酿酒葡萄是发酵成葡萄酒的主要原材料并且葡萄酒这一产业在我国得到了迅猛发展,但葡萄品质是影响葡萄酒口感的一个重要因素,因此,如何提高葡萄品质进而改善葡萄酒的口感成为葡萄产业面临的一个重大问题。葡萄树的生长发育受水和氮素的影响[1]。水分和氮素会影响植物的光合产物和激素水平,进而影响果树的生长发育和果实的产率[2-4]。研究表明,水分和氮素供应水平不仅影响葡萄的营养生长,同时对葡萄叶片光合特性、同化产物分配、呼吸作用、果实品质改善和产量等方面均产生影响[5]。
以水调氮,以氮促水提高了植物对水和氮的吸收效率进而调控了植株的生长,植物水肥利用的同时完成需要水肥一体化的技术来实现,这成为近几年研究的热点[6-7]。目前,国内外许多研究表明,水肥一体化的科学管理模式有助于植物碳水化合物的积累进而提高果实的产量品质[8-11]。施明等[12]研究发现,与常规施肥相比,滴灌施肥条件下增强了树体长势,提高了葡萄叶绿素含量,使叶片的光合特性增强,还原性糖含量增加,进而有助于葡萄产量的增加和果实品质的改善。Hebbar等[13]的施肥灌水研究发现,75%的滴灌施肥好于传统灌溉施肥。史星雲等[14]研究发现，适宜的水肥组合能够促进葡萄树新梢生长,增加酿酒葡萄的单粒质量,并对果实品质和果皮酚类物质有显著影响。曾庆华等[15]研究报道氮肥通过提高北玫葡萄果实的维生素C、糖酸比和产量品质来增加其经济效益；另外,氮肥含量的多少也影响葡萄树对氮、磷、钾元素的吸收。目前,研究施肥时期、施肥量分别对葡萄生长发育和产量品质等的影响比较多,但将施肥时期和施肥量结合起来对葡萄影响的研究比较少。本试验研究了荒漠区滴灌条件下,不同施氮量对葡萄叶片叶绿素荧光特性和碳代谢的影响,为酿酒葡萄在实践生产中科学合理的施用氮肥提供可参考的施肥依据。
1 材料和方法
1.1 试验材料与试验设计
1.1.1 试验田概况 2014-2015年在位于河西走廊东部的甘肃省武威市凉州区黄羊镇莫高葡萄酒原料基地进行试验,气候为比较干燥并且昼夜温差大的内陆荒漠性气候。该地区多年平均气温6.9 ℃,气温最高能达到40.8 ℃,最低达到-32.1 ℃,年降雨量191 mm,蒸发量2 130.8 mm,年平均日照时数为2 724.8 h,≥10 ℃的积温为2 800～3 200 ℃,无霜期150 d左右。土壤质地是沙壤土且有机质占0.62%,pH值7.8；试验地中的速效氮、磷、钾养分含量分别为0.9 g/kg,22 mg/kg和123 mg/kg,土壤容重为1.56 g/cm3,最大田间持水量为28%。
1.1.2 试验材料与设计 试验材料为10年生蛇龙珠(Cabernet gernischet)葡萄,采用东西朝向的单臂篱架栽培方式,株行距0.7 m×3.0 m。氮肥以单管滴灌方式施入,磷钾肥在出土后第1次注水前和果实转色期这2个时期施入,在葡萄树两侧挖沟分别施入过磷酸钙和硫酸钾750,825 kg/hm2。葡萄树生长发育所需的总灌水量为4 800 m3/hm2,分别为萌芽期675 m3/hm2、开花期900 m3/hm2、果实第1次膨大期900 m3/hm2、副梢生长期330 m3/hm2、果实第2次膨大期720 m3/hm2和越冬水1 275 m3/hm2。
以尿素(CO(NH2)2)为氮肥,施氮水平为N1(150 kg/hm2)、N2(300 kg/hm2)、N3(450 kg/hm2)、N4(600 kg/hm2),对照(CK)为0 kg/hm2。氮肥分别按30%,30%,10%,20%,10%的比例在萌芽前(出土后第1次灌水)、新梢旺长期、开花期、果实第1次膨大期、果实第2次膨大期时施入。1行植株为1个处理(行长60 m),按随机区组排列,重复3次。
1.2 测定指标及方法
