全 文 ：园 艺 学 报 2010，37（9）：1493–1498
Acta Horticulturae Sinica
收稿日期：2010–03–01；修回日期：2010–05–18
基金项目：现代农业产业技术体系建设专项（nycytx-08-03-05）；辽宁省农业科技攻关计划项目（2008204003）；辽宁省自然科学基金项
目（20082121）
* E-mail: lvdeguo@163.com
冷凉条件对山荆子幼苗根系氮素吸收动力学参
数的影响
吕德国*，王 英，秦嗣军，马怀宇，刘国成，杜国栋，孟 倩
（沈阳农业大学园艺学院，北方果树育种与生理生态研究所，沈阳 110866）
摘 要：采用常规耗竭法和改进耗竭法研究冷凉条件下山荆子（Malus baccata Borkh.）幼苗根系吸收
不同形态氮素动力学特征。结果表明，温度影响山荆子氮素吸收动力学特征，常温（25 ℃）时山荆子根
系载体蛋白对 NO3-离子的亲和力大于 NH4+离子，此时根系优先吸收 NO3-离子；冷凉（10 ℃）条件下山
荆子幼苗对 NH4+离子的亲和力大于 NO3-离子，此时根系优先吸收 NH4+离子。冷凉条件降低了山荆子幼
苗对 NO3-和 NH4+的吸收能力，表现为最大吸收速率（Imax降低）、养分流入根系速率（α 值降低）和亲和
力下降（Km值增加），其中对吸收 NO3-离子的影响大于 NH4+离子。
关键词：山荆子；冷凉条件；氮素；吸收动力学
中图分类号：S 661 文献标识码：A 文章编号：0513-353X（2010）09-1493-06

Effects of Cool and Cold Conditions on Nitrogen Uptake Kinetics in Malus
baccata Borkh. Seedlings
Lü De-guo*，WANG Ying，QIN Si-jun，MA Huai-yu，LIU Guo-cheng，DU Guo-dong，and MENG Qian
（College of Horticulture，Shenyang Agricultural University，Research Laboratory for Breeding and Physiology-ecology of
Northern Fruit Tree，Shenyang 110866，China）
Abstract：The method of conventional exhaustion and improved exhaustion was carried out to study
the kinetics characteristics of nitrogen absorption in root of Malus baccata Borkh. seedlings in cool and
cold conditions. The characteristics of nitrogen absorption kinetics were affected by cool and cold
condition. In normal temperature（25 ℃）the affinity of NO3- was greater than that of NH4+ which indicated
that root had the priority to absorb NO3-. But in cool and cold condition（10 ℃）the affinity of NH4+ was
greater than that of NO3-，and in this moment the root had the priority to absorb NH4+. The M. baccata
Borkh. seedlings’ absorption was decreased in cool and cold condition and it was indicated that the
maximum absorption velocity，nutrient inflow velocity and affinity of NO3- and NH4+ were decreased in
cool and cold condition. The influence of cool and cold condition in absorbing NO3- was greater than
absorbing NH4+.
Key words：Malus baccata Borkh.；cool and cold condition；nitrogen；uptake kinetics

