蘋果園間種紫花苜蓿和香薄荷的根系分泌物對土壤肥力的影響

吳健健，張 杰，姚允聰

(北京農(nóng)學(xué)院 植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院/北京林果業(yè)生態(tài)環(huán)境功能提升協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 102206)

果園行間種草在不侵占果樹光照與養(yǎng)分的情況下，豐富了果園生態(tài)位[1]，減輕土壤沖刷和增強(qiáng)土壤保水抗旱能力，提高果實(shí)品質(zhì)[2]。果園間種植物會產(chǎn)生“土壤殘留物作用”[3]。植物—土壤反饋(Plant—Soil Feedback, PSF)這種物理、化學(xué)、生物學(xué)性狀的變化又能影響宿主植物和其共存植物[4]。植物—土壤反饋?zhàn)饔每梢砸鹜寥鲤B(yǎng)分(有機(jī)碳、氮、磷、鉀)的變化，以及土壤中元素(鈣、鎂、鐵等)含量變化[5]。土壤酶在植物—土壤反饋系統(tǒng)中也扮演著重要角色，土壤酶活性化學(xué)計量特征常與植物和土壤化學(xué)計量特征密切相關(guān)[6]。

根系分泌物在植物與土壤之間發(fā)生正、負(fù)反饋調(diào)節(jié)作用，負(fù)反饋調(diào)節(jié)歸因于土壤真菌病原體，它們在植物物種的存在下形成[7]。然而，對植物生長的負(fù)面影響也可能是由于化感作用[8]?；凶饔檬且环N植物通過產(chǎn)生釋放到環(huán)境中的化學(xué)化合物而對另一種植物產(chǎn)生的影響[8]。

果園間作特定草本植物具有不同的功能，間作豆科植物根系聚集根瘤菌，有較強(qiáng)的固氮能力[9]。間作一些芳香植物(如香薄荷、羅勒、藿香薊、孔雀草等)會改善果園土壤理化性質(zhì)，提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，改變細(xì)菌和真菌群落結(jié)構(gòu)。已有研究發(fā)現(xiàn)，多年種植苜蓿根系會分泌酚酸類不易降解而累積在土壤中的自毒物質(zhì)，出現(xiàn)生育狀況變差、病蟲害嚴(yán)重、產(chǎn)量降低、品質(zhì)變劣的現(xiàn)象[10]。果樹根系作為果樹吸收土壤中水分和養(yǎng)分的主要器官,對于相鄰的植物根系也會做出相應(yīng)的可塑性反應(yīng)[11]。這種果樹根系和間種植物根系的交互作用對行間多年種植的間作植物—土壤反饋狀況尚不了解。

本研究在果園多年間作植物的栽培歷史條件下，以種植過香薄荷和紫花苜蓿的蘋果園土壤為盆栽土壤種植蘋果，模擬蘋果園中間作植物的土壤環(huán)境，間種香薄荷和紫花苜蓿,以生草為對照，探究植物—土壤反饋條件下土壤肥力變化，從而確立果園長年種植芳香植物混合間作種類和模式，為我國果樹有機(jī)化生產(chǎn)提供一定的理論依據(jù)和技術(shù)貢獻(xiàn)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料及地點(diǎn)

植物材料：富士蘋果幼苗(Malusdomestica‘Red Fuji’)；香薄荷(SaturelahortensisL.)；紫花苜蓿(Lablabpurpureus)。

土壤材料：取自北京市順義區(qū)木林鎮(zhèn)蔣各莊村有機(jī)觀光蘋果園，土壤為種植一年香薄荷和紫花苜蓿的行間土壤。

試驗地點(diǎn)：北京農(nóng)學(xué)院植科實(shí)踐基地玻璃溫室。

1.2 試驗設(shè)計及方案

試驗設(shè)計：試驗設(shè)計3種因素水平，分別為取樣時間，土壤類型，種植植物，時間因素有2個水平5月和8月，土壤類型有苜蓿土(M)、薄荷土(B)，種植植物香薄荷(b)、紫花苜蓿(m)、對照為生草(sc)。兩兩組合為6個處理：Bm，Bb，Bsc，Mm，Mb，Msc。每個處理設(shè)置6次重復(fù)構(gòu)成1個小區(qū)，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計。

