原位內生根方法測定枇杷樹細根呼吸的研究原位內生根方法測定枇杷樹細根呼吸的研究

劉功輝 李坤 彭歡等

摘要[目的]探索一種原位沙培內生根的根呼吸測定方法，并同離體測定方法相結合觀測成熟枇杷[Eriobotrya Japonica （Thunb.） Lindl.]果樹的細根呼吸。[方法]將枇杷細根放入裝有洗脫了有機質河沙的根室內培養11 d后，分別在5個時間點每隔2 h用Li8100 CO2測定系統（Licor，USA）測定內生根的CO2排放量。[結果]所有內生根樣品直徑范圍在0.69～2.15 mm，非內生根樣品直徑范圍在0.66～1.70㎜；根呼吸速率在近地表溫度20.5～30.5 ℃和0～5㎝土層溫度15.9～23.3 ℃范圍內測定的平均值為7.52±4.96 nmol/（DM2·s），非內生根離體測定值1.76±0.20 nmol/（DM2·s），內生根法原位測定值是非內生根離體測定值的3倍。[結論]內生根方法通過改進可以用于成熟林木細根呼吸乃至其他代謝活性研究。

關鍵詞內生根法；離體根法；沙培；細根呼吸；枇杷

中圖分類號S667.3文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）01-00012-03

基金項目國家自然科學基金項目（31070548，31170578）。

作者簡介劉功輝（1988- ），男，江西于都人，碩士研究生，研究方向：森林生態系統碳氮循環。*通訊作者，教授，從事森林碳氮循環方面研究，Email：r.gao@hotmail.com。

收稿日期20131210人類活動使得全球大氣變化加劇，特別是溫室氣體的大量排放，使得森林生態系統碳循環引起國內外學者的高度關注。土壤呼吸是全球碳循環的主要途徑之一。Hanson等[1]研究表明，根系呼吸占土壤總呼吸的10%～90%，其中森林植物的根系呼吸占45.8%，非森林植物的根系呼吸占604%。根系的呼吸作用是生態系統碳素循環中重要的反饋途徑之一[2-3]，在調節碳循環過程中發揮著十分重要的作用[4-6]。嚴格的根呼吸屬于自養呼吸，包括活根組織呼吸、共生菌根真菌呼吸、分解剛剛死亡的根組織和根分泌物的微生物呼吸[7]。但是，在實際研究過程中，很難將根呼吸和根際微生物呼吸以及根呼吸產生的CO2和土壤碳礦化產生的CO2區分開來。這已經成為定量研究根圈碳通量的最大挑戰之一[8] 。目前，根呼吸的測定主要有直接測定和間接測定2種方法。間接測定法包括根系去除法、壕溝隔斷法和林間空隙法[9]。直接測定法包括離體根、PVC管氣室法、同位素法等[10]。其中，離體根法和管氣室法是2種常用的基本方法。由于植物根呼吸很難從土壤呼吸中分離出來，其野外原位測定一直未能得到很好地解決。該研究以枇杷（Eriobotrya Japonica （Thunb.）Lindl.）樹為對象，探索一種根呼吸原位測定方法-原位內生根法，為研究成熟林木根呼吸及其他生態生理活性提供科學方法。

1材料與方法

1.1研究地概況研究地位于福州市閩侯縣福建師范大學旗山校區實驗地的枇杷園（26°5′N，119°10′E）。枇杷果園約建立于2000年，面積0.2 hm2，栽植密度2 m×2 m，間作有龍眼樹（Democarpus longdan Lour.），枇杷樹齡7年，平均高4.4 m，平均基徑19.1 cm，平均冠幅2.79 m。該區域氣候類型為中亞熱帶海洋性季風氣候，氣候暖熱、濕潤，夏長冬短，光熱資源豐富，霜凍少，無霜期長，240～320 d，作物生長期長。平均氣溫在9～11 ℃，最冷月氣溫在10 ℃左右，最熱月氣溫在28 ℃左右。年平均降水量1 673.9 mm，年總輻射為448.94 kJ/cm2。供試土壤為紅壤，有機質含量平均為39.00 g/kg，全氮含量平均為1.46 g/kg。

