硝態(tài)氮與銨態(tài)氮配合緩解黃瓜苗期銨毒害作用的研究

樊?huà)I萍，李靜祎，賀苗苗，王倡憲

（黑龍江大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150080）

0 引言

黃瓜因較高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值與較強(qiáng)的栽培適應(yīng)性而成為世界十大栽培蔬菜之一，同時(shí)，較高的經(jīng)濟(jì)效益與市場(chǎng)需求助推了其栽培面積和產(chǎn)量的逐年攀升。目前，在黃瓜生產(chǎn)中，育苗移栽是黃瓜栽培的主要方式，育苗期間，合理地供給營(yíng)養(yǎng)以維持幼苗正常的生理代謝是培育壯苗的關(guān)鍵，而健壯的幼苗是產(chǎn)量與品質(zhì)的保障[1-4]。

氮是植物“營(yíng)養(yǎng)三要素”之一，NH4+-N與NO3--N是植物從土壤中吸收的主要氮素形態(tài)，二者在植物體內(nèi)的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)及代謝途徑不同，導(dǎo)致其對(duì)植物的生長(zhǎng)及生理代謝產(chǎn)生的影響也截然不同。植物對(duì)NH4+-N 與NO3--N的吸收具有選擇性[5-6]。對(duì)于大多數(shù)作物而言，單一供給NH4+-N或NO3--N條件下，植物會(huì)產(chǎn)生不同程度的脅迫響應(yīng)。與NH4+-N相比，包括黃瓜在內(nèi)的蔬菜更偏好NO3--N，但兩者恰當(dāng)配合有利于脅迫的緩解[7-11]。植物對(duì)NH4+-N或NO3--N的響應(yīng)因供氮水平及作物種類(lèi)而異。本研究采用盆缽培養(yǎng)的方法，探究‘津研4 號(hào)’黃瓜對(duì)NH4+-N 與NO3--N 的響應(yīng)及相關(guān)機(jī)制，以期為黃瓜育苗生產(chǎn)中合理供氮提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

首先對(duì)‘津研4號(hào)’黃瓜（感病性品種）進(jìn)行溫湯浸種（50～55℃，連續(xù)攪拌15 min），然后用10% H2O2溶液浸泡5 min表面消毒，最后用滅菌的蒸餾水清洗，28℃催芽。

育苗基質(zhì)為蛭石，0.105 MPa濕熱間歇滅菌2 h，放置1周備用。營(yíng)養(yǎng)缽上口徑13.5 cm，下口徑8.5 cm，高7.5 cm。

營(yíng)養(yǎng)液分別以改良Hoagland營(yíng)養(yǎng)液與Arnon微量元素配方為參考，保持總氮濃度為15 mmol/L，NO3--N以Ca(NO3)·4H2O與KNO3供給，NH4+-N以(NH4)2SO4供給。配制好后調(diào)節(jié)營(yíng)養(yǎng)液至pH 6.5[12]。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)設(shè)全NH4+-N（簡(jiǎn)寫(xiě)為AN）、全NO3--N（簡(jiǎn)寫(xiě)為NN）、NH4+-N與NO3--N等量混合（簡(jiǎn)寫(xiě)為1/2A+1/2N）3 個(gè)處理，每處理15 盆，每盆1 株，共計(jì)45盆。

1.2.2 植物培養(yǎng)將育苗基質(zhì)加蒸餾水調(diào)節(jié)至適宜濕度，裝盆，每盆裝育苗基質(zhì)115 g，播種，每盆2 粒芽長(zhǎng)一致的種子，于生長(zhǎng)室隨機(jī)擺放，出苗后，每盆留苗1株，待子葉完全展開(kāi)后，澆灌相應(yīng)處理的營(yíng)養(yǎng)液，5 周后收獲。

1.2.3 測(cè)定指標(biāo)與方法從各處理中隨機(jī)選取4 株，將地上部和根部迅速分割，快速?zèng)_洗干凈后，吸干殘留水分，測(cè)定主要生長(zhǎng)指標(biāo)（株高、莖粗、葉面積），烘干，測(cè)定生物量及全氮與全磷含量[13]，計(jì)算壯苗指數(shù)、氮磷養(yǎng)分吸收量及利用效率[式(1)～(3)]；另從各處理中隨機(jī)選取4 株，清洗后測(cè)定主要生理指標(biāo)（葉綠素、可溶性糖、MDA、游離脯氨酸）[14]。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用SPSS 24.0 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，采用LSD 方法進(jìn)行均數(shù)間多重比較，顯著水平取0.05；圖表采用Excel 2010繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 NO3--N 與NH4+-N 及兩者等量混合對(duì)黃瓜幼苗生長(zhǎng)的影響

