紫花苜蓿根際效應(yīng)對河套灌區(qū)土壤鹽分和養(yǎng)分的影響

劉菊梅 曹博 石春芳 辛翠花 畢捷 張慶輝 蘭宗寶 司萬童

摘要：【目的】從時間和空間尺度上分析紫花苜蓿（Medicago sativa L.）不同生長期內(nèi)根際土壤鹽分和養(yǎng)分的動態(tài)變化規(guī)律，揭示紫花苜蓿生長過程中根際效應(yīng)對內(nèi)蒙古河套灌區(qū)鹽堿地土壤鹽分和養(yǎng)分的影響作用，為北方大型灌區(qū)鹽堿化農(nóng)地土壤的植物改良措施提供科學(xué)依據(jù)?！痉椒ā恳詢?nèi)蒙古河套灌區(qū)鹽堿化土壤為研究對象，以當?shù)赝林望}牧草紫花苜蓿為試驗植物，通過盆栽根袋模擬裝置，采集分析不同生長期內(nèi)（20、40和60 d）紫花苜蓿根際和非根際土壤的pH、鹽分和養(yǎng)分含量，并分析其變化規(guī)律?！窘Y(jié)果】隨著紫花苜蓿的生長，其根際土壤的電導(dǎo)率、pH、Na+、K+、Mg2+、Cl-和CO32-含量逐漸降低；根際和非根際土壤中Na+/K+和Cl-/SO42-均呈逐漸降低趨勢，根際土壤中Cl-/SO42-相對于非根際土壤降低程度較明顯。非根際土壤中總氮、總磷和有機質(zhì)含量總體上呈下降趨勢，根際土壤中總氮含量相對穩(wěn)定，總磷含量降低，速效磷含量顯著升高（P<0.05）。【結(jié)論】紫花苜蓿根際效應(yīng)可降低河套灌區(qū)鹽堿化土壤的pH、電導(dǎo)率和主要鹽分離子濃度，提高磷的有效性，有助于鹽堿地土壤理化性質(zhì)的改善及有效肥力的增強，且其影響作用隨紫花苜蓿生長時間的延長逐漸加強。

關(guān)鍵詞： 紫花苜蓿；根際效應(yīng)；土壤鹽堿化；鹽分；養(yǎng)分；植物改良

中圖分類號： S156.44；S158.3 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1191（2018）02-0246-07

Abstract：【Objective】In perspectives of time and space，the dynamic variation of soil salt and nutrient in rhizosphere soil of alfalfa（Medicago sativa L.） during different growth periods. The rhizosphere effects of alfalfa on salt and nutrient in saline-alkali soil of Hetao irrigation area， Inner Mongolia was studied. With these efforts， this paper aimed to provide scientific basis for plant improvement in saline-alkali soil in large irrigation area of northern China. 【Method】In this study， saline-alkali soil from Hetao irrigation area in Inner Mongolia was used as the research target，and alfalfa， an indi-genous salt-tolerant forage， was selected as the experimental plant. Through lab potted plant device， pH， salt content and nutrient content in rhizosphere soil and non-rhizosphere soil of alfalfa during different growth stages（20， 40 and 60 d） were sampled and analyzed， and their variation regulations were studied. 【Result】With the growth of alfalfa， electric conductivity（EC）， pH，Na+， K+， Mg2+， Cl- and CO32- contents decreased gradually in the rhizosphere soil. Na+/K+ and Cl-/SO42- ratios showed a decrease trend in both rhizosphere soil and non-rhizosphere soil，and Cl-/SO42- in rhizosphere soil decreased more greatly than that in non-rhizosphere soil. In non-rhizosphere soil，contents of total nitrogen，total phosphorus，and organic matter generally decreased. While in rhizosphere soil，total nitrogen content was relatively stable，total phosphorus content decreased，and content of available phosphorus increased significantly（P<0.05）. 【Conclusion】The rhizosphere effects of alfalfa decrease pH，EC，and salt ion concentrations in saline-alkali soil in Hetao irrigation area， improve soil physical and chemical properties and effective fertility. In addition， these effects gradually strengthens as alfalfa grows.

