秦啟杰，車(chē)旭升，羅 建，張 輝，馮 致，張國(guó)斌，郁繼華

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

紫甘藍(lán)是甘肅省蘭州市榆中縣高原夏菜主要種類(lèi)之一，是當(dāng)?shù)剞r(nóng)民致富增收的重要蔬菜作物。榆中縣是全國(guó)典型的干旱區(qū)域，水資源匱乏是發(fā)展當(dāng)?shù)馗咴牟说淖畲罄_。加之農(nóng)民為了追求蔬菜高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)效益最大化，過(guò)量施肥問(wèn)題普遍存在，由于過(guò)量施肥造成蔬菜產(chǎn)量偏低、品質(zhì)變劣，直接經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重，而且引起了一系列的環(huán)境問(wèn)題［1］。

水分和養(yǎng)分是作物生長(zhǎng)發(fā)育的兩大關(guān)鍵影響因子，水是養(yǎng)分發(fā)揮的關(guān)鍵，養(yǎng)分是打開(kāi)水土系統(tǒng)的鑰匙，水肥耦合可以達(dá)到高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效吸收水肥的目的［2-4］。可以通過(guò)觀察葉片的顏色變化來(lái)監(jiān)測(cè)作物氮素營(yíng)養(yǎng)狀況，同時(shí)植物葉綠素含量與氮素水平有較好的正相關(guān)性，可作為氮素脅迫的指示器［5］。氮代謝與作物的生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量密切相關(guān)［6］，作物氮素利用效率取決于其氮代謝及抗性相關(guān)酶對(duì)氮素的響應(yīng)機(jī)制［7］，而硝酸還原酶（NR）、谷氨酰胺合成酶（GS）、谷氨酸合成酶（GOGAT）等酶是反映植物氮代謝能力的重要指標(biāo)。

