紫穗槐护坡根际土壤中量、微量元素的含量特征

宋卫科，何佳庆，杨丽红，卢 鑫，李 捷

（1.甘肃恒和交通设施安装有限公司,甘肃 兰州 730070；2.甘肃天佑生态环境工程有限公司,甘肃 兰州 730084；3.兰州大学草地农业科技学院 草地农业生态系统国家重点实验室,甘肃 兰州 730020）

高速公路建设是一项以破坏生态环境为代价的现代化工程，其建设涉及大量土石方工程，同时会产生大量的边坡，重置表层土壤元素含量和空间分布，严重影响高速路周围植物群落以及生物栖息地的稳定性[1-2]。据统计，我国每建设1 km 高速公路就会形成5 万～7 万m2的裸露坡面[3]，尤其在黄土高原地区，强烈的蒸发、高温和盐渍化，导致群落植被稀疏、水土流失严重、荒漠化和土壤贫瘠化不断扩大，贫瘠的土壤环境使该地区高速公路边坡生态环境变得更为脆弱，植被恢复更加缓慢[4]。因此，边坡生态修复是高速公路建设过程中的必要环节，也是当前生态恢复领域的研究热点[5-7]。紫穗槐(Amorpha fruticosa)为豆科紫穗槐属(Amorpha)植物，是典型的深根性直根树种，标准株主根分布最深能达到80 cm。紫穗槐发达的根系、较强的萌蘖性和繁茂的枝叶，使其具有截持降雨、避免坡面径流和固土护坡等优良特性[6]；同时，紫穗槐的固氮功能可以维持自身的氮素需求[8]，从而使其在贫瘠的土壤中生存，因而被广泛应用于高速公路边坡生态修复。

土壤中的中量、微量元素是植物个体需求量极小，但生长发育所必需的营养元素，不仅能够反映土壤对植物矿质营养的供给水平，而且通过与植物根系产生一系列互作效应，维持植物-土壤-微量元素状态，在多方面影响着植物的生长繁殖[9-10]。因此，研究土壤中量和微量元素有效含量特征，可以较全面分析边坡土壤元素含量及空间分布特征[11]，而且可以为边坡的人工治理和植被生态恢复提供理论依据。然而，目前有关高速公路边坡生态修复的研究主要集中在坡面植被根系分布特征以及群落演替等方面[12-14]，对高速公路护坡植被根系土壤的中量和微量元素有效含量特征以及元素富集效应的研究极其匮乏，尤其是针对西北干旱半干旱地区高速公路护坡工程中广泛栽植的紫穗槐。

本研究针对甘肃平凉地区高速公路边坡栽植的灌木紫穗槐根系土壤铁、锰、铜、锌、镁、钙的有效含量特征分别进行探讨，分析紫穗槐根系不同土壤深度对以上6 种植被必需营养元素的吸收差异，揭示护坡紫穗槐根际与非根际土壤中量、微量元素的有效含量特征，以期为后续高速公路人工改良边坡正向恢复的治理与重建提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究地区概况

研究地区隶属于甘肃省平凉市华亭市西华镇(106°55′E,35°22′N)，位于甘肃省东部，地处陕西、甘肃、宁夏三省(自治区)交汇处，属陇东黄土高塬丘陵区，大陆腹地季风性气候，季节分配不匀，夏短而冬长，冬春干旱多风，夏秋阴湿多雨，年均蒸发量1 320.7 mm，年平均气温7.7 ℃，最热月(7月)平均气温20.19 ℃，最冷月(1月)平均气温-6.14 ℃。该地区新建平凉(华亭)至天水高速公路，是G8513 平凉至绵阳国家高速公路联络线的重要组成部分，也是甘肃省高速公路网规划平凉至武都高速公路的重要组成路段，在区域路网结构中具有重要作用。本研究地点选择在平天高速公路平凉段交安工程PTJA1 标段，路线起点位于华亭市吴家堡子，出马峡隧道后到本标段终点，路线长度22.15 km。该段高速公路边坡采用人工栽植紫穗槐幼苗进行边坡覆绿修复。

