水氮配施对绿洲温室黄瓜氮素代谢及产量品质的影响

陈修斌，蒋梦婷，尹 鑫，关博文，杨 彬

(河西学院 农业与生态工程学院，甘肃 张掖 734000)

0 引 言

近年来，随着农业种植结构的调整，河西走廊设施蔬菜产业发展迅速[1]，成为典型的绿洲农业和大型灌溉农业区[2]。黄瓜是本区主要的温室种植蔬菜种类之一，多年来，生产上采用粗放水肥管理模式，不仅造成水分与氮素流失严重[3]，土壤盐渍化和硝态氮淋失，而且导致黄瓜产量和品质下降，因此如何进一步提高水氮利用率已经成为当前的研究热点。研究表明：土壤水分含量影响氮素的吸收与利用[4]，而氮素参与植株体的生理生化反应[5]，影响作物品质。

1 材料与方法

1.1 供试地状况

试验于甘肃省甘州区党寨镇日光温室蔬菜基地内进行，土壤耕层0～20 cm有机质含量10.0 g·kg-1，碱解氮52.1 mg·kg-1，速效磷8.8 mg·kg-1，速效钾132 mg·kg-1，pH为6.78，土质为灌漠土。供试黄瓜品种选择当地主栽的“卓越99F1”，本区以日光温室为主体的设施面积达7 666 hm2，该品种栽培面积达设施栽培面积的25%以上。

1.2 试验设计

设灌水量与施氮量两个因素[16]，灌水量参考李静等[17]设置3 个水平，处理W1：田间持水量的80%～95%；处理W2：田间持水量的65%～80%和处理W3：田间持水量的50%～65%；施氮量为3个梯度，分别为低氮(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为黄瓜目标产量180 t·a-1下的理论施肥量，N1和N3为N2基础上分别下浮50%和上浮50%[18]。不同水肥耦合模式见表1。

表1 不同水氮耦合模式Table 1 Irrigation and nitrogen coupling modes

采用随机区组设计，设9个处理，各处理种植1畦，畦长宽分别为6 m×1.2 m，每畦重复3次，2019年3月10号进行黄瓜育苗，4月20号定植，保苗数4.17×104株·hm-2。各小区间挖深度为40 cm沟进行隔离；试验采用膜下滴灌技术，利用水分测定仪控制土壤水分，测量土壤深度为20 cm；

灌水用量计算公式：

M=r×p×h×θf×(q1-q2)/η[19]

其中：M—灌水量(g·cm-2)；r-土壤体积质量(0～40 cm)，1.13 g·cm-3；p-土壤湿润比，取100%；h与θf代表灌水计划湿润层和最大田间持水率，取值为0.2 m和22%；q1与q2分别表示土壤水分上限和实际含水率；η-水分利用系数，滴灌取0.9，不同处理在达到田间持水率的下限时进行灌溉。试验中氮肥与磷肥，分别由尿素和重过磷酸钙提供，其含N、P2O5为46.4%和44%；钾肥由氯化钾(含K2O 60%)提供，试验中磷肥与钾肥的用量同生产相同，分别为分别600 kg·hm-2、375 kg·hm-2；磷肥在作畦时一次性施入，一半的钾肥与磷肥混施，另一半分二次与N肥作追肥，分别在黄瓜结瓜中期与末期施入。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 植株氮代谢酶活的测定。在黄瓜开花结瓜的初期(5月30日)、中期(6月30日)、末期(7月30日)，于上午10: 00时，用打孔器采集各小区叶片的混合样作为测定样品。硝酸还原酶活性参考张治安[20]测定，谷氨酰胺合成酶用王月福等[21]的方法测定，谷氨酸草酰乙酸转氨酶和谷氨酸丙酮酸转氨酶活性参照吴良欢[22]方法测定。

1.3.2 品质指标测定。于黄瓜结瓜中期，随机选取不同处理的3个果实，按高俊风[23]确定的方法测定果实可溶性糖、可溶蛋白质、果实Vc、可滴定酸与可溶性固形物。重复3次，取其平均值。

1.3.3 产量统计。在黄瓜结瓜后期(7月18日)，各处理随机选取3株测定株高、茎粗、叶片数与开展度；统计各处理单株产量、小区产量与经济产量，经济产量是指小区产量中有经济价值的产量经过折合成每公顷的产量。

1.4 数据分析

利用DPS 9.50 进行数据分析，用Microsoft Excel 2003软件进行绘图，采用Duncan′s法进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理对黄瓜硝酸还原酶与谷氨酰胺合成酶活性变化的影响

