活体根养分检测法及其在农林业中的应用

活体根养分检测法及其在农林业中的应用杨永辉（中国科学院石家庄农业现代化研究所石家庄０５０ ０２１）摘要本文介绍了活体根养分检测法的发展，用１５Ｎ、３２Ｐ、８６Ｒｂ（代替Ｋ的同位 素）测定土壤养分丰缺的方法，以及本方法在生产中应用的效果和应用前景等进行了系统全面的综 述。关键词活体根，养分检测，应用活体根养分检测法是七十年代末期由英国陆地生态研究所Ｈａ ｒｒｉｓｏｎ博士发展起来的，它是根据植物在“饥饿”状态下，可从土壤中吸收大量养分的原理 ，将活的植物体和植物活根系置于含有Ｎ、Ｐ、Ｒｂ（代替Ｋ）同位素的溶液中，一定时间后，用 液体闪烁计数光谱仪和质谱仪测定植物活根系所吸收的标记Ｎ、Ｐ、Ｒｂ（Ｋ）的量，以判断植物 的养分丰缺。１９７９年Ｈａｒｒｉｓｏｎ〔３〕首先将此法用于Ｐ丰缺的研究，八十年代末期， Ｄｉｇｈｔｏｎ〔１〕及Ｊｏｎｅｓ〔２〕发展了这一方法，将之应用在对植物Ｎ、Ｋ丰缺的测定 ，并逐渐用于农、林及草原生态系统的研究。一、方法简述三种营养元素的植物活根系养分检测法 在方法上极其相似。１．Ｐ测定Ｐ的测定是将植物的根系取下水洗，置于５×１０－４ｍｏｌ／Ｌ 的ＣａＳＯ４水溶液中在１８℃下浸泡３０ｍｉｎ，之后移入５×１０－４ｍｏｌ／Ｌ的ＣａＳＯ ４与５×１０－６ｍｏｌ／ＬＫＨ２ＰＯ４的混合溶液中（溶液中３２Ｐ的浓度为７．４５×１０ ５Ｂｑ／Ｌ，溶液（１ｍｌ）的３２Ｐ的量事先用液体闪烁计数光谱仪进行了测定，浸泡１５ｍｉ ｎ，取出根系，用蒸馏水洗去根表面吸附的３２Ｐ，将重量为１０～２００ｍｇ鲜重的样品从侧根 顶端切下（每株植株切４段），置于用低Ｋ玻璃制成的盛有１５ｍｌ蒸馏水的小瓶中，用液体闪烁 计数光谱夜仪测定样品中３２Ｐ量，之后取出样品，测定蒸馏水中的３２Ｐ量，因为蒸馏水中的３ ２Ｐ系植物未有效利用的Ｐ量，故将样品中３２Ｐ量减去液体中的３２Ｐ量对样品３２Ｐ量进行订 正。用公式：Ｙ＝Ａ（Ｃ／Ｂ）求根系吸收Ｐ的数量，其中：Ｙ＝根１５ｍｉｎ吸收的Ｐ量（ｐｇ ／ｍｇ）；Ａ＝１５５０００ｐｇ，是每ｍｌ溶液中的总Ｐ量：Ｂ＝试验前每ｍｌ溶液中３２Ｐ的 计数率；Ｃ＝每ｍｇ根系中３２Ｐ的计数率。２．Ｎ测定Ｎ测定是将植物活根系置于ＮＨ４Ｃｌ（ 含Ｎ１ｍｇ／Ｌ，其中１５Ｎ占Ｎ原子总量的的２０％）溶液中浸泡２ｈ，取出将其置于流动水下 洗涤１５ｍｉｎ，以洗去根系表面吸附的１５Ｎ，将根系１０５℃烘干，研磨，取５～１０ｇ样品 ，利用质谱仪测定样品中１５Ｎ的含量（ｐｇ／ｍｇ根）。３．Ｋ测定Ｋ的测定是将根系经洗涤后 置于５×１０－４ｍｏｌ／Ｌ的ＣａＣｌ２溶液中浸泡３０ｍｉｎ，然后移入８６Ｒｂ含量为７５ ０ｋＢｑ／Ｌ的５×１０－６ｍｏｌ／ＬＲｂＣｌ水溶液（溶液中的８６Ｒｂ量已用液体闪烁计数 光谱仪事先测定）在１８℃下浸泡１５ｍｉｎ，将根取出用自来水冲洗５ｍｉｎ，从根上切下２０ ～２００ｍｇ样品，置于盛有１５ｍｌ蒸馏水的低Ｋ玻璃小瓶中，用液体闪烁计数光谱仪测定８６ Ｒｂ的量，然后将之转换为根系吸收的８６Ｒｂ量（ｐｇ／ｍｇ根）。二、三种方法的效果分析多 种实验证明，植物根系所吸收的三种元素同位素的量与植物的生长条件密切相关。例如Ｈａｒｉｓ ｏｎ（１９７９）〔３〕将白桦的苗木种植在不同速效Ｐ浓度的培养基中，８周后，进行３２Ｐ的 吸收量测定表明，白桦苗木吸收的３２Ｐ量与土壤的有效Ｐ浓度成反相关，关系式为：Ｙ＝３０６ ４Ｘ－０．