氮素是茶树生长需求最多的元素, 也是茶树主要品质成分游离氨基酸、茶多酚、糖类等的主要组成部分^[1-2]。由于氮素能提高茶树产量和品质, 导致茶农盲目增施氮肥, 极易造成生态环境污染, 茶叶质量下降^[3], 严重影响了茶产业的可持续发展。

碳氮代谢是植物中最重要也是最基本的代谢^[4], 茶树中的碳氮(C、N)代谢平衡协调, C、N代谢产物分配合理, 茶叶品质才优质^[5]。适量施用氮肥有利于茶叶中游离氨基酸、咖啡碱、水浸出物含量的提高和可溶性糖、可溶性蛋白、全氮含量的增加^{[1, 6-7]}, 过量施氮则会导致茶树叶片中主要糖类物质的合成受限, 使茶叶游离氨基酸中具有苦涩味的精氨酸(Arg)大量合成, 进而导致茶叶品质下降^[6]。谷氨酰胺合成酶(glutamine synetase, GS)/谷氨酸合成酶(glutamate synmase, GOGAT)对茶树的氮代谢过程具有重要的调节作用, 施氮能提高GS、GOGAT的酶活性^[5], 但过量施氮会导致GS酶活性下降^[8], 其变化会影响氮素同化的进程, 进而影响茶树氮碳代谢产物的分配与碳氮平衡^[9], 因此, 氮素供给水平的高低对茶树植株的碳、氮同化平衡具有重要的作用。非结构性碳水化合物(NSC)—可溶性糖和淀粉, 为碳代谢的主要产物, 不仅对植物的代谢、生长、发育有着重要的作用^[10], 还可以反映植物的碳代谢状况以及抗逆性^[11], 并通过协调植物生理来适应环境。NSC含量不仅能够反映植物的碳、氮同化平衡, 同时也直接反应植株单株叶面积^[12], 进而影响获叶作物的产量。目前茶树中N代谢关键酶活性及对茶叶品质相关的物质研究较多^[13-14], 但对氮素水平下茶树根系活力及非结构性碳水化合物相关研究较少。因此, 我们从不同氮素水平下茶树根系活力, 茶叶N代谢的关键酶及非结构性碳水化合物等方面进行研究, 为提高茶叶品质、产量及其氮素利用效率, 实现茶园化肥的减施增效提供理论依据。

1 材料与方法 1.1 试验材料

供试材料为福鼎大白茶(FD)、保靖黄金茶1号(HJ1)、白毫早(BHZ), 于2013年1月进行盆钵试验。土壤条件及盆钵基本情况与向芬等文章一致^[2], 供试土壤为砂质红壤, pH 4.96, 碱解氮97.40 mg/kg, 速效磷35.37 mg/kg, 速效钾98.87 mg/kg, 土壤取自长沙市芙蓉区马坡岭茶叶试验基地(湖南长沙, 113°1′13″E, d 28°12′20.580″N)。盆钵直径40 cm, 高35 cm。土壤经自然风干、去杂质、压碎过2 mm孔径筛后, 每盆称重14.5 kg土装盆, 每盆移栽3株茶树。

1.2 试验设计

以(NH₄)₂SO₄为氮源, 自2014年连续4年每年春季设置4个氮素水平处理, 即不施氮、低氮、中氮和高氮, 分别施(NH₄)₂SO₄为0(N₀)、11(N₁)、22(N₂)、33 g/盆(N₃), 每个处理重复4次, 茶园按常规进行统一管理。2017年4月对茶树进行一芽二叶取样并经90 s的蒸汽杀青固样后烘干至恒重^[15], 2017年8月对各处理茶树进行根系活力测定并对各茶树处理倒5叶的GS酶活性、GOGAT酶活性、可溶性总糖、淀粉、可溶性蛋白含量进行测定。

1.3 测定指标及方法

根系活力采用TTC法进行测定^[16]；GS、GOGAT酶活性采用苏州科铭生物技术有限公司提供的试剂盒进行提取与测定；可溶性总糖、淀粉含量采用蒽酮比色法进行测定^[17]；可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝比色法进行测定^[18]；游离氨基酸含量采用茚三酮染色法进行测定^[19]；全氮含量采用凯氏定氮法测定^[20]; 碳氮比＝(可溶性总糖+淀粉含量)/全氮含量^[20-21]。

1.4 数据分析

利用Excel2010软件对数据进行处理, 采用DPS14.5软件进行数据统计与分析。

2 结果与分析 2.1 氮素水平对茶树吸收根根系活力的影响

从表 1可知, 不同施氮水平下各品种茶树根系活力存在差异, 3个茶树品种中以HJ1的根系活力较强, 氮素水平处理中以N₁、N₂处理根系活力较高, 二处理间差异不显著, 极显著高于N₀、N₃(P＜0.01)；FD、BHZ的N₂处理的根系活力最高, 且与对照N₀差异极显著(P＜0.01), N₃较N₂略低。

2.2 氮素水平对茶树叶片非结构性碳水化合物的影响

可溶性总糖、淀粉为茶树光合作用的主要产物。施氮处理后, 3个茶树品种的可溶性总糖含量增加, 其中FD的N₂、N₃处理较对照显著增加(P＜0.05), 分别较对照增加10.68%和16.31%(图 1)；FD、HJ1淀粉含量降低, 但BHZ的淀粉含量反而增加, 其N₂处理较对照增加27.72%(图 1), 差异显著(P＜0.05)。3个茶树品种的总NSC含量HJ1的最低, 其经氮处理后变化幅度最小, 与对照比较, FD、HJ1各施氮处理无显著性变化, BHZ各施氮处理极显著或显著高于对照。

