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；Vitousek and Howarth，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（Chapin et al.，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（Dirceu Mattos et al.，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；Bausenwein et al.，2001），N的储存主要发生在秋季，以皮及木质蛋白质和氨基酸（Wetzelet al.，1989；Sagisaka，1993；Stepienat et al.，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（Burdett et al.，1984；van den Driessche，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（Chapin et al.，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（Millard and Neilsen，1989；Deng et al.,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（Roggy J.C. et al.,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(use efficiency),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%。,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 ，,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（use efficiency）或肥料氮的回收率（recovery）为,参考文献： 1.Tosell,M. Leaf uptake and subsequent partitioning of urea N as affected by the concentration and volume of spray solution and by the shoot leaf position in apple trees. Journal of horticultural science and biotechnology,2004,79:1,97-100 2.Aguirre,P.B. Apple tree rootstock and fertilizer application timing affect nitrogen uptake. American society for horticultural science,2001,36:7,1202-1205 3.Dong ShuFu Scagel,C.F.Soil temperature and plant growth stage influence nitrogen uptake and amino acid concentration of apple during spring growth. Tree physiology,2001,21:8,541-547 4.Neilsen,D. Nitrogen uptake, efficiency of use, and partitioning for growth in young apple trees. Journal of the American Society for Horticultural Science,2001,126:1,144-150,5.Nannipitri,P. The uptake of 15N enriched urea by young apple trees in a course textured soil. Advance in Horticultural Science,1995,9:2,61-66 6.Millard,P. The influence of nitrogen supply on the uptake and remobilization of stored N for the seasonal growth of apple trees. Annual of Botany,1989,63:3,301-309 7.Dirceu Mattos. Biomass distribition and nitrogen-15 partitioning in citrus trees on a sandy entisol. Soil.Sci.Soc.Am.j.2003,67:555-563 8.ClarK C.J. Uptake 15N by Kiwfruit vines from application nitrogen fertilizer prior to budbreak. Annals of Botany,1993,71:311-316,1.2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；Bausenwein et al.，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,（Wetzel et al.，1997；Millard et al.，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(Domenach and Kurdali，1989；Millardand Proe，1991；Neilsen et al.，1997；Millard et al.，2001)。定量测定氮素储存与移动的最好方法是基于15N富集(Millard and Neilsen，1989)或贫化(Deng et al.，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；Millard and Proe，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（Ela Frak，2002），也可标记土壤氮，即外源氮标记（Ksalifu K.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（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）。,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64mg N/每树和10mg N/每树。次年移栽云杉苗到盛有酸洗沙的塑料盆（17cm18cm），进行肥料N处理，施氮250mgN/每盆（200Kg Nha-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(Ela Frak2002) 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500cm3，8molN m-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：,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(Ela FraK,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）：,参考文献： 1. Ela Frak. Coupling sap flow velocity and amino acid concentrations an alternative method to 15N labeling for quantifying nitrogen remobilization by walnut trees. American Society of Plant Biologists,2002,130:10043-1053 2.Salifu K.F. Nitrogen retranslocation response of young Picea mariana to nitrogen-15 supply.Soil.Sci.Soc.Am.j.2003,67:309-316,3.Donatella Malaguti. Translocation