论文部分内容阅读
摘 要 咖啡是一种对氮需求量高的作物，氮的吸收、同化对咖啡生长、发育和产量有重要的影响。进入植物体内的硝态氮只有在转化为铵态氮后才能被植物直接利用，这一代谢过程受外界光照、树龄、土壤pH值等因素的影响。综述近些年来有关环境因素对咖啡硝态氮代谢方面影响的研究进展，并讨论叶片和根系硝态氮代谢的差异以及根系硝态氮吸收的生理意义，为进一步开展咖啡施肥技术研究提供依据。
关键词 咖啡 ；硝酸还原酶活性 ；氮肥 ；硝态氮代谢
分类号 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.）与可可、茶并称为世界三大饮料，是热带最大宗的食品原料之一。咖啡产地主要分布于赤道两侧至南北回归线之间的热带地区，集中于美洲、非洲、亚洲等热带发展中国家，全球咖啡收获面积达1 036.69万hm2，年产量约800万t，年消费量500多万t。云南和海南为中国咖啡的主产地，2013年，其咖啡种植面积已经突破9.5万hm2，产量达8.8万t，出口额约2亿美元。咖啡产业已成为继烟、糖、茶、胶之后的又一特色新兴支柱产业。
自20世纪50年代初，咖啡就已被明确为对氮需求量高的作物。随着树龄的增加，对氮的需求量也随之增加，特别是在咖啡树开始结果的时候。咖啡农业生态系统通常通过投入大量氮肥来提高产量，此措施在拉美尤其在哥斯达黎加非常普遍，这些地区每年平均每公顷施入300 kg 氮来提高咖啡产量。
近20年来，由于不合理施肥导致的环境污染问题越发严重，过量地吸收氮素也使人类的健康受到威胁。直到70年代初期，在农业生产上才开始提倡限制化肥施用量，并针对各个作物深入开展了提高氮肥利用率的研究。笔者总结了不同因素对硝态氮代谢的影响，分析叶片和根系硝态氮代谢的差异以及根系硝态氮吸收的生理意义，以期为咖啡施肥技术研究提供参考。
1 研究咖啡硝态氮代谢的意义
氮的吸收、同化对植物生长至关重要，是决定作物生长、发育、产量和品质最关键的元素。硝态氮是植物最重要的氮素来源，也是田间条件下大多数栽培植物主要的无机氮化合物来源，对植物生长发育极为重要[1]。Marschner[2]认为，植物氮素营养中硝态氮的还原和同化与光合作用中二氧化碳的还原和同化对植物生长发育具有同样重要性。
植物体内硝态氮含量的高低取决于植物对硝酸盐吸收能力和还原能力的大小。在植物体内，硝态氮被同化为氨基酸之前必须先还原成铵。硝态氮被植物吸收后，在细胞质中被硝酸还原酶（NR）还原成亚硝酸盐，随后亚硝酸盐在质体中被亚硝酸盐还原酶还原成铵，然后铵再合成氨基酸。NR被认为是硝酸盐同化的限速酶，可以作为估算植物根和茎吸收外部氮能力的指标。实际上，这种酶被认为是植物生长、发育和蛋白质合成的一个主要限制因素，因此，硝态氮吸收的调控一直是研究工作的焦点，旨在通过干涉限制生长的过程[3]来提高其效率，从而提高农业生产力。
一般认为，在旱作条件下，施入土壤中的铵态氮经硝化作用很快转化为硝态氮。由于硝态氮的还原同化是个高能量消耗的过程，因此这个过程主要发生在叶片中，因为还原所需的能量ATP和NADPH等在叶片中合成[4]。氮的同化吸收直接或间接受植物硝态氮还原能力的调控，而植物硝态氮的还原能力又受植物代谢水平所控制。由于可利用氮特别是土壤中的硝态氮可作为主要氮源调控植物代谢[4]，因此影响咖啡硝态氮吸收的因素都会显著影响作物生长。光照、温度、水分和植物自身性状如树龄、发育阶段、不同部位等都会对植株硝态氮的吸收产生影响。
海南是中国咖啡的主要产区之一，尿素是咖啡最常用、最主要的氮素肥料之一。由于海南咖啡主要种植在酸性强、阳离子交换量低的砖红壤上，尿素很容易硝化为硝态氮，同时由于海南地处热带北缘，温度高，雨量大而集中，造成土壤持水保肥性能较差，硝态氮等营养元素易遭淋失，造成肥料利用率低。因此，研究不同因素对咖啡氮代谢尤其对硝态氮代谢的影响具有重要意义，这对提高咖啡肥料利用率及指导咖啡施肥等具有重要意义。
2 不同因素对咖啡硝态氮吸收的影响
2.1 光照对硝态氮吸收的影响 一般认为，光照显著影响植物对硝态氮的吸收。光主要是通过影响植物对硝酸盐的吸收、同化以及硝酸盐在植物体内的转运从而影响植物体内的硝酸盐类代谢。强光下植株具有较高的呼吸速率、较大的光合潜力和光合速率，物质生产能力较高，光合产物能更多地分配到根系之中，从而有利于维持根系活力，促进其对硝态氮的吸收与利用[5]；弱光下，根系活性降低，根系变短，吸收能力下降，硝态氮吸收量减少[6]。而在蔬菜上的研究结果表明，在低光照强度下，光合强度低，不能提供足够的有机化合物和硝酸盐还原所需的能量，硝态氮会在液泡中大量累积，替代碳水化合物和有机酸作为渗透调节物质，从而维持正常的细胞渗透压[7]。
最近的研究表明，生长在不同光照强度下的咖啡叶片内硝酸还原酶活性（NRA）与碳同化呈正相关关系（r=0.78，p<0.01）[8-9]。在重度荫蔽的条件下，碳和氮同化均受到抑制；而在适度荫蔽条件下[大约800 μmol/（m2·s）]，氮和碳同化都能获得最大值[10]。这些研究结果表明，在咖啡叶片中，氮和碳的同化是高度协调的[11]。相比之下，在光合反应过程受到抑制的条件下，叶片硝态氮的吸收受到抑制，而根系表现出更高的NRA，能够吸收更多的硝态氮，用于补偿叶片中NRA的降低，从而满足咖啡生长的需要。
光是参与NR调控最重要的环境因素之一[12]。在蛋白质水平上，光刺激NR从头合成及其活化[13]。像许多其他的酶一样，已经开展了很多关于NRA昼夜节律方面的研究，结果表明硝酸还原酶含量在光周期内增加，大约在中午达到高峰，并在暗周期内下降。在咖啡上的研究发现，光诱导咖啡新叶中NRA的增加，于光照周期开始后2～6 h达到最高值，随后递减，直到黑暗阶段结束[14]。
咖啡除了具有适应不同光照强度的能力，而且还保留耐荫性的遗传特性。50%全光照强度条件下生长的咖啡叶片NRA比全光照条件下的高[8]。尽管如此，光对咖啡硝态氮吸收的生理和生化作用机制仍不十分清楚，需作进一步研究。
