潘恒艳，崔晶晶，韩卓君，宋柏权，周建朝，王秋红

（黑龙江大学现代农业与生态环境学院，哈尔滨 150080）

0 引言

根际土壤中含有多种有机物质，其中根系分泌物也称为根渗出物，是从植物根部释放到根际的一组种类繁多的可溶性化合物[1]。主要由各种含碳化合物组成，包括低分子量（例如可溶性糖、氨基酸和有机酸阴离子）和高分子量（例如蛋白质和粘液）物质[2]。根系释放的有机物质不仅仅为根际微生物提供了丰富的碳源，而且极大地改变了根际土壤的物理和化学性质，进而对根系的养分状况产生重大的影响[3]。尤其是低分子量的可溶性有机物，含量少却能明显地改变根际的土壤化学过程，促进难溶性养分的溶解[4]。因此，根际土壤中的有机物质的变化特征能够间接或直接地影响根际土壤中的养分含量。

在根际土壤中，根系分泌物的浓度降低主要取决于两个方面：化学（吸附或解吸）和生物学过程（例如微生物消耗）引起的扩散和降解。微生物消耗有助于根渗出物的耗散，因为它提供了根际微生物的存活和繁殖所需的营养和能量[5-6]。另外，根系分泌物会抑制氮（N）循环中的生物硝化过程[7]，可以通过根系分泌物的浸出，径流和反硝化来降低N 损失，增加作物的氮素利用率，从而减轻农业来源的N 污染。

目前，对甜菜根系分泌物的收集和研究多采用室内盆栽[8]培养法，利用室内可控的无菌条件收集根系分泌物，这种方法的缺点是忽略了田间自然条件下根际环境的影响。但是在田间试验时、原位静态收集根系分泌物需要比较复杂的试验装置[9]。考虑到根际土壤的各种成分及微生物对根系分泌物的影响，本研究在田间采用网袋培养法，直接对不同生长阶段甜菜的根际土壤中根系分泌物的主要成分（包括氨基酸类、有机酸类和糖类）进行测定，并分析各主要成分与根际土壤化学性质的相关性，试图在天然土壤复杂性和变异性的背景下，探究根际土壤有机养分的变化特征及根系分泌物与环境因素（生物和非生物因素）的相互作用，为进一步研究根系对根际土壤有机物质的吸收特征及其生理机制的影响提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2020 年4 月在黑龙江大学呼兰校区田间进行。试验材料选取有机氮吸收效率高、低的品种[10]各1个，分别为有机氮高效的品种‘KWS8138’和有机氮低效的品种‘Beta176’。

1.2 试验方法

用尼龙布（300 目）做网袋，制作直径为0.55 m 的网袋42 个，边缘穿绳收口。选取表层0～25 cm 土壤，不施氮肥（N：0 mg/kg，P：150 mg/kg，K：150 mg/kg）处理，混匀后，按照土壤容重1.34 g/cm3在桶中分层装入8 kg底土及12 kg 网袋外土，二者成分一致，然后在网袋内装入1.25 kg 土后埋入桶中，于网袋内播种30 粒甜菜种子，覆土150 g。每份材料12 个重复。于甜菜苗期、叶丛快速生长期、块根糖分积累期和收获期取根际和非根际土壤待测，其中根际土壤在网袋内收集，是距离活体根系表面1～2 mm 以内的土壤和根表面及其粘附的土壤，非根际土是指网袋外的土壤，每份土壤3次重复。

