全 文 ：© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
此文于 1997 年 4 月 29 日收到。
国家自然科学基金资助项目。
豆科固氮植物植株
茎叶、根和根瘤的δ15N 值变异
周克瑜　施书莲　杜丽娟　曹亚澄　孙国庆　邢光熹
(中国科学院南京土壤研究所　南京　210008)
由于生物固定的氮在植物体内迁移过程中存在着同位素分馏效应 ,导致豆科固
氮植物不同部位的δ15N 值彼此各不相同 ,我们的结果证实 ,茎叶的15 N 自然丰度普
遍低于根 ,特别是低于根瘤。固氮百分率以茎叶的δ15N 值为参数计算较为合理。另
外 ,砂培试验得到的δ15Na 值对于固氮百分率的计算也有很大的影响。
关键词 :15N 自然丰度法 　豆科固氮植物 　同位素分馏效应
前 言
现在已经知道 ,同位素的自然丰度变异是自然界普遍存在的生物化学 —地球化学现象 ,其
变异是由在自然界特别是在生物体中进行一系列生物、化学、物理过程中产生的同位素分馏效
应 (或称质量歧视效应)所引起的。各种自然含氮物质的稳定性同位素15 N 相对于大气 N2 的
15N的变化数值以δ15N 表示 :
δ15N ‰ = R 待测样品 - R 标准样品R 标准样品 ×1000
　　式中 :R 代表 m/ e 29 (15N 14N)的离子流强度和 m/ e 28 (14N 14N) 的离子流强度的比值 ,标
准样品为大气 N2 ,样品的 R 值可大于或小于标准的 R 值 ,大于标准样品时 ,测得δ15N 值为正
值 ,表示样品的15N 丰度高于标准物质 ;小于标准样品时 ,δ15N 为负值 ,表示样品的15N 丰度低
于标准物质。
一些学者[1～5 ]在研究豆科固氮植物时发现 ,植物不同部位的δ15N 值不同 ,这给以δ15N 值
为参数计算豆科固氮植物的固氮百分率提出一个问题 ,即究竟以哪个部位的δ15 N 值较为合
理。本文的目的在于总结几年来盆栽和田间条件下豆科 (草本和灌木) 固氮植物不同部位的
δ15N 值变异 ,以便选取适宜部位的δ15N 值计算固氮百分率。
材 料 与 方 法
供试豆科植物和参比植物见参考文献[ 6 ,8 ]。
盆栽和田间试验另文发表。
测定方法见参考文献[ 6 ]。
501　核 农 学 报　1998 ,12 (2) :105～111Acta A gricult urae N ucleatae Sinica
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
结 果 与 讨 论
(一)豆科固氮植物植株不同部位δ15 N值的变异
已有不少报告指出 ,由于生物固定的氮在植物体内迁移过程中存在同位素分馏效
应[1～5 ] ,致使固氮植物植株不同部位的δ15N 值各不相同 ,我们对草本和木本豆科固氮植物固
氮能力的评估研究也证实了这一点。
11 草本固氮植物植株不同部位δ15N 值的变异 :我们分别测定了 4 种冬季豆科绿肥和 4 种
夏季豆科绿肥茎叶、根和根瘤的δ15N 值 (表 1) 。结果一致表明 ,8 种豆科固氮植物茎叶的δ15N
均为负值 ,8 种豆科植物中苕子、紫花苜蓿、田菁、猪屎豆根的δ15N 值均高于茎叶 ;紫云英茎叶
与根的δ15N 接近 ,蚕豆根的δ15 N 值略低于茎叶。苕子、紫云英、蚕豆、田菁和猪屎豆根瘤的
δ15N 均为正值 ,远远高于茎叶和根部 ,乌豇豆和印度豇豆根和根瘤未分开 ,根 (根 + 根瘤) 的
δ15N均为正值 ,分别为 + 2172 ±0151 ‰和 + 2123 ±0119 ‰,可能与根瘤高的δ15N 的贡献有关。
总的趋势是所研究的 8 种豆科植物茎叶δ15N 值最低 ,根瘤最高 ,但紫花苜蓿根瘤的δ15N 值为
- 2168 ‰,低于茎叶和根。Yoneyama 等[4 ]在用豆科植物做试验时也观察到这种现象 ,并作出
了解释。他们将豆科固氮植物体内氮的运转分为酰脲运输型和酰胺运输型 ,属于前者的豆科
植物根瘤的δ15N 值为正值 ;属于后者的根瘤δ15 N 值为负值。紫花苜蓿可能属于酰胺传输型
植物。
表 1 　某些草本固氮豆科植物茎叶、根和根瘤的δ15N 值
Table 1 　δ15N value in shoots ,roots and nodules of harvested N22fixing plants ( ‰)
固氮植物
N22fixing plant 茎叶Shoots 根Roots 根瘤Nodules
苕子
Vetch - 1137 - 0176 ±0130 + 4100 ±211
紫云英
Milk vetch - 1123 ±0183 - 1125 ±0110 + 1127 ±0114
