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1、第第1515章章. .同位素示踪在木本植物学中的同位素示踪在木本植物学中的应用应用 中国农业大学中国农业大学齐孟文齐孟文植物营养学研究植物营养学研究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
2、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；Burd
3、ett,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）。
4、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
5、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%。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
6、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， 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 植株对肥料氮的利用率（useefficiency）或肥料氮的回收率（recovery）为参考文献：1.Tosell,M.Leafuptakeandsubsequentpartitioning ofureaN asaffectedbytheconcentrationandv
7、olumeofspraysolutionandbytheshootleafpositioninappletrees.Journalofhorticulturalscienceandbiotechnology,2004,79:1,97-1002.Aguirre,P.B. Apple tree rootstock and fertilizer application timingaffect nitrogen uptake. American society for horticulturalscience,2001,36:7,1202-12053.Dong ShuFu Scagel,C.F.So
8、il temperature and plant growth stageinfluencenitrogenuptakeandaminoacidconcentrationofappleduringspringgrowth.Treephysiology,2001,21:8,541-5474.Neilsen,D.Nitrogenuptake,efficiencyofuse,andpartitioningforgrowthinyoungappletrees.JournaloftheAmericanSocietyforHorticulturalScience,2001,126:1,144-1505.N
9、annipitri,P.Theuptakeof15Nenrichedureabyyoungapple trees in a course textured soil. Advance inHorticulturalScience,1995,9:2,61-666.Millard,P. The influence of nitrogen supply on theuptakeandremobilizationofstoredNfortheseasonalgrowthofappletrees.AnnualofBotany,1989,63:3,301-3097.Dirceu Mattos. Bioma
10、ss distribition and nitrogen-15partitioning in citrus trees on a sandy entisol.Soil.Sci.Soc.Am.j.2003,67:555-5638.ClarKC.J.Uptake15NbyKiwfruitvinesfromapplicationnitrogen fertilizer prior to budbreak. Annals ofBotany,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
11、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(Domenachand Kurdali，1989；Millardand Proe，1991；Neilsenetal.，1997；Millardetal.，2001)。定量测定氮素储存与移动的最好方
12、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（Weinbaum et al.，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（Nmmik，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
13、，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（222）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-1 120daftertransplant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（17cm18
14、cm），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
15、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： 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 ： 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
16、刻样品中15N丰度，为15N丰度背景值，重新移动的N（mg）：参考文献：1.ElaFrak.Couplingsapflowvelocityandaminoacidconcentrationsanalternativemethodto15Nlabelingforquantifyingnitrogenremobilizationbywalnuttrees.American Society of Plant Biologists,2002,130:10043-10532.SalifuK.F.NitrogenretranslocationresponseofyoungPiceamarianatonit
17、rogen-15supply.Soil.Sci.Soc.Am.j.2003,67:309-3163.DonatellaMalaguti.TranslocationofaminoacidsinthexylemofappletreesinspringasaconsequenceofN remobilization and root uptake. Journal ofExperimentalBotany,2001,52:361,1665-16714.Flessa j. Partitioning of remobilized N in youngbeechisnotaffectedbyelevate
