陳修斌,蔣夢(mèng)婷,尹 鑫,關(guān)博文,楊 彬
(河西學(xué)院 農(nóng)業(yè)與生態(tài)工程學(xué)院,甘肅 張掖 734000)
近年來(lái),隨著農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整,河西走廊設(shè)施蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速[1],成為典型的綠洲農(nóng)業(yè)和大型灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)[2]。黃瓜是本區(qū)主要的溫室種植蔬菜種類之一,多年來(lái),生產(chǎn)上采用粗放水肥管理模式,不僅造成水分與氮素流失嚴(yán)重[3],土壤鹽漬化和硝態(tài)氮淋失,而且導(dǎo)致黃瓜產(chǎn)量和品質(zhì)下降,因此如何進(jìn)一步提高水氮利用率已經(jīng)成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。研究表明:土壤水分含量影響氮素的吸收與利用[4],而氮素參與植株體的生理生化反應(yīng)[5],影響作物品質(zhì)。
試驗(yàn)于甘肅省甘州區(qū)黨寨鎮(zhèn)日光溫室蔬菜基地內(nèi)進(jìn)行,土壤耕層0~20 cm有機(jī)質(zhì)含量10.0 g·kg-1,堿解氮52.1 mg·kg-1,速效磷8.8 mg·kg-1,速效鉀132 mg·kg-1,pH為6.78,土質(zhì)為灌漠土。供試黃瓜品種選擇當(dāng)?shù)刂髟缘摹白吭?9F1”,本區(qū)以日光溫室為主體的設(shè)施面積達(dá)7 666 hm2,該品種栽培面積達(dá)設(shè)施栽培面積的25%以上。
設(shè)灌水量與施氮量?jī)蓚€(gè)因素[16],灌水量參考李靜等[17]設(shè)置3 個(gè)水平,處理W1:田間持水量的80%~95%;處理W2:田間持水量的65%~80%和處理W3:田間持水量的50%~65%;施氮量為3個(gè)梯度,分別為低氮(N1:尿素(含N 46.4%) 117 kg·hm-2)、中氮(N2:尿素(含N 46.4%)234 kg·hm-2)和高氮(N3:尿素(含N 46.4%) 351 kg·hm-2),其中N2為黃瓜目標(biāo)產(chǎn)量180 t·a-1下的理論施肥量,N1和N3為N2基礎(chǔ)上分別下浮50%和上浮50%[18]。不同水肥耦合模式見(jiàn)表1。
表1 不同水氮耦合模式Table 1 Irrigation and nitrogen coupling modes
采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),設(shè)9個(gè)處理,各處理種植1畦,畦長(zhǎng)寬分別為6 m×1.2 m,每畦重復(fù)3次,2019年3月10號(hào)進(jìn)行黃瓜育苗,4月20號(hào)定植,保苗數(shù)4.17×104株·hm-2。各小區(qū)間挖深度為40 cm溝進(jìn)行隔離;試驗(yàn)采用膜下滴灌技術(shù),利用水分測(cè)定儀控制土壤水分,測(cè)量土壤深度為20 cm;
灌水用量計(jì)算公式:
M=r×p×h×θf(wàn)×(q1-q2)/η[19]
其中:M—灌水量(g·cm-2);r-土壤體積質(zhì)量(0~40 cm),1.13 g·cm-3;p-土壤濕潤(rùn)比,取100%;h與θf(wàn)代表灌水計(jì)劃濕潤(rùn)層和最大田間持水率,取值為0.2 m和22%;q1與q2分別表示土壤水分上限和實(shí)際含水率;η-水分利用系數(shù),滴灌取0.9,不同處理在達(dá)到田間持水率的下限時(shí)進(jìn)行灌溉。試驗(yàn)中氮肥與磷肥,分別由尿素和重過(guò)磷酸鈣提供,其含N、P2O5為46.4%和44%;鉀肥由氯化鉀(含K2O 60%)提供,試驗(yàn)中磷肥與鉀肥的用量同生產(chǎn)相同,分別為分別600 kg·hm-2、375 kg·hm-2;磷肥在作畦時(shí)一次性施入,一半的鉀肥與磷肥混施,另一半分二次與N肥作追肥,分別在黃瓜結(jié)瓜中期與末期施入。
