作物对氮的需要利用和氮肥的施用.doc

作物对氮的需要利用和氮肥的施用R.A.OLSON和L.T.KURTZ美国内布拉斯加大学和伊利诺伊大学15.1 引言与其它任何养分相比，N的有效管理确实向农业经营者提出了更加严峻的挑战。没有其它养分需要付出如此大的注意，而且任何措施也不会比N的明智管理带来更大的收益。氮进入土壤-植物系统的途径比其它养分要多。氮容易经由NH3的挥发、反硝化作后和淋溶而损失，但又能因降雨和生物固定而增加。这些相互转化是N循环的重要过程，而且在自然和耕作条件下这些过程都可发生。在某些情况下，少量含有N的气体可以从植物叶片中逸出而进入大气。植物叶面吐水排出的水分中和根系分泌物中也都含有氮，由于可以通过自然过程而获得氮和造成氮的损失，所以，用质量平衡方法计算得到的净平衡时的氮量决不会比估计值更为精确。与大部分其它植物养分相比，土壤中没有长期贮存植物有效肥料N的机制。虽然NH4+-N可以呈阳离子交换复合体的吸收状态而免遭淋溶，但它仍然容易被微生物转化为N03-，因此，后者则可遭到淋溶和反硝化作用而损失。养分，如P、K、Ca和Mg的通常使用量比作物在其生长季节中所利用的数量要大，因此，这些养分残留量大，在土壤中出现“积累”。相反，土壤中留存的N肥较少，因此就出现“短缺”。土壤供N能力不会因大量施用N肥而持续增长。因此，每季作物都需要施用N肥，而不是隔茬或隔开一个种植序列才施肥。从总体来看，作物取走的氮量比其它养分多得多。因此需要用更多的肥料来补充。氮是广泛种植的禾谷类作物籽粒中数量最多的营养物质。而许多根类（块根）作物、果树和一些蔬菜移走的N则小于其它养分，但这类作物其面积比禾谷类作物要小，所以，出售的肥料中N肥占了优势。许多土壤能足量地供应P、K以及其它一些养分。因此，它们在未发生严重缺乏以前，还可以供应种植作物多年，而N则常常在几个季节内就会出现不足或缺乏。除一些泥炭土和腐泥土外，还有极少的几种土壤能为增产提供足够的N，因此也就可适当地维持农业生产，然而，非豆科作物要获得高产几乎都需要施用N肥。15.2 植物对N的利用氮无疑是在所有必要的养分中对植物生长的影响最为特殊的营养。N充足时，大田作物则叶色深绿，生长茂盛。当然，所有重要的植物蛋白质组分必然与根区足重供应N水平相一致，但这并不是现象的本质。15.2.1 N在植物生长中的功能植物不可能在无N的土壤上生存。N在植物生长中的主要作用有：（1）是叶绿素分子的成分，（2）构成蛋白质主体的氨基酸的成分，（3）碳水化合物利用的必要成分，（4）酶的成分，（5）促进根系发育和根系活性，（6）有利于其它养分的吸收。在缺乏叶绿素时，不可能用水、CO2原料和太阳能合成碳水化合物。叶绿素是每个分子含有时N原子的复杂的光受体（图15-1）。叶绿素还可从太阳辐射中接受能量，在叶绿体中进行光合作用过程以合成植物物质。当N供应不足时，叶片变成浅绿色或黄色，因此这就是明显缺N的症状。由于所有的氨基酸在其分子构型中含有N，而蛋白质又系由各种组分的氨基酸结合而成，所以，N是蛋白质全成必不可少的元素。大部分植物蛋白质含N约16%，而且，植物本身的繁殖也赖于蛋白质的生产。典型的例于是禾谷类作物，它们具有一个蛋白质含量下限，在低于些水平时，籽粒就不能形成。(图：图15-1 叶绿素分子结构式)植物细胞一定的N水平时才能最大地利用光合作用过程中所产生的碳水化合物。在缺乏N的条件下，营养细胞中就能发生碳水化合物的过分积存，其结果是细胞壁加厚，从而限制了原生质的形成，降低了汁液浓度，因此，植物的生长也就减缓。生长着的作物把简单的原料合成大分子，而且在主动运输离子和合成其它物质时需要有自由能的不断输入，其自由能的载体是腺苷三磷酸（ATP），另一类载体则是必不可少的含N化合物。许多与植物生长有关的酶都含有N的复合蛋白质质（Stryer，1975）。各种酶系统所涉及到的分子生产因缺N而受到影响，所以限制了生长。这些复合蛋白质在很大程度上决定了植物细胞中化学转化的方式和速率。激素分子是蛋白质、甾类化合物或氨基酸的衍生物，它可作为不同植物细胞活力的协调物（coordinator）。N在植物生长及有关根系发育过程中的作用已得到了充分的论证（Keller和Smith，1967；Kmoch等，1957；Holt和Fisher，1960；Olson等，1964a）。氮的有效性调节到最佳时则可增加总根量，促进根系伸展的深度。根的伸展有利于吸收其生长所需水分和其养分。典型的例子是当深层心土含有水分时可以抵抗干旱（Keller和Smith，1976；Linscott等，1962），当施用NH4+态肥料时能明显地提高植物对P肥的吸收。施用N肥和其它养分可使产量增加而水分消耗则增加很小。由于产量增长远远超过了相应的水分消耗的增长，所以水的利用效率大大提高（Viets，1962；Oison等，1964b）。这种作用对有效水受到限制的地区具有特别重要的意义。