甘草GlycyrrhizauralensisFish.的根及根莖是重要的植物藥，在世界范圍內(nèi)應用廣泛，僅中國年消耗甘草量約為5000t，過度的采挖導致甘草野生資源嚴重匱乏，致使供需問題日趨嚴重[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)控機制仍需進一步闡明。

　　[摘要]探究不同氮素供給對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的全營養(yǎng)液，每月月底測定甘草不同級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，通過相對抑制生長呼吸速率以提高生物量而使兩者呈負相關(guān)，并在8mmol・L-1氮濃度處理時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生產(chǎn)力的重要因素，根系的凈初級生產(chǎn)力占到植物總凈初級生產(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、維持生命活動以及吸收養(yǎng)分提供能量[6]。根呼吸受土壤養(yǎng)分因素的影響較大，所有營養(yǎng)元素中氮素（N）對根呼吸的影響最大[7]。目前關(guān)于藥用植物的根系呼吸及氮素對根系呼吸和生物量影響的研究尚未見報道。甘草的根系既是藥用部位，又是重要的營養(yǎng)器官，對藥材的產(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)實踐中，肥水調(diào)控是較常用的人工管理方式，而氮素對甘草的生物量有正效應[8]。故本文以甘草播種苗為研究對象，研究甘草根系呼吸及生物量積累對氮素供給的響應特點，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試驗地概況

　　試驗地設(shè)于北京中醫(yī)藥大學中藥學院藥用植物栽培試驗區(qū)內(nèi)，地理坐標為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，年均相對濕度62%。

　　1.2試驗材料及培育

　　試驗所用PVC管圓柱形，管口直徑30cm，管長80cm。2011年4月份將PVC管填埋于試驗園中，管口高出地面5cm，在管中填充砂壤土，土壤有機質(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%。

　　試驗用甘草種子來源于內(nèi)蒙古伊克昭盟杭錦旗試驗基地，經(jīng)北京中醫(yī)藥大學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次營養(yǎng)液，每管每次1L，澆灌營養(yǎng)液在上午8：00―9：00進行。營養(yǎng)液配方參照Hoagland營養(yǎng)液以及任軍[9]營養(yǎng)液配方，試驗中通過改變營養(yǎng)液中NH4NO3濃度設(shè)計5個濃度梯度，即營養(yǎng)液中總N元素濃度分別為0.5，1，2，4，8mmol・L-1，對照組（CK組）每周澆等量清水，進行正常管護。

　　1.3試驗設(shè)計

　　1.3.1根系呼吸的測定根系呼吸采用離體根系法測定。在6―10月的每月底，選擇晴朗天氣，9：00―16：00取樣測定。取樣時，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測定。將根系取出后，按主根為0級根，支根為1級根進行分級，分級后，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)，待氣體流動穩(wěn)定后讀數(shù)，測定根系釋放的CO2的濃度，并根據(jù)CO2通量按照測定樣品的體積計算得到體積呼吸速率，不能及時測定呼吸的根系置濕紗布內(nèi)短時間保存，各重復6次。全部操作在裝有空調(diào)的實驗室進行，空調(diào)溫度設(shè)定為當日10cm地表溫度。

　　1.3.2根系掃描將測定完呼吸值的根系，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)學和結(jié)構(gòu)分析應用系統(tǒng)Winrhizo軟件，對根系體積等指標進行測定分析。掃描時盡可能平放根系，避免根系相互重疊。

　　1.3.3根系生物量測定各級別的根系測定呼吸通量后置于80℃烘箱，烘至恒重后進行稱量。

　　1.3.4數(shù)據(jù)分析采用SPSS19.0數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析軟件進行。

　　2結(jié)果

　　2.1不同施N濃度甘草根系呼吸動態(tài)變化

　　對6―10月采集的不同施N濃度甘草播種苗的不同級別根系樣品進行測定，計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級根及1級根體積呼吸速率隨時間變化規(guī)律不一致。各濃度甘草0級根除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級根的體積呼吸速率基本均隨時間變化呈下降趨勢（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，變化不顯著。各濃度甘草1級根除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間變化先減小，后增大，再減小，高峰值出現(xiàn)在6月，10月時呼吸速率最低，見表1。在觀測期內(nèi)，甘草播種苗1級根呼吸速率均高于0級根，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態(tài)變化

