不同秋眠類型紫花苜蓿根際與非根際土壤理化性質(zhì)及化學(xué)計(jì)量特征

昝看卓， 阿山江·伊米尼江， 劉 叢， 譚 凱， 白 婕， 何樹斌， 王可珍， 屈 洋， 龍明秀*

(1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)草業(yè)與草原學(xué)院， 陜西 楊凌 712100；2. 寶雞市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院， 陜西 岐山 722400)

紫花苜蓿(Medicagosativa)是一種產(chǎn)量高、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高、抗逆性強(qiáng)的多年生豆科牧草，具有“牧草之王”的美譽(yù)[1-2]。近年來，在“糧改飼”等國(guó)家戰(zhàn)略支持下，紫花苜蓿栽培面積不斷增加，《全國(guó)種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整規(guī)劃》提出，到2020年飼草料種植面積發(fā)展到633.65萬hm2，其中苜蓿種植面積要達(dá)到233.45萬hm2[3]。在我國(guó)黃土高原地區(qū)，紫花苜蓿不僅為當(dāng)?shù)匦竽翗I(yè)發(fā)展提供了營(yíng)養(yǎng)價(jià)值較高的優(yōu)質(zhì)飼草[4]，且在防止水土流失，增加土壤肥力等方面發(fā)揮了重要作用[5]。紫花苜蓿的秋眠性(Fall dormancy)是指在北緯中高緯度地區(qū)隨著秋季溫度和光照變化而導(dǎo)致苜蓿植株形態(tài)類型和生活力發(fā)生變化的生長(zhǎng)特性[6]，按秋眠性強(qiáng)弱分為強(qiáng)秋眠(1～3級(jí))、半秋眠(4～6級(jí))和非秋眠(7～9級(jí))3種類型。非秋眠苜蓿春季返青晚[7]，但在秋季收割后再生速度快[8]，產(chǎn)量要明顯高于秋眠級(jí)低的品種，因此，在我國(guó)北方地區(qū)合理選擇不同秋眠類型的苜蓿品種對(duì)苜蓿人工草地的建植極其重要。

根際是土壤—根系—微生物三者相互作用的場(chǎng)所，也是營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的最活躍的區(qū)域，在生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分分布與循環(huán)過程中發(fā)揮著重要作用[9-11]。研究表明根際土壤的物理、化學(xué)和生物學(xué)特征，如土壤有機(jī)碳(Soil organic carbon，SOC)、全氮(Total nitrogen，TN)、全磷(Total phosphorus，TP)及其參與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)的蔗糖酶(Sucrase，SUC)、脲酶(Urease，URE)、蛋白酶(Protease，PRO)、堿性磷酸酶(Alkaline phosphatase，ALP)等顯著不同于非根際土壤[12-14]。因此，闡明根際和非根際土壤中C、N、P營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)積累和循環(huán)的規(guī)律，對(duì)于土壤肥力、土壤質(zhì)量及土壤健康的評(píng)價(jià)與管理具有指導(dǎo)意義[15-16]。春季再生期和冬季休眠期強(qiáng)秋眠、半秋眠和非秋眠紫花苜蓿在根系營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)與貯藏、再生速度和產(chǎn)量等方面存在明顯的差異[17]，這是否會(huì)導(dǎo)致不同秋眠類型苜蓿在土壤根際微生態(tài)存在差異性，目前鮮有這方面的研究。因此，本研究測(cè)定了陜西關(guān)中地區(qū)種植5年的不同秋眠類型紫花苜蓿根際和非根際的土壤理化性質(zhì)，有助于進(jìn)一步探究不同秋眠類型紫花苜蓿土壤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)與生產(chǎn)力之間的關(guān)系以及根際土壤微生態(tài)。

1 材料與方法

1.1 樣地概況

試驗(yàn)地設(shè)在陜西省寶雞市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院劉家塬試驗(yàn)站(34.5°N，107.5°E)，位于關(guān)中平原西部，平均海拔669.6 m，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，夏季高溫多雨，冬季低溫少雨，年平均氣溫12℃，極端最高溫度36℃左右，極端最低溫度-4℃左右，年平均日照時(shí)數(shù)2 064.8 h,平均無霜期214 d,年平均降水量623.8 mm[18]，降雨分配不均，主要集中在7—9月。試驗(yàn)地土質(zhì)為黃綿土、婁土，試驗(yàn)小區(qū)地勢(shì)平坦，肥力均勻，光照充足，適于紫花苜蓿的生長(zhǎng)。

1.2 樣地設(shè)置與樣品采集

本研究選用了WL298HQ(D)、雷霆(SD1)、前景(SD2)、賽迪7(ND1)和精英(ND2)[19-21]5個(gè)品種紫花苜蓿作為試驗(yàn)對(duì)象(表1)，采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)小區(qū)長(zhǎng)10 m，寬3 m，行間距30 cm。

