瑪曲高寒沙化草地不同灌木根際微量元素含量特征

陶曉慧，張麗靜，張洪榮，劉雪云，周志宇，杜明新,盧 鑫

(草地農(nóng)業(yè)系統(tǒng)國家重點實驗室 蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，甘肅 蘭州 730020)

近十幾年來，由于全球變暖、干旱、鼠蟲害、過度放牧、開墾等因素，瑪曲草原濕地萎縮，草地沙化、鹽堿化，生物多樣性銳減?，斍菰纳鷳B(tài)環(huán)境問題中，沙化問題最為突出[1]。因此防止草原沙化是恢復(fù)與重建瑪曲受損生態(tài)系統(tǒng)首要考慮的問題。

土壤中的微量元素是植物生態(tài)環(huán)境的重要因子之一，受成土母質(zhì)、氣候、植被等的影響，其含量直接關(guān)系植被的生長發(fā)育，反映了土壤對植物礦物質(zhì)營養(yǎng)的供給水平。根際(rhizosphere)一般是指根與土界面小于1 mm的微區(qū)土壤，它是土壤水分和礦物質(zhì)進(jìn)入根系參與生物循環(huán)的門戶，同時也是根系自身生命活動和代謝對土壤影響最直接、最強烈的區(qū)域[2-3]。根際微域內(nèi)的有效養(yǎng)分被稱為“實際有效養(yǎng)分”，能直接被根系吸收，決定著植物實際吸收的養(yǎng)分量[4]。國內(nèi)許多學(xué)者對土壤微量元素含量進(jìn)行了分析，其中劉育紅[5]對三江源地區(qū)不同退化程度草地土壤微量元素進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)土壤中微量元素的分布與土層深度和退化程度有關(guān)；任偉等[6]對阿拉善荒漠灌木根際與非根際微量元素的含量特征進(jìn)行了探討，結(jié)果表明在干旱荒漠區(qū)的灌木“根際效應(yīng)”相對于農(nóng)田和森林土壤更為明顯。對高寒草地退化的研究主要集中在生態(tài)群落的演替、放牧對高寒草地的影響、土壤肥力、土壤微生物等方面，而對其草地灌木根際養(yǎng)分的研究還鮮見報道。鑒于此，本研究對甘南瑪曲地區(qū)3種不同灌木根際土壤Fe、Mn、Cu、Zn的含量特征進(jìn)行探討，分析不同灌木對以上4種營養(yǎng)元素吸收的差異性，揭示不同灌木根際微量元素的含量特征，以期為高寒沙化區(qū)草地的治理、恢復(fù)與重建提供試驗基礎(chǔ)和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1試驗地概況 研究區(qū)位于瑪曲縣黃河邊沙化草地，地處甘肅省甘南州南部，屬青藏高原東端(33°06′30″～34°30′15″ N，100°45′45″～102°29′00″ E)，海拔3 300～4 806 m。氣候以高寒濕潤為特征，年均氣溫1～2 ℃，≥0 ℃活動積溫253.6 ℃·d，平均風(fēng)速7.5 m/s，最大風(fēng)速36 m/s，全年大風(fēng)日數(shù)77.1 d(8級以上)，年日照平均2 583.9 h，年降水量615.5 mm，年蒸發(fā)量1 353.4 mm。土壤為風(fēng)沙土、高山草甸土等。

1.2材料選擇 3種灌木分別為山生柳(Salixoritrepha)、紫穗槐(Amorphafruticosa)和沙棘(Hippophaerhamnoides)。山生柳為落葉直立矮小灌木，是我國特有種，作為瑪曲縣鄉(xiāng)土樹種，生長快，無病蟲害，在高寒區(qū)的涵養(yǎng)水源、水土保持、河岸防護(hù)林和防沙治沙等方面有不可估量的作用。紫穗槐是豆科灌木，生長快，適應(yīng)性強，能在風(fēng)沙地、洼地和含鹽量0.2%～0.4%的輕堿地上正常生長，是治山治水、保持水土、改良土壤的優(yōu)良灌木種。沙棘為胡頹子科沙棘屬落葉灌木，耐旱，抗風(fēng)沙，可以在鹽堿化土地上生存，被廣泛用于水土保持。