氮素代謝途徑是指在NR、谷氨酸脫氫酶（GDH）、GOGAT 及GS 等關(guān)鍵酶的作用下將硝態(tài)氮（NO3--N）轉(zhuǎn)化成氨基酸和蛋白質(zhì)的過(guò)程。正常環(huán)境條件下，當(dāng)外來(lái)的NO3--N 進(jìn)入細(xì)胞后，首先NO3--N在位于細(xì)胞質(zhì)中NR的作用下還原成亞硝酸鹽，亞硝酸鹽再進(jìn)一步還原成銨態(tài)鹽。GSGOGAT 途徑作為氮代謝同化銨態(tài)氮（NH4+-N）的關(guān)鍵途 徑［8-9］，將進(jìn)入植物體的NH4+-N 最終同化形成氨基酸和蛋白質(zhì)，以降低NH4+-N在細(xì)胞組織中的積累，進(jìn)而減少銨毒害［10］，同時(shí)形成的氨基酸和蛋白質(zhì)是植物體內(nèi)游離氨基酸和可溶性蛋白等大分子合成的主要供體［11-12］。GDH 是氨同化過(guò)程中的次要途徑，也是對(duì)氨同化過(guò)程中的補(bǔ)充，在植物遭受環(huán)境脅迫時(shí)，對(duì)NH4+的再合成起著極其重要的作用［13］。本課題組前期的研究表明，氮代謝酶活性及相關(guān)物質(zhì)含量與松花菜產(chǎn)量之間呈顯著的正相關(guān)［14］。因此，研究不同水肥處理下的氮代謝強(qiáng)弱對(duì)紫甘藍(lán)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)栽培具有重要意義。所以，本試驗(yàn)結(jié)合當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)條件，以高原夏菜主要栽培種類(lèi)之一的紫甘藍(lán)為試材，以當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)水肥管理為基礎(chǔ)，研究不同水肥處理對(duì)紫甘藍(lán)功能葉片氮代謝差異及產(chǎn)量的影響，探索紫甘藍(lán)高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)的節(jié)水省肥管理制度。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本試驗(yàn)于2019 年3～6 月在甘肅省蘭州市榆中縣清水驛稠泥河村進(jìn)行。該地區(qū)平均海拔1790 m，年平均氣溫6.6 ℃，年降水量350 mm 左右，蒸發(fā)量為1343.1 mm，無(wú)霜期180 d 左右。供試土壤為壤土，肥力均勻。供試作物為紫甘藍(lán)（歐美羅），供試肥料均使用水溶肥，分別為四川什邡德美實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的德美二銨（P2O5≥53.0%、N ≥20.8%）和硫酸鉀（K2O ≥52.0%）；云南云天化股份有限公司生產(chǎn)的尿素（N ≥46.0%）；華諾聯(lián)邦磷酸二氫鉀（P2O5≥52%、K2O ≥34%）。耕層（0～20 cm）土壤基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 供試土壤理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)以當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)水肥管理為對(duì)照組（CK），試驗(yàn)組使用水肥一體化，采用雙因素交互設(shè)計(jì)，因素一為灌水量，設(shè)有3 個(gè)梯度W1、W2 和W3，其中W1是最大田間持水量的80%，W2 是最大田間持水量的60%，W3 是最大田間持水量的40%，灌水上限統(tǒng)一設(shè)定為最大田間持水量的95%，具體情況見(jiàn)表2。用烘干法監(jiān)測(cè)土壤含水量，待含水量到設(shè)定灌水下限時(shí)，灌水至上限，用水表記錄灌水量。因素二為施肥量，設(shè)有3 個(gè)水平F1、F2、F3，其中高肥（F1 為當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)施肥量），中肥（F2 為80%當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)施肥量），低肥（F3 為60%當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)施肥量）。試驗(yàn)開(kāi)始前施用基肥N、P、K（108、276、0 kg/hm2），追肥分5 次進(jìn)行，每次施肥量相同，具體情況見(jiàn)表3。水肥一體化處理組合灌水施肥均通過(guò)灌溉系統(tǒng)進(jìn)行，灌溉系統(tǒng)主要有水泵，文丘里施肥器，管道系統(tǒng)，滴箭。3 月8 日育苗，4 月17 日選擇大小一致，無(wú)病蟲(chóng)害，生長(zhǎng)健壯的幼苗進(jìn)行定植。定植當(dāng)天澆一次緩苗水，10 d 以后進(jìn)行正常的水肥處理。

表2 不同水肥組合灌水情況

表3 不同水肥組合施肥情況 （kg/hm2）

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

葉片：分別在蓮座期、結(jié)球期、采收期每小區(qū)選9 棵植株，每棵植株上選取一片朝向相同的功能葉片測(cè)定氮代謝相關(guān)酶，每個(gè)處理9 次重復(fù)。

葉綠素含量：采用丙酮法測(cè)定［15］?？扇苄缘鞍踪|(zhì)含量：采用考馬斯亮藍(lán)G-250 染色法測(cè)定，NR 活性：采用離體法測(cè)定［16］。

GS、GOGAT 和GDH活性：采用試劑盒測(cè)定（購(gòu)自蘇州科銘生物技術(shù)有限公司），以每克組織每分鐘消耗1 nmol NADH 定義為一個(gè)酶活力單位。

干鮮重：每處理分別在蓮座期、結(jié)球期、采收期避開(kāi)邊緣效應(yīng)隨機(jī)抽取9 個(gè)完整的樣品進(jìn)行測(cè)定。根的挖取方法如下：以植物的莖為圓心，對(duì)應(yīng)不同時(shí)期分別以10、15、20 cm 為半徑，并挖掘30 cm 深度的土壤柱狀塊，確保根的完整性，并分別清潔干凈。將植株分為地上部分和地下部分，分別稱(chēng)量鮮重，在105℃干燥0.5 h，隨后在70℃烘干，測(cè)定各部分的干物質(zhì)質(zhì)量。

