利用N-15自然丰度法研究固氮植物生物固氮量

生物固氮对全球生态系统氮素循环和全球变化有着重要影响,但是由于测定方法的原因,过去对生物固氮,特别是多年生固氮植物的共生固氮的定量研究不足。在对目前国际上日益受到重视的用N-15自然丰度法研究固氮植物生物固氮量的研究进展进行初步总结的基础上,探讨了影响该方法准确性的一些主要因素。N-15自然丰度法克服了传统的差值法、N-15同位素稀释法和乙烯还原法等的不足,可野外原位定量研究生物固氮,如果对各影响因子加以系统考虑,合理解决参比植物选择和固氮植物取样部位等方面的问题,该方法可较为准确地原位测定人工生态系统中固氮作物和固氮树种的生物固氮量。但是在天然生态系统中由于植物有效氮源的多样性以及其它影响因素较复杂,应用难度较大。

^(15)N自然丰度法分析甘蔗及近缘属野生种固氮效率

利用^(15)N同位素自然丰度法,在连续两年不施氮肥条件下,对甘蔗及近缘属野生种(材料)的固氮效率进行对比分析,同时筛选出适宜本试验研究的参比植物。试验结果表明,河八王及其后代材料表现出明显的高固氮能力,最高固氮率达到36.13%,最低的为甘蔗栽培种ROC22,固氮率仅为5.72%。银胶菊、胜红蓟和狗尾草与河八王1-1号的δ^(15)N值之差为3.13~3.50,是分析甘蔗及近缘属野生种固氮效率较理想的参比植物。

自然丰度法与同位素稀释法测定植物固氮能力的比较

生物固氮是生态系统有效氮的重要来源,目前存在多种测定和计算方法。以青藏高原高寒草原豆科植物团垫黄芪(Astragalus arnoldii)为对象,对比自然丰度法和同位素稀释法的差异,探讨4种计算方法、4种参考植物和2个取样时间对团垫黄芪生物固氮百分率(%Ndfa)评估的影响。结果表明:参考植物的δ15N在自然生长状态下与7月份相比,8月份均显著降低(P<0.05);施加(^(15)NH_(4))2SO_(4)后,4种参考植物紫花针茅(Stipa purpurea)、高山嵩草(Kobresia pygmaea)、矮火绒草(Leontopodium nanum)和青藏苔草(Carex moorcroftii)24 h取样的测定值高于30 d后取样的测定值(P<0.05)。无论标记与否,团垫黄芪的^(15)N丰度在2个采样时间都无明显差异,采用原子百分超和原子百分差这2种计算方法得到的%Ndfa也没有显著差异。除矮火绒草外,以其他3种植物以及4种植物的平均值作为参考时,采用自然丰度法计算的%Ndfa都显著高于同位素稀释法(P<0.05)。取样时间不同自然丰度法的测定结果差异显著(F=89.906,P<0.01),标记后取样时长对同位素稀释法影响显著(F=496.712,P<0.01)。

用自然^(13)C丰度法区分人工林根源呼吸的原理与应用

将土壤呼吸分为土壤微生物呼吸、纯根呼吸和根际微生物呼吸的研究对定量评价陆地生态系统地下碳平衡具有重要的意义。理论上,自然13C丰度法是区分林木根源呼吸组分的最佳方法,但目前却难以将其应用于野外实践。本研究以黄河小浪底刺槐人工林为研究对象,利用自然13C丰度法对该人工林纯根呼吸和根际微生物呼吸进行区分,分析不同月份纯根呼吸和根际微生物呼吸在土壤呼吸中所占比例的变化,讨论环境因子对区分纯根呼吸和根际微生物呼吸研究的影响。结果表明:7、8和9月植物旺盛生长季,纯根呼吸占根源呼吸的比例分别为43%、52%和27%;根际微生物呼吸占根源呼吸的比例分别为57%、48%和73%;土壤温度和电导率对纯根呼吸和根际微生物呼吸占土壤呼吸比例及其标准偏差(SD)有一定影响。

