不同种植年限紫穗槐根际非根际土壤磷组分含量特征

李金辉，卢鑫，周志宇，赵萍，金茜，周媛媛

（草地农业生态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）

毛乌素沙地是一个多层次的生态过渡带，是以草地放牧业为主的牧、林、农交错地区，属于典型的生态脆弱区［1］。近年来，由于受气候转暖、人类的不合理开垦和过牧等因素的影响，该地区植被和土壤层遭到不同程度破坏，自然生态平衡被打破，沙漠化现象日趋严重，为了避免向更低级的生态环境演化，可通过土壤－植物复合系统的功能提高生态系统的自我修复能力。紫穗槐（Amorphafruticosa）由于具有耐风蚀、耐旱涝、耐寒、耐盐碱，根系发达，适应性强的特点，已成为毛乌素沙地适宜种植与发展的优良豆科灌木，对该地区有效预防及治理沙漠化具有显著成效，目前，紫穗槐已成为国内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，采用磷素分级方法来研究土壤中磷素的形态和有效性，针对土壤中磷的不同形态进行定量研究，对揭示沙地磷素状况和土壤磷素循环特点具有重要意义。现在越来越多的学者采用Tiessen和 Moir［3］、Sui等［4］以及 Guppy等［5］修正后的 Hedley土壤磷素分级体系。该方法克服了Chang和Jackson［6］的磷分级法的缺陷，是目前较为合理、较具说服力的土壤磷素分级方法。但国内采用此法对土壤磷素进行分级的研究甚少，并且针对陕北毛乌素沙地磷素研究尚处于空白阶段，因此本研究选择Sui等［4］1999年修正后的Tiessen和Moir［3］磷素分级方法对毛乌素沙地不同种植年限的紫穗槐土壤磷素进行分级，研究紫穗槐对土壤磷素的聚积以及不同磷素形态在根际微域环境中的含量特征，旨在揭示紫穗槐根际养分利用情况，这对指导沙地土壤的养分利用及土壤－植物养分循环过程的理论，荒漠区脆弱生态系统的保护和恢复具有十分重要的价值。

1 材料与方法

1．1 试验区概况

试验区位于陕西省榆林市靖边县毛乌素沙漠南缘，东经107°28′～111°15′，北纬36°57′～39°34′之间，海拔980～1534m。平均温度7．9℃，绝对最高37．6℃，绝对最低－27℃，无霜期150d，年平均降水438．4mm。地貌主要为流动、半固定或固定沙地；土壤类型为各类风沙土，该地区的沙土主要由粒径在0．05～0．25mm的细沙粒和0．25～0．50mm粒径范围的中沙粒组成；植被类群主要为：沙柳（Salixpsammophila）、杂交杨、紫穗槐、油蒿（Artemisiaordosica）、蒙古韭（Alliummongolicum）、酸刺（Hippophaerhamnoides）、苦豆子（Sophoraalopecuroides）、沙枣（Elaeagnusangustifolia）、花棒（Hedysarumscoparium）、沙打旺（Astragalusadsurgens）、柳树、柠条（Caraganakorshinskii）、沙蓬（Agriophyllumsquarrosum）等。

本研究采样地4个年份种植的紫穗槐分布区域较为接近，均分布在黄蒿界乡区域内，地势较为平坦，样地内多种固沙植物共存，覆盖度较高。

1．2 土壤样品的采集与分析

1．2．1 样地设置 2011年8月在榆林市靖边县毛乌素沙漠南缘，选取1951年（60龄），1976年（35龄），1983年（28龄），2005年（6龄）种植的紫穗槐各3块样地，每块样地面积为100m×100m，在各样地内随机选取5株中等大小样株供采样分析（不同株龄代号分别为：Y60，Y35，Y28，Y6，以下均用代号表示），采样灌丛的形态特征和生长状况见表1［7］。

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

1．2．2 土样采集 采样步骤为：用铁锨铲去落叶层，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［8］。

1．2．3 土壤样品的分析 所采土壤样品经自然风干后，拣去动植物残体、杂质、根系和石块，研细并过0．5mm筛装袋、封袋后储藏备用。磷素分级方法采用Sui等［4］修正后的Tiessen磷素分级方法，测定流程见图1。pH测定采用电位法（水∶土＝1∶1）。

1．3 数据处理

数据均使用SPSS 17．0进行统计分析，各样地指标采用单因素方差分析（one way－ANOVA）比较，根际与非根际用配对样本t－检验进行差异性分析，采用相关分析的方法确定全磷、有效磷、pH及各磷组分之间的相关关系。所有图表均使用Excel 2003进行绘制。