產(chǎn)量測(cè)定：當(dāng)紫甘藍(lán)適合采收時(shí)，每小區(qū)避開(kāi)邊緣效應(yīng)測(cè)取4.05 m2（共20 株）內(nèi)的紫甘藍(lán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量，然后再換算成公頃產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

利用Excel 2010 軟件處理數(shù)據(jù)和作圖，用SPSS 19.0 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，并運(yùn)用Duncan’s 檢驗(yàn)法對(duì)顯著性差異（P＜0.05）進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 水肥耦合對(duì)紫甘藍(lán)功能葉片生理的影響

2.1.1 水肥耦合對(duì)紫甘藍(lán)功能葉片葉綠素含量的影響

由圖1 可知，不同水肥處理下紫甘藍(lán)功能葉片葉綠素含量在各生育期均以W2F2 最高，較CK 分別增加20.74%、22.73%、23.24%。水肥一體化處理在相同灌水量條件下，不同時(shí)期葉綠素含量隨著施肥量的減少呈現(xiàn)相同的趨勢(shì)，在W1、W3 條件下，葉綠素含量隨著施肥量的增加而增加，在W2條件下，葉綠素含量表現(xiàn)為：F2＞F1＞F3。水肥一體化處理在相同施肥量條件下，不同時(shí)期葉綠素含量隨著灌水量的減少趨勢(shì)一致，在F1、F3 條件下，葉綠素含量隨著灌水量增加而增加，在F2 條件下，葉綠素含量在W2 條件下最高，W1 次之，W3最低。

2.1.2 水肥耦合對(duì)紫甘藍(lán)功能葉片硝酸還原酶活性的影響

由圖2 可知，不同水肥處理下紫甘藍(lán)功能葉片NR 活性整個(gè)生育期呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，隨生長(zhǎng)時(shí)期的延伸，在各生育期均以W2F2 最高，分別較CK 提高了28.49%、18.18%、66.41%，各時(shí)期內(nèi)水肥一體化處理NR 活性均高于CK 處理。不同生育期內(nèi)，水肥一體化處理，在同一灌水下限時(shí)，NR 活性隨著施肥量的增加均表現(xiàn)為先上升后下降；在同一施肥量時(shí)，NR 活性隨著灌水量的增大亦均表現(xiàn)為先上升后下降。

2.1.3 水肥耦合對(duì)紫甘藍(lán)功能葉片谷氨酰胺合成酶活性的影響

GS 是衡量植物氮素同化水平的一項(xiàng)重要生理指標(biāo)，在作物體內(nèi)催化谷氨酸和銨離子合成谷氨酰胺，可防止銨離子積累中毒。由圖3 可知，不同水肥處理下紫甘藍(lán)功能葉片GS 活性在整個(gè)生育期呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。從各個(gè)生育期來(lái)看，W2F2 處理GS 活性最高，在蓮座期、結(jié)球期、采收期分別較CK 升高136.67%、51.03%、21.21%；水肥一體化處理在相同灌水量條件下，不同時(shí)期GS 活性趨勢(shì)相同，其中，在W1、W3 條件下，GS活性隨著施肥量的減少呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)；在W2 條件下，GS 活性隨著施肥量的增加而升高。在相同施肥量條件下，紫甘藍(lán)GS 隨著灌水量減少呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。

2.1.4 水肥耦合對(duì)紫甘藍(lán)功能葉片谷氨酸合成酶活性的影響

由圖4 可知，不同水肥處理下紫甘藍(lán)功能葉片GOGAT 活性在整個(gè)生育期呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。從各個(gè)生育期來(lái)看，W2F2 處理葉片GOGAT活性均達(dá)到最大，分別在蓮座期、結(jié)球期、采收期較CK 顯著提高76.45%、115.81%、164.33%。水肥一體化處理，在各時(shí)期內(nèi)，相同灌水量條件下，隨施肥量的增加，GOGAT 活性表現(xiàn)為先增后減的趨勢(shì)。水肥一體化處理，在蓮座期，GOGAT 活性在同一施肥條件下，隨灌水量增加表現(xiàn)為先升后降的趨勢(shì)。在結(jié)球期、采收期，GOGAT 活性在F1、F3 條件下，表現(xiàn)為W1＞W(wǎng)2＞W(wǎng)3；在F2 條件下表現(xiàn)為：W2＞W(wǎng)1＞W(wǎng)3。

