根系分泌物对根际土壤关键氮转化过程的影响

王 锐 陈士勇 陈志青 崔培媛 卢 豪 杨艳菊 张海鹏 张洪程

（江苏省作物栽培生理重点实验室/江苏省粮食作物现代产业技术协同创新中心/农业农村部长江流域稻作技术创新中心，225009，江苏扬州）

氮是植株生长的必需营养元素之一。氮肥的施用可以增加作物产量，满足人们日益增长的粮食需求[1]。自人工固氮发明以来，大量人工固定的氮肥被投入到农业生产系统中，使世界粮食产量大大增加，保证了世界粮食安全。但是，氮肥大量施用也付出了巨大的环境成本，如温室效应、地下水硝酸盐污染、地表水体富营养化等[2]。有学者[3]提出了各种措施来提高氮肥利用率，减少氮肥用量，然而世界范围内氮肥用量不仅没有下降，相反在过去50年中增加了4倍[4]。就我国而言，近几年平均氮肥用量高达 200kg/hm2，显著高于世界其他国家的平均水平[5-7]，但是氮肥利用率却较低，仅为30%左右[8]。大部分氮肥流失到环境中，造成了严重环境污染问题。因此，提高氮肥利用率、减少氮肥流失造成的环境污染仍是目前氮肥施用过程中值得研究的重要问题。

氮的固定，有机氮的矿化、氨化、硝化和反硝化作用是组成土壤氮循环的主要过程，其决定土壤氮的形态并与植株氮肥利用率密切相关[9]。其中，硝化过程是将稳定的铵态氮转化为移动性较强的硝态氮，增加了土壤氮素流失的风险[10]。植株根际氮的流失、地下水和地表水硝态氮含量及N2O排放均与硝化作用相关，是导致环境变差的原因之一。据估算，农业生态系统流失的硝态氮到2050年将达到每年61.5Tg[11-13]，并且当前化学氮肥的持续较高投入还会促使土壤硝化能力逐渐增强[14]。这些具有高硝化能力且高产出的土壤导致投入的 70%氮肥流失[15]。预计到2050年，氮肥的投入将成倍增长，达到每年300Tg，这将进一步增加农业系统氮的损失，造成更加严重的环境问题[11]。反硝化作用则是农田生态系统，特别是稻田氮肥损失的主要途径，损失约占稻田氮肥投入的40%以上[16]，并且硝化和反硝化过程释放的中间产物 N2O是目前最具破坏性的温室气体。据估算[17]，每年有将近17Tg的氮以 N2O的形式排放到大气中。由于氮肥用量的增加，预计到2100年，全球N2O排放量将是现在的4倍。世界农业系统排放了大气中将近30%的NO和70%的N2O[18]。综上所述，硝化和反硝化过程对土壤无机氮形态、温室气体排放和氮损失都具有显著影响。为了抑制氮的流失，人们开发了多种手段包括利用多种形态的氮肥作为氮源，来达到降低硝化和反硝化过程造成的氮损失和N2O排放的目的。

作物主要通过根系从土壤中吸收氮素，因此，根系及其微环境（根际）是氮素养分进入作物体内的门户和桥梁。根系分泌物是植株与土壤进行物质交换和信息传递的重要载体，也是根际对话的主要调控者[19]。根系分泌物对根际土壤氮素养分的转化过程决定氮素养分供应的强度和有效性，并最终影响作物氮肥的利用效率和作物产量。虽然目前针对植株根系分泌物和土壤氮转化过程的研究都已经取得了很大的进步，但有关植株根系分泌物对土壤关键氮转化过程的研究还较少。因此，本文综述了植株根系分泌物对土壤关键氮转化过程的影响，系统地介绍了根系分泌物介导下的植物―土壤―微生物的相互作用方式与机理，以及对土壤关键氮转化过程的影响，为揭示植物―土壤―微生物系统对氮肥利用率、环境污染和N2O排放等方面的影响提供参考。

1 根系分泌物的种类及采集方法

根系分泌物（root exudate）是指在特定环境条件下，植株根系的不同部位释放到根际环境中有机物质的总称[20-23]，主要包括渗出物、分泌物和排泄物等。根系分泌物按照分子量的高低分为2类，高分子量根系分泌物主要有黏胶和胞外酶，低分子量根系分泌物主要包括有机酸、糖、酚和氨基酸[24]。根系分泌物还可以按照种类不同分为糖类、有机酸类、氨基酸类、脂肪酸类、蛋白质和生长因子等[25]。

