全 文 ：中国生态农业学报 2011年 5月 第 19卷 第 3期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, May 2011, 19(3): 593−596


* 农业部油料作物生物学重点开放实验室开放课题(201009)、黑龙江省青年科学基金(QC2009C59)、中国科学院青年人才项目(KZCX2-
EW-QN306)和中国科学院东北地理与农业生态研究所青年博士基金项目资助
** 通讯作者: 刘晓冰(1963~), 男, 博士, 研究员, 主要从事作物生理生态研究。E-mail: liuxb@neigaehrb.ac.cn
苗淑杰(1975~), 女, 博士, 副研究员, 主要从事大豆结瘤固氮方面的研究。E-mail: miaoshujie@126.com
收稿日期: 2010-10-10 接受日期: 2010-12-09
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2011.00593
氮磷比对大豆生物学性状和根系分泌有机酸量的影响*
苗淑杰1,2 乔云发2 刘晓冰2**
(1. 农业部油料作物生物学重点开放实验室 武汉 430062; 2. 中国科学院东北地理与农业生态研究所 哈尔滨 150081)
摘 要 为阐明生长介质中的氮磷条件对大豆生长和根系分泌有机酸的影响, 采用沙培培养方法, 设计 3 种
不同的氮磷配比, 分析不同氮磷条件下大豆生物量积累和结瘤情况, 利用高效液相色谱分析根系分泌的有机
酸, 探讨根系分泌有机酸的变化情况。结果表明, 在大豆苗期, 适当减少磷肥施用量不影响生物量积累, 但需
要充足的氮才能保证结瘤性状。低磷促进大豆根系分泌有机酸, 高氮对低磷处理有机酸分泌有促进作用, 说明
磷和氮对大豆根系分泌有机酸存在负交互作用。
关键词 氮磷比 大豆根系 生物学性状 生物量 高效液相色谱 有机酸 结瘤
中图分类号: S666.1 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2011)03-0593-04
Effect of nitrogen/phosphorus ratio on biological characteristics and
organic acid exudation in soybean roots
MIAO Shu-Jie1,2, QIAO Yun-Fa2, LIU Xiao-Bing2
(1. Key Laboratory for Oil Crops Genetic Improvement, Ministry of Agriculture, Wuhan 430062, China; 2. Northeast
Institute of Geography and Agricultural Ecology, Chinese Academy of Sciences, Harbin 150081, China)
Abstract Three nitrogen/phosphorus ratios were designed in a sand culture test to analyze the effect of nitrogen/phosphorus ratio
on the biological characteristics and organic acid exudation in the roots of soybean. Biomass and nodulation were investigated and
organic acid exudation from the roots of soybean was measured with a high performance liquid chromatography. Results showed that
at seedling stage, biomass accumulation in soybean was not affected by phosphorus. Suitable nitrogen levels were needed to maintain
efficient nodulation. Low phosphorus increased organic acid exudation by the roots of soybean, which was promoted by high
nitrogen content. With regards to root organic acid exudation, a negative interaction was noted between nitrogen and phosphorus.
Key words Ratio of nitrogen and phosphorus, Soybean root, Biological characteristics, Biomass, High performance liquid
chromatography, Organic acid, Nodulation
(Received Oct. 10, 2010; accepted Dec. 9, 2010)
在植物必需的营养元素不足而抑制植物生长前,
根系通过主动或被动过程释放出大量有机酸, 活化
生长介质中的难溶性营养 , 供给自身生长发育 [1],
这是植物适应环境的一个非常重要的反应机制[2]。
植物根系分泌有机酸的过程与很多因素有关, 尤其
缺磷是诱导作物根系大量分泌有机酸的一个非常重
要因素[3−5]。目前关于缺磷条件下作物根系分泌有机
酸的研究较多 , 尤其是对模式作物羽扇豆(Lupinus
albus L.)的研究已经比较清楚。
根系分泌大量有机酸来适应缺磷胁迫环境也是
作物体内代谢调整的结果, 氮素作为三大营养元素
之一, 可能在有机酸分泌过程中起关键作用。尤其
对大豆这种特殊的固氮作物, 磷又是影响大豆固氮
的重要因子 [6], 环境的氮磷水平可能对有机酸分泌
过程有一定调节作用。但目前关于氮与根系分泌有
机酸之间关系的研究较少。对粳、籼稻进行不同的
氮磷处理后, 发现氮、磷营养水平对根系分泌物有
调控作用, 进而影响稻米品质[7]。可见磷、氮对作物
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根系分泌有机酸相互影响、相互制约。本研究从不
同氮磷配比出发, 分析了生长介质中不同氮磷配比
对大豆生长和有机酸分泌的影响, 以期为大豆根系
有机酸分泌机制研究提供依据, 为提高大豆的磷素
利用效率及合理施肥提供理论支撑。
1 材料与方法
1.1 植株培养
利用沙培方法在日光温室内进行试验。试验用
沙子是经杀菌处理的河沙, 其水溶性磷含量小于 1
mg·kg−1, 过 2 mm筛。试验用容器为 PVC钵, 钵的
直径为 10 cm, 深 15 cm。每个 PVC钵中装入 3 kg
沙。基本营养储备液(如下文所示)浇在沙子表面, 干
透后, 按处理要求将定量的氮磷化合物加入各处理
的沙中, 充分混匀, 装入钵中。用蒸馏水调节所有钵
中的沙子含水量达到田间持水量(40%), 以后钵中
含水量按照保持总重(钵重+干沙重+保持田间持水
量的蒸馏水重)不变用蒸馏水调节。
大豆种子经 70%乙醇灭菌, 无菌水冲洗 7~8 次
后, 播入装有杀菌沙的 PVC钵中(图 1), 每钵 4粒。
整个试验过程均用灭菌蒸馏水保持沙中的水分。钵
放入无菌植物培养箱中培养, 昼/夜温度为 25 /15 ℃
, ℃ 光照/黑暗时间为 16 h/8 h, 相对湿度 60%。基本
无磷营养液配方: K2SO4 133 mg·kg−1, MgSO4·7H2O
43 mg·kg−1, CaC12·2H2O 167 mg·kg−1, H3BO3 0.67
mg·kg−1, ZnSO4·2H2O 10 mg·kg−1, MnSO4·H2O 6.7
mg·kg−1, CoSO4·7H2O 0.33 mg·kg−1, CuSO4·5H2O 2
mg·kg−1, Na2MoO4·2H2O 0.17 mg·kg−1 和 Ca(NO3)2
546 mg·kg−1。



