營養(yǎng)液pH變化對刺梨苗吸收硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的影響

王夢柳，樊衛(wèi)國，官紀元，龔芳芳，何春麗

（1貴州大學，貴陽550025；2貴州省六盤水市農(nóng)業(yè)科學研究院，貴州鐘山553000；3國家林業(yè)和草原局刺梨工程技術研究中心，貴陽550025）

0 引言

銨態(tài)氮(NH4+-N)和硝態(tài)氮(NO3--N)是植物吸收的主要氮形態(tài)，介質(zhì)pH對植物根系吸收不同形態(tài)氮素有重要影響[1]。刺梨(Rosa roxburghii)是原產(chǎn)中國西南地區(qū)的特有樹種，果實營養(yǎng)豐富，在食品開發(fā)中具有重要利用價值，近年來種植規(guī)模日益擴大。以往的研究發(fā)現(xiàn)，在微酸性介質(zhì)環(huán)境中刺梨對硝態(tài)氮的吸收表現(xiàn)出明顯的偏好[2-3]。然而在生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，對不同pH土壤上的刺梨施用硝態(tài)氮為主的氮肥后，生長差異極大，由此猜測，土壤酸堿度可能會影響刺梨對硝態(tài)氮的吸收。研究介質(zhì)pH變化對刺梨苗吸收硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的影響，有助于更深入了解刺梨的氮素營養(yǎng)特性，為不同土壤上的刺梨氮肥管理提供科學依據(jù)。有關介質(zhì)pH變化能夠改變植物的氮素吸收特性已有較多報道。葛順峰等[4]研究發(fā)現(xiàn)，土壤從pH 3.82逐漸增大至pH 6.83后，平邑甜茶(Malus hupehensis)砧木的‘紅富士’蘋果幼樹對酰胺態(tài)氮的利用率隨pH的降低而降低。在土壤pH 6.5的條件下向平邑甜茶實生苗分別供給銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和酰胺態(tài)氮，植株的氮吸收量差異明顯，其中氮吸收量以供給銨態(tài)氮的最大，供給硝態(tài)氮的次之，供給酰胺態(tài)氮的植株氮吸收量最少，土壤pH進一步降低或增大后，分別供給不同形態(tài)氮源的平邑甜茶實生苗的氮吸收量、吸收效率和利用效率都會發(fā)生改變[5]。一些研究發(fā)現(xiàn)，即便是一些喜硝或者喜銨的植物，介質(zhì)pH的變化也會改變對不同形態(tài)氮素的選擇吸收特性。具有喜硝特性的小白菜在pH 4～7的營養(yǎng)液中，硝態(tài)氮的吸收速率高于銨態(tài)氮，進一步增大pH后銨態(tài)氮的吸收速率逐漸增大，在pH8的條件下銨態(tài)氮的吸收速率遠大于硝態(tài)氮[6]。在等量供給NO3-和NH4+的條件下，喜銨的小麥在pH 5.0和pH 6.5的營養(yǎng)液中對NO3-吸收量大于NH4+，增大至pH 8.0時則出現(xiàn)相反的結(jié)果[7]，喜銨的玉米在營養(yǎng)液pH 4.0時，對NO3-的吸收速率大于NH4+，營養(yǎng)液達到pH 6.0則最有利于銨態(tài)氮的吸收，NH4+的吸收速率明顯大于NO3-[8]。由此可見，受介質(zhì)pH的影響，植物對不同形態(tài)氮素吸收的差異明顯。貴州是國內(nèi)刺梨的主產(chǎn)區(qū)，種植規(guī)模已達15萬hm2以上，由于大多數(shù)刺梨種植于喀斯特山地石灰性土壤上，受較高土壤pH的影響，刺梨施肥肥效不高的問題突出[9]。探究介質(zhì)pH對刺梨吸收不同形態(tài)氮素的影響，能夠為不同pH條件下刺梨氮肥的差異化管理提供理論借鑒。本研究采用氮素吸收動力學參數(shù)測定和營養(yǎng)液培養(yǎng)試驗的方法，研究營養(yǎng)液pH變化對刺梨吸收NO3--N和NH4+-N的影響，旨在進一步了解刺梨的氮素營養(yǎng)特性，為刺梨的氮素營養(yǎng)管理提供生理依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2018年5月—2019年7月在貴州大學國家林草局刺梨工程技術研究中心進行。以‘貴農(nóng)5號’刺梨實生苗為材料。吸收試驗營養(yǎng)液選用霍格蘭和阿農(nóng)通用營養(yǎng)液配方，分別用硝酸鉀、硫酸銨提供硝態(tài)氮源和銨態(tài)氮源，用磷酸二氫鈉作磷源，用K2SO4提供并平衡各處理營養(yǎng)液中的K+。營養(yǎng)液配制所用水為去離子水，用0.1% NaOH和H2SO4調(diào)節(jié)pH，試驗所用試劑皆為優(yōu)級純。砂培試驗用2:1的石英砂與蛭石混合作為基質(zhì)，石英砂和蛭石事先用0.5%的稀鹽酸溶液浸泡7天后洗凈備用。