目前，植株根系分泌物的采集、测定及分类方法已日趋成熟且应用广泛。根据检测地点不同，分为原位收集和扰动收集[26]；按照培养介质不同分为水培法、土培法和基质培（砂培、蛭石等）收集法[27]；还可以根据鉴定方法不同分为生物测试法和仪器分析法。生物测试法是根据某些细菌和植株幼苗对分泌物中特定组分的敏感性进行的定性分析。目前应用较为广泛的鉴定根系分泌物仪器主要有红外光谱仪、毛细管电泳仪、气相色谱仪、质谱仪和离子色谱仪等。

2 根系分泌物对氮素矿化和固定的影响

氮素矿化和固定过程因决定着土壤氮素的形态及有效性而受到了广大研究者的重视。有研究[28-29]用葡萄糖和草酸模拟根系分泌物对森林土壤氮素转化的影响，发现二者均促进了氮素的固定，使土壤中矿质态氮含量下降。Jilling等[30]发现，常见根系分泌物如葡萄糖与草酸等可以通过调动矿物伴生有机质（MAOM）为植物和微生物富氮提供可能性。根系分泌物促进土壤氮的固定主要是由于其中含有微生物可利用的碳源，使根际微生物数量增加，因此，微生物自身固定了一定量的氮素。Nardi等[31]研究表明，根系分泌物中的黄酮类物质可以促进土壤中固氮细菌数量的增加，促进氮的固定。豆科作物作为大家所熟知的固氮作物，其根系分泌物中所特有的异黄酮对固氮起着主要作用。异黄酮可以吸引更多的固氮细菌在根际范围内，使更多的氮固定在植株和土壤中[32]。根系分泌物中的糖类、苯并噁唑嗪酮和氨基酸类物质可能是促进土壤固氮细菌提高固氮能力的主要物质[33]。

根系分泌物还可以通过促进与土壤氮素矿化相关的微生物和相关酶的活性来促进有机氮的矿化过程[34]。根系分泌物可以作为微生物活动所必需的能量物质，促进与矿化相关的微生物活性，同时通过激发效应促进土壤氮的矿化过程。Meier等[35]对森林土壤的研究表明，根系分泌物可以通过促进多酚还原酶、过氧化物酶和降解有机氮相关的氨基葡萄糖酐酶的活性来促进土壤有机氮的矿化。Pathan等[36]研究发现，玉米根系分泌物可以通过提高根际土壤脲酶的活性而促进有机氮向矿质态氮转化。根系分泌物除了通过分泌含碳有机物、低分子有机酸等物质影响与土壤氮素矿化相关微生物的数量和酶活性，从而间接影响土壤氮素的矿化和固定，根系分泌物还可以通过直接分泌氮素来影响土壤氮素的矿化速率[37]。Morris等[38]研究发现，在美国西部草原土壤上一年生旱雀麦草的根系分泌物中含有较高的有效氮，这些有效氮激发了根际土壤氮素的矿化。

根系分泌物除了具有促进氮素固定和矿化的功能，也可抑制氮素固定和矿化过程。根系分泌物还可以通过提供强大的选择性压力来减少根际微生物的多样性，降低土壤氮的矿化速率。研究[39]表明，根系分泌物中的某些酸性物质会抑制根际土壤氮的矿化和固定，主要是由于根系分泌物降低根际土壤的 pH，导致与氮矿化和固定相关的微生物活性降低。

3 根系分泌物对硝化作用及N2O排放的影响

硝化作用是硝化微生物在有氧条件下，将较稳定的铵态氮氧化为活性较强、更易随水流失的硝态氮的过程[40]。硝化作用的发生降低了土壤对无机氮的固持能力，间接地增加了氮的损失。因此，硝化作用受到了广大研究者的重视。硝化和反硝化过程是有机废弃物和水生态系统中去除硝态氮的主要过程[41]。相反，在农业土壤中，快速和无规律的硝化作用导致氮肥利用率的下降，增加氮的流失和环境污染。虽然大多数植株既可以利用铵态氮又可以利用硝态氮作为自身生长所需氮源，但减少农业生态系统中硝化作用的速率并不是改变植株本身对无机氮形态的吸收能力，而是增加氮以铵态氮的形态而不是易移动的硝态氮在植株根际的持留时间，增加植株吸收氮的时间，减少因淋洗和反硝化作用损失的氮[42]。

