玉米根系分泌碳、氮動態及與根系特征的關系

萬一兵，唐嵐嵐，展 茗，尚春輝，袁嘉儀，秦明廣

（華中農業大學植物科學技術學院/農業農村部長江中游作物生理生態與耕作重點實驗室，武漢430070）

0 引言

根際沉積是根系分泌物、粘液和脫落的根系表皮細胞進入土壤的過程。量化根系分泌物碳、氮對于研究土壤-植物-微生物的碳、氮循環具有重要意義。但根系分泌物釋放到根系周圍土壤中后，短期內能快速轉化，野外條件下原位觀測難度大，因此很難量化測定[1-2]。有研究表明一年生植物根含碳約為植物凈固定碳的30%～60%，其中40%～90%因根際沉積和微生物呼吸損失[3]。有研究表明，禾谷類作物凈固定碳的20%～30%轉移到地下，其中一半用于根際沉積[4-6]，玉米根際沉積對土壤有機碳的貢獻率為4%～25%[7]。而根際沉積氮可以占到植物吸收氮的4%～71%[8]，生長92天的玉米植物根際沉積氮可以占根全氮量的30%[9]。根際沉積的主要成分則是根系分泌物，Lynch等[10]認為一般情況下，植物光合產物的28%～59%轉移到了地下，其中有4%～70%通過根系分泌物進入土壤。可見，根系沉積物是土壤中不穩定碳的主要來源，為微生物提供了大量可利用的碳源和氮源，顯著影響了土壤中的微生物群落[11-13]，在維持農田土壤碳平衡過程中發揮著重要的作用[14-16]。

根系分泌物的數量和成分受諸多因素影響，如植物種類、環境因素、根際微生物、營養脅迫等[17]。植物根系特征與根系分泌物密切相關，早期研究就觀察到了根際沉積量與根生物量呈正相關關系[6]。還有研究表明根長和側根發生能力都與根系分泌物的量呈正相關關系[18-20]。有學者指出，根的形態在不同的發育階段和環境條件下變化很大，并導致根系分泌物的強度和量發生改變[21]。一些研究表明，根系形態、根系生物量與根系碳分泌強度之間存在正相關關系[2,22-23]。還有學者指出，根長和根系分枝強度與根系分泌物呈正相關[20,24-25]。Groleau-Renaud認為，增加根系分枝數可以增加根系分泌強度[26]。但有關作物根系形態和化學性質對根系分泌物的影響的研究仍然偏少，影響了作物與農田土壤碳、氮循環關系的深入認識。

玉米(Zea mays L.)已成為中國第一大糧食作物，在中國不同生態區種植制度構成中具有重要地位，玉米生長過程中通過根際沉積進入土壤的碳、氮量在認識土壤碳、氮轉化中不容忽視。長江中游是中國典型的兩熟制地區，玉米是該區的第三大糧食作物，常見的玉米種植模式有小麥-夏玉米、油菜-夏玉米、春玉米-晚稻、春玉米-蔬菜等[27]。而有關該區域玉米根際沉積碳、氮動態規律及其與玉米植株特征的關系研究尚未見報道。基于此，本研究通過盆栽試驗，分析了玉米根系分泌碳、氮動態與根系形態、理化特征的關系，估算玉米根際沉積碳、氮數量，以期為認識根際沉積與植物特征的關系，探究玉米生產對農田碳、氮循環的影響提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地點與試驗設計

盆栽試驗于2019年4—8月在湖北省武漢市華中農業大學盆栽場(30°28′N，114°29′E)進行。供試土壤為黃棕壤，土壤總有機碳含量為11.42 g/kg，土壤全氮含量為1.01 g/kg，土壤總磷為0.41 g/kg，土壤總鉀為7.14 g/kg，土壤pH 6.02。土壤風干粉碎過篩(4 mm)，然后與沙按1：1比例混合，裝入盆栽桶中（高50 cm，直徑35 cm）。按每千克土壤分別施用N 0.19g、P2O50.15 g、K2O 0.19 g，其中氮肥按底肥:分蘗期追肥:穗肥=0.4:0.25:0.35分次施用，鉀肥按底肥:穗肥=0.5:0.5分次施用，磷肥作底肥一次施用。供試玉米品種為‘迪卡653’，于4月8日播種，出苗后間苗，每桶留苗3株。玉米自3葉期開始每隔7天左右取樣一次，每次取樣5桶，用于根系形態指標測定及、根系分泌物分析及生物量測定，同時記載生育時期、測定葉面積。玉米于7月18日成熟。

