论文摘要
可溶性有机氮（SON）是土壤氮素中最活跃的组分之一,移动性强,可随水分运移而发生径流或淋溶损失,污染水体。由于受传统矿质营养理论的影响,关于生态系统N有效性和植物N营养的认识几乎完全建立在无机氮（NH4+-N、NO3--N）的基础上,而在很大程度上忽视了植物对SON的吸收及其在生态系统中的作用。为探讨植物氨基酸态氮营养机理及SON在农业生态系统中的行为和功能,本文以完全无菌水培、13C-15N双标记有机氮的土壤原位试验探讨不同番茄品种（申粉918、沪樱932）的氨基酸态氮营养效应,研究了NH4+-N、NO3--N和Gly-N对水培番茄幼苗生长、碳氮积累、根系分泌特性及氮代谢等的影响。运用土壤溶液超速离心技术研究不同土壤SON含量及特性;探讨通气培养条件下SON的动态变化,揭示土壤氮素的矿化特性;采用14C标记氨基酸、多肽的室内培养法系统研究氨基酸、多肽在土壤中的吸附、矿化、吸收动力学等动态生化特性。本文主要研究结果如下:1甘氨酸态氮对番茄幼苗生长、碳水化合物及碳氮积累的影响在NH4+-N、NO3--N和Gly-N存在的营养介质中,番茄幼苗在处理前期（如处理后8或16d）的株高、生物量、植株全碳积累量、总氮量等各处理差异不显著,而其后则表现为NO3--N>Gly-N>NH4+-N,处理间差异显著（p<0.05）。与NO3--N处理相比,Gly-N、NH4+-N处理均显著提高了叶片可溶性糖、叶片和根系游离氨基酸及各器官氮素含量,而降低了叶片淀粉含量和各器官氮素积累量。Gly-N处理显著提高了番茄根系可溶性糖、淀粉和叶绿素含量。番茄基因型差异是否表现与氮素形态有关,以植株根系干重为指标的基因型差异在供应NO3--N时不表现;在Gly-N处理下,沪樱932的生长显著优于申粉918。2甘氨酸态氮对番茄根系分泌物和木质部及韧皮部汁液组分的影响营养液中NH4+-N、NO3--N和Gly-N显著影响不同番茄品种根系分泌物、木质部和韧皮部汁液各组分含量。NO3--N处理的番茄根系分泌物、木质部和韧皮部汁液中的NO3--N和P含量最高,供Gly-N、NH4+-N其次,对照最低;而供Gly-N、NH4+-N时铵态氮、游离氨基酸、可溶性糖含量一般均高于处理NO3--N和对照。番茄根际吸收不同氮素对根际pH亦产生不同的影响,吸收NO3--N和Gly-N后,根际pH显著升高,而吸收NH+4-N后则降低。在供应NO3--N、NH4+-N和Gly-N及对照时,沪樱932的根系活力均显著大于申粉918（p<0.05）。3无菌水培条件下无机氮和氨基酸态氮对番茄幼苗生长和氮代谢的影响无菌水培条件下,与无氮处理相比,NH4+-N、NO3--N和Gly-N处理都显著提高了植株干物质和总吸氮量。Gly-N处理的番茄干物质重和吸氮量显著高于缺氮及NH4+-N处理;NH+4-N和Gly-N处理显著提高了地上部、根系FAA含量,而NO3--N处理对地上部、根系FAA含量无显著影响。可溶性蛋白含量则表现为:Gly-N >NH4+-N>NO3--N>CK处理。与无氮处理相比,各处理都显著降低了地上部和根部GS活性;而Gly-N处理显著促进了地上部、根系NADH-GDH、GOT和根系GPT活性,NO-3-N处理显著降低了地上部GPT活性。因此,番茄吸收甘氨酸后,能够通过转氨酶的作用,最终合成蛋白质,促进植株生长,氨基酸态氮（Gly-N）也可以成为番茄生长的良好氮源。4无菌水培条件下甘氨酸浓度对番茄幼苗生长和氮代谢的影响无菌水培条件下,番茄能够吸收各种浓度的Gly-N,且营养液中甘氨酸浓度（0-6.0 mM）与番茄植株干物重、总氮量等呈显著正相关（R2> 0.905**）。随营养液中甘氨酸浓度的增加,两个番茄品种的地上部和根系FAA、可溶性蛋白、地上部可溶性糖含量增加。与无氮对照处理相比,各处理都显著降低了地上部淀粉含量,营养液中甘氨酸浓度对根系淀粉含量无显著影响。甘氨酸态N浓度对氮代谢关键酶有不同的影响。随营养液中甘氨酸态N浓度的增加,两个番茄品种的地上部、根系NR、NADH-GDH、GPT和GOT活性均提高。被吸收的氨基酸可通过GOT和GPT转氨酶主要在根中进行同化,最终合成蛋白质,促进植株生长。5土壤微区培养条件下番茄幼苗对13C,15N-甘氨酸分子的吸收研究不同形态的15N注射48h后,相对于对照、15N-NH4Cl和15N-KNO3处理来说,供2-[13C], [15N]-glycine时,两个番茄品种的地上部、根系13C、15N原子超均显著提高,且根系13C原子超显著大于地上部。