植株根系分泌物种类不同，对土壤硝化作用的影响也不同。根系分泌物中有些物质对硝化作用有影响，有些则没有明显影响。其中根据对硝化作用影响效果可以分为抑制作用和促进作用。

3.1 抑制作用

根系分泌物对土壤硝化作用抑制的机理主要分为2种（图1），一是抑制氨氧化过程中氨单加氧酶（ammonia monooxygenase，AMO）的活性抑制硝化作用；二是根系分泌物中具有抑制硝化作用的物质可以打破羟胺还原酶（hydroxylamine reductase，HR）、泛酸和辅酶Q之间的电子传递，这一电子传递是亚单胞杆菌的重要代谢功能[43-45]。也可能是通过影响氨氧化细菌（AOB）来影响硝化作用。目前越来越多的人认为，氨氧化古菌（AOA）在很多生态系统的硝化作用中起着主要的作用。AMO在 AOA和AOB中都是控制硝化作用的主要因素，因此根系分泌物主要是通过影响AMO的活性来影响硝化活性[46]。根系分泌物既可以影响 AOA，也可以影响AOB，但是通过影响HR这一途径仅能影响AOB的活性，HR对 AOA的影响还需要进一步的研究和证实[47]。

图1 根系分泌物对土壤硝化过程的抑制作用Fig.1 Inhibition of root exudates on soil nitrification

研究[46,48-51]表明，在牧草、高梁、小麦和大麦植株根系分泌物中可以检测到抑制硝化作用的物质。在营养液条件下，高梁根系分泌的苯丙酯（MHPP）对硝化作用具有一定的抑制效果。MHPP对硝化作用的抑制主要是通过抑制AMO的活性来达到抑制硝化作用的目的[48]。高粱根系分泌物中的苯醌也具有抑制硝化作用的能力[49]。苯基化合物在玉凤花的根系分泌物中也具有抑制硝化作用的能力，苯醌的抑制效果显著高于香豆素和阿魏酸，后两者对硝化作用的抑制效果几乎可以忽略[52]。这些结果表明，根系渗出物和根系组织在分化过程中产生的物质对硝化作用的抑制也起到了很重要的作用。从西黄松种子根部分离得到的水黄皮素也对土壤硝化作用表现出了很强的抑制效果[53-56]。水黄皮素中的呋喃环可能在硝化过程中起着关键性的作用[57]。据报道[58]，十字花科植物根系组织脱落过程中产生的异硫氰酸盐也具有很强的抑制土壤硝化作用的能力，并且十字花科的作物残茬也可能对土壤硝化作用产生抑制。在水稻根系分泌物中分离鉴定的脂肪醇类化合物 1,9-癸二醇同样具有较强的硝化抑制能力[59]。这些植株根系可以产生并释放抑制硝化微生物活性的物质，目前被称为生物硝化抑制剂（biological nitrification inhibition，BNI）。表1汇总了目前从根系分泌物中成功分离的具有抑制土壤硝化作用的物质。生物硝化抑制剂可以减少土壤氮损失，提高氮肥利用率，相对于人工合成的硝化抑制剂具有更多的优点，受到了广大科研工作者的重视。

表1 根系分泌物中抑制土壤硝化作用的物质及作用途径Table 1 Nitrification inhibitors and its function ways in root exudates

虽然已经通过很多试验和生物技术手段成功地分离了不同化学种类生物硝化抑制剂，但其具有较高的专一性。高粱根系分泌物中可以抑制硝化作用的主要成分是不饱和脂肪酸中的亚油酸（linoleic acid）和亚麻酸（linolenic acid）。其他游离脂肪酸如硬质脂肪酸和花生四烯酸等并没有表现出硝化抑制的效果[64]。亚油酸对硝化作用的抑制效果随它转化成亚油酸甲酯（LA-ME）数量的增加而增加[62]。但是当它转化成亚油酸乙酯（LA-EE）时其抑制硝化作用的活性消失[65]。亚麻酸转化成亚麻酸甲酯（LN-ME）后活性消失，表明当化学结构具有很高的专一性时才可以表达出硝化抑制效果[66]。