1.2 試驗設計

分別設NO3--N和NH4+-N 2種氮源，營養(yǎng)液中的氮濃度均為2.0 mmol/L，其他離子濃度與霍格蘭和阿農(nóng)通用營養(yǎng)液中的保持一致。設pH 4、5、6、7、8、9的6個處理，氮素吸收動力學參數(shù)測定試驗每個處理3株，重復3次；砂培試驗每個pH處理4株，重復3次。

1.3 試驗方法

1.3.1 硝、銨離子吸收動力學參數(shù)測定試驗 將低溫層積過的刺梨種子播種于1:1的腐殖土和蛭石混合基質(zhì)中育苗，幼苗達到15 cm高時取出進行NH4+和NO3-的吸收動力學試驗。采用耗竭法[10]測定根系對NH4+和NO3-的最大吸收速率(Imax)、米氏常數(shù)(Km)和根系中的離子流動速率(α)。整個吸收試驗均在人工氣候室中進行，光照強度為200 μmol/(m2·s)，環(huán)境溫度為25℃，空氣相對濕度為65%。吸收試驗前將刺梨苗從苗床基質(zhì)中小心取出，避免損失根系，洗凈根上的基質(zhì)，移入含有0.2 mmol/LCaSO4溶液中饑餓48 h，再分別移入不同pH的NH4+、NO3-吸收營養(yǎng)液中，吸收試驗營養(yǎng)液用涂黑三角瓶裝載，溶液體積為100 mL，其中加入0.1 mL 3%的H2O2提供O2，以免缺氧對根系吸收能力的不利影響。對NH4+的吸收試驗營養(yǎng)液中加入7 μmol/L的硝化抑制劑（二氫胺）防止NH4+-N的硝化[11]。吸收試驗處理12 h，每隔1 h取不同處理的吸收試驗營養(yǎng)液測定剩余的NH4+、NO3-含量。NO3-含量用直接比色法測定[12]，NH4+含量用靛酚藍比色法測定[13]。吸收試驗結(jié)束時，立即剪取刺梨苗根系并用吸水紙吸干其表面水分后稱重。參考楊洪強等[14]的方法，按式(1)計算每小時NH4+和NO3-離子的吸收速率(I)。

式中，C0、C1表示處理前后營養(yǎng)液的離子濃度，V0、V1分別表示處理前后營養(yǎng)液的體積，T為處理時間，RFW為根系鮮重。

采用LB雙倒數(shù)法將Michaelis-Menten方程[式(2)]轉(zhuǎn)變?yōu)槭?3)，以1/I對1/C作圖，所得直線截距即為1/Imax，斜率為Km/Imax，求出Imax和Km，再根據(jù)式(4)算出NH4+和NO3-離子流入根系的速率(α)。

式中，C為吸收營養(yǎng)液中的底物濃度，即NH4+和NO3-的離子濃度。

1.3.2 砂培試驗及相關測定 砂培試驗在透光通風的避雨玻璃棚內(nèi)進行。刺梨幼苗生長到3葉1心時移栽于12 L的塑料培養(yǎng)槽基質(zhì)中，澆水3天后澆1/2濃度的霍格蘭和阿農(nóng)配方通用營養(yǎng)液1周進行適應性培養(yǎng)，然后澆不同處理的營養(yǎng)液進行試驗培養(yǎng)。在以NH4+-N為氮源的營養(yǎng)液中加入7 μmol/L的硝化抑制劑（二氫胺）防止NH4+-N的硝化。每2天定量澆不同處理的營養(yǎng)液1次，每隔6天用2 L不同處理pH的去離子水分別對培養(yǎng)基質(zhì)進行1次冗余澆灌，然后再澆處理的營養(yǎng)液，以避免基質(zhì)中養(yǎng)分元素的富集。試驗處理65天，測定植株高度，翻槽取出刺梨苗洗凈、殺酶、烘干后測定整株及地上部及根系的干重生物量，粉碎后用凱氏定氮法測定整株的含氮量，按式(5)計算氮素吸收量[15]。