2.3 氮素水平对茶树叶片氮代谢关键酶活性的影响

GS和GOGAT是植物氮代谢的关键酶, 与对照比较, 施氮处理后FD、HJ1随着施氮量的增加GOGAT的活性增强, FD的N₂处理, HJ1的N₂、N₃极显著增加, 分别增加70.48%, 75.93%, 97.42%, 而BHZ的N₂、N₃处理较对照极显著降低(图 2)。施氮后FD、HJ1、BHZ的GS活性较对照增强(图 2), 其中FD施氮处理的GS活性较对照极显著增加(P＜0.01)、BHZ的N₂、N₃较对照显著增加(P＜0.05), HJ1的N₁处理较对照极显著增加(P＜0.01)。3个品种中以HJ1的GOGAT、GS酶活性最强。

2.4 氮素水平对茶树叶片氮代谢主要产物的影响

从图 3可知, 施氮处理后, 茶树叶片全氮含量增加, 以N₂、N₃处理增加较多, 其中HJ1的N₂、N₃处理增加显著(P＜0.05), FD、HJ1、BHZ的叶片全氮含量最高分别增加2.31%、10.08%、5.04%(图 3)。施氮处理后, 与对照比较, 可溶性蛋白含量亦增加, 以N₂、N₃处理增加较多, 其中HJ1的N₂、N₃处理显著增加(P＜0.05), FD、HJ1、BHZ的可溶性蛋白含量最高分别增加1.39%、7.06%、2.80%(图 3)。

2.5 氮素水平对茶叶游离氨基酸含量的影响

施氮处理能够提高茶树的游离氨基酸含量, 以N₂、N₃处理的游离氨基酸含量增加较多(表 2)。3个品种中以保靖黄金茶1号的游离氨基酸含量较高。FD、HJ1、BHZ的N₂处理下分别较对照提高31.69%、42.40%、30.25%, N₃处理下分别较对照提高14.61%、20.56%、48.46%。

2.6 氮素水平对茶树叶片碳氮比的影响

碳氮比是植物光合产物分配方向的重要指标^[21]。由图 4可知, 与对照比较, 施氮后FD、BHZ茶树品种的碳氮比增加, FD、HJ1随着施氮量的增加其叶片碳氮比与对照差异不显著, BHZ以N₂处理碳氮比最大, 较对照显著增加(P＜0.05)。

3 讨论与结论

在茶树生长过程中氮代谢动态变化对茶叶品质影响重大。适量施氮有利于增加作物的氮代谢关键酶GS、GOGAT酶活性, 提高作物的产量和品质^[22-23]。茶树为喜铵作物^[24-26], 本研究以铵态氮作为茶树氮源对茶树进行了根系活力、氮代谢及NSC的研究, 结果表明施氮后提高了茶树根系活力, 但过量施氮对茶树根系活力无持续提升效果；施氮亦有利于叶片中氮代谢关键酶GS、GOGAT活性, 其中高氮下GS、GOGAT酶活性增幅减弱, 与上述结果基本一致。说明适量施氮有利于增强茶树根系对氮素养分的吸收, 有利于光合同化产物与氮素的累积^[2], 进而提高茶树的产量, 这与我们前期的研究, 即适量施氮下茶树生长势最强的结果一致^[2]。施氮有利于提高茶树非结构性碳水化合物可溶性糖含量, 淀粉含量的变化则具有品种特异性, 氮处理后FD、HJ1的淀粉含量降低, 而BHZ的淀粉含量上升。可溶性糖含量作为作物抗性生理指标之一^{[11, 21, 27]}, 在高氮(N₃)下茶树可溶性糖含量增加, 有利于茶树适应环境中的高氮胁迫。前期研究表明, 高氮处理会导致茶树叶肉叶绿素含量下降, 叶肉的光合活性减弱, 气孔导度下降^[2]进而导致光合作用受阻。本研究的结果与前期的研究结果一致, 即高氮处理后光合产物减少, 这可能会引起光合作用与呼吸作用之间的碳源供应不平衡, 造成茶树叶片中NSC等有机物质堆积以抵御逆境胁迫, 进而导致茶树叶片碳过剩和碳氮比的升高^[20]。

随着施氮量的增加, 茶树叶片全氮含量增加, 茶树氮代谢产物可溶性蛋白含量亦增加, 与孙常青等^[28]的研究一致, 其中保靖黄金茶1号N₂、N₃处理显著增加。但3个茶树品种的氮代谢关键酶活性及NSC含量存在差异, 其中以HJ1的根系活力较强, 养分吸收能力较强, 对施氮后的氮代谢变化最明显, 其氮同化关键酶GS、GOGAT酶活性亦最强, 表明施氮能促进保靖黄金茶1号的GS、GOGAT酶催化氮素同化过程, 加速对氮素养分的吸收和利用, 这与李维等^[29]的研究结果一致。与另外2个茶树品种相比, N₂处理后HJ1叶片中氮代谢产物可溶性蛋白含量增加, 非结构性碳水化合物淀粉含量较低, 可溶性糖含量适中, 且游离氨基酸含量最高, 品质较好。

综上所述, 适量施氮能显著提高茶树根系活力、叶片氮代谢关键酶活性, 非结构性碳水化合物含量、可溶性蛋白含量, 全氮含量亦增加, 有利于保持茶树的碳氮平衡。茶树品种间的氮代谢关键酶活性及NSC含量变化存在差异。因此, 茶树氮代谢关键酶及非结构性碳水化合物可以作为评价茶树品种的品质优劣的指标, 为改善茶树的氮素利用率及茶叶品质提高理论依据。