黃佳 李信 王子一 艾亥麥提·艾麥爾江 楊友才
摘要:研究種植密度和施氮量對(duì)瀏陽(yáng)煙區(qū)烤煙碳氮代謝關(guān)鍵酶和品質(zhì)特征的影響,以期為該地區(qū)烤煙特色原料的質(zhì)量保障提供技術(shù)支撐。以烤煙G80為研究對(duì)象,采用田間裂區(qū)試驗(yàn),設(shè)置3個(gè)不同種植密度(C1:15 151株/hm2、C2:16 666株/hm2、C3:18 181株/hm2),3個(gè)水平施氮量(B1:150.0 kg/hm2、B2:172.5 kg/hm2、B3:195.0 kg/hm2),分析種植密度和施氮量2個(gè)因素對(duì)烤煙G80生長(zhǎng)過(guò)程中碳氮代謝關(guān)鍵酶活性和烤后煙葉品質(zhì)的影響。研究結(jié)果表明,在同一種植密度下,隨著施氮量增加,煙葉硝酸還原酶(NR)、谷氨酰胺合成酶(GS)、淀粉酶(AL)活性均有所提高;烤后煙葉總糖含量、還原糖含量、糖堿比降低,煙堿、氮含量增加,氯離子、鉀含量表現(xiàn)出先增后降的趨勢(shì)。在同一施氮量下,隨種植密度增大,各酶活性均表現(xiàn)出先升后降的趨勢(shì);烤后煙葉總糖、還原糖、糖堿比增加,煙堿含量降低。以種植密度C2(16 666株/hm2),施氮量B2(172.5 kg/hm2)相結(jié)合的C2B2處理煙葉碳氮代謝過(guò)程較為協(xié)調(diào),各項(xiàng)化學(xué)成分較為適宜,有利于提高瀏陽(yáng)煙區(qū)烤煙G80的品質(zhì),對(duì)該產(chǎn)區(qū)煙葉生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。
關(guān)鍵詞:烤煙G80;種植密度;施氮量;碳氮代謝;煙葉品質(zhì)
中圖分類號(hào):S572.04;S572.06??文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A??文章編號(hào):1002-1302(2023)09-0082-06
基金項(xiàng)目:湖南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司項(xiàng)目(編號(hào):202043000934135)。
作者簡(jiǎn)介:黃?佳(1998—),女,湖南漣源人,碩士研究生,研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)。E-mail:3540126533@qq.com。
通信作者:楊友才,博士,教授,研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)生態(tài)和作物栽培。E-mail:820132479@qq.com。
碳氮代謝是煙株生長(zhǎng)過(guò)程中最基礎(chǔ)的代謝過(guò)程,其代謝強(qiáng)度和協(xié)調(diào)程度對(duì)煙葉的化學(xué)組成與轉(zhuǎn)化起著至關(guān)重要的作用[1-2]。碳、氮代謝過(guò)程緊密聯(lián)系,它們共同作用于植株的生長(zhǎng)發(fā)育。碳代謝為氮代謝供給能量與碳源,而氮代謝過(guò)程中所生成的酶、蛋白質(zhì)等物質(zhì)又用于碳代謝[3]。在適宜時(shí)間內(nèi)及時(shí)從氮代謝、碳的固定轉(zhuǎn)化代謝向碳的積累代謝過(guò)渡是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)煙葉的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[4]。烤煙碳氮代謝過(guò)程以及煙葉品質(zhì)的形成受光照、溫度、施肥等多種因素的影響。種植密度作為煙田管理中的重要栽培措施,它通過(guò)改變田間小氣候、群體光合效能以及煙株對(duì)水、肥等的利用狀況來(lái)影響烤煙碳氮代謝過(guò)程和煙葉品質(zhì)[5]。氮素是烤煙所需營(yíng)養(yǎng)元素中限制其生長(zhǎng)發(fā)育和品質(zhì)的首要因素[6-7]。