甜菜根系對根際土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

潘恒艷，崔晶晶，韓卓君，宋柏權(quán)，周建朝，王秋紅

（黑龍江大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150080）

0 引言

根際土壤中含有多種有機物質(zhì)，其中根系分泌物也稱為根滲出物，是從植物根部釋放到根際的一組種類繁多的可溶性化合物[1]。主要由各種含碳化合物組成，包括低分子量（例如可溶性糖、氨基酸和有機酸陰離子）和高分子量（例如蛋白質(zhì)和粘液）物質(zhì)[2]。根系釋放的有機物質(zhì)不僅僅為根際微生物提供了豐富的碳源，而且極大地改變了根際土壤的物理和化學(xué)性質(zhì)，進而對根系的養(yǎng)分狀況產(chǎn)生重大的影響[3]。尤其是低分子量的可溶性有機物，含量少卻能明顯地改變根際的土壤化學(xué)過程，促進難溶性養(yǎng)分的溶解[4]。因此，根際土壤中的有機物質(zhì)的變化特征能夠間接或直接地影響根際土壤中的養(yǎng)分含量。

在根際土壤中，根系分泌物的濃度降低主要取決于兩個方面：化學(xué)（吸附或解吸）和生物學(xué)過程（例如微生物消耗）引起的擴散和降解。微生物消耗有助于根滲出物的耗散，因為它提供了根際微生物的存活和繁殖所需的營養(yǎng)和能量[5-6]。另外，根系分泌物會抑制氮（N）循環(huán)中的生物硝化過程[7]，可以通過根系分泌物的浸出，徑流和反硝化來降低N 損失，增加作物的氮素利用率，從而減輕農(nóng)業(yè)來源的N 污染。

目前，對甜菜根系分泌物的收集和研究多采用室內(nèi)盆栽[8]培養(yǎng)法，利用室內(nèi)可控的無菌條件收集根系分泌物，這種方法的缺點是忽略了田間自然條件下根際環(huán)境的影響。但是在田間試驗時、原位靜態(tài)收集根系分泌物需要比較復(fù)雜的試驗裝置[9]?？紤]到根際土壤的各種成分及微生物對根系分泌物的影響，本研究在田間采用網(wǎng)袋培養(yǎng)法，直接對不同生長階段甜菜的根際土壤中根系分泌物的主要成分（包括氨基酸類、有機酸類和糖類）進行測定，并分析各主要成分與根際土壤化學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性，試圖在天然土壤復(fù)雜性和變異性的背景下，探究根際土壤有機養(yǎng)分的變化特征及根系分泌物與環(huán)境因素（生物和非生物因素）的相互作用，為進一步研究根系對根際土壤有機物質(zhì)的吸收特征及其生理機制的影響提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2020 年4 月在黑龍江大學(xué)呼蘭校區(qū)田間進行。試驗材料選取有機氮吸收效率高、低的品種[10]各1個，分別為有機氮高效的品種‘KWS8138’和有機氮低效的品種‘Beta176’。

1.2 試驗方法

用尼龍布（300 目）做網(wǎng)袋，制作直徑為0.55 m 的網(wǎng)袋42 個，邊緣穿繩收口。選取表層0～25 cm 土壤，不施氮肥（N：0 mg/kg，P：150 mg/kg，K：150 mg/kg）處理，混勻后，按照土壤容重1.34 g/cm3在桶中分層裝入8 kg底土及12 kg 網(wǎng)袋外土，二者成分一致，然后在網(wǎng)袋內(nèi)裝入1.25 kg 土后埋入桶中，于網(wǎng)袋內(nèi)播種30 粒甜菜種子，覆土150 g。每份材料12 個重復(fù)。于甜菜苗期、葉叢快速生長期、塊根糖分積累期和收獲期取根際和非根際土壤待測，其中根際土壤在網(wǎng)袋內(nèi)收集，是距離活體根系表面1～2 mm 以內(nèi)的土壤和根表面及其粘附的土壤，非根際土是指網(wǎng)袋外的土壤，每份土壤3次重復(fù)。