８４３１，其中Ｙ为每１５ｍｉｎ根系吸收的Ｐ量，单位：ｐｇ／ｍｇ，Ｘ为培养基内 速效Ｐ的浓度，单位μｇｐ／ｍｌ。将白桦的苗木种植的２５种土壤肥力状况不同的土壤中，两个 季度后，进行活体根系养分速测表明，根系吸收的３２Ｐ与土壤本身的全Ｐ含量成反相关（ｒ２＝ ０．７２５），统计分析表明，根系吸收３２Ｐ变化的８１．８％来源于土壤Ｐ含量的变化，但所 有这些对美国梧桐不太明显，Ｈａｒｒｉｓｏｎ在分析原因时指出，这可能与美国梧桐种子中Ｐ含 量较高对苗木影响相关。同样，Ｊｏｎｅｓ（１９９２）（１９９１）〔１，７〕利用剪股颖、槭 树、松树等证明了Ｎ的养分检测法与土壤Ｎ供应状况之间的反相关关系（为反相关曲线）。在这些 研究中，Ｊｏｎｅｓ将在不同Ｎ浓度下砂培的剪股颖进行养分检测显示，根系对１５Ｎ的吸收量与 土壤中施入的Ｎ的浓度成反相关，在将根系分别浸入含有ＮＨ＋４及ＮＯ－３的溶液中１ｈ后，在 Ｎ浓度为５ｍｇ／Ｌ的溶液中生长的剪股颖根系中吸收ＮＨ＋４的１５Ｎ的量为吸收ＮＯ－３的５ 倍以上，说明利用ＮＨ＋４进行根系养分丰缺的检测比利用ＮＯ－３更有效；同时试验也证明，在 Ｎ１２０ｍｇ／Ｌ溶液中生长的剪股颖所吸收的１５Ｎ含量仅为在Ｎ５ｍｇ／Ｌ溶液中生长剪股颖 吸收１５Ｎ的量的１～２％，在２ｈ的试验中根系吸收的１５Ｎ量与时间成正相关。Ｊｏｎｅｓ在 槭树（Ｐｉｃｅａｓｉｔｃｈｅｎｓｉｓ）及松树（Ｐｉｎｕｓｓｙｌｖｅｓｔｒｉｓ）上也证明 ，树木活体根系Ｎ丰缺测定方法的有效性，实验者首先将两树种的苗木种植不同浓度的沙性基质中 无土栽培８个月，培养液的浓度为Ｎ５～２００ｍｇ／Ｌ的溶液１２种，根系养分检测证明：根系 吸收的１５Ｎ的量与溶液中的Ｎ浓度成反相关，例如在对Ｐｉｎｕｓｓｙｌｖｅｓｔｒｉｓ的实验 中曲线方程为：ｙ＝１２５ｅｘｐ（－０．０２２ｘ），其中ｙ为根系吸收１５Ｎ的量，ｘ为沙培 的溶液Ｎ浓度，相关系数ｒ２＝０．８８；在对野外施加不同量Ｎ肥的土壤上生长的Ｐｉ－ｎｕｓ ｓｙｌｖｅｓｔｒｉｓ养分检测试验中，Ｊｏｎｅｓ发现，根系养分检测法不如人为控制不同肥力 条件下生长的苗木对１５Ｎ吸收的反应敏感，但从不同实验地及不同种植方式（混交林、纯林、及 不同施肥条件）下生长的林木确实表现对ＮＨ＋４离子的不同吸收速度，在Ｋｅｒｓｈｏｐ实验点 ，经过每３年１５０ｋｇＮ肥处理的样地吸收的１５Ｎ量显著低于每６年施１５０ｋｇＮ及每３年 施５０ｋｇＮ的施肥处理，每６年施１５０ｋｇＮ肥的样地内生长的松树根系吸收的１５Ｎ量显著 低于施肥量为每６年５０ｋｇＮ的松树。尽管现实中无Ｋ的同位素，但许多实验已经证明Ｒｂ可以 很好的代替Ｋ用于研究Ｋ的养分供应状况，Ｊｏｎｅｓ（１９８７）〔２〕用８６Ｒｂ代替Ｋ的同 位素所作的研究同样证明了这一点。在这一实验中，Ｊｏｎｅｓ将白桦（Ｂｅｔｕｌａｐｕｂｅｓ ｃｅｎｓ）种植在１～２００ｍｇ／ＬＫ的培养基中，１２周后的根系养分检测表明，培养基中Ｋ 的浓度与根系吸收８６Ｒｂ之间呈负相关，相关式为：ｙ＝５０３０ｅｘｐ（－０．０１４ｘ）， 其中ｒ２＝０．６３。与此类同Ｊｏｎｅｓ在对槭树（Ｐｉｃｅａｓｉｔｃｈｅｎｓｉｓ）的研究 中得到根系吸收８６Ｒｂ与培养基Ｋ浓度之间的关系曲线：ｙ＝７．