从图1可以看出，同一处理，黄瓜在结瓜中期的硝酸还原酶活性(NR)均高于前期与末期的活性。不同处理间，以采用处理田间持水量的65%～80%、施氮量为234 kg·hm-2(W2N2)的硝酸还原酶活性显著高于其他处理，硝酸还原酶活性在前期、中期、末期，分别为106 μg·h-1·g-1FW、195 μg·h-1·g-1FW与136 μg·h-1·g-1FW，显著高于其他处理(P<0.05)；由低氮(117 kg·hm-2)组成的水肥处理组合(W1N1、W2N2、W3N1)和由高氮(351 kg·hm-2)组成的水肥处理组合(W1N3、W2N3、W3N3)，其黄瓜叶片中硝酸还原酶活性低于由中氮(234 kg·hm-2)组成的水肥处理组合(W1N2、W2N2、W3N2)。

注：不同小写字母代表同一时期不同处理间差异显著(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.图1 不同处理对黄瓜硝酸还原酶活性影响Fig.1 Effect of different treatments on the nitrate reductase activity of cucumber

从图2显示，不同处理间，以采用处理W2N2(的谷氨酰胺合成酶活性(GS)明显高于其他处理，谷氨酰胺合成酶活性在结瓜前期、中期、末期，分别为1.54 A·h-1·g-1FW、1.98 A·h-1·g-1FW与1.26 A·h-1·g-1FW，明显高于其他处理；同一处理，在黄瓜生长的前期、中期、末期，其叶片中谷氨酰胺合成酶活性，均以中期为最高，各期谷氨酰胺合成酶含量均呈现结瓜中期>前期>末期的变化规律。各处理间谷氨酰胺合成酶活性由大到小的顺序为：W2N2> W1N2> W3N2> W1N3> W2N3> W1N1> W2N1> W3N3> W3N1。说明采用田间持水量50%～65%、施氮量为117 kg·hm-2的处理W3N1，其谷氨酰胺合成酶活性最低，这可能是由于较低土壤含量与较低施氮量组成的水肥耦合环境，对黄瓜生长产生了胁迫，从而导致叶片中谷氨酰胺合成酶活性的降低。

图2 不同处理对黄瓜谷氨酰胺合成酶活性影响Fig.2 Effect of different treatments on the glutamine synthetase activity of cucumber

从水分对硝酸还原酶在结瓜前期、中期与末期活性的影响呈现显著水平(表2)，氮肥及水氮交互作用对其活性影响均呈极显著水平；水分对谷氨酰胺合成酶活性在前期、中期影响呈显著水平，氮肥对谷氨酰胺合成酶活性在结瓜前期、中期、末期变化均呈现显著水平，而水分与氮肥交互作用对黄瓜在结瓜的中期与末期的谷氨酰胺合成酶活性呈极显著水平。

表2 水、氮及互作效应对黄瓜不同时期硝酸还原酶与谷氨酰胺合成酶活性影响的的方差分析(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)

2.2 不同处理对黄瓜谷氨酸草酰乙酸转氨酶和谷氨酸丙酮酸转氨酶活性变化的影响

不同处理对黄瓜叶片谷氨酸草酰乙酸转氨酶(GOT)活性的影响见图3。不同处理间，以处理W2N2的谷氨酸草酰乙酸转氨酶活性最高，显著高于其他处理(P<0.05)，处理W2N2在结瓜前期、中期、末期的数值分别为55.2 μmol·g-1·h-1、73.0 μmol·g-1·h-1、37.9 μmol·g-1·h-1；同一处理中，黄瓜叶片谷氨酸草酰乙酸转氨酶活性在结瓜前期、中期、末期的变化趋势为结瓜中期>前期>末期，说明随着植株的生长，其生长势不断增加，到结瓜旺期达到最大值，而后植株生长进入衰弱期，随着植株代谢能力的下降，其叶片中谷氨酸草酰乙酸转氨酶活性也随之降低。

图3 不同处理对黄瓜谷氨酸草酰乙酸转氨酶活性影响Fig.3 Effect of different treatments on the glutamate oxaloacetate transaminase activity of cucumber

黄瓜叶片中谷氨酸丙酮酸转氨酶活性的变化与谷氨酸草酰乙酸转氨酶(GPT)活性变化相似(图4)。不同处理中，以处理W2N2的谷氨酸丙酮酸转氨酶活性最高，在前期、中期、末期的数值分别为37.5 μmol·g-1·h-1、56.9 μmol·g-1·h-1、31.3 μmol·g-1·h-1，显著高于其他处理(P<0.05)；在黄瓜生长中期叶片谷氨酸丙酮酸转氨酶活性的大小顺序为：W2N2>W1N2>W3N2>W2N3>W1N1>W1N3>W3N3>W2N1>W3N1；同一处理，谷氨酸丙酮酸转氨酶 活性的变化也呈现结瓜中期>前期>末期的变化规律；说明黄瓜叶片中谷氨酸丙酮酸转氨酶活性的变化与谷氨酸草酰乙酸转氨酶活性的变化呈现正比例的关系。