表1 供試紫花苜蓿品種的休眠類型

在冬季休眠期和春季再生期分別采樣，采用5點(diǎn)取樣法(即分別選取樣方4個(gè)頂點(diǎn)和中心位置)在每個(gè)小區(qū)采集土壤樣品，根際土壤樣品的采集參考Chaudhary的抖落法[22]，挖取具有完整根系的土體(根系主要分布的范圍)，先輕輕抖落大塊不含根系的土壤，取下附在根系周圍的土壤，作為非根際土；然后用刷子刷下黏附在根系周圍的土壤(距離0～5 mm)，作為根際土[23]，隨后將每個(gè)樣地5個(gè)點(diǎn)的根際與非根際土壤分別混勻?yàn)橐环輳?fù)合土壤樣本，帶回實(shí)驗(yàn)室；土壤樣品用于土壤有機(jī)碳(SOC)、土壤全氮(TN)、土壤全磷(TP)及土壤酶活性的測(cè)定。

1.3 土壤理化性質(zhì)分析

土壤有機(jī)質(zhì)(SOC)用重鉻酸鉀容量法測(cè)定；土壤全氮(TN)用凱氏法消解，AA3型連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定；土壤全磷(TP)用H2SO4-HClO4消解法測(cè)定；蔗糖酶(Sucrase，SUC)采用3,5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定；脲酶(Urease，URE)用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定；蛋白酶(Protease，PRO)用茚三酮比色法；堿性磷酸酶(Alkaline phosphatase，ALP)用磷酸苯二鈉比色法測(cè)定[24-25]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

利用Excel軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理并處理，SPSS19.0軟件進(jìn)行單因素方差分析(One-Way ANOVA)和最小顯著差異(LSD)檢驗(yàn)，用Origin2021軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 休眠期和再生期不同秋眠類型紫花苜蓿根際與非根際土壤養(yǎng)分含量變化

在冬季休眠期，除強(qiáng)秋眠苜蓿(D)根際TN含量略低于非根際土壤(P>0.05)外，其余各秋眠類型苜蓿土壤SOC,TN,TP含量及C∶N，N∶P，C∶P整體上表現(xiàn)為根際土壤高于非根際土壤，且SOC、TN在根際土壤中顯著富集(P<0.05)，TP無顯著差異(P>0.05)(圖1,表2)。隨著秋眠級(jí)遞增，根際與非根際土壤的SOC、TN含量逐漸升高，即D

圖1 休眠期不同秋眠類型紫花苜蓿根際與非根際土壤SOC,TN,TP含量

表2 休眠期不同秋眠類型紫花苜蓿根際與非根際土壤化學(xué)計(jì)量特征

在春季再生期，SOC,TN,TP含量及C∶N，N∶P，C∶P表現(xiàn)為根際土壤高于非根際土壤，且SOC、TN、C∶N、C∶P差異顯著(P<0.05)，TP,N∶P無顯著差異(P>0.05)(圖2,表3)。除D的TN含量低于SD2(P<0.05)外，強(qiáng)秋眠苜蓿(D)的根際與非根際土壤其余指標(biāo)均高于半秋眠(SD)和非秋眠苜蓿(ND)，且整體趨勢(shì)為隨著秋眠級(jí)數(shù)遞增，土壤養(yǎng)分含量逐漸降低；根際與非根際土壤的C∶N,N∶P,C∶P在各秋眠類型之間普遍表現(xiàn)為D高于SD,ND。

圖2 再生期不同秋眠類型紫花苜蓿根際與非根際土壤SOC、TN、TP含量

表3 再生期不同秋眠類型紫花苜蓿根際與非根際土壤化學(xué)計(jì)量特征

2.2 休眠期和再生期不同秋眠類型紫花苜蓿土壤酶活性變化

由圖3、4可知在冬季休眠期和春季再生期，土壤酶活性整體表現(xiàn)為根際土壤顯著高于非根際土壤(P<0.05)。就根際土壤而言，在休眠期，D的土壤脲酶活性高于ND，ND的蔗糖酶、蛋白酶及堿性磷酸酶活性均顯著高于D(P<0.05)；再生期苜蓿土壤脲酶、蔗糖酶、蛋白酶活性變化趨勢(shì)與休眠期相反，即D的土壤脲酶活性低于ND，蔗糖酶、蛋白酶活性均為ND顯著低于D(P<0.05)；堿性磷酸酶活性依然為ND顯著高于D(P<0.05)。冬季休眠期ND非根際土壤蔗糖酶顯著高于D(P<0.05)，再生期D與ND非根際土壤蔗糖酶、蛋白酶及堿性磷酸酶存在顯著差異(P<0.05)。

