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   氮肥及钼離子对油菜及青梗白菜硝酸盐累积量之影响






    

    摘 要

    近年來蔬菜中硝酸盐含量累积议题渐受到重视,因此本试验选用油菜及青梗白菜为材料,探讨氮肥施用浓度、型态及钼離子添加对于其植体内硝酸盐累积量之影响,冀能生产低硝酸盐含量之蔬菜。以尿素为氮肥來源,随着尿素施用浓度增加,油菜及青梗白菜植体硝酸盐累积量亦随之增加,且施用浓度和植体地上部鲜重之间呈现二次正相关,R2值分别为0.96 及0.98 。而在不同氮素型态施用方面,施用硝酸态氮之植株有较高的硝酸盐累积量,其次为尿素态氮及铵态氮。此外,葉面喷施钼離子可增加硝酸还原酶活性并减低植体内硝酸盐累积量,其中,油菜以施用0.45 和0.6 mg . L-1H 2MoO4·H2 O效果较佳,而青梗白菜则以施用0.30 和0.45 mg. L-1 ,H 2 MoO4 ·H2O 有较佳的表现。关键字:硝酸态氮、铵态氮、钼、硝酸还原酶、油菜、青梗白菜。前 言随着国人生活水准的提高,日常饮食摄取从「量」的需求逐渐趋向于「质」的提升。蔬菜内含大量的维生素、矿物质、纤维素及植物性化学成分(phytochemicals) 等物质,除了维持人体健康所必须之外,更有抗氧化、预防心血管疾病、减低癌症发生率及辅助维生素发挥有效等生理机能,极具保健的效益。然而,蔬菜中硝酸盐累积之问题早有诸多报告(9),近年來民众和政府也日益关心食物中硝酸盐及亚硝酸盐污染含量所产生的危害议题。 1996年聯合国糧农组织/ 世界卫生组织聯合食品添加物专家委员会(The Joint FAO/WHO Experts Committee on Food Additives, JECFA) 评估且制订每人每日硝酸盐摄取安全容许量为0~3.7 mg. kg-1. day-1(22)。事实上,硝酸盐本身并无毒性,但其会与血红素反应代谢生成过多的变性血红素(met-haemoglobin),造成红血球携氧能力降低,若长期摄食含过量硝酸盐的食物,可能会导致毒性效应,如发绀(cyanosis) 症狀,尤其是婴儿更容易罹患之,严重的话会造成呼吸急促、震抖、心律困难,甚至窒息(20)。另一方面,硝酸盐可造成内生性氮- 亚硝基化合物(N-nitroso compounds)的合成,如亚硝胺(nitrosamines),而亚硝胺经由动物实验已被确认为致癌物质,同时对动物有导致畸胎和突变的作用蔬菜中硝酸盐累积量决定于硝酸盐吸收、同化、运送及植株本身生长速度等,除了遗传因子造成种類、品种间累积量不同之外(1),植株不同年龄及部位间硝酸盐累积差異性也很大(8),此外,栽培时环境因子如光线及温度、采收时间及采收后储藏条件亦都影响其硝酸盐含量(4,6)。植物所吸收之硝酸态氮肥主要运输至葉片,利用光合作用固定之能量还原为铵态氮,再经代谢成胺基酸,但在低光照、低温或缺钼元素下,还原作用缓慢,吸收超量植物合成需要,导致硝酸态氮在植物体内累积。然而,降低葉類蔬菜硝酸盐量的途径一是控制植株根系的吸收速率,降低吸收量,可由肥料种類和施肥量影响之,二为加速硝酸盐在植物体内的还原,通常以改善植物营养代谢速率,进而强化硝酸还原酶活性而达到这一目的。钼为植物生长发育所需之必要微量元素,在植物氮代谢中扮演着关键的作用,其除了为固氮酶中钼铁蛋白(Mo-Fe protein) 的成分,亦为植体内硝酸还原酶(nitrate reductase) 的组成成分(12,15)。因此,本试验选用高硝酸盐累积量之油菜及青梗白菜为试验材料,就氮施肥用量与型态及钼離子添加三方面探讨其对植体内硝酸盐累积之影响,冀能生产低硝酸盐含量之安全蔬菜。