７３－０．２７（ｌｏｇｘ） 。在野外条件下对槭树（Ｐｉｃｅａｓｉｔｃｈｅｎｓｉｓ）的研究中得到根系吸收８６Ｒｂ与土 壤施肥量之间的曲线为：ｙ＝１５９９－４．３４ｘ。总之多次多种试验表明不同肥力条件下植物 活体根样品吸收的营养元素量与营养元素供应之间呈反相关曲线。三、植物活体根养分检测法在农 林业生产中的应用植物活体根检测法虽然发展起来的时间很短，但因它的根本目的是要解决生产中 科学施肥的问题，因而在实践中已有了部分实例。１．活体根养分检测法在林业中的应用前景实验 证明，此方法可用于林业生产，特别是测定经济林内土壤的养分丰缺状况。传统测定林木养分供应 状况的主要方法是进行林木叶片的养分测定，这种方法说法不一，如Ｓｃｈｏｎａｕ和Ｈｅｒｂｅ ｒｔ（１９８２）观测到林木的生长量与桉树叶片内的养分密切相关；而Ｂａｒｏｔｓ及Ｐｒｉｔ ｃｈｅｔ却证实，化肥的施入对桉树叶内的养分变化影响不明显，说明叶片内的元素含量并非代表 植物本身的养分供应状况，此方法不能说十分准确。传统上用化学分析研究土壤中养分亏缺状况的 方法，用于农业生产具有一定的借鉴价值，但在林业中，因林木生长所需的主要养分来源于土壤有 机质的分解决定林木生长养分供应状况的因素应是林分内枯枝落叶的分解速度，故此方法欠准确。 而对植物活体根系养分吸收与植物养分供应状况的研究中，除了以上所提及的实验，Ｈａｒｉｓｏ ｎ（１９７９）利用活体根养分检测法证明，活体根吸入３２Ｐ的量与植物生长的土壤肥力条件密 切相关，Ｄｉｇｈｔｏｎ〔５，６，８〕等也在桉树上对Ｎ、Ｋ的实验中观测到同样的结果。将活 体根养分检测法用于挪威冷杉的研究，Ｄｉｇｈｔｏｎ发现，植物活体根养分检测可决定林木Ｐ的 丰缺情况，在林木施加Ｐ肥后，林木吸收的３２Ｐ的量大大下降；同时，Ｈａｒｉｓｏｎ（１９９ ０）〔４〕等也观测到，对于决定林木的养分供应状况来讲，活体根养分检测比传统的林木叶片测 定更准确，例如Ｄｉｇｈｔｏｎ（１９９１）在桉树上证实，随对土壤施肥（Ｎ、Ｐ、Ｋ）量的增 加，根系吸收１５Ｎ、３２Ｐ、８６Ｒｂ的量逐渐减少，但叶片中Ｎ、Ｐ、Ｋ的含量除施Ｎ肥的处 理表现相关外，Ｐ肥Ｋ肥处理的林分叶片内Ｐ、Ｋ的含量反而减少。而且对三种元素的养分测定还 可发现Ｎ、Ｐ、Ｋ养分之间的相互作用，土壤施加Ｎ肥，会导致桉树活体根系吸收３２Ｐ、８６Ｒ ｂ量的增加，说明Ｎ的施入造成了土壤内Ｐ、Ｋ养分的短缺。２．活体根养分检测法在农业中的应 用农业上传统的养分测定主要是采用土壤养分状况测定法，但土中速效元素的含量与土壤及养分的 浸提方法密切相关，而且这些分析数据必须与作物的养分需求相结合进行检验才能知道养分的丰缺 情况，测定本身与植物无关，分析数据本身的价值是有限的。而植物活体根检测法则综合了土壤与 植物的供求状况，且经济上成本较低，堪称一个有用的尝试。Ｈａｒｒｉｓｏｎ（１９９０）〔４〕等将Ｐ的测定用于小麦、大麦的养分丰缺状况研究，结果发现，采自Ｒｏｔｈａｍｓｔｅｄ试验站不同施肥处理样品的３２Ｐ吸收量大不相同，第一，施Ｐ肥处理的样品中３２Ｐ的吸收量大大降低，且低于施相同量Ｐ及Ｎ、Ｋ肥处理的样品。其次，单纯施Ｎ肥处理的样品吸收的３２Ｐ的量显

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