蚕　豆
Broad bean - 0192 ±0116 - 1124 ±0150 + 10117 ±0174
紫花苜蓿
Medicago sativa L . - 1142 ±0195 - 0192 - 2168
田　菁
Sesbania cannabina - 1162 ±0134 - 1112 ±0141 + 1134
猪屎豆
Crotalaria m ucronata - 3109 ±0135 - 2147 ±0121 + 3156
乌豇豆
V igna cyli ndrica - 1142 ±0114 + 2172 ±0151 3
印度豇豆
V igna sinensis - 0189 ±0108 + 2123 ±0119 3
　　注 :乌豇豆、印度豇豆根和根瘤未分开采集 ,包括根瘤在内。
Note : The roots of V igna cyli ndrica and V igna sinensis include nodules.
21 灌木固氮植物植株不同部位δ15N 值的变异 :6 种木本豆科固氮植物茎叶、根和根瘤δ15N
601 核　农　学　报 12 卷
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
值的分析也得到了与草本豆科植物同样的结果 (表 2) 。美丽胡枝子 (江西) 、路生 (胡枝子属) 、美
丽胡枝子 (浙江)茎叶的δ15N 值都低于根和根瘤 ,根瘤的δ15N 最高 ,且为正值 (除马棘外) 。
表 2 　某些灌木固氮植物植株茎叶、根和根瘤的δ15N 值
Table 2 　δ15N value in shoots ,roots and nodules of harvested N22fixing shrub plants ( ‰)
固氮植物
N22fixing plant 茎叶Shoots 根Roots 根瘤Nodules
美丽胡枝子 (江西)
Lespedeza f ormosa (Vog)
Koehne (Jiangxi)
- 1171 - 0117 + 9176
路　　生
Lespedeza viatorum - 1157 - 0121 + 8170
美丽胡枝子 (浙江)
Lespedeza f ormosa (Vog)
Koehne (Zhejiang)
- 2145 + 1181 + 9157
马　　棘
Indig of era psoud otinctoria Mats - 1133 - 2103 - 2127
(二)计算固氮植物固氮百分率δ15 N值的选择及合理性探讨
应用15N 自然丰度法评估固氮植物的固氮能力或相对固氮百分率 ,与差减法、乙炔还原法
或富集15N 法相比有许多优点[6 ,7 ] ,其中不可代替的优点是可用于多年生木本固氮植物固氮能
力的评估。从我们进行的盆载、田间微区和小区试验所得的结果可以确定 ,15N 自然丰度法可
以用于评估灌木固氮植物的固氮能力。在应用15N 自然丰度法计算固氮植物固氮量时 ,有关
参数的选择至关重要。
应用15N 自然丰度 (δ15N)法计算固氮植物的固氮百分率 ( %Ndfa)用下列公式计算 :
%Ndfa = δ
15Ns - δ15Nf
δ15Ns - δ15Na ×100
　　从上式可以看到要满足这一公式 ,必须取得 3 个基本参数 ,式中δ15Ns 为非固氮参比植物
的δ15N 值 ,δ15Nf 为固氮植物的δ15N 值 ,δ15Na 是以空气氮为唯一氮源的固氮植物的δ15N 值 ,
这一数值通常通过不供给氮源的砂培试验来取得。这 3 个参数中任何一个参数都影响计算结
果的可靠性和合理性。有关参比植物的选择已有专文发表[9 ] ,现在讨论不同部位δ15 Nf 和
δ15Na对计算固氮结果的影响。
11 固氮植物δ15Nf 值的选择 :由于固氮植物固定的氮素在植物体内运转时存在同位素分
馏效应而使固氮植物植株不同部位的δ15N 值产生变化 (表 3 和表 4) ,这就给计算固氮植物的
固氮百分率时选择固氮植物那一部分的δ15N 值最为合理提出了一个问题。
表 3 为 4 种夏季豆科绿肥植物取茎叶和根的δ15N 值 ,通过两种参比植物苏丹草和牛鞭草
分别计算的固氮百分率 ,除猪屎豆取茎叶和根的δ15N 计算的固氮百分率差异不大外 ,取田菁、
乌豇豆和印度豇豆茎叶和根的δ15N 值计算的固氮百分率 ,因不同部位δ15N 值不同 (表 1) ,数
值有很大的差异 ,特别乌豇豆和印度豇豆以根部δ15N 值计算的固氮百分率均为负值 ,分别为 :
- 11617 %、- 11710 %和 - 13417 %、- 15415 % ,这是极不合理的。
701　2 期 豆科固氮植物植株茎叶、根和根瘤的δ15N 值变异
