鹽堿脅迫下松嫩草地2種生態(tài)型羊草根際效應(yīng)及光合生理響應(yīng)

姚遠(yuǎn)，徐月喬，王貴,2，孫偉

鹽堿脅迫下松嫩草地2種生態(tài)型羊草根際效應(yīng)及光合生理響應(yīng)

姚遠(yuǎn)1，徐月喬1，王貴1,2，孫偉1

（1東北師范大學(xué)草地科學(xué)研究所/植被生態(tài)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130024；2長春師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，長春 130032）

【】通過比較不同鹽堿脅迫條件下松嫩草地灰綠型羊草和黃綠型羊草根際效應(yīng)差異及其對(duì)光合生理活動(dòng)和生長的影響，為適合于鹽堿退化草地改良的羊草生態(tài)型的選擇提供理論依據(jù)。采用盆栽控制試驗(yàn)方法，共設(shè)置對(duì)照、中度鹽堿脅迫和重度鹽堿脅迫3個(gè)處理，中度鹽堿脅迫處理通過40 mmol·L-1NaCl溶液、40 mmol·L-1Na2CO3溶液、360 mmol·L-1Na2SO4溶液和360 mmol·L-1NaHCO3溶液，按1 : 1 : 1 : 1混合施加實(shí)現(xiàn)，重度鹽堿脅迫處理通過200 mmol·L-1的NaCl溶液、Na2SO4溶液、NaHCO3溶液和Na2CO3溶液按1 : 1 : 1 : 1混合施加實(shí)現(xiàn)，處理時(shí)間為30 d。測定分析不同處理間2種生態(tài)型羊草根際土與非根際土的pH、電導(dǎo)率、總有機(jī)碳、總氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和微生物碳、氮含量，植物葉片的凈光合速率、脯氨酸含量、可溶性糖含量以及植物株高、地上生物量、地下生物量等指標(biāo)。2種生態(tài)型羊草根際土壤和非根際土壤的銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、有效氮及微生物碳和氮含量在中度鹽堿脅迫處理下均顯著高于重度鹽堿脅迫處理，且均顯著低于對(duì)照。2種生態(tài)型羊草在各鹽堿處理?xiàng)l件下根際土壤pH均顯著低于非根際土壤，根際土壤中有效氮和微生物碳、氮含量均顯著高于非根際土壤?；揖G型羊草的pH根際效應(yīng)在對(duì)照和中度鹽堿脅迫處理下均顯著大于黃綠型羊草?；揖G型羊草的有效氮根際效應(yīng)和微生物碳根際效應(yīng)在2個(gè)鹽堿脅迫處理下均顯著大于黃綠型羊草。2種生態(tài)型羊草的凈光合速率在中度鹽堿脅迫處理下均顯著高于重度鹽堿脅迫處理，且均顯著低于對(duì)照。黃綠型羊草的凈光合速率傷害率均顯著高于灰綠型羊草。葉片脯氨酸含量和可溶性糖含量在中度鹽堿脅迫處理下均顯著低于重度鹽堿脅迫處理，且均顯著高于對(duì)照，灰綠型羊草的葉片脯氨酸敏感指數(shù)在重度鹽堿脅迫處理下顯著高于黃綠型羊草?；揖G型羊草的葉片可溶性糖含量敏感指數(shù)和滲透壓在2個(gè)鹽堿處理下均顯著高于黃綠型羊草，且均顯著高于對(duì)照。鹽堿脅迫處理下，2種生態(tài)型羊草的地上生物量、地下生物量和總生物量均顯著低于對(duì)照。在鹽堿脅迫條件下，黃綠型羊草的株高和地下生物量的損失率顯著高于灰綠型羊草。相對(duì)于黃綠型羊草，灰綠型羊草能通過根際效應(yīng)有效地緩解鹽堿脅迫對(duì)土壤理化性質(zhì)造成的不利影響，并表現(xiàn)出更強(qiáng)的耐鹽堿性。