2.2 树龄对硝态氮吸收的影响
Kenis等[12]认为，随着树龄的增加叶片和根系还原氮的能力减弱。像其他植物一样，在初生叶片展开期间咖啡叶片中的NRA低，在新展开叶期间达到最高，随着叶片的衰老，叶片NRA降低[9，11，14]。然而，咖啡叶片中NRA随着树龄增加而减少的现象在一年生作物中表现不明显，因为在一年生作物老叶中NRA非常低。在常绿多年生幼龄咖啡树中，老叶中的NRA保持在新展开叶值的70%左右，此后一直保持这一水平[9，11]。
在咖啡幼苗营养生长发育的前6个月中，不同叶片中NRA的分配具有同步性。首先随着每对新叶片的产生NRA增加，随后当叶片成熟时NRA达到最高。尽管NRA在叶片发育过程中发生变化，但茎中NRA几乎保持不变[9]。
随着叶片的衰老NRA降低，这与组织合成蛋白的能力相一致。在谷物中发现，老叶片NRA低主要是由于NR蛋白水平低[12]，这表明随着树龄的增加，老叶NR-mRNA丰度降低；另一方面，NR合成主要依靠光合作用，表明老叶NRA降低可能是与其光合能力降低有关。咖啡植株也与其类似，即随着树龄的增加，NRA和光合作用的相关性非常明显[11]。
咖啡根系通常表现出跟叶片类似的情况。部分幼龄根系还原氮的效率比成熟组织更高[15]，并且不依赖组织中的碳水化合物和硝态氮水平[15]及植株发育阶段。同一株咖啡不同根系中NRA也不同，细根NRA比侧根高，侧根NRA比缠绕的根高[9]。
2.3 不同生育阶段对硝态氮吸收的影响
在不同生育阶段中，咖啡通常表现出不同的硝态氮吸收和同化能力[16]，这跟花和果实发育的几个阶段有关。在哥斯达黎加的试验发现，营养液中生长的成熟咖啡植株在开花前和果实开始成熟时硝态氮吸收速率更高；与此类似，在巴西的试验发现，自然光照和温度条件下，给予连续氮供应的营养液中生长的咖啡树叶片NRA在开花前和果实发育末期活性更高[16]。这表明在咖啡的不同生育阶段，氮吸收量的多少是成龄咖啡树在生长年周期中调控叶片NRA的一个重要因素，与季节性环境条件变化无关[16]。
咖啡植株叶片NRA高的2个生育阶段为咖啡代谢旺盛和库（花和果实）对营养需求量高的阶段。第一个生育阶段是花发育后期，此时花蕾迅速扩展，表现出对干物质的强烈需求，需要从最近的光合叶快速转运代谢物[16]。第二个阶段是种子发育末期，此时种子胚乳正在形成，成为一个大量吸收碳水化合物和矿物质的库，以此类似，结果咖啡树（或枝条）表现出比未开花的咖啡树具有更高的叶片NRA[16-17]。叶片硝态氮浓度变化表现出与NRA相同的趋势，这表明养分优先流向需求高的枝条[16]。咖啡果实在迅速发育阶段可以吸收叶片和茎储存氮总量的95%以上，常引起叶片氮缺乏症状，从而抑制咖啡营养生长[17]。有研究表明，结果咖啡树的光合速率比未结果的高；另一方面，根系NRA活性显然不受结果的影响。尽管咖啡根系硝态氮含量比叶片高，但其NRA比叶片低很多，并且不受结果影响。
2.4 其他环境因素对硝态氮吸收的影响
在不同生育阶段，环境条件的变化也对咖啡植株吸收硝态氮的能力产生影响。在哥斯达黎加，咖啡叶片NRA的季节性变化与降水状况、土壤和植株水分含量等有关，在干旱季节，咖啡叶片NRA较高，此时咖啡处于开花和成熟阶段。相比之下，在巴西发现，在温暖和湿润的季节，咖啡叶片中的NRA和硝态氮浓度更高，此时处于高温和高蒸发量时期。这样的环境条件导致流入咖啡植株的水量增加，因此增加硝态氮向叶片的流入量，最终提高NRA[17]。
在夏季，即使咖啡生长在水分可利用性高的环境中也可能表现出植株内部水分运动阻力增加，出现叶片萎焉现象，除了耐高温和耐辐射的品种[16]。事实上，大多数种植于巴西的咖啡品种是在全光照和宽行种植条件下通过遗传育种方法获得，当水分可利用性不受限制时，即使在高辐射和高温条件下也能保持较高的气孔导度和蒸腾速率[9]。另外，在哥斯达黎加和巴西的传统咖啡种植区域，高温（34℃）并没有表现出对叶片和根系NRA季节性变化的影响[16-17]；另一方面，在咖啡发育年周期中，特定时间的低温似乎会严重影响叶片硝态氮的吸收。在巴西的冬季上午09：00，温度在15℃左右时（5～9月），无论是否施氮肥，叶片NRA均表现为无，而此时根系则通过施氮肥来保持NRA[17]。 3 咖啡叶片和根系中硝酸还原酶分配
硝态氮在植物体内很容易运输，可以被叶片和根系所吸收。根系和茎叶中硝态氮还原酶的分配因植物种类、树龄和环境因素的不同而不同。在大多数草本植物中，硝酸还原反应主要发生在叶片中[4]。而通过研究木质部汁液渗出物硝态氮的浓度和体内、体外NRA表明，木本植物硝态氮还原反应主要在根系中进行[18]。
咖啡植物的叶片和根系中均表现出很高的吸收硝态氮的潜力。然而，在这个问题上，还有很多不一致的结论，一些研究表明叶片表现出更高的NRA[17]，而另有研究表明根系表现出更高的NRA[15，19]。
通常认为根系和茎中硝酸还原酶的分配主要依赖于根系将氮输出到茎的能力[20]。在可利用硝态氮含量高的条件下，幼龄咖啡树的根系表现出高的向茎叶输出氮的能力。用霍格兰营养液培养的咖啡幼苗中，硝态氮为木质部汁液中最丰富的氮形式，占汁液总氮含量的51.9%，而氨基酸和酰脲分别占41.2%和6.6%。因此，咖啡植株具有很高的在叶片和根系中分配所吸收的硝态氮的能力和NRA[9]。在这个意义上，咖啡树不同于其他木本植物的主要特征是：硝态氮流入叶片可能是限制叶片NRA的主要因素[20]。