Key words： alfalfa（Medicago sativa L.）； rhizosphere effect； soil alkalization； salt； nutrient； plant improvement

0 引言

【研究意義】據(jù)統(tǒng)計，目前全世界大約有50%的耕地受到鹽堿化脅迫，其中超過40%的灌區(qū)因不合理灌溉及田間管理等人為因素導(dǎo)致鹽堿化土地面積不斷擴大（Dong et al.，2010）。我國內(nèi)蒙古河套灌區(qū)土壤鹽堿化問題突出，是導(dǎo)致當?shù)赝恋赝嘶闹饕蛩刂?。?nèi)蒙古河套灌區(qū)鹽堿地面積約4.3×105 ha，嚴重威脅著當?shù)氐募Z食安全（李新等，2016），因此，采取合理的措施控制和治理當?shù)赝恋佧}堿化問題已迫在眉睫?！厩叭搜芯窟M展】采用物理和化學(xué)措施配合適宜的田間管理方式，如深耕、秸稈覆蓋和組合耕作方式等是鹽堿化土壤改良的常用方法，其在控制土壤中水鹽運動及改善土壤理化性質(zhì)等方面已取得了較好成效（Zhao et al.，2014），但弊端亦多。物理化學(xué)措施的原理即通過增加根際土壤中可溶性鈣離子含量，以使鈉離子從陽離子交換位點上被取代，然后通過淋洗將其轉(zhuǎn)移到耕作層以下。但該法需水量較大且成本較高，通常會加劇鹽分的積累；土壤改良劑的加入同時會引入新的二次污染物，如重金屬等，進而通過食物鏈傳遞威脅人體健康（Qadir and Oster，2002；Muhammad and Khattak，2011）。添加家畜糞便、腐殖質(zhì)酸及種植植物等生物改良措施能改善土壤質(zhì)地，增加土壤中的可溶性鈣離子含量，提高土壤肥力，既有效又低廉環(huán)保（Clark et al.，2007）。其中，種植植物的根系能改善根際土壤養(yǎng)分的聚合能力和持水性，有利于鹽離子淋洗到有效耕層以下，改良土壤耕作層理化性質(zhì)，增加有機碳和速效養(yǎng)分，同時能促進土壤微生物的大量繁殖，進而有效去除或固定部分污染物質(zhì)，降低土壤毒性（Cao et al.，2012；Zhang et al.，2014），可有效解決由于鹽堿化造成土壤中大量營養(yǎng)元素缺失、水力運動不均衡等引起植物生長減緩甚至死亡的問題（Qadir et al.，2003；董利蘋等，2011；Yazdanpanah et al.，2013）。因此，植物改良措施作為一種效果良好的鹽堿化土壤改良方法越來越受到關(guān)注（Barrett-Lennard，2002；Cao et al.，2012）。目前，可用于鹽堿化土壤改良的植物種類較多，有千金子草（Akhter et al.，2004）、光頭稗（Al Sherif，2007）、黃花草木犀（Al Sherif，2009）、紫花苜蓿（Medicago sativa L.）（Cao et al.，2012）、無芒雀麥（潘多鋒等，2012）、披堿草（王洪峰等，2012）和NyPa草（Lymbery et al.，2013）等。其中，紫花苜蓿是多年生耐鹽的豆科植物，被譽為牧草之王，其在土壤改良中適應(yīng)性強，根系發(fā)達、分支多、產(chǎn)量高，防風(fēng)固沙和改土培肥效果明顯（Cao et al.，2012）；然而，現(xiàn)有研究較多集中于紫花苜蓿對土壤理化性質(zhì)及肥力質(zhì)量的影響作用?！颈狙芯壳腥朦c】植物根際土壤受到植株根部釋放物質(zhì)、微氧環(huán)境及土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的綜合影響，與非根際土壤相比，其物理化學(xué)性質(zhì)差異明顯。紫花苜蓿是內(nèi)蒙古河套灌區(qū)及其周邊農(nóng)田地區(qū)廣泛分布的植物，但其根際效應(yīng)在該區(qū)域鹽堿化土壤改良中的作用尚缺乏系統(tǒng)研究?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以內(nèi)蒙古河套灌區(qū)鹽堿化土壤為研究對象，采用盆栽根袋模擬裝置，種植當?shù)赝林望}牧草紫花苜蓿。于紫花苜蓿不同生長期內(nèi)，分析其根際與非根際土壤鹽分和養(yǎng)分含量變化，闡明紫花苜蓿根際效應(yīng)對內(nèi)蒙古河套灌區(qū)鹽堿地土壤鹽分和養(yǎng)分的影響作用，以期為北方大型灌區(qū)鹽堿化土壤的植物改良措施提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1. 1 試驗材料

