从电荷守恒角度验证植物吸收铵态氮与硝态氮的合理比例

马全会，闫芬芬

(塔里木大学，新疆 阿拉尔 843300)

0 引 言

在植物体中，氮素大约占植物体干重的1.5%，是植物体内氨基酸和蛋白质、酶、核酸等物质的重要组成元素，也是磷脂、叶绿素、维生素、生物碱和某些生长激素形成的基础物质，并参与酶及辅酶和辅基等物质的结构组成，对植物生命活动起到重要的调节作用[1]。合理的氮素吸收利用，会通过直接和间接方式影响植物的光合作用，改善光合性能，还能增强果实库活力，延长果实发育期，影响果实的产量与品质，达到“以氮增碳”的效果[2]。

氮肥，是指以氮(N)为主要成分、具有N标明量、施于土壤可提供植物氮素营养的单元肥料，是世界上生产和使用量最大的肥料品种，适宜的氮肥用量对于提高作物产量、改善农产品质量有着重要的作用。氮肥按含氮基团可分为氨态氮肥、铵态氮肥、硝态氮肥、硝铵态氮肥、氰氨态氮肥和酰胺态氮肥。铵态氮进入植物细胞后与有机酸结合，形成氨基酸或酰胺被植物直接利用；硝态氮被吸收进入植物组织内部后，需先经过硝酸还原酶催化还原为亚硝酸，再经过亚硝酸还原酶还原成铵态氮，才可以被植物组织利用，转化过程中会消耗大量能量[3]。植物对铵态氮和硝态氮在吸收、运输、储藏和同化等方面均存在较大的差异，因而施肥过程中铵态氮与硝态氮的配比及吸收量的不同影响离子吸收、植物生长和作物产量。大量研究发现，铵态氮与硝态氮的配合使用会表现出联合效应，多数作物生长情况优于单独使用铵态氮或硝态氮，且在苹果砧木、葡萄、小麦、开唇兰属植物、紫花苜蓿、菠菜、香蕉、烤烟、生菜、黄瓜、三七等植物生长发育过程，均证实硝态氮与铵态氮按照3∶1比例施用对植物生长发育最为有利[4-14]。

在无土栽培营养液配方中，早期研发的Knop(1865年)古典水培配方、Snyder(1938年)配方、Rothansted(1952年)配方、Copper(1975年)水培配方，氮源只使用硝态氮而不添加铵态氮；而现代常用的营养液配方，如Hoagland营养液配方、日本园试营养液配方、山崎营养液配方、荷兰温室作物研究所岩棉培滴灌配方，氮源基本上以硝态氮为主，铵态氮占很小的比例[15]。

植物为什么要吸收大量硝态氮在体内费尽周折地转化为铵态氮，而不是全部直接吸收铵态氮呢？两种形式的氮源以什么样的比例吸收是合理的呢？以下从电荷平衡的角度进行计算推导，结合有关文献试验进行验证，以期为配方肥料的生产以及氮肥的合理施用提供一些理论依据。

1 植物“矿质营养学说”与氮源的两种形式

1840年德国化学家李比希(Liebig)在有关植物营养源于水说(1648年)、土说(1731年)、腐殖质说(1761年)等前人大量研究的基础上，对植物的营养吸收进行研究，提出植物以矿物质作为营养的“矿质营养学说”[16]。该学说指出，植物生长必需的氮、磷、钾、钙、镁、硫、铁、硼、锰、锌、铜、钼和氯等矿质营养吸收量各不相同，但同等重要，且各营养元素均具有特定功能，不可相互替代。该学说引发了许多有关植物矿质营养来源和作用的研究，许多观点被证实，并得到补充和完善，至今仍发挥着巨大的作用。根据“矿质营养学说”，植物根系从土壤溶液中只吸收不同种类和数量的矿质元素即可满足植物生长所需。植物的必需元素种类与利用形式及质量占比见表1。

表1 植物的必需元素种类与利用形式及质量占比[17]

2 基于电荷守恒的植物吸收硝态氮与铵态氮最佳比例的验证

表2 100 g干物质中6种大量元素的物质的量

表3 100 g干物质中5种大量元素的电荷计算结果

3 硝态氮与铵态氮最佳配比的应用及展望

目前，国内研究发现在苹果砧木、葡萄、小麦、开唇兰属植物、紫花苜蓿、菠菜、香蕉、烤烟、生菜、黄瓜、三七等植物生长过程中，氮肥中硝态氮与铵态氮按照3∶1比例施用对植物生长发育最为有利[4-14]。本研究结果与目前大量研究结论基本一致，从研究实践方面验证了本研究结论的正确性，具有一定的理论指导意义。

当前，全球硝态氮肥产量占全球氮肥总产量的约14%，其中欧盟成员国硝态氮肥产量占全球硝态氮肥总产量的约40%，而我国仅占2%[19]。我国农业生产过程中，化肥施用量过多、肥料利用率偏低、环境污染严重问题日益突出[20]。我国农业生产常用的氮肥以尿素、碳酸氢铵、氯化铵、硫酸铵为主，其在土壤中主要以铵态氮形式存在，硝态氮肥料(硝基肥)较少，这无疑会影响作物对氮肥和其他矿质离子的吸收。因此，建议加快发展我国硝基肥产业，提高硝态氮肥施用量，这对优化我国施肥结构、提高肥料利用率具有重要的意义。