鹽堿脅迫；灰綠型羊草；黃綠型羊草；根際效應(yīng)；光合生理

0 引言

【研究意義】世界上有8.31億hm2土地受到鹽脅迫的影響[1]。松嫩平原西部是世界蘇打鹽堿地集中分布的三個(gè)地區(qū)之一，鹽堿化土地面積超過440萬hm2[2-3]。由于人們對(duì)草原的不合理利用，土壤鹽堿化程度加劇，松嫩平原西部超過70%的草地存在鹽堿化的情況[4-5]。草地鹽堿化不僅嚴(yán)重制約了草地的生產(chǎn)力，同時(shí)也直接危及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。羊草（）是多年生根莖型禾草，其營養(yǎng)含量高，適應(yīng)性強(qiáng)，耐寒、耐旱、耐鹽堿，具有重要的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值[6]。羊草具有較強(qiáng)的生態(tài)可塑性，在其分布區(qū)域，常見灰綠型和黃綠型2種生態(tài)型羊草呈現(xiàn)小斑塊狀鑲嵌分布，但優(yōu)勢分布區(qū)域具有一定差異[7]。植物在受到鹽堿脅迫時(shí)會(huì)通過根系分泌物改善根際土壤環(huán)境，以減輕鹽堿脅迫對(duì)自身生長及光合作用的傷害。羊草是松嫩草甸草原主要建群種，研究羊草通過根際效應(yīng)對(duì)鹽堿土壤的改善，并通過其光合生理指標(biāo)反映其改善能力及適應(yīng)鹽堿化土壤的能力，有助于選擇適用于恢復(fù)鹽堿退化草地的草種?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】鹽堿脅迫影響植物正常生命活動(dòng)，鹽堿脅迫中產(chǎn)生的高pH和離子毒害會(huì)對(duì)植物的光系統(tǒng)II反應(yīng)中心造成破壞，限制光合電子傳遞，阻礙葉綠素合成，下調(diào)參與光反應(yīng)和卡爾文循環(huán)的蛋白合成和酶活性[8]。鹽堿脅迫還會(huì)抑制葉原基的發(fā)生，造成植株的光合面積減少，使其光合作用減弱，影響植株生長[9]。植物面臨鹽堿脅迫時(shí)，會(huì)通過離子選擇性吸收和區(qū)域化把多余的鹽分儲(chǔ)存在液泡中或者分隔到不同組織中，以確保代謝活動(dòng)的正常進(jìn)行；植物還會(huì)通過積累脯氨酸、可溶性糖、甜菜堿等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，提高細(xì)胞的滲透壓，進(jìn)而維持滲透平衡，從而完成生長和繁殖[10-13]。羊草對(duì)鹽堿脅迫具有很強(qiáng)的耐脅變性能力，主要通過增加體內(nèi)的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量和提高過氧化氫酶活性抵抗鹽堿脅迫[12, 14]。有研究報(bào)道灰綠型羊草通過積累滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)而提高自身滲透壓的能力高于黃綠型羊草，因此灰綠型羊草抵抗鹽堿脅迫的能力要強(qiáng)于黃綠型羊草[7]。植物根系分泌物可改變根際土壤理化性質(zhì)，直接影響有機(jī)物的礦化和根際養(yǎng)分有效性[15-16]。根系分泌物也可通過增強(qiáng)碳基質(zhì)根際微生物的營養(yǎng)可用性，提高土壤養(yǎng)分釋放和植物的吸收[17]。然而，目前對(duì)鹽堿脅迫如何對(duì)植物根際和非根際土壤養(yǎng)分有效性產(chǎn)生影響知之甚少[18-19]。與此同時(shí)，植物根系的呼吸作用以及有機(jī)質(zhì)分解提高了根部的CO2分壓，一些植物根系可以向根際釋放質(zhì)子（H+），加大了CaCO3的溶解率，從而為Na+的置換提供Ca2+源；某些植物還能夠吸收Na+和鹽分并通過收獲其地上部分而使鹽分移除[20]。植物可以通過根系改善鹽堿土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和滲透系數(shù)，加速鹽分淋洗并促進(jìn)土壤剖面的水鹽循環(huán)，從而達(dá)到改良鹽堿化土壤的目的[21]。已有研究報(bào)道可通過直接種植或移栽羊草，使其在鹽堿斑塊上生長擴(kuò)繁，逐漸減小光堿斑塊面積，最終達(dá)到恢復(fù)草地植被的目的[22-23]。但移栽后羊草如何通過自身根際作用改善鹽堿化土壤過程還有待進(jìn)一步研究。【本研究切入點(diǎn)】前人的研究多集中于羊草在受到鹽堿脅迫時(shí)產(chǎn)生的生理變化，以及2種不同生態(tài)型羊草在受到鹽堿脅迫時(shí)的響應(yīng)差異，而忽略了羊草在受到脅迫時(shí)可以利用根系分泌物等途徑為自身創(chuàng)造有利的生存條件，并改善鹽堿退化草地土壤理化性質(zhì)，加快鹽堿退化草地恢復(fù)進(jìn)程的現(xiàn)象。【擬解決的關(guān)鍵問題】本研究利用盆栽試驗(yàn)對(duì)2種生態(tài)型羊草進(jìn)行不同梯度鹽堿脅迫處理，通過2種生態(tài)型羊草株高，地上、地下生物量，凈光合速率及脯氨酸、可溶性糖含量和滲透壓變化反映鹽堿脅迫對(duì)羊草生長與光合生理活動(dòng)的影響，通過綜合比較2種生態(tài)型羊草根際土和非根際土之間理化性質(zhì)的差異，反映羊草通過根際作用對(duì)鹽堿土壤的改善作用，揭示2種生態(tài)型羊草區(qū)域分布差異的生態(tài)學(xué)機(jī)制，從而甄選更有利于改良鹽堿退化草地的羊草生態(tài)型，為采用何種生態(tài)型羊草對(duì)鹽堿退化草地進(jìn)行改良提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 盆栽試驗(yàn)

