全 文 ：交叉培养法研究养分对作物幼苗
释放 N2O的影响*
陈 欣 沈善敏 张 璐 吴 杰
(中国科学院沈阳应用生态研究所, 沈阳 110015)
摘要 为验证土壤中 N2O 能否通过植物的输导组织由叶片释放从而干扰植物直接释放
N2O的定量测定, 实验采用分室隔离法确证了土壤 N2O对测定某些作物(如玉米、高粱)直
接释放N2O的干扰; 采用交叉培养法消除了这种干扰, 准确地测定了大豆、玉米幼苗直接
释放 N2O的强度;并研究了 N、P营养与植物释放 N2O及体内 NO3N浓度之间的相关性.
关键词 植物 N2O 释放 养分影响
Effect of nutritional condition on N2O emission by crop seedlings! ! ! a sandliguid cross culture
study. Chen Xin, Shen Shanmin, Zhang Lu andWu Jie ( Institute of Applied Ecology , Academia Sini
ca, Shenyang 110015) . Chin. J . Appl . Ecol. , 1997, 8(2) : 177~ 180.
With separatedcompartment culture technique, the study confirmed that N2O in soils has a great in
terference on the measurement of N2O emitted directly by some plants such as maize and sorghum.
The interference can be effectively eliminated by means of sandliquid cross culture technique. With
this technique, the intensity of N2O emitted directly by seedlings of both soybean and maize is accu
rately determined, and the correlations between N and P nutritions on the one hand and N2O emission
and NO3N concentration of crop seedlings on the another hand are obtained.
Key words N2O emission, Plants, Effect of nutrition.
* 国家自然科学基金 ( 39570132)和中国科学院陆地
生态系统痕量物质生态过程开放实验室资助项目. 1996年 1月 11日收稿, 6月 11日接受.
1 引 言
自从陈冠雄等[ 3]报道了一些植物能释
放N2O以来,有关这方面的研究得到广泛
重视,李楠、陈冠雄等用田间整株小麦做实
验发现 N肥用量增加可使小麦释放 N2O
增强[ 1] . 笔者的研究结果表明[ 2] , 光照不
足、N供给过剩可显著增强玉米、大豆、高
粱幼苗的N2O释放,而充分的 P 供给和适
宜的光照可显著降低供试幼苗 N2O的释
放,但迄今这方面研究尚处于定性阶段.目
前全世界每年的化肥 N用量已超过 7. 0 ∀
107 t,我国已超过 1. 9 ∀ 107 t , 定量估测作
物释放 N2O 的量级, 寻求减少作物释放
N2O的调控途径有着重要的生态学意义.
准确测定植物自身产生并释放的
N2O,首先必须排除外源 N2O的干扰. 土壤
是N2O的重要源, 25 # 1 个大气压下 N2O
在水中的溶解度可达 700 mg N2ON ∃
L- 1[ 5] ,土壤溶液中 N2O 的浓度为0. 001~
0. 3 mg N2ON∃L- 1[ 6, 7] , 有些土壤可达0. 5
~ 10 mg N2ON∃L- 1[ 8] .植物根系生长在如
此环境中, N2O 能否通过扩散作用随蒸腾
液流经植物输导组织由叶片释出,亦即观
测到植物释放的 N2O 是否有一部分源自
应 用 生 态 学 报 1997年 4 月 第 8卷 第 2 期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, Apr. 1997, 8( 2)%177~ 180
土壤中硝化反硝化产生的 N2O,如果得到
证实,如何排除土壤 N2O 的干扰, 准确测
定植物自身产生并释放的 N2O? 本文设计
的分室培养和交叉培养实验试图解决这些
问题.
2 研究方法
2. 1 外源 N2O对植物释放 N2O的影响实验
采用分室隔离培养法检测作物幼苗根区分
室中 N2O经由输导组织自作物叶片释出的可能
性.实验采用完整根系和人为部分损伤根系进行
试验,每种根系分别设 2 个处理:根区分室中无外
源N2O和在根区分室中注入 N2O, 使其浓度约为
0. 15 ml∃L- 1 .
