营养液pH变化对刺梨苗吸收硝态氮和铵态氮的影响

王梦柳，樊卫国，官纪元，龚芳芳，何春丽

（1贵州大学，贵阳550025；2贵州省六盘水市农业科学研究院，贵州钟山553000；3国家林业和草原局刺梨工程技术研究中心，贵阳550025）

0 引言

铵态氮(NH4+-N)和硝态氮(NO3--N)是植物吸收的主要氮形态，介质pH对植物根系吸收不同形态氮素有重要影响[1]。刺梨(Rosa roxburghii)是原产中国西南地区的特有树种，果实营养丰富，在食品开发中具有重要利用价值，近年来种植规模日益扩大。以往的研究发现，在微酸性介质环境中刺梨对硝态氮的吸收表现出明显的偏好[2-3]。然而在生产中发现，对不同pH土壤上的刺梨施用硝态氮为主的氮肥后，生长差异极大，由此猜测，土壤酸碱度可能会影响刺梨对硝态氮的吸收。研究介质pH变化对刺梨苗吸收硝态氮和铵态氮的影响，有助于更深入了解刺梨的氮素营养特性，为不同土壤上的刺梨氮肥管理提供科学依据。有关介质pH变化能够改变植物的氮素吸收特性已有较多报道。葛顺峰等[4]研究发现，土壤从pH 3.82逐渐增大至pH 6.83后，平邑甜茶(Malus hupehensis)砧木的‘红富士’苹果幼树对酰胺态氮的利用率随pH的降低而降低。在土壤pH 6.5的条件下向平邑甜茶实生苗分别供给铵态氮、硝态氮和酰胺态氮，植株的氮吸收量差异明显，其中氮吸收量以供给铵态氮的最大，供给硝态氮的次之，供给酰胺态氮的植株氮吸收量最少，土壤pH进一步降低或增大后，分别供给不同形态氮源的平邑甜茶实生苗的氮吸收量、吸收效率和利用效率都会发生改变[5]。一些研究发现，即便是一些喜硝或者喜铵的植物，介质pH的变化也会改变对不同形态氮素的选择吸收特性。具有喜硝特性的小白菜在pH 4～7的营养液中，硝态氮的吸收速率高于铵态氮，进一步增大pH后铵态氮的吸收速率逐渐增大，在pH8的条件下铵态氮的吸收速率远大于硝态氮[6]。在等量供给NO3-和NH4+的条件下，喜铵的小麦在pH 5.0和pH 6.5的营养液中对NO3-吸收量大于NH4+，增大至pH 8.0时则出现相反的结果[7]，喜铵的玉米在营养液pH 4.0时，对NO3-的吸收速率大于NH4+，营养液达到pH 6.0则最有利于铵态氮的吸收，NH4+的吸收速率明显大于NO3-[8]。由此可见，受介质pH的影响，植物对不同形态氮素吸收的差异明显。贵州是国内刺梨的主产区，种植规模已达15万hm2以上，由于大多数刺梨种植于喀斯特山地石灰性土壤上，受较高土壤pH的影响，刺梨施肥肥效不高的问题突出[9]。探究介质pH对刺梨吸收不同形态氮素的影响，能够为不同pH条件下刺梨氮肥的差异化管理提供理论借鉴。本研究采用氮素吸收动力学参数测定和营养液培养试验的方法，研究营养液pH变化对刺梨吸收NO3--N和NH4+-N的影响，旨在进一步了解刺梨的氮素营养特性，为刺梨的氮素营养管理提供生理依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2018年5月—2019年7月在贵州大学国家林草局刺梨工程技术研究中心进行。以‘贵农5号’刺梨实生苗为材料。吸收试验营养液选用霍格兰和阿农通用营养液配方，分别用硝酸钾、硫酸铵提供硝态氮源和铵态氮源，用磷酸二氢钠作磷源，用K2SO4提供并平衡各处理营养液中的K+。营养液配制所用水为去离子水，用0.1% NaOH和H2SO4调节pH，试验所用试剂皆为优级纯。砂培试验用2:1的石英砂与蛭石混合作为基质，石英砂和蛭石事先用0.5%的稀盐酸溶液浸泡7天后洗净备用。

1.2 试验设计

分别设NO3--N和NH4+-N 2种氮源，营养液中的氮浓度均为2.0 mmol/L，其他离子浓度与霍格兰和阿农通用营养液中的保持一致。设pH 4、5、6、7、8、9的6个处理，氮素吸收动力学参数测定试验每个处理3株，重复3次；砂培试验每个pH处理4株，重复3次。

