1引言

1.1氮在农业生长中的作用

全球粮食生产的持续发展在一定程度上依赖于化肥的施用，因为化肥不仅弥

补了土壤中植物必需元素的不足，而且提高了土壤肥力。氮素是植物生长发育最

重要的营养元素，对农业生产有着广泛而久远的影响。同时氮肥是世界上施用面

积最广、施用量较大的肥料之一。中国的化肥产量和消费量均居世界第1位(王

利等，2008)。1981～2008年，通过发展高投入集约化农业，中国粮食年产量从

3.25亿t增长至5.29亿t。与此同时，氮肥消费量从1118万t增加到3292万t，

增长了近2倍。目前，中国占全球7%的耕地，消耗着全球35%的氮肥(张瑞

丹，2010)。我国在20世纪70年代末开始大量施用氮肥，作物产量不断增加。

据推算，肥料对于粮食产量增加的贡献率达40%左右。但近年来，作物产量并

未随着施肥量的增加而增加，氮肥利用率不断下降，由20世纪60年代每千克氮

素生产8kg粮食减少到90年代的2kg粮食(同延安，2000)。近年来的资料表

明，对于禾谷类作物而言，世界氮肥的平均利用率仅33%(Raun and Johnson，

1999)。有70%左右的氮素通过氨挥发与反硝化作用而损失到空气中，或通过硝

酸盐淋失到地下水与河流中。1991年仅化学氮肥的损失量就相当于3884万t硫

酸铵，价值人民币300亿元，这不仅造成了巨大的资源浪费，还产生了严重的环

境污染问题。鉴于我国年施氮量已超过2000万t，沈善敏(1998)认为这一巨大

基数中即使是微小的份额以硝酸盐和氧化亚氮形态进入环境也将造成极大的危

害。据估计，流入河、湖中的氮素约有60%来自化肥(李生秀，1999)。水体氮

素污染加剧了地面水体的富营养化过程，引起藻类大量生长，使水中氧气耗竭而

导致水生生物死亡或绝迹。硝态氮对地下水的污染更为严重，我国许多城市近郊

地下水的硝态氮含量已严重超标。根据北方14个县市的调查结果，69个点中有

半数以上超过饮用水硝酸盐含量的较大允许值(50mg/L)，其中较高者达

300mg/L，且地下水的硝酸盐含量与氮肥的施用量密切相关(张维理等，

1995)。这已对城市居民的日常生活构成危害。尽管中国农业面源污染的程度已

十分严重，然而，各主要驱动因素仍然有增无减。进入21世纪初，中国农业面

源污染对水体富营养化的影响将进一步加剧，农业和农村发展引起的水污染将成

为中国可持续发展的较大挑战之一(张维理等，2004)。因此，如何提高氮肥利

用率，提高粮食产量，降低环境污染是农业可持续发展的重要课题。

玉米(Zea maysL.)作为我国三大作物之一，自中华人民共和国成立以来

的60多年间，在解决温饱问题、保障粮食和饲料安全、发展国民经济及缓解能

源危机等方面发挥了重要作用。由于其广泛的适应性和应用价值，各国学者把人

均占有玉米的数量视为一个国家畜牧业发展和国民生活水平的主要标志之一。

1996年，我国玉米总产和单产超过小麦而跃居禾谷类作物的第2位。特别是改

革开放以来(1979～2008年)的近30年间，玉米在谷物增产中的贡献更加突

显，这期间我国粮食总产增加1.9659亿t，其中玉米产量增加额为1.0588亿t，

占粮食增产总额的53.86%，远高于稻谷的24.49%和小麦的25.30%(戴景瑞

和鄂立柱，2010)。玉米过量施用氮肥的现象也很严重。20世纪90年代以来我

国玉米的氮肥试验表明，在玉米产量达到10000kg/hm2左右的条件下，施氮量

变幅为200～730000kg/hm2，在北京地区玉米高产记录中，施纯氮量高达878

kg/hm2，平均每千克纯氮仅生产玉米24.2kg(张福锁等，1997)，造成氮肥的

生产效率明显下降。

提高氮肥利用率的农业措施有很多，如选用适当的氮肥品种、改进施肥方

法，应用平衡施肥、配方施肥技术，施用缓释肥、控释肥、尿酶抑制剂、硝化抑

制剂等，均可以在一定程度上有效地提高氮肥利用率。

农业生产中日益突出的经济、生态环境、自然资源等问题迫使人们寻求提高

氮肥利用率的另一重要途径，即挖掘作物高效吸收土壤与肥料氮素的遗传潜力，

从而在一定的氮肥投入条件下获得较高的产量，并减少氮素在土壤中的残留(严

小龙和张福锁，1997)。以尽可能少的肥料投入来获取较高的产量，研究土壤养

分资源高效利用的生物学途径，挖掘作物高效利用养分资源的潜力，对于通过遗

传学手段提高氮肥利用率是非常重要的。

对许多高等植物而言，硝酸盐是旱地植物利用氮素的主要形态(Sattelma-

cher et al.，1990)。在自然生态系统中，土壤溶液中的硝酸盐浓度一般很低，而

在农田生态系统中，由于氮肥的投入，土壤溶液中的硝酸盐浓度可达20mmol/L

(Reed and Hageman，1980)。与其他矿质元素相比，土壤溶液中的硝酸盐对植

物生长起着举足轻重的作用。土壤溶液中的硝酸盐可以通过质流或扩散的形式迁

移至根表，然后被植物吸收利用。植物吸收、同化硝酸盐的能力具有基因型差

异，业已证明，小麦(Cox et al.，1985a；1985b)、玉米(Moll et al.，1982；