图 1 大豆根系分泌的有机酸的原位连续收集装置
Fig. 1 In situ continuous collection equipment of organic acid
secreted by soybean roots

1.2 试验设计
试验设 3 种氮磷比处理, 每钵氮磷用量(mol)比
分别为: 10/2、1/0.2、10/0.2。以 Ca(NO3)2 为氮源,
Ca(H2PO4)2 为磷源, 按照设计量, 在装盆时将相应
比例的氮磷混入上述无菌沙中, 每个处理 3次重复。
处理后的第 3 周进行破坏性取样, 收集根系分泌的
有机酸, 调查植株生长和根瘤性状。
1.3 测定项目及方法
有机酸: 在中午光照最强的时段 12:00～14:00
收集根系分泌物。将植株从培养基质中取出, 用去
离子水清洗 3遍, 然后放入收集液中, 收集液为 200
mL 10 g·L−1 CaCl2溶液, 连续收集 2 h。立即加入 0.5
mL 浓硫酸抑制微生物活性, 然后放入低温冰箱中
待测。将待测液经过旋转蒸发仪浓缩处理后, 过树
脂柱, 然后用高效液相色谱分析测定有机酸含量。
根瘤性状: 取样时调查根瘤数量和重量。
氮磷含量测定: 将所取植株按地上部、根系和
根瘤分开，分别测定全氮和全磷含量。全氮含量用
凯氏定氮仪测定, 磷含量用钼锑抗比色法测定[8]
1.4 数据分析
应用 SAS软件程序(SAS Institute, 1997)对试验数
据进行统计分析和 LSD检验, 采用 Excel 2003绘图。
2 结果与分析
2.1 不同氮磷配比下大豆生物量的变化
不同氮磷配比明显影响大豆的生长。从图 2 可
以看出, 在氮磷处理后的第 3 周, 高氮的 2 个处理
(10/2 和 10/0.2)生物量明显较大, 而低氮处理(1/0.2)
生物量小 , 2 种处理间生物量差异达显著水平
(P<0.05)。对于不同组织而言, 氮水平对地上部生物
量的影响较根系大。而相同氮水平不同磷条件下 ,
生物量差异不大, 但出现低磷促进根生物量增加的
现象, 10/0.2处理根生物量比 10/2处理增加 8.8%, 这
与苗淑杰等[9]研究结果一致。这表明, 适宜的氮磷配
比对大豆生物量积累有非常重要的作用, 比较而言,
氮对大豆生物量积累的促进作用大于磷。因此, 在
适宜氮条件下, 可适当减少磷用量, 对提高经济效
益有利。



图 2 不同氮磷配比对大豆生物量的影响
Fig. 2 Effect of N/P ratio on biomass of soybean
第 3期 苗淑杰等: 氮磷比对大豆生物学性状和根系分泌有机酸量的影响 595