氮素吸收量=含氮量×植株干重生物量……… (5)

1.4 數(shù)據(jù)處理分析

數(shù)據(jù)處理與作圖用Excel，方差分析用DPS v7.05分析軟件進行。多重比較采用新復極差法。

2 結(jié)果與分析

2.1 在不同pH條件下刺梨實生苗對NO3-、NH4+的吸收動力學方程及其相關系數(shù)

植物吸收營養(yǎng)離子的特征可用Michaelis-Menten方程加以定量描述[10]。離子吸收動力學方程的相關系數(shù)是衡量該動力學方程能否描述離子吸收特性實際情況的重要指標。相關系數(shù)越大越顯著，表明用該方程描述植物營養(yǎng)吸收特性越準確和越可靠，其吸收動力學參數(shù)更能表征營養(yǎng)吸收的實際。本研究的測定結(jié)果表明，營養(yǎng)液的不同酸堿度并沒有改變刺梨根系對NO3-或NH4+吸收的動力學方程的線性關系，在不同pH條件下，刺梨根系吸收NO3-或NH4+的動力學方程相關系數(shù)分別在0.92～0.95和0.93～0.97之間，均達到極顯著相關（表1），表明用Michaelis-Menten方程描述刺梨對NO3-或NH4+的吸收具有準確性和可靠性，其吸收動力學參數(shù)更能反映氮素吸收的實際情況。

表1 不同pH條件下刺梨實生苗吸收NO3-、NH4+的動力學方程及其相關系數(shù)

2.2 營養(yǎng)液pH變化對刺梨苗根系吸收NO3-和NH4+的動力學參數(shù)的影響

2.2.1 對NO3-和NH4+的最大吸收速率(Imax)的影響 營養(yǎng)液的酸堿度變化能夠改變刺梨苗根系對NO3-和NH4+的最大吸收速率。圖1顯示，從pH 4增大到pH 9，根系對NO3-的Imax逐漸減小。處于pH 4和pH 5的條件下，根系對NO3-的Imax最高，分別為60.13、60.73 μmol/(g·h)，當pH＞5后，Imax明顯降低，從pH 7升高至pH 8，NO3-的Imax從 53.50 μmol/(g ·h)急劇降低至 43.3 μmol/(g ·h)。然而，刺梨苗根系對NH4+的Imax卻是隨營養(yǎng)液pH的增大而增大，尤其是從pH 7增大至pH 9后，NH4+的Imax從42.20 μmol/(g·h)增加至59.20 μmol/(g·h)。從圖1還看出，當營養(yǎng)液達到pH 7時，根系對NO3-的Imax仍然比NH4+的大，而當營養(yǎng)液pH＞7后，根系對NO3-的Imax卻比NH4+小得多。上述結(jié)果說明，介質(zhì)pH＜7有利于刺梨苗根系對NO3-離子的吸收，介質(zhì)pH＞7后則有利于NH4+離子的吸收。

圖1 刺梨苗根系對NO3-和NH4+的最大吸收速率(Imax)

2.2.2 對根系與NO3-和NH4+親和力的影響 Michaelis-Menten方程的米氏常數(shù)(Km)，是反映根系與離子親和力大小的重要吸收動力學參數(shù)指標，Km值越大，離子親和力越弱[10]。測定結(jié)果表明，營養(yǎng)液pH變化能夠改變刺梨苗根系與NO3-和NH4+的親和力。在過高或過低的pH條件下，都會增大NO3-和NH4+的Km，從而降低刺梨苗根系與NO3-和NH4+的親和力。從圖2可看出，營養(yǎng)液為pH 4和pH 5時，NO3-的Km值小，當營養(yǎng)液pH＞6后，NO3-的Km值迅速增大，根系與NO3-的親和力急劇減弱。對于NH4+而言，營養(yǎng)液為pH 4和pH 5時，Km值分別達到1.39、1.40 mmol/(g·h)，pH＞5后Km值急劇變小，達到pH 7以上時，NH4+的Km值比NO3-的Km值小得多。以上結(jié)果說明，在營養(yǎng)液pH＜6的條件下，刺梨苗根系與NO3-的親和力比NH4+的強，而當營養(yǎng)液大于pH 6后，刺梨苗根系與NO3-的親和力急劇減弱，而與NH4+的親和力急劇增強。

