不同種植年限紫穗槐根際非根際土壤磷組分含量特征

李金輝，盧鑫，周志宇，趙萍，金茜，周媛媛

（草地農業生態系統國家重點實驗室 蘭州大學草地農業科技學院，甘肅 蘭州730020）

毛烏素沙地是一個多層次的生態過渡帶，是以草地放牧業為主的牧、林、農交錯地區，屬于典型的生態脆弱區［1］。近年來，由于受氣候轉暖、人類的不合理開墾和過牧等因素的影響，該地區植被和土壤層遭到不同程度破壞，自然生態平衡被打破，沙漠化現象日趨嚴重，為了避免向更低級的生態環境演化，可通過土壤－植物復合系統的功能提高生態系統的自我修復能力。紫穗槐（Amorphafruticosa）由于具有耐風蝕、耐旱澇、耐寒、耐鹽堿，根系發達，適應性強的特點，已成為毛烏素沙地適宜種植與發展的優良豆科灌木，對該地區有效預防及治理沙漠化具有顯著成效，目前，紫穗槐已成為國內沙漠治理等工程的重要植物［2］。

磷在土壤中易被固定，利用率低，因此，采用磷素分級方法來研究土壤中磷素的形態和有效性，針對土壤中磷的不同形態進行定量研究，對揭示沙地磷素狀況和土壤磷素循環特點具有重要意義。現在越來越多的學者采用Tiessen和 Moir［3］、Sui等［4］以及 Guppy等［5］修正后的 Hedley土壤磷素分級體系。該方法克服了Chang和Jackson［6］的磷分級法的缺陷，是目前較為合理、較具說服力的土壤磷素分級方法。但國內采用此法對土壤磷素進行分級的研究甚少，并且針對陜北毛烏素沙地磷素研究尚處于空白階段，因此本研究選擇Sui等［4］1999年修正后的Tiessen和Moir［3］磷素分級方法對毛烏素沙地不同種植年限的紫穗槐土壤磷素進行分級，研究紫穗槐對土壤磷素的聚積以及不同磷素形態在根際微域環境中的含量特征，旨在揭示紫穗槐根際養分利用情況，這對指導沙地土壤的養分利用及土壤－植物養分循環過程的理論，荒漠區脆弱生態系統的保護和恢復具有十分重要的價值。

1 材料與方法

1．1 試驗區概況

試驗區位于陜西省榆林市靖邊縣毛烏素沙漠南緣，東經107°28′～111°15′，北緯36°57′～39°34′之間，海拔980～1534m。平均溫度7．9℃，絕對最高37．6℃，絕對最低－27℃，無霜期150d，年平均降水438．4mm。地貌主要為流動、半固定或固定沙地；土壤類型為各類風沙土，該地區的沙土主要由粒徑在0．05～0．25mm的細沙粒和0．25～0．50mm粒徑范圍的中沙粒組成；植被類群主要為：沙柳（Salixpsammophila）、雜交楊、紫穗槐、油蒿（Artemisiaordosica）、蒙古韭（Alliummongolicum）、酸刺（Hippophaerhamnoides）、苦豆子（Sophoraalopecuroides）、沙棗（Elaeagnusangustifolia）、花棒（Hedysarumscoparium）、沙打旺（Astragalusadsurgens）、柳樹、檸條（Caraganakorshinskii）、沙蓬（Agriophyllumsquarrosum）等。

本研究采樣地4個年份種植的紫穗槐分布區域較為接近，均分布在黃蒿界鄉區域內，地勢較為平坦，樣地內多種固沙植物共存，覆蓋度較高。

1．2 土壤樣品的采集與分析

1．2．1 樣地設置 2011年8月在榆林市靖邊縣毛烏素沙漠南緣，選取1951年（60齡），1976年（35齡），1983年（28齡），2005年（6齡）種植的紫穗槐各3塊樣地，每塊樣地面積為100m×100m，在各樣地內隨機選取5株中等大小樣株供采樣分析（不同株齡代號分別為：Y60，Y35，Y28，Y6，以下均用代號表示），采樣灌叢的形態特征和生長狀況見表1［7］。