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
表 4 为紫花苜蓿、紫云英和蚕豆 3 种冬季固氮绿肥 ,以扁穗雀麦、燕麦和黑麦草为参比植
物 ,分别用茎叶和根的δ15N 值计算固氮百分率 ,虽然不像表 3 中用乌豇豆和印度豇豆根部的
δ15N 值计算固氮百分率为负 100 %以上的极不合理的结果 ,但从表 4 仍可以看出 ,3 种豆科绿
肥以 3 种参比植物计算得到的固氮百分率的平均标准偏差较大 ,分别为 ±819 % , ±1012 %和
±1015 % ,而用茎叶δ15N 值以 3 种同样的参比植物计算的固氮百分率的平均标准偏差分别为
±115 % , ±115 %和 ±112 % ,比以根部δ15N 计算的平均标准差小得多。
表 5 是美丽胡枝子 (江西) 、路生 (胡枝子属) 、美丽胡枝子 (浙江)和马棘等 4 种灌木豆科植
物分别以重阳木、喜树、火棘和黄栀子等 4 种参比植物计算的固氮百分率。从表 5 可以看出 ,
若取不同灌木固氮植物叶子的δ15N值计算该种植物的固氮百分率 ,平均标准差很大 ,分别为
±3315 % , ±2815 % , ±1911 %和 ±2116 % ,而取各种固氮植物茎叶的δ15N 值计算美丽胡枝子
(江西) 、路生、美丽胡枝子 (浙江)和马棘的固氮百分率 ,则平均标准差比取叶子的δ15N 值计算
的固氮百分率的平均标准差小得多 ,分别为 ±614 % , ±816 % , ±514 %和 ±911 %。
表 3 　某些夏季豆科绿肥植株茎叶和根的δ15 N值计算的固氮百分率
Table 3 　% Ndfa of shoots and roots of summer harvested N22fixing plants
calculated with theδ15N value
固氮植物
N22fixing plant 茎叶 ShootsⅠ Ⅱ 根 RootsⅠ Ⅱ
田　菁
Sesbania cannabina 6610 ±1511 6919 ±1412 　　8115 　-
猪屎豆
Crotalaria m ucronata 8914 ±1018 9012 ±1010 8915 　　8011
乌豇豆
V igna cyli ndrica 8310 ±913 8512 ±810 - 11710 - 11617
印度豇豆
V igna sunensis 4711 ±511 5219 ±511 - 15415 - 13417
　　注 : Ⅰ、Ⅱ分别以苏丹草和牛鞭草为参比植物计算的固氮百分率 ,参比植物的δ15N 值见参考文献[ 6 ]。
Note : Ⅰ, Ⅱwas %Ndfa calculated with Sorghum sudanense and Hemarthria altissi ma as non2N22fixing plants respectively ,
whoseδ15N values are in reference[ 6 ] .
表 4 　某些冬季豆科绿肥植株茎叶和根的δ15 N值计算的固氮百分率
Table 4 　% Ndfa of shoots and roots of winter harvested N22fixing plants
calculated withδ15N value
固氮植物
N22fixing plant 茎叶 ShootsⅠ Ⅱ Ⅲ X±Sx 根 RootsⅠ Ⅱ Ⅲ X±Sx
紫花苜蓿
Medicago sativa L . 6415 6713 6511 6516 ±115 7112 6717 5414 6414 ± 819
紫云英
Milk vetch 7413 7711 7419 7514 ±115 6310 5910 4317 5512 ±1012
蚕　豆
Broad bean 7619 8016 7717 7819 ±112 6312 5911 4313 5512 ±1015
　　注 : Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分别以扁穗雀麦、燕麦和黑麦草为参比植物计算的固氮百分率。参比值物的δ15N 值见参考文献[ 8 ]。
Note : Ⅰ, Ⅱ, Ⅲwas %Ndfa calculated with B rom us catharticus , A vena sativa L . and L olium m ultif lorum as non2N22fixing
plants respectively ,whoseδ15N values are in reference[ 8 ] .
