全 文 ：第2 8卷 , 第6期　 　　　　　　　　　　　光 谱 学 与 光 谱 分 析 Vol.28 , No.6 , pp1255-1259
2 0 0 8 年 6 月　　　　　　　　　　　 　Spectro scopy and Spectr al Analy sis June , 2008 　
濒危植物长序榆的 FTIR分析及与土壤元素氮的相关性研究
张志祥1 , 刘　鹏1＊ , 康华靖1 , 廖承川2 , 潘成椿2 , 李成惠2
1.浙江师范大学植物学实验室 , 浙江 金华　321004　　　
2.九龙山国家级自然保护区管理局 , 浙江 遂昌　323300
摘　要　应用傅里叶变换红外光谱(FT IR)法测定了 8 个样地长序榆的根 、茎 、皮 、 叶的红外光谱 , 并对这些
红外光谱与土壤元素氮进行了相关分析。结果表明 , 根 、 茎 、 皮 、叶的红外光谱存在一定差异 , 其组织器官
化学成分含量和土壤氮元素之间存在不同程度的相关关系 , 茎中化学成分含量和全氮都呈显著正相关(p<
0.05);皮在 3 365 cm -1波数时的化学成分含量和全氮呈显著正相关 , 根和叶的化学成分含量与全氮呈低度
相关。土壤速效氮和长序榆根 、 茎 、皮 、 叶的化学成分含量之间也存在一定程度的相关性 , 但相关性比全氮
弱的多 , 均未达到统计学意义上的“显著水平” 。说明土壤全氮的变化对长序榆植物的化学成分具有一定的
影响 , 速效氮的影响则相对较低。
关键词　傅里叶变换红外光谱;全氮;速效氮;相关性;化学成分;长序榆
中图分类号:O657.3　　文献标识码:A　　　文章编号:1000-0593(2008)06-1255-05
　收稿日期:2007-01-12 , 修订日期:2007-04-19
　基金项目:浙江省自然科学基金项目(399277), 浙江省新苗人才计划项目(2007G60G2030026)和金华市科技项目(2005-1-318)资助
　作者简介:张志祥 , 1983年生 , 浙江师范大学生态学在读硕士生　　＊通讯联系人　　e-mai l:pliu99@163.com
引　言
　　长序榆(Ulmus elongata)是 1979 年我国发现的一个榆属
新种[ 1] , 隶属于榆科(Ulmaceae)总序榆组 , 总序榆组全世界
共四种 , 其中三种产于北美 , 而长序榆是该组在东亚的唯一
代表 , 为我国特有[ 2] 。因此 , 该树种对研究北美和东亚植物
地理学具有重要意义。根据现有资料 , 仅在浙江遂昌 、 临安 、
松阳 、庆元 , 福建南平来舟 , 安徽祁门 、绩溪 , 江西资溪和铅
山等地有零星分布[ 3] 。由于数量极少 , 濒临灭绝 , 故被列为
国家Ⅱ级重点保护植物。土壤氮元素是植物必需的一种元
素 , 被称为生命元素 , 能加速营养器官的生长 , 使植株浓绿
健壮 、茎叶繁茂 , 氮元素在植物生命活动中的地位非常重
要[ 4] 。研究土壤元素氮对于了解森林生态系统的生产力 、 营
养循环和氮元素的循环与转化具有重要的意义[ 5] , 对于濒危
植物的就地保护和迁地保护也具有重要的指导作用[ 6] 。
傅里叶变换红外光谱法(fourier transform infra red spec-
troscopy , FT IR)是一种基于化合物中功能团和极性键的振
动的结构分析技术 , 具有操作快速 、 简单和灵敏度高的特
点[ 7 , 8] , 已经被广泛应用于许多研究领域。在植物生物学方
面也有一定的应用研究 , 如中药材的质量鉴别[ 9-12] , 高等植
物的系统分类研究[ 13-15] , 农作物品质的鉴定[ 16-19] 。这些相关
研究均表明 , 红外光谱技术应用于高等植物的研究是可行
的。目前 , 应用 FT IR技术测得植物不同组织器官化学成分
的相对含量 , 并研究其与土壤元素的相关性在国内外还未见
报道。
本文应用 FT IR法对采自 8 个不同样地的濒危植物长序
榆的根 、茎 、 皮 、 叶分别进行了直接测定 , 采用数值分析方
法对长序榆根 、 茎 、皮 、 叶的化学成分含量差异进行了分析 ,
并研究了与土壤元素氮的相关性 , 以为长序榆群落生态学及
营养生态学的进一步研究提供理论依据 , 同时也对长序榆种
群濒危机制的探索 、 种群的合理保护和增殖具有重要的理论
和现实意义。
1　材料与方法
1.1　材料来源
用于测定的濒危植物长序榆分别采自浙江遂昌九龙山