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农业生产中普遍存在过量施氮现象，且施氮量呈逐年增加趋势（彭福田和姜远茂，2006），而
根系对氮素利用率较低，过量的氮肥在土壤中积累或经雨水淋洗进入水体，导致次生盐渍化和水体
富营养化现象，严重污染环境（司友斌 等，2000；魏迎春 等，2008）。因此如何提高植物对氮素的
吸收和利用效率，找出影响氮素利用率的因素一直是国内外学者研究的重点。吸收、利用、转化以
及根系对氮素吸收的动力学特征都会影响氮素利用率（孙敏 等，2006；殷春渊 等，2010）。
根系养分吸收动力学研究在研究植物对营养元素吸收方面占有重要地位。20 世纪 50 年代初，
Epstein和 Hagen（1952）最早将酶促反应动力学方程应用于植物对离子吸收的研究，开创了植物吸
收养分动力学研究的先河。70 年代初期，Classen 和 Barber（1974）建立了根系养分吸收动力学方
程，该方程中的离子最大吸收速率（Imax）和米氏常数（Km）两个参数可定量描述植物吸收养分离
子的特征，用于研究环境条件对植物吸收养分的影响。目前，吸收动力学研究在阐述栽培植物营养
物质吸收特性方面的应用已十分普遍，前人对水稻（Youngdahl et al.，1982；汪晓丽 等，2003）、
空心菜（周晓红 等，2008）、水曲柳（任军 等，2008）、甜菜（赵越 等，2006）、槐叶萍（Arunothai
& Hans，2009）、大叶藻（Lourdes et al.，2007）、美人蕉（Zhang et al.，2009）等植物根系氮素吸收
动力学参数已经进行了较为广泛的研究，并比较了不同类型作物或品种对 NO3--N和 NH4+-N吸收利
用的差异，但研究结果不尽相同，且相关研究主要集中在大田作物和水生植物，对果树根系氮素吸
收动力学的研究较少，只在葡萄（Yang et al.，2007）和柑橘（Miguel et al.，1997）中有所报道。
北方地区早春和初秋气温变化迅速而土温变化相对滞后，使根系处于冷凉胁迫状态，这种冷凉
条件不同于 0 ℃以下的低温，而是低于根系适温的亚低温环境，该环境严重影响果树根系对氮素的
吸收和同化（Dong et al.，2001）。已有的研究表明，养分吸收动力学参数 Imax和 Km对温度较敏感（王
永章 等，2000）。因此，本试验中以北方生产中常用苹果砧木山荆子（Malus baccata Borkh.）为试
材，探讨冷凉条件对其吸收不同形态氮素的影响，为明确早春施用氮肥的种类、合理比例和数量，
提高氮素吸收效率，减少氮素过量引起的土壤污染提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试材培养
试验于 2009年 2－6月在沈阳农业大学果树科研基地温室中进行。山荆子种子经层积催芽后，
于 2月 10日播种到育苗基质中，待长到 5片真叶时挑选生长一致的幼苗移入装有基质的营养钵（12
cm × 13 cm）中，放入人工气候箱预培养。培养温度为 25 ℃（昼）/15 ℃（夜），光照强度 400
µmol · m-2 · s-1，光照时间 12 h，相对湿度 70% ~ 80%。预培养 1个月后进行根系氮素吸收动力学试验。
1.2 试验处理
试验前两天将根系冲洗干净后放入无离子水中培养 48 h，达到氮饥饿后，移入塑料瓶中进行根
系吸收动力学试验。冷凉处理培养温度为 10 ℃，以 25 ℃常温处理为对照。
常规耗竭法：（1）NO3- 吸收动力学试验，将氮饥饿后的幼苗移入含有 0.2 mmol · L-1 CaSO4和 1
mmol · L-1 KNO3培养液中，pH调至 6.5，培养液体积 500 mL，每 10株幼苗一组，3次重复。培养
时间设为 1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12 h，每次取样后用蒸馏水补充。（2）NH4+ 吸收
动力学试验，培养液为 0.2 mmol · L-1 CaSO4和 1 mmol · L-1 NH4Cl，其他操作过程与（1）相同。
改进耗竭法：（1）随 NO3- 浓度而变的 NO3- 吸收动力学试验，将氮饥饿后的幼苗移入含有 0.2
mmol · L-1 CaSO4的 KNO3系列溶液中，KNO3的浓度设为 0、0.05、0.10、0.20、0.40、0.80、1.20、
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2.00 mmol · L-1 8个水平，调节 pH至 6.5，培养液体积 200 mL，每 4株一组，吸收 4 h后取样测定。
（2）随 NH4+ 浓度而变的 NH4+ 吸收动力学试验，配制含 0.2 mmol · L-1 CaSO4的 NH4Cl的系列溶液，
溶液浓度和其他试验操作与常规耗竭法相同。所有试验均连续通气。
1.3 测定和计算方法
NO3- 离子用直接比色法测定，NH4+离子采用纳氏试剂比色法测定。根据培养液浓度与吸收时间
绘制根系离子吸收曲线，再根据吸收曲线方程求出吸收动力学参数 Imax和 Km（Classen & Barber，
1974）。采用Microsoft Excel 2003绘制图表，DPS7.0软件进行统计分析。
2 结果与分析
2.1 冷凉条件下山荆子幼苗根系 NO3- 和 NH4+ 吸收速率与时间的关系
由图 1可知，冷凉条件影响山荆子根系 NO3- 和 NH4+吸收速率，冷凉条件下根系 NO3- 和 NH4+
吸收量明显低于对照，吸收 12 h后，二者吸收量分别比对照减少 0.113和 0.036 mmol · L-1。山荆子
幼苗对 NO3- 和 NH4+的吸收进程有差异。常温条件下根系对 NH4+的吸收量前 6 h较多，随后吸收量
变化较小，而根系对 NO3- 的吸收量开始较少，6 h后高于对 NH4+的吸收量。冷凉条件下根系开始对
NH4+的吸收量较大，7 h后低于对 NO3- 的吸收量。常温条件下，山荆子根系对 NO3- 的吸收量高于
对 NH4+的吸收量，但冷凉条件下山荆子对 NH4+的吸收较多。山荆子根系对 NO3- 的吸收受温度影响
较大，而根系对 NH4+的吸收受温度影响较小。


