幾種豆科植物茶園間作的氮素協調性研究

收稿日期：2013-05-15

基金項目：泰安市幼齡茶園間作模式與配套技術研究（20093039）

作者簡介：汪強強（1987-），男，在讀碩士研究生，主要從事茶樹生理與生態研究。E-mail： qiangwushan@163.com

*通訊作者，E-mail： lxzhang@sdau.edu.cn

摘要：以白三葉的鋪地、考拉和紫花苜蓿的金達品種為材料，采用硝、銨氮素比為1∶1的水培液測定其喜氮類型，并測定不同生育時期的硝酸還原酶（NR）和谷氨酰胺合成酶（GS）活性。結果表明，三種豆科植物均有較強的喜硝特性，與喜銨的茶樹間作具有氮素種類上的協調性。其中，以金達的總NR活性最高，GS活性最低，GS/NR值和吸氮量最小，最適宜茶園間作。

關鍵詞：豆科植物；喜氮類型；酶活性；相關性；間作適宜性

中圖分類號：S344.2文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2013）12-0052-05

氮作為生物體必需的一種營養元素，在自然界中主要以有機態、無機態和分子態三種形式存在^[1]，其中無機態的銨態氮和硝態氮是植物能直接吸收和利用的兩種主要氮素形態。植物的需氮特性因植物種類、品種、生育時期等而不同，而依據植物對土壤中銨態氮和硝態氮的優先吸收方式不同，可將植物分為喜銨植物和喜硝植物^[2，3]。茶樹是一種典型的喜銨耐銨植物，生產中主要施用銨態氮肥滿足其需求。但由于土壤中硝化作用會將銨態氮轉化為硝態氮，降低茶樹的氮肥利用效率，造成肥料的浪費；同時由于硝態氮離子的強酸性和易淋失特性，還可導致茶園土壤酸化、地下水污染、水體富營養化等嚴重的環境問題^[4]。因此，提高茶園氮素的利用率就十分必要。

為解決上述問題，國內外主要采取的措施有：在茶園施用脲酶抑制劑^[5～7]，硝化抑制劑^{[5，6，8～10]}，覆蓋秸稈等生物物料^[8]，平衡施肥^[6，11]，施用石灰等化學改良劑^[11，12]。但是，這些方法不但會增加農業生產成本，化學改良法還會帶來新的環境污染^[13]，不符合無公害和有機茶葉的生產要求；同時還可能造成土壤板結、抑制茶園土壤酶及微生物活性等，進而影響茶樹生長和茶葉品質。所以，選擇豆科植物與茶樹間作，進行生物改良，既可以利用豆科植物的共生固氮作用^[14]減少與茶樹爭奪氮肥的矛盾^[15]，還可利用豆科植物對硝態氮的吸收與轉化，解決土壤過度酸化和硝態氮對環境的污染，提高茶園氮素利用率。目前，在茶園中間作的豆科植物主要有大豆^[16]、花生^[17]、白三葉^[18～20]和紫花苜蓿^[21，22]等，其研究以間作作物對茶園土壤理化性狀、微域環境的溫濕度、昆蟲和天敵生物多樣性方面的影響為主，尚未見間作豆科植物與茶樹氮素協調性方面的研究報道。

為了篩選出高效利用硝態氮肥的茶園間作豆科植物，本試驗以三種豆科牧草為材料，研究其吸氮特性和不同生長發育時期氮素代謝主要酶活性，以期為茶樹合理間作和生態有機茶園建設提供一定技術和理論依據。

1材料與方法

1.1試驗材料

三種豆科植物：白三葉—鋪地（Trifolium repens cv.PROP）、白三葉—考拉（Trifolium repens cv.CLARE）、地被型紫花苜蓿—金達（Medicago sativa cv.KINDER）。

1.2試驗時間和地點

2012年4月在山東農業大學園藝試驗站茶棚茶行間（茶樹品種為福鼎大白）種植豆科植物。

1.3試驗設計和方法

1.3.1豆科植物喜氮類型的測定以三種豆科植物成株期植株為材料，水培法測定植物氮素吸收的喜好類型。每盆加入250 ml滅菌的營養液，以5株根系經3.5%次氯酸鈉溶液滅菌的植株（排除微生物對試驗的影響）為處理，以無植物培養的營養液為對照，重復4次，分別于0、3、6、9 d后測定營養液中銨態氮和硝態氮含量。