供试作物为大豆、玉米和高粱幼苗. 用砂培
单株育苗, 将河砂过 1 mm 筛, 经酸洗后反复水洗
至 pH> 6. 5,每盆装河砂 5 kg,播种前浇灌一次含
K和微量元素( Ca、Mg、Fe、Mn、Zn 等)营养液. 幼苗
长至 15~ 20 cm 时用水冲去根部砂粒, 便可获得
根系无损伤的幼苗.
供试幼苗按实验处理分别在分室隔离培养
装置中培养 1 h, 取样测定上部分室中的 N2O.
2. 2 交叉培养法测定植物直接释放N2O实验
采用砂培无菌营养液先后交叉培养供试幼
苗方法以排除可能积存植株体内外源 N2O 的干
扰,便可进一步研究养分供给状况对供试幼苗体
内 NO3N浓度以及 N2O 释放强度的影响.
供试作物为大豆和玉米幼苗, 河砂用量及处
理方法见 2. 1, 每盆育 6 株幼苗, 养分供给设 4 个
处理: 1) 蒸馏水 ( CK ) ; 2) 培养期间浇灌含 N
0. 24%的 NaNO3 溶液,每次 50 ml,共浇 5次, 计供
N 0. 6 g; 3) 培养期间浇灌含 P 0. 08%的 Na2HPO4
溶液,每次 50 ml,共浇 5 次,计供 P 0. 2 g, 4) 养分
供给量为 2)、3)之和 .
所有处理于播种前均浇一次含 K 和微量元
素( Ca、Mg、Fe、Mn、Zn 等)的营养液以保证其他养
分的供给. 经砂培处理的植株在进行无菌营养液
培前根部用 15%的 H2O2灭菌.
无菌营养液培选用 250 ml 广口三角瓶培养
作物幼苗,每瓶装无菌营养液 100 ml, 营养液经 2
次煮沸灭菌, 用前加盖密封. 养分供给设 4 个处
理: 1) 蒸馏水( CK) ; 2)含N 0. 05%的NaNO3溶液;
3)含 P 0. 02%的 Na2HPO4 溶液; 4)含 N 0. 05% 和
含 P 0. 02%的 NaNO3 与Na2HPO4的混合液.
将砂培育成的幼苗用蒸馏水冲洗根部并经
H2O2灭菌后, 置于无菌营养液中进行交叉培养 24
h, 以排除可能积存于植株体内的 N2O, 然后测定
不同处理植株释放 N2O 的强度和体内 NO3N 浓
度.采用砂培处理与液培处理的不同组合, 每种
供试作物可获得 16 种在不同养分供给条件下砂
液交叉培养的幼苗供研究用. N2O测定方法参见
文献[ 1] , 植株NO3N的测定用比色法[ 4] .
3 结果与讨论
3. 1 根区外源 N2O 对植物释放 N2O的影
响
由表 1可见,根区分室中注入 N2O达
到相当于中等水平的土壤溶液中 N2O 浓
度时,根系完整的玉米、高粱幼苗其茎叶释
放N2O的速率比正常情况增加了 3~ 4倍,
大豆幼苗释放 N2O的速率基本无变化,而
根系损伤的高粱、玉米茎叶 N2O 的释放强
度比无外源 N2O增加了 20~ 30倍,说明根
区外源 N2O可随蒸腾液流经由玉米、高
粱的输导组织自叶片释出. 对于根系同样
受损伤的大豆幼苗, 其释放 N2O 的强度
仅略有增加, 这与大豆的纵向输导组织远
不如玉米、高粱发达有关. 在农田管理中,
由铲、耥引起的伤根在所难免, 因此, 田
间测定玉米、高粱等作物直接释放N2O时
表 1 分隔培养条件下根区外源 N2O对植株地上部分释放 N2O的影响
Table 1 Effect of N2O in root zone on N2O emission from
upper part of crops under separated compartment culture
(g∃g- 1DW∃h- 1)
作物幼苗
Crop seedlings
& ∋ ( )
玉米 Maize 0. 11 0. 32 0. 10 3. 67
高粱 Sorghum 0. 13 0. 49 0. 12 2. 88
大豆 Soybean 0. 06 0. 06 0. 06 0. 10
注:表中数据为 9次实验测定结果的平均值 Data are the
mean for 9 t imes. & . 整根无外源 N2O Whole root without
N2O, ∋ .整根有外源N2O Whole root with N2O, ( . 断根无
外源 N2O Cutoff root without N2O, ). 断根有外源 N2O
Cutoff root with N 2O.