根系和茎叶硝酸还原酶的平衡在各个物种中不是永恒不变的，在植物不同生长条件和发育阶段中可能发生变化[1]。事实上，在咖啡植株整个发育阶段，叶片NRA平均值高于根系中的，叶片与根系中NRA的比值在0.8～2.1[9]，通过研究发现，该比值的变化既与外部硝态氮的有效性无关，也与植株发育阶段无关，而是取决于太阳辐射强度[9]，这与其他作物一致[1]。在低辐射强度下[290 μmol/（m2·s）]，根系NRA高于叶片；中等辐射强度下[720 μmol/（m2·s）]，叶片NRA高于根系；而在高辐射强度下[1 540 μmol/（m2·s）]，叶片和根系NRA相差不大。这些研究结果可以解释NRA在咖啡植株中分配差异的原因。在此种意义上，当试验在低太阳辐射强度下开展时，根系可以获得比叶片更高的NRA[9，15，19]，反之亦然[1，17]。
茎叶和根系对整个植株硝酸还原的贡献取决于每个器官的相对大小和随着每个特定器官年龄而发生的变化。考虑到这些因素，Queiroz等[15]估计生长在低于85 μmol/（m2·s）的辐射水平下的幼龄咖啡树，其叶片和根系对整个植株硝酸还原的贡献率分别为43%和52%。另一方面，研究表明在适度荫蔽水平下，叶片是幼龄咖啡树硝态氮同化的主要部位，其对整个植株的硝态氮同化贡献率达69.7%[9]。而且在重度荫蔽条件下，根系NRA比叶片NRA高39%，茎叶贡献率也同样高，因为幼龄咖啡树叶片鲜重比根系高2.2倍[9]。因此，当咖啡生长在充足的太阳辐射条件下时，叶片可能是硝态氮同化的主要部位。
4 咖啡根系硝态氮吸收的生理意义
在咖啡植株上，当碳水化合物可利用性成为限制因素时，茎与根系竞争光合产物，根首先降低生长，为新陈代谢提供少量能量[21]。营养器官如根系硝态氮的吸收所需要的代谢能和碳骨架由从茎开始运输的糖提供。在咖啡植株里，当茎被环割或切除，根系NRA降低，糖含量（主要是蔗糖）迅速减少；此外，硝态氮的吸收可能受咖啡根系糖含量的限制。这表明咖啡植株根系硝态氮的吸收主要依赖于光合产物的连续供应，但根系糖储量只能短时间内维持硝酸的还原和硝态氮的主动吸收[21]。
硝态氮诱导NRA增加，同时耗尽根系用来维持硝态氮吸收的糖[19]。在咖啡植株中，根系的生长和硝态氮的吸收都需要消耗碳水化合物[19]，增加外部硝态氮浓度，所诱导的根系NRA增加量显著大于叶片中[19]，因此，导致根系大量消耗碳水化合物。由此可见，增加幼龄咖啡树硝态氮有效性会导致茎与根中生物量的比值提高[19]。
早期的研究表明，在咖啡叶片中，用于硝酸还原作用和随后的铵态氮同化成戊二酸所需的还原剂及ATP直接由光合作用产生[22]。当根系开始吸收硝态氮时，大量的光合产物必须运输到根系进行氧化，从而提供所需的还原剂、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）等化合物是有机氮转移到叶片中的主要形式，那么叶片吸收硝态氮所消耗的能量将大量增加。为了使这些化合物中的氮可用于合成氨基酸，首先必须使其异化，分解出铵态氮，这样才能重新被叶片吸收。
因此，考虑根系对硝态氮吸收的影响对咖啡生产和施肥有重要的指导意义。例如在巴西，咖啡通常被种植在全光照条件下，而幼苗是在荫蔽的苗圃中繁育的。这是因为根系硝态氮的吸收需要消耗更多的能量，硝态氮有效性高[19]和环境较为荫蔽[9]的苗圃条件有助于根系硝态氮的吸收，这使得幼苗长得更高。当幼苗被移栽到田间时，幼苗将暴露在高温高光照环境下，这样会增加茎叶与根中生物量的比值，从而不利于幼苗的生长。在这种情况下，相对细小的根将不能给植物提供足够的水分和养分以维持叶片细胞膨压和活力，因此将幼苗移栽到大田也需要提供一定的荫蔽条件。另一方面，适当的氮肥对苗圃来说尤其重要，因为氮肥是对移栽到大田的幼苗忍耐和抵抗光抑制有所影响的一个至关重要的因素。
5 展望
氮素营养在植物生命活动中发挥着重要的作用，硝态氮又是植物氮素的主要来源。基于其对植物生命活动的重要性，人类从未终止过对其的研究，到目前为止，关于硝态氮在植物体内代谢过程的机制问题已研究得较为透彻，在硝态氮代谢中人类比较关心的问题是相关因子对硝态氮代谢的影响，如光照、温度和硝态氮有效性等。尿素，硫酸铵等肥料被施入土壤后会发生硝化反应，随着近几年咖啡施肥量的增加，其对咖啡产量和品质的影响也越来越显著，因此，不仅要研究硝态氮在咖啡植株中的代谢，也要研究硝态氮在土壤中的代谢。目前对植物硝态氮代谢的研究正在逐步深入，所获得的理论成果已被广泛应用于生产实践，并取得了较好的成绩。但该领域还存在许多理论上的空白点，尚需深入探讨。 参考文献
[1] 王华静，吴良欢，陶勤南. 氮形态对植物生长和品质的影响及其机理[J]. 科技通报，2005，21（1）：50-55.
[2] Marschner H著，李春俭等译.高等植物的矿质营养（第二版）[M]. 北京：中国农业大学出版社，2001：159-177.
[3] Bremer T. Environmental factors and cultural measures affecting the nitrate content in spinach[J]. Fertilizer Research， 1982， 3（3）： 191-292.
[4] Andre R R， Milton F M， José L J， et al. Nitrate reductase and glutamine synthetase activity in coffee leaves during fruit development[J]. R Bras Ci Solo， 2009， 33（2）： 315-324.
[5] 王 艳，米国华，陈范骏，等. 玉米根系形态对光照、氮水平反应的基因型差异[J]. 土壤肥料，2001，3（3）： 12-14.
[6] Osaki M， Tyoda M， Yamada S， et a1. Effect of mutual shading on carbon distribution in rice plant[J]. Soil Science & Plant Nutrition， 1995， 41（2）：235-244.