試驗用營養液為Hoagland 無氮營養液^[23，24]加NH₄NO₃并使其終濃度為0.1 g/L，以確保銨態氮和硝態氮的比例為1∶1。銨態氮用靛酚藍比色法^[25]測定，硝態氮用紫外雙波長矯正法^[26]測定。

1.3.2豆科植物氮素代謝主要酶活性測定分別取苗期、成株期、開花期的豆科植物，測定其根系和葉片的硝酸還原酶（NR）、谷氨酰胺合成酶（GS）的活性。

硝酸還原酶活性采用活體法^[27]比色測定，取樣前先用50 mmol/L的KNO₃溶液誘導植物1 d，以促進硝酸還原酶的產生；谷氨酰胺合成酶活性采用比色法^[28]測定，以540 nm處吸光值的大小來表示。

1.4數據分析

試驗數據用Microsoft Excel 2007進行整理，采用SPSS18.0軟件進行分析，多重比較采用tukey法。并用SAS軟件進行一元線性相關性分析。

2結果與分析

2.1豆科植物喜氮特性

從圖1可以看出：三種豆科植物對硝態氮均有較強的吸收，在水培期間，水培液中硝態氮含量不斷降低，但以前3 d的下降幅度最大；而三種豆科植物對銨態氮的吸收情況明顯不同于硝態氮，在水培的前3 d，水培液中銨態氮的下降幅度明顯小于硝態氮，且隨后有小幅的上升，最終保持在一個相對穩定的水平，且含量顯著高于硝態氮。因水培液中硝態氮和銨態氮起始含量相同，由此可以看出，三種豆科植物均對硝態氮有偏好性。

從表1可以看出：三種豆科植物對硝態氮、銨態氮的吸收量均為：考拉>鋪地>金達；所吸收的硝態氮和銨態氮的比值（簡稱硝銨比）則為：金達>鋪地>考拉。以上結果表明：在三種豆科植物中，金達具有吸氮量低和吸收硝態氮強的特點。此外，三種豆科植物的硝銨比為1.80～2.33，進一步表明了三種豆科植物對硝態氮的偏好性。

2.2豆科植物氮素代謝主要酶活性的比較

2.2.1硝酸還原酶（NR）三種豆科植物葉片和根系的總平均硝酸還原酶（NR）活性均為：金達>考拉≈鋪地，且以金達根中的NR活性明顯大于鋪地和考拉；就不同生育時期而言（圖2），除鋪地、金達葉片外，考拉葉片和三種豆科植物的根系NR活性均表現為：開花期>成株期>幼苗期。此外，在開花期，金達根中NR活性大于葉片，其L/R值為0.97，小于1；而鋪地、考拉的比值均≥1，幼苗期比值達2以上（表2）。同時，三種植物在不同生育期的L/R值變化差異較大，鋪地、考拉為逐漸減小，而金達則呈現出高-低-高的變化趨勢，由此表明：三種豆科植物中，兩種白三葉與紫花苜蓿在硝態氮代謝方面存在較大的差異。

2.2.2谷氨酰胺合成酶（GS）三種豆科植物根系和葉片的總平均谷氨酰胺合成酶（GS）活性均為：鋪地>考拉>金達。此外，同一植物葉片中的酶活性明顯高于根中的酶活性，其葉根GS活性比值（L/R）在1.13～6.00之間，其中，金達在不同時期的變化幅度最大，幼苗期最小，開花期最大（表2），且其平均L/R值與鋪地相近，卻顯著高于考拉。就生育時期而言（圖3），葉片中GS活性以開花期最高，根中GS活性除鋪地外，考拉和金達均以幼苗期活性最高。

