缓释配方肥促进胡椒花穗增加的生理机制研究

李志刚，祖超，李文平，林蓉，杨建峰，王灿，鱼欢，郑维全

(1.中国热带农业科学院香料饮料研究所/农业部香辛饮料作物遗传资源利用 重点实验室/海南省热带香辛饮料作物遗传改良与品质调控重点实验室， 海南 万宁 571533； 2.云南农业大学热带作物学院， 云南 普洱 665099)

胡椒(PipernigrumL.)是胡椒科(Piperaceae)胡椒属(Piper)多年生常绿藤本植物[1]，经济价值高且用途广泛，已广泛种植于亚州、非州、拉丁美洲的40多个国家和地区[2]。目前，市场的供需矛盾是胡椒产业瓶颈，中国胡椒产量不能满足国内需求，每年需进口约3万t，而增产是解决此矛盾的关键。施肥是增加产量的物质基础，没有肥料养分的供应，其他措施的作用将大大下降。根据作物养分需求规律，在适宜作物开花的时期，以施肥的方式合理地为作物提供适宜的养分，可以促进作物花穗数目增加，从而达到增产的目的[3-5]。胡椒一年四季都可抽生花穗，但在海南主要集中在秋季，研究表明，源的强弱和光合作用的强弱与干物质的积累呈正相关[5]，光合速率高低和蔗糖磷酸合成酶活性强弱最能代表源强的指标[6]；祖超等[7]研究表明适宜的遮荫对胡椒主花期叶片碳代谢及成花量有一定的调控作用。因此，可以通过养分管理等措施增强胡椒主花期叶片的糖代谢、光合作用和养分情况，从而调控营养生长与生殖生长过程。然而，中国80%以上的胡椒种植户习惯凭传统经验施肥，不考虑各种肥料特性而盲目过量施用，并采用一次性大量施用等简单的施肥方法，造成肥料浪费和环境污染。海南胡椒传统施肥主要集中在每年8—11月，这一时期是胡椒花穗果穗形成的关键时期，施肥量占全年的70%，此时为雨季，肥料淋溶严重，浪费化肥资源，降低施肥效果[8]。化肥长期过量施用还导致胡椒园土壤酸化，破坏土壤的团粒结构而导致土壤板结，造成土壤和作物营养元素失调，影响作物增产增收，降低作物品质等问题[8-12]。缓释肥料是一种绿色污染小的环境友好型肥料，具有利用率高，肥效长，施用方便，省工安全，理化性质稳定等优势，能满足植物生长时期所需养分，减少了施肥次数以及施肥过程中不必要的人力、物力、财力的消耗[13]。本研究旨在探明缓释肥配方促进胡椒花穗抽生的糖代谢生理机制，为胡椒生产实践中合理施用缓释肥料提供依据，通过降低生产成本以促进产业增效。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验以4龄“热引1号”胡椒植株为研究对象，在中国热带农业科学院香料饮料研究所琼海大路试验基地开展研究。设置不同缓释配方肥施用量处理T1、T2和T3(T1=1/2需肥量，T2=1需肥量，T3=3/2需肥量)(表1)，在主花期前(8月)一次性施用缓释肥(m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=16∶3∶16)，其中，氮肥为缓释尿素，磷肥为过磷酸钙，钾肥为缓释硫酸钾，同时配施有机肥15 kg·株-1。以传统施用3次速效肥(攻花肥、辅助攻花肥、养果保果肥)为对照(CK)，其中，氮肥为尿素和复合肥(m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=15∶15∶15)，磷肥为过磷酸钙，钾肥为硫酸钾。每个处理选取6株长势基本一致的植株，每株作为1个重复。种植园胡椒株行距为2 m×2.5 m，植株高约1.5 m，冠幅约1.4 m，东西走向。

在11月中旬胡椒果穗生长稳定后统计单株果穗数，并选取植株中上部短枝上倒数第二片稳定叶测定其光合作用指标，取叶测定养分含量及糖代谢相关指标，次年果熟期统计单株产量，明确不同缓释肥施用量对胡椒产量及花穗数量的影响，探讨缓释肥影响胡椒源叶淀粉累积对胡椒花穗抽生的影响机制。

表1 不同施肥处理肥料用量Table 1 The fertilizer amount in different fertilizer treatment g·plant-1

1.2 测定指标与方法

1.2.1 光合指标测定 采用 Li6400型便携式光合仪测定胡椒源叶净光合速率(Pn) 、气孔导度(Gs) 、胞间CO2摩尔分数(Ci)和蒸腾速率(Tr)等光合作用参数。

