全 文 ：植物生态学报 2009, 33 (6) 1165~1176
Chinese Journal of Plant Ecology

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收稿日期: 2009-04-13 接受日期: 2009-04-27
基金项目: 国家自然科学基金(30270945)、中国科学院知识创新工程重要方向项目(KZCX2-YW-433-02)和中国科学院野外台站研究基金项目
感谢中国科学院内蒙古草原生态系统定位研究站, 为本实验的实施提供相关气象数据以及多方保障性支持; 同时感谢植被与环境变化国家重点实
验室第五自主课题“北方半干旱区植被水分适应联网实验”的支持
* 通讯作者 Author for correspondence E-mail: wudx@ibcas.ac.cn
内蒙古草原3年生小叶锦鸡儿根瘤特征及其
对环境变化的响应
张灿娟1,2 吴冬秀1* 张 琳1,2 展小云1,2 周双喜1,2 杨云霞1,2
(1 中国科学院植物研究所植被与环境变化国家重点实验室,北京 100093) (2 中国科学院研究生院,北京 100049)
摘 要 小叶锦鸡儿(Caragana microphylla)是氮素匮缺的内蒙古草原的灌丛优势种, 研究其根瘤性状及其对不
同环境因子的响应特征, 可以进一步了解草原生态系统共生固氮过程及其对全球变化的响应机制。在中国科学院
内蒙古草原生态系统定位研究站, 利用开顶式生长室(Open-top chamber, OTC)控制实验模拟环境变化, 研究了3年
生小叶锦鸡儿播种苗根瘤特征, 及其对氮素添加、干旱和加水和大气CO2浓度升高的响应。结果表明: 1) 3年生小
叶锦鸡儿明显有根瘤着生, 多着生于侧根。根瘤形状多样, 以浅黄色的梨状和球状根瘤为主(占根瘤总数的
68%); 另有少数棕褐色棒状和纺锤状根瘤(占根瘤总数的30%); 还有极少数较大的Y状根瘤。2)添加氮素极显著
地抑制根系和根瘤的生长发育: 根系有发白现象, 且着生在其上的几乎都是干瘪根瘤。这种抑制效应随着水分
增加和CO2浓度升高有所减缓。3)干旱抑制根系和根瘤生长, 而加水促进二者生长。与干旱和正常水分相比, 加
水时根系更发达, 根瘤形态多样, 出现掌状和珊瑚状等大型根瘤。随着水分增加, 根瘤着生部位由主根渐向侧
根再向须根发展。与正常水分相比, 减水时根瘤平均长度降低了50.4% (p<0.05); 在加水条件下根瘤生长状况最
为良好, 单株根瘤数量和重量以及根瘤平均重量均显著增加。4) CO2浓度升高对根瘤生长有促进作用, 但未达
到显著。5)根瘤数量对环境因子的变化比根瘤大小更敏感; 氮素和水分对单株根瘤数量和重量具有交互作用;
对于水分和氮素相对缺乏的内蒙古草原, 水分是限制小叶锦鸡儿根瘤菌侵染根系形成根瘤的关键因子。
关键词 温带草原 小叶锦鸡儿 根瘤 氮素 水分 CO2浓度
NODULE CHARACTERISTICS OF THREE-YEAR-OLD CARAGANA MICRO-
PHYLLA AND THEIR RESPONSES TO ENVIRONMENTAL CHANGES IN AN
INNER MONGOLIA GRASSLAND
ZHANG Can-Juan1,2, WU Dong-Xiu1*, ZHANG Lin1,2, ZHAN Xiao-Yun1,2, ZHOU Shuang-Xi1,2, and YANG
Yun-Xia1,2
1State Key Laboratory of Vegetation and Environmental Change, Institute of Botany, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100093, China, and
2Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract Aims Caragana microphylla widely spreads in Inner Mongolia grasslands as a dominant
shrubby legume. Its nodule growth has been poorly addressed. Our objective is to examine nodule
characteristics and their responses to different environmental factors to provide insights into their nitro-
gen fixing and nitrogen cycling processes under future changing environments.
Methods We conducted a field experiment in 2008 using open-top chambers at the Inner Mongolia
Grassland Ecosystem Research Station of Chinese Academy of Sciences. We examined the number,
weight and length of nodules of three-year-old C. microphylla individuals and their responses to nitro-
gen addition, drought, water addition and elevated atmospheric CO2 concentration.
Important findings Nodules were mainly distributed in lateral roots, and most had buff or brown
color. Nodule shapes were diverse, being pyriform, globular, claviform, fusiform, and Y shaped. Root
growth and nodule growth were significantly inhibited under the nitrogen addition treatment, resulting
in roots being whitened and most nodules dead and black-brown. Drought depressed root nodulation,