株高、莖粗、葉面積、生物量是反映幼苗長(zhǎng)勢(shì)的重要參數(shù)，壯苗指數(shù)是衡量幼苗質(zhì)量的綜合指標(biāo)。結(jié)合圖1和表1可知，相對(duì)于NH4+-N，NO3--N對(duì)黃瓜幼苗的生長(zhǎng)表現(xiàn)出了明顯的促進(jìn)作用，而在NO3--N中加入等量NH4+-N會(huì)在一定程度上抑制黃瓜幼苗的生長(zhǎng)，且以全NH4+-N 處理的抑制作用最為顯著。即3 個(gè)處理的黃瓜幼苗長(zhǎng)勢(shì)以全NO3--N處理最優(yōu)，全NH4+-N處理的幼苗長(zhǎng)勢(shì)最弱，兩者等量混合處理的幼苗長(zhǎng)勢(shì)良好。其中，全NO3--N處理的幼苗葉面積、地上部生物量、根系生物量及壯苗指數(shù)分別為全NH4+-N 處理的1.60、1.38、1.37、2.75 倍，前者顯著高于后者。同時(shí)，在總氮量保持一致的條件下，將NO3--N 與NH4+-N 等量混合后，幼苗的葉面積、生物量及壯苗指數(shù)較全NO3--N 處理都有所下降，其中，尤以葉面積下降最為顯著，除壯苗指數(shù)外，該處理在降低的各參數(shù)上與全NH4+-N處理間均無(wú)明顯差異。

圖1 NO3--N與NH4+-N及兩者等量混合供給條件下黃瓜幼苗的長(zhǎng)勢(shì)

表1 不同處理對(duì)黃瓜幼苗主要生長(zhǎng)參數(shù)的影響

2.2 NO3--N 與NH4+-N 及兩者等量混合對(duì)黃瓜幼苗氮磷養(yǎng)分吸收的影響

氮磷參與植物體內(nèi)蛋白質(zhì)、碳水化合物及脂類(lèi)等重要有機(jī)物的合成與代謝，對(duì)維持植物體正常生長(zhǎng)發(fā)育至關(guān)重要。與NH4+-N相比，NO3--N處理更有利于黃瓜幼苗對(duì)氮磷的吸收，表現(xiàn)為全NO3--N處理?xiàng)l件下幼苗根系對(duì)氮營(yíng)養(yǎng)的有效利用及地上部較高的氮磷營(yíng)養(yǎng)水平，即該處理的幼苗根系氮利用率、地上部全氮與全磷含量分別為全NH4+-N處理的1.38、1.08與1.11倍（表2～3）；NO3--N 中加入等量NH4+-N 后，地上部全氮與全磷含量都有所下降，尤其是磷營(yíng)養(yǎng)水平，顯著低于全NO3--N 處理，與全NH4+-N 處理間無(wú)顯著差異，但該處理幼苗地上部對(duì)氮磷營(yíng)養(yǎng)的利用效率較高，氮磷利用效率分別為全NH4+-N處理的1.08、1.05倍。

表2 不同處理對(duì)黃瓜幼苗地上部與根系氮吸收及利用的影響

表3 不同處理對(duì)黃瓜幼苗地上部與根系磷吸收及利用的影響

2.3 NO3--N 與NH4+-N 及兩者等量混合對(duì)黃瓜幼苗生理代謝的影響

pH可反映植物生長(zhǎng)介質(zhì)的酸堿性，該指標(biāo)與植物根系吸收養(yǎng)分直接相關(guān)。氮形態(tài)對(duì)黃瓜幼苗根際pH有顯著影響（圖2），3 個(gè)處理中以全NH4+-N 處理根際pH最低，與等量NO3--N混合后，幼苗根際pH由6.28升至6.54，顯著高于全NH4+-N處理。

