硝态氮与铵态氮配合缓解黄瓜苗期铵毒害作用的研究

樊娅萍，李静祎，贺苗苗，王倡宪

（黑龙江大学现代农业与生态环境学院，哈尔滨 150080）

0 引言

黄瓜因较高的营养价值与较强的栽培适应性而成为世界十大栽培蔬菜之一，同时，较高的经济效益与市场需求助推了其栽培面积和产量的逐年攀升。目前，在黄瓜生产中，育苗移栽是黄瓜栽培的主要方式，育苗期间，合理地供给营养以维持幼苗正常的生理代谢是培育壮苗的关键，而健壮的幼苗是产量与品质的保障[1-4]。

氮是植物“营养三要素”之一，NH4+-N与NO3--N是植物从土壤中吸收的主要氮素形态，二者在植物体内的吸收、转运及代谢途径不同，导致其对植物的生长及生理代谢产生的影响也截然不同。植物对NH4+-N 与NO3--N的吸收具有选择性[5-6]。对于大多数作物而言，单一供给NH4+-N或NO3--N条件下，植物会产生不同程度的胁迫响应。与NH4+-N相比，包括黄瓜在内的蔬菜更偏好NO3--N，但两者恰当配合有利于胁迫的缓解[7-11]。植物对NH4+-N或NO3--N的响应因供氮水平及作物种类而异。本研究采用盆钵培养的方法，探究‘津研4 号’黄瓜对NH4+-N 与NO3--N 的响应及相关机制，以期为黄瓜育苗生产中合理供氮提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

首先对‘津研4号’黄瓜（感病性品种）进行温汤浸种（50～55℃，连续搅拌15 min），然后用10% H2O2溶液浸泡5 min表面消毒，最后用灭菌的蒸馏水清洗，28℃催芽。

育苗基质为蛭石，0.105 MPa湿热间歇灭菌2 h，放置1周备用。营养钵上口径13.5 cm，下口径8.5 cm，高7.5 cm。

营养液分别以改良Hoagland营养液与Arnon微量元素配方为参考，保持总氮浓度为15 mmol/L，NO3--N以Ca(NO3)·4H2O与KNO3供给，NH4+-N以(NH4)2SO4供给。配制好后调节营养液至pH 6.5[12]。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计试验设全NH4+-N（简写为AN）、全NO3--N（简写为NN）、NH4+-N与NO3--N等量混合（简写为1/2A+1/2N）3 个处理，每处理15 盆，每盆1 株，共计45盆。

1.2.2 植物培养将育苗基质加蒸馏水调节至适宜湿度，装盆，每盆装育苗基质115 g，播种，每盆2 粒芽长一致的种子，于生长室随机摆放，出苗后，每盆留苗1株，待子叶完全展开后，浇灌相应处理的营养液，5 周后收获。

1.2.3 测定指标与方法从各处理中随机选取4 株，将地上部和根部迅速分割，快速冲洗干净后，吸干残留水分，测定主要生长指标（株高、茎粗、叶面积），烘干，测定生物量及全氮与全磷含量[13]，计算壮苗指数、氮磷养分吸收量及利用效率[式(1)～(3)]；另从各处理中随机选取4 株，清洗后测定主要生理指标（叶绿素、可溶性糖、MDA、游离脯氨酸）[14]。

1.3 统计分析

试验数据利用SPSS 24.0 进行统计，采用LSD 方法进行均数间多重比较，显著水平取0.05；图表采用Excel 2010绘制。

2 结果与分析

2.1 NO3--N 与NH4+-N 及两者等量混合对黄瓜幼苗生长的影响

株高、茎粗、叶面积、生物量是反映幼苗长势的重要参数，壮苗指数是衡量幼苗质量的综合指标。结合图1和表1可知，相对于NH4+-N，NO3--N对黄瓜幼苗的生长表现出了明显的促进作用，而在NO3--N中加入等量NH4+-N会在一定程度上抑制黄瓜幼苗的生长，且以全NH4+-N 处理的抑制作用最为显著。即3 个处理的黄瓜幼苗长势以全NO3--N处理最优，全NH4+-N处理的幼苗长势最弱，两者等量混合处理的幼苗长势良好。其中，全NO3--N处理的幼苗叶面积、地上部生物量、根系生物量及壮苗指数分别为全NH4+-N 处理的1.60、1.38、1.37、2.75 倍，前者显著高于后者。同时，在总氮量保持一致的条件下，将NO3--N 与NH4+-N 等量混合后，幼苗的叶面积、生物量及壮苗指数较全NO3--N 处理都有所下降，其中，尤以叶面积下降最为显著，除壮苗指数外，该处理在降低的各参数上与全NH4+-N处理间均无明显差异。