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with mean length of nodules decreased significantly by 50.4% compared with that under normal water
supply. Water addition stimulated root growth and nodule growth. Roots nodulated best under the com-
bined treatment of water addition, elevated CO2 and non-nitrogen addition, with maximum mean length
and weight of individual nodules and the maximum nodule weight per plant. Nodules in fibers relatively
increased with increasing water supply. Nodule growth did not significantly respond to elevated CO2.
Nodule number is more sensitive to environmental changes than nodule size, there are significant nitro-
gen × water interactions on nodule number and weight per plant and the effects of three environmental
factors on nodule growth are different. The negative effect of nitrogen is larger than the positive effects
of water and elevated CO2. It is inferred that water is the major factor affecting the infection of rhizobia
and the generation of nodules in this semiarid grassland ecosystem.
Key words grassland ecosystem, Caragana microphylla, nodule, nitrogen addition, soil water levels, ele-
vated atmospheric CO2 concentration
DOI: 10.3773/j.issn.1005-264x.2009.06.017
根瘤是具有固氮作用的根瘤菌侵染豆科植物
根部形成的共生体, 根瘤菌通过固定空气中的分子
态氮形成氨, 供高等植物直接利用, 满足植物对氮
素营养的需求, 从而促进植物生长、提高土壤肥力
和改善土壤微环境(Mytton et al., 1993; Armstrong et
al., 1999; 牛书丽和蒋高明, 2004)。豆科植物与根瘤
菌的共生固氮作用作为最重要的生物固氮形式, 是
氮素循环的重要组成部分, 在生态系统中起着平衡
氮素循环的作用 (Thomas, 1992; Peoples et al.,
1995)。尤其在干旱地区, 一些豆科植物更是生态体
系中供应有效氮的中心, 成为群落中的先锋植物
(Glasener et al., 2002)。
小叶锦鸡儿(Caragana microphylla)是内蒙古草
原的灌丛优势豆科植物。近20 a来由于过度放牧,
内蒙古草原荒漠化、灌丛化速度加快, 小叶锦鸡儿
分布呈现明显的增加趋势, 最终可能使草原群落结
构发生根本性转变, 形成小叶锦鸡儿灌丛化牧场甚
至沙丘灌丛(熊小刚等, 2003)。在内蒙古半干旱草原,
氮素和水分是限制生产力和群落稳定性的关键因
素(李香真和陈佐忠, 1998; Bai et al., 2004; 陈世苹
等, 2004), 而随着未来气候变化, 大气CO2浓度持
续升高、降雨量和格局将发生改变、氮素沉降将增
加(IPCC, 2007)。因此, 研究小叶锦鸡儿根瘤生长特
征及其对环境变化的响应, 有利于揭示小叶锦鸡儿
灌丛氮素代谢、灌丛建立和扩展机制以及全球变化
背景下的未来发展趋势。
然而, 迄今对内蒙古草原小叶锦鸡儿和其他豆
科植物根瘤的研究相对较少(王芳玖, 1985; 孙志蓉
等, 2006), 有关小叶锦鸡儿根瘤对环境变化响应的
研究, 尚未见报道。王芳玖(1985)对内蒙古14种野生
豆科牧草结瘤情况进行了初步调查, 发现4种不同
生境中, 野火球(Trifolium lupinaster)和细齿草木樨
(Melilotus dentatus)结瘤率较高, 单株结瘤数量和根
瘤 直 径 也 较 大 (2~5 mm); 其 次 是 内 蒙 黄 芪
(Astragalus mongholicus) 、 棘 豆 类 和 扁 蓿 豆
(Melissitua ruthenica); 但未发现甘草 (Clycyrrhiza
uralen)和小叶锦鸡儿的根瘤。陶林等(2005)在调查
山西小叶锦鸡儿根瘤固氮酶活性的动态变化时, 发
现根瘤形态在不同生育期没有显著差异, 新瘤为球
状、棒状和杆状, 老瘤多为Y状和掌状, 根瘤数量和
重量在果后营养期最大。孙志蓉等(2006)观察小叶
锦鸡儿播种苗的结瘤动态、研究一年生播种苗的根
瘤特性发现: 小叶锦鸡儿根瘤形态各异, 多为棒状,
主要分布在侧根上; 一年生小叶锦鸡儿根瘤单株结
瘤量受到植株密度、施肥和水分处理的显著影响,
随着生长年限的增加, 小叶锦鸡儿结瘤能力不断提
高。
氮素沉降增加、降雨变化和大气CO2浓度升高
均对豆科植物结瘤有重要影响(Haase et al., 2007;
Streeter & Wong, 1988; Serraj et al., 1999)。首先, 氮
素是影响豆科植物根瘤共生固氮的重要因子。多数
研究发现, 随施氮水平增加, 根瘤的数量和重量都
显著下降(Becker et al., 1991; Thomas et al., 2000;
左元梅等, 2003)。但也有少量文献显示, 添加少量
氮素可缓解根瘤菌对植物所需营养元素的竞争, 使
植物根系能更好生长, 进而促进根瘤菌侵染结瘤
(华珞等, 2003)。其次, 水分也是影响豆科植物结瘤
的重要因子, 对根瘤形成及其在根系的着生位置均
有重要影响 (Djekoun & Planchon, 1991; Serraj,
2003; 姚新春等, 2007)。此外, 大气CO2浓度升高对
张灿娟等: 内蒙古草原 3 年生小叶锦鸡儿根瘤特征
6 期 及其对环境变化的响应 DOI: 10.3773/j.issn.1005-264x.2009.06.017 1167
豆科根瘤生长的影响较为复杂: 对不同植物的研究
发现, 随着CO2浓度升高, 更多的光合产物被运送
到根瘤, 从而使根瘤碳代谢的关键碳源增加或酶活
性升高, 进而促使根瘤数量和生物量增加(Thomas
et al., 2000; Haase et al., 2007); 但也有研究认为,
CO2浓度升高对于根瘤的形成和固氮等的影响还与
土壤中氮素、水分等的可利用性有密切关系(Arnone
& Gordon, 1990; Volk et al., 2000; Aranjuelo et al.,
2009)。因此, 对豆科植物根瘤生长的研究需要综合
考虑多种环境因子的影响。
本研究通过在内蒙古半干旱典型草原野外开
顶式生长室(Open-top chamber, OTC)进行控制实验,
研究不同氮素、水分供应水平、不同CO2浓度下, 小
叶锦鸡儿的根瘤形状、大小、颜色、数量和着生位
置等特征参数变化, 以揭示: 1)内蒙古草原小叶锦
鸡儿根瘤生长的基本特征; 2)小叶锦鸡儿根瘤生长
对不同氮素、水分供应水平以及大气CO2浓度升高
的响应特征。为进一步研究全球变化下内蒙古草原
小叶锦鸡儿固氮过程、灌丛建立和扩展趋势及其机
制提供依据。
1 材料和方法
1.1 材料和研究地区
本实验在中国科学院内蒙古草原生态系统定
位研究站西侧的开顶式生长室 (Open-top cham-
ber, OTC) CO2倍增实验场地进行。该站位于内蒙
古锡林郭勒盟东部、大兴安岭南端西侧的锡林河
流域, 地理位置为43°38′ N, 116°42′ E, 海拔1 265
m, 在自然地理上属温带内蒙古草原区典型草原
栗钙土亚区。根据该站连续24 a (1982~2005)的气
象资料统计, 本区年平均气温0.8 ℃, 7月平均气
温19 ℃, 1月平均气温–21 ℃。进行本实验的3年
(2006~2008)期间年平均气温均高于前24 a的年平
均气温, 分别为1.4、2.2和1.6 ℃。年降水量约340
mm, 降水量的季节和年度变化很大 , 降水集中
于 5~9 月 , 占全年降水量的 80% 左右。其中
2006~2008年的年降水量分别为304、240和363
mm; 2006年和2007年的年降水量均低于平均年
降水量, 较为干旱; 而2008年的年降水量则稍高
于平均年降水量。年蒸发量1 600~1 800 mm, 相
当于降水量的4~6倍。多冬春降雪, 稳定降雪日数
90 d左右。无霜期从每年的5月初到9月初, 大约
120 d。草原植物生长期约150 d。
小叶锦鸡儿属于豆科蝶形花亚科锦鸡儿属 ,
典型草原旱生灌木, 可以自然结瘤。根系发达, 主
根明显, 侧根根系纵横交错, 向四周水平方向延
伸。一般每年4月开始返青, 10月上旬叶子开始枯
黄 , 花期5~6月 , 果期6~7月 (内蒙古植物志编写
组, 1977)。在锡林河流域温带典型草原生态系统
中 , 小叶锦鸡儿多分布于砂砾质的淡栗钙土(赵
献英等, 1988)。
小叶锦鸡儿采用桶培方式种植。实验所用塑
料桶高30 cm, 桶口直径30 cm, 每桶装19 kg土
壤。供试土壤直接取自定位站附近的栗钙土0~30
cm土层, 过筛去除根系及杂物, 混合均匀后装入
桶。土壤全碳含量为0.081%, 全氮含量为0.704%。
植物种子采集于锡林河流域草原 , 于2005年9月
播种 , 自然越冬后 , 2006年6月间苗 , 每桶留20
株。
1.2 实验设计
实验于2006~2008年进行。处理时间为2006
年于7月开始, 2007、2008年于5月开始, 均到8月
底结束。2006和2007年处理结束后取地上生物量。
实验设置2个氮梯度、3个水分梯度、2个CO2浓度
梯度, 共12个处理。所有处理均设3次重复。2个
氮素水平是添加氮素(N+)和正常氮素(N0), 所施
氮肥为(NH4)2SO4, 施用量为17.5 g N·m–2 (潘庆民
等, 2005)。每年分两次施, 分别在5月中旬和6月
底。3个水分水平: 干旱(H-)、正常水分(H0)和加
水(H+)。2006~2007年H- 、H0、 H+分别为当年正
常降水量的0.5倍、1倍和1.5倍。每次降水之后根
据定位站实测记录值换算后浇入相应量的水分。
由于2007年降水量很少, 致使0.5倍降雨处理过分
干旱。2008年对水分处理进行调整, H0为当年正
常降水量; H-和H+分别根据前26 a (1982~2007)各
月(5~8月)平均降水量的0.5倍和1.5倍水量换算后
浇入相应量的水分。两个CO2浓度水平分别为正
常CO2浓度(C), 当地为380 μmol·mol–1; 加倍CO2
浓度(E), 为760 μmol·mol–1。实验样地共设有6个
开顶式气室(高3 m, 直径3 m), 其中3个正常CO2
浓度气室, 3个加倍CO2浓度气室。气室顶端开口,
开口上端有挡雨棚。加倍CO2浓度气室中气体从
存放于地下室的CO2钢瓶通过辐射管道从气室底
部通入 , 气室内CO2浓度由安装在气室内的CO2
自动控制记录仪(杭州泽大仪器有限公司)通过反
馈控制调节, 使浓度保持在控制水平。