2.1.5 水肥耦合對(duì)紫甘藍(lán)功能葉片谷氨酸脫氫酶活性的影響

由圖5 可知，不同水肥處理下紫甘藍(lán)功能葉片GDH 活性在整個(gè)生育期內(nèi)均以W2F2 處理最大，在蓮座期、結(jié)球期、采收期較CK 處理分別顯著提高13.11%、10.79%、11.84%。從各生育期來(lái)看，在相同灌水量條件下，不同時(shí)期GDH 活性均隨著施肥量的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。水肥一體化處理，在相同施肥量條件下，不同時(shí)期GDH 活性趨勢(shì)一致。在F1 條件下，GDH 活性隨著灌水量的增加而增加（除采收期W2＞W(wǎng)3，但并無(wú)顯著差異）；在F2、F3施肥條件下，以W2 最高，W3 次之，W1 最低。

2.1.6 水肥耦合對(duì)紫甘藍(lán)功能葉片可溶性蛋白的影響

由圖6 可知，不同水肥處理下紫甘藍(lán)功能葉片可溶性蛋白含量在整個(gè)生育期內(nèi)表現(xiàn)為先升高后降低。從各生育期來(lái)看，W2F2 處理葉片可溶性蛋白含量最高，較CK 處理分別增高5.56%、5.02%、16.22%。同一生育時(shí)期內(nèi)，水肥一體化處理，在同一灌水下限時(shí)，可溶性蛋白含量隨著施肥量的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。水肥一體化處理，相同施肥量條件下，各時(shí)期葉片可溶性蛋白含量隨灌水量的增加表現(xiàn)為先升后降的趨勢(shì)。

2.2 水肥耦合對(duì)紫甘藍(lán)干物質(zhì)量和產(chǎn)量的影響

2.2.1 水肥耦合對(duì)紫甘藍(lán)干物質(zhì)量的影響

由表4 可知，隨著紫甘藍(lán)生育期的推進(jìn)，各處理根干重和地上部干重由蓮座期1.853～2.528 g和36.850～45.157 g 到結(jié)球期6.495～10.313 g和116.707～170.572 g，再增長(zhǎng)到采收期8.711～14.178 g 和139.896～196.622 g。從各生育期來(lái)看，在蓮座期，不同水肥處理之間的根干重與地上部干重差異不顯著；在結(jié)球期，根干重在W1F2、W2F1、W2F2、W2F3、W3F2、W3F3 處理下顯著高于CK 處理，水肥一體化處理地上部干重均顯著高于CK 處理，其中W2F2 處理根干重、地上部干重最大，較CK 處理分別增高58.78%、46.15%。在采收期，根干重以W3F2 處理最大，較CK 處理提高62.75%；地上部干重以W1F2 處理最高，W2F2 處理次之，但與W1F2處理并無(wú)顯著差異。蓮座期，各處理間根冠比無(wú)差異；結(jié)球期和采收期，在同一灌水下限時(shí)，水肥一體化處理根冠比隨施肥量的增加表現(xiàn)為降低的趨勢(shì)。

