土壤和植物中的铵

1、土壤和植物中的铵、硝态氮李生秀 王朝辉西北农林科技大学资源与环境科学系，陕西杨陵 712100一、自然界中的氮素和作物需要的氮素氮在自然界以固态、液态和气态广泛存在，总量很大，地圈、水圈、气圈和生物圈都是其存在的场地1。地圈中的固态氮素主要以NH4+形式存在于岩石和矿物的晶体晶格中，虽然相对含量不高，但庞大的地圈质量使其成为地球中最大的氮库。地圈中的氮素总量为1×1023g，占地球全部氮素的98%。这部分氮素很难风化利用2，3。地球周围大气圈中的氮素占大气质量的78%，以气态氮存在，是地球上的第二大氮库，总量为3.9×1021g，占全部氮素的19962，3。这部分氮素主要以

2、分子态存在，而由三个共价键结合起来的氮分子有着明显的惰性，很难和其他元素化合而形成氮的化合物。正因为这样，我国清末化学启蒙者徐寿，第一次翻译英文Nitrogen时，将其译成“淡气”，意思是冲淡了空气中的氧气4。这种惰性不但使其难与其他元素化合，也使其难以被植物直接利用。要使其被植物利用必须打破其共价键，形成氮素化合物，而这需要很大的能量。自然界中有一些微生物或低等植物有着特殊的本领，能利用化学能或生物能把空气中的氮素固定下来，供给高等植物利用。这些微生物有的和植物共生，有的则独立生活。共生的典型是根瘤菌与豆科作物5，蓝绿藻与红萍6；自生者则有土壤中的自生联合固氮微生物（Free-living

3、associative nitrogen fixers）7等。这些微生物在固定空气中游离氮素时，也要消耗大量能量，豆科作物产量之所以不如谷类作物高，固氮时消耗了大量的同化产物（碳水化合物）是一个重要原因。含氮总量2.3×1019g的水圈中的氮素主要以液态存在；生物圈中的氮素含量较少（3.5×1015g），气圈和水圈中的氮素至少是其106倍2，3。自然界中既然有这么多的氮素，为什么还会发生氮素缺乏、需要施用氮肥呢？原因就在于作物需要的多，而生长作物的介质供应的少。就作物的营养成分来看，氮并不是最多的。需求最多的营养元素是碳、氢、氧。碳、氧各约占植物干重的45%，氢占6%，这三

4、种元素占植物总干重的96%以上。氮的需求量位于这些元素之后，居第四，仅占1.5%8。但是碳来自空气中的二氧化碳，空气中的二氧化碳浓度现已达到350l/L，比起工业革命以前增加了100多l/L。二氧化碳是一个重要温室效应气体，它的浓度增加会引起增温效应，导致全球气候变暖。人们担心的不是它的浓度不高，而是它的浓度太高会对环境引起了不良后果9。氧和氢来自水，对它们的改善主要不是投入肥料，而是靠降水或灌水。这样一来，氮就成了作物需求最多、需要供应的主要营养元素。也正因为这样，氮在植物营养三要素中，位居首位。氮虽然只占作物干重的1.5%，但这是一个平均值，不同作物含量不一。栽培作物对氮的需求量一般都高于

5、这一数值。每生产1t籽棉约需5Okg氮素10，1t水稻需要22.2kg氮素11，1t小麦约需30kg氮素，而油菜约需35.4kg氮素12。作物吸收的氮素主要来自它们生存的介质?土壤之中。地圈中的氮素总量虽多，但很难风化；地圈中的岩石也不是植物生长的主要基地，农作物无法由其中获取这一元素。大气圈中的氮素只能被少数植物通过微生物固定而利用，绝大多数植物没有这一本领。水圈中的氮素对满足水生植物生长的需要有着重要意义，但对陆生植物无能为力，而栽培的作物主要是陆生植物。生物圈中的氮素含量较少，又广泛地分布于海洋、陆地，甚至大气之中。由于这些原因，土壤本身存在的氮素并不多。特别重要的是，土壤中的氮素并不能

6、被作物全部利用，作物能利用的仅是其中一小部分，这就是土壤中存在的铵、硝态氮。虽然现代研究已经肯定，一些有机氮素，如简单的氨基酸、酰胺等也能被作物利用，但其数量很少，又会被微生物转化成其他形态，难以在土壤长期存留；作物对其吸收也远不如无机氮容易。迄今的研究证明，这些有机氮只能使作物存活，而不能使其丰产。由于这些原因，氮素的缺乏就成了一个普遍问题。土壤的氮素来源虽多（包括生物固定、大气的干湿沉降13和土壤有机物质的分解），但主要是存在于土壤有机质中的氮素。按美国人的粗略估计，土壤每年供应的能被作物利用的氮素大致相当2%的有机物质中矿化出自来的氮素。依此估计，土壤缺氮就非常严重了。以我国为例，我国土

7、壤中有机质含量不高，除东北黑土外，其他土壤的有机质含量只有1%左右14，15。如有机质含量按1%计算，年矿化量按2%计算，有机质中的氮素（有机质中的含氮量）按10%计算，那么667m2耕层土壤中（20cm厚的土层）就只有3kg氮素了；如果被作物全部吸收利用，也只能生产100kg左右的粮食。这种估计虽然粗略，但大致符合实际情况。在不施肥旱地上进行的试验表明，不施氮肥的田块的粮食每667m2产量往往100kg左右。因此，从土壤供应情况来看，氮素又是供求之间存在着尖锐矛盾的元素。其他营养元素的亏缺有地域性，有些地方亏缺，有些地方不亏缺；氮素的亏缺却有普遍性，世界上各个地区都或多；或少地存在着这一问题