試驗方案：植物—土壤反饋第一階段：在蘋果園，選取沒有間種過植物的蘋果行間，于2018年4月分別播種香薄荷、紫花苜蓿種子。2018年10月使用抖根法收集間種植物根際土壤，進(jìn)行根系分泌物鑒定。

植物—土壤反饋第二階段：于北京市北京農(nóng)學(xué)院玻璃溫室。2019-04-07栽種兩年生蘋果幼苗，蘋果新根生長、枝條萌生后，2019-04-20播種香薄荷、紫花苜蓿種子，保證每盆中有20株間種植物。分別于蘋果樹兩次根系旺盛生長期(2019-05-10)、(2019-08-10)取樣。取土?xí)r每盆果樹中取3個不同位點(diǎn)土壤，過孔徑0.850 mm篩，將取得的樣品4 ℃保存帶回實(shí)驗室，測定酶活性和土壤養(yǎng)分測試。

1.3 試驗方法

土壤理化性質(zhì)的測定參照土壤農(nóng)化分析方法[12]。土壤含水量采用烘干法，土壤pH值電位測定法，有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀氯化法，全氮用半微量凱氏法，速效氮用堿解擴(kuò)散法，全磷用高氯酸—硫酸酸溶—鉬銻抗比色法，速效磷用碳酸氫鈉法，全鉀用火焰光度法，速效鉀用火焰光度法，微量元素Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn的測定采用M3浸提—火焰分光光度法。脲酶活性用苯酚鈉比色法，轉(zhuǎn)化酶活性用3,5—二硝基水楊酸法，過氧化氫酶活性用KMnO4滴定法。

根系分泌物鑒定，制備根際土樣，使用GC—MSD上機(jī)分析，色譜柱為Agilent DB5—MS (30 μm×0.25 μm×0.25 μm)。

1.4 統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)采用2007EXCEL作圖，使用SPSS22進(jìn)行統(tǒng)計分析，通過3因素方差分析了時間、土壤類型和植物種類及其相互作用的影響，Dunnett事后檢驗，以確定個體因素水平之間的顯著差異。使用獨(dú)立樣本t檢驗方法對相同土壤條件下植物種類兩兩比較，確定植物類型對不同測試指標(biāo)的顯著差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 蘋果間種植物對土壤肥力的反饋

由圖1可以看出，間種植物沒有隨時間的變化而改變土壤中有機(jī)質(zhì)、全氮，但是對土壤的全磷、有效磷和全鉀、有效鉀的轉(zhuǎn)化產(chǎn)生了極顯著影響(P<0.001)，5月、8月對比，苜蓿土中種植苜蓿降低了土壤全磷23.30%，降低了全鉀33.63%，而其他5個處理提高了土壤中全磷全鉀含量，并且薄荷土壤中種植苜蓿提高了速效磷15.95%、速效鉀125.44%，表現(xiàn)出對土壤肥力積極的正反饋效應(yīng)。

左上角是因素間的顯著性，顯示了三個因素方差分析結(jié)果(*，P<0.05；**，P<0.01；***，P<0.001；ns，不顯著)，時間因素 (Time, T)，有兩個水平五月和八月，土壤類型 (Soil, S)有苜蓿土M、薄荷土B，植物物種 (Plant, P)有三個水平苜蓿m、薄荷b、生草sc。折線連接為8月植物物種基于T檢驗顯著性；圖2-3同Note: The upper left corner is the significance between the factors, showing the three factors analysis of variance (*,P<0.05; **, P<0.01; ***, P<0.001; ns, not significant), time factor (Time , T), there are two levels in May and August, soil type (Soil, S) has bauxite M, mint B, plant species (Plant, P) has three levels bauxite m, mint b, grass sc. The fold line is connected to the August plant species based on the T test圖1 間種植物對果園土壤肥力影響Fig.1 Effects of intercropping on soil fertility in orchard