801 核　农　学　报 12 卷
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
表 5 　某些灌木豆科固氮植物叶和茎叶δ15 N值计算的固氮百分率
Table 5 　% Ndfa of leaves and shoots of harvested N22fixing shrub plants
calculated with theδ15N value
固氮植物
N22fixing plant 叶 LeavesⅠ Ⅱ Ⅲ Ⅳ X±Sx 茎叶 ShootsⅠ Ⅱ Ⅲ Ⅳ X±Sx
美丽胡枝子 (江西)
Lespedeza f ormosa
(vog) Koehne (Jiangxi)
1912 4214 2311 9012 4411 ±3315 5718 6312 65. 2 7311 6418 ±614
路　　生
Lespedeza viatorum 3113 5110 3416 9312 5213 ±2815 4218 5011 5218 6316 5213 ±816
美丽胡枝子 (浙江)
Lespedeza f ormosa (Vog)
Koehne (Zhejiang)
5412 6817 5616 9518 6817 ±1911 6613 7019 7216 7912 7212 ±514
马　　棘
Indig of era
psoud otinctoria Mats
4816 6516 5116 9518 6514 ±2116 4711 5513 5812 6911 5714 ±911
　　注 : Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分别以重阳木、喜树、火棘和黄栀子为参比植物计算的固氮百分率 ,参比植物的δ15N 值见表 6。
Note : Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ, Ⅳwas %Ndfa calculated with Bischof ia t rif oliata Hook , Cam ptotheca acuminata Decme , pyracantha
atlantiaide ( Ha) Stapf and Gardenia jasminoides Ellis as non2N22fixing plants respectively ,whoseδ15N values are
in table 6.
表 6 　参比植物的δ15 N值
Table 6 　δ15N value of non N22fixing plants
参比植物
Non N22fixing plant 叶 Leaves全 N Total N (g/ kg) δ15N ( ‰) 茎叶 Shoots全 N Total N (g/ kg) δ15N ( ‰)
黄栀子
Gardenia jasminoides Ellis 1312 + 47156 ±516 819 + 3135 ±0161
火棘
Pyracantha atlantiaide ( Ha) Stapf 12. 1 + 1. 02 ±0. 27 9. 8 + 1. 58 ±0. 04
重阳木
Bischof ia t rif oliata Hook 14. 5 + 0. 76 ±0. 03 10. 9 + 0. 54 ±0. 28
喜　树
Cam ptotheca acuminata Decme 11. 8 + 2. 83 10. 5 + 1. 26 ±0. 18
　　综上所述 ,不论草本固氮植物或木本固氮植物都以取茎叶的δ15N 值计算植物的固氮量最
合理 ,平均标准偏差也最小 ,取根或叶的δ15N 值计算出的固氮百分率平均标准偏差很大。
21δ15Na 值对固氮百分率计算结果的影响 :表 7 和表 8 是苕子和多花木兰两种固氮植物分
别以它们茎叶的δ15N 值计算的固氮百分率 ,其结果都超过 100 % ,这显然是不合理的。砂培
试验苕子茎叶的δ15Na 值为 - 1130 ‰与土培试验得到的茎叶的δ15Nf 值 - 1137 ‰很接近 ;多花
木兰也是同样的情况 ,砂培试验多花木兰的δ15 Na 值为 - 1165 ‰,与土培试验得到的茎叶的
δ15Nf值 - 1167 ±0116 ‰两者差异很小。苕子和多花木兰的δ15 Na 理论值应低于它们的δ15 Nf
理论值 ,而两者的实测值差异很小 ,主要原因是两种固氮植物的砂培试验没有做好 ,它们在砂
培试验中生长发育不良 ,致使根瘤未能长好。因而固氮能力差 ,很可能从灌溉水中得到的氮占
有不少的比例 ,因而没有得到比土培试验更负的δ15Na 值。
901　2 期 豆科固氮植物植株茎叶、根和根瘤的δ15N 值变异
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
表 7 　草本固氮植物地上部δ15 Na 值计算的固氮百分率
Table 7 　% Ndfa of herbaceous N22fixing plant calculated with the
δ15Na value of shoots of harvested vetch
固氮植物
N22fixing plant 参比植物 Non N22fixing plant扁穗雀麦
B rom us catharticus
燕　麦
A vena sativa L .