(JL)和浙江松阳县(SY)8 个不同的样地 , 以尽量消除不同
产地植物差异对结果造成的影响。分别采集长序榆的根 、
皮 、 茎 、叶 , 在测试前均置于 50 ℃左右的红外干燥箱中干燥
24 h。
在采集 FT IR分析所需的长序榆材料的 8 个样地中 , 按
照土样采集方法在样地 4个角和中间取等量表土(0 ～ 20 cm)
共 1 kg左右进行混合均匀 , 风干后去除石块 、 树叶 、树根和
树皮 , 装袋备用。
1.2　测定方法
1.2.1　土样分析
土壤全氮的测定采用重镉酸钾-硫酸消化 , 凯氏滴定法 ,
速效氮的测定采用 20%氯化钠浸取 , 锌-硫酸亚铁还原凯氏
滴定法。
1.2.2　FT IR分析
按照所给定的测试条件(光谱范围 4 000 ～ 650 cm-1 , 分
辨率 0.1 cm -1 , 扫描累加次数 32 次), 用美国 Nico let 公司
的 NEXUS 670 型傅里叶变换红外光谱仪进行测定。应用
OMNI采样器直接测定红外光谱 , OMNIC E.S.P.5.1 同步
智能软件采用 , AT R校正 , 每个样品测定前均对背景进行扫
描 , 得到的红外光谱进行基线校正 , 确定峰值和吸光度。
1.3　数据分析
通过测定得到长序榆 8 个样地长序榆的不同组织器官的
FT IR分析图谱 32个。根据吸收峰的吸光度值的特点筛选出
20 个比较典型的吸收峰 , 比较根 、 皮 、 茎 、 叶之间的差异 ,
分别选取波数为 3 365 , 1 530 , 1 515 , 1 420 cm-1的吸光度
值 , 以这些波段的吸光度值为指标 , 与土壤的全氮和速效氮
含量进行相关分析。相关分析所用软件为 SPSS12.0。
2　结果与讨论
2.1　FTIR 谱图的重复性与差异性
图 1 ～ 图 5 为长序榆植株不同器官的 FT IR图谱。
　　表 1 为不同样地长序榆根 、 茎 、皮 、 叶在不同波数下的
吸光度值。
1256 光谱学与光谱分析　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 第 28 卷
Table 1　Absorbance at different wave number of Ulmus elongata samples
Samples
Wave number
/(cm-1)
Pat tern s
JL1 JL2 JL3 JL4 JL5 SY1 SY2 SY3
Root 3 365 0.010 5 0.012 4 0.017 3 0.016 5 0.009 1 0.015 8 0.022 8 0.012 0
1 530 0.005 5 0.008 3 0.002 5 0.005 7 0.005 1 0.004 1 0.007 3 0.003 9
1 515 0.007 0 0.009 3 0.003 6 0.005 8 0.005 8 0.005 5 0.010 2 0.005 1
1 420 0.006 4 0.008 7 0.005 4 0.006 0 0.005 7 0.005 9 0.009 3 0.005 1
Stem 3 365 0.015 1 0.023 0 0.014 1 0.026 0 0.016 4 0.017 3 0.016 3 0.017 4
1 530 0.003 8 0.005 2 0.003 1 0.006 6 0.005 1 0.005 4 0.005 6 0.003 9
1 515 0.00 3 5 0.004 8 0.004 4 0.005 8 0.006 0 0.005 1 0.004 2 0.004 0
1 420 0.005 6 0.008 3 0.006 0 0.009 6 0.007 5 0.007 2 0.006 3 0.006 6
Skin 3 365 0.018 2 0.019 1 0.020 4 0.012 2 0.011 7 0.010 8 0.016 9 0.015 3
1 530 0.010 7 0.010 8 0.015 7 0.016 1 0.012 1 0.006 7 0.005 6 0.005 9
1 515 0.010 1 0.010 3 0.011 7 0.013 7 0.010 3 0.006 6 0.005 1 0.007 3