图4 不同处理对黄瓜谷氨酸丙酮酸转氨酶活性影响Fig.4 Effects of different treatments on the glutamate pyruvate transaminase activity of cucumber

从水分、氮肥及互作效应对黄瓜不同时期谷氨酸草酰乙酸转氨酶与谷氨酸丙酮酸转氨酶活性活性影响看(表3)，水分对谷氨酸草酰乙酸转氨酶与谷氨酸丙酮酸转氨酶活性活性在黄瓜结瓜中期呈显著水平，氮肥对其在前期、中期与末期均呈显著影响；而水分与氮肥交互作用对黄瓜谷氨酸草酰乙酸转氨酶与谷氨酸丙酮酸转氨酶活性活性在结瓜的前期、中期与末期的影响均呈极显著水平。

表3 水、氮及互作效应对黄瓜不同时期谷氨酸草酰乙酸转氨酶与谷氨酸丙酮酸转氨酶活性活性影响的的方差分析(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)

2.3 不同处理对黄瓜农艺性状及产量的影响

表4显示，采用W2N1、W1N2处理的黄瓜株高显著高于其他处理；处理W3N1与W2N2的黄瓜茎粗差异不大，但显著高于其他水肥处理；处理W3N3的黄瓜叶片数最多，达到48片。采用田间持水量为65%～80%、施氮量为234 kg·hm-2的处理W2N2，其黄瓜植株在开展度、单株产量和经济产量等形态指标表现上最优，分别为71.4 cm、4.17 kg和174 t·hm-2，各处理的黄瓜产量顺序为：W2N2> W1N2> W3N2> W1N3> W2N3> W1N1> W2N1> W3N3> W3N1，这一变化与黄瓜叶片中NR、GS、GOT和GPT活性含量的变化相一致，说明叶片活性的高低直接影响到黄瓜产量的形成，叶片酶活性的增加，提高了黄瓜对水氮的吸收，促进了植株营养物质的积累和转化，植株保持较强的生长势与结瓜力[24]，因此造成了产量形成的差异。

从水氮互作的交互作用来看(表4)，水分对黄瓜株高的影响呈现极显著变化水平，而氮肥对茎粗的影响较大；氮肥对叶片数、开展度、单株产量和经济产量的影响均表现为显著水平；水氮交互作用对叶片数、开展度、单株产量和经济产量呈现极显著影响。

表4 水氮耦合对黄瓜成产因素的影响Table 4 Effects of irrigation and nitrogen coupling on cucumber yield components

2.4 不同处理对黄瓜品质的影响

从表5可以看出，采用田间持水量为65%～80%、施氮量为234 kg·hm-2的处理W2N2，其黄瓜果实中可溶性糖含量、可溶蛋白质与果实Vc含量最高，分别为4.06 mg·g-1、2.08 mg·g-1与24.8 mg·100 g-1，显著高于其他处理；处理W2N3可滴定酸的含量最高达到1.95%，处理W1N3可溶性固形物含量显著高于其他处理，其值达3.9%。说明以采用田间持水量为65%～80%、施氮量为234 kg·hm-2的W2N2处理黄瓜品质优于其他处理，这主要是由于处理W2N3条件下的土壤环境利于植株对养分的吸收，促进了同化物质在果实内的积累，从而提高了果实中可溶性糖含量、可溶蛋白质与果实Vc含量；其他水肥配比组合，由于营养失调导致品质指标含量高低不同[25]。

表5 水氮耦合对黄瓜品质的影响Table 5 Effects of irrigation and nitrogen coupling on cucumber quality

从水氮互作的交互作用分析看，水分与氮肥的交互作用对黄瓜果实可溶性糖含量影响最为显著，氮肥对果实中可溶蛋白质、Vc含量的影响呈现极显著变化水平；水分、水氮互作分别对果实中可滴定酸含量与可溶性固形物含量呈现极显著影响。

3 讨 论

硝酸还原酶是植物氮代谢硝酸盐同化过程中的限速酶[26]，是衡量氮代谢强度大小的重要指标，本试验中氮肥及水氮交互作用对硝酸还原酶活性影响达极显著水平，由较低土壤含水量组成的水肥处理(W3N1、W3N2、W3N3)与较高土壤含水量组成的水肥组合(W1N1、W1N2、W1N3)，其黄瓜叶片硝酸还原酶活性均低于中等含水量组成的处理(W2N1、W2N2、W2N3)，说明土壤含水量过高或过低时，水氮配比营养失调，影响了黄瓜对氮素吸收与利用，表现为硝酸还原酶活性的降低，这与孙永健等[27]在水稻上的研究结果相一致。