8、。二、土壤中的铵态氮土壤中能被植物直接利用的氮素主要是铵态氮和硝态氮。这两种形态氮素在土壤中存在的数量都不多。(表：表1 1m深度的土壤中的陆地生态系统氮库 )氮库数量(N,gm2)说明N2115(23027500)最小值基于土壤中0.25m3充满空气,最大值包括土壤空气加上地上部30m的空气柱(大林高度)有机氮725(1003000)据Post等人16报道的中值;最大值土壤未包括在内植物氮25(1240)最小值基于荒漠区17,最大值基于农、林体系18,19NH4+-N1(0.110)土壤容重按1.25g/cm3计,NH4+按典型浸取值计NO-3-N5(0.130)土壤容重按1.25g/cm3

9、计,NO-3按典型浸取值计注释：资料来源 Myrold20土壤中的铵态氮部分来自大气。存在于大气中的铵多来自人类活动，如煤燃烧过程中产生的氨，由土壤、水面和各处挥发逸出的氨。这些存在于大气中的氨会以湿沉降和干沉降的方式进入土壤。微生物或低等植物能固定大气中的氮，固定后多以铵的形式存在。土壤有机质是含氮的宝库，也是土壤铵态氮的主要来源。有机质中的有机氮会在土壤微生物作用下转变成铵态氮，后者再进一步转变为硝态氮。有机氮转变为铵态氮的过程称为氨化（Ammonification），是一个由土壤微生物和土壤存在的小动物所分泌的酶驱动的过程。在这个过程中，一方面微生物通过胞外酶分解（主要是水解）有机氮多聚

10、合物（Organic-nitrogen polymer）而产生单聚合物（Monomer）。形成的单聚合物可进入微生物细胞内，在通过原生质膜代谢时，被胞内酶催化而释放氨；另一方面，有机氮多聚合物逐渐降解而形成简单的含氮化合物，如氨基酸，也可能不通过微生物代谢而直接经胞外酶催化或经化学作用而脱氨。后者进入土壤溶液中就生成铵。因此，铵的生成可看作是催化反应的副产物（By-product of catabolism）1。土壤中还有一个硝态氮还原为铵态氮的异化过程，也能使铵态氮生成。在厌氧条件下，许多土壤专性和兼性细菌可利用NO3-进行酵解，把NO3-经过一系列步骤异化还原成NH4+，主要产物为NH4+

11、和NO2-21。施用化学氮肥是土壤铵的一个重要来源。含铵的化学氮肥施入土壤后，可直接增加土壤的铵态氮；尿素进入土壤后，在土壤微生物分泌的脲酶作用下，水解成碳酸铵，碳酸铵再分解为氨（铵）。这一过程在10时，710d就可完成，20时只要45d，而在30时，23d就能全部转化。不管从哪种途径进入土壤的铵态氮，都是植物氮素营养的主要给源，也是氮素转化过程中的重要产物。水田土壤中无机氮几乎全部以铵态氮存在，而硝态氮含量很少。旱地土壤中硝化过程快，铵态氮会很快转化为硝态氮，数量较少且相对稳定。土壤中铵态氮含量多少取决于土壤有机质含量、土壤水分和施肥等情况。形成的铵态氮都以铵盐形式存在。铵盐会很快溶解，进入

12、土壤溶液后，除被作物吸收、微生物利用外，会参与土壤中的各种反应。溶解在土壤中的铵态氮会解离成铵离子和酸根离子，增大土壤溶液中的铵浓度。这些铵离子会与土壤胶体上吸附的其他阳离子进行交换，使其吸附在土壤胶体上，造成土壤体系中固相和液相界面上铵离子浓度高于整体溶液中该离子浓度。这部分被土壤吸附的铵称为交换性铵，同样可以被其他阳离子所代换，也可为中性盐所浸取。通常所说的土壤中的铵态氮实际上是固相上交换接和液相中铵离子的总和。铵离子与土壤阳离子交换的情况取于土壤类型。酸性土壤上，铵离子与土壤胶体上的氢离子交换，使潜在酸变为活性酸，增强土壤酸性；中性、微碱性或石灰性土壤上，与盐基离子交换，生成不同盐类，如

13、硫酸钙。由于交换吸附，土壤溶液中的铵离子浓度不高，对防止铵的淋失和挥发都有重要作用。交换吸附实际上是库伦静电引力吸附，等温吸附量与铵离子浓度之间的关系可用Langmuir方程2或Freudlich方程拟合23，24。吸附量因土壤颗粒大小、矿物组分、有机质含量等诸多因子而变化很大，少者仅1mg/kg，高者可达到30mg/kg25，26。土矿物晶层空间的NH4+会与氧离子层中邻近的氧形成。O?H-N-N?0-键，对NH4+有较大选择性27，28。因而这类黏土矿物多时，铵吸附的数量大。吸附的牢固程度并不致，有松、紧之分29。紧吸附态是典型交换吸附，具有稳定性较高、吸附规律服从阳离子交换反应、吸附量受

14、体系pH、电解质浓度及液土比影响等特点，可能是永久负电荷表面静电吸引所致25。松吸附态稳定性低，吸附量受体系pH、电解质浓度和液土比影响更大，在100下释放，释放速率服从单分子反应动力学方程30，很可能是氨的分子吸附。通常情况下吸附态铵仅有量交换态（紧吸附态）存在，当土壤吸附量达到某一数量时才出现松吸附态。土壤溶液中的铵离子也可以进入黏土矿物晶层中。进入以后不能被KCl溶液交换出来，必须用HF将黏土矿物的晶层破坏，才能释放。因此，这部分铵称为固定态铵或非交换性铵31。固定铵的黏土矿物主要是一些2:1型黏土矿物，其中蛙石和伊利石具有较强的固铵能力。2:1型黏土矿物系由二个硅氧四面体片中可间夹一个

15、铝氢氧八面体片的晶层组成，层间由于同晶置换作用而产生负电荷，可吸引晶层外的阳离子如NH4+、K+等，以使电性中和。被吸附的NH4+或K+容易脱去水化膜，进入黏土矿物层间表面由氧原子形成的六角形孔穴中。这些孔穴的直径约为2.8nm，恰好与NH4+和K+离子直径相当。当NH4+或K+离子进入层间的孔穴后，静电引力作用会使黏土矿物的晶层收缩，导致进入的离子难以自由出入32，因而发生固定。土壤的固铵能力主要取决于黏粒含量、黏土矿物类型、土壤中的钾状态、溶液中铵度、水分和土壤pH，固定量一般每千克由几毫克至几百毫克。近年来田间试验、盆栽试验中用同位素15N技术测定表明，加入的肥料氮固定后所形成的“新固定

