林興軍等

摘 要 咖啡是一種對氮需求量高的作物，氮的吸收、同化對咖啡生長、發(fā)育和產(chǎn)量有重要的影響。進入植物體內的硝態(tài)氮只有在轉化為銨態(tài)氮后才能被植物直接利用，這一代謝過程受外界光照、樹齡、土壤pH值等因素的影響。綜述近些年來有關環(huán)境因素對咖啡硝態(tài)氮代謝方面影響的研究進展，并討論葉片和根系硝態(tài)氮代謝的差異以及根系硝態(tài)氮吸收的生理意義，為進一步開展咖啡施肥技術研究提供依據(jù)。

關鍵詞 咖啡 ；硝酸還原酶活性 ；氮肥 ；硝態(tài)氮代謝

分類號 S571.2

Abstract Coffee plants are highly N-demanding plants. Nitrogen assimilation is a vital process for plant growth， directly responsible for crop biomass production and grain yields. Within the plant， nitrate must be first reduced to ammonium before being assimilated into amino acids， the metabolism influenced by factors such as light， plant age， soil pH value.In this review， in order to provide the basis for the further study on the coffee fertilization technology， we summarize the influence of different factor on nitrate metabolism， and discuss the difference of nitrate metabolism between leaves and roots and the physiological significance of root nitrate assimilation.

Keywords Coffee ； NRA ； nitrogen fertilization ； nitrogen metabolism

咖啡（Coffea spp.）與可可、茶并稱為世界三大飲料，是熱帶最大宗的食品原料之一?？Х犬a(chǎn)地主要分布于赤道兩側至南北回歸線之間的熱帶地區(qū)，集中于美洲、非洲、亞洲等熱帶發(fā)展中國家，全球咖啡收獲面積達1 036.69萬hm2，年產(chǎn)量約800萬t，年消費量500多萬t。云南和海南為中國咖啡的主產(chǎn)地，2013年，其咖啡種植面積已經(jīng)突破9.5萬hm2，產(chǎn)量達8.8萬t，出口額約2億美元。咖啡產(chǎn)業(yè)已成為繼煙、糖、茶、膠之后的又一特色新興支柱產(chǎn)業(yè)。

自20世紀50年代初，咖啡就已被明確為對氮需求量高的作物。隨著樹齡的增加，對氮的需求量也隨之增加，特別是在咖啡樹開始結果的時候。咖啡農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)通常通過投入大量氮肥來提高產(chǎn)量，此措施在拉美尤其在哥斯達黎加非常普遍，這些地區(qū)每年平均每公頃施入300 kg 氮來提高咖啡產(chǎn)量。

近20年來，由于不合理施肥導致的環(huán)境污染問題越發(fā)嚴重，過量地吸收氮素也使人類的健康受到威脅。直到70年代初期，在農業(yè)生產(chǎn)上才開始提倡限制化肥施用量，并針對各個作物深入開展了提高氮肥利用率的研究。筆者總結了不同因素對硝態(tài)氮代謝的影響，分析葉片和根系硝態(tài)氮代謝的差異以及根系硝態(tài)氮吸收的生理意義，以期為咖啡施肥技術研究提供參考。

1 研究咖啡硝態(tài)氮代謝的意義

氮的吸收、同化對植物生長至關重要，是決定作物生長、發(fā)育、產(chǎn)量和品質最關鍵的元素。硝態(tài)氮是植物最重要的氮素來源，也是田間條件下大多數(shù)栽培植物主要的無機氮化合物來源，對植物生長發(fā)育極為重要[1]。Marschner[2]認為，植物氮素營養(yǎng)中硝態(tài)氮的還原和同化與光合作用中二氧化碳的還原和同化對植物生長發(fā)育具有同樣重要性。

植物體內硝態(tài)氮含量的高低取決于植物對硝酸鹽吸收能力和還原能力的大小。在植物體內，硝態(tài)氮被同化為氨基酸之前必須先還原成銨。硝態(tài)氮被植物吸收后，在細胞質中被硝酸還原酶（NR）還原成亞硝酸鹽，隨后亞硝酸鹽在質體中被亞硝酸鹽還原酶還原成銨，然后銨再合成氨基酸。NR被認為是硝酸鹽同化的限速酶，可以作為估算植物根和莖吸收外部氮能力的指標。實際上，這種酶被認為是植物生長、發(fā)育和蛋白質合成的一個主要限制因素，因此，硝態(tài)氮吸收的調控一直是研究工作的焦點，旨在通過干涉限制生長的過程[3]來提高其效率，從而提高農業(yè)生產(chǎn)力。