1.2.1 叶绿素荧光参数 测叶片叶绿素荧光参数的时间为天晴的9:00-11:00,在花前5 d(DBF5)、花后20 d(DAF20)和花后50 d(DAF50)3个时期进行。随机选各处理每个小区内的3棵葡萄树,在每棵树上选生长良好的新梢的第2～3片叶测定,每个处理选取9片叶测定(注意尽量保持叶片原来的方位不变)。叶绿素荧光参数和叶绿素含量参照胡紫璟[16]的方法进行测定。ELISA测定试剂盒用于RuBp羧化酶活性的测定。
1.2.2 蔗糖代谢相关酶及代谢物 分别在花前5 d(DBF5)、花后20 d(DAF20)、花后50 d(DAF50)进行3次采样,取样时间点为天气晴朗的9:00-11:00。各处理的每个小区内选择不同植株上不同着生方位的功能叶片进行取样,每株葡萄树选取2～3个主枝；用打孔器将叶片的不同部位打成1 cm2的碎片后混匀,按不同指标所需的量称取后在-80 ℃超低温冰箱中保存,各处理设置3次重复,用于测定糖代谢相关指标。叶片蔗糖合成酶(SS)、蔗糖磷酸合成酶(SPS)、酸性转化酶(AI)和中性转化酶(NI)采用从南京建成生物研究所购买的试剂盒测定[17]。叶片可溶性糖(葡萄糖、果糖和蔗糖)含量和淀粉含量参照任凌燕等[18]和邓榆川等[19]的方法测定。
1.2.3 果实品质的测定 开花期时,在各处理的每个小区内的每株葡萄树上选取3个果穗进行标记,然后统计开花数,待统计的花穗坐果后统计坐果数,计算坐果率。在果实成熟期,在各处理每个小区树体的上、中、下(保证取样的均匀性)各采1串葡萄,每处理各采9串,标记后带到实验室,进行果实品质指标的测定。
采用NaOH中和滴定法测定可滴定酸[20]；参照张彪[21]的方法测定单宁含量；参照胡紫璟[16]的方法测定花青素含量和果实单粒质量。
1.2.4 葡萄产量计算 产量参照胡紫璟[16]的方法进行计算。
1.3 数据处理与分析
数据用Excel 2010软件进行整理,采用SPSS statistics 17.0软件进行数据统计和方差分析(P<0.05),作图用 Origin 9.0软件。
2 结果与分析
2.1 氮肥施用量对葡萄叶片叶绿素荧光参数的影响
如图1所示,随着生育期的推进,叶片Fv′/Fm′呈升高的变化趋势,ΦPSⅡ和qP呈先降后升的变化趋势,而NPQ表现先升后降的变化趋势且在DAF20时达到峰值。在DBF5时,N2和N3处理的Fv′/Fm′显著高于其他处理且与CK相比增加10.5%和12.5%,而N4处理显著低于CK；在DAF20和DAF50时的Fv′/Fm′均以N2处理最大,显著高于其他处理。3个时期N1、N2和N3的叶片ΦPSⅡ均显著高于CK和N4,但N4处理与CK无显著差异。在DBF5时,qP随氮肥用量的增加呈逐渐升高的趋势,而在DAF20和DAF50时,qP随氮肥用量的增加呈先升后降的变化趋势,且N2处理值最大。NPQ随氮肥用量的增多在DBF5和DAF50时均呈逐渐降低的趋势,此时N4处理的NPQ分别比CK显著降低了9.60%和53.76%。Fv′/Fm′、ΦPSⅡ和qP值在N2处理变化幅度最大,在DAF20时比CK分别显著增加16.10%,21.49% 和11.77%,而在DAF50时比CK分别显著增加17.80%,21.13% 和19.73%。
图中不同小写字母表示在0.05水平下同一生育期不同氮素水平间的显著性差异。图2-4同。 The different lowercase letters in the figure indicate significant differences between different nitrogen levels during the same growth period at 0.05 levels. The same as Fig.2-4.