圖3 休眠期不同秋眠類型紫花苜蓿根際與非根際土壤酶活性變化

圖4 再生期不同秋眠類型紫花苜蓿根際與非根際土壤酶活性變化

2.3 休眠期和再生期不同秋眠類型紫花苜蓿土壤養(yǎng)分與酶活性之間的相關(guān)性分析

冬季休眠期，根際土壤SOC與TN正相關(guān)、與SUC極顯著正相關(guān)(P<0.01)，TN與SUC,PRO極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與URE負(fù)相關(guān)；非根際土壤SOC與TN、SUC呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與PRO,URE負(fù)相關(guān)，TN與SUC極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與PRO，URE負(fù)相關(guān)。春季再生期根際土壤SOC與TN、URE正相關(guān)，與SUC、PEO極顯著正相關(guān)(P<0.01)，TN與SUC極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與URE負(fù)相關(guān)(P>0.05)；非根際土壤SOC與TN、PRO負(fù)相關(guān)，TN與URE、SUC正相關(guān)(P>0.05、P<0.01)，與PRO負(fù)相關(guān)。

圖5 休眠期與再生期不同秋眠類型紫花苜蓿根系養(yǎng)分與土壤養(yǎng)分之間的相關(guān)性分析

3 討論

3.1 休眠期和再生期紫花苜蓿根際與非根際土壤理化性質(zhì)

本研究中不論冬季休眠期還是春季再生期土壤的SOC，TN，TP含量整體都表現(xiàn)為根際土高于非根際，與前人的研究結(jié)果一致[26-28]，這可能是由于植物根系分泌物向根表的遷移及其不斷從外界攝取養(yǎng)分，使得根際微區(qū)域內(nèi)的養(yǎng)分形態(tài)、濃度和分布等方面較為復(fù)雜，養(yǎng)分在根際周圍表現(xiàn)出明顯的根際正效應(yīng)，根系與土壤在根際區(qū)共同構(gòu)建了一個(gè)特殊的微生態(tài)系統(tǒng)[29-30]。本研究中的根際SOC，TN顯著高于非根際土壤，可能是由于豆科作物的結(jié)瘤固氮作用增加了土壤N的有效性[31]，且植物通過向根際釋放信號(hào)物質(zhì)，誘導(dǎo)根瘤菌侵染豆科根系，并利用豆科光合產(chǎn)物作為C源固定大氣中的N素，進(jìn)一步滿足對(duì)N素的需求，另一方面植物還會(huì)以向根際分泌氨基酸以及根系脫落物腐解形式將N素釋放到根際[32]；植物根系分泌物中的可溶性糖作為一種C源參與根際養(yǎng)分循環(huán)，故而根際土的SOC，TN均高于非根際土壤[33]。根際與非根際土壤TP變化無顯著差異，可能是由于P是一種沉積性礦物，在土壤中的遷移率較低，因此TP在整個(gè)空間中分布較為均勻[34]。

土壤酶作為土壤的組成部分，其活性的大小較敏感地反映了土壤養(yǎng)分循環(huán)和代謝活動(dòng)的強(qiáng)度[35]。本研究紫花苜蓿根際土壤酶活性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于非根際土壤，與前人研究結(jié)果一致[14]，這可能是由于植物根系分泌物作為信號(hào)物質(zhì)招募微生物[36]，而微生物數(shù)量是酶活性的影響因子之一[37]，故而導(dǎo)致根際酶活性高于非根際土壤。蔗糖酶在土壤有機(jī)質(zhì)的分解轉(zhuǎn)化中起重要作用，能反映土壤的生物化學(xué)活性[38]，蛋白酶是土壤有機(jī)氮水解為氨基酸過程中重要的酶，能夠?qū)⒌鞍踪|(zhì)、肽類分解為氨基酸，參與調(diào)節(jié)生物的N素代謝，是促進(jìn)土壤N循環(huán)的重要組分[39]，研究表明土壤SOC和TN是調(diào)控酶的主要因子[40]，本研究中根際土壤蔗糖酶和蛋白酶活性分別與SOC和TN呈正相關(guān)，與前人研究結(jié)果一致[41-42]。脲酶能促進(jìn)土壤中尿素轉(zhuǎn)化為植物生長(zhǎng)所需的N素[43-44]，土壤脲酶活性增大，N素含量增加[45-46]，但本研究中根際與非根際土壤TN與URE負(fù)相關(guān)，可能是由于不論在冬季休眠期還是春季再生期，紫花苜蓿都不斷吸收土壤內(nèi)的氮素，使得底物濃度減少[47],故而土壤脲酶的活性降低。