1.3樣地設(shè)置 在試驗區(qū)選擇以不同灌木為主的3個樣地，分別為山生柳(4年生)樣地、紫穗槐(2年生)樣地、沙棘(4年生)樣地。每個樣地10 m×10 m，在樣地內(nèi)選取5株中等大小的樣株供采樣分析，所采樣株的形態(tài)特征和生長狀況見表 1。

表1 灌木形態(tài)特征和生長狀況

1.4土樣采集 先用鐵锨鏟去落葉層，然后用土壤刀從植株基部開始逐段、逐層挖去上層覆土，追蹤根系的伸展方向，然后沿側(cè)根找到須根部分，剪下分枝，輕輕抖動后落下的土壤為非根際土壤(標(biāo)記為B)，仍粘在根上的為根際土壤(標(biāo)記為R)，用毛刷收集到土壤袋保存，供分析用[7]。

將野外帶回的樣品敞開放置在干燥通風(fēng)的室內(nèi)，使其自然風(fēng)干，并要注意防止污染。樣品風(fēng)干后，揀去動植物殘體、雜質(zhì)、根系和石塊，研細(xì)并全部通過0.5 mm孔徑的篩子，裝袋后封袋儲藏備用。

1.5樣品分析 Fe、Mn、Cu、Zn全量的測定采用HNO3-H2O2-HF消化法微波消解，AAS法測定；有效量采用DTPA法振蕩浸提，AAS法測定。土壤pH值采用電位法(土水比1∶1)測定。

1.6數(shù)據(jù)分析 采用SPSS 17.0進(jìn)行統(tǒng)計分析，同種灌木根際與非根際土壤養(yǎng)分之間用配對樣本t檢驗進(jìn)行差異性分析；根際及非根際土壤各養(yǎng)分性狀之間分別作相關(guān)性分析；用“富集率”表示根際對土壤養(yǎng)分的富集程度，從而反映根際效應(yīng)的強弱，用E(Enrichment ratio)來表示：

2 結(jié)果與分析

2.1不同灌木根際與非根際土壤pH值的變化 3種灌木的根際pH值均顯著低于非根際(P<0.05)，表現(xiàn)出不同程度的酸化作用(圖1)，根際pH值的降幅由大到小依次為：山生柳>紫穗槐>沙棘。其中山生柳的pH值最高，為7.87，紫穗槐的最低,為7.7。

圖1 不同灌木根際與非根際土壤的pH值

2.2不同灌木根際與非根際土壤Fe、Mn、Cu、Zn全量特征 3種灌木根際全量鐵含量均高于非根際，表現(xiàn)出了顯著的富集作用。沙棘的富集率最高，為24.55%；其次是紫穗槐,為10.07%。除山生柳外，其余2種灌木根際全量錳含量均低于非根際。除沙棘根際全量鋅含量高于非根際，山生柳和紫穗槐均為根際低于非根際。全量銅含量表現(xiàn)出與全量鐵相同的特征，3種灌木均表現(xiàn)出顯著的富集效應(yīng)(表2)。

2.3不同灌木根際與非根際土壤Fe、Mn、Cu、Zn有效含量特征 3種灌木根際與非根際Fe、Mn、Cu、Zn有效含量的特征與全量有所不同 (表2)。紫穗槐的根際有效鐵高于非根際，其他2種均低于非根際，差異均顯著，且紫穗槐的富集率最高，為29.82%。除山生柳的根際有效錳低于非根際外，其余2種都高于非根際，富集率依次為：紫穗槐>沙棘>山生柳。沙棘的根際有效鋅高于非根際，其他2種均低于非根際，富集率依次為：沙棘>山生柳>紫穗槐。山生柳和沙棘根際有效銅高于非根際，紫穗槐的根際有效銅低于非根際，沙棘富集率最高，為22.22%，表現(xiàn)出了明顯的富集作用，其次是山生柳,為1.56%。

表2 不同灌木根際與非根際土壤全量及有效微量元素含量及富集率

表3 根際各養(yǎng)分性狀間的相關(guān)性分析

2.4根際、非根際土壤各養(yǎng)分性狀間的相關(guān)性分析 在根際土壤中，銅元素的全量和有效量呈顯著正相關(guān)關(guān)系；全量鐵和全量銅、有效銅之間表現(xiàn)出極顯著正相關(guān)關(guān)系；有效鐵和有效錳之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(表3)。

