第15章.同位素示踪在木本植物学中的应用

第15章.同位素示踪在木本植物学中的应用中国农业大学齐孟文植物营养学研究1.氮素营养学研究在陆地生态系统中，氮素营养经常是植物生长的限制性因子（Cole，1981；VitousekandHowarth，1991），植物氮的经济使用在植物生产与生存过程中具有关健作用（Chapinetal.，1990），为了提高经济性林木的果品生产能力，同时防止硝态氮对地下水的污染，必需不断改进氮肥的有效使用与管理，提高氮肥利用的效率，这将是农业科学需要面对和解决的一项长期任务（DirceuMattosetal.，2003），15N示踪作为直接进行氮肥利用率测定的方法，已经成为氮肥使用与管理研究的重要手段。与一年生草本植物不同，多年生生草本和木本植物在氮素供应过量时可以将其储存起来，并在植株对土壤氮的吸收受到限制时重新调用并用于植物生长（Millard，1996；Bausenweinetal.，2001），N的储存主要发生在秋季，以皮及木质蛋白质和氨基酸（Wetzeletal.，1989；Sagisaka，1993；Stepienatetal.，1994）的型式储存于根和茎(Millard，1996)，调用主要发生于无性苗木生根发育初期（Burdettetal.，1984；vandenDriessche，1985；Burdett,1990）以及越冬树木早春生长期，此时土壤温度低根系吸收慢（Chapinetal.，1986；Atkin，1996），除此之外，植物生长过程中氮素装卸及源--库关系调控，又是林木和果品生产实现优质高产的生理基础，目前认为15N（富集或贫化）示踪是定量N的储存与调用以及源--库关系的最准确的方法（MillardandNeilsen，1989；Dengetal.,1989）。在植被混杂的森林生态系统，氮素营养可通过植物凋零物或根际作用在混杂树种间的相互转移，氮素营养的这种依存关系影向着生态系统的构成和演化，同位素示踪为氮素营养转移提供直接测定的方法（RoggyJ.C.etal.,2004）。森林系统中的全球氮素循环的重要部分，15N示踪研究是阐明氮循环与周转的基本方法，如用于研究大气氮在森林植被上的沉淀（Schulze，1989）以及林间凋零物N在土壤中周转等。1.1改进氮肥肥效的研究目的意义改进高氮肥使用效率(useefficiency),即植物对氮的回收率(recovery),不但可以提高果木生产的产出率，而且可以防止农业施肥可能对地下水造成污染，对影响氮肥使用效率的因子，如肥料类型、施肥方式、施肥时间等其它因子与肥效关系开展研究，是提高肥料使用与管理水平需要解决的长期课题。15N示踪，因能将肥料氮素与土壤的氮素相互区分，提供了一种唯一的能够直接测定肥料利用的方法。实验设计指标变量体系：植物的N肥利用率，生物学性状，经济产量以及氮素平衡等；因子变量体系：单矿质肥料因子，包括：肥料种类，如15NH4-N，15NO3-N，（15NH2）2CO-N；肥料剂型，如颗粒肥料，复混肥料，复合肥料，液体肥料；施肥方式，如根部土壤施肥，叶面施肥；施肥时期，如不同生育期施肥；矿质肥料与有机肥料、土壤水分、气象与环境等其它因素的交互作用因子。标记肥料15N丰度的选择，可按如下公式估算：式中，W～施肥量或植物生物产量，N～含氮量(%)，a～原子百分超，R～肥料利用率，f、p～肥料或植物。对于肥料实验，一般取15N丰度为5%-10%。RNWaNWaffpppf计量公式在样品15N丰度分析测量基础上，以植物各器官作样本单位进行的计算。相关公式如下：植物某一器官（i）中的氮素来自肥料的百分比为式中，和分别植物器官（i）和标记肥的15N原子百分超，，其中，100)(100)()((%))(0fipifSifiaaNNNNdffipa)(faiipipaaa)()()(/0/和分别是标记植物和非标记参考植物相应器官的15N丰度。器官（i）吸收的肥料氮量为式中，是器官（i）的生物量和含氮量。对整株植物，和分别可以表示为对各器官的氮含量的加权平均，即fipiNiidffipifaaCWNNN)(%)()()()(ipa)('ia)('0iNiCW%)(,dffNpaipipippNaNa)()()(植株对肥料氮的利用率（useefficiency）或肥料氮的回收率（recovery）为ipfipipfpdffNaaNaaN)(]/)[()(ffipiPfdffiPfdffpNaaNNNNNNNR]/)[()()(参考文献：1.Tosell,M.LeafuptakeandsubsequentpartitioningofureaNasaffectedbytheconcentrationandvolumeofspraysolutionandbytheshootleafpositioninappletrees.Journalofhorticulturalscienceandbiotechnology,2004,79:1,97-1002.Aguirre,P.B.Appletreerootstockandfertilizerapplicationtimingaffectnitrogenuptake.Americansocietyforhorticulturalscience,2001,36:7,1202-12053.DongShuFuScagel,C.F.Soiltemperatureandplantgrowthstageinfluencenitrogenuptakeandaminoacidconcentrationofappleduringspringgrowth.Treephysiology,2001,21:8,541-5474.Neilsen,D.Nitrogenuptake,efficiencyofuse,andpartitioningforgrowthinyoungappletrees.JournaloftheAmericanSocietyforHorticulturalScience,2001,126:1,144-1505.Nannipitri,P.Theuptakeof15Nenrichedureabyyoungappletreesinacoursetexturedsoil.AdvanceinHorticulturalScience,1995,9:2,61-666.Millard,P.TheinfluenceofnitrogensupplyontheuptakeandremobilizationofstoredNfortheseasonalgrowthofappletrees.AnnualofBotany,1989,63:3,301-3097.DirceuMattos.Biomassdistribitionandnitrogen-15partitioningincitrustreesonasandyentisol.Soil.Sci.Soc.Am.j.2003,67:555-5638.ClarKC.J.Uptake15NbyKiwfruitvinesfromapplicationnitrogenfertilizerpriortobudbreak.AnnalsofBotany,1993,71:311-3161.2储存氮素调用的研究目的意义多年生植物具有储存和调用氮素的生理功能，对氮素储存和调用过程及其调控机理进研究，可有效地进行植物氮素营养的管理。多年生草本和木本植物，在氮素供应充盈时一般会将多余的氮储存起来已备需要时调用（Millard，1996；Bausenweinetal.，2001）。储存一般发生在头一年秋后和冬季，氮主要储存于根和茎，以储藏蛋白或氨基酸的形式储于存树皮及木质部（Wetzeletal.，1997；Millardetal.，2001），调用一般发生次年的春季，在根吸收之前或与根吸收同时，用以树木抽芽和新梢生长(DomenachandKurdali，1989；MillardandProe，1991；Neilsenetal.，1997；Millardetal.，2001)。定量测定氮素储存与移动的最好方法是基于15N富集(MillardandNeilsen，1989)或贫化(Dengetal.，1989)的示踪技术，示踪法能精确定量进出植物组织的养分通量（Weinbaumetal.，1987；MillardandProe，1993），它不但能够精测定氮的重新移动，而且确定所涉及到的不同的氮库（Nômmik，1990）。实验设计为了测定植株中的重新移动，实验方法要能够区分已存在于植株内的氮与新从土壤吸收的氮。15N示踪可以通过标记植株氮，即内源氮标记（ElaFrak，2002），也可标记土壤氮，即外源氮标记（KsalifuK.F.，2003）的两种基本方案进行。例1（K.F.Salifu，2003）黑云杉氮的再运转对15N-氮供给的响应。实验处理，三个因子，每个因子两个水平，构成（222）个处理，每处理2个重复单位，组成1个区组（16个单元），共3个随机区组（48单元）。N储备状态肥料N养分取样时间水平164mgtree-1250mgtree-160daftertransplant水平210mgtree-10mgtree-1120daftertransplant实验的头一年，对苗床培育的云杉苗进行N储备装载处理，装载与非装载苗被施以混合肥料液，培养18周，各得到64mgN/每树和10mgN/每树。次年移栽云杉苗到盛有酸洗沙的塑料盆（17cm18cm），进行肥料N处理，施氮250mgN/每盆（200KgNha-1），或不施氮。N肥为15NH415NO3（15N丰度为5%），在移栽后第1，2和第3周分3次随浇灌施入。取样分析，分别在移栽后60d和120d进行，样品被分为根、老梢和新梢。例2(ElaFrak2002)实验的头一年，用35dm3盆的沙土栽培一年岭胡桃树苗，共48盆，每周浇灌500cm3，8molNm-3d的N营养液，N肥为15NH415NO3,15N丰度为4.98%,对植株N库进行标记。次年将树苗从原来的盆中移出，洗去可能粘着的培养介质，换到一个新的沙土盆，N营养液换成非标记的，供给同上。在生育期相继12日期全株收获，对各器官进行取样分析。计量公式1.外源氮标记(参见K.F.Salifu,2003)样品的测定变量，15N的丰度或变异数，当丰度度接近天然的丰度时用表示:式中，和分别为样品和标准（0.366%）的15N丰度。植物吸收的标记肥料（mg），按下式计算：1000)1(SXaaaXaSafN式中，植物的全氮产量，，和分别为被标记肥料处理植物，标记肥料和未被标记肥料处理植物样品的15N丰度。在新生的器官中，来自内部的非标记N，即重新移动的：)(00aaaaNNfptftNpafa0arN)1(00aaaaNNNNfptftr2.内源氮标记(ElaFraK,2002)植株器官N库中内源N的百分比，在新生的器官中，即重新移动的N的百分比，其计算公式：式中，，分别为植株在供给外源N时t=0时刻内源N库的15N丰度和t时刻样品中15N丰度，为15N丰度背景值，重新移动的N（mg）：100(%)000aaaaNpptdfp0papta0a参考文献：1.ElaFrak.Couplingsapflowvelocityandaminoacidconcentrationsanalternativemethodto15Nlabelingforquantifyingnitrogenremobilizationbywalnuttrees.AmericanSocietyofPlantBiologists,2002,130:10043-10532.SalifuK.F.Nitrogenretranslocationresponseo