在薄荷土中種植苜蓿相對于種植薄荷和生草處理極大的提高土壤全鉀含量(P<0.001)，并且發(fā)現(xiàn)苜蓿土中種植苜蓿草的土壤全鉀量反而比種植薄荷低24.7 mg/kg (P<0.05)，同時在全磷指標(biāo)中也觀察到了相似的現(xiàn)象，不過從全磷、全鉀和速效磷3個指標(biāo)中可以看出，間種生草處理在的數(shù)值要低于間種苜蓿和薄荷的處理。此外植物種類和種植時長對有機(jī)質(zhì)、全鉀、全磷、速效鉀和速效磷有交互作用，也就是種植時長對土壤肥力在植物物種間存在差異。植物物種和土壤類型對磷、鉀的轉(zhuǎn)換也存在交互作用(P<0.001)。

2.2 蘋果間種植物對土壤營養(yǎng)元素的反饋

由圖2可以發(fā)現(xiàn)，時間與土壤類型都顯著影響土壤中營養(yǎng)元素的釋放，果園間種植物后，8月相對于5月土壤的營養(yǎng)元素大部分升高，其中土壤中鐵在間種苜蓿、薄荷和生草后分別提高了134.93%、74.01%和78.55%，土壤中銅在間種苜蓿、薄荷和生草后分別提高了49.84%、21.17%和21.41%。在不同的種植歷史下也會有差異，栽種過苜蓿的土壤再間種植物會加速土壤中鎂礦物的分解(P<0.05)，而栽種過薄荷的果園土壤間種植物會提高土壤中鋅的可利用性(P<0.05)。薄荷土壤間種苜蓿相較于薄荷土壤種植薄荷，在8月份可以提高土壤中44.50%鐵和31.56%錳。對于土壤中的營養(yǎng)元素，植物物種和種植時間對鐵和錳有交互作用。

圖2 間種植物對果園土壤營養(yǎng)元素影響Fig.2 Effects ofintercropping on soilnutrient elements in orchard

2.3 蘋果間種植物對土壤酶活性的反饋

果園間作芳香植物會對土壤pH產(chǎn)生影響，在Mb、Msc、Bm、Bb、Bsc處理中，隨著定植時間的增長，降低土壤的pH值(F=95.202，P<0.001)，而苜蓿土中種植苜蓿不會影響pH。8月土壤相較于5月土壤，提高了土壤過氧化氫酶活性、脲酶活性，降低了轉(zhuǎn)化酶活性，土壤種類以及植物物種沒有與種植時間在統(tǒng)計學(xué)上有顯著性的交互作用，因此并沒有干擾這種現(xiàn)象。在8月份，套作處理Mb土壤中的脲酶活性顯著高于Mn(P<0.01)、Msc(P<0.001)，套作處理Bm土壤中的轉(zhuǎn)化酶活性顯著高于Bb(P<0.01)、Bsc(P<0.01)。

圖3 間種植物對果園土壤pH和酶活性影響Fig.3 Effects of intercropping on soil pH and enzyme activities in orchard

2.4 蘋果園間種植物根系分泌物介導(dǎo)植物與土壤理化指標(biāo)反饋

圖4中使用偏最小二乘法分析可以尋找到處理組間的區(qū)別，找到差異代謝物，在PLS-DA得分圖中，可以看出薄荷和苜蓿的兩組代謝物分離。接下來觀察PLS-DA的VIP圖，尋找到排名前15的差異代謝物，并得到其代謝物在不同組中濃度的高低?？梢园l(fā)現(xiàn)排名前15的差異代謝物中主要分為糖類、醇類、醛類以及酸類，其中海藻糖VIP得分最高，差異最明顯的前4種代謝物在苜蓿土中濃度要高于薄荷土中的濃度，1-十七醇和惡12-十八碳烯酸在薄荷土中濃度高于苜蓿土中的濃度。值得注意的是前15種差異中阿魏酸和苯甲酸為酚酸類物質(zhì)，并且在苜蓿土中為高濃度。