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12个处理的代码为:
N0H-C N0H-E N0H0C N0H0E N0H+C N0H+E
N+H-C N+H-E N+H0C N+H0E N+H+C N+H+E
其中, N0H0C为对照(CK)。
1.3 测定项目和方法
2008年8月, 实验结束后, 将花盆侧放, 滚动
按压花盆使其内部土壤松散, 仔细将土壤连同植
物倒于塑料膜上, 轻轻抖动根系去除土壤。
1.3.1 根瘤数及根瘤形态
收集每桶所有根瘤, 计数同时观测根瘤形态
及根系生长状况。
单株根瘤数量=每桶根瘤总数/每桶植株数
1.3.2 根瘤生物量
挑出每个桶中所有根瘤, 用蒸馏水冲洗干净,
去除表面附带沙土, 滤纸吸干根瘤表面水分, 称
其鲜重。将根瘤放入小瓶, 105 ℃杀青1 h后75 ℃
烘箱中烘至恒重, 电子天平称其干重, 精确到0.1
mg。
单株根瘤重量=每桶根瘤总干重/每桶植株数
根瘤平均重量=每桶根瘤总干重/每桶根瘤数
1.3.3 根瘤平均长度
挑出每桶具有代表性的根瘤排成一行, 首尾
相接(以根瘤着生点为首, 其对生点为尾)游标卡
尺测量, 取单个根瘤的平均长度, 精确到0.1 mm。
界定根瘤长度小于2.0 mm为小型根瘤 , 大于4.0
mm为大型根瘤, 介于两者中间的为中型根瘤。
1.4 数据统计
所有数据的统计分析均在Excel 2003和SPSS
11.5 (SPSS Inc., Chicago, IL, USA)统计软件上完
成。对氮素、水分和CO2浓度处理主效应以及它们
之间的交互效应采用三因素方差分析(Three-Way
ANOVA), 水分处理的3个水平采用LSD多重比较
分析各水平之间的差异; 三因素分析主效应或交互
效应显著时, 用t检验比较不同处理间各参数的差
异显著性, 使用SigmaPlot 10.0作图。
2 结果和分析
2.1 正常条件下小叶锦鸡儿根瘤生长特征
2.1.1 根瘤数量与大小
正常CO2浓度、正常水分和正常氮素水平
(N0H0C)处理时, 3年生小叶锦鸡儿有明显的根瘤
着生 , 所有根瘤都比较饱满 , 未发现干瘪根瘤
(表1)。单株植物个体之间结瘤数量差异较大, 单
株根瘤数量平均为2.5个 , 单株根瘤鲜重为11.2
mg, 单株根瘤干重为2.7 mg, 根瘤鲜重含水量为
75%。根瘤平均长度2.7 mm, 其中最小根瘤长度
仅0.7 mm, 最大的根瘤长度为6.8 mm。根瘤平均
鲜重4.0 mg, 根瘤平均干重为1.0 mg。单株根瘤
重量与单株根瘤数量密切相关 , 与根瘤大小没
有显著相关性, 其他处理条件下也是如此。本实
验中, 小叶锦鸡儿根瘤含水量保持相对稳定, 不
同处理下根瘤平均鲜重含水量也是75%。
2.1.2 根瘤形状与颜色
3年生小叶锦鸡儿根瘤形状和颜色较为多
样, 主要形态有: 球状、梨状、棒状、纺锤状和
Y状。颜色有: 浅黄色、棕黄色和棕褐色(表1)。
小型根瘤多以梨状和球状为主 , 占根瘤总数的
68%, 棕黄色或是浅黄色, 也有少数白色透明的
小粒状根瘤。中等大小的根瘤多为不规则的棒状
和纺锤状, 棕褐色, 占根瘤总数的30%。大型的
根瘤主要为棕褐色Y状根瘤 , 数量较少 , 占根瘤
总数的2%。
2.1.3 根瘤着生位置
小叶锦鸡儿根系为黄白色, 生长良好, 侧根
较发达, 须根较多。根瘤多着生于侧根; 须根上
有少数梨形和圆形的小型根瘤 ; 而主根上几乎
无根瘤, 仅有较大的几个Y状和棒状根瘤着生在
较细的主根上。根瘤易脱落, 尤其是小型的粒状
和棒状根瘤, 但棕褐色的较老根瘤质地较硬, 且
不易脱落。
2.2 环境变化对小叶锦鸡儿根瘤生长的影响
2.2.1 氮素添加对小叶锦鸡儿根瘤生长的影响
氮素添加时小叶锦鸡儿根瘤生长明显受到
抑制(表1, 表2), 可观察到的根瘤数量极少 , 且
基本上都是干瘪根瘤。只在高水分条件下, 以及
正常水分和加倍CO2浓度条件下, 添加氮素处理
的植株可以观测到少量活根瘤的存在(表1)。这
些根瘤以小型的球状和粒状为主, 黑褐色, 簇生
于主根(表1)。在不同CO2浓度和水分条件下, 氮
素添加的效应基本一致, 与正常氮素相比, 氮素
添加使单株根瘤数量和单株根瘤重量分别降低
了94.5% (p<0.001)和97.3% (p<0.01)(图1), 单株
根瘤数量和重量的变化基本一致。与正常氮素水
平相比 , 添加氮素也极显著抑制了根瘤平均长
度和根瘤平均重量 (图 2), 分别降低了 63.7%
(p<0.001)和71.6% (p<0.01)。
张灿娟等: 内蒙古草原 3 年生小叶锦鸡儿根瘤特征
6 期 及其对环境变化的响应 DOI: 10.3773/j.issn.1005-264x.2009.06.017 1169