2.2.3硝酸還原酶（NR）與谷氨酰胺合成酶（GS）活性比值以葉片和根系的GS、NR總活性比值（GS/NR）來說明植物吸收、還原和同化氮素之間的協同關系（見表2）。由表2可知，三種豆科植物在不同生育時期葉和根總GS/NR值在5.73～15.34之間，其大小為：金達<考拉<鋪地，其中根系的GS/NR值，金達僅為考拉、鋪地的1/2，差異較大，而葉片中GS/NR值，金達與考拉、鋪地的差異較小。以上結果表明：金達較鋪地、考拉具有更強的喜硝態氮特性，同時，也說明三種豆科植物吸收、還原和同化氮素之間的協同關系的優劣為：金達>考拉>鋪地。

2.3豆科植物吸氮量與相關酶活性之間的相關性

硝態氮進入植物體后需經NR作用生成NH⁺₄，銨態氮和經硝化作用轉化的NH⁺₄都需要谷氨酰胺合成酶/谷氨酸合成酶（GSA/GOGAT）或谷氨酸脫氫酶（GDH）的作用同化成氨基酸。植物吸氮能力與這些酶的活性有關。由表3可知，三種豆科植物的硝態氮吸收量均與NR活性達到極顯著相關，而銨態氮吸收量僅有金達與GS活性達到極顯著相關，鋪地雖然相關性較大，但未達到顯著相關水平，這說明還存在影響鋪地GS活性的其它因素。

3結論與討論

氮素代謝主要酶活性對氮素的吸收利用至關重要。大多數植物一般主動吸收硝態氮^[29]，這與植物的NR活性密切相關，同時，自然界土壤中硝態氮的含量遠高于銨態氮。茶樹是一種典型的喜銨植物，其體內硝酸還原酶活性低，對硝態氮的同化利用率為銨態氮的1/4左右^[30]，由此帶來茶園氮素利用率低、土壤酸化和環境氮素污染的問題。由于不同植物之間存在氮素吸收特性的差異，所以可以通過間作喜硝植物來解決茶園中的上述問題。

本試驗通過對兩種白三葉（鋪地和考拉）和一種紫花苜蓿（金達）吸氮特性以及氮素代謝主要酶活性的研究，其結果表明：三種豆科植物均對硝態氮有偏好性，但以金達的硝酸還原酶（NR）活性最強，且谷氨酰胺合成酶（GS）與硝酸還原酶（NR）活性比值小，由此說明：金達的GS所需底物NH⁺₄來源于硝酸還原的比例大；此外，三種豆科植物在固氮量最大的開花期，具有最高的NR和GS活性。以上結果表明：金達與喜銨態氮肥的茶樹間作具有很好的氮素協調性，與茶樹“爭肥”的矛盾最小，同時能很好地降低茶園硝態氮含量，并解決由此帶來的土壤酸化和環境污染的問題。所以，茶園間作宜選擇金達，其次為考拉和鋪地。

此外，在生產上，宜將間作的豆科植物在開花期之后刈割或翻耕填埋在茶行中，通過氨化細菌的作用，又可將豆科植物吸收同化的氮素轉化為茶樹可吸收的銨態氮，由此構建一個茶園氮素的生態循環體系，從而起到提高氮素利用效率、保護茶園生態環境、促進茶樹生長^[20～22]和提高茶葉品質的積極作用。

參考文獻：

[1]劉義，陳勁松，劉慶，等.土壤硝化和反硝化作用及影響因素研究進展[J].四川林業科技，2006，27（2）：36-40.

[2]Malknen E.Estimation of nitrogen saturation on the basis of long-term fertilization experiments[J].Plant and Soil，1990，128：75-82.

[3]Nilsson L O，Wiklund K.Nutrient balance and P，K，Ca，Mg，S and B accumulation in a Norway spruce stand following ammonium sulphate application，fertigation，irrigation，drought and N-free-fertilisation[J].Plant and Soil，1995，168-169：437-446.

[4]楊亞軍.中國茶樹栽培學[M].上海：上海科學出版社，2005.

[5]Orphanos P I.Inhibition of ammonium sulphate nitrification by methylpyrazol in a highly calcareous soil [J].Plant and Soil，1992，143：145-147.

[6]Zerulla W，Barth T，et al.3，4-Dimethylpyrazole phosphate（DMPP）-a new nitrification inhibitor for agriculture and horticulture [J].Biology and Fertility of Soils，2001，34：79-84.

