不同供水下白羊草(Bothriochloa ischaemum)離體根呼吸特征
——基于穩(wěn)定碳同位素示蹤技術(shù)

劉 琦,李 鵬,劉 瑩,肖 列,黃 鵬,湯珊珊

西安理工大學(xué)陜西省西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,西安 710048

土壤呼吸是生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要環(huán)節(jié),作為大氣CO2重要的來(lái)源和土壤碳庫(kù)主要的輸出途徑,是陸地生態(tài)系統(tǒng)第二大碳通量,全球每年由土壤釋放的CO2量為98 Pg[1],土壤CO2呼吸會(huì)顯著加劇大氣中CO2濃度的增高[2],加劇溫室效應(yīng)。植物根系是土壤C輸入的主要途徑[3-4],植物光合作用固定的碳量約50%由根呼吸釋放[5-6],研究表明根呼吸占土壤呼吸的大部分,由根呼吸損失的碳占土壤碳釋放量的40%—70%[7- 10],這表明研究根呼吸對(duì)揭示生態(tài)系統(tǒng)碳收支及生物圈碳平衡具有的重要意義。

目前,有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)土壤水分、溫度、養(yǎng)分等環(huán)境因素可通過影響植物光合同化物的形成及其在葉、莖和根中的分配,進(jìn)而影響根系形態(tài)和根系呼吸[11-12]。測(cè)量植物根呼吸的方法分為直接法和間接法,直接法包括離體根法、同位素法、PVC 管氣室法等,間接法分環(huán)割法和根排除法,這些研究方法可得出根呼吸速率變化和根呼吸對(duì)土壤呼吸的貢獻(xiàn)率[13- 15]。測(cè)定方法同樣對(duì)根呼吸的估計(jì)存在差異性,如在對(duì)溫帶草原的研究中,同位素法和排除根法所測(cè)定的根呼吸對(duì)土壤總呼吸的貢獻(xiàn)率分別為19%和39%[13,16]。穩(wěn)定碳同位素13C脈沖標(biāo)記技術(shù)是研究根系呼吸有機(jī)碳輸入、輸出的新方法,有著靈敏度高、擾動(dòng)較小和理論上較合理等優(yōu)點(diǎn)[17],可定量研究植物輸入到根部的碳[18]和根際呼吸[19-20],但不能反應(yīng)光合碳從地上傳輸?shù)礁岛蟮拇x過程,即根系中的碳在不同時(shí)間、不同供水條件下的呼吸釋放過程少有研究,這是估算C平衡中的關(guān)鍵,需要相關(guān)研究支持。

白羊草(Bothriochloaischaemum),是多年生禾本科孔穎草屬C4植物,為典型旱生植物,其繁殖能力快、再生能力強(qiáng)、耐踩踏、耐旱、區(qū)域適應(yīng)性強(qiáng),成為陜北黃土丘陵區(qū)生產(chǎn)力較高的草種,白羊草的根系發(fā)達(dá)呈網(wǎng)狀,能攔截地表降雨有蓄水保土的作用,也是黃土高原退化草地恢復(fù)和C存儲(chǔ)的重要植物之一。在干旱半干旱區(qū)水分脅迫是最普遍的環(huán)境脅迫,根系作為土壤和植物物質(zhì)運(yùn)移的交換器官[21],研究不同供水下根系對(duì)其的響應(yīng)對(duì)揭示植物抗旱性本質(zhì)有重要的意義[22]。測(cè)定離體根呼吸釋放的CO2可研究離體根呼吸速率的變化規(guī)律[11],但不能說(shuō)明光合碳運(yùn)輸至根系后的運(yùn)移及釋放過程,而土壤水分、根系形態(tài)及根組織養(yǎng)分含量等都可能影響離體根呼吸,因此本文采用穩(wěn)定碳同位素脈沖標(biāo)記方法,研究3種供水條件,供水充分(80%田間持水量,HW)、輕度脅迫(60%田間持水量,MW)和重度脅迫(40%田間持水量,LW)下,不同離體時(shí)間的白羊草離體根呼吸及其影響因素,為定量研究光合碳傳輸?shù)礁岛蟮暮粑尫胚^程及根系固碳提供新思路,以期為在不同水分條件下研究碳固定、代謝和估算提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