1 420 0.010 7 0.011 5 0.016 7 0.014 4 0.010 9 0.007 4 0.007 2 0.007 8
Leaf 3 365 0.011 6 0.028 2 0.019 2 0.008 8 0.020 8 0.008 7 0.018 3 0.016 7
1 530 0.009 7 0.018 3 0.014 4 0.007 0 0.014 1 0.005 0 0.010 0 0.010 0
1 515 0.006 2 0.008 9 0.008 9 0.006 4 0.008 8 0.005 0 0.008 8 0.008 6
1 420 0.007 9 0.015 5 0.012 8 0.008 7 0.014 0 0.005 8 0.011 1 0.010 4
　　为了揭示植物不同器官红外光谱图的重复性和差异性 ,
分别对同种植株不同器官(图 1)、不同样地植株同一器官(图
2 ～ 图 5)的红外光谱进行对比分析。图 1 显示 , 长序榆根 、
茎 、皮 、 叶红外光谱吸收峰的位置基本一致 , 但也存在一定
的差异 , 主要体现在 1 050～ 1 735 cm -1 , 2 850～ 2 930 cm -1
光谱范围内各特征峰的吸收强度有所变化 , 其中叶在 2 930
cm -1处出现很强的吸收峰 , 而根 、 皮 、 茎的吸收峰相对比较
平缓;茎在 1 317 和 1 735 cm -1处也很强的吸收峰。这是与
植物各组织器官化学组成上的差异造成的。图 2 ～ 图 5 显示 ,
不同样地植株同一器官的红外光谱有一定的差异 , 各特征峰
的吸收强度不尽相同。这可能是因为长序榆种群间的遗传分
化引起植株各器官内含物发生改变有关。因此 , 在应用红外
光谱技术研究植物体内化学成分含量与土壤元素的相关性
时 , 应尽量从不同的样地取样 , 取植物不同器官进行分析 ,
使实验结果更加合理 , 同时保证了样品的代表性。
为了探讨长序榆植株各器官中化学成分含量与土壤的全
氮和速效氮之间的相关性 , 主要分析与氮元素相关的化学成
分的谱峰 , 分别为 3 365 , 1 530 , 1 515 , 1 420 cm-1四处。图
中 3 365 cm -1左右宽的谱带是蛋白质 、氨基酸 、 核酸 、 维生
素等物质分子中 N— H 键的伸缩振动吸收的叠加;1 624 和
1 530 cm -1左右的吸收峰分别为酰胺化合物的吸收Ⅰ 和 Ⅱ
带 , 其中酰胺Ⅱ带为酰胺中的 N —H 键的弯曲振动;1 515
cm -1的吸收峰为仲酰胺 N— H 键的振动吸收;1 420 cm -1为
蛋白质分子肽键中的 C— N键的伸缩振动吸收。四处谱峰的
吸光度值见表 1。
2.3　土壤元素的分布
　　从表 2 可以看出 , 长序榆群落土壤全氮含量都比较高 ,
九龙山四号样地的全氮含量最高 , 达到 1.662%, 九龙山五
号样地次之 , 为 1.318%, 松阳三号样地和九龙山三号样地
的全氮含量则低很多 , 分别为 0.483%和 0.469%。土壤速效
氮含量呈现和全氮含量不同的分布性 , 松阳一号样地含量最
高 , 达到 7.02%, 松阳二号和三号样地则相对较少 , 分别为
2.68%和 2.9%。各样地全氮和速效氮含量出现差异是由于
样地群落间的海拔 、 水分 、坡度 、坡位 、种群密度等引起的。
Table 2　Soil total nitrogen and available nitrogen content of every patterns
Physical an d chemical p ropert ies
Pat tern s
JL1 JL2 JL3 JL4 JL5 SY1 SY2 SY3
T otal nit rogen/ % 0.864 0.857 0.469 1.662 1.318 0.888 0.694 0.483
Available ni t rogen/mg·(100 g)-1 3.580 6.020 6.380 5.800 3.220 7.020 2.680 2.900
2.4　土壤全氮与组织器官化学成分相关性
　　从表 3 可知 , 长序榆根 、 茎 、 皮 、叶化学成分含量和土
壤全氮之间存在不同程度的相关关系 , 其中茎的化学成分和
全氮都呈显著正相关(p<0.05);皮在 3 365 cm-1波数时的
化学成分含量和全氮成显著正相关 , 在 1 530 , 1 515 和 1 420