一般認為，在旱作條件下，施入土壤中的銨態(tài)氮經(jīng)硝化作用很快轉化為硝態(tài)氮。由于硝態(tài)氮的還原同化是個高能量消耗的過程，因此這個過程主要發(fā)生在葉片中，因為還原所需的能量ATP和NADPH等在葉片中合成[4]。氮的同化吸收直接或間接受植物硝態(tài)氮還原能力的調控，而植物硝態(tài)氮的還原能力又受植物代謝水平所控制。由于可利用氮特別是土壤中的硝態(tài)氮可作為主要氮源調控植物代謝[4]，因此影響咖啡硝態(tài)氮吸收的因素都會顯著影響作物生長。光照、溫度、水分和植物自身性狀如樹齡、發(fā)育階段、不同部位等都會對植株硝態(tài)氮的吸收產(chǎn)生影響。

海南是中國咖啡的主要產(chǎn)區(qū)之一，尿素是咖啡最常用、最主要的氮素肥料之一。由于海南咖啡主要種植在酸性強、陽離子交換量低的磚紅壤上，尿素很容易硝化為硝態(tài)氮，同時由于海南地處熱帶北緣，溫度高，雨量大而集中，造成土壤持水保肥性能較差，硝態(tài)氮等營養(yǎng)元素易遭淋失，造成肥料利用率低。因此，研究不同因素對咖啡氮代謝尤其對硝態(tài)氮代謝的影響具有重要意義，這對提高咖啡肥料利用率及指導咖啡施肥等具有重要意義。

2 不同因素對咖啡硝態(tài)氮吸收的影響

2.1 光照對硝態(tài)氮吸收的影響

一般認為，光照顯著影響植物對硝態(tài)氮的吸收。光主要是通過影響植物對硝酸鹽的吸收、同化以及硝酸鹽在植物體內的轉運從而影響植物體內的硝酸鹽類代謝。強光下植株具有較高的呼吸速率、較大的光合潛力和光合速率，物質生產(chǎn)能力較高，光合產(chǎn)物能更多地分配到根系之中，從而有利于維持根系活力，促進其對硝態(tài)氮的吸收與利用[5]；弱光下，根系活性降低，根系變短，吸收能力下降，硝態(tài)氮吸收量減少[6]。而在蔬菜上的研究結果表明，在低光照強度下，光合強度低，不能提供足夠的有機化合物和硝酸鹽還原所需的能量，硝態(tài)氮會在液泡中大量累積，替代碳水化合物和有機酸作為滲透調節(jié)物質，從而維持正常的細胞滲透壓[7]。

最近的研究表明，生長在不同光照強度下的咖啡葉片內硝酸還原酶活性（NRA）與碳同化呈正相關關系（r=0.78，p<0.01）[8-9]。在重度蔭蔽的條件下，碳和氮同化均受到抑制；而在適度蔭蔽條件下[大約800 μmol/（m2·s）]，氮和碳同化都能獲得最大值[10]。這些研究結果表明，在咖啡葉片中，氮和碳的同化是高度協(xié)調的[11]。相比之下，在光合反應過程受到抑制的條件下，葉片硝態(tài)氮的吸收受到抑制，而根系表現(xiàn)出更高的NRA，能夠吸收更多的硝態(tài)氮，用于補償葉片中NRA的降低，從而滿足咖啡生長的需要。

光是參與NR調控最重要的環(huán)境因素之一[12]。在蛋白質水平上，光刺激NR從頭合成及其活化[13]。像許多其他的酶一樣，已經(jīng)開展了很多關于NRA晝夜節(jié)律方面的研究，結果表明硝酸還原酶含量在光周期內增加，大約在中午達到高峰，并在暗周期內下降。在咖啡上的研究發(fā)現(xiàn)，光誘導咖啡新葉中NRA的增加，于光照周期開始后2～6 h達到最高值，隨后遞減，直到黑暗階段結束[14]。

咖啡除了具有適應不同光照強度的能力，而且還保留耐蔭性的遺傳特性。50%全光照強度條件下生長的咖啡葉片NRA比全光照條件下的高[8]。盡管如此，光對咖啡硝態(tài)氮吸收的生理和生化作用機制仍不十分清楚，需作進一步研究。