1.2.2 叶片养分含量的测定 用Euro Vector E有机元素分析仪测定氮含量；以H2SO4-H2O2消煮；紫外分光光度计测定磷含量；火焰光度计测定钾含量；采用干灰法，原子吸收紫外光度计测定钙、镁、铁等元素含量。

1.2.3 糖代谢的测定 11月中旬，采集胡椒中上部短枝上成熟的倒二或倒三叶置于冰盒内，带回实验室用液氮处理，-80 ℃保存备用，采用苏州科铭生物技术有限公司生产的试剂盒测定磷酸蔗糖合成酶(SPS)、腺苷二磷酸葡萄糖焦化酶(AGPase)、可溶性淀粉合成酶(SSS)、可溶性酸性转化酶(SAI)、α-淀粉酶和β-淀粉酶活性，以及蔗糖和淀粉含量，并计算蔗糖淀粉比。

1.3 数据分析

文中数据均来自3～5个重复的平均值，采用 SPSS Statistics 20.0进行统计分析，使用R语言及WPS软件作图。

2 结果与分析

2.1 缓释配方肥对胡椒单株产量及穗数的影响

张华昌[6]研究发现单株穗数是影响胡椒产量的主要因子，故穗数可以作为衡量胡椒主花期养分管理的指标。本研究结果表明(图1)，处理与对照平均单株可产黑胡椒1.4 kg左右，产量差异不显著；穗数多少顺序为T1>CK>T3>T2，均与对照无显著差异。结果表明，1/2施用量的缓释肥处理T1，较对照节约50%的化学肥料，且未造成产量和穗数的降低。

注：不同小写字母代表显著性差异，n.s.代表差异不显著 (P<0.05)。 下同 Note:Different lowercase letters represent significant differences, n.s.means no significant differences (P<0.05).The same as below.图1 缓释肥对胡椒单株产量及穗数的影响 Fig.1 Effects of slow-release fertilizer on yield per plant and panicle number of pepper

2.2 缓释配方肥对胡椒源叶光合作用参数的影响

光合作用是有机物积累的前体，Pn、Gs、Ci和Tr是主要光合作用指标。图2可知，在胡椒主花期缓释肥处理对胡椒光合作用没有显著影响，但是相对于传统施肥处理，T1和T2处理可以显著提升Pn，从而有效促进胡椒光合产物的生成。T3的高施肥量处理表现出抑制气孔导度和蒸腾速率的作用，说明适量施肥才有利于植物叶片光合同化产物形成和积累。

图2 缓释配方肥对胡椒主花期源叶光合参数的影响 Fig.2 Effects of slow-release fertilizer on photosynthetic parameters of source leaves at main flowering stage of pepper

2.3 缓释配方肥对胡椒源叶蔗糖淀粉累积的影响

蔗糖和淀粉是光合作用的2种主要终产物，本研究测定了胡椒源叶蔗糖、淀粉合成和分解相关酶SPS、AGPase、SSS、SAI、α-淀粉酶和β-淀粉酶活性(图3)，可以看出，各处理SPS和α-淀粉酶活性无显著差异，对照处理SSS和β-淀粉酶活性显著高于缓释配方肥处理，而AGPase和SAI活性均为T3、T2>CK>T1，T3处理AGPase极显著高于其他处理。

相对应地，各处理源叶蔗糖含量无明显变化趋势，而T3处理淀粉含量极显著高于其他处理；T1处理蔗糖淀粉比明显高于其他处理，比对照提高了18.03%(图4)。前期研究表明，主花期源叶淀粉含量减少有利于抽穗，本试验表明1/2缓释施肥量可降低源叶淀粉含量，明显提高源叶蔗糖淀粉比，所以，该缓释配方肥减施有可能促进胡椒抽穗。

图3 缓释配方肥对胡椒主花期源叶糖代谢相关酶的影响 Fig.3 Effects of slow-release fertilizer on enzymes related to sugar metabolism in leaves at main flowering stage of pepper

图4 缓释配方肥对胡椒主花期叶片蔗糖、淀粉含量及蔗糖淀粉比的影响 Fig.4 Effects of slow-release fertilizer on sucrose and starch content and sucrose starch ratio at main flowering stage of pepper

2.4 缓释配方肥对胡椒叶片养分含量的影响

作物N、P、K等养分累积是作物干物质形成的基础，进而影响作物产量形成。本试验结果表明(图5)，1/2施用量的缓释肥处理T1的叶片N、P、K含量均与对照无显著差异，而高用量处理T3的叶片Fe含量反而低于对照和T1处理，说明在一定范围内，氮、磷、钾的施肥量并不能明显改变作物对养分的吸收利用。叶片Fe含量顺序为T3>CK>T1、T2，而缓释肥处理的胡椒主花期叶片Ca和Mg含量与对照无显著差异。

