古梨园

根际土壤氮素含量对杨树根系生长的影响

姚程程;萨木哈尔·乎瓦提别克;王娜;曲春浦

【摘要】为绿化部门春季种植杨树及追肥提供参考,对哈尔滨市14个公园(绿地)的

杨树根际土壤总氮素含量及有效氮含量进行检测,并通过实验室模拟有效氮素含量

对杨树幼苗进行处理,研究土壤氮素对东北常见绿化树种杨树根系发育的影响.结果

表明:不同绿地间土壤氮素含量变化有显著差异,氮素浓度为85mg/kg的杨树幼苗

根部干重为0.082g/株,较氮素浓度为30mg/kg的杨树幼苗根部的干重增加约1

倍;杨树幼苗根部主根长度为19.26cm,较氮素浓度为30mg/kg的杨树幼苗增加

1/3.当氮素浓度为60mg/kg时,硝酸还原酶、谷氨酸合酶的酶活性显著提高,在氮

素浓度为40～60mg/kg,扩展蛋白expb3、expb2、expa17和expa11的

mRNA表达量显著升高.当外界氮素浓度达40～75mg/kg时对杨树幼苗根系具有

促进作用.

【期刊名称】《贵州农业科学》

【年(卷),期】2018(046)003

【总页数】4页(P25-28)

【关键词】杨树;根际土壤;氮素含量;有效氮;根系生长

【作者】姚程程;萨木哈尔·乎瓦提别克;王娜;曲春浦

【作者单位】东北林业大学,黑龙江哈尔滨150040;东北林业大学,黑龙江哈尔滨

150040;东北林业大学,黑龙江哈尔滨150040;东北林业大学,黑龙江哈尔滨

150040

【正文语种】中文

【中图分类】S157.4+1;Q945.12

氮素是植物生长与发育所必需的大量营养元素之一，是许多生物大分子氨基酸、核

苷酸、蛋白质、叶绿体以及植物激素等的组成成分。根系是植物进行氮素营养吸收

及同化的主要器官[1]，其形态及生理生化特征对氮素吸收与利用具有很重要的影

响。同时氮素形态以及供氮水平又会调控植物根系生长和形态变化，如叶片形态的

改变[2]、根系形态及构型的变化[3-4]、生物量在地上及地下分配的调节等[5-6]。

在已知的矿质营养元素中，氮素对根形态的影响最为显著[7]，在土壤氮素有效性

较低时受到刺激，表现为根系直径变细[8]、细根变长[9]，一些植物根系的生长则

在富氮土壤中显著提高，表现为侧根伸长[10]、总根长和根系表面积增加[11-12]、

侧根密度显著提高[3]等。因此，植物根系形态与供氮条件相互作用，最终影响植

物的生长发育。

世界范围内多数土壤含氮量都不能满足林木生长的需要，我国北部作为杨树人工林

主要的栽植区域，其土壤中的氮素尤其匮乏[13]。另一方面，杨树具有耐寒、速生、

耐贫瘠以及材质好等许多优良性状，是东北地区重要的防护林和绿化树种。对于杨

树根际土壤含氮量的匮乏程度及其对根系生长发育的影响尚无文献报道。笔者对哈

尔滨市不同公园内春季杨树根季周围土壤含氮量水平进行检测，同时在可控条件下

对杨树幼苗进行根系生长量及长度等指标进行检测，以判断各公园土壤有效氮含量

及杨树幼苗在不同氮素浓度下根系生长情况，以期为绿化部门指导春季种植杨树及

追肥提供参考。

1材料与方法

1.1城市土壤采集取样

采样点：对哈尔滨市区分区确定采样地点，在哈尔滨市8个直辖区(南岗区、道里

区、道外区、香坊区、平房区、松北区、呼兰区、阿城区)中有代表性的城市公园、

主要街道、标志性地段进行土壤取样，共确定14个采样地，分别是植物园、古梨

园、丁香园、建国公园、清滨公园、金河湾公园、太阳岛湿地、斯大林公园、道外

江畔公园、尚志公园、松浦大桥南、松浦大桥北、顾乡公园和九站公园。

土壤采样：多点混合法采样，在确立的每个采样地，采用蛇形采样法采集多个土壤，

回避人工填充物，并进行混合。采样深度为10～20cm，取混合样1～2kg。将

所采土样装入聚乙烯塑料袋，内外附标签，标明采样编号、名称、采样深度、采样

地点、日期及采集人。

1.2土壤全氮量的测定

采用凯氏定氮法测定土壤全氮(半微量法)，土壤水解性氮量的测定采用碱解扩散法

[14-15]。

1.3杨树幼苗的培养、处理及测量

选取杨树无性系组培苗移入蛭石中，同时加入标准MS培养液[16]，培养一段时间

后(预计植株为12cm高时)筛选长势一致的杨树幼苗加入含有不同氮素(NH4NO3)