氮肥施用不合理會(huì)造成碳氮代謝不平衡、煙葉品質(zhì)下降等不良后果,且會(huì)降低氮肥的利用率[8]。張嘉雯等研究發(fā)現(xiàn),適宜的種植密度能增強(qiáng)煙葉碳氮代謝能力,提高煙葉化學(xué)品質(zhì)[9]。魯黎明等研究發(fā)現(xiàn),氮肥施用量對(duì)煙葉氮代謝產(chǎn)物的含量、氮代謝關(guān)鍵酶基因的表達(dá)產(chǎn)生顯著影響,且含氮化合物的合成受施氮量調(diào)控[10]。凡聰?shù)妊芯堪l(fā)現(xiàn),增加施氮量可以提高煙葉蔗糖轉(zhuǎn)化酶、硝酸還原酶以及谷氨酰胺合成酶的活性,降低烤后煙葉糖含量,提高總氮和煙堿含量[11]。
湖南省瀏陽(yáng)煙區(qū)G80特色品種種植面積較大,是湖南省中煙特色原料供應(yīng)的主要基地,近年來(lái),因生態(tài)環(huán)境變化、施肥不平衡、栽培管理精準(zhǔn)性不強(qiáng)等問(wèn)題導(dǎo)致煙葉碳、氮代謝失衡,煙葉品質(zhì)較差,難以滿足高檔卷煙對(duì)特色原料的需求。目前,有關(guān)瀏陽(yáng)煙區(qū)煙葉碳氮代謝的研究報(bào)道較少,且國(guó)內(nèi)外有關(guān)煙葉碳氮代謝的研究多是以氮肥或其他單一因子為主,而對(duì)種植密度與施氮量結(jié)合的研究甚少。因此,本研究以瀏陽(yáng)煙區(qū)特色品種G80為材料,研究種植密度、施氮量對(duì)烤煙碳氮代謝關(guān)鍵酶活性及品質(zhì)的影響,旨在明確瀏陽(yáng)煙區(qū)特色品種G80適宜的氮肥、密度調(diào)控栽培管理措施,為保障優(yōu)質(zhì)煙葉品質(zhì)特征和風(fēng)格特色提供理論依據(jù)。
1?材料與方法
1.1?試驗(yàn)地點(diǎn)和材料
試驗(yàn)于2021年在湖南省瀏陽(yáng)市達(dá)滸鎮(zhèn)金田村進(jìn)行,供試煙田為水稻田,地勢(shì)平坦、肥力均勻、排灌便利。試驗(yàn)土壤pH值4.83,有機(jī)質(zhì)含量 36.20 g/kg,全氮含量1.14 g/kg,堿解氮含量 148.40 mg/kg,全磷含量0.83 g/kg,速效磷含量 11.89 mg/kg,全鉀含量19.38 g/kg;速效鉀含量 364.80 mg/kg。供試品種為云煙G80。
1.2?試驗(yàn)設(shè)計(jì)
采用雙因素裂區(qū)設(shè)計(jì),種植密度為主區(qū),施氮量為副區(qū),種植密度設(shè)置為C1:15 151株/hm2(行距120 cm,株距55 cm)、C2:16 666株/hm2(行距 120 cm,株距50 cm)、C3:18 181株/hm2(行距 120 cm,株距45 cm)。施氮量設(shè)置為B1:150.0 kg/hm2、B2:172.5 kg/hm2、B3:195.0 kg/hm2。試驗(yàn)共9個(gè)處理(表1),重復(fù)3次,小區(qū)面積 39.6 m2。于2021年3月12日移栽煙苗。不同處理每個(gè)小區(qū)施加等量基肥,然后按不同施氮量處理分別分3次施加追肥,試驗(yàn)中所用肥料由當(dāng)?shù)責(zé)煵莨咎峁▽S锰撞头剩?,氮肥用量按套餐肥中氮肥含量比例折合調(diào)整,并按照規(guī)定的氮、磷、鉀比例,使用不含氮的磷鉀肥進(jìn)行補(bǔ)施,其他管理措施同當(dāng)?shù)貎?yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)技術(shù)要求進(jìn)行。
1.3?測(cè)定指標(biāo)與方法
1.3.1?碳氮代謝關(guān)鍵酶活性?于移栽后45、60、75、90 d選取各小區(qū)煙株8~10葉位的中部葉片,采集后立即用液氮冷凍,帶回實(shí)驗(yàn)室置于-80 ℃冰箱內(nèi)儲(chǔ)存用于酶活測(cè)定。淀粉酶(AL)、硝酸還原酶(NR)、谷氨酰胺合成酶(GS)活性均采用試劑盒測(cè)定。