and erson et al.，1984；米国华等，1998；刘建安等，1999；陈范骏等，1999)、

水稻(Broadbent et al.，1987)、大麦(Isfan，1990)、燕麦(Isfan，1993)等农

作物的不同基因型对氮素的吸收、利用存在着显著的差异。这种差异是基因型及

环境因素共同作用的结果。遗传改良的先决条件是了解控制作物高效吸收利用氮

素的关键生理过程。对于玉米等非固氮作物，根系吸收硝酸盐是获取氮素的主要

形式。玉米根系由主胚根、种子根、地下节根及地上部的气生根组成，

植物学上这些根又通称为轴根。轴根上着生侧根(Hochholdinger et al.，2004)。

在土壤氮有效性较低的情况下，氮的吸收效率显得尤为重要( and erson et al.，

1984)，而此种情况下的吸收主要是通过增加根系吸收面积来吸取更多的氮素

(Lawlor，2002)。总体而言，增加氮水平能够降低干物质向根系分配的比例，

导致根冠比降低(Bahman and Jerry，1993；v and eWerf and Nagel，1996)。

Wiesler和Horst(1994)指出：在高量氮素供应的条件下，作物也需要保持一

定的根冠比，以满足地上部生长对养分和水分的需求，较大限度地吸收土壤氮

素，减少硝酸盐在深层土壤中的积累和可能的淋失。

在氮素胁迫条件下，植物为了满足其自身的正常生长需求，进化出了很多适

应性反应。其中包括植物根系的生理和形态可塑性(plasticity)(Cregory，

2006；Hodge，2004；刘金鑫等，2009)。根系发育受植物内在遗传因素、所处

发育阶段及外界环境信号的影响，由于这些因素的综合调节，所以植物才能具有

发育可塑性和对环境的适应性。因此，研究不同供氮水平下根系的形态和发生机

制具有重要的意义。

1.2国内外研究现状

一般认为氮通过影响碳水化合物合成及其在根冠间的分配，从而影响根系的

生长(王忠，1999)。近十几年来，随着分子生物学的发展，人们发现硝酸盐不

仅可以作为一种养分资源，而且可以作为根系的信号调节植物的代谢过程

(Crawford，1995)和植物根系的建成过程(Forde and Lorenzo，2001)。这主要

包括两个方面：①植株体内的氮素状态调节根系的生长；②根系局部供应硝酸盐

诱导侧根生长。

1.2.1均一供氮环境对植物根系形态及生理反应的影响

根系的特性不仅由作物本身的遗传特性所决定，还受到其他环境因子的影

响，其中氮是重要的因子之一。施用一定数量的氮肥不仅可以促进根系的生长，

而且可以改变碳水化合物的分配。植物生长在低氮的条件下通常有一个较大的根

冠比(Ericsson，1995；v and eWerf and Nagel，1996；Améziane et al.，1997)。

侧根的数量也比高氮条件下高(Grime et al.，1991)。另外，当土壤中供氮水平

较高，植物体内的氮素积累到一定程度时，植物根系生长受到抑制，这种抑制被

称为"系统抑制"(Forde and Lorenzo，2001；Forde，2002a，2002b)，到目前

为止，这种系统抑制的生理控制过程还不清楚。最早曾有人认为，根冠间的氨基

酸库可能是根系感受植株氮素状况的主要物质，这可能反馈调节根系的生长

(Cooper and Clarkson，1989)。但后来的试验也有相反的证据(Tillard et al.，

1998)。Scheible等(1997a，1997b)利用烟草中部分硝酸还原酶缺失的突变体

及其转基因植株，检测植物组织中硝酸盐水平在调节基因表达代谢和碳在地上部

及地下部之间的分配。由于阻碍了硝酸盐的还原，在低硝酸还原酶活性的转基因

烟草植株中，硝酸盐明显的在地上部积累，结果组织中的硝酸盐水平增加，根系

生长严重受抑，显著增加冠根比，抑制根系生长(Scheible et al.，1997b)。

Scheible进一步做分根实验表明，根生长的抑制作用是由于硝酸盐在地上部的累

积，而不是由于它在根部的累积。这种抑制作用与碳水化合物向根部的运输量减

少有密切的关系，主要是硝酸盐累积导致了糖向根中分配数量下降的结果，最终

导致侧根的数量减少(Stitt and Feil，1999)。这种现象在拟南芥的根系中能够

观察到，当把拟南芥播种到一系列浓度(10～50mmol/L)硝酸盐的垂直琼脂装

置中时，硝酸盐浓度超过10mmol/L时根系的生长就会被抑制(Zhang and

Forde，1998)。这种抑制作用在侧根上尤为明显，在NO-

3浓度为50mmol/L时

侧根的生长几乎被抑制，而对初生根的生长几乎没有影响。以后一系列的研

究揭示出高浓度的硝酸盐产生的抑制作用只是在侧根刚刚出现时期起作用。

(Zhang et al.，1999)。在拟南芥上，这个阶段正是新形成的侧根分生组织被激活

和成熟侧根开始伸长的阶段(Malamy and Benfey，1997c)。Stitt和Feil(1999)