图1 氮肥施用量对葡萄叶片叶绿素荧光的影响
Fig.1 Effects of nitrogen application rate on the chlorophyll fluorescence of grape leaves
2.2 氮肥施用量对葡萄叶片RuBp羧化酶活性和叶绿素含量的影响
各处理蛇龙珠叶片RuBp羧化酶活性和叶绿素含量测定结果(图2)显示,RuBp羧化酶活性随葡萄的生长持续增大在DAF50达到峰值；随施氮量增多酶活性在DBF5时呈升高的变化趋势,而在DAF20和DAF50时呈先升后降的变化趋势,并在DAF20和DAF50的N3处理酶活性最高,且与CK差异显著。N4处理RuBp羧化酶活性在DBF5时是CK的3.88倍,N3处理 RuBp羧化酶活性在DAF20和DAF50时比CK显著升高了59.4%和12.7%。随着植株生长天数的增加,叶绿素含量在花前显著低于花后,而DAF50时叶绿素含量略低于DAF20。在DBF5和DAF50时,各处理间的叶绿素含量差异不显著,在DAF20时,叶绿素含量随施氮量的增加而呈缓慢升高的趋势,除N1处理外,其他氮处理的叶绿素含量均显著高于CK,其中,N4处理比CK提高了9.8%。可见,适宜的施N处理有助于葡萄树叶片RuBp羧化酶活性和叶绿素含量的提高。
图2 氮肥施用量对葡萄叶片叶绿素含量和RuBp羧化酶活性的影响
Fig.2 Effects of nitrogen application rate on chlorophyll content and RuBp carboxylase activity of grape leaves
2.3 氮肥施用量对葡萄叶片蔗糖代谢相关酶活性的影响
如图3所示,随着生育期的发展,SPS、SS、AI和NI酶活性呈升高趋势并均在DAF50时酶活性最高。除SPS在DAF50时N3与CK间无显著差异外,各时期施氮处理的SPS和SS酶活性均以N3处理增幅最大且与CK差异显著；AI和NI酶活性(以鲜质量计)在DBF5和DAF20时以N2处理增幅最大而DAF50时以N1处理增幅最大。其中,在生育期DAF50时,N3处理叶片SPS和SS活性比同期CK分别增加1.23%和18.46%,而N1处理叶片AI和NI活性比CK分别增加了11.99%和8.36%。因此,适宜的施氮量可以提高葡萄叶片SPS、SS、AI和NI酶活性,但缺氮或过量氮可导致叶片蔗糖代谢相关酶活性降低,其中N3处理有助于SPS和SS酶活性的提高,N2处理在DBF5和DAF20有助于AI和NI酶活性的提高,而N1处理有助于AI和NI酶活性在DAF50时的提高。
图3 氮肥施用量对葡萄叶片蔗糖代谢相关酶活性的影响
Fig.3 Effects of nitrogen application rate on sucrose metabolism related enzyme activities of grape leaves
2.4 氮肥施用量对葡萄叶片蔗糖代谢物的影响
各处理蛇龙珠叶片碳水化合物含量测定结果(图4)显示,在整个生育时期,叶片中花前淀粉含量(以干质量计)高于花后,在DAF20时含量最少；在DBF5和DAF20时,N1和N2处理淀粉含量显著高于CK,DBF5时的N3处理与CK无显著差异而N4处理显著低于CK，DAF20时的N3和N4处理显著低于CK；在DAF50时,施氮处理的淀粉含量均显著低于CK。叶片中葡萄糖和果糖的含量(以干质量计)在花前与花后变化不大,而花后蔗糖含量(以干质量计)较花前增高幅度较大；与同期CK相比,施氮处理提高了叶片中葡萄糖、蔗糖和果糖的含量(果糖DAF50时N4处理外),且随施N量的增加呈先增加后减少的变化趋势。在DBF5～DAF50时,同CK相比,葡萄糖和果糖含量均以N2处理增幅最大而蔗糖含量以N3处理增幅最大,且均较CK差异显著。N2处理果糖和葡萄糖含量以及N3处理蔗糖含量在DBF5～DAF50时分别比CK显著增加了13.55%,17.15%,20.99%和40.16%,30.87%,14.94%及71.79%,31.71%,29.80%。说明有利于葡萄树叶片葡萄糖、果糖和蔗糖含量积累的氮肥施用范围为300～450 kg/hm2。