2.2 樹齡對硝態(tài)氮吸收的影響

Kenis等[12]認為，隨著樹齡的增加葉片和根系還原氮的能力減弱。像其他植物一樣，在初生葉片展開期間咖啡葉片中的NRA低，在新展開葉期間達到最高，隨著葉片的衰老，葉片NRA降低[9，11，14]。然而，咖啡葉片中NRA隨著樹齡增加而減少的現(xiàn)象在一年生作物中表現(xiàn)不明顯，因為在一年生作物老葉中NRA非常低。在常綠多年生幼齡咖啡樹中，老葉中的NRA保持在新展開葉值的70%左右，此后一直保持這一水平[9，11]。

在咖啡幼苗營養(yǎng)生長發(fā)育的前6個月中，不同葉片中NRA的分配具有同步性。首先隨著每對新葉片的產(chǎn)生NRA增加，隨后當葉片成熟時NRA達到最高。盡管NRA在葉片發(fā)育過程中發(fā)生變化，但莖中NRA幾乎保持不變[9]。

隨著葉片的衰老NRA降低，這與組織合成蛋白的能力相一致。在谷物中發(fā)現(xiàn)，老葉片NRA低主要是由于NR蛋白水平低[12]，這表明隨著樹齡的增加，老葉NR-mRNA豐度降低；另一方面，NR合成主要依靠光合作用，表明老葉NRA降低可能是與其光合能力降低有關?？Х戎仓暌才c其類似，即隨著樹齡的增加，NRA和光合作用的相關性非常明顯[11]。

咖啡根系通常表現(xiàn)出跟葉片類似的情況。部分幼齡根系還原氮的效率比成熟組織更高[15]，并且不依賴組織中的碳水化合物和硝態(tài)氮水平[15]及植株發(fā)育階段。同一株咖啡不同根系中NRA也不同，細根NRA比側根高，側根NRA比纏繞的根高[9]。

2.3 不同生育階段對硝態(tài)氮吸收的影響

在不同生育階段中，咖啡通常表現(xiàn)出不同的硝態(tài)氮吸收和同化能力[16]，這跟花和果實發(fā)育的幾個階段有關。在哥斯達黎加的試驗發(fā)現(xiàn)，營養(yǎng)液中生長的成熟咖啡植株在開花前和果實開始成熟時硝態(tài)氮吸收速率更高；與此類似，在巴西的試驗發(fā)現(xiàn)，自然光照和溫度條件下，給予連續(xù)氮供應的營養(yǎng)液中生長的咖啡樹葉片NRA在開花前和果實發(fā)育末期活性更高[16]。這表明在咖啡的不同生育階段，氮吸收量的多少是成齡咖啡樹在生長年周期中調控葉片NRA的一個重要因素，與季節(jié)性環(huán)境條件變化無關[16]。

咖啡植株葉片NRA高的2個生育階段為咖啡代謝旺盛和庫（花和果實）對營養(yǎng)需求量高的階段。第一個生育階段是花發(fā)育后期，此時花蕾迅速擴展，表現(xiàn)出對干物質的強烈需求，需要從最近的光合葉快速轉運代謝物[16]。第二個階段是種子發(fā)育末期，此時種子胚乳正在形成，成為一個大量吸收碳水化合物和礦物質的庫，以此類似，結果咖啡樹（或枝條）表現(xiàn)出比未開花的咖啡樹具有更高的葉片NRA[16-17]。葉片硝態(tài)氮濃度變化表現(xiàn)出與NRA相同的趨勢，這表明養(yǎng)分優(yōu)先流向需求高的枝條[16]?？Х裙麑嵲谘杆侔l(fā)育階段可以吸收葉片和莖儲存氮總量的95%以上，常引起葉片氮缺乏癥狀，從而抑制咖啡營養(yǎng)生長[17]。有研究表明，結果咖啡樹的光合速率比未結果的高；另一方面，根系NRA活性顯然不受結果的影響。盡管咖啡根系硝態(tài)氮含量比葉片高，但其NRA比葉片低很多，并且不受結果影響。

2.4 其他環(huán)境因素對硝態(tài)氮吸收的影響

在不同生育階段，環(huán)境條件的變化也對咖啡植株吸收硝態(tài)氮的能力產(chǎn)生影響。在哥斯達黎加，咖啡葉片NRA的季節(jié)性變化與降水狀況、土壤和植株水分含量等有關，在干旱季節(jié)，咖啡葉片NRA較高，此時咖啡處于開花和成熟階段。相比之下，在巴西發(fā)現(xiàn)，在溫暖和濕潤的季節(jié)，咖啡葉片中的NRA和硝態(tài)氮濃度更高，此時處于高溫和高蒸發(fā)量時期。這樣的環(huán)境條件導致流入咖啡植株的水量增加，因此增加硝態(tài)氮向葉片的流入量，最終提高NRA[17]。