　　對6月至10月份采集的不同施N濃度甘草播種苗的不同級別根系樣品烘至恒重后稱量，得到不同級別甘草生物量數(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別根系生物量測定結(jié)果見表2，3。各濃度處理下的甘草0級根、1級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級根生物量不同施N處理有顯著性差異（P<0.05），1級根生物量不同施N處理無顯著性差異（P<0.05），表明施N主要影響甘草0級根的生物量積累。甘草0級根生物量均高于1級根生物量；且1級根施N組比CK組生物量普遍提高48%，但不同施N濃度間1級根生物量差異不大。研究表明N素是限制植物生長的主要礦質(zhì)元素，根系為影響植物生長發(fā)育的重要營養(yǎng)器官[11]，通過施N增加土壤中有效N濃度，會促進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相關(guān)，且大多0級根相關(guān)系數(shù)較1級根相關(guān)系數(shù)大，提示甘草根系體積呼吸速率與0級根聯(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制，故分別計算生物量及呼吸速率的年增長率，生物量增長率=（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級根生物量除在0.5mmol・L-1施氮濃度時較CK組負增長外，其他濃度處均為正增長，并隨著施N濃度的增加生物量增長率也隨之增加，并在8mmol・L-1施氮濃度處生物量有最高增長率。甘草1級根生物量施N組較CK組生物量均為正增長，但不同施N濃度下增長率相差不大。圖4表明，甘草0級根體積呼吸速率在1，2mmol・L-1施N濃度時較CK組負增長，其他濃度處均為正增長，其增長率呈先下降后上升的趨勢。甘草1級根體積呼吸速率在各施N濃度處均為負增長，亦隨著施N濃度的增加，其體積呼吸速率增長率呈先下降后上升的趨勢。圖3，4表明，N素供給可以促進甘草0級根、1級根生物量的積累，所有施N濃度下均抑制1級根的體積呼吸速率，1，2mmol・L-1施N濃度下抑制0級根的體積呼吸速率，且在0.5，4，8mmol・L-1施N濃度時0級根的體積呼吸速率增長率也均小于其生物量的增長率，因此推測，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相關(guān)，并且0級根較1級根與根呼吸的相關(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級根-0.989，1級根-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N素的施用，加速了甘草生長，故而施N組在6月時根系呼吸速率最高，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主根的影響上，而對甘草生長起關(guān)鍵作用的支根的影響確研究甚少。研究表明，細根是根系中最活躍的部分[22]，對土壤養(yǎng)分、水分的有效性非常敏感，在植物生長過程中起著轉(zhuǎn)導信息等功能[23]，因此其對植物的生長發(fā)育起著決定性的作用。本研究中1級根（屬于細根）較0級根有較高的體積呼吸速率和較低的生物量積累，表明1級根為0級根的生長提供支持。1級根為高周轉(zhuǎn)率的根系，其生長、發(fā)育、死亡周期比較短，本研究中1級根施N組比CK組生物量普遍提高48%，但不同施N濃度間1級根生物量差異不大，推測一方面N素可以刺激細根的生長，另一方面N素對1級根的影響應該是通過影響其周轉(zhuǎn)率從而引起0級根生物量積累的差異，而非影響其生物量積累產(chǎn)生作用，但需進一步驗證。

　　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用于支持蛋白質(zhì)的修復、更新和周轉(zhuǎn)[25]，研究表明蛋白質(zhì)周轉(zhuǎn)與修復大約消耗總維持呼吸的20%[24]。通常施N會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對于植物生長呼吸的影響目前仍不十分清楚[15]。本研究中施N后甘草0級根、1級根的生物量均增加，因此其維持呼吸速率均應增加，故施N處理下甘草根系生物量與體積呼吸速率呈負相關(guān)，是由于生長呼吸受到抑制而造成的。[參考文獻]

　　[1]閻永紅.不同來源甘草的質(zhì)量特征及評價研究[D].北京：北京中醫(yī)藥大學，2006：10.