[7] 周晚来，刘文科，杨其长. 光对蔬菜硝酸盐累积的影响及其机理[J]. 华北农学报，2011，26：125-130.
[8] Fahl J I， Carelli M L C， Vega J， et al. Nitrogen and irradiance levels affecting net photosynthesis and growth of young coffee plants（Coffea arabica L.）[J]. J Hort Sci， 1994， 69： 161-169.
[9] Carelli M L C， Fahl J I. Partitioning of nitrate reductase activity in Coffea arabica L. and its relation to carbon assimilation under different irradiance regimes[J]. Braz J Plant Physiol， 2006， 18（3）： 397-406.
[10] Carelli M L C， Fahl J I， Trivellin P C O， et al. Carbon isotope discrimination and gas exchange in Coffea species grown under different irradiances regimes[J]. Braz J Plant Physiol， 1999， 11（2）： 63-68.
[11] Fahl J I， Carelli M L C， Magalhāes A C. Asimilación de carbono ynitrógeno en hojas de café[J]. Turrialba， 1992， 42： 523-527.
[12] Kenis J D， Silvent S T， Luna C M， et al. Induction of nitrate reductase in detached corn leaves： the effect of the age of the leaves[J]. Physiol Plant， 1992， 85（1）： 49-56.
[13] Lillo C. Light regulation of nitrate reductase in green leaves of higher plants[J]. Physiol Plant， 1994， 90（3）： 616-620.
[14] Meguro N E， Magalhāes A C. Atividade da redutase de nitrato em cultivares de café[J]. Pesq Agrop bras， 1982， 17： 1 725-1 731.
[15] Queiroz C G S， Rena A B， Cordeiro A T， et al. Distribuicāo da atividade da redutase do nitrato no cafeeiro： a importancia da raiz[J]. Rev Bras Bot， 1993， 16： 31-35.
[16] Carelli M L C， Fahl J I， Magalhāes A C. Assimilacao de nitrato durante o desenvolvimento reprodutivo de plantas de café[J]. Rev Bras Ci Solo，1989， 13： 59-64.
[17] Amaral J A T， Da Matta F M， Rena A B. Effects of fruiting on the growth of arabica coffee trees as related to carbohydrate and nitrogen status and to nitrate reductase activity[J]. Braz J Plant Physiol， 2001， 13： 66-74.
[18] Thomas F M， Hilker C. Nitrate reduction in leaves and roots of young pedunculate oaks（Quercus robur）growing on different nitrate concentrations[J]. Environ Exp Bot， 2000， 43： 19-32.
[19] Carelli M L C， Fahl J I. Distribuicāo da assimilacāo de nitrato e de matéria seca em plantas jovens de café cultivadas em diferentes níveis de nitrogênio[J]. Bragantia， 1991， 50： 29-37.
[20] Smirnoff N， Stewart G R. Nitrate assimilation and translocation by higher plants： comparative physiology and ecological consequences[J]. Physiol Plant， 1985， 64（2）： 133-140.
[21] Carelli M L C， Fahl J I， Ramalho J D C. Aspects of nitrogen metabolism in coffee plants[J]. Braz J Plant Physiol， 2006， 18（1）： 9-21.