表4 水肥耦合對(duì)紫甘藍(lán)干物質(zhì)量的影響

2.2.2 水肥耦合對(duì)紫甘藍(lán)產(chǎn)量的影響

由圖7 可知，不同水肥處理下紫甘藍(lán)產(chǎn)量大小為：W2F2＞W(wǎng)1F2＞W(wǎng)2F1＞W(wǎng)1F1＞W(wǎng)3F1＞W(wǎng)1F3＞W(wǎng)1F3＞W(wǎng)2F3＞W(wǎng)3F3＞CK。W2F2 處理較CK 顯著增產(chǎn)16.37%。水肥一體化處理，在相同灌水量條件下，產(chǎn)量隨著施肥量的增加呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)；在同一施肥水平下，產(chǎn)量隨著灌水量的增加表現(xiàn)為W2＞W(wǎng)1＞W(wǎng)3。其 中，在F1 條件下，W2 較W1 和W3 分別增加0.79%和1.76%；在F2 條件下，W2較W1 和W3 分別增加4.12%和6.76%。在F3 條件下，W1＞W(wǎng)2＞W(wǎng)3，但處理間無(wú)顯著差異。

3 討論與結(jié)論

蔬菜產(chǎn)量和品質(zhì)主要取決于品種遺傳特性，但外在條件依然重要。生產(chǎn)上通過(guò)優(yōu)化蔬菜的生態(tài)環(huán)境和栽培措施來(lái)提高產(chǎn)量。水肥耦合效應(yīng)會(huì)影響葉色、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率及葉片中的各種酶活性，對(duì)植株的光合作用造成影響，進(jìn)而影響植株產(chǎn)量［17］。楊麗珍等［18］研究結(jié)果表明，適當(dāng)增施氮肥有利于提高作物葉片葉綠素含量。本試驗(yàn)結(jié)果同樣表明，在相同灌水量條件下，葉綠素含量隨著施肥量的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。水分脅迫能夠降低作物的葉綠素含量［19-21］。本試驗(yàn)結(jié)果也表明，在相同施肥量條件下，隨著灌水量的減少，葉綠素含量呈先升高后降低的趨勢(shì)，灌水下限60%時(shí)達(dá)到峰值，說(shuō)明適度降低土壤含水量使紫甘藍(lán)葉片水分減少，葉綠素濃縮使其含量增加。

氮素代謝主要依靠關(guān)鍵酶（NR、GS、GOGAT、GDH）將NO3--N 轉(zhuǎn)化成氨基酸和蛋白質(zhì)的過(guò)程，是植物體內(nèi)最基本、最重要的物質(zhì)代謝之一，其活性與土壤中肥料的供給水平息息相關(guān)［22］。何舞等［23］研究認(rèn)為隨著化學(xué)肥料施用量的加大，植株的硝酸鹽含量和NR 活性增加。牛巧龍等［24］研究表明，NR 隨著施氮量增加呈現(xiàn)單峰曲線變化的規(guī)律。本試驗(yàn)結(jié)果表明，在同一灌水下限時(shí)，隨施肥量增加葉片NR 活性呈先升后降的趨勢(shì)。張麗瑩［25］對(duì)黃瓜葉片研究發(fā)現(xiàn)，在中肥和高肥條件下，中等灌水量最有利于NR 活性的提高。本試驗(yàn)得到相似的結(jié)果，水肥一體化處理在同一施肥水平時(shí)，W2 處理較W1、W3 處理更能激發(fā)葉片NR活性。GS-GOGAT 途徑是氮代謝氨同化的關(guān)鍵途徑，最終同化形成氨基酸。Li 等［26］研究表明，在一定范圍內(nèi)增加施肥量，各生育期夏玉米葉片GS、GOGAT 活性顯著提高。本試驗(yàn)得到相似結(jié)果，在相同灌水量條件下，GS、GOGAT 活性隨著施肥量的增加呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì)。曹慧等［27］認(rèn)為水分脅迫下植株葉片中的GS、GOGAT 活性呈明顯的下降趨勢(shì)。本試驗(yàn)結(jié)果同樣表明，在相同施肥條件下，GS 活性隨著灌水量的減少呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。研究表明，較高氮素水平抑制GDH活性，而低氮素水平下GDH 活性增強(qiáng)［28］。本試驗(yàn)得出相似結(jié)果，在相同灌水條件下，GDH 活性隨著施肥量的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。蛋白質(zhì)作為氮素代謝的終極產(chǎn)物，其生物合成主要在NR、GS、GOGAT、GDH 等一系列酶促反應(yīng)下完成［29］。本試驗(yàn)得出，W2F2 處理葉片可溶性糖含量均高于其他處理，在相同灌水下限時(shí)，F(xiàn)2 處理葉片可溶性蛋白含量?jī)?yōu)于F1、F3 處理。高強(qiáng)度的水分脅迫會(huì)導(dǎo)致可溶性蛋白顯著降低［30］。本試驗(yàn)同樣得出，水肥一體化處理，在相同施肥量時(shí)，W1、W3 處理葉片可溶性蛋白含量均低于W2處理。