    材料与方法

    试验材料

    试验采用购自农友种苗之油菜" 秀珍" ( Brassica campestris "Show Jean") 及青梗白菜" 青江"( Brassicanrape chinenses "Ching Chiang") 为材料,种子播种于直径16.8 cm之塑胶硬盆中,内含泥炭苔(Fafard No. 1, Conrad Farad, Agawam, MA)、三号珍珠石及三号蛭石( 南海蛭石工业股份有限公司,台湾) 混合介质(v : v : v = 6 : 1 : 1) ,每盆种植三穴,每穴播三粒种子,萌芽后选每穴选留一健壮者。植株栽种于28/25±2℃之温室,光线条件采自然光源及光周期,栽培期间视介质水分狀态浇水以维持植株正常生长。

    试验项目

    一、氮肥施用浓度及型态对于硝酸盐含量之影响

    试验于2009年8~10月进行,植株于播种后10日开始进行处理。在氮肥浓度试验方面,以尿素( 台湾肥料股份有限公司,台湾) 为氮肥來源,每星期施用尿素溶液一次,分别施用0、0.25 、0.5、1 及2 g. L-1五个浓度,每次、每盆施用500 mL,植株于播种后28天采收并调查其地上部鲜重及植体硝酸盐含量。

    在氮肥不同型态施用方面则分为铵态氮、尿素态氮及硝酸态氮三处理,并以栽培期间未施用氮肥植株为对照组(CK)。參考林(2007)(5)养液配方( 表一),每盆、每星期施用500 mL养液一次。植株于播种后28天采收并调查其生长表现,包含株高、地上部鲜重、根长、葉片葉綠素值以葉綠素计SPAD-520 (Minolta. Co. Ltd., Japan)测定并及分析植体内硝酸盐含量。此外,各处理之栽培介质样品先经风干处理,再以2 mm筛网过筛后利用饱和土壤水抽出法分析其化学特性,介质静置隔夜并过濾取其濾液,以桌上型pH/ 电导度计PC-510 (EUTECH, Singapore)测定其电导度及pH值。

    二、钼離子添加硝酸盐含量之影响

    试验于2009年10~12 月进行,植株于播种后10天后每周施用1 g. L-1尿素一次,并于栽培期间每天喷施0 、0.15 、0.3、0.45 、0.6、1.0 mg . L-1H2 MoO4 ·H2O (Sigma Co., USA) ,每盆喷施量以布满全部葉面并有多余水量流下为原则,此外,以栽培期间未施用氮肥植株为对照组。植株于播种后28天采收并调查其生长表现( 如试验一) 、植体内硝酸盐含量及葉片硝酸还原酶活性。

    ( 一) 硝酸盐测量

    取植株地上部为分析样品,秤重后加入样品10倍重量之去離子水以均质机POLYTRON PT3100 (Kinematica AG., Switzerland)均质,均质液以1 号濾纸(Whatman Ltd.,UK) 过濾后取其濾液以硝酸盐浓度计B-341 (HORIBA Ltd., Japan) 量测,并换算成每克鲜重所含之硝酸盐含量。

    ( 二) 硝酸还原酶活性测量

    依据Jaworski (1971)(17)方法修正,取由内往外數第四片完全整开葉,打洞取0.2 g葉圆片置于试管中,加入5 mL萃取液(2.5 mL 0.2 M KH2 PO4, pH 7.5 、0.25 mL 100% 2-propanol、1.15 mL 去離子水、0.1 Ml 0.05% chloramphnicol 、1 mL 0.1 M KNO3) ,于25℃、150 rpm 、黑暗水浴槽中震荡30分钟,随后加入1 mL 内含1% sulfanilic acid 之3 M HCl 终止反应,再加入1 mL 0.02% N-(1-naphthyl ethylene) diamine . 2HCl震荡30分钟使呈色均匀。利用分光光度计U-3000 (Hitachi Ltd., Tokyo, Japan)量测540 nm波长下之吸光値,另以0、20、40、60及80 μ g . mL-1KNO2 建立标准曲线。

    统计分析

    试验采用完全逢机试验设计(Completely random design, CRD),每一处理共3 重复,每一重复取5 株调查,试验數据以CoStat 6.2统计软体(CoHort Software, USA) 进行最小显著差(Leastsignificant difference, LSD)分析,分析各处理间之差一显著性( P =0.05),并利用Sigma Plot 10.0(SPSS Inc., Chicago, IL) 进行回归分析。14