1.3 试验方法

1.3.1 硝、铵离子吸收动力学参数测定试验 将低温层积过的刺梨种子播种于1:1的腐殖土和蛭石混合基质中育苗，幼苗达到15 cm高时取出进行NH4+和NO3-的吸收动力学试验。采用耗竭法[10]测定根系对NH4+和NO3-的最大吸收速率(Imax)、米氏常数(Km)和根系中的离子流动速率(α)。整个吸收试验均在人工气候室中进行，光照强度为200 μmol/(m2·s)，环境温度为25℃，空气相对湿度为65%。吸收试验前将刺梨苗从苗床基质中小心取出，避免损失根系，洗净根上的基质，移入含有0.2 mmol/LCaSO4溶液中饥饿48 h，再分别移入不同pH的NH4+、NO3-吸收营养液中，吸收试验营养液用涂黑三角瓶装载，溶液体积为100 mL，其中加入0.1 mL 3%的H2O2提供O2，以免缺氧对根系吸收能力的不利影响。对NH4+的吸收试验营养液中加入7 μmol/L的硝化抑制剂（二氢胺）防止NH4+-N的硝化[11]。吸收试验处理12 h，每隔1 h取不同处理的吸收试验营养液测定剩余的NH4+、NO3-含量。NO3-含量用直接比色法测定[12]，NH4+含量用靛酚蓝比色法测定[13]。吸收试验结束时，立即剪取刺梨苗根系并用吸水纸吸干其表面水分后称重。参考杨洪强等[14]的方法，按式(1)计算每小时NH4+和NO3-离子的吸收速率(I)。

式中，C0、C1表示处理前后营养液的离子浓度，V0、V1分别表示处理前后营养液的体积，T为处理时间，RFW为根系鲜重。

采用LB双倒数法将Michaelis-Menten方程[式(2)]转变为式(3)，以1/I对1/C作图，所得直线截距即为1/Imax，斜率为Km/Imax，求出Imax和Km，再根据式(4)算出NH4+和NO3-离子流入根系的速率(α)。

式中，C为吸收营养液中的底物浓度，即NH4+和NO3-的离子浓度。

1.3.2 砂培试验及相关测定 砂培试验在透光通风的避雨玻璃棚内进行。刺梨幼苗生长到3叶1心时移栽于12 L的塑料培养槽基质中，浇水3天后浇1/2浓度的霍格兰和阿农配方通用营养液1周进行适应性培养，然后浇不同处理的营养液进行试验培养。在以NH4+-N为氮源的营养液中加入7 μmol/L的硝化抑制剂（二氢胺）防止NH4+-N的硝化。每2天定量浇不同处理的营养液1次，每隔6天用2 L不同处理pH的去离子水分别对培养基质进行1次冗余浇灌，然后再浇处理的营养液，以避免基质中养分元素的富集。试验处理65天，测定植株高度，翻槽取出刺梨苗洗净、杀酶、烘干后测定整株及地上部及根系的干重生物量，粉碎后用凯氏定氮法测定整株的含氮量，按式(5)计算氮素吸收量[15]。

氮素吸收量=含氮量×植株干重生物量……… (5)

1.4 数据处理分析

数据处理与作图用Excel，方差分析用DPS v7.05分析软件进行。多重比较采用新复极差法。

2 结果与分析

2.1 在不同pH条件下刺梨实生苗对NO3-、NH4+的吸收动力学方程及其相关系数

植物吸收营养离子的特征可用Michaelis-Menten方程加以定量描述[10]。离子吸收动力学方程的相关系数是衡量该动力学方程能否描述离子吸收特性实际情况的重要指标。相关系数越大越显著，表明用该方程描述植物营养吸收特性越准确和越可靠，其吸收动力学参数更能表征营养吸收的实际。本研究的测定结果表明，营养液的不同酸碱度并没有改变刺梨根系对NO3-或NH4+吸收的动力学方程的线性关系，在不同pH条件下，刺梨根系吸收NO3-或NH4+的动力学方程相关系数分别在0.92～0.95和0.93～0.97之间，均达到极显著相关（表1），表明用Michaelis-Menten方程描述刺梨对NO3-或NH4+的吸收具有准确性和可靠性，其吸收动力学参数更能反映氮素吸收的实际情况。