　　[2]曹君邁，祁金濤，崔建寧，等.甘草對水分虧缺的適應機制研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2009，269（16）：202.

　　[3]張燕，王繼永，劉勇，等.氮肥對烏拉爾甘草生長及有效成分的影響[J].北京林業(yè)大學學報，2005，27（3）：57.

　　[4]孫志蓉，翟明普，王文全，等.密度對甘草苗生長及甘草酸含量的影響[J].中國中藥雜志，2007，32（21）：2222.

　　[5]EdwardsNT，ShugartHH，MclaughlinSB，etal.Carbonmetabolisminterrestrialecosystems[M]//Dynamicpropertiesofforestecosystems.Cambridge，UK：CambridgeUniversityPress，1981：499.

　　[6]任軍，徐程揚，林玉梅，等.不同供氮水平下水曲柳幼苗根系呼吸季節(jié)動態(tài)[J].生態(tài)學報，2009，29（8）：4167.

　　[7]BurtonAJ，PregitzerKS.Fieldmeasurementsofrootrespirationindicatelittletonoseasonaltemperatureacclimationforsugarmapleandredpine[J].TreePhysiol，2003，23（4）：273.

　　[8]李明，張清云，蔣齊，等.氮磷鉀互作效應對甘草黃酮含量影響的初步研究[J].土壤通報，2007，38（2）：301.

　　[9]任軍，徐程揚，魏彥波，等.長白山區(qū)水曲柳根呼吸的季節(jié)動態(tài)及影響因子[J].林業(yè)科學，2010，46（5）：77.

　　[10]米海莉，許興，李樹華，等.不同生育時期牛心樸子及甘草碳水化合物與全N含量分布部位及C/N比變化規(guī)律研究[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2005，23（1）：129.

　　[11]OstertagR.Effectsofnitrogenandphosphorusavailabilityonfine-rootdynamicsinHawaiianmontaneforests[J].Ecology，2001，82：485.

　　[12]BurtonAJ，PregitzerKS，ZoggGP，etal.Latitudinalvariationinsugarmaplefinerootrespiration[J].CanJForRes，1996，26：1761.

　　[13]HendrickJJ，NadelhofferKJ，AberJD.Assessingtheroleoffinerootincarbonandnutrientcycling[J].TrendsEcolEvol，1993，8：174.

　　[14]NadelhofferKJ.Potentialeffectsofnitrogendepositiononfine-rootproductioninforestecosystems[J].NewPhystol，2000，147：131.

　　[15]MaierCA，KressLW.SoilCO2evolutionandrootrespirationin11year-oldloblollypine（Pinustaeda）plantationsasaffectedbymoistureandnutrientavailability[J].CanJForestRes，2000，30：347.

　　[16]ZoggGP，ZakDR，BurtonAJ，etal.Finerootrespirationinnorthernhardwoodforestsinrelationtotemperatureandnitrogenavailability[J].TreePhysiol，1996，16：719.

　　[17]張晶，沈應柏，徐程揚.樹木根系呼吸及其對環(huán)境的反應研究進展[J].東北林業(yè)大學學報，2007，35（2）：78.

　　[18]YangYS，DongB，XieJS，etal.Areviewoftreerootrespiration：significanceandmethodologies[J].ActaPhytoecologicaSinica，2004，28（3）：426.

　　[19]WidenB，MajdiH.SoilCO2effluxandrootrespirationatthreesitesinamixedpineandspruceforest：seasonalanddiurnalvairiation[J].CanJForestRes，2001，31（5）：786.

　　[20]陳光水，楊玉盛，王小國，等.格氏栲天然林與人工林根系呼吸季節(jié)動態(tài)及影響因素[J].生態(tài)學報，2005，25（8）：1941.[21]姜麗芬，石福臣，王化田，等.東北地區(qū)落葉松人工林的根系呼吸[J].植物生理學通訊，2004，40（1）：27.