浓度的MS培养基进行处理，培养基内氮素终浓度分别为30mg/kg、40mg/kg、

50mg/kg、60mg/kg、75mg/kg和85mg/kg。3周后取出进行根系长度及干

重的测量。

1.4杨树根系生理生化指标测定

1.4.1氮含量使用微量凯氏定氮法。将烘干的杨树幼苗根部粉碎之后取0.5g，加

入6mL浓硫酸，浸泡2h，加入加速剂置于消煮炉上，在450℃下消煮2h，然

后将消煮好的液体进行高温水蒸气蒸馏，用加有指示剂的硼酸吸收蒸馏出的氨气，

用标准盐酸进行滴定。以甲基红-溴甲酚绿混合指示剂指示终点。

1.4.2碳含量使用元素分析仪(EuroEA3000ElementalAnalyzer,Milan,Italy)

测定。称取20mg的样品，放入炉内待完全燃烧后测定其释放的二氧化碳浓度，

从而计算组织内碳的含量。

1.4.3氮同化相关酶的活性参照文献[17]的方法，采用分光光度法检测与氮同化相

关的硝酸还原酶(NR)活性，谷氨酰胺合成酶(GS)活性，谷氨酸合酶(GOGAT)活性

以及谷氨酸脱氢酶(GDH)活性。

1.5部分扩展蛋白基因mRNA表达情况的荧光定量PCR检测

采用实时荧光定量PCR仪(ABI7500,USA)对扩展蛋白相关基因进行定量检测，选

用UBQ7(F：5′-TGCAGATCATTGTCGGTAAAAAC-3′；R：5′-

CAACCTCAGCTGGTCTGGAG-3′)基因作为内参，扩展蛋白基因ID号分别为

potri.005G244100.1(expa11)(F：5′-AGGAACTATGG

GAGGGGCTT-3′；R：5′-TTAAAGCAGCGGTCC

TGGTC-3′)、potri.002G184800.1(expa17)(F：5′-

GTGATGGTTCTGGTACAATGACTT-3′；R：5′-CCTTCTCTTGCATGTCACCCA-

3′)、potri.019G

101900(expb3)(F：5′-GACCTTAGTGGTGCAG

CCTT-3′；R：5′-TTTCACCTCGGTTCCTGAGC-3′)和

potri.014G066300(expb2)(F：5′-CACGTCGAGTTCGAATG

CTG-3′；R：5′-TCCTGGGCACAGGGACTTC-3′)，荧光定量PCR表达量数据处

理采用2-ΔΔct法[18]。

1.6数据处理及分析

数据处理及分析使用SPSS19.0软件进行分析，多重比较显著性差异采用

Duncan法进行。

2结果与分析

2.1不同样地根际土壤的总氮及碱解氮的含量

从表可知，14个采样点杨树根际土壤的总氮含量为1.19～3.41g/kg，碱解氮为

26.80～84.55mg/kg，各取样地土壤中的氮素总量和供应能力差异较大。在总氮

方面，植物园、松浦大桥北和尚志公园的总氮含量较少，分别为1.19g/kg、1.42

g/kg和1.49g/kg，而九站公园、太阳岛湿地和金河湾公园的总氮含量较多，分

别为3.41g/kg、3.25g/kg和3.07g/kg。在碱解氮水平上，植物园、尚志公园

和建国公园的氮素供应能力相对较差，为26.80～40.07mg/kg，而顾乡公园、太

阳岛湿地和金河湾公园的氮素供应能力相对较好，为74.44～84.55mg/kg。总氮

和碱解氮含量变化趋势基本一致。

表不同采样点杨树根际土壤的总氮量及碱解氮的含量

TableContentsoftotalnitrogenandavailableNinrhizospheresoilof

poplarindifferentsamplingsites

序号No．采样地点Samplingsites总氮(g/kg)Totalnitrogen碱解氮

(mg/kg)AvailableN1植物园1．19±0．59a26．80±4．11a2古梨园

2．17±0．17d49．86±3．76c3丁香园1．61±0．18b59．27±3．02d4建国

公园1．81±0．25b40．07±2．18b5清滨公园

2．78±0．81e62．24±5．38d6金河湾公园3．07±0．14f74．44±5．00e7

太阳岛湿地3．25±0．14g81．05±3．52f8斯大林公园

2．52±0．19e60．19±3．14d9道外江畔公园

1．97±0．05c40．20±2．38b10尚志公园1．49±0．18a30．62±1．26a11

松浦大桥南1．82±0．17b58．50±1．49d12松浦大桥北

1．42±0．15a40．24±2．02b13顾乡公园3．01±0．53f84．55±3．47f14

九站公园3．41±0．10g51．38±2．67c

注：同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

Note:Differentlowercalettersindicatesignificantdifferenceat0.05level.

2.2不同氮素浓度杨树根系的干重

从图1可知，随着氮素含量的增加，杨树幼苗根部干重呈上升趋势，其中85

mg/kg的供氮条件下杨树幼苗根部的干重为0.082g/株，较30mg/kg供氮条件

下杨树幼苗根部的干重增加约1倍，差异显著。

注：不同小写字母表示差异显著(P<0.05)，下同。

Note:Differentlowercalettersindicatesignificantdifferenceat0.05level.