3 討 論

本研究結(jié)果表明，薄荷土中種植苜?？梢蕴岣咄寥廊?、全鉀、速效磷、速效鉀含量，加速土壤中鐵、錳轉(zhuǎn)化為可利用態(tài)，增加土壤中轉(zhuǎn)化酶活性，苜蓿土中種植薄荷同樣會提高土壤中營養(yǎng)物質(zhì)的周轉(zhuǎn)，并且能增加土壤中脲酶活性。因此在果園間作栽培中，使用輪作制度可以改善土壤肥力，提高土壤營養(yǎng)元素分解，激活土壤酶活性。并且本研究發(fā)現(xiàn)，選擇性的間種植物相較于自然生草處理優(yōu)于果園土壤的充分利用。

在苜蓿土中種植苜蓿，會降低了土壤全磷、全鉀，且不會改善堿性土壤的高pH，這表明土壤類型也影響著下一代間種植物對土壤養(yǎng)分的吸收與利用，其中起到關(guān)鍵作用的是植物的根系分泌物。有研究表明，苜蓿的自毒物質(zhì)主要是香豆素、綠原酸、水楊酸等酚類物質(zhì)和皂甙兩大類，苜蓿根系相較于薄荷根系，分泌了高濃度的酚酸類物質(zhì)阿魏酸和苯甲酸，阿魏酸和苯甲酸會顯著抑制苜蓿種子萌發(fā)[13]。

左圖為PLS-DA得分圖，是一種監(jiān)督性分類判別模型，右圖為PLS-DA的VIP(Variable Importance in Projection)圖，很坐標(biāo)為VIP值，縱坐標(biāo)為排名前15的差異代謝物，顏色編碼反應(yīng)此代謝物在不同組中濃度高低 The left picture shows the PLS-DA score map, which is a supervised classification discriminant model. The right picture shows the PLS-DA VIP (Variable Importance in Projection) graph. The very coordinate is the VIP value, and the ordinate is the top 15 difference. Metabolites, color-coded to reflect the concentration of this metabolite in different groups圖4 根系分泌差異代謝物Fig.4 Root secretion differential metabolite

試驗中間種植物與果園的土壤反饋可能不僅僅是由于根系分泌物產(chǎn)生影響，在取土過程中，土壤中還殘留上一代苜蓿草根部殘體，由經(jīng)過微生物腐敗降解，釋放或激活了某些化學(xué)物質(zhì)，這些化學(xué)物質(zhì)可能具有不同的植物毒性作用。土壤中的植物材料，也可以通過影響例如營養(yǎng)素活化、酸堿度或微生物活性來產(chǎn)生間接抑制作用[14]。

綜上所述，在盆栽試驗中，模擬果園多年間種植物對果園土壤的反饋?zhàn)饔?，發(fā)現(xiàn)輪作使得果園土壤肥力上升，加速土壤有效態(tài)營養(yǎng)元素轉(zhuǎn)化，提高土壤酶活性。連作紫花苜蓿會使土壤全磷、全鉀分別下降23.30%，33.63%，并且對土壤礦質(zhì)營養(yǎng)轉(zhuǎn)化產(chǎn)生影響，根據(jù)紫花苜蓿和香薄荷根系差異分泌物鑒定，發(fā)現(xiàn)差異分泌物主要由糖類、醇類、醛類以及酸類組成。這些結(jié)果表明，在果園間種植物物種的選擇和合理的種植歷史會提高果園土壤肥力。