谷氨酰胺合成酶是高等植物氨同化的主要酶[28]，其活性高低会影响到植株体内氨基酸和蛋白质的代谢。本研究结果显示，水分、氮肥对谷氨酰胺合成酶活性在前期、中期影响呈现显著水平，水分与氮肥交互作用对谷氨酰胺合成酶活性中期与末期影响呈极显著水平。采用W2N2处理的黄瓜叶片中谷氨酰胺合成酶最高，说明适宜的水肥配比，可以提高氮素在植株体中的代谢。随着黄瓜植株个体的生长，前期生长量较小，对氮素吸收速度较弱，到中期达到最大值，后期由于生长势的降低，对氮素吸收变弱，因此表现为谷氨酰胺合成酶含量在不同生长时期呈现中期>前期>末期的变化规律，这与张丽莹等[29]研究结果一致。

谷氨酸草酰乙酸转氨酶和谷氨酸丙酮酸转氨酶在无机氮转化为有机氮的过程中起关健作用[30]，本研究中水分、氮肥对谷氨酸草酰乙酸转氨酶和谷氨酸丙酮酸转氨酶活性在黄瓜中期均呈显著影响，而水氮交互作用对谷氨酸草酰乙酸转氨酶和谷氨酸丙酮酸转氨酶活性在黄瓜不同生育时期均呈极显著水平。由W1与50%～60%含水量条件下，其组成的水肥处理组合处理，黄瓜叶片中谷氨酸草酰乙酸转氨酶和谷氨酸丙酮酸转氨酶的活性均低于在65%～80%含水量下的水氮配比组合，说明在土壤含水量过高或过低时，其水氮组成的土壤溶液条件对黄瓜植株代谢产生了胁迫，植株吸收营养与水分的功能降低，从而导致养分在体内运转与合成受到了障碍，导致植株代谢处于较低水平，这与前人在小麦的研究相同[31]。

水氮互作与黄瓜的产量和品质关系密切，本试验中水氮交互作用对叶片数、开展度、单株产量和经济产量呈现极显著影响，采用W2N2的水氮处理，其黄瓜植株在开展度、单株产量和经济产量等性状表现上优于其他处理，究其原因是本处理下的水氮配比，促进植株氮代谢酶活性的提高，从而促进了植株对水分与氮素吸收，植株保持较强生活力，因此其产量上显著高于其他处理。同时，本处理下，施入土壤中的硝态氮由于硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶、谷氨酸草酰乙酸转氨酶与谷氨酸丙酮酸转氨酶活性的增强，促进了向铵态氮的转化，因此表现出果实中可溶性糖含量、可溶蛋白质与果实Vc含量增高。水分、水氮互作分别对果实中可滴定酸含量与可溶性固形物含量呈现极显著影响，而氮肥对果实中可溶蛋白质、Vc含量呈极显著影响，这一研究结果与赵宏伟等[32]研究结果相同。

植物体内可溶蛋白质含量高低一方面标志着源端对同化物的供应能力，一方面也反映出库端对同化物的利用转化能力[33]。本试验在采用由中等田间持水量(W2：65%～80%)和中等施氮量(N2：234 kg·hm-2)组成的W2N2处理，正是由于植株体内硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶、谷氨酸草酰乙酸转氨酶和谷氨酸丙酮酸转氨酶等活性的提高，因此促进了黄瓜可溶蛋白质含量显著高于其他处理，这主要是当NO-3进入植物体内后，在较强硝酸还原酶的还原下合成氨基酸的速度增加[34]，同时谷氨酰胺合成酶、谷氨酸草酰乙酸转氨酶和谷氨酸丙酮酸转氨酶活性的提高，带动了氮代谢的增强，促进黄瓜果实内氨基酸的合成和转化[35]，这与孙永健等[36]人的研究结果相一致。

4 结 论

采用土壤含水量为田间持水量65%～80%、施氮量为234 kg·hm-2的W2N2处理，黄瓜叶片中硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶、谷氨酸草酰乙酸转氨酶与谷氨酸丙酮酸转氨酶活性明显高于在土壤含水量为W3组成的水肥处理(W3N1、W3N2、W3N3)与含水量为W1组成的水肥组合(W1N1、W1N2、W1N3)；同时，本处理下的黄瓜经济产量最高，可达174 t·hm-2；果实中可溶性糖含量、可溶蛋白质与Vc含量也显著高于其他处理，本研究结论，可为沙漠绿洲地区温室黄瓜实现水肥高效利用与高产优质化生产提供理论指导。