三同位素标记揭示豆科植物根际碳氮磷动态变化奥秘

为探究根际碳（C）、氮（N）、磷（P）循环，研究人员用三同位素标记法研究豆科植物，发现相关假设不成立。

　　在生态系统中，植物通过根系和根际沉积向地下输入碳（C）、氮（N）、磷（P），这一过程对土壤中这些元素的循环起着关键作用，就像为土壤的 “营养库” 源源不断地输送 “补给”。然而，以往利用同位素富集技术对根际沉积进行追踪和量化时，所基于的一些假设并未同时针对 C、N、P 进行验证。比如，计算根际沉积元素时假定根际沉积的同位素组成（IC）与根系相同，且根系的 IC 在时空上恒定不变，但这些假设是否正确尚不清楚。而且，目前对 P 从根系释放的情况了解较少，在研究根际沉积的 C、N、P 时缺乏多元素综合研究方法。为了填补这些知识空白，来自瑞士苏黎世联邦理工学院、法国相关研究机构以及国际热带农业中心等的研究人员展开了深入研究。该研究成果发表在《Plant and Soil》上，为深入理解植物根际过程提供了重要依据。

研究人员采用了一系列关键技术方法。在种植方面，将巴西刀豆（Canavalia brasiliensis）种植在沙子中，在温室条件下培养，避免了菌根接种对实验结果的干扰。标记技术上，运用了新颖的三同位素（13C、15N、33P）标记方法，通过13CO2?单脉冲标记结合15N和33P棉芯茎部饲喂法，实现对三种元素的同时追踪。在样本采集和分析上，分别进行渗滤液收集实验和根观察实验，在不同时间点采集植物的地上部分、根系和渗滤液样本，测定其中的元素含量和同位素组成。

研究结果如下：

1. 渗滤液收集实验：在植物生长方面，根和地上部分的生物量在标记后的两周内显著增加，高磷施肥使 15 天标记后（d.a.l）的根干物质增加 30%。氮浓度在低磷处理下 15 d.a.l 时显著升高，而高磷处理下无明显变化。磷浓度在高磷处理下显著高于低磷处理。同位素示踪回收方面，33P和15N在植物中的总回收率分别为 97 - 108% 和 72 - 88%，且主要集中在地上部分。13C在 1 d.a.l 时 81 - 85% 分布在地上部分，两周后地上部分相对回收率增加至 88 - 92%。根系和渗滤液的同位素组成方面，渗滤液中三种元素的标记同位素富集度均低于根系，且随时间和磷水平呈现不同变化模式。元素和同位素化学计量比方面，根系和渗滤液的 C:N 比在 10 - 20 之间，随时间变化趋势不同；C:P 比在高磷处理下显著低于低磷处理，且根系和渗滤液间存在差异；13C:15N和13C:33P比在渗滤液中变化显著，与 C:N 和 C:P 比差异明显。
2. 根观察实验：在示踪剂分布和回收上，15N和33P的回收率分别为 80 - 88% 和 84 - 93%，主要分布在地上部分，根系中的回收率随时间增加，且不同根段的回收率不同。同位素组成方面，地上部分和根系的13C富集度在 21 天内显著下降；15N在地上部分保持恒定，在根系中随时间增加；33P的比活度（SA）在地上部分降低，在根系中增加。不同年龄根段的同位素组成随时间变化，13C和33P在年轻根段的富集度高于老根段，15N在不同根段的富集度也存在差异。

研究结论和讨论部分表明，该研究首次成功量化了三种示踪剂在植物 - 沙子系统中的分布，发现根际沉积量化的假设不成立。可溶性根际沉积物和根系在 C、N、P 的同位素组成上存在差异，元素同位素比在根系和可溶性根际沉积物间的差异大于元素质量比，根系系统的标记也不均匀。这些结果意味着在计算根际沉积时，若以根系 IC 为依据会导致高估或低估。因此，在长期研究中，需要多次采集根系样本，考虑元素特异性变化，以减少偏差。同时，研究人员建议进一步探索连续标记方法，评估植物在土壤中生长时示踪剂分布的影响。这一研究成果为深入理解植物根际 C、N、P 循环提供了重要数据支持，对完善生态系统中元素循环理论具有重要意义，有助于推动土壤科学和植物营养学领域的发展，为优化农业生产中的养分管理提供理论依据 。