1.2 測定項目與方法

1.2.1 根系分泌碳、氮收集及測定 參考Szoboszlay[28]的土培-水培結合取樣法進行改進。盆栽植株取樣時，小心用電鋸劃開盆栽桶壁，用水沖洗根部土壤，注意保證根部的完整性，快速帶回室內，再用去離子水將根部沖洗干凈，然后用吸水紙小心地擦干根部多余的水分。將洗凈的根系浸入超純水（滅菌）中，浸沒2 h以收集根系分泌物。收集完畢后，取出樣株，將浸提液通過0.45 μm孔徑過濾器過濾，以除去溶液中存在的顆粒和大部分微生物生物質，然后快速冰凍備用。浸提濾液使用TOC/TN分析儀(Shimadzu TOC-Vcsh,TNM-1,Kyoto,Japan)測定濾液中的碳和氮含量。

1.2.2 根系指標及其他生長指標的測定 浸提結束后，將玉米樣株分解為根、莖鞘、葉、穗等部分。用根系分析系統(RHIZO 2017,Epson EU-235)測定根長、根表面積、根體積，各指標與測定時根干重的比值分別為比根長、比根表面積、比根體積。用CI-203便攜式激光葉面積分析儀測定葉面積。然后將將玉米樣株各部分在110℃下殺青半小時，80℃下烘干至恒重，測定根系與地上部分生物量，計算根冠比。

玉米根系可溶性糖含量測定方法為蒽酮法[29]。根系碳、氮含量利用元素分析儀(Elementar Vario EL，Germany)進行測定。

1.2.3 根系碳、氮分泌強度及累積分泌量的計算 各采樣時期玉米單株根系碳、氮分泌強度計算公式如(1)。

各采樣時期比根碳、氮分泌強度計算公式如(2)。

2次相鄰采樣間隔內玉米單株累積根系碳、氮分泌量計算如(3)。

式中：EIplant為某次采樣玉米單株根系碳或氮分泌強度[mg/(plant·h)]；C為提取濾液中的碳或氮濃度(mg/L)；V為提取濾液體積(L)；t為浸提時間(h)；EIroot為比根碳或氮分泌強度[mg/(g root·h)]；Wroot為某次采樣玉米單株根生物量(g/plant)；Di、Di+1分別為為相鄰前后2次取樣距離出苗的天數(d)。

1.3 數據處理

利用SPSS 17.0統計分析軟件進行根系碳、氮分泌強度與根系特征因子指標之間的相關性分析，并對存在顯著相關性的兩指標間建立曲線回歸模型(P＜0.01)。利用SigmaPlot 10.0分析軟件構建Logistic模型摸擬根際沉積碳、氮累積動態。

2 結果與分析

2.1 玉米生育期內根系碳、氮分泌強度變化

由圖1(a)可知，玉米比根碳分泌強度(EIroot-C)與比根氮分泌強度(EIroot-N)在生育期內呈現前期高后期減弱的趨勢。EIroot-C在出苗后32～39天明顯提高，并達到了峰值4.19 mg/(g root·h)，其后開始迅速下降至平緩。EIroot-N峰值則出現在出苗后17天，為1.20mg/(g root·h)。整個生育期間，EIroot-C明顯高于EIroot-N，玉米全生育期平均EIroot-C為2.21 mg/(g root·h)，平均EIroot-N為0.26 mg/(g root·h)，兩者差異顯著。

圖1 玉米單株根系碳、氮分泌強度與比根分泌強度動態

由圖1(b)可知，玉米單株碳分泌強度(EIplant-C)及玉米單株氮分泌強度(EIplant-N)整體上呈現出先升高后下降的趨勢。EIplant-C在出苗后58天達到峰值16.02 mg/(plant·h)，EIplant-N在出苗后44天達到峰值0.90 mg/(plant·h)；全生育期內EIplant-C始終遠高于EIplant-N，全生育期EIplant-C及EIplant-N平均分別為8.33 mg/(plant·h)和0.43 mg/(plant·h)，兩者差異顯著。

由圖2看出，玉米EIroot-C與EIroot-N呈顯著的二次曲線關系(R2=0.816，P＜0.01)。玉米EIroot-C隨EIroot-N增強而增強，當EIroot-N達到0.8 mg/(g root·h)時，EIroot-C達到最大，其后EIroot-C隨EIroot-N的增強而減弱。

圖2 玉米比根碳、氮分泌強度的關系

2.2 玉米根系累積碳、氮分泌量

由圖3a可知，玉米根系碳、氮累積分泌量在生育期內符合Logistic模型(P＜0.01)，根據該模型估算，玉米成熟時根系累計碳分泌量可達15.71 g/plant，根系累計氮分泌量可達0.75 g/plant。玉米根系累積碳分泌量明顯多于累積氮分泌量。

