硝酸铵配比对菠萝幼苗生长及氮素吸收的促进作用研究

《Frontiers in Plant Science》：Increasing the nitrate-to-ammonium ratio improved plant growth and nitrogen uptake in pineapple seedlings

本文系统探讨了不同硝酸盐(NO3-)与铵盐(NH4+)配比对菠萝(Ananas comosus)幼苗生长的影响。研究发现70:30的NO3-:NH4+配比能显著提升根系形态指标（总根长+15.32%，根表面积+12.35%）、增强硝酸盐吸收速率，并促进叶绿素a/b合成，最终使叶面积扩大61.10%，植株氮积累量增加19.49%。该结果为菠萝栽培的氮肥精准管理提供了重要理论依据。

　　

引言

氮素是植物需求量最大的营养元素，是氨基酸、蛋白质、核酸、叶绿素和辅酶的主要组成成分。铵态氮(NH₄⁺)和硝态氮(NO₃^-)是植物根系从土壤溶液中最易吸收的两种氮源形式。适当的氮素形态和充足的氮供应是实现植物最佳生长、最大氮素利用效率和作物产量的基础。在高等植物中，硝酸盐被根系吸收后通过木质部运输到地上部，在细胞质中通过硝酸还原酶(NR)和质体中的亚硝酸还原酶(NiR)转化为铵，然后同化为氨基酸。硝酸盐还原是一个高度耗能的生理过程，依赖于光合作用。直接吸收铵可以节省光合产物和能量，从而促进植物生长。

景天酸代谢(Crassulacean acid metabolism, CAM)具有夜间吸收CO₂、降低光呼吸和提高水分利用效率的特点。尽管铵对大多数CAM植物表现出毒害效应，但由于其同化所需的能量低于NO₃^-和尿素，因此对植物生长有利。相比之下，硝态氮可以在细胞中以高浓度存在，并快速运输到其他组织进行蛋白质合成而不损害植物代谢；但根系吸收硝态氮比吸收铵态氮需要更多的光合能量。植物对特定氮素形态的偏好和利用能力因物种及其将元素同化为有机化合物的能力而异。

菠萝(Ananas comosus [L.] Merr. var. comosus)是世界上最重要的五种热带水果之一。作为关键的CAM植物，菠萝的生长和产量严重依赖氮素这一直接影响果实发育和产量的必需大量营养元素。先前研究表明，菠萝可能利用NH₄⁺、NO₃^-、尿素和甘氨酸形式的氮。有研究指出菠萝对铵态氮的吸收速率显著高于硝态氮，但也有相反报道。尽管多数研究发现NH₄⁺和NO₃^-混合施用比单独施用更有利于植物生长，但菠萝生长的最佳NH₄⁺与NO₃^-施用比例仍不明确。

材料与方法

植物生长条件：选择重量和外观均匀的菠萝品种Comte de Paris组培苗（约100克重，15厘米高），在1/2强度改良霍格兰溶液(pH 5.5)中进行45天水培预培养。预培养后，选择生长一致的植株进行不同NO₃^-:NH₄⁺比例处理，总氮浓度固定为4 mM，设5个比例处理：0:100、30:70、50:50、70:30和100:0。每个处理4次重复，每株植物在700 mL营养液中培养，营养液每3天更换一次。培养条件为室温28°C，相对湿度80%，光合光子通量密度500 μmol·m^-2·s^-1，光周期8h/16h（昼/夜）。处理三个月后收获植株。

铵盐和硝酸盐吸收速率测定：预培养的菠萝组培苗经过3天氮饥饿处理后，根系在0.1 mM CaSO₄中浸泡5分钟进行离子交换。随后将根系浸入对应处理营养液中1小时（9:00-10:00），收集残留液测定铵和硝酸盐浓度，计算吸收速率。

叶片生长、光合色素、根形态和活性测定：测定D叶（植株上最年轻生理成熟叶）宽度和叶面积。光合色素含量采用分光光度法测定。根形态通过WinRHIZO Pro系统分析，获得总根长、根表面积、根体积和平均根直径。根活性采用2,3,5-三苯基氯化四氮唑(TTC)法测定。