合成和释放生物硝化抑制剂受环境因素的影响。供给氮的形态对生物硝化抑制剂的合成和释放起着关键作用。在某些植株生长以硝态氮为氮源的情况下，其根系不释放生物硝化抑制剂，而以铵态氮为氮源的植株则可以释放硝化抑制剂[51]。根系组织除了生长在铵态氮环境下释放较高的生物硝化抑制剂外，将根系直接暴露在铵态氮环境下也会释放自身合成的硝化抑制剂[67]。除了受外源供给氮源形态的影响，植株根际的pH也是影响植株硝化抑制剂的另一主要因素。目前的研究[68]结果表明，高粱植株的根系即使在以铵态氮为氮源并且根际土壤 pH＞7的条件下，其根系也不分泌硝化抑制剂，只有当pH在5～6之间才分泌硝化抑制剂。除土壤pH外，土壤质地也是影响根系释放硝化抑制剂的一个重要因素。研究[68-69]表明，高梁根系适合在质地较轻、pH＜6的酸性土壤上释放生物硝化抑制剂。

根系分泌物在抑制土壤硝化作用的同时也会在一定程度上抑制该过程N2O排放。研究[70]表明，杨梅树根系和分解落叶的时候可以通过分泌儿茶素和儿茶酸来抑制硝化作用及N2O排放。牧草的根系分泌物对土壤的硝化能力和硝化微生物具有明显的抑制效果，由于硝化微生物数量的减少，氨氧化过程比对照处理降低了90%，N2O的排放量也降低了90%[71]。N2O排放与根系分泌硝化抑制剂能力之间呈显著负相关。

3.2 促进作用

由于硝化作用在一定程度上促进了土壤氮的损失，降低植株氮的利用率，所以人们更加关注根系分泌物对硝化作用抑制的效果和强度，而关于根系分泌物对土壤硝化作用促进效果的关注较少。根系分泌物中的碳、有机物质、低分子的有机酸和氨基酸等物质均可以促进土壤硝化作用的进行。Weng等[72]在添加铵态氮的条件下研究秋茄树根际土壤氮转化过程中发现，秋茄树根系分泌的低分子有机酸如甲酸、酒石酸、氨基酸和糖类等与硝化微生物数量和硝化速率呈显著正相关关系，说明根系分泌物促进了土壤硝化作用的进行。Shi等[73]研究表明，根系分泌物中的糖类（葡萄糖、果糖和蔗糖）和低分子有机酸（奎宁酸、乳酸和顺丁烯二酸）可以为土壤微生物提供碳源、提高土壤pH和还原酶活性来增加细菌的数量，这也可能是根系分泌物促进硝化作用进行的原因。

根系分泌物促进硝化作用进行的机理主要是通过影响硝化微生物的活性达到促进硝化速率。研究[74]表明，通过光合作用将固定在植株体内的碳以根系分泌物的形式释放到土壤中，为土壤微生物提供丰富的营养，进而促进硝化微生物的活性。此外，根系分泌物中的低分子有机化合物，如糖类、有机酸、氨基酸等可以通过活化土壤中的矿质养分，进而提高硝化微生物的活性，使土壤的硝化作用增强[75]。某些具有通气组织的植株，如水稻，在淹水的条件下可以通过分泌氧气，在淹水氧气浓度较低的情况下来维持硝化作用的进行[76]。同时由于某些硝化微生物是异养菌，需要外界提供能源物质来进行硝化作用，根系分泌的葡萄糖等可以作为硝化微生物的能源物质促进硝化作用的进行[76]。