圖2 不同處理對(duì)黃瓜幼苗根際pH的影響

葉綠素含量與幼苗捕獲光能及光合作用直接相關(guān)。圖3 的結(jié)果表明，與NH4+-N 相比，供給NO3--N 可顯著促進(jìn)幼苗葉綠素的合成，全NO3--N處理的幼苗葉綠素含量分別是全NH4+-N處理、兩者等量混合處理的1.34、1.17倍，而兩者等量混合處理與全NH4+-N處理間的差異未達(dá)到顯著水平。NO3--N 與NH4+-N 及兩者等量混合對(duì)黃瓜幼苗可溶性糖含量的影響如圖4 所示，與全NO3--N相比，營(yíng)養(yǎng)液中加入NH4+-N后幼苗體內(nèi)可溶性糖含量增加，且地上部與根系呈現(xiàn)相似的變化趨勢(shì)，全NH4+-N 處理、兩者等量混合處理的幼苗地上部可溶性糖含量分別為全NO3--N處理的1.84、1.88倍。

圖3 不同處理對(duì)黃瓜幼苗葉綠素含量的影響

圖4 不同處理對(duì)黃瓜幼苗可溶性糖含量的影響

丙二醛作為植物細(xì)胞膜脂過(guò)氧化的終產(chǎn)物，其含量與植物受脅迫程度密切相關(guān)。供給NH4+-N 的幼苗地上部與根系丙二醛含量都有所增加，其中，尤以地上部最為顯著（圖5）。全NO3--N處理幼苗地上部丙二醛含量顯著低于全NH4+-N處理與兩者等量混合處理，同時(shí)，全NH4+-N 處理、兩者等量混合處理的幼苗根系丙二醛含量分別是全NO3--N 處理的1.13、1.29 倍。與可溶性糖一樣，游離脯氨酸是植物滲透調(diào)節(jié)不可或缺的組分，其在應(yīng)對(duì)逆境脅迫環(huán)節(jié)起著重要作用。NO3--N與NH4+-N 及兩者等量混合對(duì)黃瓜幼苗游離脯氨酸的影響見(jiàn)圖6，游離脯氨酸主要在地上部積累，其含量約是根系含量的2～3倍；此外，不同處理間幼苗地上部與根系游離脯氨酸差異雖都未達(dá)到顯著水平，但全NH4+-N 處理幼苗地上部游離脯氨酸含量分別為全NO3--N處理、兩者等量混合處理的1.28、1.29倍。

圖5 不同處理對(duì)黃瓜幼苗丙二醛含量的影響

圖6 不同處理對(duì)黃瓜幼苗游離脯氨酸含量的影響

3 結(jié)論與討論

作為植物從土壤中吸收氮的2種主要形態(tài)，NH4+-N 與NO3--N 在植物體內(nèi)的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)與代謝各具特點(diǎn)。其中，NH4+-N 在銨轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的協(xié)助下進(jìn)入細(xì)胞，隨后主要在根中被同化[15]。NO3--N則借助硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白被根細(xì)胞主動(dòng)吸收，并被裝載于木質(zhì)部導(dǎo)管向上運(yùn)輸，依次在細(xì)胞質(zhì)與葉綠體中被還原為NH4+，進(jìn)而合成有機(jī)氮被植物利用，同時(shí)，還原過(guò)程會(huì)引起介質(zhì)pH 升高，對(duì)于大多數(shù)植物而言，NO3--N 的同化在莖中完成[5,16]。通常，如果長(zhǎng)期供給植物單一的NH4+-N，會(huì)引起植物光合作用與生長(zhǎng)代謝受抑等NH4+毒害問(wèn)題。有研究發(fā)現(xiàn)，NH4+在葉片中同化時(shí)不僅會(huì)降低與光合作用相關(guān)基因的表達(dá)量，植物的光合系統(tǒng)也遭受破壞。植物受到毒害后，丙二醛與可溶性糖含量隨之升高[17-20]。具體到本研究，保持總氮量15 mmol/L的條件下，與全NO3--N 處理相比，全NH4+-N 處理與兩者等量混合處理的幼苗地上部丙二醛含量顯著增加，而葉綠素含量卻降低，同時(shí)葉面積顯著減小，致使光合作用受到不同程度的影響，最終體現(xiàn)為幼苗生物量上的差異。盡管如此，諸如丹參、谷子、水稻等耐銨型植物仍然對(duì)NH4+-N具有偏好吸收的特性[21-24]。

