萬(wàn)一兵，唐嵐嵐，展 茗，尚春輝，袁嘉儀，秦明廣

（華中農(nóng)業(yè)大學(xué)植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江中游作物生理生態(tài)與耕作重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(xì)胞進(jìn)入土壤的過(guò)程。量化根系分泌物碳、氮對(duì)于研究土壤-植物-微生物的碳、氮循環(huán)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(nèi)能快速轉(zhuǎn)化，野外條件下原位觀測(cè)難度大，因此很難量化測(cè)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(zhuǎn)移到地下，其中一半用于根際沉積[4-6]，玉米根際沉積對(duì)土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)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(zhǎng)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(rèn)為一般情況下，植物光合產(chǎn)物的28%～59%轉(zhuǎn)移到了地下，其中有4%～70%通過(guò)根系分泌物進(jìn)入土壤?？梢?jiàn)，根系沉積物是土壤中不穩(wěn)定碳的主要來(lái)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(nóng)田土壤碳平衡過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用[14-16]。

根系分泌物的數(shù)量和成分受諸多因素影響，如植物種類、環(huán)境因素、根際微生物、營(yíng)養(yǎng)脅迫等[17]。植物根系特征與根系分泌物密切相關(guān)，早期研究就觀察到了根際沉積量與根生物量呈正相關(guān)關(guān)系[6]。還有研究表明根長(zhǎng)和側(cè)根發(fā)生能力都與根系分泌物的量呈正相關(guān)關(guān)系[18-20]。有學(xué)者指出，根的形態(tài)在不同的發(fā)育階段和環(huán)境條件下變化很大，并導(dǎo)致根系分泌物的強(qiáng)度和量發(fā)生改變[21]。一些研究表明，根系形態(tài)、根系生物量與根系碳分泌強(qiáng)度之間存在正相關(guān)關(guān)系[2,22-23]。還有學(xué)者指出，根長(zhǎng)和根系分枝強(qiáng)度與根系分泌物呈正相關(guān)[20,24-25]。Groleau-Renaud認(rèn)為，增加根系分枝數(shù)可以增加根系分泌強(qiáng)度[26]。但有關(guān)作物根系形態(tài)和化學(xué)性質(zhì)對(duì)根系分泌物的影響的研究仍然偏少，影響了作物與農(nóng)田土壤碳、氮循環(huán)關(guān)系的深入認(rèn)識(shí)。

玉米(Zea mays L.)已成為中國(guó)第一大糧食作物，在中國(guó)不同生態(tài)區(qū)種植制度構(gòu)成中具有重要地位，玉米生長(zhǎng)過(guò)程中通過(guò)根際沉積進(jìn)入土壤的碳、氮量在認(rèn)識(shí)土壤碳、氮轉(zhuǎn)化中不容忽視。長(zhǎng)江中游是中國(guó)典型的兩熟制地區(qū)，玉米是該區(qū)的第三大糧食作物，常見(jiàn)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(guān)該區(qū)域玉米根際沉積碳、氮?jiǎng)討B(tài)規(guī)律及其與玉米植株特征的關(guān)系研究尚未見(jiàn)報(bào)道?；诖?，本研究通過(guò)盆栽試驗(yàn)，分析了玉米根系分泌碳、氮?jiǎng)討B(tài)與根系形態(tài)、理化特征的關(guān)系，估算玉米根際沉積碳、氮數(shù)量，以期為認(rèn)識(shí)根際沉積與植物特征的關(guān)系，探究玉米生產(chǎn)對(duì)農(nóng)田碳、氮循環(huán)的影響提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

盆栽試驗(yàn)于2019年4—8月在湖北省武漢市華中農(nóng)業(yè)大學(xué)盆栽場(chǎng)(30°28′N，114°29′E)進(jìn)行。供試土壤為黃棕壤，土壤總有機(jī)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(fēng)干粉碎過(guò)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(kāi)始每隔7天左右取樣一次，每次取樣5桶，用于根系形態(tài)指標(biāo)測(cè)定及、根系分泌物分析及生物量測(cè)定，同時(shí)記載生育時(shí)期、測(cè)定葉面積。玉米于7月18日成熟。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.2.1 根系分泌碳、氮收集及測(cè)定 參考Szoboszlay[28]的土培-水培結(jié)合取樣法進(jìn)行改進(jìn)。盆栽植株取樣時(shí)，小心用電鋸劃開(kāi)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(nèi)，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(méi)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(guò)0.45 μm孔徑過(guò)濾器過(guò)濾，以除去溶液中存在的顆粒和大部分微生物生物質(zhì)，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(cè)定濾液中的碳和氮含量。