1.3.2?常規(guī)化學(xué)成分?選取各處理烤后中部煙葉進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)。采用連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定煙葉總糖、還原糖、煙堿、總氮、氯離子含量,采用火焰分光光度法測(cè)定鉀含量[12]。糖堿比指總糖含量與煙堿含量的比值,鉀氯比指鉀含量和氯離子含量的比值。
1.4?數(shù)據(jù)分析
使用 Excel 2019軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,用SPSS 22.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析,用Origin 2021軟件進(jìn)行繪圖。
2?結(jié)果與分析
2.1?種植密度和施氮量對(duì)烤煙淀粉酶活性的影響
由圖1可知,隨著生育期推進(jìn)各處理煙葉AL活性逐漸增加,移栽后75 d達(dá)峰值。隨種植密度增大,AL活性表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)。隨施氮量增加,煙葉AL活性均表現(xiàn)為B3>B2>B1處理。在相同種植密度下,移栽后45、75 d,B3處理AL活性顯著大于B1處理,B2、B3處理之間AL活性無(wú)顯著差異;移栽后60 d,B2、B3處理AL活性顯著大于B1處理。在相同施氮量下,移栽后45、90 d,C2、C3處理AL活性顯著高于C1處理,且C2、C3 處理之間酶活無(wú)顯著差異;移栽后75 d,C2處理AL活性顯著高于C1處理,C1、C3處理間AL活性無(wú)顯著差異。在種植密度和施氮量共同作用下,不同時(shí)期C2B2、C2B3、C3B3處理AL活性顯著較高,C1B1、C1B2、C3B1 AL活性較低。
2.2?種植密度和施氮量對(duì)烤煙硝酸還原酶活性的影響
由圖2可知,隨移栽時(shí)間推移,烤煙G80中部煙葉NR活性表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì),移栽后 60 d 最大。在同一種植密度下,隨施氮量的增加,各處理NR活性升高,移栽后45、75、90 d,B1處理煙葉NR活性顯著低于B3處理,B2、B3處理之間NR活性無(wú)顯著差異;移栽后60 d,B2、B3處理NR活性顯著高于B1處理。在同一施氮量下,隨種植密度的增加,NR活性表現(xiàn)出先升后降的趨勢(shì)。移栽后45 d,C2、C3處理NR活性顯著高于C1處理;移栽后60、75、90 d,C2處理酶活顯著高于C1處理。在種植密度和施氮量影響下,整個(gè)生育期內(nèi)C2B3處理NR活性均較高,其次是C2B2、C3B3處理,C1B1處理NR活性顯著低于其他處理。整體上而言,C2B2處理前期NR活性較高,后期活性下降,但較為穩(wěn)定。
2.3?種植密度和施氮量對(duì)烤煙谷氨酰胺合成酶活性的影響
由圖3可知 各處理GS活性均在60 d達(dá)最大值,然后隨著生育期的推進(jìn)活性降低,結(jié)合NR活性表明前期是氮代謝的旺盛時(shí)期。在同一種植密度下,不同時(shí)期GS活性隨著施氮量的增加而增加,移栽后45、90 d,B1 處理GS活性顯著低于B2、B3處理;移栽后60、75 d,B1處理GS活性顯著低于B3處理。在同一施氮量下,GS活性表現(xiàn)為C2>C3>C1處理;移栽后45、60、90 d,C2處理GS活性顯著高于C1處理;移栽后75 d,C2處理GS活性顯著高于C1、C3處理,且C1、C3處理間GS活性無(wú)顯著差異。在種植密度和施氮量影響下,移栽后45、90 d,C1B1處理GS活性顯著較低,移栽后45、75、90 d C2B3處理GS活性最高,與C2B2處理間無(wú)顯著差異,但與其他處理間相比顯著較高。
2.4?種植密度和施氮量對(duì)烤后煙葉品質(zhì)的影響
由表2可知,種植密度和施氮量對(duì)烤后煙葉總糖、還原糖、煙堿、總氮、鉀含量、糖堿比調(diào)控主效應(yīng)均達(dá)顯著或極顯著水平,2個(gè)因素交互效應(yīng)對(duì)烤后煙葉氯離子、鉀含量產(chǎn)生顯著影響,對(duì)其他化學(xué)成分影響均不顯著。種植密度和施氮量對(duì)烤后煙葉鉀氯比無(wú)顯著影響。