干物質(zhì)積累量可以反映作物本階段營(yíng)養(yǎng)狀況，而適宜的水肥配比可以改變作物的生態(tài)環(huán)境，從而增加植株的干物質(zhì)積累，獲得高產(chǎn)［20］，且灌水量和施肥量之間存在顯著交互作用［31］。姜芳紅等［32］研究發(fā)現(xiàn)，與農(nóng)民常規(guī)施氮方式相比，減氮施肥方式可以提高水稻產(chǎn)量。張智等［33］研究發(fā)現(xiàn)，隨著氮肥用量的降低，油菜氮素吸收量呈顯著下降的趨勢(shì)。而袁宇霞［34］研究發(fā)現(xiàn)，在番茄生長(zhǎng)旺盛期，過(guò)高的灌水下限和施肥量對(duì)番茄的干物質(zhì)量有抑制作用。高肥和低肥均不利于總干物質(zhì)量的積累、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的增加，高肥的抑制作用更明顯［35］。滴灌水肥一體化處理下良好的水肥氣熱條件，有利于作物根系的生長(zhǎng)，尤其是根毛豐富，活性好，保證了養(yǎng)分充分向上輸送［36］。本試驗(yàn)結(jié)果表明，水肥一體化處理的干物質(zhì)總積累量與產(chǎn)量均高于CK 處理且有顯著差異，以W2F2 最高。在相同施肥條件下，隨著灌水量的增加，干物質(zhì)量積累與產(chǎn)量以W2 處理最優(yōu)；相同灌水條件下，干物質(zhì)量與產(chǎn)量隨施肥量的增加呈先增后減的趨勢(shì)。這可能是因?yàn)檫m宜的水分條件有利于提高氣孔導(dǎo)度，在此條件下適量增施氮肥，有利于增加葉綠素含量，從而促進(jìn)了光合速率，增加產(chǎn)量［37］。唐玉霞等［38］也得到水肥耦合在作物栽培過(guò)程中具有一定的閾值，低于此閾值時(shí)增加水肥作物產(chǎn)量明顯增加，而高于此閾值時(shí)增產(chǎn)效果不明顯的結(jié)果。土壤肥力越高，植株吸收的化學(xué)氮肥越多，氮肥回收率也越高［39］。氮素供應(yīng)不足對(duì)地上部生長(zhǎng)限制程度較大，導(dǎo)致根冠比增大，這種碳水化合物分配比例的變化有利于根系生長(zhǎng)［40］。本試驗(yàn)同樣得出，水肥一體化處理可以調(diào)節(jié)養(yǎng)分分配、根冠比大小，同時(shí)得到在相同灌水量時(shí)，F(xiàn)3處理根冠比最高。

綜上所述，W2F2（60%田間持水量，N 394.8 kg/hm2，P2O5660 kg/hm2，K2O 216 kg/hm2）處理在氮代謝酶活性、干物質(zhì)量及產(chǎn)量方面優(yōu)于其他處理，與傳統(tǒng)水肥處理相比，W2F2 處理增產(chǎn)16.37%，節(jié)水58.27%，節(jié)肥20%，為提高紫甘藍(lán)產(chǎn)量及高品質(zhì)栽培提供一定的依據(jù)。