氮肥與植物

氮肥與植物 (Fertilizer)
臺北市忠孝國民中學自然領域張馨文實習老師/國立臺灣師範大學生命科學系張永達副教授責任編輯

氮元素是生物所需的必要元素之一，可以構成生物體中的胺基酸與核酸。在大氣含有相當多的氮元素，氮氣約佔現今大氣量中五分之四，但是高等植物本身無法直接利用空氣中的氮元素，當氮氣透過「固氮作用（Nitrogen fixation）」、「硝化作用（Nitrification）」轉變為銨鹽（Ammonium）或硝酸鹽（Nitrate）後，這些硝酸鹽、銨鹽或是未解離的氨等無機含氮化合物才能被植物吸收利用。對異營性的動物而言，則只能仰賴植物將無機氮轉變為有機氮，再經攝食的方式來攝取所需的氮源。

在農業上，一般以尿素（Urea）作氮肥施加在土壤中，這些無機氮肥會被土壤中的細菌轉化成硝酸鹽，而帶負電的硝酸鹽沒有辦法藉由擴散作用通過細胞膜，故必須藉由主動運輸的方式進入根細胞，植物會依賴細胞膜上的氫離子幫浦，消耗ATP，造成氫離子濃度差異，將硝酸鹽運送到根細胞內，經由根部吸收，再由木質部運輸，硝酸鹽會在根部或是葉子進行硝酸鹽同化的生理作用。

事實上，過度施用肥料並不會對植物與環境帶來好處，因為帶負電的硝酸鹽無法附著於同帶負電的土壤上，所以沒有被植物吸收的硝酸鹽容易因雨水沖刷，流入地下水體，造成土壤、水源等環境的汙染。同時也會使植物體內累積大量的硝酸鹽，當動物食用後會造成健康上的危害。 當土壤中鹽分增高時，使得土壤中水勢能(water potential)隨之降低，植物根部吸水能力隨之降低，可能導致植物根部脫水的狀況。

因為鹽分的累積，使生活在土壤中的微生物的固氮酵素、尿素水解酵素、磷酸酯酵素等的酵素活性降低，造成有機物轉化成無機物的效率降低，減少將氮氣轉化成氨(NH₃)，降低銨離子(NH⁴⁺)轉化成硝酸離子(NO^3-)，而磷酸酯酵素效能降低也連帶使有機態的磷轉化成無機態的磷之效能降低。 在植物細胞質內的硝酸還原酶 (nitrate reductase, NR)會將硝酸鹽還原為亞硝酸，亞硝酸再被運送至葉綠體和根部的原質體(proplastids)內，被細胞中的亞硝酸還原酶 (nitrite redrutase, NiR)還原為銨離子(NH⁴⁺)，而過量銨離子會降低植物細胞膜的通透性，對植物細胞造成毒害。

經由植物硝酸還原作用生成或是由土壤吸收的銨離子，之後會在植物體內的「氨同化作用」轉變成有機含氮化合物，合成胺基酸與核酸。