18、dCO2.AnnalsofForesScience,2005,62:3,285-2885.Scagel.Bi,G.Effectsofspringsoilnitrogenapplicationonnitrogenremobilization,uptake,andpartitioningfornew growth in almond nursery plants. Journal ofHorticulturalScienceandBiotechnology,2004,79:3,431-4366.GrassiGRecyclingofnitrogeninthexylemofprunusaviumtre
19、esstarswhenspringremobilizationofinternalreservesdeclines.TreePhysiology,2003,23:15,1061-10687.TaglivaviniM.Timingofnitrogenuptakeaffectswinterstorageandspringremobilizationofnitrogeninnectarinetrees.PlantandSoil,1999,211:2,149-1538.Flessa,HInfluenceoftreeinternalNstatusonuptakeand translocation of
20、C and N in beech: a dual13Cand15Nlabelingapproach.Treephysiology,2001,21:6,395-4011.3植物氮营养介导关系研究目的意义在混交或套作的森林或农林系统中，不同植物间，尤其是固氮和非固氮植物之间，常存在氮素营养的相互转移的现象，形成营养上依存的共生关系，这种相互关系的研究，是生产管理与生态系统结构与功能研究的重要方面。植物氮可以通过凋零物周转（Paschkeetal.，1989）和根际相互作用(BormannandDeBell，1981)发生转移,菌根(Mycorrhiza)的存在能促进N的根际转移(Van Kesse
21、l et al.，1985；Arnebrant et al.，1993)。用15N标记树的方法N转移的监测常，包括茎注射(SwanstonandMyrold，1998)，叶面施肥(GonzalezPrietoetal.,1995)等方法等。 实验设计例1（RoggyJ.C.2004）N通过凋零物由固氮植物(actinorhizal)向非固氮植物(P.avium)的转移。1）标记凋零物2年的树接种Frankia菌株，移在到3L的盆中，在25个周生长期，以溶液的形式施K15NO3，15N丰度为5.5%，每3天1次，共施用75mgN。 叶 片 被 收 集 ， 烘 干 备 用 。 得 到actinor
22、hizal不 同 品 种 凋 零 物 的 标 记 丰 度 为 ：A.subcordata，0.750.03%；A.incana，0.670.02%；H. rhamnoides ，0.470.01%；和E.angustifolia.，0.740.02%.。2）实验测定于自然气候下种在75L盆中1年生P.avium植株，将标记凋零物(100mgN)围树干放在土壤表面。当年秋后，收集落叶，第2年夏未收获，养本分为叶、枝干和根，测定15N丰度。例2（RoggyJ.C.2004）N通过根际由固氮植物(A.subcordata)非固氮植物(P.avium)的转移。一对固氮和非固氮的植株移栽到125L的盆中
23、，通过叶面喷施K15NO3（15N丰度为15%，00.1mgNml-1）标记固氮植株，每周3次。在9月份，收获植株，养本分为叶、茎和根，测定15N丰度。计量公式1.书写符号脚标，fix固氮；non-fix,非固氮；soil土壤；r根；，转移到；，转移来；N全N产量；固氮植物转移给非固氮植物的N量，Nfix(non-fix)或百分比Pfix(non-fix)；非固氮植物转移给固氮植物的N量，Nnon-fix(fix)或百分比Pnon-fix(-fix)；E15N原子百分超，E=E处理-E对照。2.计算公式 依赖产量的表达式 固氮植物转移给非固氮植物固氮植物转移给非固氮植物N N的比例的比例，通过
24、分析收获后的植物材料，按如下公式计算（Ledgard et al.，1985） （1） 固氮植物转移给非固氮植物的固氮植物转移给非固氮植物的N （2） 非固氮植物中转移N所占的比例（3） 方程(1)表示转移到非固氮植物的标记N在所收获植物的全标记N中所占的比例,如果由叶片吸收的标记N完全保留在植物中,没有向土壤的转移及其它损失,那么方程(1)给出的是标记N到非固氮植物的比例。 如果有明显的土壤转移发生，方程（1）应改写为 （4）不依赖产量的表达式 因为 ，方程（1）可以近似为（5）方程（5）代入（2），作近似，有（6）方程（6）代入（3），有（7）Gilleretal.(1991)认为,收获时
25、氮植物根中的可以代表被转移N的15N丰度,则方程(7)可按下式计算（8）演示实例，来自3个盆栽实验（Ledgardetal.1985；Gilleretal.1991），计算列表:Table1Nuptake，15Nenrichment andestimatreofNtransfer by foliar labeling in legume non-legumeassociationsReferenceSpeciesaNuptake(mgpot-1)15Nenrichment(atom%excess)Pnon-fix(fix)bhootRootShootRootWeightedmeanEqs.1-
26、3Eq.7Eq.8LedgardTrifoliumsubterraneum126270.14080.05290.1251(1985)Loliumrigidum349010800.00570.01010.0790.0810.191GillerPhaseolusvulgaris()265640.4240.5120.4411(1991)Zeamays() 29 29 0.033 0.176 0.1045 0.227 0.237 0.204(1992)Phaseolusvulgaris() 311 64 0.580 0.514 0.5687Zeamays() 84 41 0.024 0.118 0.0
27、548 0.093 0.096 0.107参考文献1.Chalk P.M. Estimating nitrogen transfer byfoliar 15N-labelling in legume-non-legumeassociations.BioFertil.Soils,1997,24:3239-2422.Mugendi D.N. Nitrogen recovery by alley cropped maize and trees from 15N-labeledtree biomass in the sub-humid highlands ofkeneya.BioFertil.Soils,2000,31:97-101