從圖3(b)中可以看出，玉米根系累計碳、氮分泌量占植物總生物量的比重隨玉米的生長逐漸降低。玉米成熟時，根系累計碳分泌量可占總生物量的10.59%，根系累計氮分泌量占總生物量的0.51%。

圖3 玉米生育期內根系累積碳、氮分泌量(a)及其占植株干重的比例(b)的變化

2.3 玉米根系碳、氮分泌比強度與根系特征的關系

回歸分析表明玉米EIroot-C、EIroot-N與比根長、比根表面積、比根體積、根系C/N比、根冠比等根系指標均有顯著的相關性（圖4a、b、c、e、f），而與根系可溶性糖含量關系不顯著（圖4d）。玉米EIroot-C與EIroot-N隨比根長、比根表面積、比根體積的增加呈線性上升(P＜0.05)；而隨根系碳氮比的提高呈顯著線性下降(P＜0.05)。玉米EIroot-C與根冠比呈顯著的二次曲線關系(R2=0.742**)，當根冠比約為0.34時，玉米EIroot-C達到最大值4.5 mg/(g root·h)；而玉米EIroot-N與根冠比呈顯著正線性相關關系(R2=0.467*)。EIroot-C達到最大值4.5 mg/(g root·h)；而玉米EIroot-N與根冠比呈顯著正線性相關關系(R2=0.467*)。

圖4 玉米比根碳、氮分泌比強度與根系特征的關系

2.4 玉米根系碳、氮分泌強度與植株特征的關系

由圖5可知，玉米EIplant-C與根長、根表面積、根體積、根干重、根冠比、葉面積之間均存在極顯著相關性，符合二次曲線關系(P＜0.01)。根據回歸曲線估計，當玉米根長、根表面積、根體積、根干重、根冠比、葉面積分別達到25000cm/plant、3777cm2/plant、39.09cm3/plant、11.76 g/plant、0.24、2750 cm/plant時，EIplant-C 達到峰值。玉米EIplant-N僅與根冠比之間有極顯著相關性（圖5e），相關關系呈二次曲線(R2=0.688**)，與其他植株特征之間均沒有顯著的相關性。當根冠比達到0.27時，玉米EIplant-N達到峰值0.90 mg/(plant·h)。

圖5 玉米單株碳、氮分泌強度與植株特征的關系

3 討論與結論

植物根際碳、氮沉積對土壤碳、氮循環有著重要的調控作用，與土壤微生物群落、植物根際養分循環等都有密不可分的關系[30]。本研究發現玉米根系碳、氮分泌強度隨玉米的生長發育呈階段性變化，呈現出先上升后下降的趨勢，出苗后30天（5葉）～70天（吐絲期）為根系分泌活動最旺盛的時期。這與何敏毅等用13C脈沖標記法探究玉米根際沉積碳的結論相似[31]。但是玉米根系碳、氮分泌量占植株總生物量的比例隨生育進程呈不斷下降趨勢。一些研究發現，隨著玉米、小麥、大麥的生長，其分配到地下的碳占總光合碳的比例越來越小[31-33]。本研究表明盆栽條件下玉米成熟時根系累積分泌碳、氮量分別為15.71 g/plant、0.75 g/plant，分別可占植株總生物量的10.59%和0.51%。何敏毅等[31]使用13C脈沖標記法測定盆栽玉米整個生育期向土壤有機碳中輸入的碳量為2.45 g/plant，這與本試驗所得結果存在差異。主要原因可能在于試驗方法的差異，何敏毅指出他們試驗示蹤期較長，使得更多的根際沉積物被分解，因此進入土壤中的碳量減少[31]。而本試驗提取根系分泌物采用的是溶液提取，提取時間短，受微生物等影響小，加之根系取樣過程中可能會出現損傷，其傷流液和內容物會導致結果偏高。也有學者指出，溶液培養法和脈沖標記法所測得的根系碳分泌量差異較大[34]。Jensen[35]使用分根氮標記技術在低氮條件下測定了大田豌豆(Pisum sarium L.)和春大麥(Hordeum sulgare L.)的根際沉積氮，成熟時豌豆根際氮沉積量為19 mg/plant（占植株總氮7%），大麥為17 mg/plant（占植株總氮20%）。顯然，上述結果與本試驗有著很大差異，推測差異主要來源是Jensen的試驗是在低氮情況下進行的，豌豆和大麥成熟時根干重僅為0.9 g/plant和0.5 g/plant，而本試驗中玉米成熟時根干重為19.04 g/plant。再者，不同的植株其根際沉積本身就有差異[36]。