3.2 休眠期和再生期根際與非根際土壤化學(xué)計(jì)量比變化特征

土壤C∶N反映了C、N之間的平衡關(guān)系，是土壤有機(jī)質(zhì)組成和質(zhì)量程度的一個(gè)重要指標(biāo)[48]，能反映土壤N素的礦化能力和土壤有機(jī)質(zhì)的分解速度[15]。較低的C∶N表明土壤有機(jī)質(zhì)處于加速分解狀態(tài)，土壤有機(jī)N處于礦化水平[49]。本研究中冬季休眠期苜蓿根際與非根際的C∶N均高于全國(guó)平均值(12.3)[50]，表明研究區(qū)內(nèi)根際土壤有機(jī)質(zhì)的礦化速率較慢，由于此時(shí)土壤C和N多數(shù)來自凋落物的歸還，故而根際和非根際的C∶N都較高。在春季再生期，苜蓿根際C∶N高于12.3，而非根際C∶N低于12.3，這可能是由于再生期紫花苜蓿的根系進(jìn)行固氮從而導(dǎo)致有機(jī)氮的礦化速率變慢，此時(shí)非根際土壤的有機(jī)N礦化仍然較快。土壤N∶P可診斷N的飽和，同時(shí)也是預(yù)測(cè)土壤養(yǎng)分限制類型的重要指標(biāo)之一[51]，由土壤TN和TP含量共同決定[52]，本研究中冬季休眠期和春季再生期根際土壤的N含量均較非根際高，而P含量根際與非根際無顯著差異，故而N∶P總體表現(xiàn)為根際高于非根際且皆低于全國(guó)平均值(5.2)[50]。C∶P可判斷土壤磷礦化水平的高低[53]，本研究中休眠期和再生期的根際C∶P高于非根際土壤且遠(yuǎn)低于全國(guó)平均值(61.0)[50]，表明該區(qū)土壤P分解較快，有效性較高，這可能是由于豆科植物進(jìn)行固氮作用時(shí)會(huì)向根際釋放大量的質(zhì)子導(dǎo)致土壤酸化，從而改善了土壤中磷素的有效性[33]。

3.3 休眠期和再生期不同秋眠類型紫花苜蓿土壤養(yǎng)分變化

本研究中冬季休眠期根際與非根際土壤內(nèi)SOC,TN,TP含量整體變化趨勢(shì)表現(xiàn)為隨著秋眠級(jí)數(shù)遞增，養(yǎng)分含量逐漸升高，即強(qiáng)秋眠(D)<半秋眠(SD)<非秋眠(ND)，而再生期的表現(xiàn)趨勢(shì)正好相反，即強(qiáng)秋眠(D)>半秋眠(SD)>非秋眠(ND)，這可能是由于當(dāng)秋季日照長(zhǎng)度變短、溫度變低時(shí)，越冬能力強(qiáng)的品種的秋眠性將被觸發(fā)而在初秋停止地上部分的生長(zhǎng)，在秋季刈割之后，強(qiáng)秋眠苜蓿再生慢[8]，到晚秋時(shí)地上部向地下部輸送養(yǎng)分有限，為了保證安全越冬，根系從周圍土壤中吸收養(yǎng)分[54]，貯存營(yíng)養(yǎng)以備越冬之用，使得土壤內(nèi)養(yǎng)分含量降低；到春季再生期，強(qiáng)秋眠苜蓿返青早[7]且越冬時(shí)根系處于休眠[55]，根內(nèi)營(yíng)養(yǎng)消耗少故再生時(shí)從土壤內(nèi)吸收養(yǎng)分較少，而非秋眠苜蓿在秋季繼續(xù)旺盛生長(zhǎng)，而后常會(huì)在經(jīng)歷幾次霜凍后消耗根系存儲(chǔ)的養(yǎng)分，到春季再生時(shí)為了植株生長(zhǎng)而吸收的土壤養(yǎng)分多，可能使得休眠期非秋眠苜蓿(ND)土壤養(yǎng)分高于強(qiáng)秋眠苜蓿(D)，而再生期趨勢(shì)相反。在冬季休眠期和春季再生期，紫花苜蓿的秋眠級(jí)數(shù)大小與土壤養(yǎng)分含量高低分別表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)與正相關(guān)的關(guān)系，二者之間具體存在的機(jī)制調(diào)控，還需進(jìn)一步研究探索。

4 結(jié)論

本研究表明，紫花苜蓿根際土壤養(yǎng)分含量及土壤酶活性顯著高于非根際土壤，具有明顯的根際正效應(yīng)；冬季休眠期土壤SOC、TN、TP含量整體變化趨勢(shì)表現(xiàn)為隨著秋眠級(jí)數(shù)遞增，養(yǎng)分含量逐漸升高，即秋眠(D)<半秋眠(SD)<非秋眠(ND)，而再生期的表現(xiàn)趨勢(shì)正好相反。