表1 紫穗槐地上部分形態特征Table 1 A． fruticosa morphological characteristics of aerial part

1．2．2 土樣采集 采樣步驟為：用鐵锨鏟去落葉層，用土壤刀從植株基部開始逐段、逐層挖去上層覆土，追蹤根系的伸展方向，沿側根找到須根部分，剪下分枝，然后輕輕抖動，落下的為非根際土壤，仍粘在根上的為根際土壤，用毛刷收集到土壤袋保存，供分析用［8］。

1．2．3 土壤樣品的分析 所采土壤樣品經自然風干后，揀去動植物殘體、雜質、根系和石塊，研細并過0．5mm篩裝袋、封袋后儲藏備用。磷素分級方法采用Sui等［4］修正后的Tiessen磷素分級方法，測定流程見圖1。pH測定采用電位法（水∶土＝1∶1）。

1．3 數據處理

數據均使用SPSS 17．0進行統計分析，各樣地指標采用單因素方差分析（one way－ANOVA）比較，根際與非根際用配對樣本t－檢驗進行差異性分析，采用相關分析的方法確定全磷、有效磷、pH及各磷組分之間的相關關系。所有圖表均使用Excel 2003進行繪制。

2 結果與分析

2．1 全磷與有效磷含量特征

從表2可知，Y35和Y6的根際全磷含量大于非根際全磷，而Y60和Y28根際全磷含量小于非根際全磷，隨著年限增加，根際與非根際全磷含量大小依次為：Y60＞Y28＞Y6＞Y35。相對于全磷含量，土壤中有效磷含量極低（＜10mg／kg）。由表3可知，4個年份根際土壤有效磷含量均高于非根際土壤，表現出在根際的富集，這與薛梓瑜和周志宇［9］的結果一樣。4個年份根際土壤有效磷含量大小依次為：Y60＞Y35＞Y28＞Y6。全磷和有效磷含量Y60的最大，說明隨著時間的推移，紫穗槐的種植對毛烏素沙地全磷和有效磷的含量具有提高的作用。

2．2 根際和非根際土壤pH值

根際土酸度的調整是植物改善根際磷有效性的最重要手段之一［10－11］。不同株齡的紫穗槐根際與非根際土壤的pH測定結果表明，根際土的pH均低于非根際土，根際和非根際土不同株齡的pH值均隨著株齡的增加而逐年減小。Y60、Y35、Y28根際與非根際差異顯著，Y60降低了0．4，Y35降低了0．29，Y28降低了0．26。Y6根際和非根際無顯著差異。

圖1 土壤磷的分級流程圖Fig．1 Phosphorus fractionation chart

表2 根際和非根際土壤全磷含量特征Table 2 The characteristics of total P in bulk and rhizosphere soils

表3 不同年限根際與非根際土壤有效磷含量特征Table 3 The characteristics of available P in bulk and rhizosphere soils

2．3 磷組分含量特征

圖2 不同株齡紫穗槐根際與非根際土壤pH值的變化Fig．2 Change of pH in rhizosphere and bulk soil in different A． fruticosaages

2．3．1 無機磷組分的特征 按照連續浸提法分級，將無機磷分為：H2O－Pi、NaHCO3－Pi、NaOH－Pi、Dil．HCl－Pi和Conc．HCl－Pi，其生物有效性逐級降低。根際和非根際土壤無機磷含量特征如表4所示，土壤無機磷庫含量總體排序為：Dil．HCl－Pi＞Conc．HCl－Pi＞NaHCO3－Pi＞NaOH－Pi＞H2O－Pi。其中 H2O－Pi含量相對較少，Dil．HCl－Pi是最主要的無機磷素形態，占無機磷總量的50%左右。