1.3 測定指標

對甜菜不同時期取到的根際和非根際土壤，測定其化學(xué)性質(zhì)，同時測定其根際土壤中的有機物質(zhì)。測定指標包括土壤中的化學(xué)成分，⑴有機氮組分：氨態(tài)氮（Ammonia nitrogen,AN）、氨基酸態(tài)氮（Amino acid nitrogen,AAN）、氨基糖態(tài)氮（Amino sugar nitrogen,ASN）；⑵其他：全氮（Total nitrogen,TN）、堿解氮（Alkali-hydrolyzable nitrogen,Alkali-N）、無機氮（Inorganic nitrogen，包括硝態(tài)氮和銨態(tài)氮）、有機質(zhì)（Soil organic matter,SOM）、pH、含水量（Water content）。以及土壤中的有機物質(zhì)，⑴氨基酸類：精氨酸（Arg），谷氨酸（Glu），總氨基酸（Total amino acids），其中總氨基酸為組氨酸（His）、絲氨酸（Ser）、精氨酸（Arg）、甘氨酸（Gly）、天冬氨酸（Asp）、谷氨酸（Glu）、蘇氨酸（Thr）、丙氨酸（Ala）、脯氨酸（Pro）、半胱氨酸（Cys）、賴氨酸（Lys）、酪氨酸（Tyr）、蛋氨酸（Met）、纈氨酸（Val）、異亮氨酸（Ile）、亮氨酸（Leu）、苯丙氨酸（Phe）17 種氨基酸總量；⑵有機酸類：草酸（Oxalicacid）、甲酸（Formicacid）；⑶糖類：葡萄糖（Glucose）。

采用高效液相色譜法測定氨基酸[11]、有機酸[12]、糖[13]；采用實驗室常規(guī)方法[14]測定土壤總氮、無機氮（包括硝態(tài)氮和銨態(tài)氮）、速效氮、SOM、pH 等；土壤有機氮各組分的含量測定采用BREMNER[15]的酸解法。

試驗用土取自黑龍江大學(xué)呼蘭校區(qū)試驗田，基礎(chǔ)土樣含有機質(zhì)（SOM）48.72 g/kg、堿解氮（Alkali-N）153.66 mg/kg、速效磷（Valid-P）117.76 mg/kg、速效鉀（Valid-K）136.97 mg/kg、全氮（TN）2.02 g/kg、全磷[TP(P2O5)]0.157 g/kg、全鉀[TK(K2O)]0.309 g/kg，pH為6.38[14]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析及圖表采用SPSS 25.0和EXCEL 2019完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 甜菜根際和非根際土壤的化學(xué)性質(zhì)分析

在甜菜的不同發(fā)育階段分別取根際及非根際土壤，分析了土壤中有機氮各組分（包括AN、AAN和ASN），以及土壤TN、無機氮、Alkali-N、SOM 及pH 等化學(xué)性質(zhì)在甜菜生長季的變化情況。土壤有機氮組分中AN、AAN和ASN 在甜菜各發(fā)育階段根際和非根際的變化情況見表1，AN在根際內(nèi)的含量高于非根際，高0.002～0.018（平均0.011）g/kg，隨著植株的生長，AN含量逐漸降低；甜菜有機氮高效品種‘KWS8138’根際內(nèi)的AN含量高于有機氮低效品種‘Beta176’，高0.025～0.035（平均0.029）g/kg，說明其根際土壤礦化的AN 較多。這主要是甜菜全生育期內(nèi)的根系活動及土壤微生物代謝促進了根際土壤有機氮中AN 的礦化，另外，植物無法直接利用NH3-N（氨態(tài)氮，AN），也會導(dǎo)致根際AN含量較高，有機氮高效品種對AN的吸收利用少于有機氮低效的品種。AAN 在根際的含量低于非根際土壤，低0.017～0.029（平均0.023）g/kg，從苗期到收獲期，AAN 含量逐漸增加；有機氮高效品種根際AAN 的含量比低效品種高0.011～0.026（平均0.019）g/kg。說明根際土壤有機氮礦化出的AAN被根系直接吸收或土壤微生物的代謝利用。隨著植株的生長，由根系分泌的或者土壤中有機氮礦化的AAN逐漸增多，導(dǎo)致土壤中AAN的含量升高。ASN在根際和非根際的變化趨勢與AAN相同，根際比非根際低，低0.005～0.044（平均0.023）g/kg，隨著植株的生長逐漸增加，收獲期達到最高值；不同的是在有機氮高效品種根際含量顯著低于低效品種，低0.037～0.048（平均0.043）g/kg?？梢婋S著甜菜植株的生長，對ASN的吸收利用逐漸減少，有機氮高效的甜菜植株對ASN的吸收利用相對低效品種顯著增加。

表1 根際和非根際土壤中有機氮各組分含量差異Table 1 The content differences of each component of organic nitrogen in rhizosphere and non-rhizosphere soil