cm -1波数时 , 与全氮有一定的相关性 , 但不显著。根和叶中
的化学成分含量与土壤全氮未达到统计学意义上的“显著水
平” 。根是植物营养物质的储存器官 , 叶是合成物质的器官 ,
这两者中营养物质的含量具有特殊性。这或许也可以表明 ,
由于根和叶在植物营养物质合成 、 运输和储存上的特殊位
置 , 导致和土壤全氮之间的相关性很微弱。
2.5　土壤速效氮与组织器官化学成分相关性
　　长序榆植物根 、 茎 、 皮 、 叶化学成分含量和土壤速效氮
之间也存在一定程度的相关性(表 4), 但相关性明显比全氮
弱的多 , 均未达到统计学意义上的“显著水平” 。其中除1 530
cm -1 处 , 茎的化学成分和速效氮的相关系数较小及皮
1257第 6 期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　光谱学与光谱分析
Table 3　Correlation between chemical
composition and soil total nitrogen
Wave number/ cm -1 Root S tem Skin Leaf
3 365 0.189 0.648＊ 0.635＊ 0.312
1 530 0.277 0.751＊ 0.477 0.227
1 515 0.019 0.779＊ 0.542 0.360
1 420 -0.072 0.776＊ 0.231 0.114
　＊p<0.05 rem ark able level
Table 4　Correlation between chemical
composition and soil available nitrogen
Wave number/ cm -1 Root S tem Skin Leaf
3 365 0.134 0.340 -0.031 0.139
1 530 0.196 0.128 0.429 0.043
1 515 0.320 0.320 0.387 0.404
1 420 0.141 0.387 0.462 0.142
3 365 cm -1波数时的化学成分与速效氮呈微弱负相关外 , 其
余波数下的相关系数也在 0.3 ～ 0.5 之间。这表明土壤速效
氮与植物茎和皮存在一定的联系 , 对植物茎和皮化学成分的
组成起到一定的作用 , 但土壤中速效氮含量的多少对植物的
直接影响不大。相关分析也表明 , 长序榆植物根和叶的化学
成分含量与土壤速效氮的相关性不明显 , 仅在波数 1 515
cm -1时的仲酰胺物质含量与速效氮呈一定的相关性 , 其余波
数下时化学成分含量与速效氮的相关性都很微弱。这也可能
是根和叶在植物生命活动中的特殊地位所导致的结果。
3　结　论
　　(1)从长序榆根 、茎 、 皮 、 叶的红外光谱可以看出 , 4 个
器官的红外吸收基本相同 , 吸收峰所对应的波数相对固定 ,
但各吸收峰的吸收强度有所变化 , 说明长序榆各组织器官化
学成分基本相同 , 但含量有所差异。
(2)相关分析表明 , 长序榆茎化学成分含量和土壤全氮
呈显著正相关(p<0.05), 和土壤速效氮呈一定程度的相关
(1 530 cm -1除处);根 、 皮 、叶中化学成分含量与土壤全氮 、
速效氮也存在一定程度的相关性 , 但均未达到统计学意义上
的“显著水平” , 说明长序榆的茎比根 、 皮 、 叶更能够反映土
壤中氮浓度的变化。
(3)相关分析还表明 , 土壤全氮与长序榆植物组织器官
存在线性相关 , 特别是与茎存在显著相关性 , 证明植物生长
和土壤理化性质是密不可分的 , 从植物营养学 、 营养生态学
角度说明了植物与土壤的相关关系。
(4)利用傅里叶变换红外光谱法 , 借助于 OM NI 直接测
定植物样品的红外光谱 , 可以排除萃取法和红外制样时的不
确定因素 , 增大测定的准确性 , 而且具有简便 、快速的特点 ,
因此得到了广泛的应用 。本实验采用傅里叶变换红外光谱法
分析了濒危植物长序榆不同组织器官的化学成分 , 并与土壤
全氮和速效氮进行了相关分析 , 其结果对进一步研究长序榆
具有参考价值。
参 考 文 献
[ 1] 　FU Li-guo , CHEN Jia-rui , TANG Yan-cheng(傅立国 , 陈家瑞 , 汤彦承).Acta Phy totaxonomica Sinica(植物分类学报), 1979 , 17(1):
45.