图4 氮肥施用量对葡萄叶片蔗糖代谢物的影响
Fig.4 Effect of nitrogen application rate on sucrose metabolites of grape leaves
2.5 氮肥施用量对蛇龙珠果实品质和产量的影响
由表1可知,随着氮肥含量的增多,果实可溶性糖、单宁及果皮花青素含量呈现先升后降的趋势,糖酸比也是先升后降的趋势,均在N2处理值最大且与CK相比分别增加了16.4%,46.8%,25.6%,12.7%。而各施氮处理与不施氮相比显著提高了可滴定酸含量,N2处理最少。坐果率随施氮量增加呈先增后降趋势,而施氮处理下的坐果率均显著高于CK,N3坐果率最高,其次是N2,二者差异不显著。与CK相比,氮素处理更有利于果实质量和产量的提高,且随着施氮量的增加,施氮处理间的果实单粒质量差异不显著,N4处理的产量比CK提高36.90%,显著高于N1和N2,但与N3差异不显著,产量在N1、N2和N3处理下无显著性差异。
表1 氮肥施用量对葡萄果实品质和产量的影响
Tab.1 The effect of nitrogen application rate on fruit quality and yield of grape berry
处理Treatment可溶性糖/(mg/g)Soluble sugar可滴定酸含量/(mg/mL)Titratable acid content糖酸比Sugar to acidratio单宁含量/(μg/g)Tannin content花青素含量Anthocyanin content坐果率/%Fruiting rate单粒质量/g Single weight产量/(t/hm2)YieldCK234.64±2.18c6.29±0.06d28.44±1.30c3.56±0.19b9.55±1.30c28.60±1.06d1.93±0.18b11.68±0.14cN1253.79±6.04b7.07±0.04b35.88±0.68b3.69±0.12b10.44±0.68ab31.00±0.29c2.18±0.09a14.40±0.36bN2273.20±4.05a6.55±0.07c41.74±1.18a4.47±0.13a10.76±1.18a34.13±0.50ab2.21±0.34a14.50±0.09bN3233.21±5.55c7.34±0.12a31.91±1.46c4.08±0.15ab10.40±1.46ab36.23±0.52a2.17±0.11a15.07±0.68abN4229.98±0.20c7.37±0.05a31.39±0.09c4.03±0.31ab10.26±0.09b33.17±1.28b2.23±0.06a15.99±0.34a
注:不同小写字母表示差异在0.05水平显著。
Note: Different small letters indicate significant difference at P<0.05 level.
3 讨论与结论
叶绿素含量的多少直接影响光能转化率和光合产物的形成。增施氮肥提高了玉米叶片的光合作用,延长了叶片叶绿素含量降低和最大光合速率持续的时间,提高了光合性能[22]。试验结果表明,适宜的氮肥促进叶片叶绿素含量的增加,有利于光合作用,施氮过多时,则效率下降；在DBF5时,N4处理最有利于RuBp羧化酶活性增强,而在DAF20和DAF50时,N3处理的RuBp羧化酶活性较CK显著增强,这与马冬云等[23]在小麦旗叶中研究结果相一致。适宜的灌水施肥改善了树体的光合性能,并可增强棉花叶片的Fv′/Fm′及光能的利用效率[24]。本研究结果表明,适宜的施N量提高了叶片的Fv′/Fm′、ΦPSⅡ和qP值,而不同时期的同一处理的变化不同,N2和N3处理提高了Fv′/Fm′、ΦPSⅡ和qP值,但N4处理(DBF5时的qP除外)反而降低；在DBF5和DAF50时,随氮肥用量的增加,NPQ逐渐减小。说明适量施用氮肥促进葡萄叶片PSⅡ反应中心的活性和电子捕获效率,有利于葡萄的光合作用,而氮肥过量容易导致叶片发生光抑制,不利于葡萄的生长发育,这与伊海龙等[25]在甜菜上的研究一致。因此,氮肥的合理追施,能够改变葡萄叶片的叶绿素荧光参数值,促进光合产物的积累,张旺锋等[24]研究的结果也证实了这一点。