16、态铵”有效性较高，在作物生长期间能从黏土矿物品格中重新释放出来，为植物所吸收；而土壤“原有的固定态铵”的有效性很低，释放出来的数量非常有限33。木质素和土壤有机质也能与NH3起化学反应而使其固定起来，固定与氧化（吸收O2）有关，一般在碱性条件下进行。土壤施用碱性肥料，例如液氨或氨水，能导致铵固定增加。施入这些肥料的区域内，pH最高，NH3的浓度也最高，对有机质固定NH3十分有利。含酚化合物固定NH3的机制是在聚合物中形成杂环氮。最初是酚形成醌消耗O2，醌再继续与NH3反应形成复杂的聚合物。NH3还可以与许多种化合物相结合，包括某些难分解的物质如木质素。NH3亦可以参与小分子化合物的聚合或缩合反

17、应，形成与天然腐殖物质性质相似的聚合物。自然土壤条件下也可能出现有机质对NH3的直接固定。草地土壤比森林土壤有较高的含N量和较低的C/N，土壤pH又较高，能促进这种固定。被有机质固定的NH3有效性很低，很难被作物利用。土壤中的铵、硝态氮都能为微生物所吸收，但微生物更偏爱铵态氮，会被其很快同化，转变为微生物体中的有机态氮。15N标记法试验证明，施用有机肥或氮肥后，有相当数量的肥料氮立即为微生物所同化，成为有机氮化合物；被微生物同化的氮，以后又会矿化释放出来，成为植物的有效氮源，供作物吸收利用。土壤中以微生物体存在的生物氮一般只占土壤全氮量的百分之几，分解时只有一部分能释放出来，释放量仅为土壤氮素

18、矿化潜力的10%20%，对土壤有效氮的贡献较小。铵和氨同源异态，不断地进行着相互转化。铵是存在于溶液中或吸附在土壤胶体上的离子，而氨是铵离子脱质子后而形成的气体。在液相中，NH4+与NH3处在动态平衡之中，平衡的趋向主要取决于土壤pH土壤中H+浓度高时，所有的NH3都被质子化；H+浓度低时，一部分会以NH3形态存在，从而引起氨气由土面或水面向大气逸散，造成氮素的大量挥发损失。 pH 79之间，每增加1个pH单位，NH3的挥发量约增加10倍。正因为如此，石灰性比非石灰性土壤中氨的损失更严重。除pH外，土壤质地、温度、风速、氮肥种类、施肥量、施入部位都有一定影响。表施NH4+或尿素引起的氨挥发损失

19、约占施入氮量的3%50%。（NH4）2S04施入后易与钙形成溶解度低的CaS04沉淀，比氯化铵或硝酸铵更易挥发损失氨。尿素施入土壤后会经脲酶作用释放出氨（NH3），后者消耗质子而形成铵离子（NH4+），提高土壤pH。表施尿素，肥料颗粒周围局部区域的高pH，会引起氨的大量挥发损失，甚至在pH低于7的土壤也有氨的挥发3637。三、土壤中的硝态氮土壤的硝态氮除雷雨时的电光会把氮素氧化成硝酸，随水进入土壤外，主要的来源是铵态氮的硝化。硝化是铵态氮通过生物氧化生成亚硝态氮及硝态氮的过程。在通气良好的土壤中，只要有铵态氮存在，不论其来源如何，这一过程就能很快发生。硝化作用由好气性的碳素自养型细菌分两步进行

20、，第一步由亚硝化细菌（Nitrosomonas）把NH4+氧化为NO2-，这一过程中至少有2个中间产物，多数人认为是烃胺（NH2OH）和硝酸（NOH）。反应过程释放出272kJ/mol的能量，供有机体生命活动利用。第二步由硝化细菌（Nitrobacter）把生成的NO2-进一步氧化为N03-，这一过程无中间产物，包含2个电子变化（从+3到+5），释放75kJ/mol的能量。由于亚硝酸盐转化为硝酸盐的速度，一般比铵态氮转化为亚硝酸盐的过程快，土壤中亚硝酸盐的含量通常较少。除一般硝化作用外，土壤中还存在着异养硝化作用。后者是指在土壤细菌、真菌及放线菌将土壤无机态（如铵）和有机态氮转化为硝态氮的过程

21、中产生N2O现象。异养硝化作时生在酸性土壤和高温条件下。影响土壤硝化作用的主要因素是温度、水分、pH和介质中NH4+、O2及C02浓度。最适温度是3035，5以下硝化作用弱，形成的NO3-很少。最适含水量为15%20%，临界水分是田间持水量的60%左右；水分增多，通气不良，影响硝化作用进行。自养型硝化细菌适宜于pH 68范围内生长，在中性或微碱性土壤中数量最多；pH低于5的酸性土壤里，硝化细菌很少或没有，硝化作用极其微弱。游离NH3的存在会使硝化作用受到抑制。氨对硝化杆菌属有毒害，而对亚硝化毛杆菌属无显著影响。因此，在pH高的土壤上，大量施用尿素或铵态氮肥都容易导致土壤中亚硝酸盐的形成和积累，

22、对作物生长有不良影响。在O2供应充足条件下，硝化作用进行旺盛。和铵态氮一样，硝态氮同样是作物能够利用的、最重要的和最主要的氮素形态，而且还是更广泛存在于土壤中的形态。不管在任何条件下（即使淹水条件下）都有或多或少的硝态氮存在；旱地硝化作用的速率远大于矿化速率，释放的铵态氮或施入的铵态氮肥会很快氧化为硝态氮，故以硝态氮为主。硝态氮含量一般在几个至几十个毫克/千克。数量多少取决于土壤有机质的矿化、施用氮肥和有机肥料的数量、有无作物生长、降雨等情况。施肥后上升，之后下降；未种作物时数量较高，种植后逐渐下降；夏季休闲田块，水热条件较好，有机氮矿化迅速，硝态氮明显增高38；降雨之后，表层硝态氮下移，数量