從表4可以看出，隨著株齡的增加，根際土壤除了 H2O－Pi先增大后減小外，Conc．HCl－Pi先減小后增大外，其他的無機磷 NaHCO3－Pi、NaOH－Pi和Dil．HCl－Pi都是隨著株齡的增加含量逐漸增大。在非根際土壤NaHCO3－Pi隨著株齡的增加含量逐漸增加，NaOH－Pi、Conc．HCl－Pi的含量都隨著株齡的增加先減小后增多。從根際土無機磷含量特征可以看出，除了 H2O－Pi和Conc．HCl－Pi外，其余無機磷均是Y60的含量最高，從非根際土無機磷含量特征可以看出，除了H2O－Pi和NaOH－Pi外，其余無機磷均是Y60的含量最高。從根際和非根際土壤對比可知，除Y60的H2O－Pi和Y35的Dil．HCl－Pi根土＞非根土外 ，其他株齡的H2O－Pi和Dil．HCl－Pi均是根土＜非根土，NaHCO3－Pi，NaOH－Pi是根土＞非根土。

表4 根際與非根際土壤磷分組含量特征Table 4 The characteristics of P fractionations in bulk and rhizosphere soils

2．3．2 有機磷組分的特征 4個年份種植的紫穗槐根際和非根際有機磷含量見表4。除Y28的NaHCO3－Po外，其他株齡的NaHCO3－Po，NaOH－Po，Conc．HCl－Po有機磷含量均是根際土＞非根際土，說明潛在的、可以轉化的有機磷數量增加。NaHCO3－Po在根際含量大小依次為：Y35＞Y6＞Y60＞Y28，NaOH－Po在根際的含量大小依次是：Y60＞Y35＞Y28＞Y6，Conc．HCl－Po在根際含量大小依次為：Y60＞Y6＞Y28＞Y35。

2．4 根際與非根際土壤磷庫組分相關性

對根際土壤有效磷，全磷和各磷組分含量進行相關分析（表5）。根際土壤有效磷與Dil．HCl－Pi和Conc．HCl－Po含量呈顯著正相關（P＜0．05），說明Dil．HCl－Pi和Conc．HCl－Po對土壤磷素的有效性起到了重要的作用。H2O－Pi與Total－P含量呈顯著正相關（P＜0．05），H2O－Pi與 Conc．HCl－Pi含量呈極顯著負相關（P＜0．01）。對非根際土壤有效磷、全磷和各磷組分含量進行相關分析表明（表6），土壤有效磷和Conc．HCl－Po含量呈顯著正相關（P＜0．05），Total－P和 Conc．HCl－Po呈顯著正相關（P＜0．05），土壤全磷與 NaHCO3－Pi和 Dil．HCl－Pi含量呈極顯著正相關（P＜0．01）。

表5 根際土壤有效磷、全磷與磷組分相關系數Table 5 Correlation coefficients between available P，total P and P fractionations in rhizosphere soils

表6 非根際土壤有效磷、全磷與磷組分相關系數Table 6 Correlation coefficients between available P、total P and P fractionations in bulk soils

表7 全磷、有效磷和pH的相關系數Table 7 Correlation coefficients among total P，available P and pH

3 討論

3．1 全磷含量變化特征

本研究的結果表明，Y35和Y6根際與非根際全磷含量差異不顯著，而Y60和Y28根際全磷含量明顯低于非根際，在其他一些報道中，根際與非根際全磷含量差異多不顯著［12－14］。主要是由于根系分泌有機物、根系脫落物及根系的更新，旱生灌木根際土壤有機質含量相對較高，雖然這些有機物質并不會增加土壤磷含量，但卻會影響磷在土壤中的移動性［15］。此外，采樣時間正處該地區的雨季，紫穗槐生長旺盛，致使其磷的吸收量增加。

3．2 有效磷含量變化特征

從表3可以看出，不同種植年限的紫穗槐根際土壤有效磷含量均高于非根際土壤。許多研究結果表明，根際土壤有效磷含量較非根際土壤高［16－19］，這與所得的試驗結果一致，表明有效磷在根際出現一定的富集現象，主要是由于根際土壤pH的降低（均低于非根際土pH）和根際有機質含量增加導致。在無機磷以鈣磷為主的土壤中，根際的酸化，尤其是根系分泌的H＋能顯著的增加無機磷的生物有效性，同時有機酸對吸附位點的競爭也能增加磷的有效性。同時發現有效磷的富集率差異較大，Y60的根際富集率為18．7%，Y28的根際有效磷富集率卻僅有0．8%，這說明不同種植年限的紫穗槐對有效磷的吸收和利用有差異性，導致富集率各不相同。采樣時，Y35的紫穗槐粗根出現不同程度的腐爛分解，這可能是造成Y35紫穗槐有效磷含量較高的原因。土壤中有效磷含量極低（＜10mg／kg），低于植物正常生長所需的濃度［20］，說明紫穗槐具有適應低磷土壤的能力，其根際具有活化磷的能力和機制。