4 根系分泌物对反硝化作用及N2O排放的影响

反硝化作用是在厌氧条件下，将NO3-和NO2-逐步还原为NO、N2O和N2的过程，是农业生态系统特别是稻田生态系统氮损失的主要途径[77]。研究[78-80]表明，根系分泌物对土壤反硝化氮损失的影响可以分为促进作用、抑制作用和无明显作用。由于反硝化作用是厌氧的过程，因此，根系分泌的氧气在根际会抑制土壤反硝化作用的进行；但根系分泌的氧气也可以通过促进硝化过程的进行，促使土壤中反硝化作用的底物NO3-增加，当 NO3-移动到厌氧区域时，促进反硝化作用的进行及反硝化过程中间产物 N2O排放的增加[78]。根系分泌的酸性物质会导致根际土壤酸化，土壤pH降低则会显著地增加反硝化过程的中间产物 N2O的排放。研究[79]表明，当土壤pH低于4.4时，反硝化过程是土壤N2O排放的主要来源。Weng等[72]在添加硝态氮的条件下研究秋茄树根际土壤氮转化过程，发现秋茄树根系分泌的低分子有机酸如甲酸、酒石酸、氨基酸和糖类等与根际反硝化微生物数量以及反硝化潜力呈显著正相关，说明根系分泌物促进了土壤反硝化作用的进行。根系分泌物中的脂肪酸酰胺（fatty acid amides），如油酸酰胺（oleamide）和芥酸酰胺（erucamide）可以显著促进反硝化作用的进行，在高氮的环境条件下其促进效果更加明显[79]。脂肪酸酰胺主要是通过促进反硝化过程中硝酸还原酶和亚硝酸还原酶的活性来促进反硝化作用[80]。Michalet等[81]研究表明，由于镰形木夹苏木（Eprua falcata）是喜硝态氮的树木，其可以通过调节自身根系分泌物来满足对硝态氮的需求。其根系分泌物中的查耳酮类化合物、黄烷酮类化合物以及甘草素可以显著抑制根际土壤中硝酸还原酶活性和反硝化细菌的数量，进而抑制土壤反硝化作用。植物对氮形态的喜好也会通过控制根系分泌物来影响土壤反硝化作用。金花柚木喜好硝态氮，它会通过根系分泌 4,7-二羟基黄浣酮和 4,2,4-三羟基查耳酮来抑制土壤的反硝化作用，进而达到积累硝态氮的目的[80]。

与根系分泌的酸性物质或氧气相比，根系分泌的葡萄糖、蔗糖等含碳有机物对土壤反硝化作用的影响则更加复杂[82]。首先，如前面提到的根系分泌的含碳物质可以促进土壤硝化作用的进行，间接地为反硝化过程提供一定的底物；其次，根系分泌的葡萄糖等可以作为反硝化过程的碳源，为反硝化微生物提供能量，促进反硝化过程及N2O的排放[83]；最后，葡萄糖等根系分泌物可能会提高土壤中某些好氧微生物的活性，加速土壤中氧的消耗，使土壤达到厌氧环境，进而促进反硝化过程及 N2O的排放[84-85]。

5 展望

现代的生态系统是以人为中心的生态系统，人们向生态系统中投入大量氮肥，导致该生态系统具有较高的硝化、反硝化及N2O排放能力。进入农业系统中的活性氮将近 95%迅速通过硝化作用转化成硝态氮，从而使硝酸盐成为主要的无机氮形态，这导致了当今农业系统氮肥利用率低的同时，由氮肥造成的环境污染更加严重。平均每年175Tg氮投入到全球的农业系统中，仅有不足1Tg氮存在于人体中，剩余的90%都通过硝化和反硝化损失，并以N2O或没有活性的N2形式返回到大气中[77,83]。然而，为了维持作物的产量，还需要继续投入氮肥。因此，土壤的硝化和反硝化过程应该被有效控制。

目前，针对根系分泌物的研究多数是在非生物环境下进行，对“植物―土壤”等系统的研究非常少，而针对“植物―土壤”系统中氮素的转化及其中以根系分泌物为媒介的相互作用方面更需要深入研究。通过某种特定的根系分泌物来控制土壤硝化和反硝化对减少农田生态系统N2O排放、改善土壤对氮的持留能力、提高氮肥利用率是十分必要的。人工合成的硝化抑制剂价钱昂贵，且作用不稳定，并且其对反硝化过程的影响目前还不明确。而植株的某些根系分泌物抑制硝化作用的同时也可以对反硝化作用产生影响，其功能强大。在以后的研究中，应该从基因角度去挖掘，发展成植株的一个特点，为发展低硝化能力、低N2O排放和氮高效的农业生产系统做准备。