植物不同氮素形态配比施肥及其分子机制研究进展*

马道承,庞艳萍,田湘,王凌晖

(1.广西大学林学院，广西 南宁 530004；2.南宁树木园，广西 南宁 530031)

在目前常见的氮素形态中，铵态氮(NH4+-N)、硝态氮(NO3--N)、酰胺态氮〔CO(NH2)2-N〕为植物吸收利用的主要氮素形态，而氮气(N2)、氰氨态氮(例如石灰氮)因为不易被植物直接吸收、对土壤性质影响较大等原因，难以被推广至实际生产应用中。就目前而言，植物对不同氮素形态的偏好性及其单施和配比施用现状尚缺乏系统归纳，且氮素形态施肥研究中存在的问题(如氮素高效利用种质资源开发不足、影响氮素吸收的各类因素等)亦未进行系统的归纳总结。因此，本文从各类氮素形态的特点入手，归纳总结植物对不同氮素形态的偏好性并剖析其形成的主要原因，然后对不同氮素形态对植物生长、作物产量及品质的影响、植物响应不同形态氮肥单施或配施的分子机制进行综述，对氮素形态施肥研究中硝化抑制剂使用及各类影响因素等尚存在的问题进行总结，以期为植物对氮素的吸收及利用机制的研究提供参考。

1 氮素形态及植物氮素形态偏好性

1.1 氮素形态简介

常见的氮素形态可按组分分为无机态和有机态两种。无机态氮主要形式为铵态氮和硝态氮，常见于土壤及各类化肥中，在土壤中的占比多为全氮的1%～2%；有机态氮主要形式为尿素、甘氨酸、酰胺等，是森林土壤氮素的常见形式，亦为植物矿质氮的重要来源。无机态氮素可被植物直接吸收利用，而有机态氮则被微生物分解为无机态氮后被植物吸收利用[1-4]。常见氮素形态肥料、特点及转化(存在)形式如表1。

表1 常见氮素形态肥料、特点及转化、存在形式Tab.1 Common nitrogen form fertilizers,characteristics,transformation and existing forms

1.2 植物氮素形态偏好性

多数植物对不同形态的氮素喜好性不尽相同。马尾松(Pinusmassoniana)组培苗在全铵态氮处理下生长状况最佳[6]，茶树(Camelliasinensis)幼苗对铵态氮的喜好强于其他氮素形态[7]，雷竹(Phyllostachysviolascens)表现出弱喜铵性[8]，柑橘(CitrusreticulataBlanco cv.Ponkan)亦对铵态氮敏感[9]。对硝态氮而言，紫花苜蓿(Medicagosativa)[10]、天台铁线莲(Clematispatenssp.tientaiensis)[11]、喜树(Camptothecaacuminata)[12]等植物偏好硝态氮。但部分植物喜好氮素形态趋向平衡的环境。例如：当铵态氮或酰胺态氮比例达到为1︰1时番茄(Lycopersiconesculentum)植株生长正常，而任意改变其中一种氮素的比例均对植株叶片含水量、产量、平均单果重等产生显著影响[13]；厚叶铁线莲(C.crassifolia)在硝铵配比1︰1的情况下生长状况最好[14]。相较单施硝态氮而言，部分外施铵态氮的植物干物质含量更高，但光合作用受其影响不显著[15]。由此可见，部分植物对某一形式的氮素具有轻微或强烈的喜好作用，而某些植物则喜欢均衡的氮素配比。此类现象产生原因各异。

