甘草GlycyrrhizauralensisFish.的根及根莖是重要的植物藥，在世界范圍內(nèi)應(yīng)用廣泛，僅中國(guó)年消耗甘草量約為5000t，過度的采挖導(dǎo)致甘草野生資源嚴(yán)重匱乏，致使供需問題日趨嚴(yán)重[1]。多年來，為了有效提高人工栽培甘草的產(chǎn)量，研究者在水分[2]、養(yǎng)分[3]、密度[4]等影響甘草產(chǎn)量的因子方面做了積極探索研究，但其調(diào)控機(jī)制仍需進(jìn)一步闡明。

　　[摘要]探究不同氮素供給對(duì)甘草根系呼吸及生物量積累的影響規(guī)律，揭示通過影響根系呼吸來調(diào)控甘草生物量積累的途徑。在6月至10月，每7d對(duì)控制環(huán)境條件下的甘草播種苗施用氮（N）濃度為0，0.5，1，2，4，8mmol・L-1的全營(yíng)養(yǎng)液，每月月底測(cè)定甘草不同級(jí)別根系呼吸速率及生物量，分析甘草根系生物量與呼吸速率的相關(guān)性。研究結(jié)果表明，氮素顯著影響甘草根系呼吸速率和根系生物量積累，通過相對(duì)抑制生長(zhǎng)呼吸速率以提高生物量而使兩者呈負(fù)相關(guān)，并在8mmol・L-1氮濃度處理時(shí)有最佳的抑制甘草根呼吸而提高根系生物量的效果。

　　[關(guān)鍵詞]中醫(yī)論文投稿,甘草,系呼吸,氮素,生物量,相關(guān)性

　　根系呼吸是影響植物初級(jí)生產(chǎn)力的重要因素，根系的凈初級(jí)生產(chǎn)力占到植物總凈初級(jí)生產(chǎn)力的50%～80%[5]。植物光合作用每天同化的碳有30%～60%被呼吸作用消耗掉，其中很大一部分（10%～50%）是由根呼吸釋放的，而根呼吸所消耗的碳主要為新根生長(zhǎng)、維持生命活動(dòng)以及吸收養(yǎng)分提供能量[6]。根呼吸受土壤養(yǎng)分因素的影響較大，所有營(yíng)養(yǎng)元素中氮素（N）對(duì)根呼吸的影響最大[7]。目前關(guān)于藥用植物的根系呼吸及氮素對(duì)根系呼吸和生物量影響的研究尚未見報(bào)道。甘草的根系既是藥用部位，又是重要的營(yíng)養(yǎng)器官，對(duì)藥材的產(chǎn)量和質(zhì)量起著重要的決定作用。研究表明，在甘草的生產(chǎn)實(shí)踐中，肥水調(diào)控是較常用的人工管理方式，而氮素對(duì)甘草的生物量有正效應(yīng)[8]。故本文以甘草播種苗為研究對(duì)象，研究甘草根系呼吸及生物量積累對(duì)氮素供給的響應(yīng)特點(diǎn)，揭示通過影響根系呼吸來調(diào)控甘草生物量積累的途徑，為提高人工栽培甘草的產(chǎn)量提供研究基礎(chǔ)資料。

　　1材料與方法

　　1.1試驗(yàn)地概況

　　試驗(yàn)地設(shè)于北京中醫(yī)藥大學(xué)中藥學(xué)院藥用植物栽培試驗(yàn)區(qū)內(nèi)，地理坐標(biāo)為39°55′N，116°28′E，海拔54.7m，年平均氣溫11.8℃，1月份均溫-4.3℃，7月份均溫25.90℃，年均地面溫度13.50℃，年平均降雨量577mm，年平均蒸發(fā)量1861mm，年均相對(duì)濕度62%。

　　1.2試驗(yàn)材料及培育

　　試驗(yàn)所用PVC管圓柱形，管口直徑30cm，管長(zhǎng)80cm。2011年4月份將PVC管填埋于試驗(yàn)園中，管口高出地面5cm，在管中填充砂壤土，土壤有機(jī)質(zhì)0.286%，堿解氮為35.88mg・kg-1，速效磷為3.0mg・kg-1，速效鉀為85.18mg・kg-1，pH7.87，CaCO32.71%。