短期低温对大豆苗期生长和结瘤固氮的影响

采用早熟大豆品种“黑河43”、晚熟大豆品种“东农53”进行盆栽试验,出苗后进行连续7d的低温处理(LT),昼夜温度设定为13℃/3℃,以25℃/10℃为对照,从大豆出苗28d开始,每7d进行破坏性取样共4次,测定地上部和根干物质量、根瘤生物量、全氮含量及根瘤固氮量,研究苗期短期低温对大豆生长、结瘤和固氮能力的影响。结果表明:(1)大豆出苗后7d短期低温胁迫会延缓大豆生长发育。出苗后28~42d大豆生物量显著低于CK处理,出苗后49d低温胁迫对两个大豆品种生物量均无显著影响。(2)与CK相比,低温对“东农53”和“黑河43”根瘤形成的显著抑制作用分别出现在苗后42d和35d,根瘤数量分别降低了58.8%和72.0%。出苗后49d,低温使“东农53”和“黑河43”根瘤干重分别减少48.9%和48.5%。(3)低温刺激了两个品种大豆的生物固氮能力。在出苗后49d,低温处理“东农53”和“黑河43”的生物固氮量、单位根瘤生物量的固氮量和单个根瘤的固氮量分别增加了89.9%、118.9%,249.3%、172.6%,150.6%、114.2%。生物固氮百分率分别增加了26.4个和24.5个百分点。综合来看,大豆出苗后遭遇低温冷害会延缓生长发育,并抑制根瘤的形成与生长。低温胁迫解除后大豆生长逐步恢复。短期低温对大豆根瘤固氮量和根瘤固氮能力有刺激作用,对早熟品种“黑河43”刺激作用更明显。为了更好地适应东北大豆产区早春低温环境,推荐选用早熟品种大豆。

施氮量对不同品种苜蓿结瘤固氮和产量及粗蛋白含量的调控

摸清不同苜蓿品种结瘤固氮对氮肥用量的响应,增强苜蓿固氮能力与产量和品质的协同,对于苜蓿节氮增效的生产实践至关重要。采用10个苜蓿品种并设置5个氮梯度,通过测定地上部生物量及粗蛋白含量和根瘤数、根瘤重、固氮率及固氮量,探究施氮对不同品种苜蓿建植当年的生物量、粗蛋白含量和结瘤固氮的影响及相互调控关系。结果表明,地上部生物量和粗蛋白含量在不同品种和处理间差异显著,两项指标均较高的品种超新星、佰苜202、骑士T、佰苜341和绿思乐的固氮效率显著高于其他品种。固氮率对施氮量响应在茬次间差异显著,第一茬N0处理下最高,第二茬或仅收获1茬时N25、N50处理下最高,粗蛋白含量与之呈正相关变化。在N0~N50处理下,高固氮率品种的生物量和粗蛋白含量比低固氮率品种分别高1.2%~16.7%和12.9%~19.2%,N100、N150处理与其相比,除固氮率较低的第一茬外,生物量差值基本相等,粗蛋白含量差值显著降低至7.8%~12.3%,低固氮率品种粗蛋白积累对施氮依赖更高。生物量和粗蛋白含量与结瘤固氮指标呈显著正相关。建植当年,适量施氮有利于苜蓿固氮协调增效,超新星等固氮效率较高的5个品种在较低氮梯度下生物量和粗蛋白含量可平衡提升,且显著高于其他品种,可作为节氮栽培的优良品种。

我国大豆的生物固氮潜力研究

【目的】根瘤菌与大豆共生结瘤固氮是大豆的重要氮素来源之一,而我国在大豆生产中普遍过量使用化学氮肥,不仅增加了生产成本,而且严重抑制了大豆的生物固氮效率。因此在生产中充分发挥生物固氮作用、合理施用化学氮肥、降低大豆生产成本是我国发展大豆产业的重要措施,本文对我国大豆主产区生物固氮潜力及其分布特征进行了研究,旨在了解不施氮肥条件下不同大豆产区生物固氮的最大供氮能力,为大豆的合理施肥和充分发挥生物固氮作用提供理论依据。【方法】采用15N自然丰度法,在2011年和2012年测定了在不施用氮肥条件下我国4个大豆主产区包括黑河、大庆、长春、铁岭、济宁、延安、南宁等7个试验点在内的大豆生物固氮效率、生物固氮量及其对产量的贡献。15N自然丰度法的原理是利用非固氮参照作物从土壤中吸收的15N丰度高于固氮植物,根据两者的15N自然丰度差异估算出固氮植物的生物固氮率。所选的非固氮参照作物必须同大豆生长季一致,并且各试验点选用同一种非固氮植物以保证各地数据的可比性。通过查阅文献,有研究使用玉米作为参照作物,并且符合上述要求,因此本研究选择玉米作为非固氮参照作物。【结果】在不施氮肥条件下,我国大豆在正常降水年份的生物固氮效率为47%70%,其中铁岭最高为60%70%,黑河最低为47%54%;大豆的生物固氮量在N 92150 kg/hm2之间变化,其中籽粒中的生物固氮量占总固氮量的65%81%,生物固氮量最高的试验点为长春,最低的试验点为延安;生物固氮对产量的贡献在1039 1867 kg/hm2之间,其中最高的试验点为长春,最低的试验点为延安;在延安试验点苗期开花期极度干旱的2011年,大豆缺水严重抑制了根瘤菌的数量和固氮酶的活性,其生物固氮效率、固氮量及对产量的贡献均达极低水平,分别为15%和N 24 kg/hm2和245 kg/hm2。【结论】我国大豆不同主产区的生物固氮潜力存在较大差异,并且具有明显的分布规律。生物固氮效率以温带的铁岭为最高,向北至寒温带的黑河、向南到亚热带的南宁均呈现逐渐降低的趋势。受种植密度等因素的影响,大豆生物固氮量及其对产量贡献的分布规律与生物固氮效率不完全一致,其中东北地区最高,其次是济宁和南宁,延安最低。