表1 不同氮素水平、水分水平和CO2浓度水平下小叶锦鸡儿根瘤特征
Table 1 The nodule characteristics of Caragana microphylla under different nitrogen,
water and CO2 concentration treatments
根瘤特征 Nodule characteristics 处理
Treatment 大小及多少
Size and quantity
颜色及形态
Color and form
着生部位
Position
N0H-C 很小很少
Few; small
小球状; 褐色
Small globular; Brown
着生于主根上部
Nodules on the
upper part of taproot
N0H-E 较小较少
Less and smaller than CK
小球状、梨状; 褐色
Small globular or small pyriform; Brown
主要着生于主根
Nodules on taproot
mainly
N0H0C
(CK)
中等大小, 相对较少
Medium quantity; medium size
小型(68%): 梨状、球状, 棕黄色或浅黄色; 中型(30%):
棒状、纺锤状, 棕褐色; 大型(2%): Y状, 棕褐色
Miniature (68%): pyriform or globular, tan or buff;
Medium (30%): claviform or fusiform, pitchy; Large (2%):
Y, pitchy
多生于侧根
Nodules on lateral
roots mainly
N0H0E 较大较多
Larger quantity than CK; Larger size
than CK
小型(56%): 球状; 中型(40%): 纺锤状、梨状; 大型(4%):
Y状; 均为棕褐色
Miniature (56%): globular, pitchy;
Medium (40%): fusiform or pyriform, pitchy; Large (4%):
Y, pitchy
多生于侧根
Nodules on lateral
roots mainly
N0H+C 大、多且饱满
Many; large and plump, more and
larger than N0H0E
小型(55%): 梨状、球状, 棕黄色或浅黄色; 中型(40%):
棒状、梨状, 褐色; 大型(5%): 掌状、珊瑚状, 深褐色
Miniature (55%): pyriform or globular, tan or buff;
Medium (40%): claviform or pyriform, brown; Large (5%):
palmated or coralliform, dark brown
主要着生于侧根和
须根
Nodules on lateral
roots or fibres
mainly
N0H+E 很大很多且饱满
Maximum in quantity and size,
plump
小型(50%): 球状, 棕黄色; 中型(40%): 梨形, 褐色; 大
型(10%): 棒状、掌状、珊瑚状和纺锤状, 深褐色
Miniature (50%): globular, tan;
Medium (40%): pyriform, brown; Large (10%): claviform,
palmated, coralliform or fusiform, dark brown
主要着生于侧根和
须根
Nodules oin lateral
roots or fibres
mainly
N+H-C