15.2.2 N的吸收、输导和贮存15.2.2.1 吸收土壤获得的N，许多是以N03-的形态进入植物。化学和生物过程使N03-成为整个排水良好的土壤根区的最普遍的离子态N种类。因此，其进化过程中产生了吸收N03-的机制。大多数普通作物也容易吸收NH4+，如果说有选择性的话，那在生长季早期通常优先吸收NH4+而在后期则优先吸收N03-。这种顺序反映了温带地区土壤中的实际状况。在作物生长早期，根系大部分分布于土壤表层，而又因低温限制了硝化作用，所以，NH4+占了优势。随着土壤温度的提高，硝化作用得到了发展，根系扩大，N03-的数量和吸收就超过了NH4+。就玉米而言，在早期生长阶段，N03-和NH4+结合施用最好（Schrader等，1972；Warncke和Barber，1973），但施用NH4+则更有利于氨基酸和蛋白质的合成（Schrader等，1972）。铵是生长在土壤通气不良条件下的作物，如淹水栽培水稻的主要有效N形态。在通气不良条件下，硝化作用受到限制，而且形成的N03-或以肥料形式加入的N03-容易通过反硝化作用而迅速遭到损失（见第十二章）。此外，叶片从大气中吸收的NH4+对作物的N营养也有其很大的作用（Hutchinson等，1972；Porter等，1972）。在农业地区，大气中NH3比其它无机态N多，这一点可从雨水中N化物组成的分析得到证实（Viets和Hageman，1971；01son等，1973；Tabatabai和Laflea，1976）。植物吸N需要有离子态N向根系表面移动才能被吸收，大部分氮的移动，如NO3-的移动是随土壤水流而进入植物根系的，这是因作物地上部分的蒸腾作用所造成的移动。由于N03-和土壤胶体之间的吸引力可以忽略不计。所以，N03-就能移动，而且很容易地被质流带至植物根系。相反，NH4+和土壤胶体之间有吸引力存在，所以，NH4+在土壤水中的移动以及与土壤水的一道移动就很小。当潜在需要的吸收超过质流的供应时，根表面各形态N的浓度便会降低，从而出现了扩散过程。在排水良好的土壤中，虽然在大部分耕作条件下扩散作用并不十分重要，但也有突出的例外情况。当土壤特性引起根系局部集中在一起时（例如土壤自然结构体发育可致使根系结集成丛状，因此出现较大的无根区），这样，根表面间的距离就会缩短，因此就以扩散作用的移动为主（Barley，1970）。扩散作用非常重要的一个典型例子可以在淹水种植水稻时发生（FAO/IAEA，1970a；Patrick和Mikkelsen，1971），此时NH4+的利用率很高，这正是由集中了大部分根系的几厘米土壤表层内肥料中得到的，作物根系的几何形态与养分浓度区相对应，在养分浓度高的区域，报系生长极快（Olson和Dreier，1956a，Miller和Ohlrogge，1958；Russel和Shone，1972），从而提高了扩散移动的可能性。随水渗入根系生长的剖面较下层的硝酸盐在干旱季节具有重要的作用。当表层干旱缺水时，有根系生长的剖面较深处的N03-就成为作物生长后期的N源。但在更深的土层则很少或没有NH4+。除水分因子外，N03-的吸收速率受其在土壤溶液中的浓度和植物代谢作用的控制。禾本科中的许多植物从营养溶液中N03-的浓度为0.2毫摩尔/升（Huffaker和Rains，1978）或在N03-和NH4+的混合浓度为0.3毫摩尔/升（Warncke和Barber，1973）时吸收速率可达到最大值。N03-的吸收除受磷酸盐的抑制作用外（Wallace和Mueller，1957），大部分的其它离子对它的抑制影响则较少（Rao和Rains，1976）。主要的土壤阳离子通常以正电荷与遮盖在细胞壁上的负电荷发生其影响，因而促使N03-移动使之接近原生质膜的吸收点（Elzam和Epstein，1965），同时证明作为互补离子的K+比Ca2+或Na+更好（Wright和Davison，1964）。但是，铵则是一些植物中的抑制离子（Wallace和Mue11er，1957），当营养溶液中有NH4+和N03-二种离子时，NO3-同化成有机N的速度会有所延续，因此，NH4+更易被玉米吸收利用（Schrader等，1972）。一个有力的证据支持了N03-主动吸收（能的依赖性）的概念。在具有ATP的质膜上出现ATP酶的活性表明了有一个主动运输的代谢系统（Lott和Hodges，1970）。燕麦和豌豆幼苗组织中膜内外电位的测量值进一步说明了有一个主动流入系统的存在（Higinbotham等，1967）。虽然结合点的本质并不清楚，但吸附作用受到Mo的影响。同时，Viets和Hageman（1971）提出钼蛋白载体是在根细胞表面形成的。根系吸收N03-的同时会有相当大的NO3-外流，因此，增加了了解吸附过程的困难（Morgan，1970）。15.2.2.2 输导和贮存养分被根系吸收以后，就会发生一系列独立的转化作用（Pate，1971）。贮存于根系的硝酸盐经还原后被根组织合成氨基酸，或者穿过根细胞而沉积在木质部以便送往地上部分。