蔗糖代谢相关酶在植物叶片光合作用合成糖的过程中发挥着重要的作用[26],而SPS、SS、AI和NI的活性以及叶片中糖的含量受氮肥的影响[27]。陈洋等[28]研究表明，氮肥用量适宜有利于春玉米穗位叶片SPS活性的增强。本研究表明,葡萄的SPS活性在DAF50时达到峰值,不同时期不同施氮量对SPS活性的影响不同,N3处理在DBF5和DAF20时的SPS活性显著高于CK,而N3处理SPS在 DAF50时高于CK但二者无显著差异,表明从葡萄开花到果实膨大,N3处理的施氮量有助于叶片中糖的积累；在葡萄的生长发育期,SS在DBF5和DAF20酶活大小相近,但在DAF50时酶活性迅速增强；从DBF5到DAF50,N3处理SS活性均显著高于CK。因此,保证SS和SPS酶在蔗糖合成过程中高效发挥作用需要合理的施用N素。植物体内的葡萄糖和果糖是通过转化酶催化蔗糖而得到的。李丹[29]研究也表明了转化酶活性受氮肥多少的影响,增加氮肥用量提高了转化酶的活性,但氮肥施入过量反而降低了转化酶活性,并且酶活性的变化在花前与花后存在差异。本试验结果表明,AI和NI的酶活性随葡萄树生育期的推进逐渐增强,而在不同生育期增施氮肥AI与NI活性呈先增强后减弱；AI与 NI在DBF5和DAF20时,N2处理的AI和NI活性显著高于CK,而在DAF50时,N1处理的AI和NI酶活性高于CK但差异不显著,这表明葡萄的生育期和氮素营养同时影响了叶片转化酶的活性。蔗糖是光合作用的主要产物,在植物中通过库向源的方式进行运输,因此,蔗糖的合成与分解过程对叶片光合产物的积攒与运输起到了一定的调节作用[30]。本研究结果表明,随葡萄的生长和氮肥的施加,叶片蔗糖含量的变化趋势为先升后降,在DAF20时达到最大值,且各个时期均以N3处理含量最高,表明氮素营养对葡萄树花后蔗糖的合成与积累有促进作用,但在果实膨大后对营养物质需求的增多,使蔗糖从叶片运输到果实,减少了叶片中蔗糖的含量,但N4处理使葡萄树每个时期的叶片蔗糖含量都降低,表明N4处理不利于叶片蔗糖的积累。葡萄树不同生育期的不同施氮量对叶片葡萄糖和果糖含量的影响不同,随施氮量的增加葡萄糖和果糖含量先增加后降低,整个生育期葡萄糖和果糖含量均在N2处理最高,且与CK差异显著。试验中各种因素会影响叶片中还原糖的含量,如氮素种类、施氮水平、葡萄品种等,而前人研究与本试验略有不同的是叶片中还原糖的含量因氮肥增加而减少[31]。一般认为,土壤中氮肥含量过高,会使叶片中淀粉的积累受阻,导致植物光合作用的减弱和蔗糖代谢途径的下降。本试验结果表明,叶片淀粉含量在DBF5～DAF50时呈先降低后升高的变化趋势,在DAF20时淀粉含量积累最少,DBF5时积累最多,这2个时期N1、N2处理淀粉含量显著高于CK,而N3、N4低于CK；在DAF50时淀粉含量最低且随氮肥的增多先降低后升高,这些结果表明N2和N3处理有利于果实品质的提高。
彭福田等[32]研究表明,施氮可使植物达到“氮增碳”的效果,提高植物叶片的光合能力,促进碳水化合物的合成,增强果库活力,延长果实的生长发育期,最终影响果实的产量品质。本研究发现,提高施氮量可有效提高果实可溶性总糖含量和增大糖酸比,但土壤中过量的N素施用量(N3、N4)会导致果实中可溶性糖不易积累；葡萄皮中花青素含量的积累受氮肥含量的影响,施氮量为300 kg/hm2(N2)时有助于葡萄果皮中花青素含量的增加,而超过300 kg/hm2(N2)时花青素含量减少；葡萄坐果率随氮肥用量的增加呈先升后降的趋势,N3处理坐果率最高,而N4处理降低了葡萄坐果率；施氮量对果实单粒质量和果实产量有促进作用,会随氮肥用量的增加果粒增大产量增多。因此,氮素营养对提高葡萄产量和品质有重要意义。
综上所述,氮肥用量在300 kg/hm2(N2)～450 kg/hm2(N3)内提高了葡萄叶片的光合作用,增强了叶片中蔗糖代谢相关酶的活性,促进了还原糖的积累和葡萄树营养的增加,增强了树体长势,进一步提高了叶片的氮素利用率,提高了酿酒葡萄品质、增加了产量。
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