仅有几个干瘪根瘤
No live nodules, only a couple of
wizened nodules
－ －
N+H-E

几乎没有活根瘤, 有少量干瘪根瘤
Almost no live nodules, a few wiz-
ened nodules
－ －
N+H0C

几乎没有活根瘤, 有少量干瘪根瘤
Almost no live nodules, a few wiz-
ened nodules
－ －
N+H0E

活根瘤极小极少, 有少量干瘪根瘤
Very few and very small live nod-
ules; a few wizened nodules
小球形, 黑褐色
Small globular; Black brown
着生于主根
Nodules on taproot
N+H+C 活根瘤极小极少, 比N+ H0E稍多;
干瘪根瘤较多
Very few and very small live nod-
ules, slightly more than N+H0E;
more wizened nodules than N+H0E
小球状、粒状, 黑褐色
Small globular or granular; Black brown
簇生于主根
Nodules fascinated
on taproot
N+H+E 活根瘤极小极少, 比N+H+ C稍多;
干瘪根瘤较多
Very few and very small live nod-
ules, slightly more than N+H+C;
more wizened nodules than N+H0E
椭圆状、小球状, 黑褐色
Ellipsoid or small globular; Black brown
簇生于主根
Nodules fascinated
on taproot
N0: 不添加氮素Normal nitrogen N+: 添加氮素 Nitrogen addition H-: 干旱 Drought H0: 正常水分 Normal water H+: 加水
处理 Water addition C: 正常CO2浓度 Ambient CO2 concentration E: 加倍CO2浓度 Elevated CO2 concentration


氮素添加同样明显抑制小叶锦鸡儿根系生
长, 所有加氮处理根系均有发白现象, 很少着生
根瘤(表1)。正常CO2浓度和干旱处理条件下, 添
加氮素根系受抑制最为严重, 主根、侧根和须根
都不同程度受到抑制, 尤其须根已丧失活性, 仅
在少数植株上发现少量的干瘪根瘤附于主根上。
随着水分的增加 , 根系受氮素的抑制才有所减
缓。

1170 植 物 生 态 学 报 www. plant-ecology.com 33 卷

表2 不同氮素、水分和CO2浓度处理对单株根瘤数量、单株根瘤重量、根瘤平均长度和
根瘤平均重量影响的显著性检验
Table 2 Results (F-values) of Three-Way ANOVA on the effects of nitrogen, water and CO2 concentration treatments for
the number and weight of root nodules per plant, mean length and mean weight of root nodules
变量
Source of
variation
df
单株根瘤数量
Number of root nodules
per plant
单株根瘤重量
Weight of root nodules
per plant
根瘤平均长度
Mean length of root
nodules
根瘤平均重量
Mean weight of root
nodules
N 1 44.12** 19.64** 64.21** 53.45**
H2O 2 17.01** 9.37** 17.89** 21.60**
CO2 1 1.72 NS 1.12 NS 2.77 NS 2.60 NS
N×H2O 2 13.41** 8.13** 0.84 NS 1.47 NS
N×CO2 1 0.46 NS 0.72 NS 1.25 NS 0.13 NS
H2O×CO2 2 0.45 NS 0.30 NS 0.35 NS 1.16 NS
N×H2O×CO2 2 0.76 NS 0.33 NS 0.08 NS 1.28 NS
N: 氮素效应 Nitrogen effect H2O: 水分效应 Water effect CO2: CO2效应 CO2 effect N×H2O: N素和水分交互效应 Nitrogen
×Water interaction effect N×CO2: N素和CO2交互效应 Nitrogen×CO2 interaction effect H2O×CO2: 水分和CO2交互效应 Water×CO2
interaction effect N×H2O×CO2: 氮素、水分和CO2交互效应 Nitrogen×Water×CO2 interaction effect **: 该因素效应极显著p≤0.01
Statistically significance at p≤0.01 NS: 不显著 Statistically insignificance at p>0.05



