適宜鋁土礦復(fù)墾土壤改良的固氮豆科植物篩選及固氮效應(yīng)研究

李浩聞,葉麗麗,陳永山,徐墨馨,蔣金平,3

(1.桂林理工大學(xué)廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 桂林 541004;2.泉州師范學(xué)院資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,福建 泉州 362000;3.桂林理工大學(xué)廣西巖溶地區(qū)水污染控制用水安全保障協(xié)同創(chuàng)新中心,廣西 桂林 541004)

【研究意義】鋁(Al)是地殼中最豐富的金屬元素,約占地殼質(zhì)量的7%[1]。土壤Al污染主要來源于采礦活動(dòng)[2]。廣西平果市鋁土礦是我國的主要鋁礦資源之一[3]。廣西地形獨(dú)特,多為丘陵地區(qū),耕地面積少,因而在鋁土礦開采結(jié)束后,將采空地復(fù)墾為耕地[4-5]。但鋁土礦采礦地復(fù)墾的土壤含氮(N)量較低[3],不利于提升作物的品質(zhì)和產(chǎn)量[6]。豆科植物與根瘤菌共生固氮能從大氣中獲得N素,減少化學(xué)肥料施用量,是可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要模式之一[7]。但目前關(guān)于豆科植物在鋁土礦采礦地復(fù)墾土壤中應(yīng)用方面的研究較少。因此,評價(jià)、篩選適合改良鋁土礦復(fù)墾土壤的固氮豆科植物,對鋁土礦復(fù)墾地土壤改良及礦區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】土壤N素是影響作物生長和產(chǎn)量的重要因素之一[8-9]。由于N對水環(huán)境和氣候變化會(huì)產(chǎn)生直接影響,因此,減少N從農(nóng)業(yè)途徑輸入環(huán)境過程中的損失對農(nóng)業(yè)和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要[10]。15N自然豐度法是固氮植物和非固氮植物利用不同有效N源而形成植物15N豐度差異以測定生物固氮量的方法[11],該方法主要利用氮循環(huán)過程中的同位素分餾作用,即參與生物化學(xué)反應(yīng)的底物和產(chǎn)物15N不同的現(xiàn)象,估計(jì)固氮植物N素源于固氮作用百分率,并結(jié)合氮生產(chǎn)力數(shù)據(jù)估算通量,近年來已逐漸應(yīng)用于生物固氮研究,在探索豆科作物生物固氮特性方面發(fā)揮著重要作用[12-13]。張變?nèi)A等[14]研究發(fā)現(xiàn),種植豆科植物毛苕子可以增加礦區(qū)復(fù)墾土壤微生物的物種多樣性,提高微生物活性,增強(qiáng)微生物代謝功能多樣性,使礦區(qū)復(fù)墾土壤向健康方向發(fā)展。魯葉江等[15]研究認(rèn)為,種植豆科植物是一種改良礦區(qū)復(fù)墾土壤理化性質(zhì)及提升土壤肥力的良好措施。Yuan等[16]研究發(fā)現(xiàn),豆科植物刺槐對山西省朔州市平朔礦區(qū)復(fù)墾后的不良土壤條件具有較強(qiáng)適應(yīng)性,可顯著改善平朔礦區(qū)復(fù)墾土壤的土壤演替。王麗麗[17]研究表明,在對礦區(qū)進(jìn)行植被建植和生態(tài)修復(fù)時(shí),種植刺槐、紫穗槐及沙打旺、苜蓿和長芒草等混合種植的草地,隨著復(fù)墾年限的增加,礦區(qū)土壤中養(yǎng)分狀況和微生物菌群均得到顯著改良。有祥亮等[18]研究發(fā)現(xiàn),非豆科植物(主要從土壤中吸收N素)的δ15N大于豆科植物(通過固氮從大氣獲得N素)的δ15N,對不同固氮植物或不同生長階段的同一固氮植物而言,δ15N越小,其固氮能力越強(qiáng),反之,固氮能力越弱?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】迄今,已有學(xué)者針對不同豆科作物在不同土壤中的生長指標(biāo)進(jìn)行篩選和評價(jià),但關(guān)于豆科作物在鋁土礦復(fù)墾土壤中生長情況和生物固氮能力的研究鮮見報(bào)道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以廣西平果市鋁土礦復(fù)墾土壤及種植的7種豆科植物為試驗(yàn)材料,通過分析豆科植物的固氮效率、生物固氮量和生物量等指標(biāo),評價(jià)其在鋁土礦復(fù)墾土壤的固氮能力和養(yǎng)分含量,篩選出適合鋁土礦復(fù)墾土壤種植的豆科植物,探究對豆科植物生物固氮量產(chǎn)生影響的因素,為鋁土礦復(fù)墾土壤的改良及礦區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