1.1.1 實(shí)驗(yàn)材料

(1)試驗(yàn)用土壤和種子情況

實(shí)驗(yàn)于2014年5月在西安理工大學(xué)進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)用土壤采于陜北黃土丘陵區(qū)以白羊草為優(yōu)勢(shì)種的草地,土壤類型為黃土,去除表層腐殖質(zhì)和枯落物,取0—30 cm土壤均勻混合裝袋,自然風(fēng)干后過2 mm篩,同時(shí)測(cè)定其容重。實(shí)驗(yàn)用白羊草種子于2013年10月采于陜北未受人為影響的草地,采收后裝在紙袋內(nèi)自然狀態(tài)下實(shí)驗(yàn)室儲(chǔ)藏。實(shí)驗(yàn)為盆栽控制實(shí)驗(yàn),采用自制有機(jī)玻璃容器,每盆裝土2.5 kg,容重與陜北采土樣地容重相同,為1.2 g/cm3;總N含量0.69 g/kg;田間持水量為22%。

(2)室內(nèi)試驗(yàn)裝置

自制有機(jī)玻璃容器：用于播種白羊草種子。采用透明有機(jī)玻璃制成長(zhǎng)方體容器,尺寸為19 cm×4 cm×27 cm。底部打雙孔,內(nèi)徑厚度為4 cm,共計(jì)需要上述花盆72個(gè)。

圖1 雙層密閉有機(jī)玻璃標(biāo)記氣室Fig.1 Double-layer sealed plexiglass labeled air chamber

自制雙層密閉有機(jī)玻璃標(biāo)記氣室：用于測(cè)定土壤呼吸速率。采用透明有機(jī)玻璃制備的雙層密閉有機(jī)玻璃罩長(zhǎng)方體容器,內(nèi)層尺寸為50 cm×50 cm×80 cm,四周及底部密閉,頂部開口,開口尺寸30 cm×30 cm,并配有尺寸相同的帶密封條蓋子;在玻璃罩相對(duì)兩側(cè)設(shè)置外層密閉槽,外層槽厚5 cm,上下密封,僅在上下各留2 cm直徑的進(jìn)出水口。玻璃罩另相對(duì)兩側(cè)設(shè)置直徑為4 cm的進(jìn)氣口和出氣口,采用相同尺寸橡膠塞密封,橡膠塞中部打孔,插入外徑8 mm,內(nèi)徑6 mm導(dǎo)氣管,上部進(jìn)氣口除插入導(dǎo)氣管外,在橡膠塞中部還插入玻璃導(dǎo)液管,上述所有連接處均用凡士林密封,導(dǎo)氣管連接儀器進(jìn)氣口和出氣口。共計(jì)需要上述氣室3個(gè)。如圖1為實(shí)驗(yàn)時(shí)在自制雙層密閉有機(jī)玻璃標(biāo)記氣室中對(duì)白羊草幼苗進(jìn)行13C脈沖標(biāo)記。

自制密閉根呼吸氣室：用于測(cè)定離體根呼吸速率,采用透明有機(jī)玻璃制備的有機(jī)玻璃罩長(zhǎng)方體容器,尺寸為20 cm×10 cm×20 cm,頂部及底部密閉,兩側(cè)開口,開口尺寸分別為直徑為2 cm的圓孔和直徑為4 cm圓孔,并配有尺寸相同的橡膠塞,橡膠塞中部插入外徑5 mm,內(nèi)徑4 mm導(dǎo)氣管,分別連接儀器的進(jìn)氣口和出氣口。共計(jì)需要上述氣室4個(gè)。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