2 结果与分析

2．1 全磷与有效磷含量特征

从表2可知，Y35和Y6的根际全磷含量大于非根际全磷，而Y60和Y28根际全磷含量小于非根际全磷，随着年限增加，根际与非根际全磷含量大小依次为：Y60＞Y28＞Y6＞Y35。相对于全磷含量，土壤中有效磷含量极低（＜10mg／kg）。由表3可知，4个年份根际土壤有效磷含量均高于非根际土壤，表现出在根际的富集，这与薛梓瑜和周志宇［9］的结果一样。4个年份根际土壤有效磷含量大小依次为：Y60＞Y35＞Y28＞Y6。全磷和有效磷含量Y60的最大，说明随着时间的推移，紫穗槐的种植对毛乌素沙地全磷和有效磷的含量具有提高的作用。

2．2 根际和非根际土壤pH值

根际土酸度的调整是植物改善根际磷有效性的最重要手段之一［10－11］。不同株龄的紫穗槐根际与非根际土壤的pH测定结果表明，根际土的pH均低于非根际土，根际和非根际土不同株龄的pH值均随着株龄的增加而逐年减小。Y60、Y35、Y28根际与非根际差异显著，Y60降低了0．4，Y35降低了0．29，Y28降低了0．26。Y6根际和非根际无显著差异。

图1 土壤磷的分级流程图Fig．1 Phosphorus fractionation chart

表2 根际和非根际土壤全磷含量特征Table 2 The characteristics of total P in bulk and rhizosphere soils

表3 不同年限根际与非根际土壤有效磷含量特征Table 3 The characteristics of available P in bulk and rhizosphere soils

2．3 磷组分含量特征

图2 不同株龄紫穗槐根际与非根际土壤pH值的变化Fig．2 Change of pH in rhizosphere and bulk soil in different A． fruticosaages

2．3．1 无机磷组分的特征 按照连续浸提法分级，将无机磷分为：H2O－Pi、NaHCO3－Pi、NaOH－Pi、Dil．HCl－Pi和Conc．HCl－Pi，其生物有效性逐级降低。根际和非根际土壤无机磷含量特征如表4所示，土壤无机磷库含量总体排序为：Dil．HCl－Pi＞Conc．HCl－Pi＞NaHCO3－Pi＞NaOH－Pi＞H2O－Pi。其中 H2O－Pi含量相对较少，Dil．HCl－Pi是最主要的无机磷素形态，占无机磷总量的50%左右。

从表4可以看出，随着株龄的增加，根际土壤除了 H2O－Pi先增大后减小外，Conc．HCl－Pi先减小后增大外，其他的无机磷 NaHCO3－Pi、NaOH－Pi和Dil．HCl－Pi都是随着株龄的增加含量逐渐增大。在非根际土壤NaHCO3－Pi随着株龄的增加含量逐渐增加，NaOH－Pi、Conc．HCl－Pi的含量都随着株龄的增加先减小后增多。从根际土无机磷含量特征可以看出，除了 H2O－Pi和Conc．HCl－Pi外，其余无机磷均是Y60的含量最高，从非根际土无机磷含量特征可以看出，除了H2O－Pi和NaOH－Pi外，其余无机磷均是Y60的含量最高。从根际和非根际土壤对比可知，除Y60的H2O－Pi和Y35的Dil．HCl－Pi根土＞非根土外 ，其他株龄的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 根际与非根际土壤磷分组含量特征Table 4 The characteristics of P fractionations in bulk and rhizosphere soils

2．3．2 有机磷组分的特征 4个年份种植的紫穗槐根际和非根际有机磷含量见表4。除Y28的NaHCO3－Po外，其他株龄的NaHCO3－Po，NaOH－Po，Conc．HCl－Po有机磷含量均是根际土＞非根际土，说明潜在的、可以转化的有机磷数量增加。NaHCO3－Po在根际含量大小依次为：Y35＞Y6＞Y60＞Y28，NaOH－Po在根际的含量大小依次是：Y60＞Y35＞Y28＞Y6，Conc．HCl－Po在根际含量大小依次为：Y60＞Y6＞Y28＞Y35。

2．4 根际与非根际土壤磷库组分相关性

对根际土壤有效磷，全磷和各磷组分含量进行相关分析（表5）。根际土壤有效磷与Dil．HCl－Pi和Conc．HCl－Po含量呈显著正相关（P＜0．05），说明Dil．HCl－Pi和Conc．HCl－Po对土壤磷素的有效性起到了重要的作用。H2O－Pi与Total－P含量呈显著正相关（P＜0．05），H2O－Pi与 Conc．HCl－Pi含量呈极显著负相关（P＜0．01）。对非根际土壤有效磷、全磷和各磷组分含量进行相关分析表明（表6），土壤有效磷和Conc．HCl－Po含量呈显著正相关（P＜0．05），Total－P和 Conc．HCl－Po呈显著正相关（P＜0．05），土壤全磷与 NaHCO3－Pi和 Dil．HCl－Pi含量呈极显著正相关（P＜0．01）。

表5 根际土壤有效磷、全磷与磷组分相关系数Table 5 Correlation coefficients between available P，total P and P fractionations in rhizosphere soils

表6 非根际土壤有效磷、全磷与磷组分相关系数Table 6 Correlation coefficients between available P、total P and P fractionations in bulk soils

