滴灌施氮对番茄氮代谢及水氮利用的影响

2021-10-13李伏生

节水灌溉 2021年9期

罗慧，李伏生

（广西大学农学院，南宁530005）

水分和氮素在作物生长中相互影响和制约[1,2]，水氮管理是否适宜可显著影响作物体内氮代谢的强弱和协调程度，进而影响作物生育进程。于坤等[3]研究表明，水分适宜时增施氮肥可提高叶片氮含量，并保持叶片硝酸还原酶(NR)和谷氨酰胺合成酶(GS)的高活性；李佳帅等[4]研究表明，水分适宜时叶片NR、GS 和谷氨酸合成酶活性及可溶性蛋白和游离氨基酸含量随施氮量增加而提高，而重度干旱胁迫时高氮处理则降低叶片中氮代谢相关酶活性、游离氨基酸和可溶性蛋白含量；ZHONG等[5]研究也表明，NR和GS活性随土壤相对含水量降低而降低，降低程度因水分胁迫强度和作物生长阶段不同而异，但随土壤含水量提高而显著提高。

交替滴灌（ADI）[6,7]对不同作物生长、产量和品质及水肥利用效率等的影响及其管理模式研究已取得较好的效果，如FU 等[8]结果表明，与常规滴灌相比，ADI降低耗水量，而水分利用效率提高32.3%，且提高氮肥农艺效率；LUO 等[9]研究发现，与常规滴灌相比，ADI能保持番茄产量，并提高水分利用效率8.9%～16.7%，ADI、30%N 肥作基肥、70%N 肥作滴灌追肥处理是番茄生产适宜水氮供应模式；LIU 等[10]研究表明，ADI与氮肥灌溉相结合，促进作物根系生长，提高产量和水氮利用效率。然而，不同施氮水平下，交替滴灌对番茄水氮利用影响的研究尚有不足，且对番茄氮代谢的影响尚未明晰。本文旨在进一步研究滴灌施氮对番茄氮代谢、水氮利用和干物质量的影响，探讨不同滴灌施氮条件下番茄氮代谢变化规律及适宜水氮供应模式，以期为受区域性与季节性干旱制约生产的番茄优化灌水施肥制度提供依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

盆栽试验于2014年10月至2015年2月在广西大学农学院教学基地网室进行。供试土壤采自本校教学基地的赤红壤，其土壤质地为黏壤土，有机质含量26.2 g/kg，pH 值5.6，碱解氮（N）45.9 mg/kg，速效磷（P）53.2 mg/kg，速效钾（K）177.5 mg/kg，田间持水量（θf）28.6%。供试品种：Solanum lycopersicum L，西大樱红1 号。N 肥用尿素（含氮46%），磷肥用磷酸二氢钾（含P2O552%），钾肥用硫酸钾（含K2O 54%），钙肥用碳酸钙（含Ca 40%）。

1.2 试验方法

试验在聚乙烯塑料桶（高23.5 cm、直径30 cm）中进行，为阻止根两侧水分交换，所有处理桶均用塑料膜从中间隔开，在塑料布上部中间剪个小“V”形缺口，用于移栽番茄苗。每桶两边各装入9 kg土，共18 kg土。试验设3种滴灌方式和3个施氮水平，共9个处理，重复4次，共36盆，随机区组排列。

3 种滴灌方式包括常规滴灌CDI（每边各设一个滴头灌水或施肥）；固定滴灌FDI（一个滴头固定对一边灌水或施肥）；交替滴灌ADI（每边各设一个滴头，每次只对一边进行灌水或施肥，下次对另一边进行灌水或施肥）。各时期CDI 处理滴灌水量参照王贺辉等[11]提出的番茄滴灌灌水指标（苗期45%～55%θf，开花坐果期55%～75%θf，坐果−成熟期65%～85%θf）进行，FDI和ADI处理各时期滴灌水量按苗期36%～44%θf、开花坐果期44%～60%θf、坐果−成熟期52%～68%θf进行。

3 种施氮水平包括，N100：N 肥用量各为0.2 g/kg 土，N80：N 肥用量为N100的80%（0.16 g/kg 土），N60：N 肥用量为N100的60%（0.12 g/kg 土）。试验各处理30%N 作基肥土施，70%N 肥滴灌追施。各处理P2O5用量为0.1 g/kg 土，K2O 用量为0.3 g/kg土，Ca 用量为0.1 g/kg 土，全部P2O5、K2O 和Ca 肥与部分作基肥的N 肥装盆时与土壤混匀；余下N 肥分别在苗期、开花期、果实膨大期和果实成熟期按设计比例作滴灌施肥，见表1。