1.3 植物氮素形态偏好性产生的主要原因

1.3.1 植物自身因素对植物氮素形态偏好性的影响

植物自身影响因素具体表现在植物种类、形态建成、性别、自身生化组分及代谢情况等方面。因铵态氮在土壤中易于扩散，故杉木〔Cunninghamialanceolata(Lamb.)Hook.〕在全铵处理下根系伸长生长极显著，从而可促进其对铵态氮的吸收，从而表现出偏好性[16]。槟榔(ArecacatechuL.)因生于具酸性土壤的热带地区，多数起源于pH较低土壤环境的植物喜铵态氮，且槟榔在营养生长期生长中心位于叶片，故其营养生长期喜吸收铵态氮，且叶、茎中氮含量显著高于根系[17]，可见不同氮素形态吸收与植物自身因素及氮素施加时期存在关联。植株性别亦是影响不同氮素形态吸收及利用的重要因素。有研究表明，虽毛白杨(PopulustomentosaCarrière)对硝态氮的亲和性较高、硝酸还原酶能力较强[18-19]，但常笑超等发现窄冠雄性毛白杨 331植株对硝态氮偏好性较强[20]。美洲黑杨(P.deltoides)雌性植株具一定偏硝性，但雄性植株对氮形态无明显偏好[21]。此外，植物对不同氮素形态的喜好性还突出表现在基因型、种源等遗传层面中。喀斯特地区野生枇杷(Eriobotryajaponica)依其对铵态氮素的吸收量及氮效率可分为双高效型、高氮高效型、低氮高效型和双低效型[22]；铵态氮、硝态氮对杨属植物PopulusbalsamiferaL.不同种源生长、氮同化等方面具有显著影响，而在种源及更广泛基因型水平上，氮素利用均存在高度变异[23]；氮素利用率低的欧洲油菜(Brassicanapus)基因型更倾向于硝铵配比施用，而氮素利用率高的油菜基因型更倾向于单一硝酸盐环境[24]。综上所述，植物自身诸多因素可制约不同氮素形态吸收利用，但目前多数原因机理尚不完全清晰，仍需进一步研究。

1.3.2 外界因素及内、外因交互对植物氮素形态偏好性的影响

研究表明，各类外界因素可影响植物氮素形态吸收，并可与植物自身因素产生互作。如：对毛豆〔Glycinemax(L.)Merr.〕而言，硝态氮、铵态氮占比较高的情况下，其籽粒中谷氨酰胺合成酶及硝酸还原酶活性升高，可促使氮代谢作用加强、蛋白积累上升，但此时其碳代谢作用降低，淀粉、糖合成受限。75︰25的硝铵比处理下其碳氮代谢状况适中，此时毛豆籽粒营养物质积累及生理代谢状况均较好[25]。而对常见农作物水稻(OryzasativaL.)、小麦(TriticumaestivumL.)而言，水稻喜铵的原因不仅因其根系缺少硝酸还原酶，且在淹水生长环境下氮的硝化作用被显著抑制、反硝化作用易发生，铵态氮吸收耗能较低[26-27]。但亦有学者认为，旱作条件下水稻对氮素形态吸收情况与常规耕作条件下不同，更偏向于吸收硝、铵配比形态的氮及硝态氮[28]。对小麦而言，因其种子中缺乏碳水化合物，故对铵态氮忍耐力较低，硝态氮与酰胺态氮为小麦的主要利用形式。酰胺态氮、硝态氮处理下土壤脲酶等活性的升高可助于小麦氮素吸收及其籽粒产量的提高。且实际生产中，硝酸铵钙作为氮源时挥发率仅为2%～3%[29-30]，故小麦生产中硝态氮及改良的控释尿素常作为其肥料[31]。由此可见，硝酸还原酶是植物体内硝态氮转化及利用的关键功能性酶，碳水化合物含量则决定铵态氮耐受程度。在外界环境因子中，土壤湿润程度、pH及植物生长时期等因素亦起到重要影响。欧洲油菜在旱地土壤中单施硫酸铵时相较单施硝态氮产量更高[32]；酸性土壤条件更利于刺梨(Rosaroxburghii)对硝态氮的吸收[33]。综上所述，部分外界环境因子可能会通过影响植物体内的酶及化学物质，进而影响植物对氮素的吸收与利用。此方面亦需根据不同植物种类的特点制定合理方案深入研究。

