氮素供给对甘草根系呼吸动态及生物量积累的影响研究

[摘要]探究不同氮素供给对甘草根系呼吸及生物量积累的影响规律，揭示通过影响根系呼吸来调控甘草生物量积累的途径。在6月至10月，每7 d对控制环境条件下的甘草播种苗施用氮（N）浓度为0，0.5，1，2，4，8 mmol・L-1的全营养液，每月月底测定甘草不同级别根系呼吸速率及生物量，分析甘草根系生物量与呼吸速率的相关性。研究结果表明，氮素显著影响甘草根系呼吸速率和根系生物量积累，通过相对抑制生长呼吸速率以提高生物量而使两者呈负相关，并在8 mmol・L-1氮浓度处理时有最佳的抑制甘草根呼吸而提高根系生物量的效果。

[关键词]甘草； 系呼吸； 氮素； 生物量； 相关性

甘草Glycyrrhiza uralensis Fish.的根及根茎是重要的植物药，在世界范围内应用广泛，仅中国年消耗甘草量约为5 000 t，过度的采挖导致甘草野生资源严重匮乏，致使供需问题日趋严重[1]。多年来，为了有效提高人工栽培甘草的产量，研究者在水分[2]、养分[3]、密度[4]等影响甘草产量的因子方面做了积极探索研究，但其调控机制仍需进一步阐明。根系呼吸是影响植物初级生产力的重要因素，根系的净初级生产力占到植物总净初级生产力的50%～80%[5]。植物光合作用每天同化的碳有30%～60%被呼吸作用消耗掉，其中很大一部分（10%～50%）是由根呼吸释放的，而根呼吸所消耗的碳主要为新根生长、维持生命活动以及吸收养分提供能量[6]。根呼吸受土壤养分因素的影响较大，所有营养元素中氮素（N）对根呼吸的影响最大[7]。目前关于药用植物的根系呼吸及氮素对根系呼吸和生物量影响的研究尚未见报道。甘草的根系既是药用部位，又是重要的营养器官，对药材的产量和质量起着重要的决定作用。研究表明，在甘草的生产实践中，肥水调控是较常用的人工管理方式，而氮素对甘草的生物量有正效应[8]。故本文以甘草播种苗为研究对象，研究甘草根系呼吸及生物量积累对氮素供给的响应特点，揭示通过影响根系呼吸来调控甘草生物量积累的途径，为提高人工栽培甘草的产量提供研究基础资料。

1材料与方法

1.1试验地概况

试验地设于北京中医药大学中药学院药用植物栽培试验区内，地理坐标为39°55′N，116°28′E，海拔54.7 m，年平均气温11.8 ℃，1月份均温-4.3 ℃，7月份均温25.90 ℃，年均地面温度13.50 ℃，年平均降雨量577 mm，年平均蒸发量1 861 mm，年均相对湿度62%。

1.2试验材料及培育

试验所用PVC管圆柱形，管口直径30 cm，管长80 cm。2011年4月份将PVC管填埋于试验园中，管口高出地面5 cm，在管中填充砂壤土，土壤有机质0.286%，碱解氮为35.88 mg・kg-1，速效磷为3.0 mg・kg-1，速效钾为85.18 mg・kg-1，pH 7.87，CaCO3 2.71%。

试验用甘草种子来源于内蒙古伊克昭盟杭锦旗试验基地，经北京中医药大学副教授孙志蓉鉴定为甘草G. uralensis Fisch.种子。于2011年5月中旬播种，出苗后，每根PVC管选留4株甘草苗，每周浇1次营养液，每管每次1 L，浇灌营养液在上午8：00―9：00进行。营养液配方参照Hoagland营养液以及任军[9]营养液配方，试验中通过改变营养液中 NH4NO3浓度设计5个浓度梯度，即营养液中总N元素浓度分别为0.5，1，2，4，8 mmol・L-1，对照组（CK组）每周浇等量清水，进行正常管护。