178 应 用 生 态 学 报 8 卷
可能有一部分来源于土壤 N2O 的贡献;
而对于大豆, 来自土壤 N2O 的贡献可能
要小得多.
3. 2 交叉培养法测定作物直接释放N2O
砂培作物幼苗经根部灭菌后, 移至无
菌营养液中培养 24 h, 通过一昼夜的叶面
蒸腾, 排除可能积存在植株体内的外源
N2O, 之后的测定结果可以认为是植物自
身产生、释放的 N2O (表 2) .
由表 2可见, 所有处理均测得了 N2O
的释放, 可以确认在排除 N2O 的外源干
扰情况下, 作物可以直接产生并释放
N2O. 由蒸馏水溶液培养的 4 个处理来
看, 大豆幼苗排放 N2O 的强度要低于玉
米幼苗. 砂培对照和施P处理培育的幼苗
移至 N或 NP 营养液中培养 24 h 后, 大
豆、玉米幼苗释放 N2O的强度明显提高,
其中在 NP 营养液中培养的作物幼苗 N2O
释放强度略低. 砂培施 N、或 NP 处理的
作物幼苗在 P 营养液中培养 24 h 后, 其
N2O释放速率可明显降低, 在 NP 营养液
中培养后 N2O 释放强度也有所降低, 但
效果不如纯 P营养液. 可见 P营养可在一
定程度上调控作物体内的N代谢.
表 2 不同砂培液培组合处理作物幼苗释放 N2O的速率
Table 2 Emission rate of N2O from crop seedlings under different treatments of sandliquid cross culture (g∃g- 1DW∃h- 1)
作 物
Crops
CK*
CK* * N P NP
N
CK* * N P NP
P
CK * * N P NP
NP
CK* * N P NP
& 0. 05 0. 34 0. 040. 26 0. 42 0. 59 0. 19 0. 52 0. 09 0. 31 0. 070. 35 0. 64 0. 81 0. 14 0. 62
∋ 0. 01 0. 35 0. 020. 34 0. 14 0. 30 0. 07 0. 12 0. 02 0. 22 0. 030. 21 0. 15 0. 19 0. 03 0. 11
注: 表中数据为 6次实验测定平均 Data are the mean for 6 t imes. * 砂培处理 Sand culture; * * 液培处理 Liquid cul
ture. & . 玉米 Maize, ∋ . 大豆 Soybean. 下同 The same below.