圖2 刺梨苗根系與NO3-和NH4+的米氏常數(shù)(Km)

2.2.3 對NO3-和NH4+流入根系的速率(α)的影響 圖3顯示，NO3-流入刺梨苗根中的速率隨營養(yǎng)液pH的升高而逐漸降低，而NH4+流入刺梨苗根中的速率則隨營養(yǎng)液pH的升高而增大，尤其是營養(yǎng)液升高至pH 7后，α值增加幅度很大，pH 7時α值僅為0.06，達到pH 8和pH 9時，α值分別達到0.13和0.14。以上結(jié)果說明，在酸性介質(zhì)環(huán)境中，NO3-流入刺梨苗根中的速率比NH4+大；而在堿性介質(zhì)環(huán)境中，NH4+流入刺梨苗根中的速率比NO3-大得多。

圖3 NO3-和NH4+流入刺梨苗根中的速率(α)

2.3 營養(yǎng)液pH變化與刺梨苗根系吸收NO3-和NH4+動力學參數(shù)的相關性

相關分析結(jié)果（表2）表明，營養(yǎng)液的pH變化與刺梨苗根系對NO3-的最大吸收速率(Imax)和流入刺梨苗根中的速率(α)均呈極顯著負相關，與根系對NO3-的米氏常數(shù)(Km)呈極顯著正相關；而營養(yǎng)液的pH變化與刺梨苗根系對NH4+的Imax、α、Km的相關性正好與此相反。

表2 營養(yǎng)液pH變化與NO3-、NH4+吸收動力學參數(shù)的相關性

2.4 供給硝態(tài)氮或銨態(tài)氮的條件下營養(yǎng)液pH變化對刺梨苗生長和氮素吸收的影響

2.4.1 對刺梨苗植株高度及生物量的影響 砂培試驗結(jié)果（圖4～5）表明，供給NO3--N的刺梨苗植株高度和干重生物量隨營養(yǎng)液pH的增大而減小。供給NO3--N的刺梨苗，營養(yǎng)液pH 4和pH 5處理的植株高度分別達到39.35、41.06 cm，營養(yǎng)液升至pH 9的苗高僅為26.04 cm。在供給NH4+-N的處理中，刺梨苗高度和干重生物量隨營養(yǎng)液pH增大而增大，pH 4的處理苗高和植株干重生物量分別只有20.03 cm和3.78 g，營養(yǎng)液升至pH 8和pH 9后，苗高增加至33.18、35.33 cm，植株干重生物量增加至5.56、5.89 g。說明在酸性介質(zhì)中供給NO3--N有利于刺梨苗生長，而在堿性介質(zhì)中供給NH4+-N對刺梨苗生長有明顯的促進作用。

圖4 供給硝態(tài)氮或銨態(tài)氮的刺梨苗生長高度

圖5 供給硝態(tài)氮或銨態(tài)氮的刺梨苗干重生物量

2.4.2 對刺梨苗的氮含量及氮素吸收量的影響 表3顯示，在營養(yǎng)液為pH 4和pH 5時，供給NO3--N的刺梨苗中氮的含量及吸收量最大，隨pH的升高，植株中的氮含量及吸收量隨之降低，而在供給NH4+-N的刺梨苗中，氮的含量及吸收量隨營養(yǎng)液pH的升高而增加。說明在酸性介質(zhì)有利于刺梨苗對NO3--N的吸收，而堿性介質(zhì)環(huán)境有利于刺梨苗吸收的氮素形態(tài)為NH4+-N。

表3 營養(yǎng)液pH變化對供給硝態(tài)氮或銨態(tài)氮的刺梨苗中氮含量和氮素吸收量的影響

2.5 營養(yǎng)液pH變化與刺梨苗植株高度、生物量、氮含量和氮素吸收量的相關性

相關性分析結(jié)果（表4）表明，在供給NO3--N的條件下，營養(yǎng)液的pH變化與刺梨苗植株高度、干重生物量、氮含量及吸收量呈極顯著負相關，而當?shù)锤淖優(yōu)镹H4+-N后，營養(yǎng)液的pH變化與這些指標呈極顯著正相關。以上結(jié)果進一步證實，介質(zhì)pH變化對刺梨苗吸收和利用不同形態(tài)氮素的差異性影響有密切關聯(lián)。