種子于2014年5月1日播種,每個(gè)自制有機(jī)玻璃容器撒播5穴,出苗后每穴保留生長(zhǎng)最旺盛的一株幼苗,未出苗的種穴進(jìn)行補(bǔ)植。定苗后于2014年7月1日開始控水實(shí)驗(yàn)處理,設(shè)3個(gè)土壤水分梯度,供水充分(80%田間持水量,HW),輕度脅迫(60%田間持水量,MW),重度脅迫(40%田間持水量,LW);每個(gè)水分梯度設(shè)21盆重復(fù);同時(shí)布設(shè)空白土壤樣本9盆,每個(gè)水分梯度3盆重復(fù)。盆栽土壤含水量控制采用稱重法,每天定時(shí)稱重控制澆水,直至2014年10月1日實(shí)驗(yàn)結(jié)束。每盆白羊草生物量在控水處理前計(jì)入本底值重量,由于幼苗的初始生物量0.867 g與實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)每盆白羊草濕生物量最大值5.812 g差值僅占整體盆栽控水總重量3880 g的0.1%,且控水時(shí)間較短,因此忽略白羊草生長(zhǎng)重量增加對(duì)水分處理控制的影響。

1.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)定與方法

1.2.113C脈沖標(biāo)記

標(biāo)記于2014年9月13—15日9:00—12:00進(jìn)行。每個(gè)水分處理隨機(jī)選取12株白羊草幼苗,放在自制雙層密閉有機(jī)玻璃標(biāo)記氣室內(nèi)。同時(shí)標(biāo)記室內(nèi)放入盛有約2 g Na2CO3的小燒杯,燒杯頂部連接用于導(dǎo)入HCL的導(dǎo)液管和用于加標(biāo)記氣體的導(dǎo)氣管,導(dǎo)液管和氣管接至標(biāo)記氣室外側(cè)(連接處密封)。采用CCIA- 36d-EP二氧化碳同位素質(zhì)譜儀(Los Gatos Research,USA)監(jiān)控標(biāo)記室內(nèi)CO2濃度、δ13C值。標(biāo)記開始時(shí),用針管注入豐度為99.9%13CO2氣體,標(biāo)記室內(nèi)初始CO2濃度450 μmol/mol,δ13C值為5000‰,溫度27—28℃。在標(biāo)記過程中,標(biāo)記氣室內(nèi)CO2濃度低于400 μmol/mol,用針管從外接導(dǎo)管入口注入1 mol/L HCL直至Na2CO3反應(yīng)放出12CO2氣體使標(biāo)記氣室CO2濃度達(dá)到450 μmol/mol,若δ13C低于5000‰,則由氣管加入13CO2氣體,重復(fù)此過程,直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束。標(biāo)記時(shí)間為120 min,標(biāo)記結(jié)束時(shí)標(biāo)記室內(nèi)CO2濃度約為450 μmol/mol,δ13C值為4000‰。

1.2.2 樣品采集與離體根呼吸測(cè)定

13C脈沖標(biāo)記結(jié)束后0,6,24,48,216,360 h進(jìn)行樣品采集和離體根系呼吸測(cè)定。各處理未標(biāo)記樣品與標(biāo)記后360 h樣品同一天(2015年10月1日)按照上述方法采集。在上述采集時(shí)段,分別取各水分處理的白羊草幼苗3盆,手動(dòng)將根系從土壤分離,用鑷子收集根系,分離出的根系蒸餾水沖洗干凈后用濾紙吸干水份,斷口涂抹凡士林后立即放入連接LGR二氧化碳?xì)怏w同位素質(zhì)譜儀的自制根呼吸氣室(采用高速測(cè)定模式,每秒記錄一次數(shù)據(jù)),測(cè)定0—2 h根系呼吸速率,掃描根系后,將根系60℃恒溫烘干48 h,稱干重后粉碎,過0.149 mm篩備用。