1.3 测定指标

对甜菜不同时期取到的根际和非根际土壤，测定其化学性质，同时测定其根际土壤中的有机物质。测定指标包括土壤中的化学成分，⑴有机氮组分：氨态氮（Ammonia nitrogen,AN）、氨基酸态氮（Amino acid nitrogen,AAN）、氨基糖态氮（Amino sugar nitrogen,ASN）；⑵其他：全氮（Total nitrogen,TN）、碱解氮（Alkali-hydrolyzable nitrogen,Alkali-N）、无机氮（Inorganic nitrogen，包括硝态氮和铵态氮）、有机质（Soil organic matter,SOM）、pH、含水量（Water content）。以及土壤中的有机物质，⑴氨基酸类：精氨酸（Arg），谷氨酸（Glu），总氨基酸（Total amino acids），其中总氨基酸为组氨酸（His）、丝氨酸（Ser）、精氨酸（Arg）、甘氨酸（Gly）、天冬氨酸（Asp）、谷氨酸（Glu）、苏氨酸（Thr）、丙氨酸（Ala）、脯氨酸（Pro）、半胱氨酸（Cys）、赖氨酸（Lys）、酪氨酸（Tyr）、蛋氨酸（Met）、缬氨酸（Val）、异亮氨酸（Ile）、亮氨酸（Leu）、苯丙氨酸（Phe）17 种氨基酸总量；⑵有机酸类：草酸（Oxalicacid）、甲酸（Formicacid）；⑶糖类：葡萄糖（Glucose）。

采用高效液相色谱法测定氨基酸[11]、有机酸[12]、糖[13]；采用实验室常规方法[14]测定土壤总氮、无机氮（包括硝态氮和铵态氮）、速效氮、SOM、pH 等；土壤有机氮各组分的含量测定采用BREMNER[15]的酸解法。

试验用土取自黑龙江大学呼兰校区试验田，基础土样含有机质（SOM）48.72 g/kg、碱解氮（Alkali-N）153.66 mg/kg、速效磷（Valid-P）117.76 mg/kg、速效钾（Valid-K）136.97 mg/kg、全氮（TN）2.02 g/kg、全磷[TP(P2O5)]0.157 g/kg、全钾[TK(K2O)]0.309 g/kg，pH为6.38[14]。

1.4 数据分析

数据统计分析及图表采用SPSS 25.0和EXCEL 2019完成。

2 结果与分析

2.1 甜菜根际和非根际土壤的化学性质分析

在甜菜的不同发育阶段分别取根际及非根际土壤，分析了土壤中有机氮各组分（包括AN、AAN和ASN），以及土壤TN、无机氮、Alkali-N、SOM 及pH 等化学性质在甜菜生长季的变化情况。土壤有机氮组分中AN、AAN和ASN 在甜菜各发育阶段根际和非根际的变化情况见表1，AN在根际内的含量高于非根际，高0.002～0.018（平均0.011）g/kg，随着植株的生长，AN含量逐渐降低；甜菜有机氮高效品种‘KWS8138’根际内的AN含量高于有机氮低效品种‘Beta176’，高0.025～0.035（平均0.029）g/kg，说明其根际土壤矿化的AN 较多。这主要是甜菜全生育期内的根系活动及土壤微生物代谢促进了根际土壤有机氮中AN 的矿化，另外，植物无法直接利用NH3-N（氨态氮，AN），也会导致根际AN含量较高，有机氮高效品种对AN的吸收利用少于有机氮低效的品种。AAN 在根际的含量低于非根际土壤，低0.017～0.029（平均0.023）g/kg，从苗期到收获期，AAN 含量逐渐增加；有机氮高效品种根际AAN 的含量比低效品种高0.011～0.026（平均0.019）g/kg。说明根际土壤有机氮矿化出的AAN被根系直接吸收或土壤微生物的代谢利用。随着植株的生长，由根系分泌的或者土壤中有机氮矿化的AAN逐渐增多，导致土壤中AAN的含量升高。ASN在根际和非根际的变化趋势与AAN相同，根际比非根际低，低0.005～0.044（平均0.023）g/kg，随着植株的生长逐渐增加，收获期达到最高值；不同的是在有机氮高效品种根际含量显著低于低效品种，低0.037～0.048（平均0.043）g/kg。可见随着甜菜植株的生长，对ASN的吸收利用逐渐减少，有机氮高效的甜菜植株对ASN的吸收利用相对低效品种显著增加。