表4 供給硝態(tài)氮或銨態(tài)氮條件下營養(yǎng)液的pH變化與刺梨苗植株高度、生物量、氮含量和氮素吸收量的相關性

3 結(jié)論與討論

硝態(tài)氮和銨態(tài)氮都是氮源，但植物根部環(huán)境的pH會明顯影響硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的吸收。通常在酸性介質(zhì)中有利于植物對NO3-的吸收，在介質(zhì)的pH降低時NO3-吸收較快，隨介質(zhì)的pH升高，NO3-的吸收減少，而在介質(zhì)的pH升高時則有利于NH4+的吸收[16-17]。盡管一些植物具有喜硝或喜銨營養(yǎng)特性，但所處介質(zhì)的pH發(fā)生一旦發(fā)生改變，對不同形態(tài)氮素的選擇吸收特性也會改變，類似的研究結(jié)果在喜銨的茶樹[18-19]、小麥[20]、玉米[9]、水稻[21]、華北落葉松及杉木[22]、薏苡[23]和喜硝的小白菜[7]、煙草[24]等植物上都有報道。雖然在微酸性介質(zhì)環(huán)境中刺梨對硝態(tài)氮的吸收表現(xiàn)出明顯的偏好[3]，但本研究發(fā)現(xiàn)，隨介質(zhì)pH的進一步降低，刺梨苗根系對NO3--N的吸收能力會增強，植株高度及生物量、氮含量及吸收量進一步增大，即酸性環(huán)境有利于刺梨苗吸收NO3--N，而在堿性介質(zhì)環(huán)境中，刺梨苗根系對NH4+-N的吸收能力及吸收量卻大大超過NO3--N，類似的研究結(jié)果在玉米[9]、小麥[20]、水稻[21]、華北落葉松和杉木[22]、薏苡[23]上也有報道。本研究結(jié)果表明，降低或升高介質(zhì)的pH后，刺梨對硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的吸收特性會發(fā)生明顯的改變，為刺梨的氮肥施用提供了參考依據(jù)。施氮時應該考慮到土壤的酸堿性對刺梨吸收NO3--N和NH4+-N的差異性，尤其是在喀斯特地區(qū)的堿性土壤上，施用NH4+-N能否改善刺梨的營養(yǎng)狀況和促進生長有待進一步試驗驗證。

介質(zhì)pH變化對刺梨苗吸收NO3-或NH4+的差異性影響，可能與陰陽離子間的競爭及拮抗作用、根細胞表面的電荷和NO3-或NH4+離子運輸系統(tǒng)的改變等因素有關。介質(zhì)中OH-與NO3-、H+與NH4+會產(chǎn)生離子間的競爭和拮抗作用[1,25]，在堿性介質(zhì)中，OH-與NO3-的離子間競爭和相互拮抗作用增強，同時，根細胞表面的負電荷也會增加，不利于根系對NO3-的吸收[26]，這可能是介質(zhì)pH增大后NO3-與刺梨苗根系的親和力減弱、NO3-的最大吸收速率降低和刺梨苗對NO3--N吸收量減少的重要原因。而對NH4+而言，在堿性介質(zhì)中不存在上述負面影響，因此有利于刺梨苗對NH4+-N的吸收。此外，介質(zhì)pH變化還會影響NO3-、NH4+離子在體內(nèi)的運轉(zhuǎn)，pH下降有利于陰離子跨膜運輸，而對陽離子的跨膜運輸有抑制作用，而pH上升后的作用則相反[10]。在本研究中，營養(yǎng)液的pH降低后NO3-流入刺梨苗根中的速率明顯增強，而營養(yǎng)液的pH升高后NH4+流入刺梨苗根中的速率明顯增大，可能分別與OH-和H+減少后解除對NO3-和NH4+跨膜運輸抑制有關。

在不同的介質(zhì)pH條件下刺梨苗根系對NO3--N和NH4+-N的吸收特性有明顯差異。酸性介質(zhì)有利于刺梨苗對NO3--N的吸收，其根系對NO3-的最大吸收速率、與NO3-親和力、NO3-流入刺梨根系中的速率、植株的氮含量及吸收量遠比在堿性介質(zhì)中的大，而堿性介質(zhì)則有利于刺梨苗對NH4+-N的吸收，其根系對NH4+的最大吸收速率、與NH4+的親和力、NH4+的流入刺梨根系中的速率、植株的氮含量及吸收量隨介質(zhì)pH的升高而增大。介質(zhì)pH變化對刺梨苗吸收不同形態(tài)氮素的差異性影響，為不同酸堿度的土壤上刺梨施肥時氮肥的選擇提供了參考依據(jù)。