黑麦草
L olium m ultif lorum
X±Sx
苕子 Vetch 10719 10619 10717 10715 ±015
　　注 :δ15N 见参考文献[ 8 ]
Note :δ15Nsee reference[ 8 ]
表 8 　灌木固氮植物茎叶δ15 Na 值计算的固氮百分率
Table 8 　% Ndfa of shurb N22fixing plant calculated with the
δ15Na value of shoots of harvested Indigof era am blyantha Craib
固氮植物
N22fixing plant 参比植物 Non N22fixing plant重阳木Bischof ia
t rif olialta Hook
喜　树
Cam ptotheca
acuminata Decme
火　棘
Pyracantha atlantiaide
( Ha) Stapf
黄栀子
Gardenia
jasminodes Ellis
X±Sx
多花木兰
Indigof era
amblyantha Craib
14016 12617 12313 11315 12610 ±1113
参 考 文 献
1 　姚允寅 ,陈　明 ,马昌　 ,王志东 ,侯景琴 ,张丽红 ,骆永云. 15N 天然丰度法测量豆科牧草共生固氮的评估. 核农学报 ,
1991 ,5 (3) :139～145
2 　Shearer G ,Feidman I ,Brgan BA ,Sheeters JL , Kohl DH ,Amarger N ,Mariotti F ,Mariotti A. 15N abundance of nodules as an in2
dicator of N metabolism in N22fixing plants. Plant Phyisol ,1982 ,70 :465～468
3 　Steele KW ,Bonish PM ,Daniel RM ,Ohara GM. Effect of rhizobial strain and host plant on nitrogen isotope fractionation in
legumes. Plant Physiol ,1983 ,72 :1001～1004
4 　Yoneyama T , Yamada N , Kojima H , Yazaki J . Variations of natural 15N abundances in leguminous plants and nodule fractions.
Plant Cell Physiol ,1984 ,25 :1561～1565
5 　Yoneyama T ,Murakami T ,Boonikerd N ,Wadisirisur P ,Stripin S , Kouno K. Natural 15N abundance in shrub and tree legumes
casuarina and non N2 fixing plants in Thailand. Plant and Soil ,1990 ,128 :287～292
6 　曹亚澄 ,施书莲 ,杜丽娟 ,周克瑜 ,孙国庆 ,邢光熹. 应用15N 自然丰度法测定固氮植物固氮量 Ⅰ. 草本豆科固氮植物固氮
量的测定. 土壤学报 ,1995 ,32 增刊 (2) :217～225
7 　Harady RWF ,Bums RC ,Holster RO. Applications of the acetylene2ethylene assay for measurement of nitrogen fixation. Soil Biol
Biochem ,1973 ,5 :47～81
8 　孙国庆 ,曹亚澄 ,施书莲 ,杜丽娟 ,周克瑜 ,邢光熹 1 几种冬季固氮植物固氮量的评估 1 土壤 ,1997 ,29 (2) :99～102
9 　杜丽娟 ,施书莲 ,周克瑜 ,曹亚澄 ,孙国庆 ,邢光熹. 应用15N 自然丰度法测定固氮植物的固氮量 Ⅲ. 参比植物的选择. 土
壤 ,1996 ,28 (4) :210～212
011 核　农　学　报 12 卷
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
VARIATIONS OFδ15 N VAL UE IN SHOOTS , ROOTS
AND NOD UL ES OF N22FIXING PLANTS
Zhou Keyu 　Shi Shulian 　Du Lijuan 　Cao Yacheng 　Sun Guoqing 　Xing Guangxi
( Instit ute of Soil Science , Academia Sinica , Nanjing 　210008)
ABSTRACT
Because of isotopic fractionation in plant2f ixed N2 transport from nodules to shoots and
leaves ,δ15 N values of vrious parts of leguminous N22f ixing plant are different. The results of the
experiment demonstrated that natural 15 N abundance of the shoot is generally lower than that of
the root ,and especially lower than that of the nodules. It is reasonable to calculate % Ndfa by
usingδ15 N value of the shoot as parameter. Moreover ,δ15 N values obtainted from sand2culture
experiment also have a great influence on calculation of N22f ixing percertage.
Key words : 15N natural abundance ,leguminous N22fixing plant ,isotopic f ractionation effect111Acta A gricult urae N ucleatae Sinica1998 ,12 (2) :105～111