[22] de Cires A， de la Torre A， Delgado B， et al. Role of light and CO2 fixation in the control of nitrate-reductase activity in barley leaves[J]. Planta， 1993， 190（2）：277-283.
关键词 咖啡 ；硝酸还原酶活性 ；氮肥 ；硝态氮代谢
分类号 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.）与可可、茶并称为世界三大饮料，是热带最大宗的食品原料之一。咖啡产地主要分布于赤道两侧至南北回归线之间的热带地区，集中于美洲、非洲、亚洲等热带发展中国家，全球咖啡收获面积达1 036.69万hm2，年产量约800万t，年消费量500多万t。云南和海南为中国咖啡的主产地，2013年，其咖啡种植面积已经突破9.5万hm2，产量达8.8万t，出口额约2亿美元。咖啡产业已成为继烟、糖、茶、胶之后的又一特色新兴支柱产业。
自20世纪50年代初，咖啡就已被明确为对氮需求量高的作物。随着树龄的增加，对氮的需求量也随之增加，特别是在咖啡树开始结果的时候。咖啡农业生态系统通常通过投入大量氮肥来提高产量，此措施在拉美尤其在哥斯达黎加非常普遍，这些地区每年平均每公顷施入300 kg 氮来提高咖啡产量。
近20年来，由于不合理施肥导致的环境污染问题越发严重，过量地吸收氮素也使人类的健康受到威胁。直到70年代初期，在农业生产上才开始提倡限制化肥施用量，并针对各个作物深入开展了提高氮肥利用率的研究。笔者总结了不同因素对硝态氮代谢的影响，分析叶片和根系硝态氮代谢的差异以及根系硝态氮吸收的生理意义，以期为咖啡施肥技术研究提供参考。
1 研究咖啡硝态氮代谢的意义
氮的吸收、同化对植物生长至关重要，是决定作物生长、发育、产量和品质最关键的元素。硝态氮是植物最重要的氮素来源，也是田间条件下大多数栽培植物主要的无机氮化合物来源，对植物生长发育极为重要[1]。Marschner[2]认为，植物氮素营养中硝态氮的还原和同化与光合作用中二氧化碳的还原和同化对植物生长发育具有同样重要性。
植物体内硝态氮含量的高低取决于植物对硝酸盐吸收能力和还原能力的大小。在植物体内，硝态氮被同化为氨基酸之前必须先还原成铵。硝态氮被植物吸收后，在细胞质中被硝酸还原酶（NR）还原成亚硝酸盐，随后亚硝酸盐在质体中被亚硝酸盐还原酶还原成铵，然后铵再合成氨基酸。NR被认为是硝酸盐同化的限速酶，可以作为估算植物根和茎吸收外部氮能力的指标。实际上，这种酶被认为是植物生长、发育和蛋白质合成的一个主要限制因素，因此，硝态氮吸收的调控一直是研究工作的焦点，旨在通过干涉限制生长的过程[3]来提高其效率，从而提高农业生产力。
一般认为，在旱作条件下，施入土壤中的铵态氮经硝化作用很快转化为硝态氮。由于硝态氮的还原同化是个高能量消耗的过程，因此这个过程主要发生在叶片中，因为还原所需的能量ATP和NADPH等在叶片中合成[4]。氮的同化吸收直接或间接受植物硝态氮还原能力的调控，而植物硝态氮的还原能力又受植物代谢水平所控制。由于可利用氮特别是土壤中的硝态氮可作为主要氮源调控植物代谢[4]，因此影响咖啡硝态氮吸收的因素都会显著影响作物生长。光照、温度、水分和植物自身性状如树龄、发育阶段、不同部位等都会对植株硝态氮的吸收产生影响。
海南是中国咖啡的主要产区之一，尿素是咖啡最常用、最主要的氮素肥料之一。由于海南咖啡主要种植在酸性强、阳离子交换量低的砖红壤上，尿素很容易硝化为硝态氮，同时由于海南地处热带北缘，温度高，雨量大而集中，造成土壤持水保肥性能较差，硝态氮等营养元素易遭淋失，造成肥料利用率低。因此，研究不同因素对咖啡氮代谢尤其对硝态氮代谢的影响具有重要意义，这对提高咖啡肥料利用率及指导咖啡施肥等具有重要意义。
2 不同因素对咖啡硝态氮吸收的影响
2.1 光照对硝态氮吸收的影响 一般认为，光照显著影响植物对硝态氮的吸收。光主要是通过影响植物对硝酸盐的吸收、同化以及硝酸盐在植物体内的转运从而影响植物体内的硝酸盐类代谢。强光下植株具有较高的呼吸速率、较大的光合潜力和光合速率，物质生产能力较高，光合产物能更多地分配到根系之中，从而有利于维持根系活力，促进其对硝态氮的吸收与利用[5]；弱光下，根系活性降低，根系变短，吸收能力下降，硝态氮吸收量减少[6]。而在蔬菜上的研究结果表明，在低光照强度下，光合强度低，不能提供足够的有机化合物和硝酸盐还原所需的能量，硝态氮会在液泡中大量累积，替代碳水化合物和有机酸作为渗透调节物质，从而维持正常的细胞渗透压[7]。
最近的研究表明，生长在不同光照强度下的咖啡叶片内硝酸还原酶活性（NRA）与碳同化呈正相关关系（r=0.78，p<0.01）[8-9]。在重度荫蔽的条件下，碳和氮同化均受到抑制；而在适度荫蔽条件下[大约800 μmol/（m2·s）]，氮和碳同化都能获得最大值[10]。这些研究结果表明，在咖啡叶片中，氮和碳的同化是高度协调的[11]。相比之下，在光合反应过程受到抑制的条件下，叶片硝态氮的吸收受到抑制，而根系表现出更高的NRA，能够吸收更多的硝态氮，用于补偿叶片中NRA的降低，从而满足咖啡生长的需要。