3．3 根際土壤pH值變化特征

根際pH值的變化是由于根系呼吸作用釋放CO2以及在離子的主動吸收和根尖細胞伸長過程中分泌質子和有機酸所致［21］，此外，吸收陰陽離子不平衡也是導致pH變化的主要原因［22］。從圖2可以看出，4個年份種植的紫穗槐根際土的pH均低于非根際土，這可能有以下幾種因素：1）陰陽離子吸收不平衡；2）根系主動分泌質子；3）根系吸收產生的CO2；4）根系分泌有機酸；5）根際微生物活動產生的有機酸CO2，而引起根際土壤pH的下降。植物根際pH值低于非根際土壤，提高了植物根際磷的有效性［23］。

3．4 磷組分含量變化特征

從表4的結論可以看出隨著沙地上種植的紫穗槐年齡的增加穩定磷庫有積累的趨勢，可能是由于土壤中磷的礦化和微生物的分解，形成了較多次生磷礦物，與吳榮貴等［24］研究結果相似。H2O－Pi是對植物最有效的磷素形態，除Y60外，其余株齡H2O－Pi均低于非根際。在干旱荒漠條件下，植物根際H2O－Pi的含量低于非根際可能由于植物吸收以及微生物作用或Fe和Al氧化物對磷的吸附引起的［25］。土壤中有機質數量和有機質分解的速度影響土壤有機磷的含量。由表4可見除 Y28的 NaHCO3－Po外，其他株齡 NaHCO3－Po，NaOH－Po，Conc．HCl－Po有機磷含量均是根土＞非根土，說明潛在的、可以轉化的有機磷數量增多。

3．5 土壤有效磷和各磷組分含量之間的關系

從表7可以看出在多層次的生態過渡帶根際和非根際土壤有效磷與pH值和根際全磷含量相關性均不顯著，說明在沙地，土壤有效磷的含量受pH值和全磷影響較小。說明在沙地紫穗槐根際出現酸化與根際磷的活化關系不大，這可能是因為有效磷受微生物、有機磷礦化、根際磷酸酶、根系分泌物及菌根等因素的影響而減少了土壤中全磷含量對有效磷含量的影響。

4 結論

種植不同株齡紫穗槐根際土的pH均低于非根際土；根際土壤除了H2O－Pi先增大后減小，Conc．HCl－Pi先減小后增大外，其他的無機磷NaHCO3－Pi、NaOH－Pi和Dil．HCl－Pi都是隨著株齡的增加無機磷含量逐漸增大，除 Y28的 NaHCO3－Po外，其他株齡的 NaHCO3－Po，NaOH－Po，Conc．HCl－Po有機磷含量均是根際土＞非根際土；隨著年限增加，根際與非根際全磷含量大小依次為：Y60＞Y28＞Y6＞Y35。不同株齡根際土壤有效磷含量均高于非根際土壤。

根際土壤有效磷與Dil．HCl－Pi和Conc．HCl－Po含量呈顯著正相關，非根際土壤有效磷和Conc．HCl－Po含量呈顯著正相關，根際和非根際土壤有效磷與pH值和根際全磷含量相關性均不顯著。

［1］丁越巋，楊劼．不同植被類型對毛烏素沙地土壤有機碳的影響［J］．草業學報，2012，21（2）：18－25．

［2］王瑞，周志宇．不同淹水梯度對紫穗槐的營養生長和生理響應［J］．草業學報，2012，21（1）：149－155．

［3］Tiessen H，Moir J O．Characterization of available P by sequential extraction［A］．In：Carter M R，Grego－rich E G．Soil Sampling and Methods of Analysis［M］．Second Edition．Chelsea：Lewis Publishers，1993：75－86．