1.3.1 植株氮代謝酶活的測(cè)定。在黃瓜開(kāi)花結(jié)瓜的初期(5月30日)、中期(6月30日)、末期(7月30日),于上午10: 00時(shí),用打孔器采集各小區(qū)葉片的混合樣作為測(cè)定樣品。硝酸還原酶活性參考張治安[20]測(cè)定,谷氨酰胺合成酶用王月福等[21]的方法測(cè)定,谷氨酸草酰乙酸轉(zhuǎn)氨酶和谷氨酸丙酮酸轉(zhuǎn)氨酶活性參照吳良?xì)g[22]方法測(cè)定。
1.3.2 品質(zhì)指標(biāo)測(cè)定。于黃瓜結(jié)瓜中期,隨機(jī)選取不同處理的3個(gè)果實(shí),按高俊風(fēng)[23]確定的方法測(cè)定果實(shí)可溶性糖、可溶蛋白質(zhì)、果實(shí)Vc、可滴定酸與可溶性固形物。重復(fù)3次,取其平均值。
1.3.3 產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)。在黃瓜結(jié)瓜后期(7月18日),各處理隨機(jī)選取3株測(cè)定株高、莖粗、葉片數(shù)與開(kāi)展度;統(tǒng)計(jì)各處理單株產(chǎn)量、小區(qū)產(chǎn)量與經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量,經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量是指小區(qū)產(chǎn)量中有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的產(chǎn)量經(jīng)過(guò)折合成每公頃的產(chǎn)量。
利用DPS 9.50 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,用Microsoft Excel 2003軟件進(jìn)行繪圖,采用Duncan′s法進(jìn)行顯著性分析。
從圖1可以看出,同一處理,黃瓜在結(jié)瓜中期的硝酸還原酶活性(NR)均高于前期與末期的活性。不同處理間,以采用處理田間持水量的65%~80%、施氮量為234 kg·hm-2(W2N2)的硝酸還原酶活性顯著高于其他處理,硝酸還原酶活性在前期、中期、末期,分別為106 μg·h-1·g-1FW、195 μg·h-1·g-1FW與136 μg·h-1·g-1FW,顯著高于其他處理(P<0.05);由低氮(117 kg·hm-2)組成的水肥處理組合(W1N1、W2N2、W3N1)和由高氮(351 kg·hm-2)組成的水肥處理組合(W1N3、W2N3、W3N3),其黃瓜葉片中硝酸還原酶活性低于由中氮(234 kg·hm-2)組成的水肥處理組合(W1N2、W2N2、W3N2)。
注:不同小寫(xiě)字母代表同一時(shí)期不同處理間差異顯著(P<0.05)。下同。Note:Different small letters indicate significant differences between treatments in one stage at P<0.05.The same is as below.圖1 不同處理對(duì)黃瓜硝酸還原酶活性影響Fig.1 Effect of different treatments on the nitrate reductase activity of cucumber