1.3试验设计

1.3.1 根系呼吸的测定 根系呼吸采用离体根系法测定。在6―10月的每月底，选择晴朗天气，9：00―16：00取样测定。取样时，刨出PVC管，纵向劈开后，用喷壶淋浇至土壤与根系分离，保持根系的完整性。后用蒸馏水清洗干净，用湿纱布包裹并及时测定。将根系取出后，按主根为0级根，支根为1级根进行分级，分级后，在根系切面涂抹凡士林（防止产生创伤呼吸），然后放入Li-7000叶室内，待气体流动稳定后读数，测定根系释放的CO2的浓度，并根据CO2通量按照测定样品的体积计算得到体积呼吸速率，不能及时测定呼吸的根系置湿纱布内短时间保存，各重复6次。全部操作在装有空调的实验室进行，空调温度设定为当日10 cm地表温度。

1.3.2 根系扫描 将测定完呼吸值的根系，采用Epson Expressin 10000XL扫描仪获取形态结构图像，并用专业的根系形态学和结构分析应用系统Winrhizo软件，对根系体积等指标进行测定分析。扫描时尽可能平放根系，避免根系相互重叠。

1.3.3 根系生物量测定 各级别的根系测定呼吸通量后置于80 ℃烘箱，烘至恒重后进行称量。

1.3.4 数据分析 采用SPSS 19.0数据统计分析软件进行。

2结果

2.1不同施N浓度甘草根系呼吸动态变化

对6―10月采集的不同施N浓度甘草播种苗的不同级别根系样品进行测定，计算根系体积呼吸速率，得到的数据分析见图1，2。

由图1，2可以看出，甘草播种苗在不同N浓度处理下，0级根及1级根体积呼吸速率随时间变化规律不一致。各浓度甘草0级根除CK组呈峰型曲线，在7月份出现峰值外，其他施N组甘草0级根的体积呼吸速率基本均随时间变化呈下降趋势（P

在观测期内，甘草播种苗1级根呼吸速率均高于0级根，本文研究结果与任军等在林木研究中的结论一致[9]。

2.2不同施N浓度甘草根系生物量动态变化

对6月至10月份采集的不同施N浓度甘草播种苗的不同级别根系样品烘至恒重后称量，得到不同级别甘草生物量数据见表2，3。

6―10月，不同施N浓度甘草播种苗的不同级别根系生物量测定结果见表2，3。各浓度处理下的甘草0级根、1级根生物量在不同月份具有明显的差异（P

2.3甘草根系生物量与体积呼吸速率相关性

6―10月甘草不同级别根系生物量与体积呼吸速率拟合方程及相关性分析，见表4。

从表4可以看出，甘草根系生物量与体积呼吸速率呈负相关，且大多0级根相关系数较1级根相关系数大，提示甘草根系体积呼吸速率与0级根联系更加紧密。施N可以提高体积呼吸速率与甘草根系生物量的相关性，且8 mmol・L-1浓度较其他组别有最好的相关性，说明在此研究方法内，8 mmol・L-1施N浓度可以最好的调控根呼吸而提高甘草根系生物量。

为了解甘草根系生物量与体积呼吸速率负相关的原因以及施N后甘草根系呼吸调控其生物量的具体机制，故分别计算生物量及呼吸速率的年增长率，生物量增长率=（各浓度生物量年平均值-CK组生物量年平均值）/CK组生物量年平均值；呼吸速率增长率=（各浓度呼吸速率年平均值-CK组呼吸速率年平均值）/CK组呼吸速率年平均值，其结果见图3，4。

图4表明，甘草0级根生物量除在0.5 mmol・L-1施氮浓度时较CK组负增长外，其他浓度处均为正增长，并随着施N浓度的增加生物量增长率也随之增加，并在8 mmol・L-1施氮浓度处生物量有最高增长率。甘草1级根生物量施N组较CK组生物量均为正增长，但不同施N浓度下增长率相差不大。图4表明，甘草0级根体积呼吸速率在1，2 mmol・L-1施N浓度时较CK组负增长，其他浓度处均为正增长，其增长率呈先下降后上升的趋势。甘草1级根体积呼吸速率在各施N浓度处均为负增长，亦随着施N浓度的增加，其体积呼吸速率增长率呈先下降后上升的趋势。图3，4表明，N素供给可以促进甘草0级根、1级根生物量的积累，所有施N浓度下均抑制1级根的体积呼吸速率，1，2 mmol・L-1施N浓度下抑制0级根的体积呼吸速率，且在0.5，4，8 mmol・L-1施N浓度时0级根的体积呼吸速率增长率也均小于其生物量的增长率，因此推测，施氮后可通过抑制甘草根系呼吸速率而增加其根系生物量。