在非根際土壤中，全量銅和全量鐵之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(表4)。

表4 非根際各養(yǎng)分性狀間的相關(guān)性分析

3 討論

本研究表明，瑪曲高寒沙化草地3種灌木根際土壤均表現(xiàn)出不同程度的酸化作用。與黃剛等[7]、Ma等[8]、Kopittke等[9]、Gotoch和Ratrick[10]的研究結(jié)果基本一致，這可能也與植物根際微生物的作用有關(guān)[11-12]。

3種灌木有效鐵、錳的富集率依次為：紫穗槐>沙棘>山生柳，而3種灌木的pH值越高，富集率卻越低。這可能是因為當(dāng)pH值>7.0時，有效鐵含量明顯下降，在堿性條件下，有效鐵轉(zhuǎn)換為氫氧化鐵、磷酸鐵等沉淀物而被固定。研究表明[11]，當(dāng)pH值>6.0時，有效錳含量與土壤pH值呈顯著負(fù)相關(guān)，主要原因是酸堿度對水溶性Mn2+或代換性Mn2+有明顯的影響。

全量銅和有效銅在3個灌木種的根際都有富集趨勢(紫穗槐根際有效銅含量低于非根際除外)。造成紫穗槐根際有效銅含量低于非根際，有兩種不同的原因：一是,灌木需要從根際吸收有效態(tài)的銅滿足自己的生長需要，堿性土壤中可利用的銅又比較的少，造成根際有效銅含量下降；二是,由于銅元素過量會對植物產(chǎn)生毒害作用，在長期的適應(yīng)過程中，植物會通過螯合、絡(luò)合、沉淀等作用降低根際土壤中重金屬元素的有效性，減少對銅元素的吸收利用，這種體外建立起來的抗性作用比在體內(nèi)的抗性更為積極主動[13]。

全量鋅和有效鋅在沙棘中表現(xiàn)出了明顯的富集趨勢，但是在山生柳和紫穗槐中則無富集趨勢，可能有以下幾個原因：一是,本研究中的試驗區(qū)的土壤為堿性土，可利用的鋅本來就比較少，這是造成根際有效鋅含量下降的主要原因；二是,根際與非根際土壤pH值的變化，pH值不但直接影響各種無機鋅化合物的溶解度，還通過影響土壤其他性質(zhì)而影響鋅的各種反應(yīng)機制；三是，與Zn2+半徑相似的元素如Fe2+、Mg2+等供應(yīng)過多時也可能引起植物對鋅的吸收障礙[14]。

不同灌木對微量元素的根際效應(yīng)，受植物根系的生長特征、冠幅的大小、根際pH值的大小、根際氧化還原電位的高低、根際分泌物的組成、根際微生物的種類、根際有機質(zhì)的含量等因素的影響；可能是以其中一種因素為主，也可能是幾種因素共同作用，是灌木長期適應(yīng)惡劣環(huán)境的結(jié)果，此外還與植物本身所處的生長發(fā)育階段及其基因型有關(guān)[15-19]，所以造成了根際效應(yīng)的復(fù)雜多樣性。對于不同的灌木而言，根際土壤中離子的變化主要是由于根系對離子的選擇吸收和吸收速率不同所造成的。溶液中的鹽分通過質(zhì)流到達(dá)根表，當(dāng)離子遷移至根表的速率慢于根系吸收的速率時表現(xiàn)為離子虧缺，而當(dāng)離子向根表遷移的速率快于根系的吸收速率時則表現(xiàn)為離子富集[20]。

本研究對高寒沙化草地灌木根際微量元素的研究做了一些嘗試性的探討，今后有待從時空兩方面入手，在灌木生長發(fā)育的不同階段，根際的不同位置，結(jié)合灌木本身的形態(tài)特征、根際的水分、養(yǎng)分、有機酸種類、微生物群體、灌木地上和地下部分對養(yǎng)分的吸收利用狀況，做進(jìn)一步的研究，也可以借助分子生物學(xué)的方法，以期更準(zhǔn)確地解釋根際在荒漠灌木的土壤-根際-植物系統(tǒng)中所起的作用。

4 結(jié)論

3種灌木根際全量鐵、銅均高于非根際，表現(xiàn)出明顯的富集性。有效鐵、錳與pH值呈密切負(fù)相關(guān)，說明pH值是有效鐵、錳的重要影響因素。有效銅、鋅的富集趨勢相似，可能與土壤質(zhì)地、pH值、有機質(zhì)和微生物活動等有關(guān)系。根際及非根際各土壤養(yǎng)分，相互影響、相互利用。

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