周媛媛，杜明新，周向睿，周志宇，卢 鑫，陶晓慧，赵 萍，李金辉，金 茜

(1.草地农业系统国家重点实验室 兰州大学草地农业科技学院，甘肃 兰州 730020； 2.甘肃农业大学草业学院，甘肃 兰州 730070)

近年来，由于全球气候变暖、水土流失及不合理的经济活动破坏了植被和土壤层，一些已固定的沙丘复活。因而，有效控制土壤沙漠化已成为一个重要目标，也是西部大开发工程实施过程中必须要面对的环境问题。目前，对干旱半干旱沙区的物种多样性、土壤水分时空格局及动态变化规律、人工林的固沙改土效果、公路边坡的植物保护、防风固沙改造技术等做了大量的研究[1-5]，发现紫穗槐(Amorphafruticosa)林及紫穗槐与其他植物混交造林防止水土流失效益显著。紫穗槐原产于北美洲，是一种易繁殖的多年生豆科丛生灌木，因其生长快、根系发达、易繁殖、生物产量高、抗性强，是改良土壤的优良灌木[6]，所以被广泛种植。越来越多的学者关注紫穗槐光合速率、蒸腾速率、抗盐胁迫、耐旱等生理指标及配置方式的研究[7-10]，通过刈割、控制土壤含水量、在不同土壤类型上种植等方式来测定和评估紫穗槐对土壤养分、水分的影响及二者之间的相互作用[11-13]。根际是围绕植物活根的、受根系生理活动影响的土壤微域，在理化和生物特性上不同于原土体的特殊土区[14]，是水分和矿物质进入根系参与生物循环的门户，是土壤-植物根系-微生物三者相互作用的场所，也是根系自身生命活动和代谢对土壤影响最直接、最强烈的区域[15]。目前，詹媛媛等[16]对于干旱荒漠区不同灌木根际与非根际土壤氮素的含量特征做了研究，相对非根际而言，根际土壤全氮、铵态氮、硝态氮、有机质含量都有所提高，而土壤pH值平均降低了0.14。此外，也有关于栓皮栎(Quercusvariabilis)、火炬松(Pinustaeda)及香蕉(Musaparadisiaca)等植物根际与非根际土壤氮素特征的报道[17-18]。高文星等[19]研究了河西走廊盐渍土不同种植年限苜蓿(Medicagosativa)根际磷的含量变异特征。本研究对陕西省榆林市靖边县毛乌素沙漠南缘不同株龄紫穗槐的根际和非根际土壤的全氮、铵态氮、硝态氮、有机碳的含量特征及土壤的pH值的变化进行分析，以期为沙漠区有效种植紫穗槐提供理论依据。

1 材料与方法

1.1研究区概况 试验区位于陕西省榆林市靖边县毛乌素沙漠南缘，107°28′～111°15′ E，36°57′～39°34′ N，海拔980～1 534 m。平均气温7.9 ℃，绝对最高温37.6 ℃，绝对最低温-27 ℃，无霜期150 d，年平均降水量438.4 mm。地貌主要为流动、半固定或固定沙地，土壤为各类风沙土，植被类群主要为沙生植物沙柳(Salixpsammophila)、紫穗槐、沙蒿(Artemisiaordosica)、蒙古韭(Alliummongolicum)、沙棘(Hippophaerhamaoides)、苦豆子(Sophoraalopecuroides)、沙枣(Elaeagnusangustifolia)、花棒(Hedysarumscoparium)、沙打旺(Astragalusadsurgens)、柠条(Caraganakorshinskii)、沙蓬(Agriophyllumsquarrosum)等。

1.2土壤样品的采集与分析

1.2.1样地设置 2011年8月在陕西省榆林市靖边县毛乌素沙漠南缘，选取1951年(60年龄)、1976年(35年龄)、1983年(28年龄)和2005年(6年龄)种植的紫穗槐各3个样地(样地面积均为100 m×100 m)，在各样地内随机选取5株中等大小的样株供采样分析，不同株龄代号为Y60、Y35、Y28和Y6(以下均用代号表示)。采样灌丛的形态特征和生长状况(表1)。

1.2.2土样采集 去除落叶层，用土壤刀从植株基部开始逐段、逐层挖去上层覆土，追踪根系的伸展方向，沿侧根找到须根部分，剪下分枝，然后轻轻抖动，落下的为非根际土壤，仍粘在根上的为根际土壤，用毛刷收集到土壤袋保存，供分析用[17，20]。

1.2.3土壤理化分析 将野外带回的样品放置在干燥、通风的室内，使其自然风干，并要注意防止污染。样品风干后，拣去动植物残体、根系、杂质和石块，研细并全部通过1 mm孔径的筛子，装袋，封袋后储藏备用。