3小结与讨论

本研究结果表明，甘草根系生物量与体积呼吸速率呈负相关，并且0级根较1级根与根呼吸的相关性更加密切。施N可提高体积呼吸速率与甘草根系生物量的相关性，在8 mmol・L-1施N浓度有最好的相关性，0级根-0.989，1级根-0.558，提示此8 mmol・L-1施N浓度可更好地调控根系呼吸强度提高其生物量。

根呼吸受大气中CO2浓度[15]、土壤温度[16]、土壤养分[17]、土壤含水量[18]等因子的影响，其中温度的影响最大，研究发现林木根呼吸速率与温度在短期内呈指数关系、阿列纽斯特征曲线关系、线性关系或非线性关系等[19-21]，且绝大多数研究结果表明其与10 cm地表温度的相关性最大。因此甘草根系呼吸随温度的变化总体上呈单峰型曲线，结合甘草根系生物量，施N组生物量较CK组高，推测N素的施用，加速了甘草生长，故而施N组在6月时根系呼吸速率最高，而CK组最高根系呼吸速率出现在7月。

甘草的主根为入药部分，之前的研究也大都集中在各因子对主根的影响上，而对甘草生长起关键作用的支根的影响确研究甚少。研究表明，细根是根系中最活跃的部分[22]，对土壤养分、水分的有效性非常敏感，在植物生长过程中起着转导信息等功能[23]，因此其对植物的生长发育起着决定性的作用。本研究中1级根（属于细根）较0级根有较高的体积呼吸速率和较低的生物量积累，表明1级根为0级根的生长提供支持。1级根为高周转率的根系，其生长、发育、死亡周期比较短，本研究中1级根施N组比CK组生物量普遍提高48%，但不同施N浓度间1级根生物量差异不大，推测一方面N素可以刺激细根的生长，另一方面N素对1级根的影响应该是通过影响其周转率从而引起0级根生物量积累的差异，而非影响其生物量积累产生作用，但需进一步验证。

植物中90%的N以蛋白质的形式存在[24]，大部分的维持呼吸会用于支持蛋白质的修复、更新和周转[25]，研究表明蛋白质周转与修复大约消耗总维持呼吸的20%[24]。通常施N会通过提高植物组织的含氮量，而提高植物的呼吸速率，尤其是维持呼吸速率。施N对于植物生长呼吸的影响目前仍不十分清楚[15]。本研究中施N后甘草0级根、1级根的生物量均增加，因此其维持呼吸速率均应增加，故施N处理下甘草根系生物量与体积呼吸速率呈负相关，是由于生长呼吸受到抑制而造成的。

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Effect of nitrogen supply on biomass accumulating and root respiration

dynamic changing of Glycyrrhiza uralensis

GUO Pei-jun1， WU Guo-feng1*， LIU Wen-lan2， FAN Yu-ling1， NIU Guang-li1， WU Guang-ming1， SUN Zhi-rong2

（1. Fenghuangshan Mine Hopital of Jincheng Anthracite Company， Jincheng 048007， China；

2. Beijing University of Chinese Medicine， Beijing 100102， China）

[Abstract] This paper aimed to study the effect nitrogen supplying on biomass accumulation and root respiration dynamic change of Glycyrrhiza uralensis and reveal the metabolic pathway of root respiration impact the biomass accumulating of G. uralensis. Six groups of one-year-old G. uralensis were fertilized with total nutrition containing various nitrogen concentration （0，0.5，1，2，4，8 mmol・L-1） every week. At the end of every month， from June to October， the volume respiration rate and biomass of different classes of root samples were determined， and the correlation between root respiration and biomass was analyzed. The results indicated a negative correlation between volume respiration rate and biomass， nitrogen supply significantly affected both root respiration and biomass of G. uralensis by reducing root respiration and increasing root biomass. Under 8 mmol・L-1 nitrogen supplying， there existed the optimal inhibition of root respiration， which has increased biomass of G. uralensis.

[Key words] Glycyrrhiza uralensis； root respiration； nitrogen； biomass； correlation

doi：10.4268/cjcmm20140908