不同秋眠類型紫花苜蓿根際與非根際土壤理化性質及化學計量特征

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. 西北農林科技大學草業與草原學院， 陜西 楊凌 712100；2. 寶雞市農業科學研究院， 陜西 岐山 722400)

紫花苜蓿(Medicagosativa)是一種產量高、營養價值高、抗逆性強的多年生豆科牧草，具有“牧草之王”的美譽[1-2]。近年來，在“糧改飼”等國家戰略支持下，紫花苜蓿栽培面積不斷增加，《全國種植業結構調整規劃》提出，到2020年飼草料種植面積發展到633.65萬hm2，其中苜蓿種植面積要達到233.45萬hm2[3]。在我國黃土高原地區，紫花苜蓿不僅為當地畜牧業發展提供了營養價值較高的優質飼草[4]，且在防止水土流失，增加土壤肥力等方面發揮了重要作用[5]。紫花苜蓿的秋眠性(Fall dormancy)是指在北緯中高緯度地區隨著秋季溫度和光照變化而導致苜蓿植株形態類型和生活力發生變化的生長特性[6]，按秋眠性強弱分為強秋眠(1～3級)、半秋眠(4～6級)和非秋眠(7～9級)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]，產量要明顯高于秋眠級低的品種，因此，在我國北方地區合理選擇不同秋眠類型的苜蓿品種對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所，也是營養物質循環和能量流動的最活躍的區域，在生態系統養分分布與循環過程中發揮著重要作用[9-11]。研究表明根際土壤的物理、化學和生物學特征，如土壤有機碳(Soil organic carbon，SOC)、全氮(Total nitrogen，TN)、全磷(Total phosphorus，TP)及其參與營養物質循環的蔗糖酶(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營養物質積累和循環的規律，對于土壤肥力、土壤質量及土壤健康的評價與管理具有指導意義[15-16]。春季再生期和冬季休眠期強秋眠、半秋眠和非秋眠紫花苜蓿在根系營養物質轉運與貯藏、再生速度和產量等方面存在明顯的差異[17]，這是否會導致不同秋眠類型苜蓿在土壤根際微生態存在差異性，目前鮮有這方面的研究。因此，本研究測定了陜西關中地區種植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，有助于進一步探究不同秋眠類型紫花苜蓿土壤營養物質循環與生產力之間的關系以及根際土壤微生態。

1 材料與方法

1.1 樣地概況

試驗地設在陜西省寶雞市農業科學研究院劉家塬試驗站(34.5°N，107.5°E)，位于關中平原西部，平均海拔669.6 m，屬暖溫帶大陸性季風氣候，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，年平均日照時數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。試驗地土質為黃綿土、婁土，試驗小區地勢平坦，肥力均勻，光照充足，適于紫花苜蓿的生長。

1.2 樣地設置與樣品采集

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個品種紫花苜蓿作為試驗對象(表1)，采用完全隨機區組設計，每個小區長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點取樣法(即分別選取樣方4個頂點和中心位置)在每個小區采集土壤樣品，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]，隨后將每個樣地5個點的根際與非根際土壤分別混勻為一份復合土壤樣本，帶回實驗室；土壤樣品用于土壤有機碳(SOC)、土壤全氮(TN)、土壤全磷(TP)及土壤酶活性的測定。

1.3 土壤理化性質分析

土壤有機質(SOC)用重鉻酸鉀容量法測定；土壤全氮(TN)用凱氏法消解，AA3型連續流動分析儀測定；土壤全磷(TP)用H2SO4-HClO4消解法測定；蔗糖酶(Sucrase，SUC)采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定；脲酶(Urease，URE)用靛酚藍比色法測定；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定[24-25]。

1.4 數據統計與分析

利用Excel軟件對數據進行整理并處理，SPSS19.0軟件進行單因素方差分析(One-Way ANOVA)和最小顯著差異(LSD)檢驗，用Origin2021軟件作圖。

2 結果與分析

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分含量變化

在冬季休眠期，除強秋眠苜蓿(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計量特征

在春季再生期，SOC,TN,TP含量及C∶N，N∶P，C∶P表現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，強秋眠苜蓿(D)的根際與非根際土壤其余指標均高于半秋眠(SD)和非秋眠苜蓿(ND)，且整體趨勢為隨著秋眠級數遞增，土壤養分含量逐漸降低；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計量特征