同样，根系中合成的氨基酸也可以贮存在根内或向地上部分输送。所以，N03-和氮基酸都可能有一部分暂时贮存在茎和叶柄的细胞中，有些还可以送往叶片，并在叶片中继续贮存或发生N03-的还原作用。最终，任何积累部位的氨基酸将会沉积在韧皮部内以便输导至繁殖组织和地上的幼嫩部分或返回根系。在分子穿越膜的运输过程中还有载体蛋白参加，因此，光合作用产物向贮藏点输送或在植物体内利用时必须有N的加入。植物体内N03-还原为NH4+的速率显然受N03-还原酶的控制，因而N03-还原酶可进一步全面控制N03-吸收的速率。同时，酶本身也不断地合成和降解而保持在一个恒定的浓度上，该浓度与植物能量状态有关（Aslam等，1973）。业已发现，光亦能增加N03-还原酶的还原能力，但这可能是间接地通过组织的渗透性和N03-的吸收速率所致（Beevers等，1965）。在不同植物品种间，N03-还原作用发生的部位和最后成为木质部的流体中主要的N形态都各不相同。已获悉，一些豆科植物能影响其根系中的大部分还原作用（Raven和Smith，1976），而禾谷类植物似乎多数还原作用在幼苗和叶片细胞中发生（Beevers和Hageman，1969；Raven和Smith，1976）。一些植物品种，像苍耳，基本土所有的N都以NO3-形态存在于木质部中，而许多木本植物仅以有机形态N存在。就这二种情况而言，其存在的数量都受到根系生长量和营养溶液中N03-浓度的影响。生长基质中N03-的浓度也能对有N03-还原酶活性的植物部分产生很大的影响（Wallace和Pate，1967）。N03-浓度在5-10毫克/升水平时，随着根系中还原酶活性的显著下降而使地上部分迅速合成大量的还原酶。有力的证据表明，ATP作为两类运输系统的能源对N03-输送有决定性的影响（Berger，1973）。禾谷类作物对N的吸收过程，在体内的还原和输导最终都致使N参与到植物营养体部分的氨基酸和蛋白质中，随后在生殖生长阶段，其营养体的蛋白质分解成氨基酸，再使其输导，合成并贮藏在籽粒蛋白质中。已证明，玉米从N的吸收起的蛋白质合成的全部过程虽然在吐丝后合成速率迅速下降，但可从发芽开始一直继续到生理成熟为止（Hanway，1962；Chevalier和Schrader，1977）。大田作物吸收N的速率在植物的营养生长盛期非常迅速（图15-2；01son，1978），即如要达到期望的产量，那么玉米和小麦每天要吸收约4千克N/公顷，大豆每天要吸收6千克N/公顷。由于生产蛋白质需要输入的总能量比生产淀粉多，所以大豆在籽粒产量的潜力上比不上谷类作物。然而，就有关其蛋白质生产能力而言，大豆吸收N的时间更长。在田间条件下，比较了N的吸收和利用。它们在整个生长季节内都受环境条件的强烈影响，其中包括根系生长区内有效N的位置与有效水供应的关系，以及由此而造成的根系活性。因此，在旱地农作条件下，在冬小麦籽粒灌浆期以前土壤上表层水分耗竭以后，所增加的冬小麦的籽位蛋白质和产量与更深的根系生长区中有效N03-量有密切的关系（Smika和Grabouski，1976）。玉米的情况也一样，直到较晚季节，其根系伸展至较深处并占有活跃优势后，它才能从更深的剖面中吸收NO3-。而且，与早期从浅层吸收的N相比，这些N03-可直接输送到将粒，并合成籽粒中的蛋白质，而较少进入植物的营养体（Gass等，1971）。在高效率的作物生产过程中，已不断证实，营养生长量和籽粒产量之间必须达到一个协调的关系。为达到合成碳水化合物的最大光合作用的足够叶面积，这对地上部分的高产是必不可少的，但是，这并不意味着叶面积最大的谷类作物的遗传型能产生最多的籽粒。在发展中国家为绿色革命出力的硬茎矮杆的遗传型小麦和水稻的高产证实了这一事实。同样，在温带地区玉米旱播也通常导致植株更矮，但籽粒产量则比晚播的高。在相同情况下，夏季侧施N肥通常引起植株变矮，产量和籽粒/茎秆比提高，而且经济学产量也比种植时施肥为高（Olson等，1964a）。(图：图15-2 在内布拉斯加的几个地区，未经灌溉的小麦和灌溉的玉米以及大豆作物的地上部分中N积累的平均速率与平均产量的关系)图注 三种作物的产量小麦为2360千克/公顷，玉米为9450千克/公顷，大豆为3375千克/公顷（Olson，1978）随着其它养分的足量输入，增加N水平的结果会提高禾谷类作物籽粒中蛋白质的百分率（Finney等，1957；Schlehuber和Tucker，1967；Johnson等，1973；Olsom等，1976）。在N量能充分满足最大籽粒产量，但不足以达到最大蛋白质合成的条件下，已发现籽粒产量和蛋白质百分率之间存在着负相关（Terman等，1969），这种情况一般对农民而言其经济效益最高。 15.2.2.3 作物利用N的遗传效应人们已认识到，品种之间和同遗传型的品种之间在其从土壤-植物系统中的土壤或其它营养基质中吸收和利用有效N的能力会有差异。