1.2.2 根系指標(biāo)及其他生長(zhǎng)指標(biāo)的測(cè)定 浸提結(jié)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(tǒng)(RHIZO 2017,Epson EU-235)測(cè)定根長(zhǎng)、根表面積、根體積，各指標(biāo)與測(cè)定時(shí)根干重的比值分別為比根長(zhǎng)、比根表面積、比根體積。用CI-203便攜式激光葉面積分析儀測(cè)定葉面積。然后將將玉米樣株各部分在110℃下殺青半小時(shí)，80℃下烘干至恒重，測(cè)定根系與地上部分生物量，計(jì)算根冠比。

玉米根系可溶性糖含量測(cè)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(jìn)行測(cè)定。

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

各采樣時(shí)期比根碳、氮分泌強(qiáng)度計(jì)算公式如(2)。

2次相鄰采樣間隔內(nèi)玉米單株累積根系碳、氮分泌量計(jì)算如(3)。

式中：EIplant為某次采樣玉米單株根系碳或氮分泌強(qiáng)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(shí)間(h)；EIroot為比根碳或氮分泌強(qiáng)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(shù)(d)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行根系碳、氮分泌強(qiáng)度與根系特征因子指標(biāo)之間的相關(guān)性分析，并對(duì)存在顯著相關(guān)性的兩指標(biāo)間建立曲線回歸模型(P＜0.01)。利用SigmaPlot 10.0分析軟件構(gòu)建Logistic模型摸擬根際沉積碳、氮累積動(dòng)態(tài)。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米生育期內(nèi)根系碳、氮分泌強(qiáng)度變化

由圖1(a)可知，玉米比根碳分泌強(qiáng)度(EIroot-C)與比根氮分泌強(qiáng)度(EIroot-N)在生育期內(nèi)呈現(xiàn)前期高后期減弱的趨勢(shì)。EIroot-C在出苗后32～39天明顯提高，并達(dá)到了峰值4.19 mg/(g root·h)，其后開(kāi)始迅速下降至平緩。EIroot-N峰值則出現(xiàn)在出苗后17天，為1.20mg/(g root·h)。整個(gè)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(qiáng)度與比根分泌強(qiáng)度動(dòng)態(tài)

由圖1(b)可知，玉米單株碳分泌強(qiáng)度(EIplant-C)及玉米單株氮分泌強(qiáng)度(EIplant-N)整體上呈現(xiàn)出先升高后下降的趨勢(shì)。EIplant-C在出苗后58天達(dá)到峰值16.02 mg/(plant·h)，EIplant-N在出苗后44天達(dá)到峰值0.90 mg/(plant·h)；全生育期內(nèi)EIplant-C始終遠(yuǎn)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(guān)系(R2=0.816，P＜0.01)。玉米EIroot-C隨EIroot-N增強(qiáng)而增強(qiáng)，當(dāng)EIroot-N達(dá)到0.8 mg/(g root·h)時(shí)，EIroot-C達(dá)到最大，其后EIroot-C隨EIroot-N的增強(qiáng)而減弱。

圖2 玉米比根碳、氮分泌強(qiáng)度的關(guān)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(nèi)符合Logistic模型(P＜0.01)，根據(jù)該模型估算，玉米成熟時(shí)根系累計(jì)碳分泌量可達(dá)15.71 g/plant，根系累計(jì)氮分泌量可達(dá)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(jì)碳、氮分泌量占植物總生物量的比重隨玉米的生長(zhǎng)逐漸降低。玉米成熟時(shí)，根系累計(jì)碳分泌量可占總生物量的10.59%，根系累計(jì)氮分泌量占總生物量的0.51%。

圖3 玉米生育期內(nèi)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(qiáng)度與根系特征的關(guān)系