本研究在長春師范大學(xué)進(jìn)行，于2018年4月末開始，7月末結(jié)束。長春市位于松嫩平原，屬于半干旱溫帶季風(fēng)型氣候，年平均氣溫2.7—4.7℃，年降雨量400—500 mm[24]。灰綠型羊草常生長在pH 8.5—9.5的鹽堿性土壤中，而黃綠型羊草通常生長在pH＜8.0的土壤條件下[25]。試驗(yàn)選用的土壤是松嫩草地草甸土，其pH為8.42 ± 0.06，電導(dǎo)率為（118 ± 5.77）μs·cm-1，總有機(jī)碳含量為（6.47 ± 0.11）g·kg-1，總氮含量為（0.25 ± 0.01）g·kg-1，總磷含量為（0.34 ± 0.01）g·kg-1。野外取土后過5 mm篩子，將土壤風(fēng)干后稱重裝入花盆中（3 kg/盆）。4月末，于東北師范大學(xué)松嫩草地生態(tài)研究站附近天然草地選擇長勢一致的灰綠型和黃綠型羊草幼苗，保證其根莖長度相同并栽植到花盆中，每盆共栽植12株羊草。將移栽后羊草置于遮陰網(wǎng)下緩苗14 d，并定期澆水，期間進(jìn)行補(bǔ)苗，保證每盆最終有10株羊草定植，定期澆水并拔除雜草，保證羊草的正常生長。

1.2 鹽堿脅迫處理

從羊草幼苗移栽第57天開始進(jìn)行鹽堿脅迫處理，共設(shè)置對(duì)照組（CK）、中度鹽堿脅迫（MS）和重度鹽堿脅迫（SS）3個(gè)處理[24]。通過施加混合鹽堿溶液形成鹽堿脅迫，每盆分5次添加共1 L鹽堿溶液，CK處理添加等量的去離子水，每次間隔為2 d，以避免鹽激作用對(duì)幼苗產(chǎn)生傷害。MS處理通過40 mmol·L-1NaCl溶液、40 mmol·L-1Na2CO3溶液、360 mmol·L-1Na2SO4溶液、360 mmol·L-1NaHCO3溶液，按1﹕1﹕1﹕1混合施加實(shí)現(xiàn)，SS處理通過200 mmol·L-1的NaCl溶液、Na2SO4溶液、NaHCO3溶液和Na2CO3溶液按 1﹕1﹕1﹕1混合施加實(shí)現(xiàn)。每個(gè)處理為10盆，共60盆，處理時(shí)間為30 d。隨機(jī)分為2組，1組用于株高、生物量、根冠比及土壤理化性質(zhì)的測定；1組用于對(duì)羊草葉片取樣，進(jìn)行脯氨酸及可溶性糖含量的測定。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 植物與土壤采樣方法 處理全部完成后，從羊草基部剪取，收集地上部分，并裝入信封做好標(biāo)記。每盆選取10片羊草葉片用錫紙包裹，做好標(biāo)記后立即放入液氮罐中，取樣結(jié)束后轉(zhuǎn)入-80℃冰箱保存。在取完羊草地上部分樣品后，對(duì)花盆進(jìn)行破壞性取樣，將花盆中土壤全部倒出，用抖根法抖落根外圍的松散土壤，混勻后過2 mm篩子以篩除殘留的根系及雜物，視其為非根際土，然后小心用刷子刷下殘留在根系周圍2 mm以內(nèi)的土壤，過2 mm篩子篩除殘留的根系及雜物，視其為根際土。將非根際土和根際土分為2份，1份裝入自封袋中并做好標(biāo)記保存于-20℃冰箱；另1份做好標(biāo)記后自然風(fēng)干。在采集完根際土后，將剩余完整的根系用清水反復(fù)清洗后，將其裝入信封。