但这些差异与前面提及的在根细胞中还原N03-的不同能力有多大关系尚不清楚。在任何条件下，小麦籽粒比水稻或玉米更易获得高百分率的蛋白质。同样，玉米籽粒中的蛋白质又比高粱籽粒中要高。有趣的是，在管理一致的条件下，现有有效高产的高粱品种的产量不如玉米，但它从土壤中吸收的总N量比玉米多。导致这种差异的主要原因是由于高粱从营养组织转移到籽粒的N比玉米要少得多。这样，高粱的茎叶中含有的全N要比玉米高出50%（Perry和01son，1975）。品种间不仅在蛋白质积累程度上有差异，而且对人类的营养而言，蛋白质的质量亦有很大的不同。虽然水稻蛋白质总量较低，但其必需的氨基酸的分布，特别是赖氨酸组分则比任何其它谷类粮食对人类更为有利。最近，植物育种家们集中了精力以改变主要禾谷类作物的蛋白质成分，进而这又将影响到为获得所施N肥的最大利用率而采取的管理技术措施。或许在这个方向上有希望首先突破的是发现一种胚乳中具有比正常赖氨酸含量要高的玉米变种。这种增加的赖氨酸可归因于一种称作不透明体-2（不透明密码）（odpaque-2）的衰退基因（Mertz等，1964），当其植入不育系后,它可稳定地导致籽粒产量降低，但赖氨酸、组氨酸、精氨酸以及天冬氨酸的含量则可显著地提高（Nelson，1969），关于施用N对不透明体-2衍生物影响的研究基本上已证明在消耗必需的氨基酸时，生产的蛋白质总量提高了，而不指望的玉米醇溶蛋白组分也有所增加。最近对赖氨酸含量高的高粱类型（Singh和Axte11，1973），赖氨酸含量比普通种高的大麦变种（Munck等，1970）以及有类似情况的小麦（Johnson等，1978）的发现都有了更充分的认识。因此，这就为利用这些遗传变异特性，并与N管理技术相结合而共同改进籽粒蛋白质质量的更有启发性的研究开创了新的途径。虽然枯燥而昂贵的研究仍然需要进行，但在本世纪末，上述方法将能有力地帮助提高蛋白质营养。15.2.2.4 植物N的损失谷类作物中全N量长期测定的结果表明，地上部分植株在灌浆期前N能迅速积累，但灌浆期后则有明显的降低（图10-2；Doneen，1934；Miller，1939；Olson和Rhodes，1953；Boatwright和Haas，1961；Herron等，1963；Rumberg和Sneva，1970）。对这种N素损失的原因有着不同的解释，其中包括通过根系、叶片的失落以及开花以后花体的掉落而返回土壤。但是近来诊断，大部分的消失可能是在植物衰老以后由于NH3和N的氧化物从植物体挥发所造成的（Daigger等，1976）。无论什么因原，N的损失主要占了相当的比例，因此更好地理解有关这些过程将可更有效地提高N肥的利用率。15.2.3 植物中N的生物化学途径植物利用N的第一步是N03-通过NO2-还原为NH4+。这一过程可用下列反应式表示，它需要相当多的能量：(图：图15-a 反应式)NO3-还原为N02-的过程是转化过程中的限速反应。该反应由还原的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）-硝酸氧化还原酶（硝酸还原酶）催化并在细胞质中进行。NADH的产生需要碳水化合物的氧化，因此就间接需要利用太阳能。由于反应受到N03-还原酶的控制和又因为N03-还原速率会影响到植物中后续的一系列反应，所以花费了很大的精力对该酶的特性进行鉴定。现已知道，这种酶是含有Fe和Mo二种元素的一种金属蛋白质。当对植物施用N03-时，该酶在数量上会有所增加，而且当温度、湿度以及光照有利于植物生长的期间，它也会增加。相反，当植物处于水或温度的不利影响时，就会发现该酶的活性水平也下降了。因此，可以认为，这种酶对植物体内作为其电子供体的NADH有一种特殊需要。N03-的还原作用是植物利用N的第一个过程，这一过程牵涉到光合作用产物和糖酵解代谢作用。Viets和Hageman（1971）提出了这种相互关系（图15-3）。在有光和CO2存在时，在叶绿体内随着产生磷酸甘油酸的同时，还会产生糖和淀粉，而且还能将其移向细胞质，并在细胞质中由3-磷酸甘油还原形成的NAD可作为NO3-还原作用所需的能源而被利用。(图：图15-3 为说明光合作用产物、糖酵解代谢作用以及硝酸盐还原作用之间的相互关系而绘出的简化代谢图式)图注 简略的符号是：RuDP，二磷酸核酮糖；3PGA，磷酸甘油酸；3PGAd，3-磷酸甘油醛；DHAP，磷酸二羟丙酮；FDP，果糖二磷酸；E6P，果糖-6-磷酸；NAD和ATP，分别为腺苷二磷酸和腺苷三磷酸（Viets 和Hageman，1971） (图：图15-4 NH3被同化参入谷氨酸而形成谷氨酰胺。然后又合成了另外的谷氨酸(Noggle和Fritz 1976)植物利用N的第二个步骤是N02-还原为NH3。这种反应由NO2-还原酶所催化，该酶可认为是铁氧（化）还（原）蛋白-亚硝酸氧化还原酶。在绿色组织中，可认为铁氧（化）还（原）蛋白和NO2-还原酶两者都分布在叶绿体中，因此这就表明N02-还原作用与太阳能密切联合在一起。