回歸分析表明玉米EIroot-C、EIroot-N與比根長(zhǎng)、比根表面積、比根體積、根系C/N比、根冠比等根系指標(biāo)均有顯著的相關(guān)性（圖4a、b、c、e、f），而與根系可溶性糖含量關(guān)系不顯著（圖4d）。玉米EIroot-C與EIroot-N隨比根長(zhǎng)、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(guān)系(R2=0.742**)，當(dāng)根冠比約為0.34時(shí)，玉米EIroot-C達(dá)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(guān)關(guān)系(R2=0.467*)。EIroot-C達(dá)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(guān)關(guān)系(R2=0.467*)。

圖4 玉米比根碳、氮分泌比強(qiáng)度與根系特征的關(guān)系

2.4 玉米根系碳、氮分泌強(qiáng)度與植株特征的關(guān)系

由圖5可知，玉米EIplant-C與根長(zhǎng)、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(guān)性，符合二次曲線關(guān)系(P＜0.01)。根據(jù)回歸曲線估計(jì)，當(dāng)玉米根長(zhǎng)、根表面積、根體積、根干重、根冠比、葉面積分別達(dá)到25000cm/plant、3777cm2/plant、39.09cm3/plant、11.76 g/plant、0.24、2750 cm/plant時(shí)，EIplant-C 達(dá)到峰值。玉米EIplant-N僅與根冠比之間有極顯著相關(guān)性（圖5e），相關(guān)關(guān)系呈二次曲線(R2=0.688**)，與其他植株特征之間均沒(méi)有顯著的相關(guān)性。當(dāng)根冠比達(dá)到0.27時(shí)，玉米EIplant-N達(dá)到峰值0.90 mg/(plant·h)。

圖5 玉米單株碳、氮分泌強(qiáng)度與植株特征的關(guān)系

3 討論與結(jié)論

植物根際碳、氮沉積對(duì)土壤碳、氮循環(huán)有著重要的調(diào)控作用，與土壤微生物群落、植物根際養(yǎng)分循環(huán)等都有密不可分的關(guān)系[30]。本研究發(fā)現(xiàn)玉米根系碳、氮分泌強(qiáng)度隨玉米的生長(zhǎng)發(fā)育呈階段性變化，呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，出苗后30天（5葉）～70天（吐絲期）為根系分泌活動(dòng)最旺盛的時(shí)期。這與何敏毅等用13C脈沖標(biāo)記法探究玉米根際沉積碳的結(jié)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(jìn)程呈不斷下降趨勢(shì)。一些研究發(fā)現(xiàn)，隨著玉米、小麥、大麥的生長(zhǎng)，其分配到地下的碳占總光合碳的比例越來(lái)越小[31-33]。本研究表明盆栽條件下玉米成熟時(shí)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(biāo)記法測(cè)定盆栽玉米整個(gè)生育期向土壤有機(jī)碳中輸入的碳量為2.45 g/plant，這與本試驗(yàn)所得結(jié)果存在差異。主要原因可能在于試驗(yàn)方法的差異，何敏毅指出他們?cè)囼?yàn)示蹤期較長(zhǎng)，使得更多的根際沉積物被分解，因此進(jìn)入土壤中的碳量減少[31]。而本試驗(yàn)提取根系分泌物采用的是溶液提取，提取時(shí)間短，受微生物等影響小，加之根系取樣過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)損傷，其傷流液和內(nèi)容物會(huì)導(dǎo)致結(jié)果偏高。也有學(xué)者指出，溶液培養(yǎng)法和脈沖標(biāo)記法所測(cè)得的根系碳分泌量差異較大[34]。Jensen[35]使用分根氮標(biāo)記技術(shù)在低氮條件下測(cè)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(shí)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(jié)果與本試驗(yàn)有著很大差異，推測(cè)差異主要來(lái)源是Jensen的試驗(yàn)是在低氮情況下進(jìn)行的，豌豆和大麥成熟時(shí)根干重僅為0.9 g/plant和0.5 g/plant，而本試驗(yàn)中玉米成熟時(shí)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(xué)者指出，根的形態(tài)在不同的發(fā)育階段和環(huán)境條件下變化很大，并導(dǎo)致根系分泌物的強(qiáng)度和量發(fā)生改變[21]。還有報(bào)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(tài)和根生物量存在差異[14]，這表明根系形態(tài)和根生物量對(duì)根系分泌碳有一定影響。一些研究表明，根系形態(tài)、根系生物量與根系碳分泌強(qiáng)度之間存在正相關(guān)關(guān)系[6,22-23]。還有學(xué)者指出，根長(zhǎng)和根系分枝強(qiáng)度與根系分泌物呈正相關(guān)[20,24-25]。Groleau-Renaud認(rèn)為，增加根系分枝數(shù)可以增加根系分泌強(qiáng)度[26]。本研究發(fā)現(xiàn)，玉米根系碳分泌強(qiáng)度與根長(zhǎng)、根表面積、根體積、根干重之間均存在極顯著的二次曲線關(guān)系，而非簡(jiǎn)單的正相關(guān)關(guān)系。這個(gè)差異可能是試驗(yàn)方法和試驗(yàn)周期的不同造成的。除此之外，本研究還發(fā)現(xiàn)玉米根系碳分泌強(qiáng)度與根冠比、葉面積之間也存在極顯著的二次曲線關(guān)系。另外，有學(xué)者指出，植物根際沉積氮與根系生物量呈正相關(guān)關(guān)系[8,24]。而本研究中玉米根系氮分泌強(qiáng)度卻僅與根冠比之間存在極顯著相關(guān)性。造成玉米根系碳、氮分泌差異的原因有待進(jìn)一步研究。