表1 根际和非根际土壤中有机氮各组分含量差异Table 1 The content differences of each component of organic nitrogen in rhizosphere and non-rhizosphere soil

根际土壤TN 含量高于非根际土壤中的含量，高0.004～0.032（平均0.017）g/kg；有机氮高效品种‘KWS8138’高于低效品种‘Beta176’，高0.001～0.016（平均0.008）g/kg（表2）。SOM 在根际的含量要低于非根际，随着植株的生长，SOM 含量也在逐渐降低；不同品种差异较大，有机氮吸收效率高的品种SOM 含量（平均43.47 g/kg）高于低效的品种（36.73 g/kg）。根际土壤的Alkali-N 含量略低于非根际，低0～0.007（平均0.003）g/kg，苗期到收获期含量稍有增加；有机氮高效品种低于有机氮低效的品种，低0.015～0.019（平均0.017）g/kg。根际土壤pH 略低于非根际，低0～0.02（平均0.01），苗期到收获期逐渐升高；有机氮高效品种高于低效品种，低0.11～0.22（平均0.17）。无机氮根际内外差异除了‘KWS8138’苗期和叶丛快速生长期差异显著外，其他时期差异不显著，随植株的发育也无明显的变化，有机氮高效与低效品种之间也无明显差异。

表2 根际和非根际土壤中TN、无机氮、Alkali-N、SOM 及pH 含量差异Table 2 Differences of total nitrogen,inorganic nitrogen,alkali hydrolyzable nitrogen,organic matter and pH in rhizosphere and non-rhizosphere soil

2.2 根际土壤中的有机物质在甜菜不同生长阶段的变化特征

根际土壤中的有机物质（氨基酸、有机酸和糖类）是甜菜根系分泌物的主要成分，在甜菜不同生长阶段，植株根系对土壤中有机氮素的吸收和利用均有差异。由表3 可知，有机氮高效品种‘KWS8138’的根际土壤中总氨基酸、Glu、Arg、草酸、甲酸、葡萄糖均高于低效品种‘Beta176’，分别高11.25、3.08、1.77、56.80、2.55、1.55µg/(g·h)。总氨基酸和Arg含量从苗期到收获期呈逐渐增加趋势，平均增幅分别为14.64%、37.74%；Glu、草酸、甲酸、葡萄糖含量从苗期到收获期逐渐降低，平均降幅分别为36.91%、92.02%、84.25%、78.11%，其中草酸降幅最大。

表3 根际土壤中有机物质在甜菜不同生长阶段的含量变化Table 3 The content of organic material in the rhizosphere soil varies at different growth stages of sugarbeet

2.3 根际土壤中的有机物质与土壤化学性质的相关性分析

土壤有机氮吸收效率高的品种‘KWS8138’不同发育阶段根际土壤中的有机物质与化学性质的相关系数见表4，Glu、草酸与AN 和SOM 显著正相关，与AAN、ASN、TN 显著负相关；葡萄糖与AN 和SOM 显著正相关，与ASN、TN显著负相关。甲酸与SOM显著正相关，根际土壤中有机物质与pH均未显著相关。

表4 KWS8138 根际土壤中的有机物质与土壤主要化学性质的相关性Table 4 Correlation of organic material and the main chemical properties of the soil in the KWS8138 rhizosphere soil

对土壤有机氮吸收效率低的品种‘Beta176’不同发育阶段根际土壤中的有机物质与化学性质的相关系数见表5，总氨基酸、Arg 与AAN、TN、Alkali-N 显著正相关，与AN 和SOM 显著负相关。Glu、草酸、葡萄糖与AN和SOM显著正相关，与AAN、TN、Alkali-N显著负相关。甲酸与AN显著正相关，与Alkali-N显著负相关，葡萄糖与pH显著负相关。

表5 Beta176 根际土壤中的有机物质与土壤主要化学性质的相关性Table 5 Correlation of organic material and the main chemical properties in rhizosphere soil in the Beta176