[7]于亞偉，張麗霞，韓曉陽.尿素不同配施處理對棕壤茶園土壤尿素轉化及硝化作用影響的研究[J].植物營養與肥料學報，2011，17（5）：1278-1282.

[8]劉偉，宋建國，梁愛萍，等.秸稈和DCD對冬小麥不同生育期施入尿素的土壤行為的影響Ⅱ.硝態氮的動態變化[J].安徽農業科學，2010，38（10）：5176-5177.

[9]巨曉棠，劉學軍，張福鎖.尿素與DCD和有機物料配施條件下氮素的轉化和去向[J].中國農業科學，2002，35（2）：181-186.

[10]徐星凱，周禮愷，Oswald Van Cleemput.脲酶抑制劑/硝化抑制劑對土壤中尿素氮轉化及形態分布的影響[J].土壤學報，2000，37（3）：339-345.

[11]郭琳.茶園土壤的酸化與防治茶葉科學技術[J].茶葉科學技術，2008，2：16-17.

[12]張永利，孫力.茶園土壤酸化及其改良措施[J].茶業通報，2011，33（4）：158-161.

[13]易杰祥，呂亮雪，劉國道.土壤酸化和酸性土壤改良研究[J].華南熱帶農業大學學報，2006，12（1）：23-28.

[14]Chen W X，Wang E T，Chen W F.The Relationship between the symbiotic promiscuity of rhizobia and legume and their geographical environments[J].Scientia Agricultura Sinica，2004，37（1）：81-86.

[15]呂小營，歐陽石光，張麗霞.山東新建茶園間作花生與春玉米的效應比較[J].山東農業科學，2011，8：29-32.

[16]黎健龍，涂攀峰，陳娜，等.茶樹與大豆間作效應分析[J].中國農業科學，2008，41（7）：2040-2047.

[17]于振國.低齡茶園間作花生[J].中國茶葉，1989，5：22.

[18]宋同清，王克林，彭晚霞，等.亞熱帶丘陵茶園間作白三葉草的生態效應[J].生態學報，2006，26（11）：13647-13655.

[19]沈程文，肖潤林，徐華勤，等.覆蓋與間作對亞熱帶丘陵區茶園土壤微生物量的影響[J].水土保持學報，2006，20（6）：141-144.

[20]彭晚霞，宋同清，鄒冬生，等.覆蓋與間作對亞熱帶丘陵茶園生態的綜合調控效果[J].中國農業科學，2008，41（8）：2370-2378.

[21]沈潔，董召榮，朱玉國，等.茶樹——苜蓿間作條件下主要生態因子特征研究[J].安徽農業大學學報，2005，32（4）：493-497.

[22]董召榮，沈潔，朱玉國，等.苜蓿生物覆蓋對幼齡茶園生理生態特征的影響[J].中國生態農業學報，2008，16（4）：853-857.

[23]Malik K A，Bilal R. Survival and colonization of inoculated bacteria in kallar grass rhizosphere and quantification of N2-fixation [A].In：Skinner F A.Nitrogen Fixation with Non-leguminous plants[C].The Netherlands：Kluwer Academic Publishers，1989，301-310.

[24]姚拓，蒲小鵬，張德罡，等.高寒地區燕麥根際聯合固氮菌研究Ⅲ固氮菌對燕麥生長的影響及其固氮量測定[J].草業學報，2004，13（5）：101-105.

[25]鮑士旦.土壤農化分析（第三版）[M].北京：中國農業出版社，2008，54-56.

[26]魯如坤.土壤農業化學分析法[M].北京：中國農業科技出版社，2000，133.

[27]林振武，孫惠珍，陳敬祥.硝酸還原酶活力的體外測定[J].植物生理學通訊，1985，3：33-35.

[28]王月福，于振文，李尚霞，等.小麥開花后不同器官中硝酸還原酶和谷氨酰胺合成酶的活性比較[J].植物生理學通訊，2003，39（3）：209-210.

[29]陸欣.土壤肥料學[M].北京：中國農業大學出版社，2002，188-193.

[30]吳炳華，吳洵，王曉萍.茶樹硝酸還原酶活性及其調控[J].中國茶葉，1994，2：16-17.