图5 缓释肥对胡椒主花期叶片养分含量的影响 Fig.5 Effects of slow-release fertilizer on nutrient content in leaves at main flowering stage of pepper

2.5 影响胡椒产量的关键生理指标相关性分析

本研究发现胡椒花穗数和产量呈显著正相关关系(r=0.77*)，而后分析了光合生理参数、主花期后期糖代谢参数和叶片养分参数与花穗数目的相关关系，发现抽穗后叶片蔗糖/淀粉比与花穗数目呈正相关关系(r=0.73)，影响蔗糖/淀粉比的SAI活性与花穗数目显著负相关(r=-0.84*)，即SAI活性越低，分解蔗糖能力越小，蔗糖/淀粉比越大，花穗数目就越多。所测养分都与花穗数目呈正相关关系，其中N和Fe与花穗数目显著正相关(r=0.78*，r=0.74*)，这2个养分参数都与叶片中蔗糖含量显著正相关(r=0.91**，r=0.81*)养分参数中K对花穗数目的正调控主要通过增加蔗糖淀粉比来实现的(r=0.92**)，说明缓释配方肥中适度增加K的施用量可以提高蔗糖淀粉的比值，进而促进胡椒花穗数目增加(表2)。

表2 胡椒花穗数、产量与糖代谢过程主要参数相关分析Table 2 Correlation analysis of panicle number and yield with the main parameters of sugar metabolism in pepper leaf

续表2 胡椒花穗数、产量与糖代谢过程主要参数相关分析Table 2 Correlation analysis of panicle number and yield with the main parameters of sugar metabolism in pepper leaf

3 讨论与结论

在对胡椒叶片光合作用研究中发现，缓释肥处理对胡椒主花期源叶光合作用没有显著影响，但是相对于传统施肥处理，T1和T2缓释配方肥处理可以提升源叶净光合速率，有增加胡椒光合产物生成的趋势，且蒸腾速率和气孔导度都有显著提升，这有可能促进胡椒植株对养分的吸收量，减少淋溶损失，提高了肥料的利用率。而3/2施肥量处理有抑制气孔导度和蒸腾速率增加的作用，所以，适宜的施肥量才有利于植物对养分的吸收[13-16]。

前期胡椒遮荫研究表明，适度遮荫可以提高植物光饱和点，降低光补偿点，使其更有效地利用和吸收光能，增加光合产物，同时降低暗呼吸速率，减少植物碳消耗，有利于植物体糖积累。另外，研究表明可溶性糖、蔗糖和淀粉含量增加极显著提高了次月开花量[17-18]。本研究发现，1/2缓释配方肥处理使得抽穗后源叶调控蔗糖和淀粉比例的可溶性酸性转化酶活性显著降低，从而抑制了蔗糖分解与淀粉的合成，明显提高源叶蔗糖/淀粉比，从而可能促使胡椒主花期花穗数目增加。

缓释尿素可以提高土壤中碱解氮及植株氮的含量，对光合速率、蒸腾速率、胞间二氧化碳浓度也均有提升作用[19-21]。本研究发现，叶片N含量与花穗数目呈显著正相关关系，N与SAI活性呈显著负相关关系(r=-0.75*)，与蔗糖极显著正相关(r=0.91**)，所以，N对花穗数目的贡献，可能源于对SAI的负调控和对蔗糖的正调控实现的。叶片K含量与花穗数目正相关，K与β-淀粉酶活性和蔗糖/淀粉比显著正相关(r=0.72*，r=0.92**)，所以，K对花穗数目的正效应，可能主要通过提升β-淀粉酶活性，进而增加蔗糖/淀粉比来实现的。叶片Fe含量与花穗数目正相关，Fe与SAI负相关(r=-0.68)与蔗糖正相关(r=0.81*)，所以，Fe可能通过负调控SAI实现对蔗糖的正调控，进而促进蔗糖/淀粉比增加，实现对花穗数目的正调控。缓释配方肥的试验处理，减少了施肥次数和用量，产量却没有降低，甚至少量增加，说明缓释养分的适量投入可以减缓过量施肥导致的胡椒园土壤pH明显下降[22-23]，有机质亏缺，土壤有效B、交换性Ca、Mg等养分含量下降的问题[24-26]，同时还可以调控产量生理学过程参数实现不减产。因而，在生产中合理应用缓释肥料，是促进产业增效的有效途径。