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分與酶活性之間的相關性分析

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

圖5 休眠期與再生期不同秋眠類型紫花苜蓿根系養分與土壤養分之間的相關性分析

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

本研究中不論冬季休眠期還是春季再生期土壤的SOC，TN，TP含量整體都表現為根際土高于非根際，與前人的研究結果一致[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分，使得根際微區域內的養分形態、濃度和分布等方面較為復雜，養分在根際周圍表現出明顯的根際正效應，根系與土壤在根際區共同構建了一個特殊的微生態系統[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物質，誘導根瘤菌侵染豆科根系，并利用豆科光合產物作為C源固定大氣中的N素，進一步滿足對N素的需求，另一方面植物還會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源參與根際養分循環，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分循環和代謝活動的強度[35]。本研究紫花苜蓿根際土壤酶活性遠遠高于非根際土壤，與前人研究結果一致[14]，這可能是由于植物根系分泌物作為信號物質招募微生物[36]，而微生物數量是酶活性的影響因子之一[37]，故而導致根際酶活性高于非根際土壤。蔗糖酶在土壤有機質的分解轉化中起重要作用，能反映土壤的生物化學活性[38]，蛋白酶是土壤有機氮水解為氨基酸過程中重要的酶，能夠將蛋白質、肽類分解為氨基酸，參與調節生物的N素代謝，是促進土壤N循環的重要組分[39]，研究表明土壤SOC和TN是調控酶的主要因子[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，與前人研究結果一致[41-42]。脲酶能促進土壤中尿素轉化為植物生長所需的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負相關，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計量比變化特征

土壤C∶N反映了C、N之間的平衡關系，是土壤有機質組成和質量程度的一個重要指標[48]，能反映土壤N素的礦化能力和土壤有機質的分解速度[15]。較低的C∶N表明土壤有機質處于加速分解狀態，土壤有機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均高于全國平均值(12.3)[50]，表明研究區內根際土壤有機質的礦化速率較慢，由于此時土壤C和N多數來自凋落物的歸還，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行固氮從而導致有機氮的礦化速率變慢，此時非根際土壤的有機N礦化仍然較快。土壤N∶P可診斷N的飽和，同時也是預測土壤養分限制類型的重要指標之一[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總體表現為根際高于非根際且皆低于全國平均值(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低于全國平均值(61.0)[50]，表明該區土壤P分解較快，有效性較高，這可能是由于豆科植物進行固氮作用時會向根際釋放大量的質子導致土壤酸化，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分變化

本研究中冬季休眠期根際與非根際土壤內SOC,TN,TP含量整體變化趨勢表現為隨著秋眠級數遞增，養分含量逐漸升高，即強秋眠(D)<半秋眠(SD)<非秋眠(ND)，而再生期的表現趨勢正好相反，即強秋眠(D)>半秋眠(SD)>非秋眠(ND)，這可能是由于當秋季日照長度變短、溫度變低時，越冬能力強的品種的秋眠性將被觸發而在初秋停止地上部分的生長，在秋季刈割之后，強秋眠苜蓿再生慢[8]，到晚秋時地上部向地下部輸送養分有限，為了保證安全越冬，根系從周圍土壤中吸收養分[54]，貯存營養以備越冬之用，使得土壤內養分含量降低；到春季再生期，強秋眠苜蓿返青早[7]且越冬時根系處于休眠[55]，根內營養消耗少故再生時從土壤內吸收養分較少，而非秋眠苜蓿在秋季繼續旺盛生長，而后常會在經歷幾次霜凍后消耗根系存儲的養分，到春季再生時為了植株生長而吸收的土壤養分多，可能使得休眠期非秋眠苜蓿(ND)土壤養分高于強秋眠苜蓿(D)，而再生期趨勢相反。在冬季休眠期和春季再生期，紫花苜蓿的秋眠級數大小與土壤養分含量高低分別表現為負相關與正相關的關系，二者之間具體存在的機制調控，還需進一步研究探索。

4 結論

本研究表明，紫花苜蓿根際土壤養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；冬季休眠期土壤SOC、TN、TP含量整體變化趨勢表現為隨著秋眠級數遞增，養分含量逐漸升高，即秋眠(D)<半秋眠(SD)<非秋眠(ND)，而再生期的表現趨勢正好相反。