1.2.3 樣品穩(wěn)定碳同位素及化學(xué)組分測(cè)定

(1)掃描與δ13C測(cè)定

將采集的根樣立即用掃描儀 (Expression 1680, ETSON) 掃描, 再用根系圖像分析軟件(Win RHIZO TRON 2005a, Regent Instruments, Canada) 對(duì)根形態(tài)參數(shù)進(jìn)行測(cè)定。比根長(zhǎng)是根長(zhǎng)與對(duì)應(yīng)根長(zhǎng)根系干重比值。取0.005—0.006 g植物根系樣品采用MultiN/C3100德國(guó)耶拿總有機(jī)碳分/總氮分析儀(Analytik Jena AG,Germany)固體燃燒室中1050℃高溫充分燃燒后生成CO2(同時(shí)記錄樣品TOC值g/Kg),之后采用二氧化碳同位素質(zhì)譜儀檢測(cè)樣品的δ13C值。植物根系的δ13C值的測(cè)定以PDB(Pee Dee Belemnite)為標(biāo)準(zhǔn),穩(wěn)定碳同位素比值據(jù)下式計(jì)算：

式中,(13C/12C)PDB為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)PDB的13C/12C,δ13C表示樣品13C/12C與標(biāo)準(zhǔn)樣品偏離的千分率。

(2)N濃度測(cè)定

采用凱氏定氮儀(Kjeltec 2300,Foss Tecator AB,Sweden)測(cè)定根系組織N濃度。

1.3 資料分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用Microsoft Excel 2013繪圖,在SPSS 21.0中采用線性回歸及單因素法分析根參數(shù)與根呼吸相關(guān)性。

2 結(jié)果

2.1 不同供水條件下離體根呼吸速率變化特征

如圖2,3種供水條件下,不同根系離體時(shí)間的離體根呼吸速率在2 h內(nèi)呈先急劇減小,略微增大后減小,之后趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)。13C脈沖標(biāo)記完成后0 h時(shí)離體,3種供水條件下根呼吸變化趨勢(shì)相似：0—20 min急劇下降,HW、MW、LW依次下降32.80%、35.18%、33.82%,在60 min左右降至最低。分別在13C脈沖標(biāo)記完成6,24,48,216,360 h時(shí)離體,3種供水條件下根呼吸速率在0—20 min均有急劇下降的趨勢(shì),下降百分比為32%—39%,各離體時(shí)間的根系呼吸速率均在60 min左右降到最低,其后變化趨于平緩。

圖2 不同供水條件下離體根呼吸隨呼吸時(shí)間的變化Fig.2 Changes of excised root respiration rates with respiration time under different water supply conditionsLW：重度脅迫,Low watered;MW：輕度脅迫,Middle watered;HW：供水充分,High watered

3種供水條件下,離體根呼吸速率在13C脈沖標(biāo)記后0—48 h呈現(xiàn)波動(dòng)性變化,48—216 h均呈現(xiàn)增大趨勢(shì),之后逐漸減小。離體根呼吸速率范圍在300—450 μg g-1min-1(圖3)。其中LW處理的根呼吸速率呈現(xiàn)雙峰變化趨勢(shì),在標(biāo)記后0 h時(shí)最低,為356 μg g-1min-1,6 h時(shí)達(dá)到第一個(gè)峰值413 μg g-1min-1;MW處理呈現(xiàn)單峰變化,0—48 h呈下降趨勢(shì),在48 h最小,為338 μg g-1min-1,216 h時(shí)達(dá)到峰值,為431 μg g-1min-1;HW處理在0 h時(shí)根呼吸速率最大,為419 μg g-1min-1,其后呈波動(dòng)變化。

圖3 不同供水條件下離體根呼吸隨根離體時(shí)間的變化 Fig.3 Changes of excised root respiration rates with root excised time under different water supply conditions