利用具有低硝酸还原酶活性的转基因烟草进行研究表明，植株内积累硝酸盐库用

以调节根系的生长，但具体的调控途径不清楚。此外，Bingham等(1998)、

Coruzzi和Bush(2001)推测，碳代谢产物、多肽及mRNA等可能参与硝酸盐

调节根系生长的反应过程，但缺乏足够的证据。硝酸盐对侧根伸长的刺激作用是

局部的，抑制作用是系统的(Zhang et al.，1999)。但Lexa和Cheeseman

(1997)用硝酸还原酶(NR)缺失的蚕豆突变体做试验并未得到类似的结果。对

不同的植物种类而言，可能说明硝酸盐和其他信号对同化物在根和地上部的分配

有着特异性的机制。在介质中硝酸盐供应水平增加的条件下，蚕豆叶部硝酸盐的

含量并没有相应的增加，而地上部硝酸盐的含量显著比根部低。这种现象很可能

是由于蚕豆本身具有根瘤，硝酸盐不是它主要的氮源。

Forde和Lorenzo(2001)认为，养分对根系的系统调节不能简单地归结为

传统的源-库关系和碳水化合物的变化在根冠间的分配，而是在植物体内存在着

对外部及植物体内的营养状态感受器，胞内和组织内的信号转导途径，这些元件

把植物对营养的反应整合在一起。

Bingham等(1998)以小麦为材料研究表明，侧根的增加与根中糖浓度增加

有关，组织中糖含量增加有可能作为信号调节侧根发生，而不是激素促使韧皮部

中其他物质改变的作用结果。

增加供氮水平能够增加硝酸盐的吸收速率、植物体内硝酸盐的含量、硝酸还

原酶和亚硝酸还原酶的活性及谷氨酰胺合成酶的活性(Jackson et al.，1973；

Shaner and Boyer，1976；Clarkson and Luttge，1991；Wray，1993)。硝酸盐

同化速率增加的结果导致植物体内铵盐、氨基酸、蛋白质和其他含氮的有机化合

物水平提高(Marschner，1995；Scheible et al.，1997a)，也增加了有机酸(Martin-

oia and Rentsch，1994)及激素的含量，但是降低了淀粉的含量(Hofstra et al.，

1985)。总体来讲，氮可以促进植物的生长，但对地上部生长的促进作用优于根系

(Lambers et al.，1990)，并推迟开花的时间(Bernier et al.，1993)。

王艳等(2003)水培试验研究结果表明，低氮有助于根系的纵向伸长，表现

为总根长、根轴长的增加，而侧根密度、侧根长度降低。氮高效基因型在氮素胁

迫下具有比氮低效基因型更长的总根长、根轴总长和平均根轴长，一级侧根数量

较多，但侧根密度、根轴数量并不显著高于氮低效基因型。增加氮水平对根系生

长的促进作用主要源于侧根数量、长度及根轴数量的增加。因此，高氮有利于根

系的横向发育。

1.2.2局部供氮环境对植物根系形态学特征的影响

1.2.2.1土壤养分分布的不均一性

土壤养分分布的不均一性可以被认为是土壤中含有许多大小不等的养分单

元。在耕作土壤中，频繁的耕作和肥料的施用使这些单元在耕层趋于均一，而在

长期无人扰动的土壤中仍然存在。