［4］Sui Y S，Thompson M L，Shang C．Fractionation of phosphorus in a mollisol amended with biosolids［J］．Soil Science Society of America Journal，1999，63：1174－1180．

［5］Guppy C N，Menzies N W，Moody P W，etal．A simplified sequential phosphorus fractionation method［J］．Communications in Soil Science ＆ Plant Analysis，2000，31（11－14）：1981－1991．

［6］Chang S C，Jackson M L．Fractionation of soil phosphorus［J］．Soil Science，1957，84：133－144．

［7］周媛媛，杜明新，周向睿，等．毛烏素沙漠南緣紫穗槐根際與非根際氮素含量特征［J］．草業科學，2013，30（4）：515－520．

［8］曾曙才，蘇志堯，陳北光，等．植物根際營養研究進展［J］．南京林業大學學報（自然科學版），2003，27（06）：79－83．

［9］薛梓瑜，周志宇．干旱荒漠區旱生灌木根際土壤磷變化特征［J］．生態學報，2010，30（1）：1－9．

［10］范曉暉，劉芷宇．根際pH值環境與磷素利用研究進展［J］．土壤通報，1992，23（5）：238－240．

［11］Geelhoed J S．Effects of sulphate and pH on the plant－availability of phosphate adsorbed on goethite［J］．Plant and Soil，1997，197（2）：241－249．

［12］Su Z Y，Zhao H L，Zhang T H．Influencing mechanism of several shrubs and subshrubs on soil fertility in Keerqin sandy land［J］．Chinese Journal of Applied Ecology，2002，13（7）：802－806．

［13］Zhang Y D，Bai S B，Wang Z Q，etal．Soil P availability in larch rhizosphere［J］．Chinese Journal of Applied Ecology，2001，12（1）：31－34．

［14］Ge L P，Ma J，Li Y．Soil salt and nutrient concentration in the rhizosphere of desert halophytes［J］．Acta Ecologica Sinica，2007，7（9）：3065－3571．

［15］Wandruszka R．Phosphorus retention in calcareous soils and the effect of organic matter on its mobility［J］．Geochemical Transactions，2006，7：6－14．

［16］Ma B，Zhou Z Y，Zhang C P，etal．The character of phosphorus concentrations in rhizosphere soil of super－xerophytic shrubs［J］．Acta Prataculturae Sinica，2005，16（3）：106－110．

［17］Zhang J H，Zou C J，Zhou Y M，etal．Characteristic of available P in the rhizosphere soil in pureJuglansmandshuricaandLarixgmeliniiand their mixed plantation［J］．Chinese Journal of Applied Ecology，2002，13（7）：790－794．

［18］Kirk G J D．Modelling root－induced solubilization of nutrients［J］．Plant and Soil，2002，245（1）：49－57．

［19］Owen A G，Godboid D L，Jones D L．Organic acid mediated P mobilization in the rhizosphere and uptake by maize roots［J］．Soil Biology and Biochemistry，2002，34（5）：703－710．

［20］任立飛，李衍素．低磷脅迫對黃花苜蓿生理特性的影響［J］．草業學報，2012，21（3）：242－249

［21］侯杰，功富裕．林木根際土壤研究進展［J］．防護林科技，2006，1：30－33．

［22］Hou J，Ye F G，Zhang L H．A summary of studies on rhizosphere soil of trees protection［J］．Forest Science and Technology，2006，（1）：30－33．

［23］Marschner H．Mineral Nutrition of High Plant［M］．London UK：Academic Press，1986：107－112．

［24］吳榮貴，林葆，Tiessen H．農牧交錯帶土壤磷素動態研究［J］．植物營養與肥料學報，2003，9（2）：131－138．

［25］Zoysa A K N，Loganathan P，Hedley M J．A technique for studying rhizosphere processes in tree crops：soil phosphorus depletion around camellia（CamelliajaponicaL．）roots［J］．Plant and Soil，1997，190：253－265．