根際土壤TN 含量高于非根際土壤中的含量，高0.004～0.032（平均0.017）g/kg；有機氮高效品種‘KWS8138’高于低效品種‘Beta176’，高0.001～0.016（平均0.008）g/kg（表2）。SOM 在根際的含量要低于非根際，隨著植株的生長，SOM 含量也在逐漸降低；不同品種差異較大，有機氮吸收效率高的品種SOM 含量（平均43.47 g/kg）高于低效的品種（36.73 g/kg）。根際土壤的Alkali-N 含量略低于非根際，低0～0.007（平均0.003）g/kg，苗期到收獲期含量稍有增加；有機氮高效品種低于有機氮低效的品種，低0.015～0.019（平均0.017）g/kg。根際土壤pH 略低于非根際，低0～0.02（平均0.01），苗期到收獲期逐漸升高；有機氮高效品種高于低效品種，低0.11～0.22（平均0.17）。無機氮根際內(nèi)外差異除了‘KWS8138’苗期和葉叢快速生長期差異顯著外，其他時期差異不顯著，隨植株的發(fā)育也無明顯的變化，有機氮高效與低效品種之間也無明顯差異。

表2 根際和非根際土壤中TN、無機氮、Alkali-N、SOM 及pH 含量差異Table 2 Differences of total nitrogen,inorganic nitrogen,alkali hydrolyzable nitrogen,organic matter and pH in rhizosphere and non-rhizosphere soil

2.2 根際土壤中的有機物質(zhì)在甜菜不同生長階段的變化特征

根際土壤中的有機物質(zhì)（氨基酸、有機酸和糖類）是甜菜根系分泌物的主要成分，在甜菜不同生長階段，植株根系對土壤中有機氮素的吸收和利用均有差異。由表3 可知，有機氮高效品種‘KWS8138’的根際土壤中總氨基酸、Glu、Arg、草酸、甲酸、葡萄糖均高于低效品種‘Beta176’，分別高11.25、3.08、1.77、56.80、2.55、1.55μg/(g·h)?？偘被岷虯rg含量從苗期到收獲期呈逐漸增加趨勢，平均增幅分別為14.64%、37.74%；Glu、草酸、甲酸、葡萄糖含量從苗期到收獲期逐漸降低，平均降幅分別為36.91%、92.02%、84.25%、78.11%，其中草酸降幅最大。

表3 根際土壤中有機物質(zhì)在甜菜不同生長階段的含量變化Table 3 The content of organic material in the rhizosphere soil varies at different growth stages of sugarbeet

2.3 根際土壤中的有機物質(zhì)與土壤化學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性分析

土壤有機氮吸收效率高的品種‘KWS8138’不同發(fā)育階段根際土壤中的有機物質(zhì)與化學(xué)性質(zhì)的相關(guān)系數(shù)見表4，Glu、草酸與AN 和SOM 顯著正相關(guān)，與AAN、ASN、TN 顯著負相關(guān)；葡萄糖與AN 和SOM 顯著正相關(guān)，與ASN、TN顯著負相關(guān)。甲酸與SOM顯著正相關(guān)，根際土壤中有機物質(zhì)與pH均未顯著相關(guān)。

表4 KWS8138 根際土壤中的有機物質(zhì)與土壤主要化學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性Table 4 Correlation of organic material and the main chemical properties of the soil in the KWS8138 rhizosphere soil

對土壤有機氮吸收效率低的品種‘Beta176’不同發(fā)育階段根際土壤中的有機物質(zhì)與化學(xué)性質(zhì)的相關(guān)系數(shù)見表5，總氨基酸、Arg 與AAN、TN、Alkali-N 顯著正相關(guān)，與AN 和SOM 顯著負相關(guān)。Glu、草酸、葡萄糖與AN和SOM顯著正相關(guān)，與AAN、TN、Alkali-N顯著負相關(guān)。甲酸與AN顯著正相關(guān)，與Alkali-N顯著負相關(guān)，葡萄糖與pH顯著負相關(guān)。

表5 Beta176 根際土壤中的有機物質(zhì)與土壤主要化學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性Table 5 Correlation of organic material and the main chemical properties in rhizosphere soil in the Beta176