图 1 不同吸收时间对山荆子根系吸收 NO3-和 NH4+动力学曲线的影响
Fig. 1 Effects of different absorption time on the curve of NO3- and NH4+ absorption kinetic of
M. baccata Borkh. seedlings
2.2 冷凉条件下山荆子幼苗根系 NO3- 和 NH4+吸收速率与培养液浓度的关系
不同温度下山荆子幼苗对 NO3- 和 NH4+吸收速率随培养液浓度的增加而增加。当培养液浓度较
低时，吸收速率随培养液浓度增加迅速；当培养液中 NO3- 和 NH4+浓度大于 0.40 mmol · L-1后，根
系对二者的吸收速率逐渐减缓并趋于饱和，吸收减缓。当培养液浓度低于 0.10 mmol · L-1时，冷凉
条件下根系对 NO3- 和 NH4+的吸收速率高于常温条件，随着培养液浓度的提高冷凉条件下根系对
NO3- 和 NH4+的吸收速率低于常温对照。冷凉条件对山荆子吸收 NO3- 的影响大于 NH4+（图 2）。
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图 2 不同温度下山荆子幼苗 NO3-和 NH4+吸收速率随 NO3-和 NH4+浓度的变化
Fig. 2 Changes of NO3- and NH4+ uptake rate by a fluctuation of NO3- and NH4+ concentration
under different temperature in M. baccata Borkh. seedlings

2.3 冷凉条件对山荆子幼苗根系 NO3- 和 NH4+吸收动力学参数的影响
根据山荆子幼苗常规耗竭试验中不同吸收时间培养液中 NO3- 和 NH4+的浓度变化曲线，得出山
荆子幼苗离子耗竭方程，由此求出离子吸收动力学参数 Imax、Km和α。由表 1 可知，温度显著影响
根系 NO3- 和 NH4+吸收动力学参数，冷凉条件下山荆子幼苗吸收 NO3- 的最大吸收速率为 0.167
mmol · g-1 · h-1，比常温时降低了 20.85%；NH4+的最大吸收速率为 0.190 mmol · g-1 · h-1，比常温时降
低了 17.03%，与常温相比差异均达显著水平。而冷凉条件下山荆子幼苗吸收 NO3-离子的 Km比常温
时增加了 16.67%，差异显著，但吸收 NH4+离子的 Km仅比常温时增加 0.28%，没有显著差异。α反
映养分流入根系的速率，α 值越大，养分离子流入根系的速率越快，反之越慢。冷凉条件降低了山
荆子幼苗吸收 NO3- 和 NH4+离子的α值，分别比常温时降低了 31.11%和 18.60%。常温条件下山荆子
幼苗吸收 NO3- 的 Imax和α值大于吸收 NH4+，而吸收 NO3- 的 Km小于吸收 NH4+，但冷凉条件下反之，
说明冷凉条件对山荆子幼苗吸收 NO3-的动力学参数影响较大。