　　試驗(yàn)用甘草種子來源于內(nèi)蒙古伊克昭盟杭錦旗試驗(yàn)基地，經(jīng)北京中醫(yī)藥大學(xué)副教授孫志蓉鑒定為甘草G.uralensisFisch.種子。于2011年5月中旬播種，出苗后，每根PVC管選留4株甘草苗，每周澆1次營(yíng)養(yǎng)液，每管每次1L，澆灌營(yíng)養(yǎng)液在上午8：00―9：00進(jìn)行。營(yíng)養(yǎng)液配方參照Hoagland營(yíng)養(yǎng)液以及任軍[9]營(yíng)養(yǎng)液配方，試驗(yàn)中通過改變營(yíng)養(yǎng)液中NH4NO3濃度設(shè)計(jì)5個(gè)濃度梯度，即營(yíng)養(yǎng)液中總N元素濃度分別為0.5，1，2，4，8mmol・L-1，對(duì)照組（CK組）每周澆等量清水，進(jìn)行正常管護(hù)。

　　1.3試驗(yàn)設(shè)計(jì)

　　1.3.1根系呼吸的測(cè)定根系呼吸采用離體根系法測(cè)定。在6―10月的每月底，選擇晴朗天氣，9：00―16：00取樣測(cè)定。取樣時(shí)，刨出PVC管，縱向劈開后，用噴壺淋澆至土壤與根系分離，保持根系的完整性。后用蒸餾水清洗干凈，用濕紗布包裹并及時(shí)測(cè)定。將根系取出后，按主根為0級(jí)根，支根為1級(jí)根進(jìn)行分級(jí)，分級(jí)后，在根系切面涂抹凡士林（防止產(chǎn)生創(chuàng)傷呼吸），然后放入Li-7000葉室內(nèi)，待氣體流動(dòng)穩(wěn)定后讀數(shù)，測(cè)定根系釋放的CO2的濃度，并根據(jù)CO2通量按照測(cè)定樣品的體積計(jì)算得到體積呼吸速率，不能及時(shí)測(cè)定呼吸的根系置濕紗布內(nèi)短時(shí)間保存，各重復(fù)6次。全部操作在裝有空調(diào)的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，空調(diào)溫度設(shè)定為當(dāng)日10cm地表溫度。

　　1.3.2根系掃描將測(cè)定完呼吸值的根系，采用EpsonExpressin10000XL掃描儀獲取形態(tài)結(jié)構(gòu)圖像，并用專業(yè)的根系形態(tài)學(xué)和結(jié)構(gòu)分析應(yīng)用系統(tǒng)Winrhizo軟件，對(duì)根系體積等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定分析。掃描時(shí)盡可能平放根系，避免根系相互重疊。

　　1.3.3根系生物量測(cè)定各級(jí)別的根系測(cè)定呼吸通量后置于80℃烘箱，烘至恒重后進(jìn)行稱量。

　　1.3.4數(shù)據(jù)分析采用SPSS19.0數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行。

　　2結(jié)果

　　2.1不同施N濃度甘草根系呼吸動(dòng)態(tài)變化

　　對(duì)6―10月采集的不同施N濃度甘草播種苗的不同級(jí)別根系樣品進(jìn)行測(cè)定，計(jì)算根系體積呼吸速率，得到的數(shù)據(jù)分析見圖1，2。

　　由圖1，2可以看出，甘草播種苗在不同N濃度處理下，0級(jí)根及1級(jí)根體積呼吸速率隨時(shí)間變化規(guī)律不一致。各濃度甘草0級(jí)根除CK組呈峰型曲線，在7月份出現(xiàn)峰值外，其他施N組甘草0級(jí)根的體積呼吸速率基本均隨時(shí)間變化呈下降趨勢(shì)（P<0.05），在6月最高值，10月最低。其中施N濃度為1，4mmol・L-1的2組分別在8，9月出現(xiàn)微小波動(dòng)，變化不顯著。各濃度甘草1級(jí)根除CK組及施N濃度為1mmol・L-1組外，其余4組體積呼吸速率隨時(shí)間變化先減小，后增大，再減小，高峰值出現(xiàn)在6月，10月時(shí)呼吸速率最低，見表1。在觀測(cè)期內(nèi)，甘草播種苗1級(jí)根呼吸速率均高于0級(jí)根，本文研究結(jié)果與任軍等在林木研究中的結(jié)論一致[9]。