23、减少。由于土壤并非匀质，铵、硝态氮在土壤的分布有巨大差异。即使同一田块，变化也有数倍到几十倍之差39，40。硝态氮一般以表层最高，下层土壤有机质含量少。又难矿化，加以通气条件不佳，数量一般较少。但施肥过多的半干旱或半湿润地区，容易受到淋溶，底层中往往会有较多的硝酸盐累积4144，有些地方的井水中也存在着大量的硝酸盐45。土壤胶体一般带负电荷，硝态氮又是阴离子，因而不存在专性吸附46。由于土壤对其吸附力很弱，硝态氮主要存在于土壤溶液中。pH较低时，硝态氮的扩散系数较Cl-为大，可随水到处移动，这种移动有利于作物吸收。只要有水的地方都有其足迹，只要有根的地方都有其到达的可能。在土壤表层水多的时候，

24、可随水下渗到深处；在表层水少的时候，又可随水上升到表层，由剖面深处向上部和根区迁移，为作物吸收。随着水分的迁移，硝态氮可以运移到各个地方，随时随地供给作物需要，满足不同部位根系的吸收。从这个意义来看，硝态氮又是作物最易利用的氮素形态。但这也带来了明显的弊端：易随水淋失。当有足量水分时，它可被淋洗至2m或更深，脱离根系吸收而污染地下水源45。淋失量取决于土壤、气候、肥料和栽培管理措施，最主要的是土壤中的硝态氮浓度和降水。我国南方湿润和半湿润地区降雨多，淋失严重；北方干旱和半干旱地区降水少，淋失也少。草地土壤根系密集，土壤硝酸盐积累少，即使在湿润地区，淋失仍然较弱；休闲地累积有较多的硝态氮，即使降

25、雨少，淋洗量也不容忽略。种植密植作物的土壤中硝酸盐淋洗少；而种植中耕作物时，淋失严重。除淋失外，硝态氮又是反硝化作用的基质，容易造成反硝化损失。土壤中不少微生物在缺乏氧气条件下生长时，能把硝态氮和亚硝态氮还原成气态氮（NO、N20、N2），并使其向大气逸散，这一异化还原或呼吸过程称为反硝化。由于反硝化存在，施入的或经硝化作用产生的硝态氮会以气态损失。反硝化过程主要由某些嫌气性和兼气性微生物完成，大部分是异养型菌，有产碱菌属（Alcaligenes）、土壤杆菌属（Agrobacterium）、假单孢菌属（Pseudomonas）、芽孢杆菌属（Bacillus）等；少数化能自养型菌如硫杆菌属（Th

26、iobaillus）、蓝细菌（蓝藻Cyanobacterium），也能利用NO3-产生氮气，但在农业土壤中多不重要。这些异养微生物利用同一个呼吸电子传递系统，以N03-、NO2-作为电子受体将其逐步还原为N20和N2，反硝化过程中氮素主要以N2损失，少部分以N20形式损失，是迄今发现的土壤中惟一消耗N20的过程。在反硝化过程中不断消耗H+，会提高土壤的pH，与NH3的氧化会降低土壤pH的情况相反，进行的每一个步骤都有相应的特定酶参与，其中氧化亚氮还原酶对环境影响最敏感，任何不利的环境因子均会阻止N20的进一步还原，而利于N20的累积。反硝化作用需要的条件是排水不良的旱田或渍水土壤，温度在25及

27、以上，土壤近中性，有充足的易分解有机物质供应。通过反硝化作用引起的氮素损失量变幅很大，因NO3-水平、C/N比低，易分解的有机物质含量、温度和土壤通气、水分状况而不同。反硝化作用可在表层土壤发生；一些N03-随水淋洗到底层时，也可能通过反硝化作用释放N2和N20。防止反硝化作用的关键在于减少硝态氮的形成，可通过加强排水、松土、深施铵态氮肥，以及把pH控制在5.57.0之间等措施来达到这目的。反硝化脱氮的另一途径是化学还原，又称化学反硝化（Chemodenitrification），指土壤中NO2-通过多种化学反应生成气态氮（N2、NO、NO2，有时还有N20）的过程。这一过程已被严格的试验所证

28、明。反硝化及其他过程产生的N20是一种重要的温室效应气体，对全球温室效应的贡献占所有温室效应气体的5%，并且破坏臭氧层。据估算，N20向大气总逸出量每年高达1017Tg，并且每年还以0.2%0.3%的速度递增。土壤产生的N20约占人类活动产生N20总量的75%以上。由于这一原因，人们对土壤中N20产生的过程及排放量研究给予了极大关注，已是当前氮素研究的热点所。在尽管N03-异化还原、异养硝化作用和化学反硝化都能产生一些N20，但生物反硝化和自养硝化是其主要来源。大量N2O的产生依赖于微生物控制的生物化学过程。凡影响这些过程的物理、化学和生物学因子，均影响N20的逸出量，以及产物中N20的比率。

29、N20逸出量是土壤中产生的N20经土壤消耗（还原为N2）、扩散及溶解作用的总结果。四、植物对铵、硝态氮的吸收和利用现在已经确定，铵、硝态氮都是植物和微生物的良好氮源，可以被它们直接吸收和利用。这两种形态的氮素约占植物吸收阴阳离子的80%。植物吸收铵离子时分泌质子，而吸收硝酸根离子会释放出OH-或HCO3-。由于植物对铵离子和硝酸根离子的吸收，一般情况下根际周围土壤pH会下降或上升。硝态氮营养植物是很早就确定了的，而铵态氮的植物营养在20世纪30年代才最后确定，我国的罗宗洛47和前苏联的普良尼什尼科夫48在这方面做出了重要贡献。可土壤中这两种形态氮素只有迁移到根系表面才能被植物吸收。迁移有3种方