土壤养分的非均一性分布与多种因素有关。黏土矿物和腐殖质通常是带电荷

的，前者带长期性的负电荷，在黏土颗粒表面优先吸引阳离子，同时排斥阴离

子，因而形成了一个伸展进入土壤溶液的扩散层。随着距黏土颗粒表面距离的增

加，土壤溶液中的阳离子和阴离子浓度分别降低和提高。当肥料颗粒溶解时，它

的盐分向外扩散，水分向内扩散，这就在离子浓度和水分含量方面创造了一个局

部的瞬变梯度。微生物和植物的根通过利用其周围的养分(特别是钾和磷)也能

造成养分的不均匀分布，因为它们在土壤中的扩散速度要比微生物和植物根的吸

收速率慢得多。不连续的条施、穴施肥料也能使作物的养分供应局部化。当土壤

水分排出或上升(蒸散)时，养分也随之在土壤剖面上下移或上动，溶质浓度在

不同层次之间出现差异。植物的残枝落叶、动物粪便和尸体在土壤中的累积以及

它们的矿化也会产生同样的效果。矿化作用的季节性经常产生空间上的变异性

(Gupta and Rorison，1975)。作物残体进入土壤可以在土壤剖面上形成不连续

的有机质包体(vanNoordwijk，1993)，其矿化增加了局部的养分浓度。

不同养分的浓度在不同范围和不同土壤中是不同的。在美国犹他州艾灌丛一

带没有树木的大草原(sagebrush-steppe)上，Jackson和Caldwell(1993a，

1993b)发现，在3cm的范围内硝酸盐的浓度相差3倍，在一个剖面上下只距

12.5cm两点的NO-

3及NH+

4的浓度相差1个数量级。在相似的环境中，Ro-

bertson等(1988)发现在69m69m的地块上NO-

3的浓度相差9倍。在大的

范围内，养分分布的差异会更大(Webster，1991)，这也就是植物种群和群落

地域性分布的内涵。但是，种类分布的地理性变化一定与个体对极小范围内土壤

条件的反应有关。人们对这些反应已做了大量研究。

关于植物对营养富集区反应的研究已经有很多年的历史(Gile and Carrero，

1917；Wiersum，1958)。Gile和Carrero(1917)的试验仍然是最典型的。在他

们的试验中，植物经常遭遇比田间更不连续的养分单元。植物对非均一养分供应

的反应就是刺激养分集中区根系的生长。这种结果已经由Drew和Saker(1975，

1978)、Sattelmacher和Thoms(1989，1995)及Sattelmacher等(1993)证实。

这些反应被认为是一种补偿作用(Smucker et al.，1993)，它们补偿了局部供应

养分给植物造成的胁迫感。这就会给人一种印象，即根生长的地方对养分的获取

最多。然而，人们认为根的局部密集分布暗示土壤中具有养分富集单元的观点是

片面的，很明显，土壤中的其他因素也影响根的空间分布，如土壤的紧实度

(Garcia et al.，1988)和干旱(Sharp and Davies，1985)等。

植物根在不同微环境中的差异生长能力是非常有趣的，它至少可以帮助人们

区分理解植物生命现象的一个方面，它也许是那些固着生长和反复分枝结构生物