2.2 大豆结瘤性状对不同氮磷配比的反应
如图 3 所示, 在不同氮磷配比条件下, 根瘤数
量表现出 10/0.2>10/2>1/0.2, 根瘤鲜重表现出 10/0.2>
1/0.2>10/2。10/0.2 处理根瘤数量和鲜重比 10/2 和
1/0.2处理分别增加 144个、165个和 1.35 g·株−1、
1.17 g·株−1, 且 10/0.2处理与其他 2个处理间的差异
均达到显著水平(P<0.05)。Goss 等[10]研究认为, 充
足的氮会抑制大豆结瘤, 缺磷也会抑制大豆根瘤形
成和生长, 甚至影响根瘤功能。而本研究结果表明,
足氮缺磷条件可促进根瘤形成和生长, 原因可能是
大豆生长初期给与充足的氮, 促进根瘤形成, 而此
时缺磷对根瘤形成的影响还未表现出来。笔者在对
不同大豆体内和营养液外磷水平影响根瘤形成和
生长的研究中发现, 大豆体内磷对根瘤形成起关键
作用[11]。因此出现 2个负因素相互作用表现出正效
应, 这一结果有待于进一步研究证实及进行相关机
理研究。



图 3 不同氮磷配比大豆根瘤性状的变化
Fig. 3 Characteristic changes of soybean root nodule under
different N/P ratio conditions
2.3 不同氮磷配比下大豆体内氮磷含量的变化
为探讨不同氮磷配比对大豆植株氮磷含量的影
响, 分别测定了大豆植株地上部、根系和根瘤的氮
磷含量(图 4)。尽管 3部分氮磷含量受氮磷配比的影
响不同, 但相同组织的氮磷含量表现出相同的趋势,
地上部为 10/2>10/0.2>1/0.2, 根系为 10/2>1/0.2>
10/0.2, 根瘤为 1/0.2>10/0.2>10/2。虽然 10/0.2 处理
供给较高的氮, 但因其促进生物量增加, 最终导致
氮浓度较低, 其地上部和根系含氮量仅为 10/2 处理
的 67.1%和 71.3%。而植株体内总氮量仍表现为
10/2>10/0.2>1/0.2 的规律, 说明高氮供给促进植株
体内总氮累积, 而氮含量取决于多种营养及生物性
状综合结果。根瘤中的氮磷含量均表现为 1/0.2>
10/0.2>10/2。1/0.2处理根瘤氮磷含量为 10/0.2处理
的 1.39倍和 1.58倍, 10/2处理的 3.98倍和 3.13倍。
各处理大豆根瘤中磷含量与氮含量变化趋势相同 ,
但各处理间差异较小, 地上部分和根系磷含量明显
低于根瘤, 未表现出明显规律。
2.4 不同氮磷配比下大豆根系有机酸分泌量
根系异常分泌大量有机酸是适应环境胁迫的正
常生理机制, 生长介质中的氮磷配比影响大豆根系
分泌有机酸量, 表现为 10/0.2>1/0.2>10/2(图 5)。相
同氮条件的 2 个处理相比, 低磷促进根系分泌有机
酸, 10/0.2处理大豆根系分泌有机酸总量为 10/2处理
的 1.7 倍。相同磷水平条件下, 高氮促进根系分泌
有机酸, 10/0.2 处理大豆根系分泌有机酸量是 1/0.2
处理的 1.2 倍。这说明缺磷是促进大豆根系分泌有
机酸的主导因素, 而且充足氮刺激大豆根系对缺磷
的反应, 表现出磷和氮对大豆根系分泌有机酸的交
互作用。



图 4 不同氮磷配比下大豆体内氮和磷含量的变化
Fig. 4 N and P contents in soybean under different N/P ratio conditions
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图 5 不同氮磷配比大豆根系分泌有机酸量
Fig. 5 Amount of organic acid secreted by soybean root under
different N/P ratio conditions

3 结论
本研究结果表明, 对苗期大豆供给不同的氮磷
营养, 磷对大豆生物量的影响不大, 这是因为苗期
大豆生长所需的磷较少, 种子内的磷基本可以满足
前期生长需求。但氮肥对生物量累积影响较大, 说
明在大豆生长前期可少施磷肥, 充足供氮, 不仅可
以保证适宜生物量, 而且可以提高经济效益。从磷
氮配比对结瘤情况的影响, 似乎可以推测磷对根瘤
形成和生长的作用次于氮, 这一结果有必要进一步
研究和讨论。
当植物遭受逆境胁迫时, 通过根系分泌低分子
量有机酸活化根际营养来适应环境[12]。缺磷胁迫会
诱导油菜[13]、白羽扇豆[14]、苜蓿[15]等作物根系分泌
大量有机酸, 提高对土壤中难溶磷的利用效率。因
此, 根系分泌的有机酸是植物吸收利用贫磷土壤中
难溶磷的重要决定因素[16]。本研究结果再次证明缺
磷对大豆根系分泌有机酸的促进作用, 而且磷氮对
大豆根系分泌有机酸具有负交互作用。要达到提高
大豆在低磷土壤上的磷利用效率, 可以考虑适当增
加施氮量。
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