30、式；截获、质流和扩散；不论哪种迁移方式都直接或间接地和土壤水分有关。水分充足，植物根系易于向深处延伸，有利于截获；养分在水中的扩散系数又远大于其他介质，也利于扩散。而且，在植物生长过程中，根系不断地吸收土壤中的水分和养分，于是就在根系周围形成了水分和养分耗竭区，造成了根际和非根际区土壤养分的差异，促使了水分由高水势的远根区向低水势的近根区运移，直到达到平衡；溶解在土壤水中的养分也随着水流或通过扩散，由高浓度区向低浓度区运移，从而降低其浓度差。因此，质流是水分作用下的运移，与水分的关系更密切。铵态氮带正电荷，能被土壤胶体吸附，土壤溶液中存在较少；相反，硝态氮带负电荷，不被土壤胶体吸附，主要存在于

31、土壤溶液中。由于这一原因，这两种形态氮素的迁移方式也容相同，除植物根系截获直接吸收外，铵离子在土壤中的运移主要靠扩散，向植物根系表面的迁移也以这种方式为主：从某一点向外呈球形扩散，扩散体积与距离立方成正比，而扩散至某一处的浓度与距离成反比。在土壤持水量接近饱和，特别是水稻土植稻灌水期间，土壤液相中铵离子浓度较高时，也可通过质流向下迁移4952。与此相反，硝态氮主要靠质流。Barber5356多次讨论了溶质运移，指出质流在氮素运移中的作用；Mengel等人57证明，旱地上截获、质流和扩散，对小麦吸氮的贡献分别为82%，7%和11%。Reager等人58试验证明，硝态氮通过质流对糖甜菜、春小麦、春

32、大麦总吸氮量的贡献分别为100%，40%和110%。我们在自然和限制根系生长的条件下研究了铵态氮和硝态氮的运移，发现铵态氮在近根处和远根处浓度无差异，而硝态氮在近根处浓度显著低于远根处。由此可见，即使硝态氮可随水运移，但在水分缺乏的旱地条件下，质流运移仍难补充作物吸收所造成的根部亏缺。一般情况下，铵态氮的扩散迁移速度小于作物吸收速率，距根表土壤常有亏缺现象；硝态氮也有亏缺现象，但土壤中硝态氮浓度大而水分又比较充分时，根际周围有时出现富集。当土壤溶液中或土壤胶体吸附的硝态氮和铵态氮到达根系表面后，铵态氮被动地被植物吸收，可随水穿过质膜，而硝态氮是主动吸收，在穿过质膜时需要消耗能量，才能进入细胞内

33、。这两种形态氮素在吸收上的差异是由于细胞内外浓度不同造成的。硝态氮一般易于在细胞内累积，尤其在液泡中累积（成熟细胞的液泡可占细胞体积的90%以上），因而细胞中硝态氮的浓度高于细胞外的浓度，硝态氮由外界进入细胞是一种由低浓度向高浓度的“逆向”运移，必须消耗能量才能进入，因而是主动吸收，消耗的能量来自细胞中粒线体的APT。与硝态氮相反，铵态氮不易在细胞中累积。原因在于，一是进入的铵态氮会很快被同化而形成氨基酸或酰胺；二是累积的铵态氮会脱质子而形成氨，氨对植物又有较强的毒害作用。因此，铵态氮一般不会累积，即使累积，数量也很小，细胞内的浓度一般低于外界浓度。这样，铵态氮由外界进入到细胞内部是由高浓度向

34、低浓度的“顺向”运动，不需要消耗能量，是被动吸收。植物对铵、硝态氮吸收情况除与植物种类有关外，外界环境条件有着重要的影响。其中溶液中的浓度直接影响吸收的多少，温度影响着代谢过程的强弱，而土壤pH影响着两者进入的比例：在其他条件一致时，pH低，有利于硝态氮的吸收；pH高，有利于铵态氮的吸收。NH4+如何进入细胞膜内的，目前虽未完全搞清，但人们根据铵、钾的竞争吸收情况推断，铵态氮既可能以NH4+的形式进入，也可能以NH3进入。原因是，当同时供应铵态氮与钾离子时，钾受铵的竞争，吸收量显著减少，而铵态氮的吸收却几乎没有受到钾离子的影响。据此人们推断，在氨系统内快速进行着NH3质子化形成NH4+和NH4

35、+的去质子化形成NH3的过程，而铵可能以两种形态进入膜内。NH4+不能在细胞膜上扩散，但细胞膜上可能存在着帮助NH4+载体主动转运的系统。供应钾肥时，铵吸收位点，或载体，或通道可能受到抑制，于是大量的铵转化为氨，而NH3可以通过细胞膜快速扩散穿过细胞膜，不会受到吸附位点的竞争而受到影响，吸收总量无显著变化。NH3对植物的毒害作用较大。当pH低于7.25时，99%的NH3被质子化成NH4+。近来亦有人认为，NH4+的吸收是逆电化学势进行的，并且能被代谢抑制物所阻断，是一个热力学主动吸收过程，这个吸收过程依赖于质膜ATPase活性。与NO3-吸收相似，NH4+的吸收也具有高亲合和低亲合两套转运系统

36、。外界浓度较低500mol/L时，高亲合转运系统表现高活性，该系统受到NH4+和氨基酸的负反馈调节。铵态氮进入根部细胞质后可直接进行氨基酸的合成反应，即很快地与代谢过程产生的有机酸结合形成氨基酸或酰胺，并且释放质子以补偿电荷59。形成的酰胺（如谷氨酰胺2N/5C；天门冬酰胺，2N/4C）60和有些富氮而少碳的氨基酸可节省碳架消耗，是运输的理想化合物61，通过维管束运输到茎叶等部位，再进一步形成其他复杂的有机氮化合物，如蛋白质等，供植物利用。铵态氮也可随蒸腾作用经木质部直接输送到地上部；如果碳架不足，还可贮存在液泡中，以防产生危害。由于这些原因，植物体内平常累积的铵态氮很少。有人用同位素13N的