1.3.2 植物指標(biāo)測定 破壞性取樣前4—5 d，隨機(jī)選取盆中的5株羊草測量其株高，利用便攜式光合儀LI-6400（LiCor Inc.，Lincoln，NE，USA）在晴朗天氣上午9：00—11：00選取植物頂端向下第二片完全展開葉片進(jìn)行凈光合速率測量，每個(gè)葉片3次重復(fù)。將電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱調(diào)至105℃并將收獲的植物和根系置于其中殺青30 min，后調(diào)至65℃烘干至恒重，稱重獲取地上生物量和地下生物量。采用冷凍干燥機(jī)（Alpha 1-4 Ld，Christ，Osterode，Germany）將冷凍葉片凍干，而后使用球磨儀（MM400，Retsch，Hana，Germany）將其粉碎，采用茚三酮法進(jìn)行葉片脯氨酸含量測定[3]。采用苯酚-硫酸法進(jìn)行葉片可溶性糖含量測定[26]。

1.3.3 土壤指標(biāo)測定 將風(fēng)干土（根際土和非根際土）碾碎后過100目篩子，稱取10.0 g土樣置于 100 mL錐形瓶中，并加入50 mL去離子水，放入搖床內(nèi)以180 r/min震蕩30 min，放置30 min后，將土壤上清液倒入50 mL燒杯中，用pH計(jì)（PHS-3E，雷磁，Shanghai，China）測定pH，利用電導(dǎo)率儀（DDS-307，雷磁，Shanghai，China）測定土壤電導(dǎo)率。稱取2.5—3.0 g不同處理過篩后的風(fēng)干土樣，經(jīng)石墨消解儀消化后用凱氏定氮儀（Kjeltec2300，F(xiàn)oss Tecator，Sweden）測定土壤中總氮含量。稱取過篩后的風(fēng)干土25—35 mg置于銀舟中，后滴加1 mol·L-1的鹽酸以除去土壤中的無機(jī)碳。于65℃烘干后，將土樣包裹，使用總有機(jī)碳分析儀（Elementar Vario TOC，Elementar analysen systeme，Hanau，Germany）測定土樣的總有機(jī)碳含量。稱取10 g不同處理鮮土置于100 ml錐形瓶，隨后添加50 ml濃度為2 mol·L-1的KCl（優(yōu)級(jí)純）溶液，置于搖床內(nèi)以180 r/min震蕩1 h，放置30 min后過濾，濾液為銨態(tài)氮及硝態(tài)氮的浸提液，利用連續(xù)流動(dòng)分析儀（FUTURA，AMS Alliance，Italy）測定土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的含量。采用氯仿熏蒸法-K2SO4浸提法[27]獲取土壤微生物碳氮浸提液，利用總有機(jī)碳分析儀（Elementar vario TOC，Elementar Analysen systeme，Hanau，Germany）測定土壤中微生物碳含量。利用間斷化學(xué)分析儀（Smartchem 450，AMS Alliance，Italy）測定土壤中微生物氮含量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

1.4.1 數(shù)據(jù)處理 本研究采用傷害率反映鹽堿脅迫處理對(duì)羊草植株的傷害程度，通過敏感指數(shù)及滲透壓指數(shù)反映羊草對(duì)鹽堿脅迫的抵抗能力，通過根際效應(yīng)反映羊草緩解鹽堿脅迫導(dǎo)致的不利土壤理化性質(zhì)的能力。計(jì)算公式如下：

式中，HP（harm percentage）某指標(biāo)傷害率；XCK和XS分別是特定的植物指標(biāo)在對(duì)照處理和鹽堿脅迫處理?xiàng)l件下的數(shù)值[28]。

式中，SI（Sensitive index）of X表示某指標(biāo)敏感指數(shù)；XCK和XS分別指某個(gè)指標(biāo)在對(duì)照處理及鹽堿脅迫處理?xiàng)l件下的數(shù)值[28]。

π=∑CI

式中，π為滲透壓；為理想氣體常數(shù)（8.314 J·K-1·mol-1）；為熱力學(xué)溫度；CI為滲透活性物質(zhì)（葉片脯氨酸和可溶性糖）濃度[29]。

式中，RE（Rhizosphere effect）of X表示某指標(biāo)根際效應(yīng)；XR和XB分別指某個(gè)土壤指標(biāo)在植物根際土壤及非根際土壤中的數(shù)值[30]。

1.4.2 數(shù)據(jù)分析 本研究利用SPSS 20進(jìn)行單因素方差分析，＜0.05為差異具有顯著性。利用Origin 8.5對(duì)數(shù)據(jù)、圖表進(jìn)行處理。文中數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差表示（n = 5）。