1.2 研究方法

1.2.1 试验设计与取样

本研究在试验路段内连续设置3 个人工栽植紫穗槐幼苗的边坡样地，样地大小为5 m×10 m。在每个样地内，选择处于同一坡度水平下，且具有3年生长周期(2018 -2021年)、生长高度基本一致的3 株紫穗槐作为重复。试验取样在2021年4月初进行，首先用铁锹和铲子除去土壤表面凋落物，然后用土壤环刀从紫穗槐基部开始逐段、逐层挖去上层覆土，观察紫穗槐根系的生长位置，然后沿侧根找到须根部分，剪下分枝，轻轻抖动后落下的土壤为非根际土壤(标记为BS)，仍保留在根上的为根际土壤(标记为RS)[15]。用毛刷分别收集0 -20、20 -40、40 -60、60 -80 及80 cm 以下共5 个土层的根际与非根际土壤，用自封袋保存。将野外带回的样品敞开放置在干燥通风的室内，使其自然风干，并注意防止污染。样品自然风干后，拣去动植物残体、杂质、根系和石块，将风干后的土壤初步研细，然后全部通过0.5 mm 孔径的筛子，装入自封袋后储藏供实验室分析用。

1.2.2 测定指标

边坡土壤pH 采用电位法(土水比1∶1)测定，使用仪器为雷磁PHSJ-6L pH 计。植物根系所吸收土壤的有效中量和微量元素以离子态的形式存在，较土壤元素全量，有效元素含量更能体现植物根系对养分的利用，因此本研究测定紫穗槐根际与非根际土壤有效元素含量。护坡紫穗槐不同深度根际土壤与非根际土壤铁、锰、铜、锌、镁、钙的有效含量均采用DTPA 法振荡浸提，原子吸收光谱法(atomic absorption spectroscopy，AAS)测定，使用仪器为AFG型原子吸收分光光度计TAS-990。

用“富集率(enrichment ratio，E)”表示紫穗槐根际对土壤养分的富集程度，从而反映根际效应的强弱[16]。

1.3 数据处理

首先对数据进行正态性检验，对不符合正态分布的数据进行对数转化，使其满足正态分布。以边坡紫穗槐根际与非根际两种不同的土壤类型以及不同土壤深度作为变量因素，采用 Two-way ANOVA分析6 种元素有效含量的方差显著性。若差异不显著，不做继续分析；若差异显著，则采用 Duncan 法对不同土壤深度根际和非根际的pH 和铁、锰、铜、锌、钙、镁有效含量进行多重比较。根际土壤与非根际土壤不同中、微量元素间的相关性采用Pearson相关分析法。使用R 语言(4.0.1)进行统计分析。使用Origin 2021 软件制图。

2 结果与分析

2.1 根际与非根际土壤pH 的变化

高速公路边坡栽植紫穗槐，土壤类型(A)、土层深度(B)及二者交互作用对土壤pH 均具有显著影响(PA＜0.001,F=203.124;PB＜0.001,F=96.369,PA×B＜0.001,F=12.846)。不同深度下根际与非根际土壤pH 整体在7.04～7.49 变化。随土壤深度增加，根际土壤和非根际土壤pH 均逐渐降低(图1)。

2.2 根际与非根际土壤中量、微量元素有效含量特征

紫穗槐护坡土壤类型和土层深度及其二者的交互作用对土壤有效铁含量(PA＜0.01,F=26.287;PB＜0.05,F=25.320,PA×B＜0.01,F=3.645)和有效锰的有效含量(PA＜0.05,F=83.100;PB＜0.01,F=104.237,PA×B＜0.01,F=11.013)均具有显著影响。铁元素有效含量表现为根际显著高于非根际(P＜0.05) (图2)，而锰元素有效含量表现为根际显著低于非根际(P＜0.05) (图3)；两种元素根际和非根际有效含量在不同土层具有相似的变化特征，均随土层深度增加，呈现为先降低而后增加趋势，且在60 -80 cm 的土壤深度达到最小值。