表 3 不同砂培液培组合处理作物体内 NO3N浓度
Table 3 NO3N concentration in crop seedlings under different treatments of sandliquid cross cul ture ( mg∃100 g1DW)
作物
Crops
CK*
CK * * N P NP
N
CK* * N P NP
P
CK * * N P NP
NP
CK* * N P NP
& 0. 90 2. 61 0. 462. 0518. 47 20. 9212 . 1 318. 79 0. 79 2. 16 0. 48 2. 23 20. 41 22. 64 15. 3519. 1 9
∋ 0. 56 2. 01 0. 571. 9624. 92 39. 0714 . 7 524. 27 0. 68 1. 88 0. 82 1. 59 18. 11 25. 47 8. 39 17. 30
3. 3 作物释放N2O的强度与体内 NO3N
含量的关系
不同砂培处理的作物幼苗由于 N 供
给的水平不同, 其体内 NO3N 的浓度相
差可达 20 倍以上. 但经不同处理无菌营
养液进一步培养后体内的 NO3N含量可
以发生很大改变 (表 3) : 1) 砂培无N 的
2个处理的作物幼苗经 N或 N、P 培养后
其体内 NO3N 浓度增加 2~ 3倍; 2) 砂
培施N的2个处理的作物幼苗后期经P 或
NP营养液培养后其体内 NO3N浓度明显
下降,纯 P培养液的效果尤其明显; 3)作物
幼苗体内 NO3N 浓度的上述变化均与其
N2O释放强度呈显著正相关(图 1、2) , 相
图 1 砂培无N处理作物幼苗经不同处理无菌营养液培
养后 NO2的排放速率与体内 NO3N浓度的关系
Fig. 1 Correlations between NO 2 emission and NO3
N concen
trat ion of crop seedlings from sand culture w ithout nitrogen fol
low ed with liquid culture with different nut rition treatments.
1792期 陈 欣等: 交叉培养法研究养分对作物幼苗释放 N2O的影响
图 2 砂培供N 处理作物幼苗经不同处理无菌营养液培
养后 NO2 的排放速率与体内NO3N 浓度的关系
Fig. 2 Correlations between NO2 emission and NO 3
N concen
tration of crop seedlings from sand culture with nitrogen followed
with l iquid culture w ith diff erent nutrit ion treatments.
关系数均在0. 91以上,达到了显著或极显
著水平. 由此, 可以推测作物释放 N2O 的
强度与体内NO3N的积累有密切关系.
4 结 论
4. 1 土壤中 N2O(硝化反硝化产生)可随
某些作物(如玉米、高粱)的蒸腾液流经由
输导组织自叶片释出, 在根系损伤情况下
更为显著;大豆对此种干扰则不明显.
4. 2 缺 P或 N过剩可导致作物体内NO3
N浓度上升、N2O释放增强, 施 P可调控作
物体内N代谢,显著降低作物体内 NO3N
浓度和N2O的释放.甚至通过后期补 P,也
可在一定程度上降低植株体内 NO3N浓
度,减弱 N2O释放.
4. 3 在相同供 N 水平条件下, 作物体内
NO3
N含量与 N2O释放呈显著正相关, 但
不同供 N 状况其体内 NO3N 含量相差极
大.
参考文献
1 李 楠、陈冠雄. 1993. 植物释放 N2O 速率及施肥的
影响. 应用生态学报,4( 1) : 295~ 298.
2 陈 欣、沈善敏等. 1995. 氮磷供给对作物释放 N2O
的影响研究初报. 应用生态学报, 6( 1) : 104~ 105.
3 陈冠雄等. 1990. 植物释放氧化亚氮研究. 应用生态
学报, 1( 1) : 94~ 96.
4 Singh, J. P. 1988. A rapid method for determination of ni
trate in soil and plant extracts. Plant and Soil , 110: 137~
139.
5 Wilhelm, E. , Batt ino, R. & Wilcock, R. J. 1977. Low
pressure solubility of gases in liquid water. Chem. Rev . ,
77: 219~ 262.
6 Dowdell, R. J. , Burford, J. R . & Crees, R. 1979. Losses
of nitrous oxide dissolved in drainage water from agricultural
land. Nature, 278: 342~ 343.
7 Minami, K. & Ohsawa, A. 1990. Emission of nitrous oxide
dissolved in drainage water from agricultural land. In: Soils
and the Greenhouse Effect (A . F. Bouwman ed ) . John Wi
ley & Sons Ltd. , Chichester, pp. 503~ 509.
8 Amundson, R. G. & Davidson, E. A. 1990. Carbon diox
ide and nitrogenous gases in the soil atmosphere. J .
Geochem. Explor . , 38: 13~ 41.
180 应 用 生 态 学 报 8 卷