營養液pH變化對刺梨苗吸收硝態氮和銨態氮的影響

王夢柳，樊衛國，官紀元，龔芳芳，何春麗

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

0 引言

銨態氮(NH4+-N)和硝態氮(NO3--N)是植物吸收的主要氮形態，介質pH對植物根系吸收不同形態氮素有重要影響[1]。刺梨(Rosa roxburghii)是原產中國西南地區的特有樹種，果實營養豐富，在食品開發中具有重要利用價值，近年來種植規模日益擴大。以往的研究發現，在微酸性介質環境中刺梨對硝態氮的吸收表現出明顯的偏好[2-3]。然而在生產中發現，對不同pH土壤上的刺梨施用硝態氮為主的氮肥后，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氮的吸收。研究介質pH變化對刺梨苗吸收硝態氮和銨態氮的影響，有助于更深入了解刺梨的氮素營養特性，為不同土壤上的刺梨氮肥管理提供科學依據。有關介質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]研究發現，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氮、硝態氮和酰胺態氮，植株的氮吸收量差異明顯，其中氮吸收量以供給銨態氮的最大，供給硝態氮的次之，供給酰胺態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生改變[5]。一些研究發現，即便是一些喜硝或者喜銨的植物，介質pH的變化也會改變對不同形態氮素的選擇吸收特性。具有喜硝特性的小白菜在pH 4～7的營養液中，硝態氮的吸收速率高于銨態氮，進一步增大pH后銨態氮的吸收速率逐漸增大，在pH8的條件下銨態氮的吸收速率遠大于硝態氮[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的營養液中對NO3-吸收量大于NH4+，增大至pH 8.0時則出現相反的結果[7]，喜銨的玉米在營養液pH 4.0時，對NO3-的吸收速率大于NH4+，營養液達到pH 6.0則最有利于銨態氮的吸收，NH4+的吸收速率明顯大于NO3-[8]。由此可見，受介質pH的影響，植物對不同形態氮素吸收的差異明顯。貴州是國內刺梨的主產區，種植規模已達15萬hm2以上，由于大多數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pH對刺梨吸收不同形態氮素的影響，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測定和營養液培養試驗的方法，研究營養液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特性，為刺梨的氮素營養管理提供生理依據。

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5號’刺梨實生苗為材料。吸收試驗營養液選用霍格蘭和阿農通用營養液配方，分別用硝酸鉀、硫酸銨提供硝態氮源和銨態氮源，用磷酸二氫鈉作磷源，用K2SO4提供并平衡各處理營養液中的K+。營養液配制所用水為去離子水，用0.1% NaOH和H2SO4調節pH，試驗所用試劑皆為優級純。砂培試驗用2:1的石英砂與蛭石混合作為基質，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通用營養液中的保持一致。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(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中小心取出，避免損失根系，洗凈根上的基質，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-吸收營養液中，吸收試驗營養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表示處理前后營養液的離子濃度，V0、V1分別表示處理前后營養液的體積，T為處理時間，RFW為根系鮮重。

采用LB雙倒數法將Michaelis-Menten方程[式(2)]轉變為式(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進行。刺梨幼苗生長到3葉1心時移栽于12 L的塑料培養槽基質中，澆水3天后澆1/2濃度的霍格蘭和阿農配方通用營養液1周進行適應性培養，然后澆不同處理的營養液進行試驗培養。在以NH4+-N為氮源的營養液中加入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基質進行1次冗余澆灌，然后再澆處理的營養液，以避免基質中養分元素的富集。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 數據處理分析

數據處理與作圖用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

植物吸收營養離子的特征可用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。相關系數越大越顯著，表明用該方程描述植物營養吸收特性越準確和越可靠，其吸收動力學參數更能表征營養吸收的實際。本研究的測定結果表明，營養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

2.2 營養液pH變化對刺梨苗根系吸收NO3-和NH4+的動力學參數的影響

2.2.1 對NO3-和NH4+的最大吸收速率(Imax)的影響 營養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，當營養液達到pH 7時，根系對NO3-的Imax仍然比NH4+的大，而當營養液pH＞7后，根系對NO3-的Imax卻比NH4+小得多。上述結果說明，介質pH＜7有利于刺梨苗根系對NO3-離子的吸收，介質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(Km)，是反映根系與離子親和力大小的重要吸收動力學參數指標，Km值越大，離子親和力越弱[10]。測定結果表明，營養液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，營養液為pH 4和pH 5時，NO3-的Km值小，當營養液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。以上結果說明，在營養液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(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液pH的升高而增大，尤其是營養液升高至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。以上結果說明，在酸性介質環境中，NO3-流入刺梨苗根中的速率比NH4+大；而在堿性介質環境中，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 營養液pH變化與刺梨苗根系吸收NO3-和NH4+動力學參數的相關性

相關分析結果（表2）表明，營養液的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(Km)呈極顯著正相關；而營養液的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 營養液pH變化與NO3-、NH4+吸收動力學參數的相關性

2.4 供給硝態氮或銨態氮的條件下營養液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液pH的增大而減小。供給NO3--N的刺梨苗，營養液pH 4和pH 5處理的植株高度分別達到39.35、41.06 cm，營養液升至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。說明在酸性介質中供給NO3--N有利于刺梨苗生長，而在堿性介質中供給NH4+-N對刺梨苗生長有明顯的促進作用。

圖4 供給硝態氮或銨態氮的刺梨苗生長高度

圖5 供給硝態氮或銨態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液pH的升高而增加。說明在酸性介質有利于刺梨苗對NO3--N的吸收，而堿性介質環境有利于刺梨苗吸收的氮素形態為NH4+-N。

表3 營養液pH變化對供給硝態氮或銨態氮的刺梨苗中氮含量和氮素吸收量的影響

2.5 營養液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

相關性分析結果（表4）表明，在供給NO3--N的條件下，營養液的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，而當氮源改變為NH4+-N后，營養液的pH變化與這些指標呈極顯著正相關。以上結果進一步證實，介質pH變化對刺梨苗吸收和利用不同形態氮素的差異性影響有密切關聯。

表4 供給硝態氮或銨態氮條件下營養液的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 結論與討論

硝態氮和銨態氮都是氮源，但植物根部環境的pH會明顯影響硝態氮和銨態氮的吸收。通常在酸性介質中有利于植物對NO3-的吸收，在介質的pH降低時NO3-吸收較快，隨介質的pH升高，NO3-的吸收減少，而在介質的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特性，但所處介質的pH發生一旦發生改變，對不同形態氮素的選擇吸收特性也會改變，類似的研究結果在喜銨的茶樹[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。雖然在微酸性介質環境中刺梨對硝態氮的吸收表現出明顯的偏好[3]，但本研究發現，隨介質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，即酸性環境有利于刺梨苗吸收NO3--N，而在堿性介質環境中，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。本研究結果表明，降低或升高介質的pH后，刺梨對硝態氮和銨態氮的吸收特性會發生明顯的改變，為刺梨的氮肥施用提供了參考依據。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的堿性土壤上，施用NH4+-N能否改善刺梨的營養狀況和促進生長有待進一步試驗驗證。

介質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+離子運輸系統的改變等因素有關。介質中OH-與NO3-、H+與NH4+會產生離子間的競爭和拮抗作用[1,25]，在堿性介質中，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pH變化還會影響NO3-、NH4+離子在體內的運轉，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，營養液的pH降低后NO3-流入刺梨苗根中的速率明顯增強，而營養液的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中的大，而堿性介質則有利于刺梨苗對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pH的升高而增大。介質pH變化對刺梨苗吸收不同形態氮素的差異性影響，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。