图3 紫穗槐护坡根际与非根际土壤有效锰含量Figure 3 Available manganese content in Amorpha fruticosa rhizosphere and non-rhizosphere soil in slope protection

紫穗槐护坡土壤类型和土层深度及其交互作用对土壤有效铜含量均具有显著影响(PA＜0.05,F=42.089;PB＜0.05,F=53.780,PA×B＜0.05,F=2.600)。土壤有效铜含量表现为根际显著高于非根际(P＜0.05)；随着土壤深度的增加，根际与非根际土壤有效铜含量先逐渐降低，而当土壤深度达到40 -60 cm 时，土壤有效铜含量趋于稳定(图4)。土壤类型对锌元素有效含量具有显著影响(PA＜0.01,F=38.820)，而土层深度及其交互作用对有效锌含量不存在显著影响(PB＞0.05,F=137.015,PA×B＞0.05,F=22.304)。具体表现为根际土壤有效锌显著低于非根际含量(P＜0.05)；非根际土壤有效锌含量随土壤深度无明显变化趋势，而根际有效锌则表现为在0 -40 cm 的增加趋势以及大于40 cm 时的稳定趋势(图5)。

图4 紫穗槐护坡根际与非根际土壤有效铜含量Figure 4 Available copper content in Amorpha fruticosa rhizosphere and non-rhizosphere soil in slope protection

图5 紫穗槐护坡根际与非根际土壤有效锌含量Figure 5 Available zinc content in Amorpha fruticosa rhizosphere and non-rhizosphere soil in slope protection

紫穗槐护坡土壤类型和土层深度及其交互作用对有效钙含量均不存在显著影响(PA＞0.05,F=69.362;PB＞0.05,F=145.761,PA×B＞0.05,F=9.811)。具体表现为随着土层深度的变化，根际与非根际有效钙含量并无明显波动，平均含量维持在1.90～1.92 mg·kg-1(图6)。土壤类型和土层深度及其交互作用对有效镁含量均存在显著的影响(PA＜0.05,F=82.358;PB＜0.05,F=158.920,PA×B＜0.05,F=19.302)。根际镁有效含量显著高于非根际含量(P＜0.05)，随着土壤深度的增加，紫穗槐根际与非根际土壤有效镁含量整体均表现为降低的趋势(图7)。

图6 紫穗槐护坡根际与非根际土壤有效钙含量Figure 6 Available calcium content in Amorpha fruticosa rhizosphere and non-rhizosphere soil in slope protection

图7 紫穗槐护坡根际与非根际土壤有效镁含量Figure 7 Available magnesium content in Amorpha fruticosa rhizosphere and non-rhizosphere soil in slope protection

2.3 紫穗槐护坡根际和非根际土壤中量、微量元素的相关性与富集率

高速公路护坡紫穗槐根际土壤各元素间的相关性分析(表1)表明，根际土壤铁元素与锰元素具有极显著的相关性(P＜0.01)，而铜元素与镁元素具有显著的相关性(P＜0.05)。

表1 紫穗槐护坡根际土壤中量、微量元素相关性Table 1 Correlation of middle and trace elements in Amorpha fruticosa rhizosphere soil in slope protection

紫穗槐护坡非根际土壤各元素的相关性分析(表2)表明，铁元素与锰元素和镁元素具有显著相关性(P＜0.05)，与铜元素具有极显著相关性(P＜0.01)；锰元素和锌元素与镁元素均具有显著的相关性(P＜0.05)；铜元素与钙元素表现为极显著相关性(P＜0.01)，与镁元素为显著相关(P＜0.05)；钙元素与镁元素同样表现为极显著相关(P＜0.01)。