2 植物氮素形态配比及氮素养分吸收分子机制

2.1 不同氮素形态施肥对植物生长状况的影响

研究表明，不同氮素形态配施可提高植物生长状况并促进其生物量积累。田亚男等[34]研究发现，当NO3--N/NH4+-N为3︰1时，杜梨(Pyrusbetulaefolia)植株地上部分生长及生物量积累最好，但NO3--N/NH4+-N为1︰1时整体生长生理综合状况最佳。罗剑飘等[35]发现，较低NH4+-N/NO3--N处理下，金线兰(Anoectochilusroxburghii)和云南开唇兰属(Anoectochilus)组培苗茎段生长最好，但在大田生产时硝态氮比例应适当提升；程培军等[36]研究发现，当硝铵配比为1︰1外加施氮深度25 cm时，豫南地区烤烟的生长状况最好。Ncube和Staden研究表明，石蒜科(Amaryllidaceae)曲管花属(Cyrtanthus)植物CyrtanthusguthrieaeL.单施硝态氮时其叶面积最小，而硝铵比为1︰1时植株叶面积最大[37]。对枇杷实生苗而言，其根系对铵态氮吸收的内在潜力高于硝态氮，对比硝态氮，增施铵态氮更能促进其发育及氮素的优先吸收利用[38]。黄东静等[39]、花蕊等[40]研究结果表明，当硝铵配比为3︰1时，1 a生银杏(Ginkgobiloba)实生苗和2 a生半同胞家系银杏幼苗生长状况最好。李海霞等[41]研究表明，n(NO3--N)︰n(NH4+-N)=2︰6条件下最利于1 a生蒙古栎(Quercusmongolica)幼苗生物量积累，而n(NO3--N)︰n(NH4+-N)=4︰4时，其光合作用最佳，且叶绿素、可溶性蛋白含量最高，硝铵配比施肥较铵态氮、硝态氮单独使用效果更好。除此之外，硝铵配比施肥还存在于甘蔗(Saccharumspp.)[42]、甘薯(Dioscoreaesculenta)[43]、玉米(Zeamays)[44]等糖料、油料、粮食等经济作物中。由此可见，大多数植物在硝铵配施条件下生长状况比单施铵、硝态氮肥好，但在生产推广时仍存在一定问题，如盆栽试验与大田试验所需施肥量及比例不同、部分植物在不同的硝铵配比条件下生长状况与生物量积累等存在差异等，故在试验直至推广过程中需进行更深入的实践加以验证。