1.2試驗材料

1.2.1基質。培養基質為普通河沙。過0.5 mm篩，用清水反復清洗，直到水呈無色透明，以去除黏土和有機質；用濃度3%的鹽酸溶液浸泡3～4 d，去除砂粒表面的碳酸鈣和其他鹽類，然后用清水清洗，直到水中沒有氯離子為止；用蒸餾水漂洗幾次，烘干后裝入干凈的帶蓋容器中待用。

1.2.2根室。根室為PVC材料，內徑100 mm，外徑99 mm，高120 mm，底蓋鉆5個直徑1 mm小孔用于排水，側面鉆若干直徑3 mm小孔，數量、位置安裝視根系情況而定。根室同時用作Li8100腔室的底座。離體根測定用的腔室也用相同材質和直徑的PVC材料制成，高度30 mm。

1.2.3營養液。采用荷格倫特（Hoagland）完全營養液（配方為1.大量元素，每升培養液中加入1 mol/L KH2PO4 1 ml，1 mol/L KNO3 5 ml，1 mol/L Ca（NO3）2 5 ml，1 mol/L MgSO4 2 ml；2.微量元素，每升培養液中加入H3BO3 2.86 g，MnCl2·4H2O 1.81 g，ZnSO4·7H2O 0.22 g，CuSO4·5H2O 0.08 g，H2MoO4·H2O 0.02 g）。營養液先配制貯備液，使用時將其稀釋為所需濃度，配置貯備液時將所需各種試劑分別溶解，并分別用棕色試劑瓶盛裝，置于避光陰涼處保存。在配制稀釋液時，用0.1 mol/L NaOH和HCl調pH至5.6。

1.3野外安裝與觀測共有6個根室和6個相應的對照（編號A、B、C、D、E、F，試驗結束時發現B組損壞）。在安裝根室時，在每個所選安裝根室的適當位置挖直徑20 cm、深10 cm的洞，并將其中的根小心剝離出來，根據根的實際位置在根室的相應部位用便攜式手鉆鉆3 mm直徑的孔，將剝離出來的根用蒸餾水清洗，清洗后用濾紙吸干。將處理好的根穿入事先做好的根室內，并用704膠大致封住插入根的小孔。分3次填入沙子，每次填入沙子后定量加入蒸餾水和營養液，最后填入沙子于地面平齊，并且保證根室露出地表2 cm，根室內水分相當于沙子的最大持水量。把挖出的土部分回填于根室四周的縫隙中并壓實。各根室的對照除無根外其他處理相同。各根室、對照在不測定CO2通量時用一種透氣、不透水的薄膜蓋住，防止干濕沉降、凋落葉和其他雜物進入以及下雨時濺入泥土。試驗共培養觀測11 d，營養液分2次加入根室中，其中第1次（5月3日，安裝根室時）加入所需營養液總量的60%，第2次（5月6日）加入所需營養液總量的40%。每月施肥量為4 g N/m2 。

根室、對照于2007年5月3日安裝，于5月4、6、8、10日每隔2 h（即7：00、9：00、11：00、13：00、15：00、17：00）用Li8100 CO2測定系統測定CO2通量（nmol/（DM2·s）），同時用溫度計（Sato，SK250WP）和土壤水分測定儀（TDR，TDR300）測定各根室和對照周圍的土壤溫度和體積含水量（10 cm深）。在5月13日，還進行非內生根呼吸離體測定以及內生根呼吸離體測定。前者每測完一組根樣品后隔5 min（實際是3～9 min）再測定1次。

當非內生根離體測定時，將根小心挖出后，用蒸餾水小心潤洗干凈，再用濾紙吸干和原位保存。測量時剪下并立即（<1 min）放入離體根測定用的腔室內，用Li8100進行呼吸測定，測量后用潤濕的濾紙包裹，放入自封袋保存，帶回實驗室用電子天平稱量（0.000 1 g），用掃描儀（Expression 1680，ETSON）掃描。掃描圖像在計算機上用根系圖象分析系統（WINRHIZO）測定直徑、根長、表面積、體積等形態指標。掃描后，根系在65 ℃下烘24 h，稱烘干后質量（0.000 1 g），計算根含水率。烘干根樣品用微型粉碎機粉碎，用C/N 元素分析儀（Elementar Vario EL III）測定C、N含量。