图1 氮素、水分、CO2浓度处理对单株根瘤数量和单株根瘤重量的影响(平均值±标准误, n=3)
Fig. 1 Effects of nitrogen, water and CO2 concentration treatments on number and weight of
root nodules per plant (mean ± SE, n =3)
N0: 不添加氮素Normal nitrogen N+: 添加氮素 Nitrogen addition H-: 干旱 Drought H0: 正常水分 Normal
water H+: 加水处理 Water addition C: 正常CO2浓度 Ambient CO2 concentration E: 加倍CO2浓度 Elevated CO2
concentration 图中上方的不同字母表示水分的3个水平之间通过LSD法进行多重比较得出的显著性差异 (p≤0.05)
Different upper letters indicate significant differences between treatments according to the results of post-hoc multiple com-
parison with LSD test at p≤0.05


2.2.2 水分对小叶锦鸡儿根瘤生长的影响
水分处理显著影响根瘤数量和大小 (表2),
总体表现为干旱处理抑制根瘤生长 , 加水处理
促进根瘤生长。随着水分的增加 , 单株根瘤数
量、单株根瘤重量、根瘤平均长度和根瘤平均重
量都显著增加(图1、图2), 相对而言 , 水分效应
张灿娟等: 内蒙古草原 3 年生小叶锦鸡儿根瘤特征
6 期 及其对环境变化的响应 DOI: 10.3773/j.issn.1005-264x.2009.06.017 1171
在正常氮素比在添加氮素下表现更加显著 , 但
CO2对水分效应影响不大(图1、图2)。正常氮素
处理时, 与正常水分处理相比, 干旱处理使单株
根瘤数量和单株根瘤重量分别平均下降了62.1%
和84.7%, 加水处理显著增加了单株根瘤数量和
重 量 , 平 均 增 加 幅 度 分 别 为 220% 和 250%
(p<0.05)。但是添加氮素后 , 水分处理对二者没
有显著效应(图1)。不同氮素和CO2浓度条件下 ,
与正常水分相比 , 干旱处理使根瘤平均长度和
根瘤平均重量分别降低了 50.4%和 59.7% (p<
0.05), 加水处理使根瘤平均长度和重量增加了
27.4%和65.3% ( p<0.05) (图2)。
水分处理对根瘤形态的影响也非常明显 ,
随着水分的增加, 根瘤形态多样性明显增加, 大
型根瘤颜色加深。与正常水分相比, 干旱处理时
只有少数的褐色球状根瘤着生在主根上(表1)。
加水处理时根瘤形态多样 , 出现了深褐色的掌
状、纺锤状和珊瑚状的大型根瘤, 多簇生, 大型
和中型根瘤比重增加 , 整体根瘤都比较饱满(表
1)。随着水分的增加, 根系发达, 主根更加粗大,
侧根和须根增多。并且根瘤着生部位随着水分的
增加发生变化 , 由主根逐渐向侧根再向须根的
方向发展(表1)。
2.2.3 CO2浓度升高对小叶锦鸡儿根瘤生长的影响
CO2浓度升高对根瘤的生长并没有显著影
响 (表2), 但是CO2浓度升高一定程度上减缓了
氮素对根瘤和根系生长的抑制作用。在不同氮素
不同水分水平下 , 与正常CO2浓度相比 , CO2浓
度升高使单株根瘤数量、单株根瘤重量、根瘤平
均长度和根瘤平均重量都有不同程度的增加(图
1、图2), 分别增加了43.0%、58.5%、21.5%和
28.0%, 但都未达到显著水平。CO2浓度升高不但
使大型的Y状根瘤比例增加, 小型的粒状根瘤比
例减少 (表1), 而且促进了侧根和须根的生长 ,
但是根瘤着生位置并没有明显变化。
2.2.4 多因素同时变化对小叶锦鸡儿根瘤生长
的影响
氮素和水分同时变化时 , 根瘤生长受到抑




图2 氮素、水分、CO2浓度处理对根瘤平均长度和根瘤平均重量的影响(平均值±标准误, n=3)
Fig. 2 Effects of nitrogen, water and CO2 concentration treatments on mean weight and mean
length of root nodules (mean ± SE, n =3)
图注同图1 Notes see Fig. 1