2.2 不同供水條件下根呼吸釋放的δ13C變化特征

根呼吸釋放的δ13C測(cè)定的環(huán)境變化小,平均氣室溫度27—28℃,平均氣室CO2濃度為400—450 μmol/mol。

3種供水條件下,經(jīng)13C脈沖標(biāo)記后,不同根離體時(shí)間的根呼吸釋放的δ13C值在2h內(nèi)呈先增大后減小的趨勢(shì)(圖4)。13C脈沖標(biāo)記后0h離體,3種供水條件下白羊草離體根呼吸釋放的δ13C值均小于-5‰,其中HW供水條件下根呼吸釋放的δ13C均值最大;HW和MW處理的δ13C值約在0—70 min時(shí)呈逐漸上升趨勢(shì),在70 min時(shí)達(dá)到峰值后呈緩慢降低趨勢(shì);而LW處理的δ13C值則在45 min達(dá)到峰值。13C脈沖標(biāo)記后6 h離體,根呼吸釋放的δ13C值對(duì)比0 h略增,δ13C均為負(fù)值,變化趨勢(shì)與0 h相似。13C脈沖標(biāo)記后24 h離體,根呼吸釋放的δ13C上升為正值,均值從大到小依次為HW>MW>LW。13C脈沖標(biāo)記后48 h離體,根呼吸釋放的δ13C對(duì)比之前的測(cè)定值,變化趨勢(shì)有較明顯改變,在LW和HW處理下根呼吸釋放的δ13C值先均呈較快上升趨勢(shì),分別70 min和80 min達(dá)到峰值,其后逐漸下降;MW處理下δ13C值先緩慢上升,在80 min時(shí)達(dá)到峰值。13C脈沖標(biāo)記后216 h離體,根呼吸釋放的δ13C值與之前對(duì)比,HW和MW處理下δ13C值變化更為劇烈,且變化趨勢(shì)和范圍相近,在0—90 min內(nèi)HW處理下δ13C值從10.94‰上升到38.92‰,MW處理下δ13C值從8.91‰上升到38.02‰,其后逐漸下降;LW處理下在0—50 min內(nèi)從4.30‰上升到15.68‰,其后緩慢下降;其中HW處理下根呼吸釋放的δ13C均值最大,比MW高8%,比LW高132%。13C脈沖標(biāo)記后360 h離體,根呼吸釋放的δ13C對(duì)比216 h的δ13C值有明顯下降,HW處理下在100 min達(dá)到峰值19.64‰,MW處理下在90 min達(dá)到峰值16.60‰,LW在50 min達(dá)到峰值3.30‰;HW水分條件下根呼吸釋放的δ13C均值最大,比MW高10%,比 LW高714%。總體上,HW和MW處理下的δ13C值比LW后達(dá)到峰值, HW處理下δ13C均值略高于MW,與LW差值較大。

圖4 不同供水條件下根呼吸釋放的δ13C隨呼吸時(shí)間的變化Fig.4 Changes of δ13C released of root respiration with respiration time under different water supply conditions

3種供水條件下,根呼吸釋放的δ13C隨13C脈沖標(biāo)記后離體時(shí)間的推移呈先增大后減小的趨勢(shì)(圖5)。3種供水條件下,13C脈沖標(biāo)記后0—6 h,根呼吸釋放的δ13C均為負(fù)值,標(biāo)記后48 h出現(xiàn)拐點(diǎn),根呼吸釋放的δ13C值增長(zhǎng)迅速,并均在216 h達(dá)到峰值,其中HW處理的根呼吸釋放的δ13C值最大,為31.46‰,比0 h時(shí)增長(zhǎng)了417.78%,其次為MW下根呼吸釋放的δ13C,為31.46‰,比0 h時(shí)的δ13C增長(zhǎng)了375.67%;再次是LW的δ13C值,為13.54,比0 h時(shí)增長(zhǎng)了213.40%;標(biāo)記后360 h離體測(cè)得,根呼吸釋放的δ13C急劇降低。