廣西平果市的鋁土礦分布面積達(dá)1750 hm2,開展本研究的復(fù)墾區(qū)位于23°22′55′′～23°23′03′′E、107°30′53′′～107°31′02′′N,土壤復(fù)墾年限超過10年,主要種植蔬菜。該區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候,光照充足,年均氣溫21.5 ℃,年均日照1619.4 h,無霜期345 d以上,年均降水量1359 mm,雨量充沛,雨熱同季。土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì):pH 6.12,速效鉀(K)146.52 mg/kg,有效磷(P)33.27 mg/kg,全N 12.4 g/kg,有機(jī)質(zhì)18.62 g/kg,全Al 110.83 g/kg。復(fù)墾土壤目前存在的主要問題是土壤總Al含量過高,是廣西土壤背景值A(chǔ)l含量(6.53%)[3]的1.69倍。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2021年11月至2022年9月在廣西平果市和桂林市進(jìn)行。土壤樣品采集于廣西平果市約11 503 m2的鋁土礦復(fù)墾區(qū)域。土壤采集后風(fēng)干、碾磨、混勻并過2 mm篩備用。供試豆科植物為田菁[Sesbaniacannabina(Retz.)Poir.,SC]、箭筈豌豆(ViciasativaL.,VC)、紫云英(AstragalussinicusL.,AS)、光葉紫花苕(V.villosaRoth var.,VR)、紫花苜蓿(MedicagosativaL.,MS)、柱花草(Stylosanthesguianensis,SG)和小冠花(CoronillavariaL.,CV),同時(shí)種植非豆科植物油菜作為參照植物(CK)。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 種植試驗(yàn)在桂林理工大學(xué)溫室(110°29′ E,25°06′ N)進(jìn)行。土壤過篩后裝入無滲漏塑料花盆(直徑16.0 cm,高11.5 cm)中,每盆裝土2.0 kg,加水平衡1周。種子種植前先在3%的H2O2溶液中浸泡30 min,用自來水徹底沖洗后,在培養(yǎng)皿中潮濕濾紙發(fā)芽16 h再播種,以棱形方式每盆穴播種子8粒,播種后根據(jù)植株長勢進(jìn)行間苗,每盆保留4株,每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)。在試驗(yàn)期間,花盆隔絕降水,基于花盆面積和當(dāng)?shù)卣＝邓靠剂?每1～2 d澆水1次,以保障植物生長不受水分限制。播種時(shí)間為2021年11月3日。

1.3.2 樣品采集及指標(biāo)測定 土壤和植物樣品于2022年1月5日采集。將種植豆科植物的完整土壤與花盆小心分離后,檢查、記錄形成根瘤情況。將植株分為地上、地下和根瘤3部分,在60 ℃下分別烘干至恒重,記錄地上和地下部生物量后將所有部分混合粉碎用于15N同位素分析及植物養(yǎng)分分析。同時(shí),采集盆栽土壤,風(fēng)干、碾磨、混勻后過100目篩用于理化性質(zhì)測定。使用同位素質(zhì)譜儀(IsoPrime100)測定植株15N的豐度,使用元素分析儀測定植株和土壤的全N含量,以鉬銻抗比色法測定土壤P含量,以火焰光度計(jì)法測定土壤K含量。土壤pH、有機(jī)質(zhì)和有效P含量均參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[19]進(jìn)行測定。土壤用HNO3+H2O2法消解后以ICP-OES測定全Al含量。以1.0 mol/L KCl浸提土壤后,以ICP-OES測定活性Al(Al3+)、Ca2+和Mg2+含量[20]。

1.4 數(shù)據(jù)運(yùn)算

豆科草本植物組織中生物固氮率(BNF,%)采用如下公式計(jì)算[21]:

式中,δ15Nreference為參照作物的δ15N,δ15Nlegume為固氮豆科植物的δ15N,B表示以N2為唯一N源的豆科植物的δ15N。本研究中,采用整株植物來評估生物固氮效果,其δ15N豐度應(yīng)與大氣一致,因此B值等于0[20]。

生物固氮量(Ndfa)采用如下公式計(jì)算:

Ndfa(g/pot)=BNF×Nlegume

式中,Nlegume為豆科植物N素累積量。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2019進(jìn)行統(tǒng)計(jì),以SPSS 26.0 進(jìn)行單因素方差分析,以GraphPad prism 9.1.1進(jìn)行主成分分析,使用R 4.1.0中的plspm包探究各因素對豆科植物生物固氮量的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同豆科植物在鋁土礦復(fù)墾土壤的生長情況及養(yǎng)分含量

由表1可知,光葉紫花苕的地上部生物量最大,為2.59 g/盆,顯著大于除箭筈豌豆(2.22 g/盆)外的其他豆科植物(P<0.05,下同),而小冠花的地上部生物量最小,僅0.387 g/盆,且顯著小于除紫花苜蓿外的其他豆科植物;紫云英的地下部生物量最大,為0.334 g/盆,顯著大于其他豆科植物,其次是田菁的地下部生物量(0.234 g/盆),而小冠花的地下部生物量最小,僅0.099 g/盆,且顯著小于除箭筈豌豆、紫花苜蓿和光葉紫花苕外的其他豆科植物;在結(jié)瘤情況方面,僅田菁、紫云英和小冠花結(jié)有根瘤;在營養(yǎng)元素含量方面,田菁的N含量為7.980%,均顯著高于其他6種豆科植物,是N含量排名第二位小冠花的1.43倍,而N含量最低的是光葉紫花苕,僅3.877%;田菁和紫云英的P含量相當(dāng),分別為2.999和2.964 g/kg,均顯著高于其他5種豆科植物,而P含量最低是箭筈豌豆,為1.718 g/kg,均顯著低于其他豆科植物;K含量最高的是田菁,為19.828 g/kg,顯著高于其他豆科植物,而小冠花的K含量最低,且顯著低于箭筈豌豆、田菁和柱花草。綜上所述,在生物量累積、根瘤情況和養(yǎng)分積累方面,田菁和紫云英在7種豆科植物植物中表現(xiàn)較好。

表1 不同豆科植物在鋁土礦復(fù)墾土壤的生長及養(yǎng)分積累情況

2.2 不同豆科作物的固氮效率及生物固氮量

以能形成根瘤的3種豆科植物為分析樣本進(jìn)行δ15N檢測及固氮效率和生物固氮量分析,結(jié)果(表2)發(fā)現(xiàn),田菁、紫云英和小冠花3種豆科植物的δ15N間存在顯著差異,其中,紫云英的δ15N值最大,田菁的δ15N值最小,說明田菁的固氮能力最強(qiáng)。

表2 不同豆科植物的δ15N含量比較

從圖1-A可看出,田菁的固氮效率最高,為80.01%,顯高于紫云英和小冠花,紫云英的固氮效率最低,但與小冠花無顯著差異(P>0.05,下同)。從圖1-B可看出,3種豆科植物的生物固氮量間存在顯著差異,排序?yàn)樾」诨?紫云英<田菁。雖然田菁的生物量小于紫云英,但其固氮效率(圖1-A)和N含量(表1)均顯著高于其他2種豆科植物,所以其生物固氮量在三者中最高(0.077 g/pot),而紫云英的生物量顯著高于小冠花,因此,二者的生物固氮量大小與其固氮效率相反,紫云英的生物固氮量顯著高于小冠花。可見,在生物固氮方面,田菁是表現(xiàn)最好的豆科植物,紫云英次之,小冠花最差。

同一小圖圖柱上不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05),圖3同。

2.3 不同豆科植物的主成分分析

以結(jié)有根瘤的豆科植物為分析樣本,對其養(yǎng)分含量、生物量、固氮效率和生物固氮量進(jìn)行主成分分析(PCA)。從圖2可看出,第一主成分(PC1)的方差貢獻(xiàn)率為56.76%,第二主成分(PC2)的方差貢獻(xiàn)率為31.05%,二者的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為87.81%;第一主成分的特征指標(biāo)有植物養(yǎng)分N、P和K及固氮效率和生物固氮量,其中,植物養(yǎng)分N、P和K與固氮效率和生物固氮量均呈正相關(guān),以K和N與固氮效率的相關(guān)性最強(qiáng);第二主成分的特征指標(biāo)為地上部生物量(A_biomass)和地下部生物量(U_biomass),二者間呈正相關(guān);植物養(yǎng)分P與地上和地下部生物量也呈一定正相關(guān)。前2個(gè)主成分的函數(shù)表達(dá)式為:

圖2 3種豆科植物的主成分分析結(jié)果

Y1=0.479X1+0.450X2+0.282X3-0.004X4+0.075X5+0.489X6+0.493X7

Y2=-0.035X1-0.243X2+0.336X3+0.673X4+0.594X5-0.114X6+0.092X7

式中,X1、X2、X3、X4、X5、X6和X7分別代表植物養(yǎng)分K、N、P及地上部生物量、地下部生物量、固氮效率和生物固氮量。

由表3可知,3種豆科植物前2個(gè)主成分的綜合得分排序?yàn)樘镙?紫云英>小冠花,說明增加生物量和植物營養(yǎng)含量等指標(biāo)后,3種豆科植物中田菁的主成分綜合得分與其固氮效率和固氮能力(圖1)表現(xiàn)相同,仍屬最高?？梢?田菁是3種結(jié)瘤豆科植物中在鋁礦區(qū)復(fù)墾土壤種植生長最好的豆科植物。

表3 3種豆科植物的主成分分析綜合得分比較

2.4 種植不同豆科植物對土壤性狀的影響

由表4可知,種植各植物土壤的pH變化范圍為6.09～6.54,其中,種植豆科植物土壤的pH均顯著高于CK土壤,以種植箭筈豌豆土壤的pH最高,而種植紫云英土壤的pH較低;種植紫云英、光葉紫花苕、箭筈豌豆和柱花草土壤的有機(jī)質(zhì)含量較CK土壤有所上升,但差異不顯著,種植紫花苜蓿土壤的有機(jī)質(zhì)含量較CK土壤下降,但差異不顯著,而種植田菁和小冠花土壤的有機(jī)質(zhì)含量與CK土壤分別顯著降低10.4%和14.3%;除種植紫云英和光葉紫花苕土壤的速效K含量較CK土壤下降(但差異不顯著)外,種植其他豆科植物土壤的速效K含量均較CK土壤有所上升,其中,種植田菁和小冠花土壤的速效K含量分別顯著上升21.3%和17.8%;種植不同豆科植物對土壤有效P含量均無顯著影響,土壤總N含量也無顯著變化。說明種植豆科植物主要影響土壤pH及有機(jī)質(zhì)和速效K含量,對土壤總N和有效P含量無顯著影響。

表4 種植不同豆科植物土壤的基礎(chǔ)性狀比較

2.5 不同豆科植物對土壤Al元素及Ca2+和Mg2+的影響

從圖3-A可看出,種植各植物后土壤的總Al含量為97.69～108.38 g/kg,其中,種植田菁和小冠花土壤的總Al含量較低(分別為97.69和98.05 g/kg),分別較CK土壤顯著降低8.65%和8.31%,而種植其他豆科植物土壤的總Al含量與CK差異不顯著。從圖3-B可看出,種植各植物土壤的Al3+含量排序?yàn)橹ú?紫云英

圖3 不同豆科植物的總Al和Al3+含量比較

箭頭旁的數(shù)值為標(biāo)準(zhǔn)化路徑系數(shù),實(shí)線表示影響顯著(P<0.05),虛線表示影響不顯著(P>0.05);單箭頭表示呈正相關(guān),雙箭頭表示呈負(fù)相關(guān);GOF表示模型的擬合優(yōu)度;*表示影響顯著(P<0.05),**表示影響極顯著(P<0.01)。

由表5可知,種植豆科植物土壤的Ca2+含量相較CK土壤均有所上升,但差異不顯著,其中Ca2+含量最高的是種植紫花苜蓿的土壤;種植豆科植物土壤的Mg2+含量與CK土壤無顯著差異,其土壤Mg2+含量排序?yàn)楣馊~紫花苕<紫云英

表5 種植豆科植物對土壤Ca2+和Mg2+含量的影響

2.6 影響不同豆科植物生物固氮量的因素分析

偏最小二乘法路徑模型(PLS-PM)分析結(jié)果(圖4)顯示,不同豆科植物對其養(yǎng)分積累均具有極顯著負(fù)影響,路徑系數(shù)為-0.851;土壤總Al含量對其他成分均無顯著影響;pH僅對土壤Al3+含量具有極顯著正影響,路徑系數(shù)為0.802;土壤養(yǎng)分含量對土壤Ca2+和Mg2+含量具有極顯著正影響(P<0.01,下同),路徑系數(shù)為0.998,對Al3+含量和生物量具有極顯著負(fù)影響,路徑系數(shù)分別為-0.507和-0.957;植物養(yǎng)分含量對生物固氮量具有極顯著正影響,土壤Al3+含量對生物固氮量具有顯著正影響,路徑系數(shù)分別為0.746和0.192;不同豆科植物及其生物量對生物固氮量均無顯著影響?？梢?鋁土礦復(fù)墾土壤種植豆科植物的生物固氮量受植物養(yǎng)分含量和土壤Al3+含量直接影響,而pH、土壤養(yǎng)分含量和植物類型通過影響植物養(yǎng)分和土壤Al3+含量間接影響豆科植物的生物固氮量。