表1 不同pH条件下刺梨实生苗吸收NO3-、NH4+的动力学方程及其相关系数

2.2 营养液pH变化对刺梨苗根系吸收NO3-和NH4+的动力学参数的影响

2.2.1 对NO3-和NH4+的最大吸收速率(Imax)的影响 营养液的酸碱度变化能够改变刺梨苗根系对NO3-和NH4+的最大吸收速率。图1显示，从pH 4增大到pH 9，根系对NO3-的Imax逐渐减小。处于pH 4和pH 5的条件下，根系对NO3-的Imax最高，分别为60.13、60.73 μmol/(g·h)，当pH＞5后，Imax明显降低，从pH 7升高至pH 8，NO3-的Imax从 53.50 μmol/(g ·h)急剧降低至 43.3 μmol/(g ·h)。然而，刺梨苗根系对NH4+的Imax却是随营养液pH的增大而增大，尤其是从pH 7增大至pH 9后，NH4+的Imax从42.20 μmol/(g·h)增加至59.20 μmol/(g·h)。从图1还看出，当营养液达到pH 7时，根系对NO3-的Imax仍然比NH4+的大，而当营养液pH＞7后，根系对NO3-的Imax却比NH4+小得多。上述结果说明，介质pH＜7有利于刺梨苗根系对NO3-离子的吸收，介质pH＞7后则有利于NH4+离子的吸收。

图1 刺梨苗根系对NO3-和NH4+的最大吸收速率(Imax)

2.2.2 对根系与NO3-和NH4+亲和力的影响 Michaelis-Menten方程的米氏常数(Km)，是反映根系与离子亲和力大小的重要吸收动力学参数指标，Km值越大，离子亲和力越弱[10]。测定结果表明，营养液pH变化能够改变刺梨苗根系与NO3-和NH4+的亲和力。在过高或过低的pH条件下，都会增大NO3-和NH4+的Km，从而降低刺梨苗根系与NO3-和NH4+的亲和力。从图2可看出，营养液为pH 4和pH 5时，NO3-的Km值小，当营养液pH＞6后，NO3-的Km值迅速增大，根系与NO3-的亲和力急剧减弱。对于NH4+而言，营养液为pH 4和pH 5时，Km值分别达到1.39、1.40 mmol/(g·h)，pH＞5后Km值急剧变小，达到pH 7以上时，NH4+的Km值比NO3-的Km值小得多。以上结果说明，在营养液pH＜6的条件下，刺梨苗根系与NO3-的亲和力比NH4+的强，而当营养液大于pH 6后，刺梨苗根系与NO3-的亲和力急剧减弱，而与NH4+的亲和力急剧增强。

图2 刺梨苗根系与NO3-和NH4+的米氏常数(Km)

2.2.3 对NO3-和NH4+流入根系的速率(α)的影响 图3显示，NO3-流入刺梨苗根中的速率随营养液pH的升高而逐渐降低，而NH4+流入刺梨苗根中的速率则随营养液pH的升高而增大，尤其是营养液升高至pH 7后，α值增加幅度很大，pH 7时α值仅为0.06，达到pH 8和pH 9时，α值分别达到0.13和0.14。以上结果说明，在酸性介质环境中，NO3-流入刺梨苗根中的速率比NH4+大；而在碱性介质环境中，NH4+流入刺梨苗根中的速率比NO3-大得多。

图3 NO3-和NH4+流入刺梨苗根中的速率(α)

2.3 营养液pH变化与刺梨苗根系吸收NO3-和NH4+动力学参数的相关性

相关分析结果（表2）表明，营养液的pH变化与刺梨苗根系对NO3-的最大吸收速率(Imax)和流入刺梨苗根中的速率(α)均呈极显著负相关，与根系对NO3-的米氏常数(Km)呈极显著正相关；而营养液的pH变化与刺梨苗根系对NH4+的Imax、α、Km的相关性正好与此相反。

表2 营养液pH变化与NO3-、NH4+吸收动力学参数的相关性

2.4 供给硝态氮或铵态氮的条件下营养液pH变化对刺梨苗生长和氮素吸收的影响

2.4.1 对刺梨苗植株高度及生物量的影响 砂培试验结果（图4～5）表明，供给NO3--N的刺梨苗植株高度和干重生物量随营养液pH的增大而减小。供给NO3--N的刺梨苗，营养液pH 4和pH 5处理的植株高度分别达到39.35、41.06 cm，营养液升至pH 9的苗高仅为26.04 cm。在供给NH4+-N的处理中，刺梨苗高度和干重生物量随营养液pH增大而增大，pH 4的处理苗高和植株干重生物量分别只有20.03 cm和3.78 g，营养液升至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。说明在酸性介质中供给NO3--N有利于刺梨苗生长，而在碱性介质中供给NH4+-N对刺梨苗生长有明显的促进作用。

图4 供给硝态氮或铵态氮的刺梨苗生长高度

图5 供给硝态氮或铵态氮的刺梨苗干重生物量

2.4.2 对刺梨苗的氮含量及氮素吸收量的影响 表3显示，在营养液为pH 4和pH 5时，供给NO3--N的刺梨苗中氮的含量及吸收量最大，随pH的升高，植株中的氮含量及吸收量随之降低，而在供给NH4+-N的刺梨苗中，氮的含量及吸收量随营养液pH的升高而增加。说明在酸性介质有利于刺梨苗对NO3--N的吸收，而碱性介质环境有利于刺梨苗吸收的氮素形态为NH4+-N。