在叶绿素缺乏时，例如在根系或其它各种非绿色部分，N02-还原作用系由以碳水化合物的氧化作为能源的一个不同系统来完成。当NH3产生以后，它就迅速被同化，因此，在大部分植物中通常只能发现有痕量的NH3。事实上，植物组织中具有大于痕量NH3时就常常会造成毒害。同化NH3的主要途径是NH3能参与到谷氨酸中形成谷氨酰胺。该反应由谷氨酰胺合成酶所催化。图15-4表明在第一个反应式中NH3参入谷氨酸而被同化，并在第二个等式中则会发生谷氨酸的再生作用（Noggle和Fritz，1976）。因此，形成的一分子谷氨酰胺可与-酮戊二酸在谷氨酸合成酶催化下发生反应而形成二分子谷氨酸，这样就产生2倍数量的谷氨酸，而且可进一步用于NH3的同化作用。NH3+参入氨基酸以后，氨基（-NH2）通过转氨基反应而将其转移到另外的代谢物上，这样就形成了其它氨基酸或氨基化合物，转氨基反应是由大家所熟知的氨基转移酶所催化的，由草酰乙酸和谷氨酸形成的天冬氨酸就是其例（图15-5）（Noggle和Fritz，1976）。(图：图15-5 一种转氨基反应，通过该反应，-NH3可以转移到另外的代谢物，如草酰乙酸上，这样就形成了另外的氨基酸或其它氨基化合物(Noggle和Fritz 1976)已知NH3的同化作用还有其它几条途径，这些途径包括NH3和CO2反应形成氨甲酰基磷酸盐，随后它又转化为氨基酸-天冬氨酸。还有其它的例子是NH3和氨基酸结合的生物合成胺。在该途径中，天冬氨酸转化为胺-天冬酰胺（图15-6）。(图：图15-6 NH3同化作用的其它途径，它与一种氨基酸化合形成了一种酰胺(Noggil和Fritz 1976)氨基酸是蛋白质的结构成分，它们以特殊的顺序集合而形成各种不同的蛋白质。因此单一的蛋白质分子可含有50到1000个氨基酸。植物中不是所有的氨基酸都结合成蛋白质，在不同植物品种中已发现有20-40个呈游离状态的不同类型的氨基酸。不同类型氨基酸的游离状态和结合状态的比例因各种植物而有所不同，有时同一类植物的栽培品种也会有所不同。植物中的氨基酸也能合成为多种复杂的、参与生命功能的含氮化合物。15.2.4 生物化学途径的遗传效应虽然市场商品作物中N或蛋白质的百分率几年来并无显著变化，但已选育出蛋白质含量高或低的，可用于收获籽粒的玉米杂交种和栽培品种。现已成功地培育了N和蛋白质含量都比普通商品杂交种高的玉米杂交新品种，它们即使施用的N量超出最高产量所需要的数量，其N和蛋白质的含量也都比普通的杂交种要高。由于N03-还原作用可能是氨基酸和蛋白质合成的限速反应，所以有时认为这是一个与植物生长和产量有密切关系的反应。鉴于这种原因，N03-还原酶活性将是表征植物生长速率的良好指标。因此，栽培品种和杂交品种之间N03-还原酶活性的差异经研究可作为表示潜在产量或蛋白质生产的一种可能指标，已有报道，在玉米的非杂交种之间，以及其它作物如高粱和小麦杂交种和栽培品种之间，N03-还原酶的活性水平在遗传上存在着差异（Hagemam等，1976）。在某些情况下，已发现杂交品种和栽培品种的NO3还原酶活性与籽粒产量或蛋白质有相关性，但通常得到的只是一般关系而不是密切的相关。植物的许多特性和天气因子无疑也会影响到这种关系。例如已知干旱的应力能极大地延缓植物的这些过程。通过选择和培育提高酶活性和类似的生物化学特点的作物改良工作可能是有希望的，但通往成功之路是艰巨而困难的。15.3 作物生产中的氮15.3.1 作物的N水平及其与N的缺乏、充足和适量的关系关于通过植物分析以确立N的缺乏/充足的水平的努力因与植物生长有关因素的各种变化和N本身的瞬息多变的本性而显得非常复杂。其中最主要的是不同种类和既定种类的不同品种之间所需N的差异。同时，既定植物的各个部位之间N的浓度亦有变异，而且随着植物各部分的生长阶段不同而N的浓度也会迅速变化，此外，气候的变化也影响到N浓度的差异，植物中其它养分的缺乏或过剩又能引起N浓度的变更，以及由于病害或虫害的侵袭而引起植物各部分N的不断变化。豆科植物组织中，已注意到蛋白质和N浓度都高于非豆科植物，因此它们是动物和人类营养的重要因素，特别在世界上那些谷类作物构成大部分食物的不够发达的地区。而且既定种类的不同品种和杂交种在对N的吸收、利用和贮存上正如前述的那样都有所变化。因此任何表达N充足时都将有必要说明所用品种的范围。大部分既定的遗传型品种在其生长早期将具有最大的N浓度。由于季节的进程和植株的长大，随着光合作用产生的碳水化合物极迅速地积累使N稀释了，所以其百分率就下降。因此，玉米在生理上成熟时植株全N量通常不及幼苗后期植株含氮量的1/3。在籽粒灌浆期，N从营养体部分转移到种时，玉米子叶片的含N量在几天内就会发生实质上的变化。但是，在同样的生长阶段，植物各部分之间仍然存在着较大的不一致性。表15-1说明了玉米植株特定部分N浓度的差异，以及在强调这种差异时，其浓度也受到施用N肥的影响。