3 討 論

豆科植物結(jié)瘤不僅受環(huán)境因素影響[22-23],還受生物因素影響[12,24]。Blair等[25]研究發(fā)現(xiàn),不同Al濃度引起的毒性程度在很大程度上取決于植物種類和基因。Jaiswal等[26]研究證實(shí),Al脅迫能通過抑制根瘤菌與其宿主植物間產(chǎn)生結(jié)瘤因子從而影響根瘤的形成。本研究中,在種植于廣西平果市鋁土礦復(fù)墾土壤的7種豆科植物中,僅田菁、小冠花和紫云英有根瘤形成,未發(fā)現(xiàn)其余5種豆科植物形成根瘤。Ramirez等[27]研究表明,Al脅迫下豆科植物與根瘤菌的共生過程因Al濃度、pH和植物等的不同而存在差異,這也許是本研究中僅有3種豆科植物有根瘤形成的原因;偏最小二乘法路徑模型分析結(jié)果表明,豆科植物類型對植物養(yǎng)分含量呈極顯著負(fù)影響,而植物養(yǎng)分含量對其生物固氮量具有極顯著正影響,說明本研究中豆科植物種類本身對其在鋁土礦復(fù)墾土壤中種植的固氮能力影響較大。

正?；蜉^低濃度的Al對生物無毒[28],土壤pH大小對Al的存在形態(tài)具有巨大影響[29],當(dāng)土壤pH<5.5時(shí),Al主要以Al3+形式存在且其含量迅速升高[30],嚴(yán)重抑制植物生長,降低作物產(chǎn)量[31]。Al脅迫時(shí),根系是最先受影響的植物器官[32],根系感受Al脅迫信號后,通過激發(fā)信號分子轉(zhuǎn)導(dǎo)調(diào)節(jié)自身抗氧化酶類及蛋白表達(dá),調(diào)整自身生理代謝以適應(yīng)逆境,因此,根系對環(huán)境的適應(yīng)能力能直觀反映其對Al的耐受性[33],如果根系生長受到抑制,根系吸收養(yǎng)分、根瘤菌侵染、結(jié)瘤因子產(chǎn)生和根瘤發(fā)育均受到影響[26]。本研究結(jié)果與上述研究結(jié)果相似,pH對土壤Al3+含量具有極顯著正影響。植物地上部的Al毒害癥狀與營養(yǎng)缺乏癥狀相似[34],均表現(xiàn)為植株矮小、葉片黃化和莖稈纖細(xì)等[35]。與Alves等[20]對酸性土壤中Al3+與大豆固氮效率的研究結(jié)論相反,本研究中土壤Al3+含量對豆科植物的生物固氮量產(chǎn)生顯著正影響,這可能是因?yàn)榉N植3種結(jié)瘤豆科植物后土壤的pH接近中性,且土壤Al3+含量處于低濃度范圍(4.20～5.12 g/kg)。陳振等[36]研究發(fā)現(xiàn),低濃度Al脅迫對狗牙根生長具有促進(jìn)作用,可能是因?yàn)楣费栏旧韺l脅迫具有適應(yīng)機(jī)制,能產(chǎn)生有機(jī)酸和各種酶活性物質(zhì)促進(jìn)狗牙根生長發(fā)育。Ciamporova[37]研究表明,微量的Al可促進(jìn)植物生長,而過量的Al會(huì)對植物造成危害,表明Al對植物的毒性影響有一個(gè)臨界值。但由于鋁土礦土壤Al3+含量較低,本研究未探究出高濃度Al3+對植物生物固氮量產(chǎn)生的抑制作用。

4 結(jié) 論

田菁、紫云英和小冠花能在鋁土礦復(fù)墾土壤中結(jié)瘤,提高鋁土礦復(fù)墾土壤的pH、速效K、Al3+和有機(jī)質(zhì)含量及其本身的生物固氮量。綜合評價(jià)認(rèn)為,田菁是最適合在鋁土礦復(fù)墾土壤中種植的豆科植物,可作為鋁土礦復(fù)墾區(qū)土壤固氮培肥的豆科植物推廣應(yīng)用。