表1 紫穗槐地上部分形态特征Table 1 Morphological characteristics of aerial part of Amorpha fruticosa

土壤全氮用凯氏消化法消化，并用FIAstar 5000全自动流动注射仪(瑞典FOSS公司生产)测定；硝态氮和氨态氮用2 mol·L-1KCl浸提，用FIAstar 5000全自动流动注射仪测定；土壤pH值采用电位法(土水比1∶1悬液)测定；土壤有机质采用重铬酸钾氧化-外加热法测定[21]。

1.3数据分析 采用SPSS 17.0和Microsoft Excel软件进行统计分析，根际与非根际用独立样本t检验进行差异性分析，各株龄间差异用单因素方差分析(ANOVA)，并用Person相关分析确定全氮、铵态氮、硝态氮、有机碳、pH值之间的关系。

2 结果与分析

2.1不同株龄紫穗槐根际与非根际全氮变化特征 紫穗槐属于固氮植物，在一定程度上，土壤全氮含量能反映紫穗槐的固氮效果。根际全氮含量随株龄增长呈先升高后降低的变化趋势，其中Y35最高，为0.93 g·kg-1，比非根际土壤高43.8%，Y60次之，Y60、Y35均显著高于Y6(P<0.05)，Y28与其它株龄比较，全氮含量差异不显著(P>0.05)。非根际全氮变化为Y35>Y28>Y6>Y60。沙漠地区种植的不同株龄的紫穗槐，根际全氮含量均高于非根际，除Y6外，Y28、Y35、Y60均达到显著水平(图1)。

2.2不同株龄紫穗槐根际与非根际铵态氮变化特征 土壤中铵态氮和硝态氮是土壤速效氮的两种主要形式，因此，都被作为土壤营养诊断的氮素营养指标，且其含量都比较少。对根际而言，铵态氮含量随株龄增长先升高后降低，Y35最高，Y35、Y60显著高于Y28、Y6(P<0.05)，分别为9.04和8.17 mg·kg-1。非根际铵态氮含量变化为Y28>Y35>Y60>Y6。除Y28外，不同株龄根际铵态氮含量均高于非根际土壤，其中Y35达到极显著水平(P<0.01)， Y60根际铵态氮含量显著高于非根际土壤，Y28非根际铵态氮含量极显著高于根际土壤(图2)。

图1 不同株龄紫穗槐根际与非根际土壤全氮含量变化Fig.1 Total N in rhizosphere and bulk soil of Amorpha fruticosa with different ages

图2 不同株龄紫穗槐根际与非根际土壤铵态氮含量变化Fig.2 NH4+ -N in rhizosphere and bulk soil of Amorpha fruticosa with different ages

2.3不同株龄紫穗槐根际硝态氮变化特征 根际硝态氮含量Y35最高，达到55.67 mg·kg-1，比非根际土壤高230%，其大小顺序为Y35>Y6>Y60>Y28。非根际硝态氮含量变化为Y35>Y60>Y6>Y28。不同株龄紫穗槐，根际硝态氮含量均高于非根际，其中Y6、Y35达到显著水平(P<0.05)(图3)。

2.4不同株龄紫穗槐根际与非根际pH值变化特征 根际不同株龄的pH值随着株龄的增加而逐渐减小，非根际亦是如此。根际土壤的pH值均低于非根际土壤。Y6根际与非根际差异不显著(P>0.05)，其它株龄根际与非根际差异显著(P<0.05)，Y28低根际pH值比非根际低0.26，Y35低0.29， Y60低根际pH值比非根际0.4(图4)。

图3 不同株龄紫穗槐根际与非根际土壤硝态氮含量变化Fig.3 NO3--N in rhizosphere and bulk soil of Amorpha fruticosa with different ages

图4 不同株龄紫穗槐根际与非根际土壤pH值的变化Fig.4 pH of rhizosphere and bulk soil of Amorpha fruticosa with different ages

2.5不同株龄紫穗槐根际与非根际有机碳变化特征 根际有机碳含量随株龄的增加而增加，Y35、Y60显著高于Y6(P<0.05)，有机碳含量分别达到7.16和7.97 g·kg-1。非根际有机碳含量有逐年增加的趋势，不同株龄紫穗槐根际有机碳含量均显著高于非根际(图5)。

图5 不同株龄紫穗槐根际与非根际土壤有机碳的变化Fig.5 Changes of soil organic carbon in rhizosphere and bulk soil of Amorpha fruticosa with different ages