表3 营养液pH变化对供给硝态氮或铵态氮的刺梨苗中氮含量和氮素吸收量的影响

2.5 营养液pH变化与刺梨苗植株高度、生物量、氮含量和氮素吸收量的相关性

相关性分析结果（表4）表明，在供给NO3--N的条件下，营养液的pH变化与刺梨苗植株高度、干重生物量、氮含量及吸收量呈极显著负相关，而当氮源改变为NH4+-N后，营养液的pH变化与这些指标呈极显著正相关。以上结果进一步证实，介质pH变化对刺梨苗吸收和利用不同形态氮素的差异性影响有密切关联。

表4 供给硝态氮或铵态氮条件下营养液的pH变化与刺梨苗植株高度、生物量、氮含量和氮素吸收量的相关性

3 结论与讨论

硝态氮和铵态氮都是氮源，但植物根部环境的pH会明显影响硝态氮和铵态氮的吸收。通常在酸性介质中有利于植物对NO3-的吸收，在介质的pH降低时NO3-吸收较快，随介质的pH升高，NO3-的吸收减少，而在介质的pH升高时则有利于NH4+的吸收[16-17]。尽管一些植物具有喜硝或喜铵营养特性，但所处介质的pH发生一旦发生改变，对不同形态氮素的选择吸收特性也会改变，类似的研究结果在喜铵的茶树[18-19]、小麦[20]、玉米[9]、水稻[21]、华北落叶松及杉木[22]、薏苡[23]和喜硝的小白菜[7]、烟草[24]等植物上都有报道。虽然在微酸性介质环境中刺梨对硝态氮的吸收表现出明显的偏好[3]，但本研究发现，随介质pH的进一步降低，刺梨苗根系对NO3--N的吸收能力会增强，植株高度及生物量、氮含量及吸收量进一步增大，即酸性环境有利于刺梨苗吸收NO3--N，而在碱性介质环境中，刺梨苗根系对NH4+-N的吸收能力及吸收量却大大超过NO3--N，类似的研究结果在玉米[9]、小麦[20]、水稻[21]、华北落叶松和杉木[22]、薏苡[23]上也有报道。本研究结果表明，降低或升高介质的pH后，刺梨对硝态氮和铵态氮的吸收特性会发生明显的改变，为刺梨的氮肥施用提供了参考依据。施氮时应该考虑到土壤的酸碱性对刺梨吸收NO3--N和NH4+-N的差异性，尤其是在喀斯特地区的碱性土壤上，施用NH4+-N能否改善刺梨的营养状况和促进生长有待进一步试验验证。

介质pH变化对刺梨苗吸收NO3-或NH4+的差异性影响，可能与阴阳离子间的竞争及拮抗作用、根细胞表面的电荷和NO3-或NH4+离子运输系统的改变等因素有关。介质中OH-与NO3-、H+与NH4+会产生离子间的竞争和拮抗作用[1,25]，在碱性介质中，OH-与NO3-的离子间竞争和相互拮抗作用增强，同时，根细胞表面的负电荷也会增加，不利于根系对NO3-的吸收[26]，这可能是介质pH增大后NO3-与刺梨苗根系的亲和力减弱、NO3-的最大吸收速率降低和刺梨苗对NO3--N吸收量减少的重要原因。而对NH4+而言，在碱性介质中不存在上述负面影响，因此有利于刺梨苗对NH4+-N的吸收。此外，介质pH变化还会影响NO3-、NH4+离子在体内的运转，pH下降有利于阴离子跨膜运输，而对阳离子的跨膜运输有抑制作用，而pH上升后的作用则相反[10]。在本研究中，营养液的pH降低后NO3-流入刺梨苗根中的速率明显增强，而营养液的pH升高后NH4+流入刺梨苗根中的速率明显增大，可能分别与OH-和H+减少后解除对NO3-和NH4+跨膜运输抑制有关。

在不同的介质pH条件下刺梨苗根系对NO3--N和NH4+-N的吸收特性有明显差异。酸性介质有利于刺梨苗对NO3--N的吸收，其根系对NO3-的最大吸收速率、与NO3-亲和力、NO3-流入刺梨根系中的速率、植株的氮含量及吸收量远比在碱性介质中的大，而碱性介质则有利于刺梨苗对NH4+-N的吸收，其根系对NH4+的最大吸收速率、与NH4+的亲和力、NH4+的流入刺梨根系中的速率、植株的氮含量及吸收量随介质pH的升高而增大。介质pH变化对刺梨苗吸收不同形态氮素的差异性影响，为不同酸碱度的土壤上刺梨施肥时氮肥的选择提供了参考依据。