2.3 不同供水條件下影響離體根呼吸的根參數(shù)特征

不同供水條件下根參數(shù)的特征不同(表1)。LW處理下白羊草的總根長(zhǎng)和總根面積顯著增加,其中總根長(zhǎng)是HW處理總根長(zhǎng)的2.86倍,是MW的2.60倍;總根面積約是HW和MW處理的2.7—3.0倍。對(duì)比3個(gè)水分處理下白羊草的比根長(zhǎng)和比根面積發(fā)現(xiàn),MW處理的比根長(zhǎng)顯著大于其他兩個(gè)處理,但比根面積卻沒有顯著差異。根C含量在各個(gè)水分處理均無(wú)顯著性差異。根N含量隨供水增加而增大,碳氮比隨供水增加而減小,差異均不大。

表1 不同供水條件下白羊草根參數(shù)特征(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)

LW：重度脅迫,Low watered;MW：輕度脅迫,Middle watered;HW：供水充分,High watered;小寫字母表示不同水分處理間差異顯著(P<0.5)

2.4 不同供水條件下離體根呼吸與影響因子根參數(shù)的相關(guān)性

通過對(duì)白羊草離體根呼吸速率及根呼吸釋放的δ13C影響因素做相關(guān)分析(表2)可知：在HW供水條件下離體根呼吸速率并未顯著受到根系形態(tài)及養(yǎng)分因子的影響,根呼吸釋放的δ13C與根系全氮呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。在MW供水條件下,離體根呼吸速率與根呼吸釋放的δ13C、根組織δ13C三者間呈顯著相關(guān)性,但這兩個(gè)指標(biāo)與根系形態(tài)及組織養(yǎng)分濃度并未表達(dá)出顯著相關(guān)性。在LW供水條件下,離體根呼吸速率與根面積呈顯著正相關(guān)性,與比根面積呈極顯著正相關(guān)性;根呼吸釋放的δ13C與根面積和C/N比均呈顯著正相關(guān)。

表2 不同供水條件下白羊草根呼吸與根參數(shù)的相關(guān)關(guān)系矩陣

*表示根呼吸速率與對(duì)應(yīng)影響因子相關(guān)性顯著,**表示根呼吸速率與對(duì)應(yīng)影響因子相關(guān)性極顯著

圖5 不同供水條件下根呼吸釋放的δ13C隨根離體時(shí)間的變化 Fig.5 Changes of δ13C released of root respiration with root excised time under different water supply conditions

3 討論

3.1 實(shí)時(shí)13CO2變化監(jiān)測(cè)對(duì)準(zhǔn)確描述離體根系呼吸的意義

離體根法和13C同位素表示法是測(cè)定根呼吸的主要方法,而根呼吸是土壤呼吸的重要貢獻(xiàn)之一[12],土壤呼吸CO2的釋放是對(duì)植物光合碳轉(zhuǎn)化和利用的表現(xiàn)[23]。本文中離體根呼吸速率在20 min內(nèi)迅速下降(下降范圍32%—39%)后短暫上升,之后繼續(xù)下降,最后呼吸速率趨于平穩(wěn),這與李又芳等[24]對(duì)16年杉木細(xì)根、易志剛[15]對(duì)馬尾松和黃果厚殼桂根系、Rakonczay等[25]對(duì)紅花槭和赤櫟、Bloom等[26]對(duì)大麥的根系的離體根呼吸研究得到的結(jié)果相似,造成這一現(xiàn)象的原因有以下兩點(diǎn)：(1)細(xì)根離體后,有機(jī)物迅速分解,地上部分碳源不能及時(shí)供給,造成根系離體后呼吸速率急劇下降;(2)由于易分解有機(jī)物分解達(dá)到了相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài),此時(shí)根損傷刺激根際微生物活動(dòng)[27],微生物活動(dòng)稍有加強(qiáng),但可利用的碳源缺乏,微生物的活動(dòng)導(dǎo)致了短時(shí)間內(nèi)根呼吸速率波浪變化的趨勢(shì)[28]。

