土壤氨基酸态氮对植物的氮营养贡献及其地带性分布规律

【摘要】植物有机营养是我国植物营养学的重要发展方向之一,是植物营养研究领域的拓宽和深入。自从1840年李比希的“植物矿质营养学说”诞生起,人们对植物吸收矿质营养和有机营养的研究就一直没有停止过。随着现代仪器分析测试技术的不断发展,很多研究相继证实植物可以直接吸收土壤中的分子态氨基酸,且植物对土壤氨基酸态氮的吸收不再是个别现象,而是在不同生态系统中普遍性存在,氮的矿化不再是控制生态系统中氮循环的“关键步骤”。但由于氨基酸在土壤溶液中浓度很低(0.1～150μmolL-1),且在植物与微生物竞争中常处于明显劣势,因此氨基酸态氮对植物生长的营养贡献一直未引起人们的重视。研究发现土壤固体颗粒能够吸附氨基酸、缩氨酸及铵态氮,并且吸附态氨基酸能占据土壤中氨基酸总量的88%-92%。目前人们对氨基酸的分布及其生物有效性研究主要集中在北极苔原、高山寒冷地带、北方森林以及草原地带的土壤,主要关注土壤中游离氨基酸,且对其生物有效性性评价还存在很多争议。本文在野外调研的基础上利用无菌培养和稳定性氮同位素示踪技术,研究植物对氨基酸态氮的吸收及其影响机制、氨基酸态氮对作物的氮营养贡献及土壤氨基酸的地带性分布规律。取得的主要研究结果如下1.氨基酸部分替代硝态氮对小白菜产量、品质及根际分泌物的影响：20%氨基酸部分替代硝态氮处理小白菜产量下降,显著降低硝酸盐及可溶性淀粉含量,其中以20%谷氨酸(Glu)处理最低,分别为1490.8mgkg-1、77mgg-1；提高了小白菜全氮、可溶性蛋白、可溶性糖、游离氨基酸的含量,改变其根系形态结构及根系活力；同时,20%甘氨酸(Gly)、20%混合氨基酸(AAS)处理显著提高根系分泌物中铵态氮、游离氨基酸、总有机碳及总氮、可溶性蛋白含量,根系分泌物中有机氮占总氮的百分比在Gly、Glu、AAS处理中分别提高了5.6%、11.2%、12.8%。结果表明氨基酸部分替代硝态氮可改善小白菜的品质,其生物量与各根系分泌物呈显著负相关(0.7<r<0.83,p<0.05),且氨基酸种类显著影响其生物量、根系形态以及根系分泌物各组分含量。2.无菌条件下不同氮形态及用量对小白菜氨基酸吸收的影响：甘氨酸吸收及其对小白菜的氮营养贡献与氮形态、氮水平及其交互作用显著相关。提高甘氨酸浓度可显著提高小白菜生物量、甘氨酸吸收及其对植物的氮营养贡献。小白菜低氮水平能诱导并促进小白菜对氨基酸的吸收。铵态氮、硝态氮及其与甘氨酸的交互作用均显著抑制小白菜对甘氨酸的吸收及其氮营养贡献。小白菜对甘氨酸吸收量在低无机氮、高甘氨酸浓度处理中达到最大。不同处理中甘氨酸对小白菜的氮营养贡献差异显著,gNA处理(低甘氨酸、高铵态氮和硝态氮浓度)中最低,仅为2.2%；Gna处理(高甘氨酸、低铵态氮和硝态氮浓度)最高,达35.8%。表明氨基酸态氮可能作为低无机氮投入的农田生态系统中植物的一种重要营养氮源。3.无菌条件下小白菜对硝态氮、铵态氮及甘氨酸态氮的选择性吸收：小白菜对硝态氮、铵态氮及甘氦酸的吸收随其氮水平、氮形态的不同而差异显著。小白菜对甘氨酸的吸收随着其浓度的增加而显著增加(r=0.89～0.99,p<0.11),但其吸收利用效率与氮浓度呈显著负相关关系(r=-0.64～-0.77,p<0.36)。小白菜对甘氨酸的吸收速率显著大于无机氮,且对硝态氮、铵态氮及甘氨酸的吸收速率均符合米氏吸收动力学方程,其吸收常数分别为2000μmol、177μmol、801μmol、无菌条件下小白菜对硝态氮、铵态氮及甘氨酸吸收以主动吸收为主,但高氮浓度条件下其被动吸收所占百分比分别为30.6%、23.7%、22.2%。4.无菌条件下水稻对土壤吸附态氨基酸的吸收：土壤游离及吸附态氨基酸含量随土壤类型、浸提剂种类及土壤处理方式的不同而差异显著。