光是参与NR调控最重要的环境因素之一[12]。在蛋白质水平上，光刺激NR从头合成及其活化[13]。像许多其他的酶一样，已经开展了很多关于NRA昼夜节律方面的研究，结果表明硝酸还原酶含量在光周期内增加，大约在中午达到高峰，并在暗周期内下降。在咖啡上的研究发现，光诱导咖啡新叶中NRA的增加，于光照周期开始后2～6 h达到最高值，随后递减，直到黑暗阶段结束[14]。
咖啡除了具有适应不同光照强度的能力，而且还保留耐荫性的遗传特性。50%全光照强度条件下生长的咖啡叶片NRA比全光照条件下的高[8]。尽管如此，光对咖啡硝态氮吸收的生理和生化作用机制仍不十分清楚，需作进一步研究。
2.2 树龄对硝态氮吸收的影响
Kenis等[12]认为，随着树龄的增加叶片和根系还原氮的能力减弱。像其他植物一样，在初生叶片展开期间咖啡叶片中的NRA低，在新展开叶期间达到最高，随着叶片的衰老，叶片NRA降低[9，11，14]。然而，咖啡叶片中NRA随着树龄增加而减少的现象在一年生作物中表现不明显，因为在一年生作物老叶中NRA非常低。在常绿多年生幼龄咖啡树中，老叶中的NRA保持在新展开叶值的70%左右，此后一直保持这一水平[9，11]。
在咖啡幼苗营养生长发育的前6个月中，不同叶片中NRA的分配具有同步性。首先随着每对新叶片的产生NRA增加，随后当叶片成熟时NRA达到最高。尽管NRA在叶片发育过程中发生变化，但茎中NRA几乎保持不变[9]。
随着叶片的衰老NRA降低，这与组织合成蛋白的能力相一致。在谷物中发现，老叶片NRA低主要是由于NR蛋白水平低[12]，这表明随着树龄的增加，老叶NR-mRNA丰度降低；另一方面，NR合成主要依靠光合作用，表明老叶NRA降低可能是与其光合能力降低有关。咖啡植株也与其类似，即随着树龄的增加，NRA和光合作用的相关性非常明显[11]。
咖啡根系通常表现出跟叶片类似的情况。部分幼龄根系还原氮的效率比成熟组织更高[15]，并且不依赖组织中的碳水化合物和硝态氮水平[15]及植株发育阶段。同一株咖啡不同根系中NRA也不同，细根NRA比侧根高，侧根NRA比缠绕的根高[9]。
2.3 不同生育阶段对硝态氮吸收的影响
在不同生育阶段中，咖啡通常表现出不同的硝态氮吸收和同化能力[16]，这跟花和果实发育的几个阶段有关。在哥斯达黎加的试验发现，营养液中生长的成熟咖啡植株在开花前和果实开始成熟时硝态氮吸收速率更高；与此类似，在巴西的试验发现，自然光照和温度条件下，给予连续氮供应的营养液中生长的咖啡树叶片NRA在开花前和果实发育末期活性更高[16]。这表明在咖啡的不同生育阶段，氮吸收量的多少是成龄咖啡树在生长年周期中调控叶片NRA的一个重要因素，与季节性环境条件变化无关[16]。
咖啡植株叶片NRA高的2个生育阶段为咖啡代谢旺盛和库（花和果实）对营养需求量高的阶段。第一个生育阶段是花发育后期，此时花蕾迅速扩展，表现出对干物质的强烈需求，需要从最近的光合叶快速转运代谢物[16]。第二个阶段是种子发育末期，此时种子胚乳正在形成，成为一个大量吸收碳水化合物和矿物质的库，以此类似，结果咖啡树（或枝条）表现出比未开花的咖啡树具有更高的叶片NRA[16-17]。叶片硝态氮浓度变化表现出与NRA相同的趋势，这表明养分优先流向需求高的枝条[16]。咖啡果实在迅速发育阶段可以吸收叶片和茎储存氮总量的95%以上，常引起叶片氮缺乏症状，从而抑制咖啡营养生长[17]。有研究表明，结果咖啡树的光合速率比未结果的高；另一方面，根系NRA活性显然不受结果的影响。尽管咖啡根系硝态氮含量比叶片高，但其NRA比叶片低很多，并且不受结果影响。
2.4 其他环境因素对硝态氮吸收的影响
在不同生育阶段，环境条件的变化也对咖啡植株吸收硝态氮的能力产生影响。在哥斯达黎加，咖啡叶片NRA的季节性变化与降水状况、土壤和植株水分含量等有关，在干旱季节，咖啡叶片NRA较高，此时咖啡处于开花和成熟阶段。相比之下，在巴西发现，在温暖和湿润的季节，咖啡叶片中的NRA和硝态氮浓度更高，此时处于高温和高蒸发量时期。这样的环境条件导致流入咖啡植株的水量增加，因此增加硝态氮向叶片的流入量，最终提高NRA[17]。
在夏季，即使咖啡生长在水分可利用性高的环境中也可能表现出植株内部水分运动阻力增加，出现叶片萎焉现象，除了耐高温和耐辐射的品种[16]。事实上，大多数种植于巴西的咖啡品种是在全光照和宽行种植条件下通过遗传育种方法获得，当水分可利用性不受限制时，即使在高辐射和高温条件下也能保持较高的气孔导度和蒸腾速率[9]。另外，在哥斯达黎加和巴西的传统咖啡种植区域，高温（34℃）并没有表现出对叶片和根系NRA季节性变化的影响[16-17]；另一方面，在咖啡发育年周期中，特定时间的低温似乎会严重影响叶片硝态氮的吸收。在巴西的冬季上午09：00，温度在15℃左右时（5～9月），无论是否施氮肥，叶片NRA均表现为无，而此时根系则通过施氮肥来保持NRA[17]。 3 咖啡叶片和根系中硝酸还原酶分配
硝态氮在植物体内很容易运输，可以被叶片和根系所吸收。根系和茎叶中硝态氮还原酶的分配因植物种类、树龄和环境因素的不同而不同。在大多数草本植物中，硝酸还原反应主要发生在叶片中[4]。而通过研究木质部汁液渗出物硝态氮的浓度和体内、体外NRA表明，木本植物硝态氮还原反应主要在根系中进行[18]。
咖啡植物的叶片和根系中均表现出很高的吸收硝态氮的潜力。然而，在这个问题上，还有很多不一致的结论，一些研究表明叶片表现出更高的NRA[17]，而另有研究表明根系表现出更高的NRA[15，19]。