申粉918、沪樱932从土壤中吸收的氮分别有12.5%和21%是以完整的甘氨酸分子直接吸收的,番茄根系吸收甘氨酸态N的能力比土壤微生物弱。甘氨酸态N对沪樱932的氮营养贡献率显著大于申粉918（p<0.05）。6不同土壤SON的含量及特性供试土壤SON平均含量表现为灰壤土（62 mg kg-1）>腐殖黑钙土（29.1 mg kg-1）>有机土壤（15.8 mg kg-1）>常规土壤（12.9 mg kg-1）>转换期土壤（7.8 mg kg-1）。有机、转换期、常规土壤、灰壤土、腐殖黑钙土SON含量占TSN的比例分别为48.3%、21.9%、30.9%、93.7%、83.4%;而FAA含量分别占TSN的1.4%、2.6%、2.4%、1.1%、2.4%,占SON的2.9%、11.8%、7.8%、1.2%、2.8%。相关分析结果表明,TSN、SON以FAA与全氮、全氮、硝态氮、铵态氮等各养分之间均有极显著的相关性。用盐溶液提取的SON含量大约是水提取的SON或DON的3-6倍。7不同土壤中氨基酸、多肽的生物化学动态特性氨基酸、多肽在土壤中的吸附量表现为Val-Pro-Pro> Glu> Val> Glu-Phe。而不同土壤对氨基酸、多肽的吸附能力则为有机土壤>转化期土壤>常规土壤。氨基酸、多肽在土壤中的矿化周转速率迅速,Glu、Glu-Phe、Valine、Val-Pro-Pro在供试土壤中的半衰期(D50)分别为5.6±1.1、7.7±1.3、14.8±3.6和10.5±2.0 h。培养24h后,大约有近（76±3）%的氨基酸或多肽被微生物细胞利用,而仅（24±2）%的氨基酸或多肽以CO2的形式释放出来。外加Ala-Ala和NH4NO3等氮源能显著提高氨基酸、多肽在土壤中的矿化。氨基酸、多肽等SON在土壤中的矿化是一个完全依靠微生物参与的生物降解过程。8不同园艺生产系统土壤氮素的矿化特性随着通气培养过程的进行,不同园艺生产系统土壤NO3--N、SON的含量均明显增加, FAA含量呈先升高后下降的趋势。土壤矿化培养过程中生成一定数量的SON;在整个培养过程中,SON占TSN比例均大幅度下降。评价土壤氮素矿化特性时仅仅测定矿化的无机氮数量,可能会低估土壤氮素矿化潜力和氮素损失的数量和效应。施入土壤的14C-氨基酸、多肽在土壤中的矿化迅速,不同园艺生产系统土壤14C-氨基酸、多肽的矿化速度表现为:有机土壤>转化期土壤>常规土壤。在矿化过程中,影响SON含量的瓶颈不是微生物利用低分子量SON的速率,而是SON从生物体释放进入土壤的速率。9温度对土壤氨基酸、多肽的矿化及其吸收动力学的影响温度显著影响着氨基酸、多肽在土壤中的矿化及其吸收动力学特性。随着温度的升高,氨基酸和多肽在土壤中的矿化速度加快。在1、15和25°C下,三种供试土壤中Val的平均半衰期分别为28.4、17.9和10.1h;Glu则分别为21.6、10.7和8.1h;Val-Pro-Pro分别为13.1、10.6和8.6h;Glu-Phe分别为33.9、11.1和6.8h。氨基酸、多肽的吸收速率随着施入土壤的氨基酸和多肽浓度的增加而增加。氨基酸、多肽的动力学参数Vmax、Km、Vh值随温度的升高而增大。在0-2.5 mM浓度范围内,氨基酸的吸收动力学曲线遵循经典的米氏动力学曲线,而多肽的则表现为线性模式。三种不同园艺生产系统土壤的氨基酸、多肽的周转速率、吸收动力学参数（Vmax、Km和Vh）均表现为有机土壤>转化期土壤>常规土壤。综上所述,营养液中不同氮源（NO3--N、NH4+-N和Gly-N）对番茄幼苗的生长、根系分泌特性、碳水化合物及氮素积累等有不同的影响。番茄具有直接吸收利用氨基酸态氮的能力,其吸收Gly-N后,能够通过转氨酶的作用,最终合成蛋白质,促进植株生长,但氨基酸进入植物体内后,通过不同部位的不同转氨酶同化的能力可能不同。番茄体内的NADH-GDH活性的变化说明了番茄吸收甘氨酸后能为脱氨基作用提供碳骨架。这些可能是植物氨基酸态氮营养效应机理。SON在不同园艺生产系统土壤中的吸附、矿化及其吸收动力学等生物化学特性不同,但氨基酸、多肽等SON在土壤中的矿化周转速度表现为有机土壤>转化期土壤>常规土壤。氨基酸、多肽在土壤中的矿化周转速率迅速,在氮素矿化过程中,氨基酸态或多肽态SON转变为NH4+-N以及NH4+-N转变为NO3--N不会限制土壤N的矿化速率;影响SON含量的瓶颈不是微生物利用低分子量SON的速率,而是SON从生物体释放进入土壤的速率。本研究的这些发现,扩大和丰富了植物有机营养理论,为补充和完善现有的氮循环模型和理论提供了重要的科学依据。