毛烏素沙漠南緣紫穗槐根際與非根際氮素含量特征

周媛媛，杜明新，周向睿，周志宇，盧 鑫，陶曉慧，趙 萍，李金輝，金 茜

(1.草地農(nóng)業(yè)系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，甘肅 蘭州 730020； 2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

近年來(lái)，由于全球氣候變暖、水土流失及不合理的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)破壞了植被和土壤層，一些已固定的沙丘復(fù)活。因而，有效控制土壤沙漠化已成為一個(gè)重要目標(biāo)，也是西部大開(kāi)發(fā)工程實(shí)施過(guò)程中必須要面對(duì)的環(huán)境問(wèn)題。目前，對(duì)干旱半干旱沙區(qū)的物種多樣性、土壤水分時(shí)空格局及動(dòng)態(tài)變化規(guī)律、人工林的固沙改土效果、公路邊坡的植物保護(hù)、防風(fēng)固沙改造技術(shù)等做了大量的研究[1-5]，發(fā)現(xiàn)紫穗槐(Amorphafruticosa)林及紫穗槐與其他植物混交造林防止水土流失效益顯著。紫穗槐原產(chǎn)于北美洲，是一種易繁殖的多年生豆科叢生灌木，因其生長(zhǎng)快、根系發(fā)達(dá)、易繁殖、生物產(chǎn)量高、抗性強(qiáng)，是改良土壤的優(yōu)良灌木[6]，所以被廣泛種植。越來(lái)越多的學(xué)者關(guān)注紫穗槐光合速率、蒸騰速率、抗鹽脅迫、耐旱等生理指標(biāo)及配置方式的研究[7-10]，通過(guò)刈割、控制土壤含水量、在不同土壤類型上種植等方式來(lái)測(cè)定和評(píng)估紫穗槐對(duì)土壤養(yǎng)分、水分的影響及二者之間的相互作用[11-13]。根際是圍繞植物活根的、受根系生理活動(dòng)影響的土壤微域，在理化和生物特性上不同于原土體的特殊土區(qū)[14]，是水分和礦物質(zhì)進(jìn)入根系參與生物循環(huán)的門戶，是土壤-植物根系-微生物三者相互作用的場(chǎng)所，也是根系自身生命活動(dòng)和代謝對(duì)土壤影響最直接、最強(qiáng)烈的區(qū)域[15]。目前，詹媛媛等[16]對(duì)于干旱荒漠區(qū)不同灌木根際與非根際土壤氮素的含量特征做了研究，相對(duì)非根際而言，根際土壤全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、有機(jī)質(zhì)含量都有所提高，而土壤pH值平均降低了0.14。此外，也有關(guān)于栓皮櫟(Quercusvariabilis)、火炬松(Pinustaeda)及香蕉(Musaparadisiaca)等植物根際與非根際土壤氮素特征的報(bào)道[17-18]。高文星等[19]研究了河西走廊鹽漬土不同種植年限苜蓿(Medicagosativa)根際磷的含量變異特征。本研究對(duì)陜西省榆林市靖邊縣毛烏素沙漠南緣不同株齡紫穗槐的根際和非根際土壤的全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、有機(jī)碳的含量特征及土壤的pH值的變化進(jìn)行分析，以期為沙漠區(qū)有效種植紫穗槐提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1研究區(qū)概況 試驗(yàn)區(qū)位于陜西省榆林市靖邊縣毛烏素沙漠南緣，107°28′～111°15′ E，36°57′～39°34′ N，海拔980～1 534 m。平均氣溫7.9 ℃，絕對(duì)最高溫37.6 ℃，絕對(duì)最低溫-27 ℃，無(wú)霜期150 d，年平均降水量438.4 mm。地貌主要為流動(dòng)、半固定或固定沙地，土壤為各類風(fēng)沙土，植被類群主要為沙生植物沙柳(Salixpsammophila)、紫穗槐、沙蒿(Artemisiaordosica)、蒙古韭(Alliummongolicum)、沙棘(Hippophaerhamaoides)、苦豆子(Sophoraalopecuroides)、沙棗(Elaeagnusangustifolia)、花棒(Hedysarumscoparium)、沙打旺(Astragalusadsurgens)、檸條(Caraganakorshinskii)、沙蓬(Agriophyllumsquarrosum)等。