1172 植 物 生 态 学 报 www. plant-ecology.com 33 卷

制。与CK相比, N+H-C处理下根瘤生长受到最大
抑制, 仅有几个干瘪根瘤; N+H+C处理下也只有
很少黑褐色根瘤, 同时干瘪根瘤相对较多(表1)。
单株根瘤数量、单株根瘤重量和根瘤平均长度在
N+H+C处理时 , 相比 CK分别降低了 92.2% (p
<0.05)、95.0% (p=0.09)和47.1% (p<0.05); 根瘤
平均重量下降了37.7%, 但是并没有达到显著水
平。表明虽然氮素的抑制作用很强, 但是水分增
加对根瘤的促进作用部分缓解了氮素的抑制作
用。由于氮素对根系的抑制作用太大, 水分的增
加使根系受抑制现象稍有减缓 , 但总体变化并
不明显。
氮素和CO2同时变化时, 根瘤生长同样受到
抑制。与CK相比, N+H0E时单株根瘤数量、单株
根瘤重量、根瘤平均长度和平均重量分别降低了
80.1% (p<0.05)、94.1% (p=0.09)、51.8% (p <0.05)
和77.0% (p <0.05)(图1、图2)。但是由于氮素的
抑制作用太显著 , 根瘤的形态并没有明显的变
化, 只是干瘪根瘤的数量有所下降(表1)。CO2浓
度升高也在一定程度上减缓了氮素添加对根瘤
生长的抑制作用 (表1), 但是这种减缓作用低于
水分增加的减缓作用。
水分和CO2浓度同时变化时, 水分增加的促
进作用明显大于CO2浓度升高的促进作用。并且
与CK相比, 根瘤生长在N0H-E和N0H+E处理时响
应不同 : 表现在单株根瘤数量在N0H-E时比CK
时增加了7.3%, 单株根瘤重量、根瘤平均长度和
根瘤平均重量则分别降低了 39.0%、 38.5%和
44.8%, 但是均未达到显著水平 ; 四者在N0H+E
处理时相比CK分别增加了5.5倍 (p<0.05)、10.9
倍(p<0.05)、14.0%、81.6% (p<0.05)。相比CK,
N0H-E时只有小球状和梨状根瘤 , 但是N0H+E时
根瘤形态多样性增加 , 并且大型根瘤比例增加 ,
根瘤饱满, 根系更发达(表1)。此种处理时, 水分
和CO2浓度的促进作用叠加, 根瘤生长状况在所
有处理中最好。
在氮素、水分和CO2浓度均变化时, 根瘤生
长整体仍表现为受抑制。与CK相比, N+H-E处理
时, 单株根瘤数量和重量、根瘤平均长度和平均
重量都下降, 分别降低了92.5%、99.8%、89.8%
(p<0.01)和99.3% (p<0.05); 而在N+H+E处理时除
了根瘤平均重量增加了3.2%, 其余3者也降低 ,
但均未达到显著水平。此外, 与CK相比, 这两种
处理时的根瘤多为干瘪根瘤, 仅在N+H+E处理时
有少量黑褐色的椭圆状和小球状根瘤。以上进一
步表明了氮素对根瘤生长的抑制作用大于水分
和CO2浓度的促进作用。3种环境因子对根瘤生
长的影响程度相比 , 氮素添加的抑制作用最强 ,
其次为水分增加的促进作用, 而CO2浓度升高的
促进作用较弱。
方差分析显示 , 氮素与CO2、水分与CO2以
及三因素之间对根瘤生长都没有显著的交互作
用(表2)。氮素和水分对单株根瘤数量和重量具
有显著交互作用(p<0.01), 表现为水分对于未添
加氮素时单株根瘤数量和重量影响比添加氮素
时明显。氮素和水分对单个根瘤平均长度和重量
的影响未表现显著交互作用(表2)。
3 讨 论
本研究中小叶锦鸡儿根瘤形态较为多样, 这
与其他小叶锦鸡儿实验结果基本一致 (陶林等 ,
2005; 孙志蓉等, 2006)。根瘤颜色和形态的不同
可能与根瘤的生长年龄的不同有关。随着生长年
龄的增加, 大型根瘤的比例可能会增加, 颜色加
深。本实验发现少数颜色较深的大型Y状根瘤着
生在主根上, 质地较硬, 可能由于宿存时间相对
较长所致。与扁蓿豆、内蒙黄芪和野火球等其他
结瘤植物相比(王芳玖 , 1985; 王卫卫和胡正海 ,
2003), 本研究发现小叶锦鸡儿的根瘤形态颜色
更多样, 根瘤比较大, 但是单株结瘤数量相对较
少。因此, 根瘤形态及生长不仅受到其所处的生
态环境的影响且与植物种密切相关。
本实验氮素添加显著抑制根系和根瘤的生长
发育 , 即使是在高水分和高CO2浓度条件下 , 抑
制作用同样非常明显。与其他研究相比, 本实验中,
氮素添加对根瘤的抑制效应相对强烈 (Becker et
al., 1991; 华珞等, 2003), 这可能与本实验添加的
氮素水平 (65 mg N·kg–1土)相对较高有关。结合前
人研究, 氮素添加对根瘤的抑制作用主要有以下
几条途径: 1)高水平的土壤氮素导致土壤pH值降
低 , 进而阻止根瘤的发生发育 (Bordeleau &
Prévost, 1994); 2)由于氮的吸收比固定更能节省
能量, 施加氮肥使根瘤植物优先吸收环境中的复
合态氮(Rigaud, 1981; Vitousek et al., 2002; 牛书
丽和蒋高明, 2004), 从而减少了共生固氮, 抑制
了根瘤生长; 3)添加氮素抑制根系发育, 进而使
张灿娟等: 内蒙古草原 3 年生小叶锦鸡儿根瘤特征