通過對(duì)比前人研究我們發(fā)現(xiàn),對(duì)于離體根系的CO2釋放速率可描述根系離體后根系呼吸速率的總體變化趨勢(shì),但當(dāng)說(shuō)明植物光合碳在“大氣-植物-土壤”系統(tǒng)隨時(shí)間的分配過程和分配比例,尤其是光合產(chǎn)物從地上部分運(yùn)送到植物根系后,根系部分光合碳隨時(shí)間的釋放過程無(wú)法采用離體根呼吸速率這一指針反映。本研究用13C脈沖標(biāo)記示蹤白羊草根系接收的光合碳,用離體根呼吸釋放的δ13C研究根呼吸代謝能夠解決上述問題。本研究表明：白羊草根呼吸釋放的δ13C值隨標(biāo)記后離體時(shí)間(0—360 h)的推遲呈先增大后減小的趨勢(shì),在標(biāo)記后第216 h離體測(cè)得的δ13C達(dá)到峰值。何敏毅等[29]對(duì)玉米光合碳分配研究表明根際呼吸產(chǎn)生的絕大部分13C都出現(xiàn)在標(biāo)記后的216 h內(nèi),隨時(shí)間推移13C積累速率降低,Wang等[30]研究表明內(nèi)蒙古典型草原13C在地上葉片光合作用產(chǎn)生的標(biāo)記光合同化物從葉片運(yùn)輸?shù)降叵赂?再由根系通過呼吸作用釋放至大氣需要約240 h,與本研究的結(jié)果一致,這說(shuō)明本文提出的方法對(duì)于研究植物光合作用同化碳運(yùn)輸?shù)礁?再以根呼吸形式釋放的過程是可行的。

再者本文離體根呼吸釋放的δ13C值也受到水分脅迫的影響,表現(xiàn)為：根呼吸釋放的δ13C均值HW>MW>LW,當(dāng)供水越充足,根呼吸釋放的δ13C的峰值出現(xiàn)的越遲,且峰值越大,這與任軍等[31]對(duì)不同供氮水平下水曲柳根呼吸、劉殿英等[32]對(duì)水分脅迫下的冬小麥根系、韋莉莉等[33]對(duì)杉木、嚴(yán)昌榮等[34]對(duì)暖溫帶落葉闊葉林生態(tài)系統(tǒng)主要喬灌木植物的光合作用產(chǎn)物及分配的研究結(jié)果相一致,當(dāng)土壤含水量在一定閾值以下,根系呼吸速率隨著土壤水分的增加而增大,干旱處理植株各組織平均δ13C值總低于正常供水,因?yàn)楣┧蛔銜?huì)降低根系對(duì)N的吸收能力,限制苗木各器官的生長(zhǎng),光合效應(yīng)13CO2的吸收隨之減小。以上研究表明此方法可以定量研究根系呼吸釋放的碳及其釋放特征,對(duì)定量估算植物光合產(chǎn)物向地下運(yùn)輸?shù)腃固定和C代謝關(guān)系提供新思路支撐。

3.2 不同水分下根參數(shù)對(duì)根固碳和呼吸的影響

本研究表明,在HW供水條件下,白羊草離體根呼吸釋放的δ13C與根組織δ13C、根系全N呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,這可能是由于水分充足時(shí),植株生長(zhǎng)狀況良好,地上部分光合固定的13C總量大,地下根系的固碳能力強(qiáng),但土壤含水量大時(shí)根呼吸增強(qiáng)[35],植物生長(zhǎng)(C固定)和根呼吸(C代謝)呈現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系,此消彼長(zhǎng);另一方面根系對(duì)N的吸收能力隨土壤水分增大而增強(qiáng)[32],水分充足時(shí),根N含量增大,離體根呼吸釋放的C量會(huì)隨之增大[24],這與根系本身固碳也形成了競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系,所以水分充足時(shí)離體根呼吸釋放的δ13C與根系全N呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