1.2土壤樣品的采集與分析

1.2.1樣地設(shè)置 2011年8月在陜西省榆林市靖邊縣毛烏素沙漠南緣，選取1951年(60年齡)、1976年(35年齡)、1983年(28年齡)和2005年(6年齡)種植的紫穗槐各3個(gè)樣地(樣地面積均為100 m×100 m)，在各樣地內(nèi)隨機(jī)選取5株中等大小的樣株供采樣分析，不同株齡代號(hào)為Y60、Y35、Y28和Y6(以下均用代號(hào)表示)。采樣灌叢的形態(tài)特征和生長(zhǎng)狀況(表1)。

1.2.2土樣采集 去除落葉層，用土壤刀從植株基部開(kāi)始逐段、逐層挖去上層覆土，追蹤根系的伸展方向，沿側(cè)根找到須根部分，剪下分枝，然后輕輕抖動(dòng)，落下的為非根際土壤，仍粘在根上的為根際土壤，用毛刷收集到土壤袋保存，供分析用[17，20]。

1.2.3土壤理化分析 將野外帶回的樣品放置在干燥、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(dòng)植物殘?bào)w、根系、雜質(zhì)和石塊，研細(xì)并全部通過(guò)1 mm孔徑的篩子，裝袋，封袋后儲(chǔ)藏備用。

表1 紫穗槐地上部分形態(tài)特征Table 1 Morphological characteristics of aerial part of Amorpha fruticosa

土壤全氮用凱氏消化法消化，并用FIAstar 5000全自動(dòng)流動(dòng)注射儀(瑞典FOSS公司生產(chǎn))測(cè)定；硝態(tài)氮和氨態(tài)氮用2 mol·L-1KCl浸提，用FIAstar 5000全自動(dòng)流動(dòng)注射儀測(cè)定；土壤pH值采用電位法(土水比1∶1懸液)測(cè)定；土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測(cè)定[21]。

1.3數(shù)據(jù)分析 采用SPSS 17.0和Microsoft Excel軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，根際與非根際用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)進(jìn)行差異性分析，各株齡間差異用單因素方差分析(ANOVA)，并用Person相關(guān)分析確定全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、有機(jī)碳、pH值之間的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1不同株齡紫穗槐根際與非根際全氮變化特征 紫穗槐屬于固氮植物，在一定程度上，土壤全氮含量能反映紫穗槐的固氮效果。根際全氮含量隨株齡增長(zhǎng)呈先升高后降低的變化趨勢(shì)，其中Y35最高，為0.93 g·kg-1，比非根際土壤高43.8%，Y60次之，Y60、Y35均顯著高于Y6(P<0.05)，Y28與其它株齡比較，全氮含量差異不顯著(P>0.05)。非根際全氮變化為Y35>Y28>Y6>Y60。沙漠地區(qū)種植的不同株齡的紫穗槐，根際全氮含量均高于非根際，除Y6外，Y28、Y35、Y60均達(dá)到顯著水平(圖1)。

2.2不同株齡紫穗槐根際與非根際銨態(tài)氮變化特征 土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮是土壤速效氮的兩種主要形式，因此，都被作為土壤營(yíng)養(yǎng)診斷的氮素營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)，且其含量都比較少。對(duì)根際而言，銨態(tài)氮含量隨株齡增長(zhǎng)先升高后降低，Y35最高，Y35、Y60顯著高于Y28、Y6(P<0.05)，分別為9.04和8.17 mg·kg-1。非根際銨態(tài)氮含量變化為Y28>Y35>Y60>Y6。除Y28外，不同株齡根際銨態(tài)氮含量均高于非根際土壤，其中Y35達(dá)到極顯著水平(P<0.01)， Y60根際銨態(tài)氮含量顯著高于非根際土壤，Y28非根際銨態(tài)氮含量極顯著高于根際土壤(圖2)。

圖1 不同株齡紫穗槐根際與非根際土壤全氮含量變化Fig.1 Total N in rhizosphere and bulk soil of Amorpha fruticosa with different ages

圖2 不同株齡紫穗槐根際與非根際土壤銨態(tài)氮含量變化Fig.2 NH4+ -N in rhizosphere and bulk soil of Amorpha fruticosa with different ages