    结果与讨论

    氮肥施用浓度及型态对于硝酸盐含量之影响

    氮肥对蔬菜硝酸盐含量的影响主要表现在施肥量、肥料种類及形态、施用时期等方面(13,14)。在氮素施肥量对蔬菜硝酸盐累积影响方面,许多研究已指出,在光线及温度等环境因子一定下,氮肥的施用量与葉類蔬菜体内硝酸盐含量呈显著或极显著正相关(18,19)。在本试验中,随着尿素施用浓度增加,油菜及青梗白菜植株地上部鲜重随着尿素施用浓度增加而增加,兩者呈一二次正相关,R2值分别为0.87 及0.90 ,但从其回归曲线來看,施用1.0 g·L-1尿素对其地上部鲜重表现已足够,更高的尿素浓度对其鲜重和生育表现并无较佳( 图一A ),而外观上亦无差異(图二)。此外,植体内硝酸盐累积量亦随尿素施用浓度增加而增加,施用浓度和硝酸盐含量之间呈现二次正相关,R2值分别为0.96 及0.98 (图一B)。

    由于以往农友为了提生产量,常过量施用肥料,虽短时间获利但却对土壤造成伤害。此外,植体内硝酸盐累积量会随着氮肥施用量增加而提高,且在低温或光线不足情况下,植株同化能力降低,硝酸盐更容易累积(4,14),食用之对人体健康可能会造成伤害。因此,从本试验结果可呼应合理化的施肥观念,以降低生产过程中肥料的成本、减低对土壤的伤害、并生产较为健康安全的蔬菜。

    植物吸收氮素可以是无机态氮型态的铵态氮和硝酸态氮,或是一般葉菜類则常施用的有机态氮的尿素。在氮肥型态对于硝酸盐累积量影响之试验中,氮素型态对于油菜及青梗白菜其地上部鲜重、根长及葉片葉綠素计SPDA-520 之讀值无影响,而对株高及根鲜重表现则有显着差異性。其中,青梗白菜以施用铵态氮之植株株高较其他处理( 尿素及硝酸态氮) 低,甚至和未施肥之对照组差不多;在根鲜重表现方面,油菜及青梗白菜皆以硝酸态氮处理植株有较佳的鲜重,其值分别为0.72 及1.42 g ,尿素态氮及氨态氮施用则无显著差異性( 表二、图三) 。此外,在硝酸盐累积量方面,不論是油菜或青梗白菜均以硝酸态氮施用之植株有较高硝酸盐累积量,其值分别为3830.7 及4830.7 μ g . g-1FW.,其次为尿素态氮及铵态氮,但兩者之间则无显著差異( 表三) ,显然,对于油菜及青梗白菜而言,硝态态氮肥比其它氮源更易引起硝酸盐积累。

    植物可吸收铵态氮和硝酸态氮兩种形式的无机态氮,若植物吸收铵态氮后可直接进入麸氨酸(glutamate) 循环而进行同化作用(assimilation) 合成氨基酸。而吸收硝酸态氮后则先需代谢还原(metabolic reduction) 成铵态氮(7)。铵态氮必须在酸性和还原狀态( 如淹水) 下才能稳定存在,在碱性及好气条件下其会以氨气挥发或被土壤中硝酸细菌能快速进行硝化作用(nitrification) 将NH4+变成NO3-,且一旦植体内pH值升高,NH4+即和OH-反应产生氨(NH3) ,而只要少量的NH3 就成产生毒害现象,如根尖褐化腐爛、葉片黄化、坏疽(13)。因此对一般植物而言,硝酸态氮是大部分土壤中主要有效态氮型态。故在本试验中,油菜根鲜重及青梗白菜株高与根鲜重表现以施用铵态氮处理较差,但从外观则无明显铵毒害现象,而施用硝酸盐对于油菜及青梗白菜株高和根鲜重表现虽较佳,但植体内硝酸盐累积量亦较多( 表二和三) 。