图1 NO3--N与NH4+-N及两者等量混合供给条件下黄瓜幼苗的长势

表1 不同处理对黄瓜幼苗主要生长参数的影响

2.2 NO3--N 与NH4+-N 及两者等量混合对黄瓜幼苗氮磷养分吸收的影响

氮磷参与植物体内蛋白质、碳水化合物及脂类等重要有机物的合成与代谢，对维持植物体正常生长发育至关重要。与NH4+-N相比，NO3--N处理更有利于黄瓜幼苗对氮磷的吸收，表现为全NO3--N处理条件下幼苗根系对氮营养的有效利用及地上部较高的氮磷营养水平，即该处理的幼苗根系氮利用率、地上部全氮与全磷含量分别为全NH4+-N处理的1.38、1.08与1.11倍（表2～3）；NO3--N 中加入等量NH4+-N 后，地上部全氮与全磷含量都有所下降，尤其是磷营养水平，显著低于全NO3--N 处理，与全NH4+-N 处理间无显著差异，但该处理幼苗地上部对氮磷营养的利用效率较高，氮磷利用效率分别为全NH4+-N处理的1.08、1.05倍。

表2 不同处理对黄瓜幼苗地上部与根系氮吸收及利用的影响

表3 不同处理对黄瓜幼苗地上部与根系磷吸收及利用的影响

2.3 NO3--N 与NH4+-N 及两者等量混合对黄瓜幼苗生理代谢的影响

pH可反映植物生长介质的酸碱性，该指标与植物根系吸收养分直接相关。氮形态对黄瓜幼苗根际pH有显著影响（图2），3 个处理中以全NH4+-N 处理根际pH最低，与等量NO3--N混合后，幼苗根际pH由6.28升至6.54，显著高于全NH4+-N处理。

图2 不同处理对黄瓜幼苗根际pH的影响

叶绿素含量与幼苗捕获光能及光合作用直接相关。图3 的结果表明，与NH4+-N 相比，供给NO3--N 可显著促进幼苗叶绿素的合成，全NO3--N处理的幼苗叶绿素含量分别是全NH4+-N处理、两者等量混合处理的1.34、1.17倍，而两者等量混合处理与全NH4+-N处理间的差异未达到显著水平。NO3--N 与NH4+-N 及两者等量混合对黄瓜幼苗可溶性糖含量的影响如图4 所示，与全NO3--N相比，营养液中加入NH4+-N后幼苗体内可溶性糖含量增加，且地上部与根系呈现相似的变化趋势，全NH4+-N 处理、两者等量混合处理的幼苗地上部可溶性糖含量分别为全NO3--N处理的1.84、1.88倍。

图3 不同处理对黄瓜幼苗叶绿素含量的影响

图4 不同处理对黄瓜幼苗可溶性糖含量的影响

丙二醛作为植物细胞膜脂过氧化的终产物，其含量与植物受胁迫程度密切相关。供给NH4+-N 的幼苗地上部与根系丙二醛含量都有所增加，其中，尤以地上部最为显著（图5）。全NO3--N处理幼苗地上部丙二醛含量显著低于全NH4+-N处理与两者等量混合处理，同时，全NH4+-N 处理、两者等量混合处理的幼苗根系丙二醛含量分别是全NO3--N 处理的1.13、1.29 倍。与可溶性糖一样，游离脯氨酸是植物渗透调节不可或缺的组分，其在应对逆境胁迫环节起着重要作用。NO3--N与NH4+-N 及两者等量混合对黄瓜幼苗游离脯氨酸的影响见图6，游离脯氨酸主要在地上部积累，其含量约是根系含量的2～3倍；此外，不同处理间幼苗地上部与根系游离脯氨酸差异虽都未达到显著水平，但全NH4+-N 处理幼苗地上部游离脯氨酸含量分别为全NO3--N处理、两者等量混合处理的1.28、1.29倍。