供試土壤采集于內(nèi)蒙古河套灌區(qū)農(nóng)田（地勢平坦），采用梅花布點法設(shè)5個采樣點，每個點剝離表層鹽分后采集0～40 cm土層土壤，5點混合后清理雜物，四分法取樣裝入自封袋帶回實驗室，在室內(nèi)自然陰干后過0.50 mm土壤篩待用。供試土壤為棕鈣土，含沙量較高，初始土壤理化背景值為：總氮14.52±1.78 g/kg，總磷52.43±3.44 mg/kg，有機質(zhì)16.44±0.18 g/kg，電導(dǎo)率2.69～3.09 ms/cm。

供試植物選用在內(nèi)蒙古河套灌區(qū)鹽堿化土壤上生長良好的紫花苜蓿。

1. 2 植物根袋培養(yǎng)和土壤樣品采集

參考前人研究中多采用的盆栽根袋法模擬裝置進行試驗（Li et al.，2009；董利蘋等，2011）。根袋采用320目的尼龍網(wǎng)紗縫制而成，內(nèi)徑5.0 cm、高8.0 cm。塑料花盆規(guī)格內(nèi)徑20.5 cm、高14.6 cm。將裝有100 g干土的根袋埋于裝有3 kg干土的花盆中央位置，距離花盆底部5.0 cm，花盆中根袋內(nèi)外土壤密度和高度保持一致，將配好的底肥水溶液均勻淋在花盆中，添加量為N 200 mg/kg，P2O5 100 mg/kg，使花盆中土壤水含量達140 g/kg，備用。并在每個根袋內(nèi)播種剛露白的紫花苜蓿種子20粒，待其出苗后留苗12株。種植9盆，另外留3盆未播種盆作為對照組，每周澆水1次。分別在苜蓿長出后20、40和60 d時各取樣1次。取出根袋中緊貼植物主根1.0 cm以內(nèi)的土壤作為根際土，取根袋外距離根袋3.0 cm以內(nèi)的土壤作為非根際土。

1. 3 樣品分析測定

采集的土樣在室內(nèi)自然陰干并過2.00 mm土壤篩保存待用，測定前再過0.15 mm土壤篩后進行相關(guān)指標測定?？扇苄钥傷}分（以電導(dǎo)率表示該指標）用電導(dǎo)率儀測定，pH采用pH計測定，Na+、K+、Ca2+和Mg2+采用原子吸收分光光度法測定，CO32-、Cl-和SO42-采用滴定法測定。有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀外熱法測定，總氮含量采用凱氏定氮法測定，總磷含量采用高氯酸—濃硫酸消化鉬銻抗比色法測定，速效磷含量采用NaHCO3浸提鉬銻抗比色法測定。各項指標測定參考鮑士旦（2005）、吳月茹等（2011）的方法。

1. 4 統(tǒng)計分析

試驗數(shù)據(jù)采用SPSS 19.0進行整理與統(tǒng)計分析，以Excel 2007制圖。

2 結(jié)果與分析

2. 1 紫花苜蓿根際效應(yīng)對土壤可溶性總鹽分（電導(dǎo)率）和pH的影響

由圖1可看出，隨著種植時間的延長，紫花苜蓿根際與非根際土壤的電導(dǎo)率和pH均呈下降趨勢。與非根際土壤相比，根際土壤的電導(dǎo)率和pH下降更明顯，且在20 d后與根際土壤差異顯著（P<0.05，下同）或極顯著（P<0.01，下同）（40 d時的土壤pH除外）。60 d時根際土壤電導(dǎo)率降低率高于40.0%， pH降低率為2.9%。