　　2.2不同施N濃度甘草根系生物量動(dòng)態(tài)變化

　　對(duì)6月至10月份采集的不同施N濃度甘草播種苗的不同級(jí)別根系樣品烘至恒重后稱量，得到不同級(jí)別甘草生物量數(shù)據(jù)見表2，3。

　　6―10月，不同施N濃度甘草播種苗的不同級(jí)別根系生物量測(cè)定結(jié)果見表2，3。各濃度處理下的甘草0級(jí)根、1級(jí)根生物量在不同月份具有明顯的差異（P<0.05），與米海莉[10]研究結(jié)果一致，本研究中甘草生物量在全年中也是先增大后減小；0級(jí)根生物量不同施N處理有顯著性差異（P<0.05），1級(jí)根生物量不同施N處理無顯著性差異（P<0.05），表明施N主要影響甘草0級(jí)根的生物量積累。甘草0級(jí)根生物量均高于1級(jí)根生物量；且1級(jí)根施N組比CK組生物量普遍提高48%，但不同施N濃度間1級(jí)根生物量差異不大。研究表明N素是限制植物生長(zhǎng)的主要礦質(zhì)元素，根系為影響植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要營(yíng)養(yǎng)器官[11]，通過施N增加土壤中有效N濃度，會(huì)促進(jìn)同化合成碳向根系轉(zhuǎn)移的比例增加，改變了植物體內(nèi)的碳分配格局，從而引起根系生物量的增加[12-14]。

　　2.3甘草根系生物量與體積呼吸速率相關(guān)性

　　6―10月甘草不同級(jí)別根系生物量與體積呼吸速率擬合方程及相關(guān)性分析，見表4。

　　從表4可以看出，甘草根系生物量與體積呼吸速率呈負(fù)相關(guān)，且大多0級(jí)根相關(guān)系數(shù)較1級(jí)根相關(guān)系數(shù)大，提示甘草根系體積呼吸速率與0級(jí)根聯(lián)系更加緊密。施N可以提高體積呼吸速率與甘草根系生物量的相關(guān)性，且8mmol・L-1濃度較其他組別有最好的相關(guān)性，說明在此研究方法內(nèi)，8mmol・L-1施N濃度可以最好的調(diào)控根呼吸而提高甘草根系生物量。

　　為了解甘草根系生物量與體積呼吸速率負(fù)相關(guān)的原因以及施N后甘草根系呼吸調(diào)控其生物量的具體機(jī)制，故分別計(jì)算生物量及呼吸速率的年增長(zhǎng)率，生物量增長(zhǎng)率=（各濃度生物量年平均值-CK組生物量年平均值）/CK組生物量年平均值；呼吸速率增長(zhǎng)率=（各濃度呼吸速率年平均值-CK組呼吸速率年平均值）/CK組呼吸速率年平均值，其結(jié)果見圖3，4。

　　圖4表明，甘草0級(jí)根生物量除在0.5mmol・L-1施氮濃度時(shí)較CK組負(fù)增長(zhǎng)外，其他濃度處均為正增長(zhǎng)，并隨著施N濃度的增加生物量增長(zhǎng)率也隨之增加，并在8mmol・L-1施氮濃度處生物量有最高增長(zhǎng)率。甘草1級(jí)根生物量施N組較CK組生物量均為正增長(zhǎng)，但不同施N濃度下增長(zhǎng)率相差不大。圖4表明，甘草0級(jí)根體積呼吸速率在1，2mmol・L-1施N濃度時(shí)較CK組負(fù)增長(zhǎng)，其他濃度處均為正增長(zhǎng)，其增長(zhǎng)率呈先下降后上升的趨勢(shì)。甘草1級(jí)根體積呼吸速率在各施N濃度處均為負(fù)增長(zhǎng)，亦隨著施N濃度的增加，其體積呼吸速率增長(zhǎng)率呈先下降后上升的趨勢(shì)。圖3，4表明，N素供給可以促進(jìn)甘草0級(jí)根、1級(jí)根生物量的積累，所有施N濃度下均抑制1級(jí)根的體積呼吸速率，1，2mmol・L-1施N濃度下抑制0級(jí)根的體積呼吸速率，且在0.5，4，8mmol・L-1施N濃度時(shí)0級(jí)根的體積呼吸速率增長(zhǎng)率也均小于其生物量的增長(zhǎng)率，因此推測(cè)，施氮后可通過抑制甘草根系呼吸速率而增加其根系生物量。