從圖2顯示,不同處理間,以采用處理W2N2(的谷氨酰胺合成酶活性(GS)明顯高于其他處理,谷氨酰胺合成酶活性在結(jié)瓜前期、中期、末期,分別為1.54 A·h-1·g-1FW、1.98 A·h-1·g-1FW與1.26 A·h-1·g-1FW,明顯高于其他處理;同一處理,在黃瓜生長(zhǎng)的前期、中期、末期,其葉片中谷氨酰胺合成酶活性,均以中期為最高,各期谷氨酰胺合成酶含量均呈現(xiàn)結(jié)瓜中期>前期>末期的變化規(guī)律。各處理間谷氨酰胺合成酶活性由大到小的順序?yàn)椋篧2N2> W1N2> W3N2> W1N3> W2N3> W1N1> W2N1> W3N3> W3N1。說(shuō)明采用田間持水量50%~65%、施氮量為117 kg·hm-2的處理W3N1,其谷氨酰胺合成酶活性最低,這可能是由于較低土壤含量與較低施氮量組成的水肥耦合環(huán)境,對(duì)黃瓜生長(zhǎng)產(chǎn)生了脅迫,從而導(dǎo)致葉片中谷氨酰胺合成酶活性的降低。
圖2 不同處理對(duì)黃瓜谷氨酰胺合成酶活性影響Fig.2 Effect of different treatments on the glutamine synthetase activity of cucumber
從水分對(duì)硝酸還原酶在結(jié)瓜前期、中期與末期活性的影響呈現(xiàn)顯著水平(表2),氮肥及水氮交互作用對(duì)其活性影響均呈極顯著水平;水分對(duì)谷氨酰胺合成酶活性在前期、中期影響呈顯著水平,氮肥對(duì)谷氨酰胺合成酶活性在結(jié)瓜前期、中期、末期變化均呈現(xiàn)顯著水平,而水分與氮肥交互作用對(duì)黃瓜在結(jié)瓜的中期與末期的谷氨酰胺合成酶活性呈極顯著水平。
表2 水、氮及互作效應(yīng)對(duì)黃瓜不同時(shí)期硝酸還原酶與谷氨酰胺合成酶活性影響的的方差分析(F值)Table 2 Analysis of variance for the effect of irrigation and nitrogen coupling on nitrate reductase and glutamine synthetase activities at different cucumber fruiting stages(F value)
不同處理對(duì)黃瓜葉片谷氨酸草酰乙酸轉(zhuǎn)氨酶(GOT)活性的影響見(jiàn)圖3。不同處理間,以處理W2N2的谷氨酸草酰乙酸轉(zhuǎn)氨酶活性最高,顯著高于其他處理(P<0.05),處理W2N2在結(jié)瓜前期、中期、末期的數(shù)值分別為55.2 μmol·g-1·h-1、73.0 μmol·g-1·h-1、37.9 μmol·g-1·h-1;同一處理中,黃瓜葉片谷氨酸草酰乙酸轉(zhuǎn)氨酶活性在結(jié)瓜前期、中期、末期的變化趨勢(shì)為結(jié)瓜中期>前期>末期,說(shuō)明隨著植株的生長(zhǎng),其生長(zhǎng)勢(shì)不斷增加,到結(jié)瓜旺期達(dá)到最大值,而后植株生長(zhǎng)進(jìn)入衰弱期,隨著植株代謝能力的下降,其葉片中谷氨酸草酰乙酸轉(zhuǎn)氨酶活性也隨之降低。
圖3 不同處理對(duì)黃瓜谷氨酸草酰乙酸轉(zhuǎn)氨酶活性影響Fig.3 Effect of different treatments on the glutamate oxaloacetate transaminase activity of cucumber
黃瓜葉片中谷氨酸丙酮酸轉(zhuǎn)氨酶活性的變化與谷氨酸草酰乙酸轉(zhuǎn)氨酶(GPT)活性變化相似(圖4)。不同處理中,以處理W2N2的谷氨酸丙酮酸轉(zhuǎn)氨酶活性最高,在前期、中期、末期的數(shù)值分別為37.5 μmol·g-1·h-1、56.9 μmol·g-1·h-1、31.3 μmol·g-1·h-1,顯著高于其他處理(P<0.05);在黃瓜生長(zhǎng)中期葉片谷氨酸丙酮酸轉(zhuǎn)氨酶活性的大小順序?yàn)椋篧2N2>W1N2>W3N2>W2N3>W1N1>W1N3>W3N3>W2N1>W3N1;同一處理,谷氨酸丙酮酸轉(zhuǎn)氨酶 活性的變化也呈現(xiàn)結(jié)瓜中期>前期>末期的變化規(guī)律;說(shuō)明黃瓜葉片中谷氨酸丙酮酸轉(zhuǎn)氨酶活性的變化與谷氨酸草酰乙酸轉(zhuǎn)氨酶活性的變化呈現(xiàn)正比例的關(guān)系。