在MW供水條件下,白羊草離體根呼吸速率,與根呼吸釋放的δ13C和根組織δ13C呈顯著正相關(guān)性,是由于植物受到輕度水分脅迫,促使根系生長(zhǎng)[32,36-37],根系下扎, 深層根相對(duì)較多,根系具有較強(qiáng)的吸收能力, 可促進(jìn)地上器官生長(zhǎng)發(fā)育良好,而根干重、總吸收面積、光合強(qiáng)度等皆呈正相關(guān)關(guān)系[32],此時(shí)光合作用固定的總13C量增加,根呼吸釋放和根組織δ13C量同時(shí)增加,輕度水分脅迫致使植物生長(zhǎng)(C固定)和根呼吸(C代謝)同時(shí)增加。

在LW供水條件下,白羊草離體根呼吸速率與根組織δ13C、根面積、比根面積呈顯著正相關(guān)性,由于重度水分脅迫下,根系生長(zhǎng)追逐水源,競(jìng)爭(zhēng)碳水化合物,同化產(chǎn)物多分配向根系[37],白羊草通過增加根長(zhǎng)和根面積獲取更多的土壤水分[38-39],而根系呼吸作用主要通過根表皮吸入O2和釋放CO2[40],根面積的大小會(huì)直接影響根系的呼吸效率和呼吸量[31],所以重度水分脅迫引起輸入到根系的光合碳比例增加,根組織δ13C增大,根面積的增大又導(dǎo)致呼吸作用增強(qiáng),它們之間呈現(xiàn)正相關(guān)性。重度水分脅迫下,根呼吸釋放的δ13C與C/N呈顯著正相關(guān)性,重度水分脅迫導(dǎo)致根系對(duì)N的吸收能力降低[32],植物為了獲取足夠的氮來(lái)保證其生長(zhǎng), 一般通過提高向根系分配更多的碳量來(lái)促進(jìn)根系的生長(zhǎng),目的是達(dá)到提高氮吸收能力, 也提高了根系的呼吸速率[41],這與Eissenstat和Yanai[42]提出的成本-效益(cost-benefit)理論一致,碳作為成本,在重度水分脅迫下,植株對(duì)根系的光合碳投入比例增大,根系對(duì)N的吸收能力弱導(dǎo)致C/N大,根呼吸釋放的δ13C增加,根系固碳量小。

本文只研究穩(wěn)定碳同位素脈沖標(biāo)記后光合產(chǎn)物在根系的釋放及固定過程,后期可定量分析植物從葉片吸收光合作用產(chǎn)物后的運(yùn)移及釋放的整體過程,研究植物光合C在“大氣-植物-土壤”系統(tǒng)隨時(shí)間的分配和分配比例。

4 結(jié)論

1)3種供水條件下,不同根離體時(shí)間的白羊草離體根呼吸速率在2h內(nèi)的無(wú)顯著差異,且變化趨勢(shì)一致, 0—20 min急劇下降,下降百分比為32%—39%,反映了根呼吸的速率水平。

2)穩(wěn)定性碳同位素13C脈沖標(biāo)記后,用根呼吸釋放的δ13C研究離體根呼吸,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)移到白羊草根系的13CO2在根部呼吸釋放的過程。3種水分條件下,根呼吸釋放的δ13C在2 h內(nèi)均值大小為：供水充分>輕度脅迫>重度脅迫。隨離體時(shí)間(0—360 h)推遲根呼吸釋放的δ13C均值先增大后減小,在216 h達(dá)到峰值31.46‰。

3)3種供水條件下,離體根呼吸速率和根呼吸釋放的δ13C受根系根面積、比根面積、N含量、C/N及根組織δ13C的影響顯著。

4)輕度水分脅迫可促使根系生長(zhǎng)(C固定)和根呼吸(C代謝)同時(shí)增加。

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