3 讨论

根际土壤中的有机物质主要来自植物根系分泌物，植物根系向根际分泌的多种化合物在根际土壤的养分循环、微生物群落分布及SOM 分解等方面都起到关键性的作用[16]。根系分泌物会因不同植物或同一植物的不同生长阶段而异，导致植物物种根际组成成分产生差异[17-18]。有研究表明，根际土壤比周围非根际土壤中的成分和结构更复杂[19-21]。进入根际的有机物质可以加速土壤氮循环[22-23]，主要是通过刺激土壤有机质（SOM）分解来促进N代谢[24-25]。在这个生化过程中，根际通过启动效应将碳和氮的分解联系起来，从而增加养分的有效吸收利用[26]。因此，有机氮高效的品种可在低氮条件下更大程度地促进土壤中有机氮矿化后形成更多的AN、AAN，更能适应低营养条件，大大减少了对氮肥施入的需求。

植物根系分泌物直接影响土壤中有机质（有机碳）的含量[27]，通过释放大量的碳（有机酸、糖和氨基酸）来调节土壤环境，这可能会增强微生物之间的相互作用[28]，从而对土壤的碳矿化产生正激发效应[29]。当土壤中的碳氮比较低的时候或者植物生长发育需要较高的氮时，植物可以通过根系分泌物改变土壤中的养分有效性，从而适应周围环境的变化[30-31]。‘KWS8138’对土壤有机氮吸收效率较高，在氮素养分不足时，根系能分泌出更多的氨基酸，为根际微生物提供碳源，从而改变根际土壤养分的有效性来适应环境。

研究表明，在逆境胁迫下，植物根系可通过向根际环境分泌有机酸来减轻胁迫[32]，其机理是通过改变根际pH 和氧化还原条件，通过螯合作用和还原作用增加元素的溶解度和移动性，进而促进植物根系对这些养分的吸收和利用[33-34]。根系分泌物中低分子量羧酸盐（≤3 个羧基）如草酸，可增加植物对磷的吸收[35]。无论是‘KWS8138’还是‘Beta176’，根际土壤中的草酸都与根际土壤的pH 呈负相关，土壤pH 的变化直接影响根际的细菌群落，微生物多样性的下降与土壤pH 的下降密切相关[36]，由此推测甜菜根际土壤中草酸的量会影响根际土壤微生物中细菌的含量。甜菜根系分泌物为根际的微生态环境提供了能源，在一定程度上改变了微生物根际环境的生态分布[37]。

4 结论

（1）根际土壤有机氮矿化的各组分中，氨态氮（AN）在根际内的含量高于非根际，在甜菜收获期降到最低，‘KWS8138’对AN 的吸收少于‘Beta176’，说明根际土壤矿化的AN 较多，这主要是甜菜全生育期内的根系活动及土壤微生物代谢可能促进了根际土壤有机氮中AN 的矿化，另外，植物无法直接利用NH3-N（AN），也会导致根际AN 含量较高；氨基酸态氮（AAN）和氨基糖态氮（ASN）在根际的变化趋势与AN 相反，在根际内的量低于非根际，随着生育期逐渐升高。根际土壤有机质（SOM）、碱解氮（Alkali-N）含量和pH 的变化与AAN、ASN相一致，在根际内的含量低于非根际。

（2）土壤有机氮吸收效率高的品种‘KWS8138’中总氨基酸、Arg 与AAN、ASN、TN、Alkali-N 显著正相关，与AN、无机氮和SOM显著负相关。Glu、草酸、葡萄糖与AN 和SOM显著正相关，与AAN、ASN、TN呈显著负相关趋势，甲酸与SOM显著正相关，根际土壤中有机物质与pH均未显著相关。土壤有机氮吸收效率低的品种‘Beta176’中总氨基酸、Arg与AAN、TN、Alkali-N显著正相关，与AN 和SOM 显著负相关。Glu、草酸、葡萄糖与AN和SOM显著正相关，与AAN、TN、Alkali-N显著负相关。甲酸与AN显著正相关，与Alkali-N显著负相关，葡萄糖与pH显著负相关。