试验于2014年10月15日移栽番茄苗，2014年11月2日至2015年2月6日进行滴灌控水施肥处理；根据天气情况和植株长势，所有处理每隔1～2 d 于下午称量桶质量，用水量平衡法确定各处理所需灌水量并记录，总灌水量见表1。不加N 肥时，灌水量用量筒量取后注入模拟滴灌系统（为输液吊袋，袋下部有出口接头，接头链接1 根塑料主管，主管上连接2 根带滴头的软塑料分管，滴头呈锥体状），吊挂在距土面1.8 m处，以滴速为0.6 L/h 滴入土壤中。加N 肥时，事先按试验设计配好N肥溶液，按上述方法进行滴灌追施处理。2015年2月10日试验结束。

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 样品采集与测定

采取番茄果实膨大期和果实成熟期的功能叶片，一部分用液氮迅速冷冻，存放于−80 ℃冰箱，用于测定硝酸还原酶（NR）和谷氨酰胺合成酶（GS）活性；另一部分带回实验室立刻测定可溶性蛋白质、游离氨基酸和硝态氮含量。NR和GS含量的测定参照孔祥生和易现峰[12]方法，可溶性蛋白质含量用考马斯亮蓝法测定[12]，游离氨基酸含量用茚三酮比色法测定[12]，硝态氮含量的测定按照孔祥生和易现峰[12]方法测定。

收获后采集番茄根系和地上部（包括番茄茎、叶和所有果实）于90 ℃杀青30 min 后，65 ℃烘至恒质量，称其干物质量。收获番茄地上部分后称每桶质量，扣除原土壤质量和毛重，剩余部分为最后未消耗水分，把每次灌水量相加再减去最后未消耗的水分，即为总耗水量。因本试验番茄的总干物质量包括根系、茎、叶和所有果实干物质量，水分利用效率和氮肥偏生产力的计算则以总干物质量为基础。计算公式如下：

1.4 用灰色关联度分析法分析番茄总干物质量与氮代谢指标之间关系

灰色关联度分析是反映构成该指标系统的各性状组成的比较数列和参考数列间的密切程度，关联度越大，说明两者间变化的势态越接近，相互关系越密切[13,14]。番茄总干物质量与氮代谢指标之间关系用灰色关联度分析法进行分析，公式如下[13,14]。

关联系数：

关联度：

式中：ξi(k)为Xi对X0在k点的关联系数；p为灰色关联的分辨系数（一般取0.5）；为2级最小差的绝对值，为2级最大差的绝对值。

1.5 数据分析

试验数据采用Excel 2010 和SPSS 19.0 软件进行分析，多重比较用Duncan 法，处理之间字母不同表示差异显著（P<5%），处理之间字母相同均表示差异不显著（P>5%）；并用灰色关联度分析法分析番茄总干物质量与氮代谢指标之间关系。

2 结果与分析

2.1 氮代谢相关指标

图1表明，与CDI 相比，N100下ADI 果实膨大期和成熟期叶片硝态氮含量分别提高25.9%和17.3%，N80下ADI果实成熟期叶片硝态氮含量提高16.4%；N80下ADI果实成熟期叶片可溶性蛋白质含量提高16.1%；N100下FDI 显著降低果实成熟期叶片游离氨基酸和可溶性蛋白质含量；各施氮水平（N100、N80和N60，下同）下，ADI 不显著提高或降低番茄叶片游离氨基酸含量、NR 和GS 活性；FDI 不显著提高或降低番茄叶片硝态氮含量、NR 和GS 活性。不同施氮水平间比较，各滴灌方式（CDI、ADI、FDI，下同）下，果实膨大期叶片硝态氮、可溶性蛋白质、游离氨基酸含量以N100最高，而NR 和GS 活性以N80最高；ADI 下果实成熟期叶片硝态氮含量、NR 和GS 活性以N100最高，而可溶性蛋白质和游离氨基酸含量以N80最高。

图1 不同滴灌方式和施氮水平对番茄叶片氮代谢指标的影响Fig.1 Effect of drip irrigation method and N fertilization level on leaf nitrogen metabolism-related indicators