2. 2 不同生長期紫花苜蓿根際與非根際土壤中主要鹽分離子含量的動態(tài)變化規(guī)律

隨著紫花苜蓿的生長，其根際和非根際土壤中主要鹽離子的含量出現(xiàn)了不同的變化規(guī)律。由圖2可看出，Na+、K+、Mg2+、Cl-和CO32-含量呈不同程度的降低趨勢，而Ca2+（非根際除外）和HCO3-離子濃度表現(xiàn)出不同程度的上升趨勢。除非根際土壤中SO42-外，所有離子在根際和非根際土壤中的含量在一定時間段與對照組（0 d）相比均表現(xiàn)出顯著差異。整體而言，根際土的陽離子中除Ca2+外，其余3種陽離子均在40 d時相比非根際土壤顯著降低，相反根際土中陰離子除Cl-外，其余3種陰離子在60 d時相比非根際均顯著升高。與根際和非根際土壤中pH隨著生長時間的延長不斷降低，且在60 d時根際土壤pH極顯著低于非根際土壤的結(jié)果吻合?？梢姡参锔H效應(yīng)對根際鹽離子含量具有明顯的影響效應(yīng)，且在植物生長發(fā)育的不同階段影響也不相同。

2. 3 不同生長期紫花苜蓿根際與非根際土壤鹽分組成的動態(tài)變化規(guī)律

從表1可看出，隨著紫花苜蓿的生長，其根際和非根際土壤中Na+/K+和Cl-/SO42-均呈逐漸降低趨勢；Na+/Ca2+呈先升后降的變化趨勢，且在20 d時表現(xiàn)出峰值，在40 d時與對照組（0 d）相比顯著降低；Na+/Mg2+在60 d時顯著升高。同一生長階段，根際土壤中Cl-/SO42-相對于非根際土壤減小程度均較大，結(jié)合圖2數(shù)據(jù)可知，可能與根際土中Cl-含量降低速度顯著高于非根際，而根際土中SO42-含量顯著高于非根際有直接原因。整體而言，本研究中植物的根際效應(yīng)對鹽堿土中Na+、Mg2+和Cl-具有一定的降低效果。

2. 4 不同生長期紫花苜蓿根際與非根際土壤養(yǎng)分含量的動態(tài)變化規(guī)律

由圖3可看出，隨著紫花苜蓿的生長，非根際土壤中總氮、總磷和有機質(zhì)含量總體上呈下降趨勢，是由于植物生長過程中對養(yǎng)分的消耗所致?？梢姡狙芯織l件下土壤中的養(yǎng)分含量對苜蓿生長供不應(yīng)求，當植物根際土壤中的養(yǎng)分含量較低時，就會通過質(zhì)流和擴散作用從根際土壤以外獲取養(yǎng)分，進而導(dǎo)致非根際土壤養(yǎng)分（C、N和P）濃度相應(yīng)下降。但由于苜蓿本身具有一定的固氮能力，因此根際土壤中總氮含量相對維持在比較穩(wěn)定的狀態(tài)。雖然總磷含量在根際和非根際土壤中有所降低，但速效磷含量隨著植物的生長出現(xiàn)顯著上升趨勢，表明紫花苜蓿根際效應(yīng)能有效提高土壤磷的有效性。

3 討論

本研究結(jié)果表明，紫花苜蓿的根際效應(yīng)在降低土壤可溶性鹽分和pH方面有一定效果。豆科植物能夠依賴與其共生的固氮菌加劇根際酸化，從而促進土壤中可溶性Ca2+含量增加（Zhou et al.，2009），可溶性Ca2+含量的增加有利于更多的Na+從交換位點上置換出來，繼而被淋洗下去，最終導(dǎo)致Na+含量降低（Qadir and Oster，2002）。本研究結(jié)果與此結(jié)論基本一致。

與非根際土壤相比，Na+、K+和Mg+含量在紫花苜蓿根際土壤中下降更加明顯，原因可能有兩個方面：（1）植物覆蓋后抑制了土壤鹽分的表聚作用（Cao et al.，2012）；（2）植物根系能增強土壤滲透性和導(dǎo)水性，降雨或灌溉時有利于鹽離子淋洗到有效耕作層以下（Qadir and Oster，2002）。K+含量在根際土壤中表現(xiàn)為先降低后升高的趨勢，且在紫花苜蓿生長初期（20 d）達最低水平，而非根際土壤中在60 d時才表現(xiàn)出顯著降低變化趨勢。本研究中的K+含量整體變化趨勢與董利蘋等（2011）研究得出的新疆大葉（Medicago sativa L. cv. Xinjiangdaye）等4種植物根際土壤中K+含量均出現(xiàn)虧缺，且K+在根際土壤中的含量與相同培養(yǎng)時間非根際土壤相比差異顯著的結(jié)論基本一致。