本研究發(fā)現(xiàn)玉米比根碳、氮分泌強(qiáng)度(EIroot-C、EIroot-N)與比根長(zhǎng)、比根表面積、比根體積均有顯著的正相關(guān)性。Meier等發(fā)現(xiàn)成熟山毛櫸根系分泌物中碳的釋放量與比根長(zhǎng)呈正相關(guān)[37]。一些學(xué)者指出，當(dāng)根系更薄且根尖更多時(shí)，根系滲出率就會(huì)更高[19,38]。比根長(zhǎng)可用于反映根的相對(duì)細(xì)度，較高的比根長(zhǎng)意味著根系具有更薄的皮層[39]。在較細(xì)的根中，根結(jié)構(gòu)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(guān)，Karst等[40]發(fā)現(xiàn)楊樹(shù)根系分泌碳的速率隨細(xì)根糖濃度的增加而增加。Nigel等[41]認(rèn)為根系分泌物的量與根中可溶性糖的濃度密切相關(guān)，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(wú)顯著的相關(guān)性。因此筆者推測(cè)，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(xì)胞膜通透性和根細(xì)胞質(zhì)有關(guān)[42]。

根系分泌物的收集方法一直以來(lái)是限制根系分泌物相關(guān)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(yǎng)收集法、基質(zhì)培養(yǎng)收集法、土壤培養(yǎng)收集法、原位收集法?；谏鲜龌臼占椒ǎS多研究者加以改進(jìn)創(chuàng)造了許多更為實(shí)用的收集技術(shù)[43-46]，但是各種方法仍有其一定的局限性。整體來(lái)看，根系分泌物收集技術(shù)仍然有很大的進(jìn)步需求，尤其是在提取植物在自然狀態(tài)下的根系分泌物方面，難以同時(shí)達(dá)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(yàn)則是采用土培和水培結(jié)合的方式收集根系分泌物，該方法技術(shù)簡(jiǎn)單、易于操作；根系生長(zhǎng)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(tài)下的生長(zhǎng)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(shí)難以確保植株根系的完整性，細(xì)根部分容易損失，且會(huì)對(duì)根系造成一定損傷，提取根系分泌物難免會(huì)收集到根系的傷流液和內(nèi)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(rèn)為使用該方法時(shí)應(yīng)盡量使用易于沖洗的基質(zhì)培養(yǎng)植物，以減少根系的損傷和土壤帶來(lái)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(shí)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(fā)現(xiàn)玉米根系特征和葉面積與根系分泌碳、氮量有顯著的相關(guān)性?；貧w分析表明玉米EIroot-C、EIroot-N與比根長(zhǎng)、比根表面積、比根體積、根系C/N比、根冠比等根系指標(biāo)呈顯著的線性相關(guān)；玉米EIplant-C與根長(zhǎng)、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(guān)，而玉米EIplant-N與根冠比之間呈極顯著二次曲線相關(guān)?？梢罁?jù)該數(shù)量關(guān)系利用根系特征估算玉米根系分泌碳、氮量，為評(píng)價(jià)玉米農(nóng)田土壤碳、氮?jiǎng)討B(tài)提供一定的參考。