2.3不同株齡紫穗槐根際硝態(tài)氮變化特征 根際硝態(tài)氮含量Y35最高，達(dá)到55.67 mg·kg-1，比非根際土壤高230%，其大小順序?yàn)閅35>Y6>Y60>Y28。非根際硝態(tài)氮含量變化為Y35>Y60>Y6>Y28。不同株齡紫穗槐，根際硝態(tài)氮含量均高于非根際，其中Y6、Y35達(dá)到顯著水平(P<0.05)(圖3)。

2.4不同株齡紫穗槐根際與非根際pH值變化特征 根際不同株齡的pH值隨著株齡的增加而逐漸減小，非根際亦是如此。根際土壤的pH值均低于非根際土壤。Y6根際與非根際差異不顯著(P>0.05)，其它株齡根際與非根際差異顯著(P<0.05)，Y28低根際pH值比非根際低0.26，Y35低0.29， Y60低根際pH值比非根際0.4(圖4)。

圖3 不同株齡紫穗槐根際與非根際土壤硝態(tài)氮含量變化Fig.3 NO3--N in rhizosphere and bulk soil of Amorpha fruticosa with different ages

圖4 不同株齡紫穗槐根際與非根際土壤pH值的變化Fig.4 pH of rhizosphere and bulk soil of Amorpha fruticosa with different ages

2.5不同株齡紫穗槐根際與非根際有機(jī)碳變化特征 根際有機(jī)碳含量隨株齡的增加而增加，Y35、Y60顯著高于Y6(P<0.05)，有機(jī)碳含量分別達(dá)到7.16和7.97 g·kg-1。非根際有機(jī)碳含量有逐年增加的趨勢(shì)，不同株齡紫穗槐根際有機(jī)碳含量均顯著高于非根際(圖5)。

圖5 不同株齡紫穗槐根際與非根際土壤有機(jī)碳的變化Fig.5 Changes of soil organic carbon in rhizosphere and bulk soil of Amorpha fruticosa with different ages

2.5根際和非根際土壤養(yǎng)分之間的關(guān)系 對(duì)根際和非根際土壤養(yǎng)分的相關(guān)性分析可以看出，根際土壤全氮與有機(jī)碳、氨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量均呈極顯著相關(guān)(α=0.01)。根際pH值與根際有機(jī)碳、全氮、銨態(tài)氮含量呈極顯著負(fù)相關(guān)(α=0.01)，與根際硝態(tài)氮含量顯著呈負(fù)相關(guān)(α=0.05)。根際有機(jī)碳含理與根際銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量分別在α=0.01、α=0.05水平下相關(guān)性顯著。非根際全氮含量與非根際有機(jī)碳、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量相關(guān)性不顯著。非根際pH值與非根際全氮含量顯著負(fù)相關(guān)(α=0.01)，與非根際硝態(tài)氮、有機(jī)碳含量顯著負(fù)相關(guān)(α=0.05)，非根際有機(jī)碳含量與非根際銨態(tài)氮含量相關(guān)性顯著α=0.05(表2)。

表2 根際、非根際土壤養(yǎng)分之間的相關(guān)性分析Table 2 The correlation coefficients of nutrition concentrations in rhizosphere and bulk soil