6 期 及其对环境变化的响应 DOI: 10.3773/j.issn.1005-264x.2009.06.017 1173
根瘤菌侵入线的形成受阻, 并且影响已形成的生
长线到达根皮层, 根瘤结构受到破坏, 因而根瘤
形成受到抑制(Ledgard et al., 1996; Goi et al.,
1997); 4)添加氮素对根系的抑制作用, 影响根瘤
形成和维持所必需的其他营养元素的吸收, 如P、
Mo、Fe、K等元素, 进而影响结瘤(Hafner et al.,
1992; Almeida et al., 2000; Vitousek et al., 2002)。
诸多研究表明, 水分是限制根瘤生长的关键
因子, 尤其在干旱生态系统中(Kirda et al., 1989;
Serraj et al., 1999; 王卫卫和胡海正, 2003)。本实
验中, 小叶锦鸡儿根瘤在加水条件下生长状况最
好, 这与植物所处的生境特点有关。内蒙古草原
降雨量少, 蒸发强烈, 水分是根瘤菌能否有效侵
染根系的重要环境因子。究其原因, 一方面由于
干旱影响植物根系形成正常根毛(Graham, 1992),
而且会使植物根系木质化时间较早, 木质化程度
较深(何恒斌等, 2006), 影响根瘤菌侵染, 从而抑
制根瘤原基形成, 导致可见根瘤数量下降。另一
方面干旱影响植物光合作用 , 使光合产物减少
(Huang et al., 1975; Ladrera et al., 2007)。根瘤菌
每固定1 g氮大概需要12.2 g的碳水化合物, 其中
24% 用于根瘤的维持和生长 (Rainbird et al.,
1984)。干旱使得输送给根瘤的可用碳源和根瘤碳
氮代谢关键酶活性降低, 也会抑制根瘤的维持和
生长。因此, 相对充足的水分供应是结瘤所必要
的。水分增加促使根瘤顶端分生组织活动强烈 ,
能够连续分生 , 因而形成了3年生小叶锦鸡儿掌
状和珊瑚状的大型分支根瘤。此外, 随着水分的
增加, 根毛发育趋于完好, 形成较多的侧根和须
根, 而根瘤菌更倾向侵染这些新形成的幼嫩侧根
和须根, 因而形成新生根瘤多向须根方向着生的
倾向(姚新春等, 2007)。这也可能预示降水增加时
小叶锦鸡儿根系因能形成更多根毛, 根瘤菌更易
侵染形成更多根瘤, 从而增加小叶锦鸡儿固氮能
力, 促进小叶锦鸡儿灌丛扩展。
水分对根瘤数量和重量的效应依赖于氮素水
平。这可能是由于较高氮素水平抑制根系形成根
毛以及根瘤生长代谢所需要的营养元素的吸收 ,
进而间接影响根瘤菌的侵染, 导致在加氮时单株
根瘤数量和重量对水分的不敏感。
3年CO2加倍实验显示, CO2浓度升高对根瘤
生长有促进作用, 但并未达到显著。这与多数文
献不一致 (Hungate et al., 1999; Haase et al.,
2007)。文献显示, 短期大气CO2浓度升高, 一方
面使分配到土壤中的光合产物量和土壤碳氮比增
加, 另一方面使植物气孔导度降低、减少蒸腾使
土壤水分含量增加 , 促使土壤微生物活性增强
(Ebersberger et al., 2003), 从而促进植物根瘤生
长, 使根瘤数量和重量增加(Haase et al., 2007)。
但也有不少研究显示, 长期CO2加倍会使根瘤生
长或固氮能力增加不明显(Hungate et al., 2004;
Hartwig & Sadowsky, 2006; Hu et al., 2006)。可能
原因是由于长期生长在高浓度CO2环境下, 植物
对营养元素的需求增加, 与土壤微生物之间对营
养元素的竞争加强, 从而使根瘤代谢所需的重要
元素(如Mo、Fe、P)相对匮缺, 减缓了根瘤生长
(Vitousek et al., 2002; Hungate et al., 2004)。因此,
可能是由于土壤中根瘤代谢的关键元素受到限
制, 导致内蒙古草原锡林河流域小叶锦鸡儿根瘤
生长对CO2浓度升高没有显著响应。
综上所述, 本研究得到以下主要结论: 1) 3年
生桶培小叶锦鸡儿 , 根瘤以棕黄色或浅黄色的
小型球状根瘤为主 , 其次是棕褐色的棒状和纺
锤状根瘤 , 较大型的褐色Y状根瘤相对较少 , 根
瘤多着生于侧根 , 单株根瘤重量的增加主要是
通过根瘤数量的增加来实现的。2)添加氮素严重
抑制根系和根瘤发育, 但是随着水分增加和CO2
浓度升高 , 氮素的抑制效果有所缓解; CO2浓度
升高对小叶锦鸡儿根瘤及其生长特征有促进作
用, 但并未达到显著, 小叶锦鸡儿根瘤在加水条
件下生长状况最好, 水分可能是限制内蒙古半干
旱草原小叶锦鸡儿根瘤生长的关键因素。本文通
过研究内蒙古草原灌丛固氮植物小叶锦鸡儿根瘤
性状 , 初步探讨其对未来全球变化的可能响应 ,
旨在进一步了解内蒙古草原固氮过程及氮素循环
机理。在后续研究中对其固氮活性及固氮能力仍
需深入探讨, 以更加全面系统了解小叶锦鸡儿的
生物固氮过程。
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责任编委: 王根轩 责任编辑: 姜联合