淋洗后,萧山粉砂壤土(土壤A)对甘氨酸吸附能力显著高于仙居粘壤土(土壤B),其吸附能力分别为1490mgNkg-1,280mgNkg-1,且其吸附能力大小与土壤理化性状紧密相关,如土壤粘粒含量、有机碳、阳离子交换量等。土壤吸附态氨基酸可显著提高水稻幼苗生物量及氮含量,并显著影响水稻的甘氨酸吸收、利用率及其对水稻的氮营养贡献。无菌培养21天后,两种土壤中水稻对甘氨酸的吸收量在吸附饱和点(AS)处理中最大,吸附饱和点添加铵态氮(NAS)处理较之显著降低。吸附态氨基酸的吸收利用率分别为4.8%～11.6%、10.9%-32.2%；吸附态氨基酸对水稻的氮营养贡献可达15.7%-47.3%,但其对水稻的氮营养贡献与土壤氨基酸的吸附能力大小无关。5.铵态氮水平对水稻吸收土壤吸附态氨基酸的影响：土壤A、B中水稻生物量在处理T3(吸附半饱和条件下甘氨酸与铵态氮浓度比1：0.5)中最高,分别为155.0mgplant-1、115.7mgplant-1。等氮量情况下,土壤A、B中生物量在处理T6(吸附饱和条件下甘氨酸与铵态氮浓度比1：0.5)中较处理T1(吸附半饱和条件下甘氨酸与铵态氮浓度比1：2)分别增加了119%、23%。水稻幼苗对土壤吸附态氨基酸吸收受氨基酸、铵态氮水平影响。土壤A的甘氨酸吸附能力显著大于土壤B,但土壤A中水稻对吸附态甘氨酸的吸收利用率(1.0%-7.3%)显著低于土壤B(7.4%-28.7%),且其利用率随铵态氮浓度的增加而降低。经过21天的无菌培养,土壤吸附态氨基酸的氮营养贡献高达8.8%-22.6%。T4、T1处理(甘氨酸与铵态氮浓度比1：2)中两种土壤甘氨酸的氮营养贡献较低,分别为8.8%、12.9%,表明高浓度铵态氮显著抑制水稻幼苗对土壤吸附态甘氨酸的吸收及其生物有效性。6.中国典型类型土壤吸附态氨基酸地带性分布规律：垂直地带性土壤提取的可溶性总氮、氨基酸含量随取样点高度的增加而显著增加；水平地带性土壤提取的可溶性总氮、硝态氮、铵态氮及氨基酸含量随土壤类型、利用方式及植被类型不同而差异显著,且林地土壤氨基酸含量显著高于农田土壤。相关分析表明土壤吸附态氨基酸与其游离氨基酸含量显著正相关(r=0.98,p<0.001),表明土壤吸附态氨基酸有可能成为土壤游离氨基酸的“库”。土壤全氮、提取态总氮、有机质及碱解氮与土壤吸附态氨基酸显著正相关(r>0.65,p<0.001)。土壤氨基酸含量随土壤类型差异呈现显著的地带性分布规律,其分布规律不仅受海拔的影响,而且与植被类型、土壤母质和耕作制度密切相关。7.中国典型类型土壤水解氨基酸态氮分布特征：垂直地带性土壤酸解氨基酸含量表现出随海拔高度的增加而不断增加的趋势,且其酸解氨基酸含量远大于水平地带性的农田土壤,前者水解氨基酸均值为1787.1mgNkg-1,后者达300.2mgNkg-1。水平地带性土壤酸解氨基酸种类主要以组氨酸(16.83%)、丙氨酸(9.46%)、甘氨酸(8.39%)、谷氨酸(6.91%)、丝氨酸(6.11%)、亮氨酸(5.95%)及异亮氨酸(5.77%)为主,其约占土壤水解氨基酸总量的60%；垂直地带性土壤中各酸解氨基酸组分主要以组氨酸(30.3%)、甘氨酸(10.7%)、丙氨酸(7.0%)为主,其总和占氨基酸总氮量的48%左右。研究发现土壤酸解氨基酸含量与土壤全氮显著正相关,其相关系数达0.73～0.85(p<0.001)。
【作者】曹小闯；
【导师】吴良欢；
【作者基本信息】浙江大学，植物营养学，2014，博士
【关键词】氨基酸；无机氮；生物有效性；地带性分布；植物；土壤；

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