表2 紫穗槐非根际土壤中、微量元素相关性Table 2 Correlation of middle and trace elements in Amorpha fruticosa non-rhizosphere soil in slope protection

高速公路栽植紫穗槐护坡时，根际对土壤有效中量和微量元素的富集效应具有选择性。结果表明，紫穗槐根际对有效铜和有效铁具有较强的富集作用，而对锌元素和锰元素并无富集趋势(图8)。此外，紫穗槐根际效应还表现为对钙元素和镁元素较弱的富集作用。紫穗槐根际对铜元素的富集作用最强，对镁元素的富集作用最弱。

图8 紫穗槐护坡根系6 种土壤元素富集率Figure 8 Enrichment rate of Amorpha fruticosa root soil elements in slope protection

3 讨论

高速公路边坡生态修复中，植被必需的土壤中量和微量元素缺失是导致坡面植被退化的关键因子[11]，而当铁、锰、锌、铜等重金属元素过量时，则会造成环境污染和生态系统平衡破坏。由于土壤pH 能直接影响元素的存在形态、有效性及迁移转化与归宿[16]，因此，边坡土壤中量和微量元素有效含量特征与pH 动态有密切关系[17]，根际与非根际土壤 pH 的差异必然会影响微量元素养分的状态、转化、吸收和利用[18]。本研究中，高速公路边坡紫穗槐根际土壤出现了一定程度的酸化，这与很多学者的研究结果一致[19-20]。这可能与豆科植物产生的根系分泌物尤其是各种有机酸有关，同时豆科植物在生物固氮的过程中具有“氮阻遏”的特征，这种特征使植物减少对无机氮的吸收，导致根系H+分泌增多引起根际土壤的酸化[19]。研究表明随着边坡土层深度的增加，根际与非根际土壤pH 都逐渐降低，这与深层土壤的腐殖酸等有机质含量的增加和微生物作用有关。

高速公路边坡易受淋溶作用而加剧土壤侵蚀，导致氮、磷、钾等土壤养分严重流失。相比于大量元素，铁、锰、铜、锌、钙和镁不仅是土壤的中量、微量元素，也是植物必需元素，它们参与植株许多酶系统的活动，参与氮、磷和碳的代谢以及呼吸作用、光合作用和碳水化合物的运转，缺乏时会严重影响坡面植被的正常生长。本研究表明坡面根际土壤铁的有效含量显著大于非根际土壤，表明紫穗槐建植后根系对铁元素的显著富集作用。这是由于铁元素作为植物所需的微量元素，是紫穗槐固氮酶等含铁蛋白的重要金属组分[20]，发达的根系有利于对土壤中有效铁的利用，产生强大的根瘤固氮效应，因此，紫穗槐对铁元素的获取量相比其他元素更多。根系60 -80 cm 深度有效铁含量达到最低水平，可能是由于随根系深度的增加，根瘤对铁的利用效率逐渐增强[21]。紫穗槐非根际锰含量显著大于根际，对锰元素无富集趋势，可能的原因是黄土区土壤锰缺乏，而边坡较强的淋溶作用导致紫穗槐对锰元素的利用减弱；本研究表明随着土壤深度的增加，根际与非根际有效锰均表现为降低的变化趋势，因为边坡淋溶作用较强，而有效锰的转化与水淹作用下pH 的变化有关[22]。以往研究表明锰元素也可以通过影响氮素代谢来影响植株生长[23]，这可能是锰元素与铁元素在不同深度土壤中变化趋势相近的原因。根际有效锌含量显著少于非根际，原因是试验区土壤为碱性土，可利用的锌较少[20,24]，加之黄土坡面较强的水土流失，非根际区含锌化合物具有较高的溶解度，导致根际有效锌含量相对较低；同时，与Zn2+半径相近的元素如Fe2+等吸收过多可能造成紫穗槐对锌的吸收障碍，导致非根际锌含量的增加，紫穗槐根际土壤有效锌在0 -40 cm 呈现增加趋势，这与根际土壤锌易在表层土壤积累有关[25]。本研究表明，紫穗槐护坡根际与非根际土壤中铜元素的有效含量随土层的深度表现为逐渐降低然后趋于稳定的变化趋势，并且根际有效铜高于非根际，尽管边坡土壤条件贫瘠，但根际对铜元素具有强烈的富集作用。这是由于铜元素参与植物呼吸作用以及氧化还原过程。同时，根际pH 随土壤深度逐渐降低，导致交换性铜随土壤深度的增加而在根际与非根际土壤中积累[26]。以往研究表明，由于铜元素过量会对植物产生毒害作用，在长期的适应过程中，植物会减少对铜元素的吸收利用，增强耐受性[24,26-27]。而本研究表明，紫穗槐针对重金属元素有效含量低、边坡淋溶作用强的土壤环境下，对铜元素的富集作用，可能是保证受创坡面植被生长的重要因素。研究表明紫穗槐护坡土壤根际与非根际钙元素并无显著差异，土壤钙含量在0 -80 cm 内无明显的变化趋势，可能是与土壤钙盐在边坡淋溶作用下并无明显迁移行为，不易受边坡环境过滤的影响。根际对镁元素具有一定的富集作用，随着土壤深度增加，镁元素有效量显著降低，造成这种分布特征的原因是镁作为植物所需的中量元素，其养分吸收集中在根尖及周边根系[16,25]。此外，可供紫穗槐利用的有效镁在黄土坡面环境下更易受淋洗损失，随着土壤深度的增加，边坡的水分迁移变化对紫穗槐根系际与非根际土壤交换性镁与水溶性镁含量的影响逐渐增加。