通常认为根系和茎中硝酸还原酶的分配主要依赖于根系将氮输出到茎的能力[20]。在可利用硝态氮含量高的条件下，幼龄咖啡树的根系表现出高的向茎叶输出氮的能力。用霍格兰营养液培养的咖啡幼苗中，硝态氮为木质部汁液中最丰富的氮形式，占汁液总氮含量的51.9%，而氨基酸和酰脲分别占41.2%和6.6%。因此，咖啡植株具有很高的在叶片和根系中分配所吸收的硝态氮的能力和NRA[9]。在这个意义上，咖啡树不同于其他木本植物的主要特征是：硝态氮流入叶片可能是限制叶片NRA的主要因素[20]。
根系和茎叶硝酸还原酶的平衡在各个物种中不是永恒不变的，在植物不同生长条件和发育阶段中可能发生变化[1]。事实上，在咖啡植株整个发育阶段，叶片NRA平均值高于根系中的，叶片与根系中NRA的比值在0.8～2.1[9]，通过研究发现，该比值的变化既与外部硝态氮的有效性无关，也与植株发育阶段无关，而是取决于太阳辐射强度[9]，这与其他作物一致[1]。在低辐射强度下[290 μmol/（m2·s）]，根系NRA高于叶片；中等辐射强度下[720 μmol/（m2·s）]，叶片NRA高于根系；而在高辐射强度下[1 540 μmol/（m2·s）]，叶片和根系NRA相差不大。这些研究结果可以解释NRA在咖啡植株中分配差异的原因。在此种意义上，当试验在低太阳辐射强度下开展时，根系可以获得比叶片更高的NRA[9，15，19]，反之亦然[1，17]。
茎叶和根系对整个植株硝酸还原的贡献取决于每个器官的相对大小和随着每个特定器官年龄而发生的变化。考虑到这些因素，Queiroz等[15]估计生长在低于85 μmol/（m2·s）的辐射水平下的幼龄咖啡树，其叶片和根系对整个植株硝酸还原的贡献率分别为43%和52%。另一方面，研究表明在适度荫蔽水平下，叶片是幼龄咖啡树硝态氮同化的主要部位，其对整个植株的硝态氮同化贡献率达69.7%[9]。而且在重度荫蔽条件下，根系NRA比叶片NRA高39%，茎叶贡献率也同样高，因为幼龄咖啡树叶片鲜重比根系高2.2倍[9]。因此，当咖啡生长在充足的太阳辐射条件下时，叶片可能是硝态氮同化的主要部位。
4 咖啡根系硝态氮吸收的生理意义
在咖啡植株上，当碳水化合物可利用性成为限制因素时，茎与根系竞争光合产物，根首先降低生长，为新陈代谢提供少量能量[21]。营养器官如根系硝态氮的吸收所需要的代谢能和碳骨架由从茎开始运输的糖提供。在咖啡植株里，当茎被环割或切除，根系NRA降低，糖含量（主要是蔗糖）迅速减少；此外，硝态氮的吸收可能受咖啡根系糖含量的限制。这表明咖啡植株根系硝态氮的吸收主要依赖于光合产物的连续供应，但根系糖储量只能短时间内维持硝酸的还原和硝态氮的主动吸收[21]。
硝态氮诱导NRA增加，同时耗尽根系用来维持硝态氮吸收的糖[19]。在咖啡植株中，根系的生长和硝态氮的吸收都需要消耗碳水化合物[19]，增加外部硝态氮浓度，所诱导的根系NRA增加量显著大于叶片中[19]，因此，导致根系大量消耗碳水化合物。由此可见，增加幼龄咖啡树硝态氮有效性会导致茎与根中生物量的比值提高[19]。
早期的研究表明，在咖啡叶片中，用于硝酸还原作用和随后的铵态氮同化成戊二酸所需的还原剂及ATP直接由光合作用产生[22]。当根系开始吸收硝态氮时，大量的光合产物必须运输到根系进行氧化，从而提供所需的还原剂、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）等化合物是有机氮转移到叶片中的主要形式，那么叶片吸收硝态氮所消耗的能量将大量增加。为了使这些化合物中的氮可用于合成氨基酸，首先必须使其异化，分解出铵态氮，这样才能重新被叶片吸收。
因此，考虑根系对硝态氮吸收的影响对咖啡生产和施肥有重要的指导意义。例如在巴西，咖啡通常被种植在全光照条件下，而幼苗是在荫蔽的苗圃中繁育的。这是因为根系硝态氮的吸收需要消耗更多的能量，硝态氮有效性高[19]和环境较为荫蔽[9]的苗圃条件有助于根系硝态氮的吸收，这使得幼苗长得更高。当幼苗被移栽到田间时，幼苗将暴露在高温高光照环境下，这样会增加茎叶与根中生物量的比值，从而不利于幼苗的生长。在这种情况下，相对细小的根将不能给植物提供足够的水分和养分以维持叶片细胞膨压和活力，因此将幼苗移栽到大田也需要提供一定的荫蔽条件。另一方面，适当的氮肥对苗圃来说尤其重要，因为氮肥是对移栽到大田的幼苗忍耐和抵抗光抑制有所影响的一个至关重要的因素。
5 展望
氮素营养在植物生命活动中发挥着重要的作用，硝态氮又是植物氮素的主要来源。基于其对植物生命活动的重要性，人类从未终止过对其的研究，到目前为止，关于硝态氮在植物体内代谢过程的机制问题已研究得较为透彻，在硝态氮代谢中人类比较关心的问题是相关因子对硝态氮代谢的影响，如光照、温度和硝态氮有效性等。尿素，硫酸铵等肥料被施入土壤后会发生硝化反应，随着近几年咖啡施肥量的增加，其对咖啡产量和品质的影响也越来越显著，因此，不仅要研究硝态氮在咖啡植株中的代谢，也要研究硝态氮在土壤中的代谢。目前对植物硝态氮代谢的研究正在逐步深入，所获得的理论成果已被广泛应用于生产实践，并取得了较好的成绩。但该领域还存在许多理论上的空白点，尚需深入探讨。 参考文献
[1] 王华静，吴良欢，陶勤南. 氮形态对植物生长和品质的影响及其机理[J]. 科技通报，2005，21（1）：50-55.