　　3小結(jié)與討論

　　本研究結(jié)果表明，甘草根系生物量與體積呼吸速率呈負(fù)相關(guān)，并且0級(jí)根較1級(jí)根與根呼吸的相關(guān)性更加密切。施N可提高體積呼吸速率與甘草根系生物量的相關(guān)性，在8mmol・L-1施N濃度有最好的相關(guān)性，0級(jí)根-0.989，1級(jí)根-0.558，提示此8mmol・L-1施N濃度可更好地調(diào)控根系呼吸強(qiáng)度提高其生物量。

　　根呼吸受大氣中CO2濃度[15]、土壤溫度[16]、土壤養(yǎng)分[17]、土壤含水量[18]等因子的影響，其中溫度的影響最大，研究發(fā)現(xiàn)林木根呼吸速率與溫度在短期內(nèi)呈指數(shù)關(guān)系、阿列紐斯特征曲線關(guān)系、線性關(guān)系或非線性關(guān)系等[19-21]，且絕大多數(shù)研究結(jié)果表明其與10cm地表溫度的相關(guān)性最大。因此甘草根系呼吸隨溫度的變化總體上呈單峰型曲線，結(jié)合甘草根系生物量，施N組生物量較CK組高，推測(cè)N素的施用，加速了甘草生長(zhǎng)，故而施N組在6月時(shí)根系呼吸速率最高，而CK組最高根系呼吸速率出現(xiàn)在7月。

　　甘草的主根為入藥部分，之前的研究也大都集中在各因子對(duì)主根的影響上，而對(duì)甘草生長(zhǎng)起關(guān)鍵作用的支根的影響確研究甚少。研究表明，細(xì)根是根系中最活躍的部分[22]，對(duì)土壤養(yǎng)分、水分的有效性非常敏感，在植物生長(zhǎng)過程中起著轉(zhuǎn)導(dǎo)信息等功能[23]，因此其對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育起著決定性的作用。本研究中1級(jí)根（屬于細(xì)根）較0級(jí)根有較高的體積呼吸速率和較低的生物量積累，表明1級(jí)根為0級(jí)根的生長(zhǎng)提供支持。1級(jí)根為高周轉(zhuǎn)率的根系，其生長(zhǎng)、發(fā)育、死亡周期比較短，本研究中1級(jí)根施N組比CK組生物量普遍提高48%，但不同施N濃度間1級(jí)根生物量差異不大，推測(cè)一方面N素可以刺激細(xì)根的生長(zhǎng)，另一方面N素對(duì)1級(jí)根的影響應(yīng)該是通過影響其周轉(zhuǎn)率從而引起0級(jí)根生物量積累的差異，而非影響其生物量積累產(chǎn)生作用，但需進(jìn)一步驗(yàn)證。

　　植物中90%的N以蛋白質(zhì)的形式存在[24]，大部分的維持呼吸會(huì)用于支持蛋白質(zhì)的修復(fù)、更新和周轉(zhuǎn)[25]，研究表明蛋白質(zhì)周轉(zhuǎn)與修復(fù)大約消耗總維持呼吸的20%[24]。通常施N會(huì)通過提高植物組織的含氮量，而提高植物的呼吸速率，尤其是維持呼吸速率。施N對(duì)于植物生長(zhǎng)呼吸的影響目前仍不十分清楚[15]。本研究中施N后甘草0級(jí)根、1級(jí)根的生物量均增加，因此其維持呼吸速率均應(yīng)增加，故施N處理下甘草根系生物量與體積呼吸速率呈負(fù)相關(guān)，是由于生長(zhǎng)呼吸受到抑制而造成的。[參考文獻(xiàn)]

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