Thesamebelow.

图1不同氮素浓度的杨树根系干重

Fig.1Dryweightofpoplarrootwithdifferentnitrogensupply

2.3不同氮素浓度杨树的主根长度

从图2可知，随着氮素含量的增加，杨树幼苗主根长度呈上升趋势，其中氮素浓

度为85mg/kg时杨树幼苗根部长度为19.26cm，较氮素浓度为30mg/kg的杨

树幼苗根部长度增加1/3，差异显著。

图2不同氮素浓度的杨树主根长

Fig.2Taprootlengthofpoplarwithdifferentnitrogensupply

2.4不同氮素浓度杨树根系的生理生化指标

从图3可知，不同氮素浓度下杨树根系氮碳含量及同化相关酶活性的变化。

1)氮碳含量。碳氮是构成生物体的主要元素。随着氮素浓度的增加，杨树根系的

氮含量呈上升趋势，当氮素浓度达85mg/kg时，杨树根部氮含量达最高值(图

3A)。随着氮素浓度的增加，杨树根部的碳元素含量逐渐升高，但差异不显著(图

3B)。由此推测杨树根系的主根长及干重变化主要是由氮素含量的不同所致。

2)同化相关酶的活性。随着氮素浓度的增加，与氮同化相关的酶活性都发生了显

著变化(图3C-F)。其中，杨树根部的硝酸还原酶(NR)、谷氨酰胺合成酶(GS)和谷

氨酸合酶(GOGAT)随着氮素浓度的增加而升高，而谷氨酸脱氢酶(GDH)活性随着

氮素浓度的升高而降低。在氮素浓度为85mg/kg时，杨树根部的NR和GOGAT

活性最高，GS酶活在氮素浓度为60mg/kg最高。表明氮同化过程相关酶的活性

受到了氮素浓度的影响，从而影响含氮物质的积累。

图3不同氮素浓度的杨树根系碳氮含量及氮同化相关酶的活性

Fig.3Carbonandnitrogencontentandnitrogenassimilationrelated

enzymeactivityofpoplarrootsystemwithdifferentnitrogensupply

2.5不同氮素浓度杨树根部扩展蛋白家族部分成员mRNA的表达

从图4可知，杨树根部扩展蛋白(expa11，expa17，expb3和expb2)的表达差

异显著。其中，expa11在氮素浓度高于60mg/kg时，mRNA表达量显著升高，

在氮素浓度为75mg/kg时出现最高值。expa17在氮素浓度高于50mg/kg时，

mRNA表达量显著升高，其最高值出现在氮素浓度60mg/kg时。而expb3和

expb2在氮素浓度高于40mg/kg时，mRNA表达量都表现为显著升高，从而推

测扩展蛋白的这些成员可能在主根伸长的过程中起重要作用。

图4不同氮素浓度杨树根部扩展蛋白家族部分成员的mRNA表达Fig.4mRNA

expressionofexpansionproteingenefamilymembersinpoplarrootwith

differentnitrogensupply

3结论与讨论

与森林生态系统相比，公园内的土壤相对贫瘠。对其中氮素的检测，尤其是碱解氮

的检测，可以有效地评估土壤近期内氮素供应情况。试验发现，不同公园杨树根季

的总氮含量和有效氮含量有显著差异，各取样点土壤中的氮素供应情况差异较大。

植物园、松浦大桥北以及尚志公园的总氮含量较少，分别为1.19g/kg、1.42

g/kg和1.49g/kg，而九站公园、太阳岛湿地和金河湾公园的总氮含量较多，分

别为3.41g/kg、3.25g/kg和3.07g/kg。植物园、尚志公园和建国公园的氮素

供应能力相对较差，而顾乡公园、太阳岛湿地和金河湾公园的氮素供应能力相对较

好，受自然条件下环境差异较大及根系形态难以测量等因素的限制，较难评价6

组氮素水平对杨树根系形态的影响。通过实验室模拟土壤中不同氮素浓度对杨树根

系的影响表明，不同氮素浓度对可控环境下杨树幼苗主根长度、干重有显著影响。

当氮素浓度为85mg/kg时，杨树幼苗主根长度、干重达到最高水平，分别为

0.082g/株和19.26cm。从生理水平上，当氮素浓度达50～60mg/kg时，NR、

GS和GOGAT3种酶活性显著升高，其中NR受85mg/kg氮素诱导酶性活接近

30mg/kg时的近3倍。而在基因水平上，不同氮素会导致扩展蛋白基因家族部分

成员发生显著变化。扩展蛋白家族部分成员(expa11，expa17，expb3和expb2)

的表达在氮素浓度高于40mg/kg时，mRNA表达量都表现为显著升高。与WU

等[19-20]的结论十分相近，由此推测，在这些土壤中种植杨树幼苗时，土壤含氮

量的差异会导致植株发生形态、生理及分子水平上的变化，应据此进行后期增肥的

调整。即外界氮素浓度达到40～75mg/kg时对杨树幼苗根系起到促进作用。

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