[2] Marschner H著，李春俭等译.高等植物的矿质营养（第二版）[M]. 北京：中国农业大学出版社，2001：159-177.
[3] Bremer T. Environmental factors and cultural measures affecting the nitrate content in spinach[J]. Fertilizer Research， 1982， 3（3）： 191-292.
[4] Andre R R， Milton F M， José L J， et al. Nitrate reductase and glutamine synthetase activity in coffee leaves during fruit development[J]. R Bras Ci Solo， 2009， 33（2）： 315-324.
[5] 王 艳，米国华，陈范骏，等. 玉米根系形态对光照、氮水平反应的基因型差异[J]. 土壤肥料，2001，3（3）： 12-14.
[6] Osaki M， Tyoda M， Yamada S， et a1. Effect of mutual shading on carbon distribution in rice plant[J]. Soil Science & Plant Nutrition， 1995， 41（2）：235-244.
[7] 周晚来，刘文科，杨其长. 光对蔬菜硝酸盐累积的影响及其机理[J]. 华北农学报，2011，26：125-130.
[8] Fahl J I， Carelli M L C， Vega J， et al. Nitrogen and irradiance levels affecting net photosynthesis and growth of young coffee plants（Coffea arabica L.）[J]. J Hort Sci， 1994， 69： 161-169.
[9] Carelli M L C， Fahl J I. Partitioning of nitrate reductase activity in Coffea arabica L. and its relation to carbon assimilation under different irradiance regimes[J]. Braz J Plant Physiol， 2006， 18（3）： 397-406.
[10] Carelli M L C， Fahl J I， Trivellin P C O， et al. Carbon isotope discrimination and gas exchange in Coffea species grown under different irradiances regimes[J]. Braz J Plant Physiol， 1999， 11（2）： 63-68.
[11] Fahl J I， Carelli M L C， Magalhāes A C. Asimilación de carbono ynitrógeno en hojas de café[J]. Turrialba， 1992， 42： 523-527.
[12] Kenis J D， Silvent S T， Luna C M， et al. Induction of nitrate reductase in detached corn leaves： the effect of the age of the leaves[J]. Physiol Plant， 1992， 85（1）： 49-56.
[13] Lillo C. Light regulation of nitrate reductase in green leaves of higher plants[J]. Physiol Plant， 1994， 90（3）： 616-620.
[14] Meguro N E， Magalhāes A C. Atividade da redutase de nitrato em cultivares de café[J]. Pesq Agrop bras， 1982， 17： 1 725-1 731.
[15] Queiroz C G S， Rena A B， Cordeiro A T， et al. Distribuicāo da atividade da redutase do nitrato no cafeeiro： a importancia da raiz[J]. Rev Bras Bot， 1993， 16： 31-35.
[16] Carelli M L C， Fahl J I， Magalhāes A C. Assimilacao de nitrato durante o desenvolvimento reprodutivo de plantas de café[J]. Rev Bras Ci Solo，1989， 13： 59-64.
[17] Amaral J A T， Da Matta F M， Rena A B. Effects of fruiting on the growth of arabica coffee trees as related to carbohydrate and nitrogen status and to nitrate reductase activity[J]. Braz J Plant Physiol， 2001， 13： 66-74.
[18] Thomas F M， Hilker C. Nitrate reduction in leaves and roots of young pedunculate oaks（Quercus robur）growing on different nitrate concentrations[J]. Environ Exp Bot， 2000， 43： 19-32.
[19] Carelli M L C， Fahl J I. Distribuicāo da assimilacāo de nitrato e de matéria seca em plantas jovens de café cultivadas em diferentes níveis de nitrogênio[J]. Bragantia， 1991， 50： 29-37.
[20] Smirnoff N， Stewart G R. Nitrate assimilation and translocation by higher plants： comparative physiology and ecological consequences[J]. Physiol Plant， 1985， 64（2）： 133-140.
[21] Carelli M L C， Fahl J I， Ramalho J D C. Aspects of nitrogen metabolism in coffee plants[J]. Braz J Plant Physiol， 2006， 18（1）： 9-21.
[22] de Cires A， de la Torre A， Delgado B， et al. Role of light and CO2 fixation in the control of nitrate-reductase activity in barley leaves[J]. Planta， 1993， 190（2）：277-283.