有學者指出，根的形態在不同的發育階段和環境條件下變化很大，并導致根系分泌物的強度和量發生改變[21]。還有報道稱，雙子葉植物的根際沉積碳高于單子葉植物可能是由于根系形態和根生物量存在差異[14]，這表明根系形態和根生物量對根系分泌碳有一定影響。一些研究表明，根系形態、根系生物量與根系碳分泌強度之間存在正相關關系[6,22-23]。還有學者指出，根長和根系分枝強度與根系分泌物呈正相關[20,24-25]。Groleau-Renaud認為，增加根系分枝數可以增加根系分泌強度[26]。本研究發現，玉米根系碳分泌強度與根長、根表面積、根體積、根干重之間均存在極顯著的二次曲線關系，而非簡單的正相關關系。這個差異可能是試驗方法和試驗周期的不同造成的。除此之外，本研究還發現玉米根系碳分泌強度與根冠比、葉面積之間也存在極顯著的二次曲線關系。另外，有學者指出，植物根際沉積氮與根系生物量呈正相關關系[8,24]。而本研究中玉米根系氮分泌強度卻僅與根冠比之間存在極顯著相關性。造成玉米根系碳、氮分泌差異的原因有待進一步研究。

本研究發現玉米比根碳、氮分泌強度(EIroot-C、EIroot-N)與比根長、比根表面積、比根體積均有顯著的正相關性。Meier等發現成熟山毛櫸根系分泌物中碳的釋放量與比根長呈正相關[37]。一些學者指出，當根系更薄且根尖更多時，根系滲出率就會更高[19,38]。比根長可用于反映根的相對細度，較高的比根長意味著根系具有更薄的皮層[39]。在較細的根中，根結構和菌根共生的碳成本降低，因此有更多的碳可用于根分泌[38]。

根系分泌碳可能還與根系中可溶性糖含量有關，Karst等[40]發現楊樹根系分泌碳的速率隨細根糖濃度的增加而增加。Nigel等[41]認為根系分泌物的量與根中可溶性糖的濃度密切相關，他們推斷，根系分泌物主要是可溶性糖。但是本研究中根系分泌物與根可溶性糖之間并無顯著的相關性。因此筆者推測，玉米根系分泌物中主要成分有大量非糖化合物。這也可能與不同植物的根細胞膜通透性和根細胞質有關[42]。

根系分泌物的收集方法一直以來是限制根系分泌物相關研究的主要因素之一，目前根系分泌物收集方法主要有溶液培養收集法、基質培養收集法、土壤培養收集法、原位收集法。基于上述基本收集方法，許多研究者加以改進創造了許多更為實用的收集技術[43-46]，但是各種方法仍有其一定的局限性。整體來看，根系分泌物收集技術仍然有很大的進步需求，尤其是在提取植物在自然狀態下的根系分泌物方面，難以同時達到不傷根系、避免土壤和微生物的影響、定向收集根系分泌物等條件。本試驗則是采用土培和水培結合的方式收集根系分泌物，該方法技術簡單、易于操作；根系生長情況受土壤摩擦力影響，能從一定程度上反映植株根系自然狀態下的生長狀況。但是該方法仍有諸多需要改善的地方。最主要的是取樣時難以確保植株根系的完整性，細根部分容易損失，且會對根系造成一定損傷，提取根系分泌物難免會收集到根系的傷流液和內容物。其次，受盆栽桶空間的影響，植株的根冠比與田間條件相比較低[8]。因此，筆者認為使用該方法時應盡量使用易于沖洗的基質培養植物，以減少根系的損傷和土壤帶來的干擾，且該方法更適用于研究直根系或者生物量較小的植株。這套方法收集根系分泌物時間較短但量大，受微生物分解影響小，適合用于研究植株根系分泌物的成分。

本研究發現玉米根系特征和葉面積與根系分泌碳、氮量有顯著的相關性。回歸分析表明玉米EIroot-C、EIroot-N與比根長、比根表面積、比根體積、根系C/N比、根冠比等根系指標呈顯著的線性相關；玉米EIplant-C與根長、根表面積、根體積、根干重、根冠比、葉面積之間呈極顯著的二次曲線相關，而玉米EIplant-N與根冠比之間呈極顯著二次曲線相關。可依據該數量關系利用根系特征估算玉米根系分泌碳、氮量，為評價玉米農田土壤碳、氮動態提供一定的參考。