在夏季，即使咖啡生長在水分可利用性高的環(huán)境中也可能表現(xiàn)出植株內部水分運動阻力增加，出現(xiàn)葉片萎焉現(xiàn)象，除了耐高溫和耐輻射的品種[16]。事實上，大多數(shù)種植于巴西的咖啡品種是在全光照和寬行種植條件下通過遺傳育種方法獲得，當水分可利用性不受限制時，即使在高輻射和高溫條件下也能保持較高的氣孔導度和蒸騰速率[9]。另外，在哥斯達黎加和巴西的傳統(tǒng)咖啡種植區(qū)域，高溫（34℃）并沒有表現(xiàn)出對葉片和根系NRA季節(jié)性變化的影響[16-17]；另一方面，在咖啡發(fā)育年周期中，特定時間的低溫似乎會嚴重影響葉片硝態(tài)氮的吸收。在巴西的冬季上午09：00，溫度在15℃左右時（5～9月），無論是否施氮肥，葉片NRA均表現(xiàn)為無，而此時根系則通過施氮肥來保持NRA[17]。

3 咖啡葉片和根系中硝酸還原酶分配

硝態(tài)氮在植物體內很容易運輸，可以被葉片和根系所吸收。根系和莖葉中硝態(tài)氮還原酶的分配因植物種類、樹齡和環(huán)境因素的不同而不同。在大多數(shù)草本植物中，硝酸還原反應主要發(fā)生在葉片中[4]。而通過研究木質部汁液滲出物硝態(tài)氮的濃度和體內、體外NRA表明，木本植物硝態(tài)氮還原反應主要在根系中進行[18]。

咖啡植物的葉片和根系中均表現(xiàn)出很高的吸收硝態(tài)氮的潛力。然而，在這個問題上，還有很多不一致的結論，一些研究表明葉片表現(xiàn)出更高的NRA[17]，而另有研究表明根系表現(xiàn)出更高的NRA[15，19]。

通常認為根系和莖中硝酸還原酶的分配主要依賴于根系將氮輸出到莖的能力[20]。在可利用硝態(tài)氮含量高的條件下，幼齡咖啡樹的根系表現(xiàn)出高的向莖葉輸出氮的能力。用霍格蘭營養(yǎng)液培養(yǎng)的咖啡幼苗中，硝態(tài)氮為木質部汁液中最豐富的氮形式，占汁液總氮含量的51.9%，而氨基酸和酰脲分別占41.2%和6.6%。因此，咖啡植株具有很高的在葉片和根系中分配所吸收的硝態(tài)氮的能力和NRA[9]。在這個意義上，咖啡樹不同于其他木本植物的主要特征是：硝態(tài)氮流入葉片可能是限制葉片NRA的主要因素[20]。

根系和莖葉硝酸還原酶的平衡在各個物種中不是永恒不變的，在植物不同生長條件和發(fā)育階段中可能發(fā)生變化[1]。事實上，在咖啡植株整個發(fā)育階段，葉片NRA平均值高于根系中的，葉片與根系中NRA的比值在0.8～2.1[9]，通過研究發(fā)現(xiàn)，該比值的變化既與外部硝態(tài)氮的有效性無關，也與植株發(fā)育階段無關，而是取決于太陽輻射強度[9]，這與其他作物一致[1]。在低輻射強度下[290 μmol/（m2·s）]，根系NRA高于葉片；中等輻射強度下[720 μmol/（m2·s）]，葉片NRA高于根系；而在高輻射強度下[1 540 μmol/（m2·s）]，葉片和根系NRA相差不大。這些研究結果可以解釋NRA在咖啡植株中分配差異的原因。在此種意義上，當試驗在低太陽輻射強度下開展時，根系可以獲得比葉片更高的NRA[9，15，19]，反之亦然[1，17]。

莖葉和根系對整個植株硝酸還原的貢獻取決于每個器官的相對大小和隨著每個特定器官年齡而發(fā)生的變化?？紤]到這些因素，Queiroz等[15]估計生長在低于85 μmol/（m2·s）的輻射水平下的幼齡咖啡樹，其葉片和根系對整個植株硝酸還原的貢獻率分別為43%和52%。另一方面，研究表明在適度蔭蔽水平下，葉片是幼齡咖啡樹硝態(tài)氮同化的主要部位，其對整個植株的硝態(tài)氮同化貢獻率達69.7%[9]。而且在重度蔭蔽條件下，根系NRA比葉片NRA高39%，莖葉貢獻率也同樣高，因為幼齡咖啡樹葉片鮮重比根系高2.2倍[9]。因此，當咖啡生長在充足的太陽輻射條件下時，葉片可能是硝態(tài)氮同化的主要部位。