图5 不同处理对黄瓜幼苗丙二醛含量的影响

图6 不同处理对黄瓜幼苗游离脯氨酸含量的影响

3 结论与讨论

作为植物从土壤中吸收氮的2种主要形态，NH4+-N 与NO3--N 在植物体内的吸收、转运与代谢各具特点。其中，NH4+-N 在铵转运蛋白的协助下进入细胞，随后主要在根中被同化[15]。NO3--N则借助硝酸盐转运蛋白被根细胞主动吸收，并被装载于木质部导管向上运输，依次在细胞质与叶绿体中被还原为NH4+，进而合成有机氮被植物利用，同时，还原过程会引起介质pH 升高，对于大多数植物而言，NO3--N 的同化在茎中完成[5,16]。通常，如果长期供给植物单一的NH4+-N，会引起植物光合作用与生长代谢受抑等NH4+毒害问题。有研究发现，NH4+在叶片中同化时不仅会降低与光合作用相关基因的表达量，植物的光合系统也遭受破坏。植物受到毒害后，丙二醛与可溶性糖含量随之升高[17-20]。具体到本研究，保持总氮量15 mmol/L的条件下，与全NO3--N 处理相比，全NH4+-N 处理与两者等量混合处理的幼苗地上部丙二醛含量显著增加，而叶绿素含量却降低，同时叶面积显著减小，致使光合作用受到不同程度的影响，最终体现为幼苗生物量上的差异。尽管如此，诸如丹参、谷子、水稻等耐铵型植物仍然对NH4+-N具有偏好吸收的特性[21-24]。

有关耐铵型植物的解毒机制，在拟南芥上的研究结果表明，低浓度(2 mmol/L)铵胁迫下，植物地上部会积累大量游离铵；此外，与铵敏感型植物相比，耐铵型植物根系的铵转运蛋白基因表达水平较高，即根系具有较强的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，减少了游离铵向地上部的转运；同时，地上部积累的NH4+也可在较高的谷氨酰胺合成酶作用下同化为有机氮，研究认为，较高的氮利用效率是植物有效缓解铵毒的机制之一[25]。植物的氮素利用效率是以单位有效氮产生的籽粒产量或生物量来度量的，提高氮素利用效率的关键在作物本身，因为作物品种与发育阶段不同，其对氮的利用也存在明显差异[26-29]。结合本研究，NO3--N 与NH4+-N 等量混合处理地上部与根系氮利用效率较全NH4+-N 处理均有所提高，加之叶绿素含量与叶面积的增加，在一定程度上缓减了NH4+对幼苗生长的抑制作用，表现为NO3--N与NH4+-N 等量混合处理的幼苗生物量与壮苗指数与全NO3--N处理相当。

有研究认为，NH4+-N同化过程中会因植物体内的碳氮代谢平衡与营养平衡被破坏而受到毒害[30]。众所周知，营养平衡是植物健壮生长的前提，根系作为养分吸收与转运的关键器官，因其对NO3--N与NH4+-N的响应不同而使植物体内营养平衡受到不同的影响。其中，NH4+与K+的水合半径相似，致使K+的吸收减少，植物体内钾的重要营养功能随之受到影响；另外，NH4+在同化过程中，细胞内外产生的大量质子均不利于根系对K+、Ca2+、Mg2+的吸收，这无疑在一定程度上破坏了植物体内的养分平衡[31-32]。与NH4+-N 不同，根系吸收NO3--N与K+、Ca2+的吸收是互相促进的[33]。本研究中，与全NH4+-N 处理相比，在NH4+-N 中混入等量NO3--N后，幼苗根际pH 上升0.26 个单位后为6.54，增加量虽较小，但介质环境已达中性，这为K+、Ca2+、Mg2+的吸收创造了有利条件。就碳氮代谢平衡而言，植物在遭遇逆境时，通常会出现可溶性糖含量积累与氮素含量降低，C/N上升，体内碳氮平衡被破坏[34]。可溶性糖作为植物体非结构性碳水化合物的主要组分，不仅通过渗透调节响应逆境，而且可为氮素合成蛋白质提供能量和碳骨架。本研究中，全NO3--N处理的幼苗以地上部较低的可溶性糖含量获得了较高的全氮含量，表现出了较强的碳氮平衡能力。与全NO3--N 处理相比，全NH4+-N 处理与两者等量混合处理的幼苗地上部可溶性糖积累量增加，而相应的全氮含量却降低，导致C/N上升，碳氮平衡在一定程度上受到影响。

本研究从养分吸收利用角度探析了NO3--N 与NH4+-N配合缓解铵毒害的相关生理机制，明确了以蛭石为育苗基质、总氮浓度为15 mmol/L的条件下，单一供给‘津研4 号’NH4+-N 会造成铵毒害，但是，NH4+-N配合NO3--N可使铵毒害有所缓解，且两者等量混合处理的幼苗质量与供给全NO3--N 相当。限于本研究NH4+-N与NO3--N的配合比例，两者不同配比对铵毒的缓解效果及机制有待深入探究。此外，鉴于逆境下植物养分吸收与生理代谢的特殊性，进一步明确养分吸收与生理代谢间的相关性对于农业生产中合理进行营养调控以应对逆境具有重要的实践意义。