原位内生根方法测定枇杷树细根呼吸的研究原位内生根方法测定枇杷树细根呼吸的研究

刘功辉 李坤 彭欢等

摘要[目的]探索一种原位沙培内生根的根呼吸测定方法，并同离体测定方法相结合观测成熟枇杷[Eriobotrya Japonica （Thunb.） Lindl.]果树的细根呼吸。[方法]将枇杷细根放入装有洗脱了有机质河沙的根室内培养11 d后，分别在5个时间点每隔2 h用Li8100 CO2测定系统（Licor，USA）测定内生根的CO2排放量。[结果]所有内生根样品直径范围在0.69～2.15 mm，非内生根样品直径范围在0.66～1.70㎜；根呼吸速率在近地表温度20.5～30.5 ℃和0～5㎝土层温度15.9～23.3 ℃范围内测定的平均值为7.52±4.96 nmol/（DM2·s），非内生根离体测定值1.76±0.20 nmol/（DM2·s），内生根法原位测定值是非内生根离体测定值的3倍。[结论]内生根方法通过改进可以用于成熟林木细根呼吸乃至其他代谢活性研究。

关键词内生根法；离体根法；沙培；细根呼吸；枇杷

中图分类号S667.3文献标识码A文章编号0517-6611（2014）01-00012-03

基金项目国家自然科学基金项目（31070548，31170578）。

作者简介刘功辉（1988- ），男，江西于都人，硕士研究生，研究方向：森林生态系统碳氮循环。*通讯作者，教授，从事森林碳氮循环方面研究，Email：r.gao@hotmail.com。

收稿日期20131210人类活动使得全球大气变化加剧，特别是温室气体的大量排放，使得森林生态系统碳循环引起国内外学者的高度关注。土壤呼吸是全球碳循环的主要途径之一。Hanson等[1]研究表明，根系呼吸占土壤总呼吸的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态系统碳素循环中重要的反馈途径之一[2-3]，在调节碳循环过程中发挥着十分重要的作用[4-6]。严格的根呼吸属于自养呼吸，包括活根组织呼吸、共生菌根真菌呼吸、分解刚刚死亡的根组织和根分泌物的微生物呼吸[7]。但是，在实际研究过程中，很难将根呼吸和根际微生物呼吸以及根呼吸产生的CO2和土壤碳矿化产生的CO2区分开来。这已经成为定量研究根圈碳通量的最大挑战之一[8] 。目前，根呼吸的测定主要有直接测定和间接测定2种方法。间接测定法包括根系去除法、壕沟隔断法和林间空隙法[9]。直接测定法包括离体根、PVC管气室法、同位素法等[10]。其中，离体根法和管气室法是2种常用的基本方法。由于植物根呼吸很难从土壤呼吸中分离出来，其野外原位测定一直未能得到很好地解决。该研究以枇杷（Eriobotrya Japonica （Thunb.）Lindl.）树为对象，探索一种根呼吸原位测定方法-原位内生根法，为研究成熟林木根呼吸及其他生态生理活性提供科学方法。

1材料与方法

1.1研究地概况研究地位于福州市闽侯县福建师范大学旗山校区实验地的枇杷园（26°5′N，119°10′E）。枇杷果园约建立于2000年，面积0.2 hm2，栽植密度2 m×2 m，间作有龙眼树（Democarpus longdan Lour.），枇杷树龄7年，平均高4.4 m，平均基径19.1 cm，平均冠幅2.79 m。该区域气候类型为中亚热带海洋性季风气候，气候暖热、湿润，夏长冬短，光热资源丰富，霜冻少，无霜期长，240～320 d，作物生长期长。平均气温在9～11 ℃，最冷月气温在10 ℃左右，最热月气温在28 ℃左右。年平均降水量1 673.9 mm，年总辐射为448.94 kJ/cm2。供试土壤为红壤，有机质含量平均为39.00 g/kg，全氮含量平均为1.46 g/kg。

1.2试验材料

1.2.1基质。培养基质为普通河沙。过0.5 mm筛，用清水反复清洗，直到水呈无色透明，以去除黏土和有机质；用浓度3%的盐酸溶液浸泡3～4 d，去除砂粒表面的碳酸钙和其他盐类，然后用清水清洗，直到水中没有氯离子为止；用蒸馏水漂洗几次，烘干后装入干净的带盖容器中待用。

1.2.2根室。根室为PVC材料，内径100 mm，外径99 mm，高120 mm，底盖钻5个直径1 mm小孔用于排水，侧面钻若干直径3 mm小孔，数量、位置安装视根系情况而定。根室同时用作Li8100腔室的底座。离体根测定用的腔室也用相同材质和直径的PVC材料制成，高度30 mm。

1.2.3营养液。采用荷格伦特（Hoagland）完全营养液（配方为1.大量元素，每升培养液中加入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，每升培养液中加入H3BO3 2.86 g，MnCl2·4H2O 1.81 g，ZnSO4·7H2O 0.22 g，CuSO4·5H2O 0.08 g，H2MoO4·H2O 0.02 g）。营养液先配制贮备液，使用时将其稀释为所需浓度，配置贮备液时将所需各种试剂分别溶解，并分别用棕色试剂瓶盛装，置于避光阴凉处保存。在配制稀释液时，用0.1 mol/L NaOH和HCl调pH至5.6。