一般認(rèn)為,優(yōu)質(zhì)煙葉化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)為:總糖含量為23%~29%,還原糖含量為18%~22%,煙堿含量為2.5%~3.0%,總氮含量為1.5%~3.5%,氯含量低于0.8%,鉀含量在2%以上,糖堿比為8~10,鉀氯比為4~10[13]。由表2可知,G80烤后煙葉總糖和還原糖含量隨施氮量的增加而降低,隨種植密度的增加而增加。煙葉總糖含量在25.51%~31.88%之間,還原糖含量在21.23%~24.29%之間。以C1B2、C1B3、C2B2、C2B3處理的總糖、還原糖含量較為適宜。煙堿含量隨種植密度的增加而降低,隨施氮量的增加而增加。煙葉煙堿含量在2.63%~3.78%之間,其中C2B1、C2B2、C3B1、C3B2處理的煙堿含量較為適宜,其余處理煙堿含量過(guò)高,會(huì)增強(qiáng)煙葉的刺激性。煙葉總氮含量隨種植密度的增加呈現(xiàn)出先增后降的趨勢(shì),隨施氮量增加而增加。煙葉總氮含量偏低,在1.21%~1.45%之間,其中C2B2、C2B3處理的總氮含量顯著較高。煙葉氯離子含量和鉀含量在合適范圍內(nèi),均以C2B2處理較高,其次是C1B2、C3B2處理。煙葉糖堿比隨種植密度增加而增加,隨施氮量增加而降低。煙葉糖堿比在6.77~12.24之間,以C1B1、C2B2、C3B3處理的煙葉糖堿比較為適宜。C2B2處理的煙葉鉀氯比最高,顯著高于C1B3、C2B1處理,與其他處理之間無(wú)顯著差異??傮w上來(lái)看,C2B2處理烤后煙葉化學(xué)成分較為適宜。
2.5?煙葉碳氮代謝關(guān)鍵酶活性與烤后煙葉化學(xué)成分的相關(guān)性分析
由表3可知,移栽后60 d煙葉NR活性與烤后煙葉總糖含量呈顯著負(fù)相關(guān);45、75 d GS活性及60、75 d NR活性與還原糖含量均呈顯著負(fù)相關(guān);不同時(shí)期煙葉酶活性與總氮含量均呈極顯著正相關(guān);90 d AL活性與氯離子含量、鉀含量呈顯著正相關(guān),煙葉碳氮代謝酶活與烤后煙葉煙堿含量、鉀氯比、糖堿比之間均無(wú)顯著相關(guān)性。
2.6?烤后煙葉化學(xué)成分間的相關(guān)性分析
由表4可知,烤后煙葉總糖含量與還原糖含量呈極顯著正相關(guān);總糖、還原糖含量與煙堿含量均呈極顯著負(fù)相關(guān),與糖堿比呈極顯著正相關(guān);煙堿含量與糖堿比呈極顯著負(fù)相關(guān);總氮含量與其他煙葉化學(xué)成分之間的相關(guān)性不顯著;氯離子含量與鉀含量呈極顯著正相關(guān);鉀含量與鉀氯比呈極顯著正相關(guān)。
3?討論與結(jié)論
AL是衡量煙葉碳代謝的關(guān)鍵指標(biāo),它可將葉片中的淀粉轉(zhuǎn)化成單糖等物質(zhì),從而調(diào)節(jié)葉片的淀粉積累量[14-16]。王冠等的研究表明,不同施氮水平下AL活性變化規(guī)律不一樣,低氮水平條件下,AL活性在整個(gè)生育期內(nèi)不斷上升,高氮水平條件下,AL活性呈現(xiàn)出先降后升的趨勢(shì)[17]。本研究結(jié)果表明,在煙株生長(zhǎng)過(guò)程中,煙葉AL活性前期較低 隨著葉片的生長(zhǎng)和成熟,AL活性不斷增強(qiáng),移栽后75 d AL活性最高,后期AL活性下降,說(shuō)明煙葉碳的合成積累代謝在后期逐漸增強(qiáng),這與劉國(guó)順等的研究結(jié)果[18]相同。隨施氮量增加AL活性逐漸增強(qiáng),表明增施氮肥能提高煙葉AL活性,且在煙葉成熟期,B3處理AL活性下降較快,相對(duì)來(lái)說(shuō)B2處理AL活性下降較為緩慢,煙葉處于穩(wěn)定的碳代謝水平,對(duì)優(yōu)質(zhì)煙葉的形成更為有利,這與高琴等的研究結(jié)果[19]一致。在同一施氮量下,AL活性隨著種植密度增大表現(xiàn)出先升后降的趨勢(shì),以C2處理AL活性較高,可能是C2處理種植密度下形成的田間小氣候較好,碳代謝強(qiáng)度增強(qiáng),有利于碳水化合物的合成和轉(zhuǎn)化[9]。