[ 2] 　ZOU Gao-shun(邹高顺).China Forest ry S cience and Techn ology(林业科技开发), 1995 , (1):2.
[ 3] 　Ins ti tu te of Botany;Chinese Academy of Sciences(中国科学院植物研究所编).Rare and Endangered Plants in Chin a(中国珍稀濒危植
物).Shanghai:Shanghai E du cation Press(上海:上海教育出版社), 1989.351.
[ 4] 　Armes to J J , Picket t S T , McDonnell M J.Spat ial H eterogeneity Du ring S uccession:A Cyclic M odel of Invasion and Exclu sion , Ecologi-
cal H eterogenei ty.New York:Spring Verlag , 1991.256.
[ 5] 　LI Jian-zhou , SHA Li-qing , WANG Jun , et al(李检舟 , 沙丽清 , 王　君 , 等).Journal of M ountan S cien ce(山地学报), 2006 , 24(2):
186.
[ 6] 　WAN Kai-yu an , CHEN Fang , LI Zuo-zhou , et al(万开元 , 陈　防 , 李作洲 , 等).Ecology and Environment(生态环境), 2004 , 13(2):
261.
[ 7] 　Grif fi th s P R , De Haseth J A.Fourier T ran sform Inf rared Spect roscopy.New York:Wiley-Interscience.1986.
[ 8] 　LI Yan , WU Ran-ran , YU Bai-hua , et al(李　燕 , 吴然然 , 于佰华 , 等).Spectros copy an d Spect ral Analysis(光谱学与光谱分析),
2006 , 26(10):1846.
[ 9] 　ZHAO H ua-rong , WEN Shu-min , WANG Xiao-yan , et al(赵花荣 , 温树敏 , 王晓燕 , 等).Spect ros copy and Spect ral An aly si s(光谱学与
光谱分析), 2005 , 25(5):705.
[ 10] 　J IN Xiang-jun , LI Xiao-pin g , LIU Zhi-qiang , et al(金向军 , 李晓萍 , 刘志强 , 等).Spect roscopy and Spect ral Analy sis(光谱学与光谱分
析), 2006 , 26(4):614.
[ 11] 　HONG Qing-hong , CHENG Ze-f eng , CHENG Cun-gui(洪庆红 , 成则丰 , 程存归).Spect roscopy and Spect ral Analy sis(光谱学与光谱分
析), 2006 , 26(9):1610.
[ 12] 　ZHANG Chang-jiang , LI Dan-ting , LIA NG Jiu-zhen , et al(张长江 , 李丹婷 , 梁久祯 , 等).Spect roscopy and Spect ral An aly si s(光谱学与
光谱分析), 2007 , 27(1):50.
[ 13] 　Kim S W , Ban S H , C ho S , et al.Plan t Cel l Rep orts , 2004 , 23:246.
[ 14] 　GUO Shui-liang , LI Pei-lin g , FANG Fang , et al(郭水良 , 李佩玲 , 方　芳 , 等).Spect roscopy and Spect ral Analysi s(光谱学与光谱分
1258 光谱学与光谱分析　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 第 28 卷
析), 2005 , 25(5):693.
[ 15] 　HAO Chao-yun , CHENG Cun-gui , LIU Peng(郝朝运 , 程存归 , 刘　鹏).Spect ros copy and Spect ral Analysis(光谱学与光谱分析),
2007 , 27(1):38.
[ 16] 　WEI Liang-ming , JIANG Hai-ying , LI Jun-hui , et al(魏良明 , 姜海鹰 , 李军会 , 等).Spect roscopy and Spect ral Analy sis(光谱学与光谱
分析), 2005 , 25(9):1404.