圖4 不同處理對(duì)黃瓜谷氨酸丙酮酸轉(zhuǎn)氨酶活性影響Fig.4 Effects of different treatments on the glutamate pyruvate transaminase activity of cucumber
從水分、氮肥及互作效應(yīng)對(duì)黃瓜不同時(shí)期谷氨酸草酰乙酸轉(zhuǎn)氨酶與谷氨酸丙酮酸轉(zhuǎn)氨酶活性活性影響看(表3),水分對(duì)谷氨酸草酰乙酸轉(zhuǎn)氨酶與谷氨酸丙酮酸轉(zhuǎn)氨酶活性活性在黃瓜結(jié)瓜中期呈顯著水平,氮肥對(duì)其在前期、中期與末期均呈顯著影響;而水分與氮肥交互作用對(duì)黃瓜谷氨酸草酰乙酸轉(zhuǎn)氨酶與谷氨酸丙酮酸轉(zhuǎn)氨酶活性活性在結(jié)瓜的前期、中期與末期的影響均呈極顯著水平。
表3 水、氮及互作效應(yīng)對(duì)黃瓜不同時(shí)期谷氨酸草酰乙酸轉(zhuǎn)氨酶與谷氨酸丙酮酸轉(zhuǎn)氨酶活性活性影響的的方差分析(F值)Table 3 Analysis of variance for the effect of irrigation and nitrogen coupling on glutamate oxaloacetate transaminase and glutamate pyruvate transaminase activities at different cucumber fruiting stages(F value)
表4顯示,采用W2N1、W1N2處理的黃瓜株高顯著高于其他處理;處理W3N1與W2N2的黃瓜莖粗差異不大,但顯著高于其他水肥處理;處理W3N3的黃瓜葉片數(shù)最多,達(dá)到48片。采用田間持水量為65%~80%、施氮量為234 kg·hm-2的處理W2N2,其黃瓜植株在開(kāi)展度、單株產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量等形態(tài)指標(biāo)表現(xiàn)上最優(yōu),分別為71.4 cm、4.17 kg和174 t·hm-2,各處理的黃瓜產(chǎn)量順序?yàn)椋篧2N2> W1N2> W3N2> W1N3> W2N3> W1N1> W2N1> W3N3> W3N1,這一變化與黃瓜葉片中NR、GS、GOT和GPT活性含量的變化相一致,說(shuō)明葉片活性的高低直接影響到黃瓜產(chǎn)量的形成,葉片酶活性的增加,提高了黃瓜對(duì)水氮的吸收,促進(jìn)了植株?duì)I養(yǎng)物質(zhì)的積累和轉(zhuǎn)化,植株保持較強(qiáng)的生長(zhǎng)勢(shì)與結(jié)瓜力[24],因此造成了產(chǎn)量形成的差異。
從水氮互作的交互作用來(lái)看(表4),水分對(duì)黃瓜株高的影響呈現(xiàn)極顯著變化水平,而氮肥對(duì)莖粗的影響較大;氮肥對(duì)葉片數(shù)、開(kāi)展度、單株產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的影響均表現(xiàn)為顯著水平;水氮交互作用對(duì)葉片數(shù)、開(kāi)展度、單株產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量呈現(xiàn)極顯著影響。
表4 水氮耦合對(duì)黃瓜成產(chǎn)因素的影響Table 4 Effects of irrigation and nitrogen coupling on cucumber yield components