2.2 不同氮素形态配比施肥对作物产量和品质影响的研究

不同氮素形态施用不仅可影响植物生长及矿质养分的吸收，亦可影响植物药用成分、营养成分含量。对日本大叶菠菜(Spinaciaoleracea)而言，其硝酸盐含量随配比中铵态氮比例升高而逐渐减少，全铵施用时硝酸盐、草酸含量显著降低，分别低于1 000 mg/kg、500 mg/kg，维生素C含量则在硝铵比25︰75时达最大值(高于80 mg/100g)，因菠菜草酸、硝酸盐易富集的特点，施用过多硝态氮不利于其品质的提升[45]。叶用黄甜菜全铵态氮施肥时硝酸盐含量亦为最低值，含量低于150 μg/g[46]。毕兆东[47]研究表明，单施硫酸铵浓度为0.8%时，韭菜(AlliumtuberosumRottler ex Sprengle)硝酸盐含量仅为321.42 mg/kg，远低于食品安全中规定的安全标准，而随着铵态氮肥的施用，其维C、可溶性糖、可溶性蛋白合成受到促进。当硝铵比为0︰5时，硝酸盐含量对比对照组减少5.8%，显著低于硝态氮占比高处理。可见硝态氮在部分植物中存在能被植物体直接富集的情况，被人食用后易对健康产生影响，故对此类植物进行硝铵配比施肥时，硝态氮的比例需慎重考虑。此外，不同的硝铵配比亦可影响植株药用成分及其他经济成分含量。例如，甘草(Glycyrrhizauralensis)在硝铵比75︰25及尿素处理下甘草酸含量显著上升，分别可达0.654%和0.596%，而铵态氮处理下甘草黄酮、甘草多糖含量最高，分别为1.016%和0.769%，但纯铵态氮施用会抑制植株生长，过高药用成分含量下植株生长状况亦有影响[48]。Barickman等[49]发现，当硝铵配比为1︰1时，瑞士甜菜(Betavulgarissubsp.cicla)植株干物质积累最多，而叶黄素(LUT)、新黄质(NEO)、蒽黄质(ANTH)含量在硝铵比75︰25时最高，分别为10.72 mg/100g、4.49 mg/100g、3.22 mg/100g，β-胡萝卜素(BC)、紫黄质(VIO)含量则在硝铵比1︰1时最大，分别为7.52 mg/100g和3.81 mg/100g。对银杏而言，硝铵比为75︰25时其2 a生半同胞家系苗木单株叶生物量最高，达4.733 g/株，而总黄酮、单株总黄酮经济产量及单株萜内酯经济产量均达最大值，分别为7.180 mg/g、33.933 mg和27.889 mg[40]。可见，铵态氮、硝态氮在促进植物药用成分及次生代谢产物合成方面作用不同，在施用前应了解植物对不同氮素形态的适应性及所需合成的目标产物，进而选择合适的氮素形态进行施用，探索其合理配比。此外，硝铵配比施肥对作物产量和品质影响的研究还存在于番茄[50]、石榴(Punicagranatum)[51]等植物中，有时亦与其他因素(如：光照强度、氯化钙喷施等)交互研究。综上所述，不同氮素形态对植物生长及此过程中各类营养、药用成分的合成具有不同的作用，在配施前应进行充分的了解，而后探究适合不同植物的氮素形态配比。

2.3 植物对不同形态氮肥单施或配施的响应分子机制及功能基因研究进展

植物体内常见的氮代谢基因有代谢关键酶基因(NR、GOGAT、GS、AS等基因家族)、氮代谢基因(VvGHD，VvNiR，VvNR，VvGS，VvAS等)、氮转运蛋白与辅助蛋白相关基因(NRT2基因家族、NRT1基因家族)、硝酸盐转运基因(如MtNRT1.3)等。此类基因的高量表达可使植物氮吸收能力显著增强，影响作物生长及品质。例如，将外源基因ZmNF-YA13导入烟草及玉米，相较对照组而言，该基因的高量表达可促使烟草及玉米转基因植株在低氮胁迫下的根系生长、生物量积累及叶绿素合成[52]；将CfNRT2.1基因转入水稻后可使其在低氮环境中叶色浓绿、生长健壮，促进其百粒重及籽粒长度分别提升11.36%和4.53%[53]；水稻中过表达OsNADH-GOGAT基因可使其谷物重量得到显著提升[54]。小麦中过表达TaGS2-2Ab、TaNF-YA-B1等基因均可提升其产量，表现为穗数、籽粒数量、千粒重等方面[55-56]。可见植物氮素吸收转运基因在植物体内的高量表达是植物体对氮素吸收及利用的关键。目前已存在较多硝铵配比下功能基因研究。铵态氮处理下，小黑杨(Populus×xiaohei)GS1.2基因和GS2基因在0.5h之内表达量显著上升，AlaAT3和AlaAT4表达量在0-24h内表达量先下降后上升，而使用硝态氮处理小黑杨之后亦会出现转录组层面的变化[57-58]；蓝莓外施铵、硝态氮时，VcAMT3、VcNRT1.5、VcNRT2、VcNR、VcNiR等基因出现显著上调表达[59]；当硝铵配比为4︰1时，甜菜中亚硝酸还原酶基因(NiR)表达量达到最大[60]。1︰3、2︰2硝铵比例可使舒茶枣(Camelliasinensiscv.Shuchazao)体内GS1;1、GS1;3、GOGAT、AMT3;1及GDH表达量升高，硝态氮比例的上升亦可促进NRT1;2、NR基因表达[61]。硝铵配比为5︰5时，枳橙(Citrussinensis×Poncirustrifoliate)体内CitNia1、CitNia2基因表达量最高，而当硝铵比为3︰7时，其CitGlnHZ及CitGln2基因表达量均最高[62-63]。由此可见，植物体通过调整氮代谢及吸收转运相关基因的表达而实现对硝铵配比施肥的响应。但此类植物中是否存在其他类型的功能基因表达、各类氮代谢基因之间存在何种联系及调控网络，尚待系统研究。

3 植物不同氮素形态施肥研究中存在的问题

3.1 部分研究未使用硝化抑制剂，可能导致氮素形态发生的转变

常见添加的硝化抑制剂有双氰胺(DCD)、3,4-二甲基吡唑磷酸盐(DMPP)、3-甲基吡唑(MP)等，其作用是防止铵态氮通过微生物等作用转化为硝态氮而对实验结果产生影响。但硝化抑制剂大多具有毒性且不甚稳定，长期使用对植物生长及环境均存在一定的影响。对食药类植物进行研究时，供试植物的安全性及可食性亦纳入考虑范畴。虽添加硝化抑制剂可减小因氮素形态发生转变而造成的实验误差，但不能真实还原生产中氮素配比施肥的场景。故硝化抑制剂是否添加、添加剂量尚为氮素形态研究中存在争议的问题。

3.2 氮素形态吸收及综合调控网络研究尚未深入，氮高效利用植物种质挖掘不够

目前对植物的氮素转运研究虽已呈现一定规模，但氮素施用后植物体中会发生相对复杂的各类调控，相应的途径网络数量较多。目前的大部分研究中仅对部分途径(如碳氮代谢、铵态氮硝态氮转运等)出现一定量研究，但缺乏各类途径综合调控网络的整合，且植物氮高效种质资源的筛选仅停留在部分植物中，尚未得到推广，而不同种质资源氮高效利用的功能基因研究尚较少。

3.3 对植物遗传因素、环境因素、季节性等因素缺乏深入系统研究

植物不同种质的氮素形态吸收及利用研究多见于农作物、拟南芥(Arabidopsisthaliana)[64-65]及部分草本植物中，对林木研究略显匮乏。前文中提及的研究也多数停留在初始阶段，尚未深入至育种环节，如：各类氮素高效吸收利用或表现出偏好性的植物在遗传物质方面具有哪些共性、呈现出氮高效利用的植物种质有哪些遗传特点、其杂交后代是否能稳定遗传氮高效利用特征等。此外，大多数氮素形态研究倾向于短期试验，缺乏长期动态观测，在不同氮素形态对植物体的效应、营养生长及生殖生长的调控等研究方面非常匮乏。这也是未来研究中值得深入挖掘的层面。此外，在目前大多数研究中，对于植物铵态氮、硝态氮的偏好性缺乏固定的定量标准。例如：前文研究中，大多数研究仅针对硝铵配比施肥进行部分比例研究(如：1︰1、3︰1、1︰3等)，缺乏对植物不同生长阶段、季节等条件下对铵态氮、硝态氮的喜好及需求比例等深入、长期的定量研究。

4 研究展望

不同氮素形态配比施肥在植物氮素养分供应、探究氮素转运及吸收机制中具有重要作用，而不同植物及其遗传种质在不同生长条件等环境中亦对不同氮素形态需求各异。基于目前氮素配比施肥及氮素形态吸收及转运中的研究现状，可根据不同植物生态学特性制定相应的培养方式，并在部分林木种类中适当增加有机态氮肥、硝化抑制剂等物质的使用，从而更有效地研究氮素，避免其不同形态间的转化。此外，在进行植物种质资源相关研究时，应对氮素高效利用植物及其遗传种质进行更深入了解及筛选，并对氮素形态吸收及综合调控网络加强研究，综合环境因素、季节性等因素对氮素形态吸收及利用加深了解，为各类植物对不同氮素形态的吸收及利用提供一定的参考，从而在生产中更有效地指导氮肥施用，提升植物产量及品质。