3 討論

根際土壤中的有機物質(zhì)主要來自植物根系分泌物，植物根系向根際分泌的多種化合物在根際土壤的養(yǎng)分循環(huán)、微生物群落分布及SOM 分解等方面都起到關(guān)鍵性的作用[16]。根系分泌物會因不同植物或同一植物的不同生長階段而異，導(dǎo)致植物物種根際組成成分產(chǎn)生差異[17-18]。有研究表明，根際土壤比周圍非根際土壤中的成分和結(jié)構(gòu)更復(fù)雜[19-21]。進入根際的有機物質(zhì)可以加速土壤氮循環(huán)[22-23]，主要是通過刺激土壤有機質(zhì)（SOM）分解來促進N代謝[24-25]。在這個生化過程中，根際通過啟動效應(yīng)將碳和氮的分解聯(lián)系起來，從而增加養(yǎng)分的有效吸收利用[26]。因此，有機氮高效的品種可在低氮條件下更大程度地促進土壤中有機氮礦化后形成更多的AN、AAN，更能適應(yīng)低營養(yǎng)條件，大大減少了對氮肥施入的需求。

植物根系分泌物直接影響土壤中有機質(zhì)（有機碳）的含量[27]，通過釋放大量的碳（有機酸、糖和氨基酸）來調(diào)節(jié)土壤環(huán)境，這可能會增強微生物之間的相互作用[28]，從而對土壤的碳礦化產(chǎn)生正激發(fā)效應(yīng)[29]。當土壤中的碳氮比較低的時候或者植物生長發(fā)育需要較高的氮時，植物可以通過根系分泌物改變土壤中的養(yǎng)分有效性，從而適應(yīng)周圍環(huán)境的變化[30-31]。‘KWS8138’對土壤有機氮吸收效率較高，在氮素養(yǎng)分不足時，根系能分泌出更多的氨基酸，為根際微生物提供碳源，從而改變根際土壤養(yǎng)分的有效性來適應(yīng)環(huán)境。

研究表明，在逆境脅迫下，植物根系可通過向根際環(huán)境分泌有機酸來減輕脅迫[32]，其機理是通過改變根際pH 和氧化還原條件，通過螯合作用和還原作用增加元素的溶解度和移動性，進而促進植物根系對這些養(yǎng)分的吸收和利用[33-34]。根系分泌物中低分子量羧酸鹽（≤3 個羧基）如草酸，可增加植物對磷的吸收[35]。無論是‘KWS8138’還是‘Beta176’，根際土壤中的草酸都與根際土壤的pH 呈負相關(guān)，土壤pH 的變化直接影響根際的細菌群落，微生物多樣性的下降與土壤pH 的下降密切相關(guān)[36]，由此推測甜菜根際土壤中草酸的量會影響根際土壤微生物中細菌的含量。甜菜根系分泌物為根際的微生態(tài)環(huán)境提供了能源，在一定程度上改變了微生物根際環(huán)境的生態(tài)分布[37]。

4 結(jié)論

（1）根際土壤有機氮礦化的各組分中，氨態(tài)氮（AN）在根際內(nèi)的含量高于非根際，在甜菜收獲期降到最低，‘KWS8138’對AN 的吸收少于‘Beta176’，說明根際土壤礦化的AN 較多，這主要是甜菜全生育期內(nèi)的根系活動及土壤微生物代謝可能促進了根際土壤有機氮中AN 的礦化，另外，植物無法直接利用NH3-N（AN），也會導(dǎo)致根際AN 含量較高；氨基酸態(tài)氮（AAN）和氨基糖態(tài)氮（ASN）在根際的變化趨勢與AN 相反，在根際內(nèi)的量低于非根際，隨著生育期逐漸升高。根際土壤有機質(zhì)（SOM）、堿解氮（Alkali-N）含量和pH 的變化與AAN、ASN相一致，在根際內(nèi)的含量低于非根際。

（2）土壤有機氮吸收效率高的品種‘KWS8138’中總氨基酸、Arg 與AAN、ASN、TN、Alkali-N 顯著正相關(guān)，與AN、無機氮和SOM顯著負相關(guān)。Glu、草酸、葡萄糖與AN 和SOM顯著正相關(guān)，與AAN、ASN、TN呈顯著負相關(guān)趨勢，甲酸與SOM顯著正相關(guān)，根際土壤中有機物質(zhì)與pH均未顯著相關(guān)。土壤有機氮吸收效率低的品種‘Beta176’中總氨基酸、Arg與AAN、TN、Alkali-N顯著正相關(guān)，與AN 和SOM 顯著負相關(guān)。Glu、草酸、葡萄糖與AN和SOM顯著正相關(guān)，與AAN、TN、Alkali-N顯著負相關(guān)。甲酸與AN顯著正相關(guān)，與Alkali-N顯著負相關(guān)，葡萄糖與pH顯著負相關(guān)。