4 咖啡根系硝態(tài)氮吸收的生理意義

在咖啡植株上，當碳水化合物可利用性成為限制因素時，莖與根系競爭光合產(chǎn)物，根首先降低生長，為新陳代謝提供少量能量[21]。營養(yǎng)器官如根系硝態(tài)氮的吸收所需要的代謝能和碳骨架由從莖開始運輸?shù)奶翘峁?。在咖啡植株里，當莖被環(huán)割或切除，根系NRA降低，糖含量（主要是蔗糖）迅速減少；此外，硝態(tài)氮的吸收可能受咖啡根系糖含量的限制。這表明咖啡植株根系硝態(tài)氮的吸收主要依賴于光合產(chǎn)物的連續(xù)供應，但根系糖儲量只能短時間內維持硝酸的還原和硝態(tài)氮的主動吸收[21]。

硝態(tài)氮誘導NRA增加，同時耗盡根系用來維持硝態(tài)氮吸收的糖[19]。在咖啡植株中，根系的生長和硝態(tài)氮的吸收都需要消耗碳水化合物[19]，增加外部硝態(tài)氮濃度，所誘導的根系NRA增加量顯著大于葉片中[19]，因此，導致根系大量消耗碳水化合物。由此可見，增加幼齡咖啡樹硝態(tài)氮有效性會導致莖與根中生物量的比值提高[19]。

早期的研究表明，在咖啡葉片中，用于硝酸還原作用和隨后的銨態(tài)氮同化成戊二酸所需的還原劑及ATP直接由光合作用產(chǎn)生[22]。當根系開始吸收硝態(tài)氮時，大量的光合產(chǎn)物必須運輸?shù)礁颠M行氧化，從而提供所需的還原劑、能量和碳骨架。因此，如果咖啡植株中天冬酰胺酸和尿囊素（或尿囊酸）等化合物是有機氮轉移到葉片中的主要形式，那么葉片吸收硝態(tài)氮所消耗的能量將大量增加。為了使這些化合物中的氮可用于合成氨基酸，首先必須使其異化，分解出銨態(tài)氮，這樣才能重新被葉片吸收。

因此，考慮根系對硝態(tài)氮吸收的影響對咖啡生產(chǎn)和施肥有重要的指導意義。例如在巴西，咖啡通常被種植在全光照條件下，而幼苗是在蔭蔽的苗圃中繁育的。這是因為根系硝態(tài)氮的吸收需要消耗更多的能量，硝態(tài)氮有效性高[19]和環(huán)境較為蔭蔽[9]的苗圃條件有助于根系硝態(tài)氮的吸收，這使得幼苗長得更高。當幼苗被移栽到田間時，幼苗將暴露在高溫高光照環(huán)境下，這樣會增加莖葉與根中生物量的比值，從而不利于幼苗的生長。在這種情況下，相對細小的根將不能給植物提供足夠的水分和養(yǎng)分以維持葉片細胞膨壓和活力，因此將幼苗移栽到大田也需要提供一定的蔭蔽條件。另一方面，適當?shù)牡蕦γ缙詠碚f尤其重要，因為氮肥是對移栽到大田的幼苗忍耐和抵抗光抑制有所影響的一個至關重要的因素。

5 展望

氮素營養(yǎng)在植物生命活動中發(fā)揮著重要的作用，硝態(tài)氮又是植物氮素的主要來源?；谄鋵χ参锷顒拥闹匾裕祟悘奈唇K止過對其的研究，到目前為止，關于硝態(tài)氮在植物體內代謝過程的機制問題已研究得較為透徹，在硝態(tài)氮代謝中人類比較關心的問題是相關因子對硝態(tài)氮代謝的影響，如光照、溫度和硝態(tài)氮有效性等。尿素，硫酸銨等肥料被施入土壤后會發(fā)生硝化反應，隨著近幾年咖啡施肥量的增加，其對咖啡產(chǎn)量和品質的影響也越來越顯著，因此，不僅要研究硝態(tài)氮在咖啡植株中的代謝，也要研究硝態(tài)氮在土壤中的代謝。目前對植物硝態(tài)氮代謝的研究正在逐步深入，所獲得的理論成果已被廣泛應用于生產(chǎn)實踐，并取得了較好的成績。但該領域還存在許多理論上的空白點，尚需深入探討。

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