碳氮浓度测定：植株收获后，105°C杀青30分钟，80°C烘干至恒重。研磨后过0.425 mm筛，使用元素分析仪测定碳氮浓度。

结果

叶片生长：NO₃^-:NH₄⁺比例显著影响菠萝总叶面积。随着营养液中硝酸盐比例增加，叶面积先增加后降低，70:30处理叶面积最大，比单独铵处理增加61.10%。硝酸盐比例增加对D叶长和宽无显著影响，但显著影响叶片数和比叶面积。

叶片光合色素：随着硝酸盐比例增加，叶绿素a和b含量呈上升趋势。50:50和70:30处理显著提高了叶绿素a和b含量。类胡萝卜素含量在单独铵处理时最高，70:30处理次之。

根形态和活性：随着硝酸盐比例增加，根长、表面积、体积和平均直径先降低后增加。70:30处理获得最大根体积和平均直径。根活性随铵比例降低先明显下降后上升，单独铵供应时根活性最高。

铵盐和硝酸盐吸收速率：随着铵比例降低，铵吸收速率下降，而硝酸盐吸收速率先增加后降低。70:30处理观察到最大硝酸盐吸收速率，最高铵吸收速率出现在单独铵处理中。

生物量积累：随着硝酸盐比例增加，生物量先减少后增加。70:30处理获得菠萝叶和茎的最高干重。随着硝酸盐比例增加，更多干物质分配到地上部。

植株碳氮浓度和积累：各处理间叶片氮浓度相似，但比叶氮含量随硝酸盐比例增加而降低。碳氮积累随硝酸盐比例增加先减少后增加。70:30处理获得最大碳氮积累，氮积累比单独铵处理增加19.49%，碳积累增加21.62%。氮积累与碳积累呈显著正线性关系。

讨论

适当的NO₃^-:NH₄⁺比例促进植物生长已在多种植物中报道。本研究中70:30处理获得了最高生物量、碳氮积累，显著优于单独施用铵或硝酸盐及其他混合比例。

70:30处理改善了根系生长和硝酸盐吸收能力，有助于增强氮同化。根系形态在氮吸收中起重要作用。适当NO₃^-:NH₄⁺比例可促进更好根系形态形成。本研究显示当硝酸盐比例超过50%时，菠萝总根长和表面积显著增加，导致吸收面积增大，从而增强氮吸收。70:30供应时菠萝根系硝酸盐吸收能力最强，促进了该处理下的氮吸收。

改善的植株氮吸收由于根系生长增强和根系硝酸盐吸收速率提高，可促进叶绿素和类胡萝卜素合成。本研究中70:30处理的叶片叶绿素a和b含量显著高于单独铵和硝酸盐处理，预期叶片光合能力显著增强，能够合成更多糖类。

增加的根系生长和氮吸收速率可促进叶片扩展。本研究观察到70:30处理的菠萝叶面积显著增加61.10%，而单独铵供应抑制叶片生长。植物叶面积是决定菠萝干物质积累的关键因素，因其直接与光合作用和光合产物固定相关。与此叶面积扩大相对应，该处理中叶干物质含量显著提高24.40%，与叶面积和干物质积累间的正相关关系一致。

结论

供应低铵高硝酸盐浓度促进了氮吸收并刺激了菠萝生长。与其它处理相比，70:30 NO₃^-:NH₄⁺比例处理的菠萝植株表现出最高生物量以及碳氮积累。具体而言，该比例增强了菠萝根系生长和硝酸盐吸收能力，从而促进了氮同化。此外，该处理叶片叶绿素a和b浓度显著高于单独铵和硝酸盐处理，表明菠萝叶片光合能力增强，从而促进了更多糖类的合成。因此，70:30处理促进了菠萝叶片面积扩大，与此相对应，该处理中叶干物质含量显著增加了24.40%。结果表明70:30为最佳NO₃^-:NH₄⁺比例，可增强菠萝根系和地上部生长以及碳氮积累。