1.3野外安装与观测共有6个根室和6个相应的对照（编号A、B、C、D、E、F，试验结束时发现B组损坏）。在安装根室时，在每个所选安装根室的适当位置挖直径20 cm、深10 cm的洞，并将其中的根小心剥离出来，根据根的实际位置在根室的相应部位用便携式手钻钻3 mm直径的孔，将剥离出来的根用蒸馏水清洗，清洗后用滤纸吸干。将处理好的根穿入事先做好的根室内，并用704胶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馏水和营养液，最后填入沙子于地面平齐，并且保证根室露出地表2 cm，根室内水分相当于沙子的最大持水量。把挖出的土部分回填于根室四周的缝隙中并压实。各根室的对照除无根外其他处理相同。各根室、对照在不测定CO2通量时用一种透气、不透水的薄膜盖住，防止干湿沉降、凋落叶和其他杂物进入以及下雨时溅入泥土。试验共培养观测11 d，营养液分2次加入根室中，其中第1次（5月3日，安装根室时）加入所需营养液总量的60%，第2次（5月6日）加入所需营养液总量的40%。每月施肥量为4 g N/m2 。

根室、对照于2007年5月3日安装，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测定系统测定CO2通量（nmol/（DM2·s）），同时用温度计（Sato，SK250WP）和土壤水分测定仪（TDR，TDR300）测定各根室和对照周围的土壤温度和体积含水量（10 cm深）。在5月13日，还进行非内生根呼吸离体测定以及内生根呼吸离体测定。前者每测完一组根样品后隔5 min（实际是3～9 min）再测定1次。

当非内生根离体测定时，将根小心挖出后，用蒸馏水小心润洗干净，再用滤纸吸干和原位保存。测量时剪下并立即（<1 min）放入离体根测定用的腔室内，用Li8100进行呼吸测定，测量后用润湿的滤纸包裹，放入自封袋保存，带回实验室用电子天平称量（0.000 1 g），用扫描仪（Expression 1680，ETSON）扫描。扫描图像在计算机上用根系图象分析系统（WINRHIZO）测定直径、根长、表面积、体积等形态指标。扫描后，根系在65 ℃下烘24 h，称烘干后质量（0.000 1 g），计算根含水率。烘干根样品用微型粉碎机粉碎，用C/N 元素分析仪（Elementar Vario EL III）测定C、N含量。

5月13日，在进行每个内生根室根呼吸原位后就进行内生根离体测定。内生根离体测定和处理方法同前非内生根离体方法。采用各处理的面积基呼吸通量（nmol/（DM2·s））减去对照组的面积基呼吸通量（nmol/（DM2·s）），再由根系干物质量换算成干物质基的呼吸通量（nmol/（DM2·s））。

1.4数据分析数据分析用软件为SPSS11.5，方差分析用ANOVALSD方法。显著性水平P=0.01。

2结果与分析

2.1原位内生根呼吸由表1可知，所采集枇杷内生根样品直径范围为0.69～2.15 mm，平均为1.25 mm；根系的含水率为0.40～0.64 g/g，变化较大。由表2可知，在观测期内，近地表温度变化20.5～30.5 ℃，近地表空气湿度57.1%～70.2%，0～5 cm土壤温度15.9～23.3 ℃，近地表CO2浓度407.2～420.5 mg/kg。由表3可知，在以上测定环境中，原位测定内生根呼吸速率平均值为7.52 ± 4.96 nmol/（DM2·s），变化范围为3.20～14.09 nmol/（DM2·s）。

2.2离体非内生根呼吸由表4可知，枇杷非内生根样品直径范围0.66～1.70 mm，平均1.14 mm；非内生根呼吸离体测定值1.76 ± 0.20 nmol/（DM2·s），变化范围1.47～2.06 nmol/（DM2·s）。由表5可知，根离体后3～9 min测定值比1 min内测定值偏低，但差异不显著。

表3原位测定内生根呼吸速率位置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标准差1.203.763.415.263.10表4枇杷树非内生根样品生物学参数

2.3原位内生根与离体根测定的比较方差分析表明，内生根法原位测定值比非内生根离体测定值大3倍。国外也有类似的报道[11-12]。但是，由于目前根呼吸真值测定方法还在探索中，还很难解释这一现象。内生根离体测定值比内生根法原位测定值低，部分说明根的活性在根室培养过程中受一定的影响。与非内生根相比，内生根的含水率变化较大，说明沙培法对根的活性也有所影响。

2.4内生根原位根呼吸的环境影响在内生根呼吸原位测量期间，不同处理近地表温度、地面温度、湿度等参数间变化（包括日变化和日间变化）不明显，导致内生根呼吸同温度、湿度的相关关系也不明显。这说明内生根各处理的测定环境比较一致，有利于试验内生根方法的评价。另外，根室内外的温度测定结果表明两者差别不显著，说明原位测定温度条件同周围土壤环境的一致性。

2.5原位内生根方法评价由图1可知，内生根法测定的根呼吸在不同时间不同处理间出现波动，除了与选择根样品本身性质不同有关外，还与测定环境条件差异（但这种差异不显著）及测定方法本身限制有关。测定方法本身限制可能有以下方面。

（2）对照的有效性。试验设立的对照处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测定误差。但是，由于对照和根室存在一定的距离，对照的效果有一定的局限性。

（3）根围的密封性。试验根穿过根室后的侧孔空隙用704胶封闭时可能未黏闭好，导致根室内CO2泄露或外界环境中CO2进入根室内，而对照没有侧孔，因而对照对此误差难以校正，需要今后在操作时改进。

（4）根系的扰动性。由于内生根处理时需要把土壤中根剥离出来，洗净后插入根室中培养。这种转移可能对根造成一定的伤害，对根的呼吸造成一定的影响。另外，用营养液进行根培养，最大限度地模拟根的生长环境，但培养基质与原位土壤有一定的差异，今后可考虑使用原位灭菌土壤作为培养基质。

3结论

原位内生根方法的限制因素是可以通过选择材料和细心操作加以克服的。总之，内生根方法通过改进可以用于成熟林木细根呼吸及其代谢活性研究。

安徽农业科学2014年参考文献

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