3 討論

土壤全氮含量相對(duì)比較穩(wěn)定，它的多少取決于氮累積和消耗的相對(duì)強(qiáng)弱，尤其是土壤中有機(jī)碳的生物積累和分解的相對(duì)強(qiáng)弱。根際土壤中的全氮含量有所增加，這是由于根毛組織表皮的脫落物、根系分泌物、根的死亡、微生物在根際聚集及紫穗槐根瘤固氮作用的結(jié)果[17]。不同株齡紫穗槐根際全氮含量均高于非根際土壤，這與有機(jī)碳含量的變化一致，二者顯著正相關(guān)。因此，提高土壤有機(jī)碳含量將有利于維持和提高土壤氮肥力。35年齡紫穗槐根際與非根際土壤全氮含量都達(dá)到最高，這可能是由于其根部結(jié)有較多的中慢生根瘤菌(Mesorhizobiumamorphae)[6]。60年齡的全氮含量在根際與非根際均低于35年齡，其原因不明，尚待進(jìn)一步研究。不同株齡的紫穗槐根際銨態(tài)氮(28年齡除外)和硝態(tài)氮含量均高于非根際，表明在根際土壤中這二者有一定的富集現(xiàn)象。28年齡紫穗槐根際土壤銨態(tài)氮含量低于非根際土壤，與其它年份不同，這可能是在紫穗槐生長(zhǎng)盛期，由于根系吸收銨態(tài)氮的速度大于土壤溶液中銨態(tài)氮隨著質(zhì)流到達(dá)根際的速度而低于非根際土壤，表現(xiàn)出虧缺現(xiàn)象[17]。與其它年份相比，對(duì)根際而言，35年齡無(wú)論是銨態(tài)氮還是硝態(tài)氮，含量均達(dá)到最高水平。沙地種植不同株齡的紫穗槐，非根際全氮、銨態(tài)氮(28年齡除外)、硝態(tài)氮含量均低于根際土壤，這與董兆佳和孟磊[18]對(duì)海南蕉園根際與非根際土壤氮素含量特征的研究結(jié)果一致。

土壤有機(jī)碳含量被認(rèn)為是衡量土壤質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，是土壤養(yǎng)分的源與庫(kù)，它包括動(dòng)植物及微生物的遺體、分泌物、排泄物及部分分解產(chǎn)物和土壤腐殖質(zhì)，其中植被的根系分泌物和殘落物是土壤有機(jī)碳的主要來(lái)源[22]。這些部分還原于土壤中，增加土壤有機(jī)碳，改良土壤結(jié)構(gòu)，是提高土壤肥力的物質(zhì)基礎(chǔ)。本研究還發(fā)現(xiàn)，根際土壤有機(jī)碳含量顯著高于非根際土壤。根際土壤有機(jī)碳含量逐年積累，非根際土壤有機(jī)碳含量也有積累的趨勢(shì)。這是由于在荒漠生境下，多年生灌木往往需要消耗更多的碳用于根系生長(zhǎng)來(lái)抵御長(zhǎng)時(shí)間的環(huán)境脅迫，故有更多的根系沉淀，也就有更多的養(yǎng)分富集[20,23]，所以表現(xiàn)出明顯的根際效應(yīng)。

根際pH值變化不僅決定根際土壤中各種礦質(zhì)養(yǎng)分的生物和化學(xué)有效性，而且影響著根際微生物群落的數(shù)量、種類、分泌物的組成和數(shù)量以及根際酶的活性，此外還對(duì)根的生長(zhǎng)、根系對(duì)重金屬元素毒害的耐受等有一定作用。一般認(rèn)為，陰陽(yáng)離子吸收不平衡、根系吸收產(chǎn)生的CO2、根系主動(dòng)分泌質(zhì)子、根系分泌有機(jī)酸和根際微生物活動(dòng)產(chǎn)生的有機(jī)酸CO2等會(huì)引起根際土壤pH值下降。本研究中，根際土壤pH值明顯低于非根際土壤，表明風(fēng)沙地中種植紫穗槐是一種經(jīng)濟(jì)有效、完善生物治堿的措施。這與馬玉瑩等[24]對(duì)杉木林地根際與非根際的土壤有機(jī)碳含量、pH值的研究結(jié)果一致。

根際全氮與有機(jī)碳含量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系。這是由于在土壤中氮主要以有機(jī)氮的形態(tài)存在，有機(jī)碳含量會(huì)影響全氮的高低，于是影響土壤有機(jī)碳含量的因素均能不同程度地影響土壤全氮含量。全氮與銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量在根際也呈顯著正相關(guān)關(guān)系。

本研究主要對(duì)風(fēng)沙地種植的不同株齡紫穗槐根際與非根際土壤氮素及有機(jī)碳含量特征進(jìn)行了初步探討，從中可以明顯地看出，沙漠地區(qū)種植紫穗槐長(zhǎng)勢(shì)良好，而且生長(zhǎng)可達(dá)60年以上，不但可以起到防風(fēng)固沙作用，而且明顯地改善了土壤肥力，同時(shí)也是家畜的良好飼料，建議在荒漠化治理中廣泛推廣應(yīng)用。

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