37、研究结果表明，NH4+进入根系后，41%和20%的13N分别保留在细胞质和液泡中，20%流出，19%被同化。NH4+的同化过程都是在GS和GOGAT酶的催化下完成的。GS存在于植物绿色及非绿色组织的质体和细胞质中，催化谷氨酸（Glu）与NH4+结合形成谷氨酰铵（Gln）；GOGAT催化一分子的Gln和一分子的-酮戊二酸反应生产两分子的Glu。高等植物中，同化氨还有谷氨酸脱氢的途径，在GDH的催化下NH3与-翻戊二酸反应生成-亚氨基酸，进一步形成Glu（图1）。(图：图1 植物对铵态氮的吸收过程)硝态氮虽是植物可以直接吸收的氮素形态，但却不是能够直接利用的形态。硝态氮进入植物体后，必须还原成铵（

38、氨）态氮，才能与后者一样进入代谢（合成）过程，被植物利用，真正发挥营养元素的作用。硝态氮还原成氨是由2个酶催化完成的，即硝酸还原酶和亚硝酸还原酶。前者催化由硝态氮转变成亚硝态氮的2个电子转移，后者催化由亚硝态氮到铵态氮过程中6个电量子的转移。这两个酶的结构相当复杂，一些细节至今尚未确定。硝酸还原酶是诱导酶，半衰期只有几个小时62。植物没有吸收到硝态氮时，体内没有这种酶的存在；供应硝态氮后，几小时内这些酶便会在植物体内诱导生成63。硝酸还原酶与铁、铝、氮、光及其他条件的关系已有大量研究6472。在细胞质中，NO3-还原为NO2-的过程中，大多数植物以烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）为电子供体，有

39、些植物也可用烟酰胺腺嘌呤磷酸二核苷酸（NADPH）作电子供体。不同高等植物，如玉米、大麦、烟草等的吸收动力学分析表明，植物中存在着两种NO3-转运系统，一是高亲吸收转运系统（Km53001ol/L），保证了植物在低N03-（101ol/L）营养介质中生长；二是低亲吸收转运系统Km0.5mmol/L，保持植物在较高N03-浓度的营养介质中有高的吸收。Uirich于1987年提出了H+/NO3-共运机制，即植物吸收一分子NO3-进入细胞质的同时，协同吸收2个H+，维持H+梯度的ATP主要由线粒体呼吸作用提供。这一观点后来得到了证实。在硝酸还原酶作用下，硝态氮或者在根系内还原，或者在叶部还原。根部和

40、叶部还原的比例取决于进入的硝态氮的多少和植物的种类。就硝态氮来说，如果吸收得少，根部还原的比例就大，运送到地上部分通过叶片还原的比例就小。相反，如果吸收的多，根部还原数量很少，大部分就会转运至叶片被还原。根部还原硝态氮需要消耗巨大能量。以ATP表示，还原1mol的硝酸盐需要15mol的ATP，同化铵还需要5mo1的ATP73。大麦吸收的硝酸盐主要在根中还原，吸收（5%）、还原（15%）和同化还原的铵态氮（3%）所需要的能量可达到根呼吸所产生能量的23%，而供应铵态氮时仅需要14%的能量74。就植物来说，一般情况下，木本植物主要在根表皮与皮层细胞的白色体中同化NO3-，而草本植物则在叶片细胞的叶

41、绿体中进行（图2）。(图：图2 植物对硝态氮的吸收过程)除还原成铵（氨）态氮被植物利用以外，硝态氮还可以此形态在植物体内累积起来。累积的原因：一是植物吸收的硝态氮太多，体内无法很快将其还原；二是碳氮代谢不平衡。碳指光合作用形成的碳水化合物，碳氮代谢不平衡就是光合产物不足，碳架太少，还原的铵态氮无法利用。后者会导致两种结果，一是产生的有机酸少，不能把还原的氨很快转变为氨基酸。于是反馈信息使植物减弱了还原硝态氮过程而累积起来；二是植物蛋白质形成减慢。植物体内的蛋白质，部分作为细胞内生理生化反应的催化剂（酶）的组成成分，部分作为细胞的构架物质，是构成植物躯体的材料。一旦蛋白质生成减少，植物长得慢。生

42、长快的植物体内累积的硝态氮会稀释，单位重量中的硝态氮随之减少；生长慢的植物会造成硝态氮相对富集。植物之所以能把硝态氮累积起来，是因为它能把硝态氮贮存在一个比较保险的库中，这个库就是液泡。植物细胞有两个库，一个是代谢库（Metabolic Pool，MP）；一个是贮存库（Storage Pool，SP）。前者就是细胞质，后者就是液泡，进入植物体内的NO3-只有一部分存在于细胞质中进行代谢，而大部分储存在液量泡中。已有资料表明，细胞质是硝酸还原酶定位的场所，进入的硝态氮会很快被其还原生成氨态氮。因此，硝态氮在这里没有长期存在的条件，作为代谢库的细胞质中的NO3-含量也很低，浓度变动也很小，只占细胞

43、内硝态氮含量的一小部分。液泡是植物细胞原生质中正常的组成成分，成熟的植物细胞中，液泡可占细胞体积的80%左右。液泡在植物细胞的生命活动中有许多重要生理功能，其中之一就是作为贮藏库贮存有机、无机物质，如有机酸、氨基酸、无机盐、铵态氮，当然还有硝态氮。和代谢库不同，贮存库中没有硝酸还原酶存在，因而进入的硝态氮就可以长期定居。已经确定，植物积累的N03-有58%99%存在于液泡中，植物组织中NO3-含量多少也主要取决于液泡内N03-的浓度。代谢库和贮存库虽有不同的功能，但并不是互不来往的独立王国，它们既有信息交流，又有物质交流。当代谢库中的营养物质不足时，贮存库中的营养物质便可进入代谢库中参加代谢，