表 1 冷凉条件下山荆子幼苗根系氮素吸收动力学参数
Table 1 Dynamic parameters of nitrogen absorption in the root of Malus baccata Borkh. seedlings under low temperature
NO3- NH4+ 温度/℃
Temperature Imax/
（mmol · g-1 · h-1）
Km /
（mmol · L-1）
α
（Imax/ Km）
Imax /
（mmol · g-1 · h-1）
Km /
（mmol · L-1）
α
（Imax/Km）
25 0.241 ± 0.05 a 0.468 ± 0.063 b 0.51 a 0.229 ± 0.04 a 0.533 ± 0.066 a 0.43 a
10 0.167 ± 0.03 b 0.546 ± 0.077 a 0.31 b 0.190 ± 0.05 b 0.548 ± 0.051 a 0.35 b
注：表中每列字母表示 0.05水平差异显著。
Note：Different letters in each line indicate significant difference at 0.05 level.
3 讨论
Imax是离子吸收所能达到的最大速率，Imax越大，离子吸收的内在潜力越大，与载体的数目和载
体的转运效率有关；Km为表观米氏常数，是1/2 Imax时的外液浓度，反应载体活性中心与离子亲和力
的大小，Km越小，亲和力越大。Imax较大，Km较小时有利于植物对养分的吸收（Cacco et al.，1980）。
9期 吕德国等：冷凉条件对山荆子幼苗根系氮素吸收动力学参数的影响 1497

本试验中山荆子幼苗根系对不同形态氮素的吸收存在差异，同时氮素吸收动力学参数也受温度
的明显影响。常温条件下山荆子幼苗对 NO3- 离子的 Imax、α 值均高于 NH4+离子，而对 NO3- 离子的
Km值小于 NH4+离子，说明山荆子幼苗对 NO3-离子的吸收与 NH4+离子相比有明显的优势，这与顾曼
如等（1987）对苹果的研究结果一致。冷凉条件降低了山荆子幼苗吸收 NO3- 和 NH4+的 Imax和α值，
但 Km 值增加，这与李振侠等（2005）对不同温度下苹果砧木铁吸收动力学的研究结果一致。研究
表明，根系吸收 NO3- 是逆浓度梯度而进入细胞的，需要由 H+浓度梯度提供能量，而 NH4+的吸收是
逆化学势进行的主动吸收过程。本试验中冷凉条件对吸收 NO3- 离子的影响大于 NH4+离子，导致山
荆子幼苗对 NH4+离子的吸收更具优势，这可能是根系对冷凉条件的适应性反应，通过较多吸收 NH4+
离子减少能量消耗（Miller & Cramer，2004）。
冷凉条件下山荆子幼苗吸收 NO3- 离子的最大吸收速率（Imax）、养分流入根系速率（α）和反应
载体活性中心与离子的亲和力（Km值增加）均显著降低，但仅降低了根系吸收 NH4+离子的最大吸
收速率和养分流入根系速率，而反应载体活性中心对 NH4+离子的亲和力与常温相比并没有明显差
异，由此可见冷凉条件下山荆子载体蛋白与 NO3- 离子和 NH4+离子亲和力的差异是导致根系吸收
NO3- 离子能力下降的主要原因，而不是由于根系中 NO3- 和 NH4+离子载体数量差异引起的。前人对
不同温度下苹果砧木离子吸收动力学的研究表明，低温下载体数量和亲和力均有所降低（王永章 等，
2000；杨洪强 等，2003），这与本研究结果不同，可能与根系对不同元素的吸收机制存在差异有关。

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