研究表明，高速公路边坡紫穗槐根际土壤元素中，仅铁和锰、铜和镁具有相关性，可能的原因是根系对中、微量元素的利用与吸收具有选择性，根际土壤中的选择要强于非根际土壤，这导致含量极低的中量、微量元素间变化具有很大差异，存在的相关性很少。反之，非根际元素含量存在不同程度的相关性，引起这种相关的原因可能是不同元素在非根际区存在不同程度的络合、螯合作用，在土壤中协同影响[28]。研究表明，边坡的环境过滤可能是紫穗槐对元素富集和引起次生群落特性的重要决定因素，并在根际水平上，对中量和微量元素的植物控制，可能是群落组成和恢复动态的关键驱动力。此外，影响边坡植被恢复的制约因子还与根际分泌物以及根际微生物群落密不可分[29-30]。因此，有必要进一步分析边坡土壤元素在根际与非根际的聚集状态与根系微生物群落的共生网络，深入揭示边坡生态恢复过程中植被生长发育受制约或促进的内在机制。

4 结论

选取高速公路护坡紫穗槐不同深度土壤有效中量和微量元素为研究对象，分析坡面条件下紫穗槐根际与非根际土壤铁、锰、铜、锌、钙和镁6 种植物必需营养元素的含量特征，发现紫穗槐根际铁、镁、铜有效含量显著高于非根际，根际锰、锌有效含量显著低于非根际，有效钙含量在根际和非根际之间无显著差异。随着土壤深度的增加，铁、锰、铜、镁均表现出一定的降低趋势，其中元素有效含量最低值出现在40 -80 cm 土壤深度范围内；锌和钙有效含量随着土层深度的增加无明显变化趋势。紫穗槐根际与非根际土壤中量、微量元素存在复杂相关性，根系对土壤元素具有不同程度的富集作用，富集率为铜＞铁＞钙＞镁，而对锰和锌并无富集。研究表明高速公路护坡栽植豆科灌木紫穗槐，降低了植株根系土壤的pH，改变了根系土壤中量和微量元素有效含量和分布状态，对维持边坡土壤养分的稳定、避免养分流失、提升土壤肥力具有潜在作用。