44、因而两库中的营养物质处在不断交换之中。由此可见，高等植物细胞中，硝态氮和硝酸还原酶区域化分布特点是硝态氮安全累积的条件：细胞质（代谢库）有硝酸还原酶，硝态氮含量少；液泡（贮存库）没有硝酸还原酶，存在着大量的硝态氮（图3）。植物为什么不按其需要有计划地吸收，而要奢侈地吸收NO3-，并积累于液泡中呢？这是由作物的需求造成的，有其重要的生理学意义。过多的硝态氮累积都发生在营养生长阶段，特别是幼苗阶段。这个阶段氮素过多累积，不但发生在蔬菜上，而且也发生在其他作物上。研究表明，硝态氮在营养器官生长时期大量累积是一切作物的共性。幼苗阶段，小麦茎叶中累积的硝态氮比蔬菜并不逊色，甚至还高于某些蔬菜。随着作物不

45、断生长，体内的硝态氮含量越来越少。植物在营养生长阶段大量地吸收营养物质，一方面是为了满足当前生长的需要，另一方面是为了供给后期生长的需要。Chapin等（1980）75指出，在营养充足情况下，植物过量（超过还原能力）吸收NO3-是为了在介质供应NO3-下降时能保持生长的需要。由现在的许多研究结果看来，这个观点是正确的。硝态氮在植物体中累积是植物的“贮备”措施，也是适应逆境的表现。营养生长期累积的硝态氮多，即使后期土壤供应养分不足，植物仍能很好地生长和发育；累积的硝态氮越多，后期生长发育越良好。另外，N03-在液泡内还是重要的渗透调节物质，在植物体内碳水化合物合成减少，液泡内有机物含量下降时，N

46、O3-可替代它们起渗透调节作用，这种调节需要的能量也低。 (图：图3 硝态氮在细胞贮存库(液泡)与代谢库(细胞质)中的行为)虽然铵、硝态氮都是高等植物根系吸收的主要无机氮，但由于形态不同，会对植物产生不同效应。不同作物对其有不同偏好性。适应酸性土壤生长的嫌钙植物和适应低氧化还原势土壤条件下生长的植物（如水稻）嗜好铵态氮76，有些植物如马铃薯，适于低pH，供应铵态氮，可使介质pH降低，对植株，特别对根系生长有明显优点77。某些植物施用铵态氮肥能否获得较高的生长速率和产量，主要取决于根部温度78以及影响根部碳水化合物供应的因素，如光照强度等79。pH低时，施用铵态氮肥不利，但pH大于7时，施用铵态

47、氮会使介质中游离氨浓度增加，也有不利影响。在高等植物中，营养生长尤其是生殖生长速率较高，与铵态氮对体内激素平衡的关系密切。相反，喜钙植物和适于高pH石灰性土壤生长的植物，优先利用硝态氮80，大多数旱地作物，如玉米8183，对硝态氮偏好；在等氮量供应情况下，硝态氮的增产效果更突出。蔬菜是一类很容易累积硝酸盐的作物，又是对硝酸盐非常偏爱的作物。在田间，由于尿素态氮或铵态氮会很快转化为硝态氮，施用这两类形态的氮素，对蔬菜并没有什么不良后果，但水培试验中，只要营养液中加入硝态氮，没有铵态氮、尿素态氮，蔬菜正常生长，并没有因未加入这两种形态氮素而受到任何影响。相反，没有硝态氮而加入尿素或任何铵态氮，蔬菜

48、就生长不正常，甚至绝收84。烟草是一种对硝态氮反应良好的作物，施用硝态氮不但能提高其产量，也能改善其品质。水稻终生以水为家，铵态氮一直被认为是其最好氮源85。但最近的试验结果表明，水稻也喜欢硝态氮，后期补施一些硝态氮肥会有锦上添花之效，获得更高的产量8687。随着外界浓度升高，硝态氮作氮源的优势明显增加，铵态氮抑制植物生长的效应也更明显。NH4+进入植物根系后，可以被快速同化，即直接与有机酸结合，形成氨基酸，然后通过维管束运输到茎叶等部位供植物利用。这一过程不像硝态氮需要经过还原，因而减少了光合产物和ATP的消耗。但与供应硝态氮相比，根中同化NH4+要消耗大量碳架，表现在PEP羧化酶活性增加8

49、9，单位根重消耗的氧气速率增加90，根系中蔗糖含量降低。根部温度和铵浓度都较高时，供应铵态氮的植物根系生长较差91。硝态氮是主动吸收，吸收阳同化时都要消耗较多能量，但除了仅在根中还原和同化硝酸盐的植物需要较多的碳架外，其他植物根系吸收的NO3-，既可在根细胞中还原为NH4+进入氨基酸合成反应，也可以暂时贮存在、根细胞液泡内而不必立即同化，或者以硝态氮形式运向木质部，从而节省碳架。硝酸盐易于在木质部中移动，可以随蒸腾流由木质部导管输送到地上部，转移到不同部位。在绿色组织中，NO3-营养并不比NH4+多消耗贮藏的碳水化合物；在光下硝态氮同化也较快，可以避免形成的NH4+在碳水化合物缺乏时积累体内而

50、引起中毒。在根中同化1分子铵态氮就要产生1个质子，后者必须排出体外。如外部pH低，质子净释放受抑，细胞内pH就会下降92，而低pH有利于多胶合成93，对根系生长不利。相反，在这种条件下，吸收硝态氮有利于OH-或HC03-排出，导致根际pH上升，不存在上述问题，也不产生氨毒害。但在碱性土壤上根际pH上升会对矿质养分（如铁）吸收和利用带来不利影响94。NO3-可以贮存在植物液泡中备用，而无明显毒害。叶片液泡也中贮存的NO3-，可以在细胞质中的NO3-被利用之后进入细胞质参与代谢。铵态氮以NH3的形态通过快速扩散穿过细胞膜，氨系统内NH4+的去质子化形成的NH3对植物毒害作用较大。因此单纯施用硝态氮