    在介质化学性质分析中,氮素施用型态对介质电导度和pH值均有显著的影响。铵态氮处理之介质EC值较高,其主要原因为铵離子带正电荷,可被带负电荷的土壤胶体所吸附,与其他氮肥相比较不易移动与淋洗损失,一般肥效持续的时间较长;相反的,硝酸态氮处理之介质EC较低,因为硝酸根带负电,不易为土壤胶体所吸附,极易流失所致(21)。

    本试验中,无論油菜或是青梗白菜施用铵酸态氮处理之介质pH值(4.73和4.36)均较未施用氮素之对照组(6.07和6.04)來的低,且有显著差異;硝酸态氮施用之介质其pH值(6.41和6.64)虽未与施用氮素之对照组在统计上有显著差異,但其值均较高( 表三) ,其主要原因为植物在吸收铵态氮后因铵離子被吸收后遗留酸根与硝化作用都产生氢離子,极易使土壤酸化(2,3);而硝酸盐为生理碱性肥料,大量使用时,易使土壤pH值变高。所造成致(21)。若长期施用铵态氮肥土壤逐渐酸化,土壤中的碱性阳離子( 钙、镁) 被易氢或溶解性金属置换并藉由土壤渗流而出,导致植物根部吸收缺乏,且土壤酸化亦导致土壤中还原性、低活性微生物族群增加,逐渐减缓植物残留物的分解及植物重要营氧物的循环。

    钼离子添加硝酸盐含量之影响

    为了降低蔬菜硝酸盐的含量,除了上述从氮肥施用量及种類选择着手外,目前普遍采用氮肥硝化抑制剂來抑制土壤硝化细菌活性,而阻止硝化作用的发生,减少土壤和蔬菜的硝酸盐积累。硝化抑制剂主要有双氰胺(dicyandiamide) 、2- 氯-6- 三氯甲基吡啶(2-chloro-6-(trichloromethyl) pyridine) 等,其中双氰铵具有无残留、易分解等特性较为理想。而在植物生长必要元素中,钼和植物氮素吸收和代谢有相当关系,然而关于钼離子施用减少植体内硝酸盐含量则少有报导(11)。本试验以H 2 MoO4 ·H2 O 作为钼離子來源,并以喷施的方法于栽培时添加。在钼離子对植体生长影响方面,钼離子添加对油菜其株高、地上部鲜重、根长及葉片SPAD-502 讀值无影响,且各浓度之间无显著差異性,唯根鲜重表现受钼離子施用影响,根重表现较差,但浓度间仍无差異。青梗白菜之株高、地上部鲜重、根鲜重、根长及葉片SPAD-502 讀值均不受钼離子施用影响,表示本试验施用浓度仍在其适合范围,对其生育并无造成影响( 表四) 。

    钼離子的确可降低油菜和青梗白菜植体内硝酸盐累积量,日后可针对不同物种适合浓度、钼離子施用方法及型态作更进一步研究。

    本试验中硝酸盐累积量的降低可能是因为硝酸还原酶活性增加所造成,硝酸还原酶催化了硝酸盐还原成亚硝酸盐,进而还原成铵,其主要存在于植物的根和葉子细胞的细胞质中。硝酸还原酶是由兩个相同的次单位(subunit) 所构成,分子量约250 kDa ,每个单体含有flavinadenine dinucleotide (FAD) 、heme-Fe 和钼辅因子(molybdenum cofactor. MoCo)等组成份,这些成分在催化的过程中扮演电子传递着的角色,在还原过程中,电子从NAD(P)H传至FAD,再经Heme-Fe 传至MoCo,然后将硝酸根还原成亚硝酸根(12)。因此,本试验添加钼離子,增加其MoCo含量,活化硝酸还原酶的活性,并促进硝酸盐还原成亚硝酸盐。由上述试验结果得知,植体中硝酸盐的累积与氮肥浓度、型态及钼離子有密切之关系。因此,从本试验结果中可建议油菜及青梗白菜栽培以每星期施用1.0 g·L-1尿素并每日分别施用200.45 及30 mg . L-1,H 2 MoO4 ·H2 O ,同时,配合其他影响因子如品种、光线、温度、采后储藏方式、储藏温度等,以降低生产蔬菜之硝酸盐含量。此外,亦可利用不同氮肥形态选用或组合、分期施用、甚至施用缓效氮肥等方法生产低硝酸盐含量之安全蔬菜。


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