2.5根际和非根际土壤养分之间的关系 对根际和非根际土壤养分的相关性分析可以看出，根际土壤全氮与有机碳、氨态氮、硝态氮含量均呈极显著相关(α=0.01)。根际pH值与根际有机碳、全氮、铵态氮含量呈极显著负相关(α=0.01)，与根际硝态氮含量显著呈负相关(α=0.05)。根际有机碳含理与根际铵态氮、硝态氮含量分别在α=0.01、α=0.05水平下相关性显著。非根际全氮含量与非根际有机碳、铵态氮、硝态氮含量相关性不显著。非根际pH值与非根际全氮含量显著负相关(α=0.01)，与非根际硝态氮、有机碳含量显著负相关(α=0.05)，非根际有机碳含量与非根际铵态氮含量相关性显著α=0.05(表2)。

表2 根际、非根际土壤养分之间的相关性分析Table 2 The correlation coefficients of nutrition concentrations in rhizosphere and bulk soil

3 讨论

土壤全氮含量相对比较稳定，它的多少取决于氮累积和消耗的相对强弱，尤其是土壤中有机碳的生物积累和分解的相对强弱。根际土壤中的全氮含量有所增加，这是由于根毛组织表皮的脱落物、根系分泌物、根的死亡、微生物在根际聚集及紫穗槐根瘤固氮作用的结果[17]。不同株龄紫穗槐根际全氮含量均高于非根际土壤，这与有机碳含量的变化一致，二者显著正相关。因此，提高土壤有机碳含量将有利于维持和提高土壤氮肥力。35年龄紫穗槐根际与非根际土壤全氮含量都达到最高，这可能是由于其根部结有较多的中慢生根瘤菌(Mesorhizobiumamorphae)[6]。60年龄的全氮含量在根际与非根际均低于35年龄，其原因不明，尚待进一步研究。不同株龄的紫穗槐根际铵态氮(28年龄除外)和硝态氮含量均高于非根际，表明在根际土壤中这二者有一定的富集现象。28年龄紫穗槐根际土壤铵态氮含量低于非根际土壤，与其它年份不同，这可能是在紫穗槐生长盛期，由于根系吸收铵态氮的速度大于土壤溶液中铵态氮随着质流到达根际的速度而低于非根际土壤，表现出亏缺现象[17]。与其它年份相比，对根际而言，35年龄无论是铵态氮还是硝态氮，含量均达到最高水平。沙地种植不同株龄的紫穗槐，非根际全氮、铵态氮(28年龄除外)、硝态氮含量均低于根际土壤，这与董兆佳和孟磊[18]对海南蕉园根际与非根际土壤氮素含量特征的研究结果一致。

土壤有机碳含量被认为是衡量土壤质量的一个重要指标，是土壤养分的源与库，它包括动植物及微生物的遗体、分泌物、排泄物及部分分解产物和土壤腐殖质，其中植被的根系分泌物和残落物是土壤有机碳的主要来源[22]。这些部分还原于土壤中，增加土壤有机碳，改良土壤结构，是提高土壤肥力的物质基础。本研究还发现，根际土壤有机碳含量显著高于非根际土壤。根际土壤有机碳含量逐年积累，非根际土壤有机碳含量也有积累的趋势。这是由于在荒漠生境下，多年生灌木往往需要消耗更多的碳用于根系生长来抵御长时间的环境胁迫，故有更多的根系沉淀，也就有更多的养分富集[20,23]，所以表现出明显的根际效应。

根际pH值变化不仅决定根际土壤中各种矿质养分的生物和化学有效性，而且影响着根际微生物群落的数量、种类、分泌物的组成和数量以及根际酶的活性，此外还对根的生长、根系对重金属元素毒害的耐受等有一定作用。一般认为，阴阳离子吸收不平衡、根系吸收产生的CO2、根系主动分泌质子、根系分泌有机酸和根际微生物活动产生的有机酸CO2等会引起根际土壤pH值下降。本研究中，根际土壤pH值明显低于非根际土壤，表明风沙地中种植紫穗槐是一种经济有效、完善生物治碱的措施。这与马玉莹等[24]对杉木林地根际与非根际的土壤有机碳含量、pH值的研究结果一致。

根际全氮与有机碳含量呈显著的正相关关系。这是由于在土壤中氮主要以有机氮的形态存在，有机碳含量会影响全氮的高低，于是影响土壤有机碳含量的因素均能不同程度地影响土壤全氮含量。全氮与铵态氮、硝态氮含量在根际也呈显著正相关关系。

本研究主要对风沙地种植的不同株龄紫穗槐根际与非根际土壤氮素及有机碳含量特征进行了初步探讨，从中可以明显地看出，沙漠地区种植紫穗槐长势良好，而且生长可达60年以上，不但可以起到防风固沙作用，而且明显地改善了土壤肥力，同时也是家畜的良好饲料，建议在荒漠化治理中广泛推广应用。

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