2 結(jié)果

2.1 土壤根際理化性質(zhì)的比較

2種生態(tài)型羊草的非根際土壤和根際土壤pH在重度鹽堿脅迫處理下均顯著高于中度鹽堿脅迫處理，且均顯著高于對(duì)照。2種生態(tài)型羊草在各鹽堿處理?xiàng)l件下根際土壤pH均顯著低于非根際土壤。中度鹽堿脅迫處理?xiàng)l件下，2種生態(tài)型羊草非根際土壤和根際土壤總有機(jī)碳含量與土壤總氮含量均高于重度鹽堿脅迫處理，但是差異不顯著。根際土壤的總氮含量與總有機(jī)碳含量略高于非根際土壤，但差異不顯著。2種生態(tài)型羊草非根際土壤與根際土壤的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量在中度鹽堿脅迫處理下均顯著高于重度鹽堿脅迫處理，且均顯著低于對(duì)照，根際土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量顯著高于非根際土壤。2種生態(tài)型羊草根際土壤及非根際土壤中有效氮含量在中度鹽堿脅迫處理?xiàng)l件下均顯著高于重度鹽堿脅迫處理，且均顯著低于對(duì)照，根際土壤中有效氮含量顯著高于非根際土壤（表1）。

表1 灰綠型羊草（GG）與黃綠型羊草（YG）非根際土壤及根際土壤理化性質(zhì)對(duì)鹽堿脅迫的響應(yīng)

MS：中度鹽堿脅迫；SS：重度鹽堿脅迫。不同大寫字母表示根際土壤或非根際土壤在鹽堿脅迫處理之間差異具有顯著性（＜0.05）；不同小寫字母表示在某一特定鹽堿脅迫處理?xiàng)l件下非根際土壤與根際土壤之間差異具有顯著性（＜0.05）

MS: moderate salt-alkaline stress; SS: severe salt-alkaline stress. Different uppercase letters indicate significant differences between the salt-alkaline treatments for either bulk soil or rhizosphere soil at<0.05; Different lowercase letters indicate significant differences between the bulk soil and rhizosphere soil at＜0.05

2.2 土壤根際微生物碳、氮含量的比較

2種生態(tài)型羊草非根際土壤和根際土壤的微生物碳含量及微生物氮含量在中度鹽堿脅迫處理下均顯著高于重度鹽堿脅迫處理（圖1）?；揖G型羊草根際土壤的微生物碳含量在2個(gè)鹽堿脅迫處理下均顯著低于對(duì)照（圖1-A，B），根際土壤微生物氮僅在重度鹽堿脅迫處理下顯著低于對(duì)照，黃綠型羊草根際土壤微生物氮及微生物碳含量在2個(gè)鹽堿脅迫處理下均顯著低于對(duì)照（圖1-C，D）。在根際土壤中，與對(duì)照相比，灰綠型羊草和黃綠型羊草土壤微生物碳含量在中度鹽堿脅迫處理分別降低14.19%和14.32%，在重度鹽堿脅迫處理下，土壤微生物碳含量分別降低37.30%和37.01%，土壤微生物氮含量分別降低22.08%和26.60%。2種類型羊草根際土壤的微生物碳含量與微生物氮含量均顯著高于非根際土壤（圖1）。

2.3 根際效應(yīng)比較

羊草的根際效應(yīng)對(duì)土壤pH呈負(fù)效應(yīng)，灰綠型羊草的pH根際效應(yīng)在對(duì)照和中度鹽堿脅迫處理下均顯著大于黃綠型羊草（圖2-A）?；揖G型羊草的有效氮根際效應(yīng)（圖2-B）和微生物碳根際效應(yīng)（圖2-C）在2個(gè)鹽堿脅迫處理下均顯著大于黃綠型羊草。僅在重度鹽堿脅迫處理下灰綠型羊草的微生物氮根際效應(yīng)大于黃綠型羊草，但差異不顯著（圖2-D）。

灰綠型羊草土壤微生物碳含量（A）；黃綠型羊草土壤微生物碳含量（B）；灰綠型羊草土壤微生物氮含量（C）；黃綠型羊草土壤微生物氮含量（D）；不同大寫字母表示根際土壤或非根際土壤在鹽堿處理間差異顯著；不同小寫字母表示在某一特定鹽堿處理?xiàng)l件下非根際土壤和根際土壤之間差異顯著

