從電荷守恒角度驗證植物吸收銨態(tài)氮與硝態(tài)氮的合理比例

馬全會，閆芬芬

(塔里木大學(xué)，新疆 阿拉爾 843300)

0 引 言

在植物體中，氮素大約占植物體干重的1.5%，是植物體內(nèi)氨基酸和蛋白質(zhì)、酶、核酸等物質(zhì)的重要組成元素，也是磷脂、葉綠素、維生素、生物堿和某些生長激素形成的基礎(chǔ)物質(zhì)，并參與酶及輔酶和輔基等物質(zhì)的結(jié)構(gòu)組成，對植物生命活動起到重要的調(diào)節(jié)作用[1]。合理的氮素吸收利用，會通過直接和間接方式影響植物的光合作用，改善光合性能，還能增強果實庫活力，延長果實發(fā)育期，影響果實的產(chǎn)量與品質(zhì)，達(dá)到“以氮增碳”的效果[2]。

氮肥，是指以氮(N)為主要成分、具有N標(biāo)明量、施于土壤可提供植物氮素營養(yǎng)的單元肥料，是世界上生產(chǎn)和使用量最大的肥料品種，適宜的氮肥用量對于提高作物產(chǎn)量、改善農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量有著重要的作用。氮肥按含氮基團可分為氨態(tài)氮肥、銨態(tài)氮肥、硝態(tài)氮肥、硝銨態(tài)氮肥、氰氨態(tài)氮肥和酰胺態(tài)氮肥。銨態(tài)氮進(jìn)入植物細(xì)胞后與有機酸結(jié)合，形成氨基酸或酰胺被植物直接利用；硝態(tài)氮被吸收進(jìn)入植物組織內(nèi)部后，需先經(jīng)過硝酸還原酶催化還原為亞硝酸，再經(jīng)過亞硝酸還原酶還原成銨態(tài)氮，才可以被植物組織利用，轉(zhuǎn)化過程中會消耗大量能量[3]。植物對銨態(tài)氮和硝態(tài)氮在吸收、運輸、儲藏和同化等方面均存在較大的差異，因而施肥過程中銨態(tài)氮與硝態(tài)氮的配比及吸收量的不同影響離子吸收、植物生長和作物產(chǎn)量。大量研究發(fā)現(xiàn)，銨態(tài)氮與硝態(tài)氮的配合使用會表現(xiàn)出聯(lián)合效應(yīng)，多數(shù)作物生長情況優(yōu)于單獨使用銨態(tài)氮或硝態(tài)氮，且在蘋果砧木、葡萄、小麥、開唇蘭屬植物、紫花苜蓿、菠菜、香蕉、烤煙、生菜、黃瓜、三七等植物生長發(fā)育過程，均證實硝態(tài)氮與銨態(tài)氮按照3∶1比例施用對植物生長發(fā)育最為有利[4-14]。

在無土栽培營養(yǎng)液配方中，早期研發(fā)的Knop(1865年)古典水培配方、Snyder(1938年)配方、Rothansted(1952年)配方、Copper(1975年)水培配方，氮源只使用硝態(tài)氮而不添加銨態(tài)氮；而現(xiàn)代常用的營養(yǎng)液配方，如Hoagland營養(yǎng)液配方、日本園試營養(yǎng)液配方、山崎營養(yǎng)液配方、荷蘭溫室作物研究所巖棉培滴灌配方，氮源基本上以硝態(tài)氮為主，銨態(tài)氮占很小的比例[15]。

植物為什么要吸收大量硝態(tài)氮在體內(nèi)費盡周折地轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮，而不是全部直接吸收銨態(tài)氮呢？兩種形式的氮源以什么樣的比例吸收是合理的呢？以下從電荷平衡的角度進(jìn)行計算推導(dǎo)，結(jié)合有關(guān)文獻(xiàn)試驗進(jìn)行驗證，以期為配方肥料的生產(chǎn)以及氮肥的合理施用提供一些理論依據(jù)。

1 植物“礦質(zhì)營養(yǎng)學(xué)說”與氮源的兩種形式

1840年德國化學(xué)家李比希(Liebig)在有關(guān)植物營養(yǎng)源于水說(1648年)、土說(1731年)、腐殖質(zhì)說(1761年)等前人大量研究的基礎(chǔ)上，對植物的營養(yǎng)吸收進(jìn)行研究，提出植物以礦物質(zhì)作為營養(yǎng)的“礦質(zhì)營養(yǎng)學(xué)說”[16]。該學(xué)說指出，植物生長必需的氮、磷、鉀、鈣、鎂、硫、鐵、硼、錳、鋅、銅、鉬和氯等礦質(zhì)營養(yǎng)吸收量各不相同，但同等重要，且各營養(yǎng)元素均具有特定功能，不可相互替代。該學(xué)說引發(fā)了許多有關(guān)植物礦質(zhì)營養(yǎng)來源和作用的研究，許多觀點被證實，并得到補充和完善，至今仍發(fā)揮著巨大的作用。根據(jù)“礦質(zhì)營養(yǎng)學(xué)說”，植物根系從土壤溶液中只吸收不同種類和數(shù)量的礦質(zhì)元素即可滿足植物生長所需。植物的必需元素種類與利用形式及質(zhì)量占比見表1。

表1 植物的必需元素種類與利用形式及質(zhì)量占比[17]

2 基于電荷守恒的植物吸收硝態(tài)氮與銨態(tài)氮最佳比例的驗證

表2 100 g干物質(zhì)中6種大量元素的物質(zhì)的量

表3 100 g干物質(zhì)中5種大量元素的電荷計算結(jié)果

3 硝態(tài)氮與銨態(tài)氮最佳配比的應(yīng)用及展望

目前，國內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)在蘋果砧木、葡萄、小麥、開唇蘭屬植物、紫花苜蓿、菠菜、香蕉、烤煙、生菜、黃瓜、三七等植物生長過程中，氮肥中硝態(tài)氮與銨態(tài)氮按照3∶1比例施用對植物生長發(fā)育最為有利[4-14]。本研究結(jié)果與目前大量研究結(jié)論基本一致，從研究實踐方面驗證了本研究結(jié)論的正確性，具有一定的理論指導(dǎo)意義。

當(dāng)前，全球硝態(tài)氮肥產(chǎn)量占全球氮肥總產(chǎn)量的約14%，其中歐盟成員國硝態(tài)氮肥產(chǎn)量占全球硝態(tài)氮肥總產(chǎn)量的約40%，而我國僅占2%[19]。我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，化肥施用量過多、肥料利用率偏低、環(huán)境污染嚴(yán)重問題日益突出[20]。我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)常用的氮肥以尿素、碳酸氫銨、氯化銨、硫酸銨為主，其在土壤中主要以銨態(tài)氮形式存在，硝態(tài)氮肥料(硝基肥)較少，這無疑會影響作物對氮肥和其他礦質(zhì)離子的吸收。因此，建議加快發(fā)展我國硝基肥產(chǎn)業(yè)，提高硝態(tài)氮肥施用量，這對優(yōu)化我國施肥結(jié)構(gòu)、提高肥料利用率具有重要的意義。