根際土壤鹽離子含量的提高主要是由于植物促進了鹽離子向根際運輸即根際效應(yīng)為植物提供了更多的ATP，使得離子的運輸效率提高，以及植物對鹽分的選擇性吸收增強，從而使得鹽分不斷向根際區(qū)富集（弋良朋等，2008）。根際土壤中SO42-和HCO3-含量升高，其主要原因是：隨著植物的生長，根際土壤中微生物群落多樣性和豐富度要顯著高于非根際土壤，根際微生物不斷地進行碳和硫的形態(tài)轉(zhuǎn)變，為植物提供更多的易吸收的營養(yǎng)物質(zhì)。此外，HCO3-含量的增加還與CO32-的轉(zhuǎn)換有關(guān)，本研究中CO32-含量呈下降趨勢，CO32-含量和HCO3-含量的總值在不同生長期差異不顯著，而SO42-含量的提高可能是植物根際微生物代謝促使土壤中其他形態(tài)的無機硫和有機硫的形態(tài)轉(zhuǎn)變所致。另外，植物生長過程中根部分泌物會影響到各類離子的存在形式，進而影響到植物本身對鹽離子的選擇吸收能力，最終影響到根際土壤環(huán)境中鹽離子的生物有效性（Qadir and Oster，2002）。由此可知，K+、Na+和Mg2+含量的降低及SO42-和HCO3-含量的升高對于根際土壤鹽分和pH的降低有較大貢獻，也說明紫花苜蓿根際效應(yīng)對河套灌區(qū)鹽堿化土壤具有良好的脫鹽和降pH作用。

根際土壤中的全氮含量隨時間變化出現(xiàn)增高趨勢的主要原因：（1）豆科植物的固氮作用。（2）根系含氮分泌物及根的死亡、根毛組織表皮的凋零物和微生物在根際匯聚的效果（張福鎖等，1991）。根際和非根際土壤中的有機質(zhì)含量均呈下降趨勢，相比非根際土壤，根際土壤中有機質(zhì)含量下降趨勢更加明顯。這主要歸因于植物的生長吸收和質(zhì)流擴散作用，也可能是由于紫花苜蓿在快速生長階段根系對有機質(zhì)吸收速率快于對水分吸收速率，而造成根際土壤中養(yǎng)分含量低于非根際土壤。根際土壤和非根際土壤中速效磷含量呈上升趨勢，根際土壤的表現(xiàn)更明顯，可能是紫花苜蓿對土壤中總磷轉(zhuǎn)化利用的結(jié)果。鹽堿地苜蓿根際效應(yīng)對土壤磷具有一定的活化作用（高文星等，2008），植物根系將部分總磷轉(zhuǎn)化為速效磷，從而使得根際的有效磷含量明顯增加。加之植物本身對土壤養(yǎng)分的吸收，直接導(dǎo)致總磷含量呈顯著下降趨勢。當然，通過生物措施改良鹽堿化土壤，其pH、主要鹽分離子的變化結(jié)果還與供試鹽堿土本身的土壤性質(zhì)、植物品系、生長階段和年限、根際與非根際土壤采集位點的時空分布差異等因素有關(guān)（弋良朋等，2008）。為更深入研究這種影響作用，今后有必要進行更長生長期和生長年代的動態(tài)監(jiān)測。

4 結(jié)論

紫花苜蓿根際效應(yīng)可降低河套灌區(qū)鹽堿化土壤的pH、電導(dǎo)率和主要鹽分離子濃度，促進土壤中養(yǎng)分的活化，提高磷的有效性，有助于土壤理化性質(zhì)的改善及有效肥力的增強，且其影響作用隨紫花苜蓿生長時間的延長而逐漸加強，對農(nóng)灌區(qū)鹽堿化土壤的改良具有積極作用。

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（責(zé)任編輯 王 暉）