2.4 光合生理與生長的比較

2種生態(tài)型羊草的凈光合速率在中度鹽堿脅迫處理下均顯著高于重度鹽堿脅迫處理，且均顯著低于對(duì)照。黃綠型羊草的凈光合速率傷害率均顯著高于灰綠型羊草（圖3-A）。葉片脯氨酸含量和可溶性糖含量在中度鹽堿脅迫處理下均顯著低于重度鹽堿脅迫處理，且均顯著高于對(duì)照，灰綠型羊草的葉片脯氨酸敏感指數(shù)在重度鹽堿脅迫處理下顯著高于黃綠型羊草（圖3-B）?；揖G型羊草的葉片可溶性糖含量敏感指數(shù)和滲透壓在2個(gè)鹽堿處理下均顯著高于黃綠型羊草（圖3-B，圖4）。與對(duì)照相比，灰綠型羊草與黃綠型羊草株高在中度鹽堿脅迫處理下分別降低9.47%和17.81%，在重度鹽堿脅迫處理下分別降低19.40%和25.19%?；揖G型羊草和黃綠型羊草的地下生物量在中度鹽堿脅迫下分別降低了26.78%和26.36%，在重度鹽堿脅迫下分別降低了31.90%和33.45%。2種生態(tài)型羊草的地上生物量、地下生物量和總生物量2個(gè)鹽堿脅迫處理均顯著低于對(duì)照（表2）。

3 討論

3.1 鹽堿脅迫對(duì)羊草根際效應(yīng)的影響

鹽堿脅迫會(huì)使土壤表層板結(jié)，土壤養(yǎng)分可利用性降低，進(jìn)而影響植物吸收根際土壤中營養(yǎng)物質(zhì)和水分[31]。根際土壤的理化性質(zhì)受植物和鹽堿脅迫的共同作用，可用根際效應(yīng)的強(qiáng)弱來表示根際土壤相對(duì)于非根際土壤中各指標(biāo)變化幅度[32]。比較不同程度的鹽堿脅迫中灰綠型羊草和黃綠型羊草的根際效應(yīng)大小，對(duì)探究2種生態(tài)型羊草調(diào)控其根際環(huán)境能力的差異具有重要意義。本研究表明非根際土壤與根際土壤pH隨著鹽堿脅迫程度的增加而增加，根際土壤pH始終低于非根際土壤（表1），這可能是由于羊草根系分泌物的作用。有研究發(fā)現(xiàn)，植物根系可以通過質(zhì)子泵外排H+及分泌有機(jī)酸[20]等途徑來降低其根際pH，提高土壤養(yǎng)分的有效性[15]。另外，根系分泌物中的粘膠物質(zhì)可攜帶羧基等酸性基團(tuán)釋放出H+從而起到降低土壤pH的作用[33]?？傆袡C(jī)碳與總氮含量在2個(gè)鹽堿處理和對(duì)照之間以及非根際土壤與根際土壤之間，均不存在顯著差異（表1），說明短期鹽堿脅迫處理未對(duì)土壤中全量養(yǎng)分含量產(chǎn)生顯著影響。銨態(tài)氮和硝態(tài)氮是植物可直接利用的無機(jī)氮形態(tài)，其加和為有效氮，根際土壤中有效氮的含量顯著高于非根際土壤。根際土壤中的微生物碳和氮含量也高于非根際土壤，說明羊草通過釋放根系分泌物刺激微生物生長、活動(dòng)和周轉(zhuǎn)從而促進(jìn)根際有機(jī)物的礦化（即“激發(fā)效應(yīng)”）和氮循環(huán)[34]。非根際土壤與根際土壤的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量在中度鹽堿脅迫處理下均顯著高于重度鹽堿脅迫處理，且均顯著低于對(duì)照（表1），這可能與土壤pH升高抑制氨化作用和硝化作用有關(guān)[35]。鹽堿脅迫不但會(huì)降低土壤中有效氮含量，而且還會(huì)降低植物對(duì)可利用氮的吸收能力[36]，從而影響植物的正常生命活動(dòng)。

pH根際效應(yīng)（A）；有效氮根際效應(yīng)（B）；微生物碳根際效應(yīng)（C）；微生物氮根際效應(yīng)（D）。不同小寫字母表示灰綠型羊草或黃綠型羊草鹽堿處理間差異顯著。下同

圖3 鹽堿脅迫處理下，灰綠型羊草（GG）和黃綠型羊草（YG）葉片凈光合速率傷害率、脯氨酸敏感指數(shù)和可溶性糖敏感指數(shù)

表2 灰綠型羊草（GG）與黃綠型羊草（YG）在兩種鹽堿脅迫處理下生長及生理指標(biāo)變化

不同小寫字母表示灰綠型羊草或黃綠型羊草鹽堿處理間差異具有顯著性

Different lowercase letters indicate significant differences between the salt-alkaline treatments for either grey green (GG) or yellow green (YG) ecotype of L.