從表5可以看出,采用田間持水量為65%~80%、施氮量為234 kg·hm-2的處理W2N2,其黃瓜果實(shí)中可溶性糖含量、可溶蛋白質(zhì)與果實(shí)Vc含量最高,分別為4.06 mg·g-1、2.08 mg·g-1與24.8 mg·100 g-1,顯著高于其他處理;處理W2N3可滴定酸的含量最高達(dá)到1.95%,處理W1N3可溶性固形物含量顯著高于其他處理,其值達(dá)3.9%。說(shuō)明以采用田間持水量為65%~80%、施氮量為234 kg·hm-2的W2N2處理黃瓜品質(zhì)優(yōu)于其他處理,這主要是由于處理W2N3條件下的土壤環(huán)境利于植株對(duì)養(yǎng)分的吸收,促進(jìn)了同化物質(zhì)在果實(shí)內(nèi)的積累,從而提高了果實(shí)中可溶性糖含量、可溶蛋白質(zhì)與果實(shí)Vc含量;其他水肥配比組合,由于營(yíng)養(yǎng)失調(diào)導(dǎo)致品質(zhì)指標(biāo)含量高低不同[25]。
表5 水氮耦合對(duì)黃瓜品質(zhì)的影響Table 5 Effects of irrigation and nitrogen coupling on cucumber quality
從水氮互作的交互作用分析看,水分與氮肥的交互作用對(duì)黃瓜果實(shí)可溶性糖含量影響最為顯著,氮肥對(duì)果實(shí)中可溶蛋白質(zhì)、Vc含量的影響呈現(xiàn)極顯著變化水平;水分、水氮互作分別對(duì)果實(shí)中可滴定酸含量與可溶性固形物含量呈現(xiàn)極顯著影響。
硝酸還原酶是植物氮代謝硝酸鹽同化過(guò)程中的限速酶[26],是衡量氮代謝強(qiáng)度大小的重要指標(biāo),本試驗(yàn)中氮肥及水氮交互作用對(duì)硝酸還原酶活性影響達(dá)極顯著水平,由較低土壤含水量組成的水肥處理(W3N1、W3N2、W3N3)與較高土壤含水量組成的水肥組合(W1N1、W1N2、W1N3),其黃瓜葉片硝酸還原酶活性均低于中等含水量組成的處理(W2N1、W2N2、W2N3),說(shuō)明土壤含水量過(guò)高或過(guò)低時(shí),水氮配比營(yíng)養(yǎng)失調(diào),影響了黃瓜對(duì)氮素吸收與利用,表現(xiàn)為硝酸還原酶活性的降低,這與孫永健等[27]在水稻上的研究結(jié)果相一致。
谷氨酰胺合成酶是高等植物氨同化的主要酶[28],其活性高低會(huì)影響到植株體內(nèi)氨基酸和蛋白質(zhì)的代謝。本研究結(jié)果顯示,水分、氮肥對(duì)谷氨酰胺合成酶活性在前期、中期影響呈現(xiàn)顯著水平,水分與氮肥交互作用對(duì)谷氨酰胺合成酶活性中期與末期影響呈極顯著水平。采用W2N2處理的黃瓜葉片中谷氨酰胺合成酶最高,說(shuō)明適宜的水肥配比,可以提高氮素在植株體中的代謝。隨著黃瓜植株個(gè)體的生長(zhǎng),前期生長(zhǎng)量較小,對(duì)氮素吸收速度較弱,到中期達(dá)到最大值,后期由于生長(zhǎng)勢(shì)的降低,對(duì)氮素吸收變?nèi)?,因此表現(xiàn)為谷氨酰胺合成酶含量在不同生長(zhǎng)時(shí)期呈現(xiàn)中期>前期>末期的變化規(guī)律,這與張麗瑩等[29]研究結(jié)果一致。
谷氨酸草酰乙酸轉(zhuǎn)氨酶和谷氨酸丙酮酸轉(zhuǎn)氨酶在無(wú)機(jī)氮轉(zhuǎn)化為有機(jī)氮的過(guò)程中起關(guān)健作用[30],本研究中水分、氮肥對(duì)谷氨酸草酰乙酸轉(zhuǎn)氨酶和谷氨酸丙酮酸轉(zhuǎn)氨酶活性在黃瓜中期均呈顯著影響,而水氮交互作用對(duì)谷氨酸草酰乙酸轉(zhuǎn)氨酶和谷氨酸丙酮酸轉(zhuǎn)氨酶活性在黃瓜不同生育時(shí)期均呈極顯著水平。由W1與50%~60%含水量條件下,其組成的水肥處理組合處理,黃瓜葉片中谷氨酸草酰乙酸轉(zhuǎn)氨酶和谷氨酸丙酮酸轉(zhuǎn)氨酶的活性均低于在65%~80%含水量下的水氮配比組合,說(shuō)明在土壤含水量過(guò)高或過(guò)低時(shí),其水氮組成的土壤溶液條件對(duì)黃瓜植株代謝產(chǎn)生了脅迫,植株吸收營(yíng)養(yǎng)與水分的功能降低,從而導(dǎo)致養(yǎng)分在體內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)與合成受到了障礙,導(dǎo)致植株代謝處于較低水平,這與前人在小麥的研究相同[31]。