叶片含N百分率比节间组织高出3倍或3倍以上，而节中的含量则比节间组织中的含量又适当高些，而所有这三部分组织中的N浓度从植株顶部向下依次降低。气候因子对植株N浓度有明显的影响。由于温度和水分能控制干物质生产速率，所以它们就显得特别重要。非常有利的生长条件系与最大生长速率和植株组织中伴随N的稀释有关。表15-2的数据就是一个说明。这是通过灌溉水的供应使土壤61厘米深度内的有效水维持在三种水平条件下用收割二次的谷子所获得的结果（Brennet等，1964）。因干旱而终止生长，但根系能继续吸收N03-，且不再被同化，因此植株中N03-积累的浓度很高。这些都是经济的例子。受病害和虫害植株中的N营养浓度比邻近健康植株中的要高。限制作物正常生长的其它元素缺乏时通常导致N浓度的升高。相反，供给植物所缺乏的养分时因能生产大量的干物质而稀释了N的浓度。养分过量造成减缓生长时也能引起N百分率的增加。上述这些因素很可能在既定作物组织的样本中出现，它们单独或共同起作用都会显著地影响到N的水平。由于这种原因，所以表15-3列出的数值覆盖了颇宽的范围，而且，在不寻常条件下，甚至可能覆盖更宽的范围。(表：表15-1 灌溉玉米早期吐丝期所取植株中的含氮量(内布拉斯加州米德大田实验室1967 R.A.Olson未发表的资料) )植株部分N处理（千克/公顷）084168%整个植株1.331.821.93顶叶2.893.293.31向下第三片叶2.823.243.28穗叶2.532.923.09顶节间0.931.061.12中节间0.480.811.02顶节1.211.381.36中间节1.001.261.52收获的籽粒产量（千克/公顷）6489926010269(表：表15-2 土壤水分含量对Starr谷子中N的浓度和吸收总量的影响(Bennet等1964) )土壤水分*Starr谷子产量(千克/公顷)N浓度(%)吸收的总N(千克/公顷)M1151872.26343M2208321.99415M3233321.58400注释：*M1，无灌溉；M2和M3是当土壤上部61厘米中，有效水容量分别降至65%和30%时便进行灌溉。 (表：表15-3 植株含N量与一些重要农作物的N缺乏、充分和过量的关系 )作物测定的N用含N量表示的作物营养状况1）参考文献缺乏(%)低(%)足量(%)很高，可能过量(%)苜蓿全量初花时顶端15厘米4.04.0-4.55.0Jones(1967)狗牙草（狗牙根）全量收割后45星期的全部地上部分1.51.5-2.53.0Burton(1954)雀麦草全量用于干草，在开花初期进行第一次收割1.0-1.51.5-2.02.5Russell等(1954)玉米全量吐丝时的穗叶2.252.26-2.753.5Jones(1967)棉花全量上部成熟的叶片2.52.5-3.04.5Sabbe等(1972);Sabbe和MacKenzie(1973)籽粒高粱全量开花时穗头以下的第三个叶片2.52.5-3.04.0Sabbe等(1972);Sabbe和MacKenzie(1973)马铃薯NO3生长点以下的第4个叶片的 叶柄0.80.8-1.01.2Lockman(1972)谷子全量收割后45星期的全部地上部分1.91.9-2.23.5Clapp和Chambles(1970)水稻全量最大分蘖期时最新充分展开的叶片2.42.4-2.83.6Mikkelsen和hunziker(1971)大豆全量恰在荚位前上部充分展开的小三叶片4.04.0-4.255.5Anonymous(1971)2)甜菜NO3新成熟叶片的叶柄0.10.1-0.20.3Ulrich(1950)甘蔗全量3、4、5、6个叶片1.01.0-1.52.7Schmehl和 Humbert(1964)小麦全量孕穗到抽穗时全部地上部的植株Ward等(1973)冬小麦1.251.25-1.753.0春小麦1.51.5-2.03.0注释：1）在许多情况下，所列范围是作过调整的数字或增加了作者的原始数据以适于这里所需数值。 2）Aronymous,1971。植物分析。俄亥俄州立大学植物分析实验室，未发表的资料。 15.3.2 各种作物中的N含量及其在体内的分布15.3.2.1 全N不同作物中出现的N含量因品种和生产作物的环境条件的不同而有很大的变化。产量水平的变异只说明了一部分差异的情况，而遗传型的N积累和贮存特点的不同则可解释许多留下的其它问题。已发现，在收获的豆科饲料作物中的含N量一般比禾谷类作物的普通产量中的要高（表15-4）。籽粒豆科作物如大豆，在它的收获物中也含有大量的N，但这两种豆类在当年（作物年度）的生长期间一部分N可来自共生固定作物固定的大气N。