圖4 鹽堿脅迫處理下，灰綠型羊草（GG）和黃綠型羊草（YG）葉片滲透壓變化

土壤微生物參與各種生物地球化學(xué)循環(huán)，在土壤礦化、養(yǎng)分循環(huán)及土壤聚集和植物生長中起著不可或缺的作用，因此微生物多樣性是生態(tài)系統(tǒng)功能的重要組成部分[34]。土壤微生物量對(duì)環(huán)境變化敏感性較高。非根際土壤與根際土壤的微生物碳氮含量在中度鹽堿處理下均顯著高于重度鹽堿處理，且均顯著低于對(duì)照（表1），表明鹽堿脅迫處理影響了微生物的數(shù)量和活性。Zhu等[37]的研究表明，適度的鹽脅迫可減少土壤中真菌、細(xì)菌和放線菌的數(shù)量?；揖G型羊草微生物碳（圖2-C）和氮（圖2-D）的根際效應(yīng)均顯著大于黃綠型羊草，表明灰綠型羊草更具有緩解鹽堿脅迫對(duì)土壤微生物碳氮含量不利影響的能力，進(jìn)而提高氮的有效性。張寶田等[22]的研究表明光堿斑移栽羊草降低了土壤的pH和電導(dǎo)率，能夠?qū)崿F(xiàn)快速恢復(fù)草地植被的目的。本試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)羊草能夠通過根際效應(yīng)顯著降低土壤pH，顯著提高土壤的有效氮含量及土壤的微生物生物量，但不同生態(tài)型羊草間存在差異。研究結(jié)果為通過羊草移栽治理鹽堿退化草地方法提供了理論依據(jù)。

3.2 鹽堿脅迫對(duì)羊草光合生理的影響

2種生態(tài)型羊草的凈光合速率在中度鹽堿脅迫處理下均顯著高于重度鹽堿脅迫處理，且均顯著低于對(duì)照，這與徐月喬[36]和Lin[38]以及黃立華[39]的研究結(jié)果一致。黃綠型羊草凈光合速率傷害率顯著高于灰綠型羊草（圖3-A），表明灰綠型羊草具有更強(qiáng)的耐鹽堿性。鹽堿脅迫導(dǎo)致根際土壤滲透勢降低從而抑制植物對(duì)土壤中水分的吸收，造成生理干旱[11]。耐鹽堿植物可通過合成有機(jī)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)（如脯氨酸及可溶性糖等）提高自身滲透壓從而增強(qiáng)對(duì)土壤水分的吸收。羊草的葉片脯氨酸含量與可溶性糖含量及葉片滲透壓在中度鹽堿脅迫處理下均顯著低于重度鹽堿脅迫處理，且均顯著高于對(duì)照，這與Anjum等[40]和Yang等[41]的研究結(jié)果一致?；揖G型羊草的葉片滲透壓高于黃綠型羊草（圖4），灰綠型羊草具有更強(qiáng)的通過積累有機(jī)溶質(zhì)提高自身滲透壓的能力，進(jìn)而增強(qiáng)對(duì)土壤水分的吸收。

3.3 鹽堿脅迫對(duì)羊草生長的影響

2種生態(tài)型羊草株高、地上生物量、地下生物量及總生物量在2個(gè)鹽堿脅迫處理下均顯著低于對(duì)照（表2）。有研究發(fā)現(xiàn)鹽堿脅迫會(huì)導(dǎo)致植物莖、葉和根之間的生物量分配發(fā)生變化，從而改變光合作用和呼吸作用的平衡。鹽堿脅迫還會(huì)導(dǎo)致植物離子的無效循環(huán)或離子區(qū)域化，增加植物耗能，阻礙植物生長，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致植物死亡[42]。羊草受到鹽堿脅迫導(dǎo)致凈光合速率以及地上生物量降低，光合作用減弱，固碳能力減弱。此外，為防止?jié)B透脅迫對(duì)羊草造成傷害，羊草會(huì)增加有機(jī)溶質(zhì)含量（如脯氨酸和可溶性糖），有機(jī)溶質(zhì)的過多合成導(dǎo)致用于自身生長的碳源減少，不利于生物量的積累[43]。不同植物種類對(duì)鹽堿脅迫的敏感性存在差異，鹽堿脅迫對(duì)灰綠型羊草和黃綠型羊草影響程度不同，黃綠型羊草株高和地下生物量在鹽堿脅迫處理與對(duì)照處理相比的損失率均高于灰綠型羊草，說明黃綠型羊草遭受鹽堿脅迫傷害程度更大。這些試驗(yàn)結(jié)果在一定程度上驗(yàn)證了灰綠型羊草主要在松嫩平原鹽堿化草地占優(yōu)勢地位，而黃綠型羊草在未鹽堿化的內(nèi)蒙古典型草原所占比例明顯增多的分布差異現(xiàn)象[22]。