水氮互作與黃瓜的產(chǎn)量和品質(zhì)關(guān)系密切,本試驗(yàn)中水氮交互作用對(duì)葉片數(shù)、開(kāi)展度、單株產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量呈現(xiàn)極顯著影響,采用W2N2的水氮處理,其黃瓜植株在開(kāi)展度、單株產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量等性狀表現(xiàn)上優(yōu)于其他處理,究其原因是本處理下的水氮配比,促進(jìn)植株氮代謝酶活性的提高,從而促進(jìn)了植株對(duì)水分與氮素吸收,植株保持較強(qiáng)生活力,因此其產(chǎn)量上顯著高于其他處理。同時(shí),本處理下,施入土壤中的硝態(tài)氮由于硝酸還原酶、谷氨酰胺合成酶、谷氨酸草酰乙酸轉(zhuǎn)氨酶與谷氨酸丙酮酸轉(zhuǎn)氨酶活性的增強(qiáng),促進(jìn)了向銨態(tài)氮的轉(zhuǎn)化,因此表現(xiàn)出果實(shí)中可溶性糖含量、可溶蛋白質(zhì)與果實(shí)Vc含量增高。水分、水氮互作分別對(duì)果實(shí)中可滴定酸含量與可溶性固形物含量呈現(xiàn)極顯著影響,而氮肥對(duì)果實(shí)中可溶蛋白質(zhì)、Vc含量呈極顯著影響,這一研究結(jié)果與趙宏偉等[32]研究結(jié)果相同。
植物體內(nèi)可溶蛋白質(zhì)含量高低一方面標(biāo)志著源端對(duì)同化物的供應(yīng)能力,一方面也反映出庫(kù)端對(duì)同化物的利用轉(zhuǎn)化能力[33]。本試驗(yàn)在采用由中等田間持水量(W2:65%~80%)和中等施氮量(N2:234 kg·hm-2)組成的W2N2處理,正是由于植株體內(nèi)硝酸還原酶、谷氨酰胺合成酶、谷氨酸草酰乙酸轉(zhuǎn)氨酶和谷氨酸丙酮酸轉(zhuǎn)氨酶等活性的提高,因此促進(jìn)了黃瓜可溶蛋白質(zhì)含量顯著高于其他處理,這主要是當(dāng)NO-3進(jìn)入植物體內(nèi)后,在較強(qiáng)硝酸還原酶的還原下合成氨基酸的速度增加[34],同時(shí)谷氨酰胺合成酶、谷氨酸草酰乙酸轉(zhuǎn)氨酶和谷氨酸丙酮酸轉(zhuǎn)氨酶活性的提高,帶動(dòng)了氮代謝的增強(qiáng),促進(jìn)黃瓜果實(shí)內(nèi)氨基酸的合成和轉(zhuǎn)化[35],這與孫永健等[36]人的研究結(jié)果相一致。
采用土壤含水量為田間持水量65%~80%、施氮量為234 kg·hm-2的W2N2處理,黃瓜葉片中硝酸還原酶、谷氨酰胺合成酶、谷氨酸草酰乙酸轉(zhuǎn)氨酶與谷氨酸丙酮酸轉(zhuǎn)氨酶活性明顯高于在土壤含水量為W3組成的水肥處理(W3N1、W3N2、W3N3)與含水量為W1組成的水肥組合(W1N1、W1N2、W1N3);同時(shí),本處理下的黃瓜經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量最高,可達(dá)174 t·hm-2;果實(shí)中可溶性糖含量、可溶蛋白質(zhì)與Vc含量也顯著高于其他處理,本研究結(jié)論,可為沙漠綠洲地區(qū)溫室黃瓜實(shí)現(xiàn)水肥高效利用與高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)化生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)。