51、肥一般不会产生不良效果，而单纯施用铵态氮则会发生铵盐毒害，在水培条件下更易发生。一般情况下，同时供应两种氮素形态，能协调细胞内pH，可通过消耗少量能量来贮存一部分氮。也能调节激素平衡，可以得到最高生长速率。两者的合适配比主要取决于应用的总浓度。尿素对植物代谢和生长的影响大概介于硝态氮和铵态氮之间。能直接被根或地上部分吸收，被根吸收后在根中（如大豆）或转移到地上部分（如玉米）被脲酶迅速水解。在土壤中尿素水解常发生在吸收之前。人们对两种形态氮素的效果已进行了很长时期的研究。Arnon于20世纪30年代在研究营养液时得出结论：无论是NH4+-N还是N03-N，都可以作为植物生长和高产的良好氮源。普良

52、尼施尼科夫经过全面研究后于20世纪40年代指出：假若能提供每一种氮源（NH4+-N和N03-N）发挥其作用的最适条件，原则上就可以认为它们在生理上有等同价值；实际上何者为优，就要看条件了。日本著名植物生理学家坂村彻在20世纪50年代综述NH4+-N和NO3-N的营养效果时指出：两者本质上是没有差异的，在应用上之所以产生差异，是其盐类的伴随性质引起的。两种氮源盐类伴随性质的主要区别在于其生理酸、碱性及其离子特性，例如铵盐属于生理酸性盐，NH4+离子对二价离子如Ca2+有拮抗作用。一些研究结果证明，只要采用适当措施克服其伴随性质的影响，两种氮源就有同等效果。华南农业大学营养与施肥研究室的研究结果表

53、明，加大营养液中钙的用量后，用NH4N03和CO（NH2）2为氮源水培，番茄产量与用Ca（N03）2和KNO3为氮源的处理无明显差异。1980年Hageman95在综述了一个世纪以来关于氮素形态对植物的影响后指出，Amon1937年提出的“铵态氮和硝态氮都可以为植物生长和生产提供足够的氮源，但硝态氮似乎更安全”的观点仍然是正确的。应当指出，铵、硝态氮营养已进行了很长时间研究，但很多问题现在还无完全一致的结论。仁者见仁，智者见智。试验结果各不一致者不为罕见。以上诸点，仅是一些主要结论。五、铵、硝态氮肥的农业评价（一）增产作用世界上应用最早的矿质氮肥是硝态氮肥，这就是智利硝石（硝酸销）和挪威硝石（

54、硝酸钙）。采用哈保法合成氨以来，铵态氮肥和尿素才大量问世。目前，铵态氮肥和硝态氮肥都是各个国家广泛应用的氮肥，它们的增产效果已被大量的事实所证明。过去的研究表明，在等氮量情况下，两者的总效应基本一致，增产效果也大致相当。但近来的研究证明，两种形态氮素对植物的相对优势在很大程度上取决于外部浓度。氮素浓度较高、供应有余时，两者都不能充分发挥作用，对植物效应差异不大；浓度较低、供不应求、氮肥的增产作用能充分发挥时，两种形态氮素的增产效果才会表现出差异。 影响两种氮素形态效果的主要因子是作物种类，同一作物的不同品种、气候条件、土壤和氮肥用量。这一方面的材料甚多，难以一一列举。现以我们2002年的试验结

55、果显示这两种形态氮肥对小麦增产效果之差异（表2）。试验施氮量为120kg/hm2，均作播前种肥一次施入。(表：表2 小麦对铵、硝态氮的反应 )处理大田试验(kg/hm2)盆栽试验结果(g/盆)生物产量籽粒产量对照(未施氮肥)101552800.515.5±3.3铵态氮(氯化铵)181205811.027.9±2.1硝态氮(硝酸钠)214806654.030.4±2.7铵态氮:硝态氮=2:1199656250.529.1±3.3铵态氮:硝态氮=1:2215706742.528.2±2.5注释：资料来源：李生秀等（二）对农作物质量的影响施用氮肥能影

56、响农作物品质，但究竟是降低农作物品质，还是提高农作物品质，却是一个不容易简单回答的问题，需要从作物种类、氮肥用量、土壤供氮情况等方面全面考虑。氮素能形成氨基酸，构成分子量不等的肽链，形成蛋白质。而这些都是人类和动物最重要的躯体构成成分，因而也是最重要的营养成分，一直是衡量作物营养品质的指标。牛肉之所以营养价值高，是因为它里面的肽链短，容易吸收利用；荞麦之所以被视健康食品，是因为其中的碳水化合物和蛋白质的比值为8:1，接近人体的需要（7:1）；有些作物的营养价值高是因为它含有人类必需的氨基酸，如此等等。氨基酸、肤链和蛋白质都是含氮化合物，都是在氮素参与下形成的，都和氮素供应有关。正因为这样，对禾

57、谷类作物施用氮肥，能提高其蛋白质含量，从而提高品质。但是对有些作物来说就不同了。酿造啤酒的大麦要求碳水化合物含量高，蛋白质含量低。过多施用氮肥就会降低其酿造品质。西瓜以及其他水果，过多施用氮肥，也会使个体过大。而光合形成的碳水化合物，又会与氮素形成的氨基酸结合形成蛋白质，减少糖分向果实中的运输，造成糖分含量少，品质降低。氮素对品质的影响也和施氮量密切相关。以上述的西瓜和水果为例，氮素仍然是其不可缺少的营养成分。一旦供应不足，不但营养体生长受到限制，而且果实小，发育不良；果树生长不茂盛，叶片小而少，制造的碳水化合物不多，也难以使果实富含糖分。因此，适量的氮素仍是提高其品质的重要条件。氮肥对品质的影响和施氮时期有关。早期对禾谷类作物施氮主要增加营养器官的生长量，而后期施氮则能提高籽粒中的蛋白质含量。但后期施氮一定要恰到好处，施用不当则会引起贪青晚熟，甚至导致倒伏减产。当前，一些农产品品质下降，例如西瓜甜味不浓，水果风味不佳。不少人不分青红皂白，一概归之于施用化肥的过错，这是不正确的。氮肥确实能影响水