4 結(jié)論

2種生態(tài)型羊草均可通過自身根際效應(yīng)有效地改善鹽堿化土壤，且灰綠型羊草能更有效地適應(yīng)因鹽堿脅迫改變土壤理化性質(zhì)而對(duì)其造成的不利影響。鹽堿脅迫對(duì)黃綠型羊草造成的傷害大于灰綠型羊草，且灰綠型羊草在通過積累有機(jī)溶質(zhì)方式抵抗鹽堿脅迫的能力更強(qiáng)，表現(xiàn)出更強(qiáng)的鹽堿脅迫適應(yīng)性。綜上所述，相較于黃綠型羊草，灰綠型羊草更適合用于鹽堿退化草地的恢復(fù)。

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Salt-alkalinze stress induced rhizosphere effects and photosynthetic physiological response of two ecotypes ofin Songnen meadow steppe

YAO Yuan1, XU YueQiao1, WANG Gui1,2, SUN Wei1

(1Institute of Grassland Science, Northeast Normal University/Key Laboratory for Vegetation Ecology, Ministry of Education, Changchun 130024;2College of Life Sciences, Changchun Normal University, Changchun 130032)

【】 This study was designed to explore differences in rhizosphere effects and photosynthetic physiological activities between the grey green (GG) and yellow green (YG) ecotypes of(L.) in Songnen plains in response to saline-alkali stress, and to provide a theoretical basis for selecting the ecotype of L.suitable for the restoration of degraded saline-alkali grasslands. 【】 Using a pot experiment, the changes of soil and plant under the control, moderate salt-alkaline stress and severe salt-alkaline stress treatments for 30 days were studied, including pH, electrical conductivity, total organic carbon content, total nitrogen content, NH4+-N content, NO3--N content, microbial biomass carbon content and microbial biomass nitrogen content of rhizosphere soil and bulk soil, as well as leaf net photosynthetic rate, leaf proline content, leaf soluble sugar content and plant height, aboveground biomass and belowground biomass of the two ecotypes of L.. The moderate saline-alkali stress was achieved by mixing 40 mmol·L-1NaCl solution, 40 mmol·L-1Na2CO3solution, 360 mmol·L-1Na2SO4solution and 360 mmol·L-1NaHCO3solution at 1﹕1﹕1﹕1. The severe saline-alkali stress treatment was reached by mixing 200 mmol·L-1NaCl solution, Na2SO4solution, NaHCO3solution and Na2CO3solution at 1﹕1﹕1﹕1. 【】The NH4+-N content, NO3--N content, available nitrogen content, microbial biomass carbon content and microbial biomass nitrogen content of rhizosphere and bulk soil under the moderate salt-alkaline stress treatment were significantly higher than those under the severe salt-alkaline stress treatment. For both ecotypes, the rhizosphere soil had a significantly lower pH value than that of the bulk soil. Moreover, the rhizosphere soil had greater available nitrogen content, microbial biomass carbon content and microbial biomass nitrogen content relative to the bulk soil. The rhizosphere effects of pH in the GG ecotype ofwere significantly higher than that of the YG ecotype under the control and moderate salt-alkaline stress treatment. The rhizosphere effects of available nitrogen content and microbial biomass carbon content in the GG ecotype ofwere significantly higher than those of the YG ecotype. For both ecotypes, the net photosynthetic rate, leaf soluble sugar content and leaf proline content under the moderate salt-alkaline stress treatment were significantly higher than those under the severe salt-alkaline stress treatment. The aboveground biomass, belowground biomass and total biomass under the salt-alkaline stress treatments were significantly lower than those under the control treatment. The loss rate of plant height and belowground biomass, and harm percentage of net photosynthetic rate in the YG ecotype of L.were significantly higher than them in the GG ecotype. Compared to the YG ecotype, the GG ecotype had significantly higher sensitive indexes of leaf proline content, leaf soluble sugar content and osmotic pressure. 【】 The GG ecotype of L.could more effectively alleviate the adverse effects of saline-alkali stress on soil physical and chemical properties and showed stronger saline-alkali resistance than the YG ecotype.

salt-alkaline stress; grey green ecotype of L.; yellow green ecotype of L.; rhizosphere effect; photosynthetic physiology

10.3864/j.issn.0578-1752.2020.13.007

2019-09-06；

2019-12-26

國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目（2016YFC0500602）、國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（31570470，31870456）

姚遠(yuǎn)，E-mail：yaoy287@nenu.edu.cn。通信作者孫偉，E-mail：sunwei@nenu.edu.cn

（責(zé)任編輯 林鑒非，楊鑫浩）