NR和GS都是參與氮代謝過(guò)程的關(guān)鍵酶[20-21]。NR是氮代謝過(guò)程中氮素同化的限速酶,GS參與合成氨基酸[22]。Weybrew等的研究表明,在適當(dāng)?shù)乃趾褪┓蕳l件下,煙株開花期是煙葉從硝酸鹽還原代謝轉(zhuǎn)化為淀粉積累代謝的過(guò)渡期[23]。本研究結(jié)果表明,NR和GS活性在移栽后60 d達(dá)到峰值,隨著煙葉的成熟酶活性降低,表明煙葉生長(zhǎng)前期氮代謝旺盛,后期氮代謝減弱,酶活下降,這與康雪莉等的研究結(jié)果[24]相同。煙葉NR和GS活性隨施氮量的增加而增加,表明增加施氮量能增強(qiáng)煙葉氮代謝水平,但氮肥施用量過(guò)少,煙葉酶活較低,氮代謝較弱,影響煙葉的正常生長(zhǎng)發(fā)育;而氮肥施用量過(guò)高,煙葉NR和GS活性始終保持在較高水平,不利于氮代謝向碳代謝轉(zhuǎn)化,易造成煙葉晚熟、不易落黃等不良影響[25-26]。在相同施氮量下,NR和GS活性隨種植密度的增加呈現(xiàn)出先增后降的趨勢(shì),可能是由于煙株在高密度種植下前期根系生長(zhǎng)發(fā)育較弱,對(duì)氮的吸收和同化作用較小,導(dǎo)致氮代謝強(qiáng)度較弱[27]。C2處理種植密度下酶活較高,氮代謝過(guò)程較強(qiáng),有利于煙葉的生長(zhǎng)發(fā)育。
烤后煙葉的化學(xué)成分及其協(xié)調(diào)性與煙葉品質(zhì)緊密聯(lián)系。烤后煙葉總糖、還原糖、總氮、煙堿和氯離子含量可以衡量煙葉的香吃味,糖堿比反映煙葉酸堿平衡,鉀氯比影響煙葉燃燒性,這些都是決定煙葉品質(zhì)的重要指標(biāo)[28-29]。相關(guān)研究表明,種植密度和施氮量等因素對(duì)烤后煙葉品質(zhì)的形成有較好的調(diào)節(jié)作用[30-31]。夏玉珍等的研究表明,增加施氮量可以提高煙葉氮含量、降低糖含量[32]。本研究結(jié)果表明,在同一施氮量下,隨種植密度增大,總糖、還原糖、糖堿比增加,總氮含量呈先增后降的趨勢(shì),這與高升的研究結(jié)果[33]一致。煙堿含量隨種植密度增大而降低,可能是因?yàn)橹矡熋芏冗^(guò)大,田間溫度相對(duì)較低,濕度相對(duì)較高,煙堿的合成積累較少[34]。在同一種植密度下,隨施氮量增加,煙堿、總氮含量增加,總糖、還原糖含量減少,糖堿比下降,這與晏玲等的研究結(jié)果[35-36]一致,可能是因?yàn)樵黾邮┑?,能夠有效促進(jìn)煙株對(duì)氮素的吸收,氮素同化作用增強(qiáng),煙葉光合作用加強(qiáng),煙葉碳固定和轉(zhuǎn)化代謝強(qiáng)度增大,糖分形式減弱。鉀、氯離子含量隨施氮量增加表現(xiàn)出先增后降的趨勢(shì),說(shuō)明適宜的施氮量可以提高烤后煙葉鉀、氯離子含量。
本研究相關(guān)性結(jié)果表明,不同時(shí)期煙葉碳氮代謝酶活性與烤后煙葉還原糖、總氮、鉀、氯離子含量之間存在顯著或極顯著相關(guān)性,說(shuō)明煙株生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中碳氮代謝影響煙葉化學(xué)成分的轉(zhuǎn)化合成,且烤后煙葉各成分之間存在一定關(guān)聯(lián)性,它們共同影響烤后煙葉品質(zhì)的形成[24]。
種植密度和施氮量對(duì)烤煙G80碳氮代謝關(guān)鍵酶活性以及煙葉品質(zhì)均產(chǎn)生顯著影響。綜合來(lái)看,種植密度為16 666株/hm2,施氮量為172.5 kg/hm2組合的C2B2處理煙葉碳氮代謝關(guān)鍵酶活性較高,碳代謝與氮代謝轉(zhuǎn)化平衡,且烤后煙葉化學(xué)成分最為協(xié)調(diào),可作為烤煙特色品種G80在瀏陽(yáng)煙區(qū)種植的適宜氮密組合。
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