(表：表15-5 1971年12月从瑞典杂货店收集到的食品中的NO3-N含量(Schupan 1972) )食品种类取样数范围NO3-N(毫克/千克鲜重)禾谷类食物30冷冻玉米113番茄213花椰菜214马铃薯115甜椒516羽衣甘蓝（未施肥）217甘蓝317蘑菇（未施肥）317冷冻绿豌豆419黄瓜224红甘蓝324冷冻包子甘蓝427苹果泥（浆）（婴儿食品）328混合蔬菜（婴儿食品）435胡萝卜泥（浆）（婴儿食品）337冷冻法国菜豆359胡萝卜饮料（婴儿食品）560冷冻花茎甘蓝3（55-100）78羽衣甘蓝2103Isberg莴苣7（78-115）104菠菜与火腿（婴儿食品）4107冷冻菠菜16（146-541）313冷冻草茴香2490莴苣16（109-1222）554一些收获干草为目的的禾本科作物能移走大量的N，因此为达到最高产量就需要施用高量的N肥。就甘蔗生产而言，被提取糖的茎杆移走的N相对较少，但为了获得茎杆的丰收而将其植株顶部和叶片残体在田里燃烧时，N就能发生大量的损失。甜菜像玉米和其它谷类作物作为青贮饲料收获其地上部分时，也消耗了土壤中的大量N。表15-4给出了收获作物中移走N的一些例子。对玉米和大豆（Haaway，1962；Hanway和Weber，1971）以及对小籽粒作物（Doneen，1934；Boatwright和Haas，1961）己更精确地测定了进入各部分的N的分布状况，但是，很少有数据报道收获时根系留存的N量。这是由于获得该部分的代表性样品存在困难。在测得土壤表层以下根系总重量的结果表明，对一些谷类作物其重量范围为2000-5000千克/公顷。就一般而言，收获时根系的全N量可能约为地上叶片部分全N量的一半，豆科植物根系则情况就不同了，其植株作为干草收获后，根系中的N含量比地上部分明显地高。因此，它对后熟谷类作物的整个生长期都是有效的。图15-7中的收获部分和作物残体之间N的分布情况表明，在集约耕作时，N为什么能比任何其它元素消耗得更为迅速的原因。即使残体能返回种植谷类作物的土壤，但移走的110-170千克/公顷的N仍然表明它花去了成本文出的大部分。因此说明了消耗项目中N肥占最重要的地位。15.3.2.2 有毒N03-的积累上面叙述的分布方式可在水分的供应满足植物生长和施用额定N肥的条件下应用。作物在生理上成熟时大部分N呈化合的有机形态存在。当谷类作物，像玉米、燕麦或籽粒高粱被杀死或因干旱伤害严重时，过量的N03-很可能在植物的各部分有所积累。出现这种情况的部分原因是由于植物顶部死亡后，根系还继续吸收N03-。因此，在较下部的茎杆中就会出现最高浓度。但有些N03-将在青贮过程中因发生发酵作用而消失。如果青贮饲料中或直接用作饲料的牧草中NO3-N的浓度超过了2%的范围，那么就有可能由于高铁血红蛋白血（症）造成动物的死亡（Garner，1958）。甚至只要到上述数量的一半就能降低奶牛的产奶量，而且证明了动物还缺乏维生素A。(图：图15-7 主要农作物高产时的收获部分和残余部分中的养分状况(Olson1978)农民们经历过的NO3-中毒问题是用玉米残体饲喂动物。玉米植株中NO3-过量积累的通常条件有干旱、高温、P或K水平低以及过量施用K肥（Kurtz和Smith，1966）。同时，大量施用N肥，不管是有机还是无机来源的N肥也是常见的原因。为人类消费而种植的某些叶用作物也发现积累过量的N03-，因此，这很可能是引起人类，特别是婴儿的高铁血红蛋白血（症）的原因（见第十六章，D.R.Keeney）。已知大量施用N肥能造成叶片积累过量N03-的作物有菠菜、莴苣和草茴香。由于叶用作物仅构成主食的一小部分，所以这类病例在成年人中很少发生。相反，幼儿的食品种类很少，而且消化系统发育较差，因此，其危险性就增大。表15-5说明了瑞典人食物的调查结果，调查的食物是从杂货店货柜上收集到的新鲜的、冷冻的食品和罐头食品（Schupan，1972）。不同来源的样品中的其含量有很大差异，但收集的大量样品的平均数据则证明了问题的严重程度。 (表：表15-5 1971年12月从瑞典杂货店收集到的食品中的NO3-N含量(Schupan 1972) )食品种类取样数范围NO3-N(毫克/千克鲜重)禾谷类食物30冷冻玉米113番茄213花椰菜214马铃薯115甜椒516羽衣甘蓝（未施肥）217甘蓝317蘑菇（未施肥）317冷冻绿豌豆419黄瓜224红甘蓝324冷冻包子甘蓝427苹果泥（浆）（婴儿食品）328混合蔬菜（婴儿食品）435胡萝卜泥（浆）（婴儿食品）337冷冻法国菜豆359胡萝卜饮料（婴儿食品）560冷冻花茎甘蓝3（55-100）78羽衣甘蓝2103Isberg莴苣7（78-115）104菠菜与火腿（婴儿食品）4107冷冻菠菜16（146-541）313冷冻草茴香2490莴苣16（109-1222）55415.3.2.3 有毒NO2-的积累已清楚地表明，土壤中过量的NH3能毒害作物和许多土壤微生物。在多数情况下，正如Birch和Eagle（1969）指出的，高水平的NH3在N02-缺乏时不会毒害幼苗，因此，上述说法并不确切。NO2-对植物的毒性已经得到充分的论证，而且通常与酸性条件有关（Maze，1911；Cutis，1949；Bingham等，1954）。