豆科固氮植物植株茎叶、根和根瘤的δ^(15)N值变异

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１５Ｎ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。

上海地区落叶含氮量丰富的高效固氮树种选择

对29种固氮树种的固氮效率与叶片含氮量进行测定,分析了两者的关系及叶片氮输出率的大小。以此为据,筛选具有较强固氮能力、落叶含氮量较高的树种。结果表明:大多数固氮能力强的树种鲜叶含氮量较高,两者的相关系数为0.888**,达到极显著水平;江南桤木、胡颓子、花叶胡颓子、常春油麻藤、紫藤、染料木、合欢、杨梅8种树种15N自然丰度值介于-0.632‰～1.313‰,落叶含氮量介于1.288%～1.628%,是筛选出的较好的落叶肥田植物。

29种固氮树种生长量与固氮效率相关性研究

在对上海市固氮植物资源调查的基础上,选定29种有一定固氮能力的树种。以海滨木槿为对照,测定其年相对高生长量、年相对径生长量、固氮效率,并对生长量与固氮效率的相关性进行分析。分析结果表明:树种间测量指标差异显著;固氮效率与植物生长存在较强正相关性(相关系数0.839**、0.707**),固氮效率越高的植物,其相对高、径生长量越大。

6种豆科绿肥植物与苹果树套种对果园土壤碳氮特征的影响

为探明豆科植物与果树套种对山地果园土壤碳氮含量特征的影响,本研究以无芒雀麦(Bromus inermis Leyss)为参比植物,以6种豆科作物[T1:箭筈豌豆(Vicia sativa L.)、T2:大鹁鸽灰豌豆(Pisum Large pigeon L.)、T3:绿豆(Phaseolus radiatus L.)、T4:大豆(Glycine max L.)、T5:白豌豆(Pisum sativum L.)、T6:赤豆(Vigna angularis L.)]为绿肥植物与新建果园苹果树套种,采用15 N自然丰度法与凯氏定氮等方法检测植物当季固氮量及土壤碳氮含量。结果表明:6种绿肥植物当季固氮量在20.22 g·cm^(-2)~39.14 g·cm^(-2)之间,以T5最高;半年后,豆科植物根系土壤总氮含量以T4最高,为对照的155.48%,碱解氮以T2最高,为44.29 mg·Kg^(-1),微生物量氮增幅为7.66%~38.74%之间;土壤总有机碳含量以T5最高,为22.66 g·Kg^(-1),活性有机碳以T4最高、T6最低,分别为3.04 g·Kg^(-1)和2.39 g·Kg^(-1),非活性有机碳以T5最高,为对照的1.15倍,可溶性有机碳以T4最高,为0.58 g·Kg^(-1),土壤微生物量碳与总有机碳、活性有机碳含量间呈正相关关系。主成分权重分析显示,6种豆科植物与苹果树套种对果园土壤碳氮含量特征的影响作用效果大小排序为T2>T4>T3>T5>T6>T1。

Impact of Cutting a Clover Crop on the Nitrogen Supplied to Winter Wheat in an Intercropping System

The major function of clover in a winter wheat–white clover intercropping system is to supply nitrogen （N） for the wheat. A field experiment was conducted at Yucheng Comprehensive Station of the Chinese Academy of Sciences, to evaluate the effect of cutting white clover on N fixation and the transfer of fixed N to the associated winter wheat. A method of 15N natural abundance was used to determine the nitrogen dynamics in the intercropping system. The results showed that the amount of N transferred from the clover to the wheat, throughout the growing season, varied between 34.4 and 57.5 kg ha-1. Compared to leaving the clover standing, cutting the clover increased the amount of N that accumulated in the soil and also resulted in reduced N concentrations in the leaves and stems of the wheat. Using the cut clover as mulch between wheat rows led to decreased N concentrations in the wheat plants’ leaves and stems. The present study provides preliminary information on the amount of N transferred from clover to wheat in an intercropping system.