表7 全磷、有效磷和pH的相关系数Table 7 Correlation coefficients among total P，available P and pH

3 讨论

3．1 全磷含量变化特征

本研究的结果表明，Y35和Y6根际与非根际全磷含量差异不显著，而Y60和Y28根际全磷含量明显低于非根际，在其他一些报道中，根际与非根际全磷含量差异多不显著［12－14］。主要是由于根系分泌有机物、根系脱落物及根系的更新，旱生灌木根际土壤有机质含量相对较高，虽然这些有机物质并不会增加土壤磷含量，但却会影响磷在土壤中的移动性［15］。此外，采样时间正处该地区的雨季，紫穗槐生长旺盛，致使其磷的吸收量增加。

3．2 有效磷含量变化特征

从表3可以看出，不同种植年限的紫穗槐根际土壤有效磷含量均高于非根际土壤。许多研究结果表明，根际土壤有效磷含量较非根际土壤高［16－19］，这与所得的试验结果一致，表明有效磷在根际出现一定的富集现象，主要是由于根际土壤pH的降低（均低于非根际土pH）和根际有机质含量增加导致。在无机磷以钙磷为主的土壤中，根际的酸化，尤其是根系分泌的H＋能显著的增加无机磷的生物有效性，同时有机酸对吸附位点的竞争也能增加磷的有效性。同时发现有效磷的富集率差异较大，Y60的根际富集率为18．7%，Y28的根际有效磷富集率却仅有0．8%，这说明不同种植年限的紫穗槐对有效磷的吸收和利用有差异性，导致富集率各不相同。采样时，Y35的紫穗槐粗根出现不同程度的腐烂分解，这可能是造成Y35紫穗槐有效磷含量较高的原因。土壤中有效磷含量极低（＜10mg／kg），低于植物正常生长所需的浓度［20］，说明紫穗槐具有适应低磷土壤的能力，其根际具有活化磷的能力和机制。

3．3 根际土壤pH值变化特征

根际pH值的变化是由于根系呼吸作用释放CO2以及在离子的主动吸收和根尖细胞伸长过程中分泌质子和有机酸所致［21］，此外，吸收阴阳离子不平衡也是导致pH变化的主要原因［22］。从图2可以看出，4个年份种植的紫穗槐根际土的pH均低于非根际土，这可能有以下几种因素：1）阴阳离子吸收不平衡；2）根系主动分泌质子；3）根系吸收产生的CO2；4）根系分泌有机酸；5）根际微生物活动产生的有机酸CO2，而引起根际土壤pH的下降。植物根际pH值低于非根际土壤，提高了植物根际磷的有效性［23］。

3．4 磷组分含量变化特征

从表4的结论可以看出随着沙地上种植的紫穗槐年龄的增加稳定磷库有积累的趋势，可能是由于土壤中磷的矿化和微生物的分解，形成了较多次生磷矿物，与吴荣贵等［24］研究结果相似。H2O－Pi是对植物最有效的磷素形态，除Y60外，其余株龄H2O－Pi均低于非根际。在干旱荒漠条件下，植物根际H2O－Pi的含量低于非根际可能由于植物吸收以及微生物作用或Fe和Al氧化物对磷的吸附引起的［25］。土壤中有机质数量和有机质分解的速度影响土壤有机磷的含量。由表4可见除 Y28的 NaHCO3－Po外，其他株龄 NaHCO3－Po，NaOH－Po，Conc．HCl－Po有机磷含量均是根土＞非根土，说明潜在的、可以转化的有机磷数量增多。

3．5 土壤有效磷和各磷组分含量之间的关系

从表7可以看出在多层次的生态过渡带根际和非根际土壤有效磷与pH值和根际全磷含量相关性均不显著，说明在沙地，土壤有效磷的含量受pH值和全磷影响较小。说明在沙地紫穗槐根际出现酸化与根际磷的活化关系不大，这可能是因为有效磷受微生物、有机磷矿化、根际磷酸酶、根系分泌物及菌根等因素的影响而减少了土壤中全磷含量对有效磷含量的影响。

4 结论

种植不同株龄紫穗槐根际土的pH均低于非根际土；根际土壤除了H2O－Pi先增大后减小，Conc．HCl－Pi先减小后增大外，其他的无机磷NaHCO3－Pi、NaOH－Pi和Dil．HCl－Pi都是随着株龄的增加无机磷含量逐渐增大，除 Y28的 NaHCO3－Po外，其他株龄的 NaHCO3－Po，NaOH－Po，Conc．HCl－Po有机磷含量均是根际土＞非根际土；随着年限增加，根际与非根际全磷含量大小依次为：Y60＞Y28＞Y6＞Y35。不同株龄根际土壤有效磷含量均高于非根际土壤。

根际土壤有效磷与Dil．HCl－Pi和Conc．HCl－Po含量呈显著正相关，非根际土壤有效磷和Conc．HCl－Po含量呈显著正相关，根际和非根际土壤有效磷与pH值和根际全磷含量相关性均不显著。

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