[ 17] 　HONG Qing-hong , LI Dan-t ing , HAO Chao-yun(洪庆红 , 李丹婷 , 郝朝运).Spect roscopy and Spect ral Analysis(光谱学与光谱分析),
2005 , 25(8):1246.
[ 18] 　CHEN Yun-ping , CHEN Rui-qiang , CHENG Xian-su , et al(陈云平 , 陈瑞强 , 程贤 , 等).Spect roscopy and Spect ral An aly si s(光谱学
与光谱分析), 2006 , 26(10):1880.
[ 19] 　RUI Yu-kui , HUANG Kun-lun , WANG Wei-min , et al(芮玉奎 , 黄昆仑 , 王为民 , 等).Spect roscopy and Spect ral Analy sis(光谱学与光
谱分析), 2006 , 26(12):219.0
FTIR Spectra of Endangered Plants Ulmus Elongata and Its Correlation
to Soil Nitrogen
ZHANG Zhi-xiang 1 , L IU Peng1＊ , KANG Hua-jing 1 , LIAO Cheng-chuan2 , PAN Cheng-chun2 , L I Cheng-hui2
1.Labo rator y o f Bio lo gical Science , Zhejiang No rmal Univ ersity , Jinhua　321004 , China
2.The Administr ation Bureau of Dapanshan Natural Rese rve , Suichang　323300 , China
Abstract　Ulmus elongata , an endemic species in China , is one o f the g rade Ⅱ na tional key conserv ation ra re and endangered
plants.The spectra o f roo t , stem , skin and leaf of U lmus elongata sampled from eight diffe rent sites w ere determined by Fourie r
transform inf rared (FT IR)spectr ometry with OMNI-sampler directly , fast and accura tely.A positioning techno lo gy o f OMNIC
E.S.P.5.1 inte lligent sof tw are and ATR co r rection w as used.The backg round w as scanned befo re the determination of every
example.The peak value and abso rbance w ere asce rtained using a me thod of baseline co rr ec tion in infr ared spectra , and then the
rela tivity be tween absorption peaks o f the spectra and the soil nit rog en w as analy zed.Results from the compa rison of the spectra
show ed some differences in their FT IR spect ra among ro ot , stem , skin and leaf o f U lmus elonga ta fr om the same plant.The co-
efficients o f co r relation between chemical composition of this four different or gans o f Ulmus elongata and soil nitr ogen were posi-
tive in different degr ee s.There w as the significantly po sitive co rrelation be tw een chemica l composition of stem and to tal nitro gen
(p<0.05).When the w ave-number wa s 3 365 cm -1 , there w as a significantly positive co r relation between chemical composition
of skin and to tal nitr ogen , and a low co rre lation between ro ot and leave chemical composition and total nitro gen.There w as also
a ce rtain ex tent cor relation be tw een chemical composition o f this four different o rgans of Ulmus elongata and so il av ailable nitro-
gen , but the coefficients of co rrelation w as sma lle r , and the level o f the statistic significance was no t significant(p>0.05).It
was showed that the change in soil to tal nitrog en has some influence on chemical composition o f diffe rent o rg ans o f Ulmus elon-
gata , but the deg ree of available nit rog en w as ve ry smaller.The linear co rrelation be tween soil to tal nitr ogen and o rgans chemi-
cal composition o f Ulmus elongate , no t only pro vided the theo retic basis for plant nutr iolog y and nutrient ecolog y of Ulmus elon-
gate , but also pro ved that the plants and so il w ere insepa rable.The results also showed tha t FT IR can be used wide ly fo r analy-
sis o f the co rrelation between chemical composition of endange red plants and soil physical and chemical pr opertie s in the future ,
and indica ted that the new method has practicability and reliability to a certain degree.
Keywords　Fourier tr ansfo rm inf rared spectro scopy;Total nitr og en;Available nitro gen;Cor rela tivity;Chemical composition;
Ulmus e longata
(Received Jan.12 , 2007;accepted Apr.19 , 2007)　　
＊Co rr esponding author
1259第 6 期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　光谱学与光谱分析