2.2 水氮利用

图2表明，与CDI相比，各施氮水平下，ADI的WUE提高3.2%～11.8%，但与CDI 的WUE差异不显著；FDI 不显著提高或降低WUE；ADI和FDI能保持氮肥偏生产力。各施氮水平间比较，各滴灌方式下WUE以N80最高，氮肥偏生产力以N60最高。

图2 不同滴灌方式和施氮水平对番茄水氮利用的影响Fig.2 Effect of drip irrigation method and N fertilization level on tomato water and nitrogen use

2.3 干物质积累

图3表明，各施氮水平下，与CDI 相比，ADI 和FDI 地上部干物质量、根干物质量和总干物质量提高或降低不显著。各施氮水平间比较，ADI 下地上部干物质量和总干物质量以N80最高，而根干物质量以N100最高；FDI 和CDI 下地上部干物质量和总干物质量以N100最高，而根干物质量分别以N100和N80最高。

图3 不同滴灌方式和施氮水平对番茄干物质积累的影响Fig.3 Effect of drip irrigation method and N fertilization level on tomato dry mass accumulation

2.4 干物质量与氮代谢指标之间的关系

图4对番茄总干物质量与氮代谢指标进行灰色关联度分析结果表明，番茄总干物质量与果实膨大期叶片氮代谢指标的关联度大小表现为：可溶性蛋白质＞GS＞NR＞游离氨基酸＞硝态氮含量。总干物质量与可溶性蛋白质的关联度最高，GS和NR次之，说明这3个指标对干物质积累影响较大。

图4 不同滴灌方式和施氮水平下番茄总干物质量与氮代谢指标（果实膨大期）的关联度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 讨论

（1）滴灌方式和施氮水平对番茄氮代谢指标的影响。氮代谢为番茄生长发育提供物质基础，NR 是氮代谢同化硝态氮关键酶，其活性高低对作物氮素代谢的强弱起关键作用[15]；GS 是氮代谢氨态氮同化主要酶系[16]；游离氨基酸是氮代谢中间产物，可溶性蛋白质作为氮代谢的最终产物，它们的合成是在NR 和GS 等酶的共同催化下完成的[15,16]；硝态氮是作物体内最安全且最易运输的氮素贮存形态[17,18]。适宜的水氮管理可提高作物叶片氮代谢关键酶活性和相关物质含量，为作物增产调质奠定基础[19−21]。本试验结果也表明，与CDI相比，N80下ADI提高果实成熟期叶片硝态氮和可溶性蛋白质含量，保持叶片游离氨基酸含量、NR和GS活性，说明交替滴灌条件下，合理减量施氮不影响番茄氮代谢。

（2）滴灌方式和施氮水平对番茄水氮利用的影响。ADI能提高或保持作物水、氮利用效率。刘学娜等[22]结果表明，减量施氮下ADI 可保证黄瓜生长、产量和品质的同时显著提高WUE和氮肥利用效率；ZHAO 等[23]结果表明，即使ADI灌溉定额降至中等水平（51.6 mm），但番茄水分利用效率提高31.8%～32.7%。本试验结果也表明，与CDI 相比，ADI 提高WUE，但与CDI 差异不显著，且保持了氮肥偏生产力。不同施氮水平间比较，ADI下WUE以N80最高，说明N80和ADI结合WUE较好，可能原因为适宜的水氮管理促进番茄根系发育，提高根系的吸水吸肥能力，施氮调水和灌水调氮的作用较好。

（3）滴灌方式和施氮水平对干物质量的影响。干物质量可为作物是否高产的一个基本指标，因为作物营养生长阶段所积累的干物质量控制着产量，绿色部分长势好可为籽粒或贮藏组织提供充足的光合产物[24]。大量研究结果表明，交替灌溉能提高或保持作物干物质量或产量[25−27]。与CDI相比，N80下ADI也保持番茄根系、地上部和总干物质量，说明ADI处理既达到节水目的又不影响番茄干物质量的积累，是一种有效的节水灌溉方式。施用氮肥有利于干物质量积累和产量的形成，作物产量随着施氮水平的增加而提高，但施氮水平过高作物产量则提高不明显或降低[28]。本试验中，ADI下地上部干物质量、总干物质量以N80最高。说明ADI和N80结合更有利于提高番茄干物质量积累。

此外，总干物质量与叶片可溶性蛋白质含量、NR和GS活性关联度较高，说明干物质量与叶片可溶性蛋白质含量、NR和GS 活性关系较为密切，叶片可溶性蛋白质含量、NR 和GS活性变化对干物质量影响较大。