这些研究者发现，在中性到碱性条件下N02-无毒害作用，因此，他们提出在强酸性土壤中有毒害可能是由于亚硝化细菌属（Nitrosomonas）和硝化细菌属（Nitrobacter）对N02-的不同反映所造成，硝化细菌属非常不耐强酸性。但是，由于N02-化学上的不稳定性，所以在酸性土壤中很少存在（见第九章）。土壤NO2-发生毒害的水平随植物种类而异，其范围可小至2毫克/千克土到高达100毫克/千克土（Curtis，1949；Bingham等，1954；Oke，1966）。在正常环境条件下，健康植物组织中不会发现游离的NO2-，植物根系似乎本身可通过Van Slyke反应而具有能免除任何N02-积累的一种保护机制；R-NH2+HNO2ROH+H2O+M2，即当胺分解时，能产生乙醇、水和元素N（Maze，1911；Mevitas和Dikussar，1930）。但是，在某些不正常的生长条件下，如除莠剂处理敏感植物以后，发现植物组织内有NO2-的积累，并因除莠剂的作用而出现毒害症状，最终导致植物死亡（Klepper，1974，1975）。由于NO3-正常的还原过程受到抑制，所以就造成了N03-的积累，而且，还注意到用除莠剂处理的植物能向大气放出NOX气体，但其数量则与使用除莠剂的数量成比例，同时伴随着积累的NO2-的消失。除莠剂的这种作用又能与人体摄入高水平的N03-后导致N02-的累积的种种条件没有多大差别，因此，这虽然不是N03-的作用，但产生的NO2-与血红蛋白发生反应，从而产生的高铁血红蛋白则是毒害的原因（Jaffe和Heller，1964）。叶用作物如制罐头用的菠菜能引起疾病，其发病因子常常是在贮藏期间N03-转化成了NO2-（Phillips，1968）。 15.3.3 N肥对作物品质的影响N肥对作物品质的重要影响在于增加籽粒和使用作物中蛋白质的含量。关于禾谷类作物施用氮肥的新近文献指出，当氮肥施用量超过靠蛋白质来增加产量的某种用量时，籽粒蛋白质的含量随N肥用量的增加而提高。从这点开始，蛋白质随施N量提高而成直线增加，直至该品种所能达到的最大蛋白蛋含量为止，但该N用量已大大超过了最大产量所需的氮量。所有的栽培品种对N肥的反映并不完全相似。例如，在Johnson等（1973）的研究过程中，供试验的小麦品种（CI 14016）的蛋白质含量在所有N肥用量时始终比Lancer品种约高2%。CI 14016的最大蛋白质含量为16.3%，而且在最高N用量达135千克/公顷时，蛋白质含量还不断增加。相反，品种Lancer约有相同的最高籽粒产量，但蛋白质含量在N肥用量仅为45千克/公顷时才达到11.8%（图15-8）。(图：图15-8 在1969-70年期间，于内布拉斯加州的6个试验过程中，施用N对二个冬小麦品种的籽粒产量和蛋白质产量的影响(Johnson等1973)在高N肥力水平的干旱地区，营养生长过旺对禾谷类作物的生长是有害的。有关营养生长的这种效应，N比其它养分更为突出。过分的营养生长消耗大量土壤有效水，因而减低了籽粒产量。但如果籽粒形成，那么不饱满的籽粒比含正常蛋白质百分率的籽粒要高。美国高原天气条件下的冬小麦生长区发生这种现象极为普遍。冬小麦施用N肥时间的研究指出，在大多数年份，春天和秋天施用N肥所获得的产量较高（Olson和Rhoades，1953；Schlehuber和Tucker，1967）。当N施用时间延缓时，如果较高有足够的雨水把肥料N带至根系，那么蛋白质百分含量有不断提高的趋势。用叶面处理时，由于延缓了施用N的时间，所以蛋白质含量提高，但产量则没有增加（Finny等，1957）。因此，冬小麦在限定量，50千克/公顷的总量分成三次以尿素溶液叶面喷施时，已注意到蛋白质含量的增加范围为2-4%，但在开花早期进行处理其效果最好（Sadapha1和Sas，1966）。同样，表15-6中的数值也表明，用适量的N对三种禾谷类作物进行连续叶部喷撒处理时，植株内蛋白质的含量约可增加2%，但由于施用N肥太晚，因此，籽粒产量则没有增加。另一方面，大豆由于叶部的灼伤，所以使产量骤减，但蛋白质含量则增加了5%。所有用叶部联合处理的作物的籽粒在收获时其水分含量都明显比对照低，这就表明，使用盐类造成叶片的脱水作用。玉米N肥的经济施用恰好在旺盛生长期以前，此时施用比早期施用对获得最大的蛋白质产量更有效。尤其证明对这种作物早期大量施用N肥能促使旺盛的营养生长，但对籽粒中产生和贮藏蛋白质物质并非特别有效。 (表：表15-6 叶部喷施肥料对4种作物籽粒产量和蛋白质含量的影响(R.A.Olson未发表资料) )作物和肥料*籽粒产量籽粒蛋白质含量N+P+K+S（千克/公顷）（千克/公顷）%冬小麦0+0+0+0499515.860+15+30+6492816.460+0+30+6472517.860+15+0+6499517.2L.S.D.(0.05)n.s玉米0+0+0+0100808.350+10+12