与CK差异显著，N4处理下可溶性糖含量与CK差异不显著，说明施用过多的氮肥并不会促进可溶性糖含量一直增加，这与李春辉[24]的研究结果相同.本研究还发现，施氮处理后葡萄叶片中淀粉含量变化呈先上升后下降的趋势，同时不同水平施氮处理延长了淀粉的合成和降解的时间，300 kg/hm2氮素处理提高了α-淀粉酶和β-淀粉酶活性，这与李鹏程[25]的研究结果相似，葡萄生长发育前期淀粉含量较少，中期含量明显提高，生长后期逐渐降解，这有可能是因为淀粉的合成需要很多酶的参与，使新合成的淀粉迅速的转化为葡萄糖，也是一个复杂的生化过程.

SS和SPS作为控制葡萄叶片酶活性的关键酶[26]，也是催化植物细胞中蔗糖合成的重要酶.本研究中，不同处理SS活性呈下降趋势，花后50 d以前适量浓度的氮素对SS活性的影响较大，与CK相差异显著，这与刘丽媛[27]的研究结果相同，可能因为SS在叶片生长前期活性较高，分解产生较多的尿苷二磷酸葡萄糖(UDPG)用于植物叶片中细胞生命基础物质的合成，在葡萄生长后期对UDPG的需求量较少，因此SS活性较低.随着叶片的生长发育，SPS参与叶片中蔗糖的合成，并且SPS是叶片中蔗糖重新合成的控制点，施用适量氮肥提高了SPS酶活性，SPS酶活性在葡萄叶片生长后期出现高峰值，蔗糖含量也会随着升高.

大量研究表明，合理施用氮肥可以调控土层中水分的分布和运动，提高葡萄根系对水分利用效率[28-29]，有利于叶片水分与矿质元素的运输与利用，可以维持地上部分与地下部分营养的平衡.而过量的施用氮肥，会间接导致土壤控肥率下降[30]，造成地上部分生长过旺，从而影响葡萄叶片糖含量及酶活性偏高，导致生长后期果实充实率下降[31].由此说明通过合理优化施氮量可实现葡萄对氮肥和水分利用效率的提高.