有關(guān)耐銨型植物的解毒機(jī)制，在擬南芥上的研究結(jié)果表明，低濃度(2 mmol/L)銨脅迫下，植物地上部會(huì)積累大量游離銨；此外，與銨敏感型植物相比，耐銨型植物根系的銨轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因表達(dá)水平較高，即根系具有較強(qiáng)的NH4+吸收能力，根系大量吸收的NH4+在谷氨酰胺合成酶的作用下被同化，減少了游離銨向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)；同時(shí)，地上部積累的NH4+也可在較高的谷氨酰胺合成酶作用下同化為有機(jī)氮，研究認(rèn)為，較高的氮利用效率是植物有效緩解銨毒的機(jī)制之一[25]。植物的氮素利用效率是以單位有效氮產(chǎn)生的籽粒產(chǎn)量或生物量來(lái)度量的，提高氮素利用效率的關(guān)鍵在作物本身，因?yàn)樽魑锲贩N與發(fā)育階段不同，其對(duì)氮的利用也存在明顯差異[26-29]。結(jié)合本研究，NO3--N 與NH4+-N 等量混合處理地上部與根系氮利用效率較全NH4+-N 處理均有所提高，加之葉綠素含量與葉面積的增加，在一定程度上緩減了NH4+對(duì)幼苗生長(zhǎng)的抑制作用，表現(xiàn)為NO3--N與NH4+-N 等量混合處理的幼苗生物量與壯苗指數(shù)與全NO3--N處理相當(dāng)。

有研究認(rèn)為，NH4+-N同化過(guò)程中會(huì)因植物體內(nèi)的碳氮代謝平衡與營(yíng)養(yǎng)平衡被破壞而受到毒害[30]。眾所周知，營(yíng)養(yǎng)平衡是植物健壯生長(zhǎng)的前提，根系作為養(yǎng)分吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)的關(guān)鍵器官，因其對(duì)NO3--N與NH4+-N的響應(yīng)不同而使植物體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)平衡受到不同的影響。其中，NH4+與K+的水合半徑相似，致使K+的吸收減少，植物體內(nèi)鉀的重要營(yíng)養(yǎng)功能隨之受到影響；另外，NH4+在同化過(guò)程中，細(xì)胞內(nèi)外產(chǎn)生的大量質(zhì)子均不利于根系對(duì)K+、Ca2+、Mg2+的吸收，這無(wú)疑在一定程度上破壞了植物體內(nèi)的養(yǎng)分平衡[31-32]。與NH4+-N 不同，根系吸收NO3--N與K+、Ca2+的吸收是互相促進(jìn)的[33]。本研究中，與全NH4+-N 處理相比，在NH4+-N 中混入等量NO3--N后，幼苗根際pH 上升0.26 個(gè)單位后為6.54，增加量雖較小，但介質(zhì)環(huán)境已達(dá)中性，這為K+、Ca2+、Mg2+的吸收創(chuàng)造了有利條件。就碳氮代謝平衡而言，植物在遭遇逆境時(shí)，通常會(huì)出現(xiàn)可溶性糖含量積累與氮素含量降低，C/N上升，體內(nèi)碳氮平衡被破壞[34]。可溶性糖作為植物體非結(jié)構(gòu)性碳水化合物的主要組分，不僅通過(guò)滲透調(diào)節(jié)響應(yīng)逆境，而且可為氮素合成蛋白質(zhì)提供能量和碳骨架。本研究中，全NO3--N處理的幼苗以地上部較低的可溶性糖含量獲得了較高的全氮含量，表現(xiàn)出了較強(qiáng)的碳氮平衡能力。與全NO3--N 處理相比，全NH4+-N 處理與兩者等量混合處理的幼苗地上部可溶性糖積累量增加，而相應(yīng)的全氮含量卻降低，導(dǎo)致C/N上升，碳氮平衡在一定程度上受到影響。

本研究從養(yǎng)分吸收利用角度探析了NO3--N 與NH4+-N配合緩解銨毒害的相關(guān)生理機(jī)制，明確了以蛭石為育苗基質(zhì)、總氮濃度為15 mmol/L的條件下，單一供給‘津研4 號(hào)’NH4+-N 會(huì)造成銨毒害，但是，NH4+-N配合NO3--N可使銨毒害有所緩解，且兩者等量混合處理的幼苗質(zhì)量與供給全NO3--N 相當(dāng)。限于本研究NH4+-N與NO3--N的配合比例，兩者不同配比對(duì)銨毒的緩解效果及機(jī)制有待深入探究。此外，鑒于逆境下植物養(yǎng)分吸收與生理代謝的特殊性，進(jìn)一步明確養(yǎng)分吸收與生理代謝間的相關(guān)性對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中合理進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)調(diào)控以應(yīng)對(duì)逆境具有重要的實(shí)踐意義。