5月13日，在進行每個內生根室根呼吸原位后就進行內生根離體測定。內生根離體測定和處理方法同前非內生根離體方法。采用各處理的面積基呼吸通量（nmol/（DM2·s））減去對照組的面積基呼吸通量（nmol/（DM2·s）），再由根系干物質量換算成干物質基的呼吸通量（nmol/（DM2·s））。

1.4數據分析數據分析用軟件為SPSS11.5，方差分析用ANOVALSD方法。顯著性水平P=0.01。

2結果與分析

2.1原位內生根呼吸由表1可知，所采集枇杷內生根樣品直徑范圍為0.69～2.15 mm，平均為1.25 mm；根系的含水率為0.40～0.64 g/g，變化較大。由表2可知，在觀測期內，近地表溫度變化20.5～30.5 ℃，近地表空氣濕度57.1%～70.2%，0～5 cm土壤溫度15.9～23.3 ℃，近地表CO2濃度407.2～420.5 mg/kg。由表3可知，在以上測定環境中，原位測定內生根呼吸速率平均值為7.52 ± 4.96 nmol/（DM2·s），變化范圍為3.20～14.09 nmol/（DM2·s）。

2.2離體非內生根呼吸由表4可知，枇杷非內生根樣品直徑范圍0.66～1.70 mm，平均1.14 mm；非內生根呼吸離體測定值1.76 ± 0.20 nmol/（DM2·s），變化范圍1.47～2.06 nmol/（DM2·s）。由表5可知，根離體后3～9 min測定值比1 min內測定值偏低，但差異不顯著。

表3原位測定內生根呼吸速率位置05040506050805100513A1.8512.336.246.4812.72C4.484.851.842.7616.21D3.222.542.003.2410.17E2.147.409.4915.2318.09F4.308.977.5910.5713.28平均值3.207.225.437.6614.09標準差1.203.763.415.263.10表4枇杷樹非內生根樣品生物學參數

2.3原位內生根與離體根測定的比較方差分析表明，內生根法原位測定值比非內生根離體測定值大3倍。國外也有類似的報道[11-12]。但是，由于目前根呼吸真值測定方法還在探索中，還很難解釋這一現象。內生根離體測定值比內生根法原位測定值低，部分說明根的活性在根室培養過程中受一定的影響。與非內生根相比，內生根的含水率變化較大，說明沙培法對根的活性也有所影響。

2.4內生根原位根呼吸的環境影響在內生根呼吸原位測量期間，不同處理近地表溫度、地面溫度、濕度等參數間變化（包括日變化和日間變化）不明顯，導致內生根呼吸同溫度、濕度的相關關系也不明顯。這說明內生根各處理的測定環境比較一致，有利于試驗內生根方法的評價。另外，根室內外的溫度測定結果表明兩者差別不顯著，說明原位測定溫度條件同周圍土壤環境的一致性。

2.5原位內生根方法評價由圖1可知，內生根法測定的根呼吸在不同時間不同處理間出現波動，除了與選擇根樣品本身性質不同有關外，還與測定環境條件差異（但這種差異不顯著）及測定方法本身限制有關。測定方法本身限制可能有以下方面。

（2）對照的有效性。試驗設立的對照處理最大限度地避免因根室底部排水孔和根室微生物污染所造成的測定誤差。但是，由于對照和根室存在一定的距離，對照的效果有一定的局限性。

（3）根圍的密封性。試驗根穿過根室后的側孔空隙用704膠封閉時可能未黏閉好，導致根室內CO2泄露或外界環境中CO2進入根室內，而對照沒有側孔，因而對照對此誤差難以校正，需要今后在操作時改進。

（4）根系的擾動性。由于內生根處理時需要把土壤中根剝離出來，洗凈后插入根室中培養。這種轉移可能對根造成一定的傷害，對根的呼吸造成一定的影響。另外，用營養液進行根培養，最大限度地模擬根的生長環境，但培養基質與原位土壤有一定的差異，今后可考慮使用原位滅菌土壤作為培養基質。

3結論

原位內生根方法的限制因素是可以通過選擇材料和細心操作加以克服的。總之，內生根方法通過改進可以用于成熟林木細根呼吸及其代謝活性研究。

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