新温185号核桃根系呼吸特性及其对土壤氮素反应机理研究

Root is an important organ which absorbs nutrient and water. The biomass accumulation of aboveground is affected by the biomass partitioning pattern between root and aboveground part of plant. Nutrient, especially nitrogen, is one of key factors to altering biomass allocation pattern, and is also one of important factors to influence forest productivity. Root respiration is a process of providing energy which is used to absorb, transport and assimilate nutrients, as well as a process of photosynthetic consumption. Thus root respiration modulated by means of water and nutrient contol is the foundation to maximize aboveground biomass accumulation. In the study, Xinjiang precious walnut Juglans regia‘Xinwen185’ will be taken as the research object. Combining typical investigation with simulating study in control or semi-control environment will be adopted in the study. And respiration dynamic of root in different diameter and in different ranks, including growth respiration and maintenance respiration, the responses of root respiration to soil nitrogen availability, the content and components of root carbohydrates, and the absorption ability of root in different diameter in terms of active absorption area and the plasma membrane H+-ATPase will be studied in this research programme. The aims of the study are to explore the relationship between the division of root diameter class and its function plantation, and to illuminate the response regularity of root respiration to soil nitrogen supply and providing the theory basis for nutrient management of J. regia ‘Xinwen185’.

根系是树木吸收养分、水分的重要器官，根系和地上部分生物量的分配形式决定着地上生物量的收获量，养分（尤其是氮）供给是改变生物量分配格局的重要因素，也是影响森林生产力的主要因素之一。根系呼吸为树木吸收、运输、同化养分提供能量的过程，但同时也是大量消耗光合产物的过程。所以，通过水肥控制调整根系呼吸是实现地上生物量收获最大化的根本。项目以新疆南疆盆地早实核桃主栽品种新温185号为研究对象，采用典型调查和控制环境、部分控制环境模拟试验相结合的方法，从不同径级根系呼吸动态（包括生长呼吸和维持呼吸）、根系呼吸对土壤氮供给量的反应、不同径级根系碳水化合物组成与含量、不同径级根系吸收能力（如活性吸收面积、质膜ATP酶活性）等研究入手，探讨根系级别与功能间的相关性，旨在阐明氮素供给对根系呼吸的调控机理，为新温185号核桃的养分管理提供理论依据。

根系呼吸作为植物地下部分代谢的中心，不仅为植物生长发育提供能量，还通过消耗地上光合作用产生的碳素营养来带动整个植株的代谢，因此，根系呼吸是植物进行碳氮循环过程的主要途径。本研究以新疆主栽经济树种核桃（Juglans regia Linn.）为研究对象，从不同径级根系呼吸特点及其对土壤氮供给水平的反应入手，通过对林木根系呼吸、不同径级根系功能、物质分配及影响根系呼吸的主要因素等进行系统的研究，明确了N供应与核桃根系呼吸的关系，阐明了氮素对根系呼吸的调控机理，为新温185号核桃的养分管理提供了理论依据。研究结果表明：（1）N供应量的增加对核桃根系生长有明显的促进作用，且NH4+-N和NO3--N同时施用更有利于核桃根系的生长。增加N供应能够提高核桃根系全N含量，但不能改变核桃根系全N含量随生长时节推移逐渐降低的趋势。同时施用NH4+-N和NO3--N更有利于根系对N的吸收和储藏，细小的根是核桃根系吸收N的主要器官。（2）核桃根系表面积和比根呼吸速率均随着生长时节的推移先升高后降低，直径小的根系其表面积呼吸速率高于直径大的根系，比根呼吸速率与此相反。增加N供应有利于增强核桃的根系呼吸强度，且NH4+-N和NO3--N等比例供应对核桃根系呼吸强度的促进作用高于施用单一形态的N。（3）增加氮素供应能够显著提高核桃根系中非结构性碳水化合物含量。粗根是根系贮存非结构性碳水化合物的主要器官。在生长期内核桃根系中非结构性碳水化合物的含量与根系呼吸速率显著相关。增加氮素供应能够提高核桃根系可溶性蛋白的含量和根系氮代谢关键酶活性。NR和GS作为根系氮代谢途径的关键酶，在核桃生长期氮代谢过程中起到了调控作用，增加氮素供应可以提高根系NR和GS的活性，加快氮素在核桃中的同化作用，进一步促进了核桃的根系呼吸速率。（4）氮素对核桃根系呼吸的调控主要是通过调节根系内氮、碳代谢过程实现的。增加氮素供应后，根系组织中氮浓度、可溶性蛋白和非结构性碳水化合物的含量随之升高，氮代谢关键酶活性增强，即核桃根系通过增强呼吸速率消耗非结构性碳水化合物，为氮素代谢过程提供能量。