适宜铝土矿复垦土壤改良的固氮豆科植物筛选及固氮效应研究

李浩闻,叶丽丽,陈永山,徐墨馨,蒋金平,3

(1.桂林理工大学广西环境污染控制理论与技术重点实验室,广西 桂林 541004;2.泉州师范学院资源与环境科学学院,福建 泉州 362000;3.桂林理工大学广西岩溶地区水污染控制用水安全保障协同创新中心,广西 桂林 541004)

【研究意义】铝(Al)是地壳中最丰富的金属元素,约占地壳质量的7%[1]。土壤Al污染主要来源于采矿活动[2]。广西平果市铝土矿是我国的主要铝矿资源之一[3]。广西地形独特,多为丘陵地区,耕地面积少,因而在铝土矿开采结束后,将采空地复垦为耕地[4-5]。但铝土矿采矿地复垦的土壤含氮(N)量较低[3],不利于提升作物的品质和产量[6]。豆科植物与根瘤菌共生固氮能从大气中获得N素,减少化学肥料施用量,是可持续农业发展的重要模式之一[7]。但目前关于豆科植物在铝土矿采矿地复垦土壤中应用方面的研究较少。因此,评价、筛选适合改良铝土矿复垦土壤的固氮豆科植物,对铝土矿复垦地土壤改良及矿区农业的可持续发展具有重要意义。【前人研究进展】土壤N素是影响作物生长和产量的重要因素之一[8-9]。由于N对水环境和气候变化会产生直接影响,因此,减少N从农业途径输入环境过程中的损失对农业和环境的可持续发展至关重要[10]。15N自然丰度法是固氮植物和非固氮植物利用不同有效N源而形成植物15N丰度差异以测定生物固氮量的方法[11],该方法主要利用氮循环过程中的同位素分馏作用,即参与生物化学反应的底物和产物15N不同的现象,估计固氮植物N素源于固氮作用百分率,并结合氮生产力数据估算通量,近年来已逐渐应用于生物固氮研究,在探索豆科作物生物固氮特性方面发挥着重要作用[12-13]。张变华等[14]研究发现,种植豆科植物毛苕子可以增加矿区复垦土壤微生物的物种多样性,提高微生物活性,增强微生物代谢功能多样性,使矿区复垦土壤向健康方向发展。鲁叶江等[15]研究认为,种植豆科植物是一种改良矿区复垦土壤理化性质及提升土壤肥力的良好措施。Yuan等[16]研究发现,豆科植物刺槐对山西省朔州市平朔矿区复垦后的不良土壤条件具有较强适应性,可显著改善平朔矿区复垦土壤的土壤演替。王丽丽[17]研究表明,在对矿区进行植被建植和生态修复时,种植刺槐、紫穗槐及沙打旺、苜蓿和长芒草等混合种植的草地,随着复垦年限的增加,矿区土壤中养分状况和微生物菌群均得到显著改良。有祥亮等[18]研究发现,非豆科植物(主要从土壤中吸收N素)的δ15N大于豆科植物(通过固氮从大气获得N素)的δ15N,对不同固氮植物或不同生长阶段的同一固氮植物而言,δ15N越小,其固氮能力越强,反之,固氮能力越弱。【本研究切入点】迄今,已有学者针对不同豆科作物在不同土壤中的生长指标进行筛选和评价,但关于豆科作物在铝土矿复垦土壤中生长情况和生物固氮能力的研究鲜见报道。【拟解决的关键问题】以广西平果市铝土矿复垦土壤及种植的7种豆科植物为试验材料,通过分析豆科植物的固氮效率、生物固氮量和生物量等指标,评价其在铝土矿复垦土壤的固氮能力和养分含量,筛选出适合铝土矿复垦土壤种植的豆科植物,探究对豆科植物生物固氮量产生影响的因素,为铝土矿复垦土壤的改良及矿区农业的可持续发展提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

广西平果市的铝土矿分布面积达1750 hm2,开展本研究的复垦区位于23°22′55′′～23°23′03′′E、107°30′53′′～107°31′02′′N,土壤复垦年限超过10年,主要种植蔬菜。该区域属亚热带季风气候,光照充足,年均气温21.5 ℃,年均日照1619.4 h,无霜期345 d以上,年均降水量1359 mm,雨量充沛,雨热同季。土壤基础理化性质:pH 6.12,速效钾(K)146.52 mg/kg,有效磷(P)33.27 mg/kg,全N 12.4 g/kg,有机质18.62 g/kg,全Al 110.83 g/kg。复垦土壤目前存在的主要问题是土壤总Al含量过高,是广西土壤背景值Al含量(6.53%)[3]的1.69倍。

1.2 试验材料

试验于2021年11月至2022年9月在广西平果市和桂林市进行。土壤样品采集于广西平果市约11 503 m2的铝土矿复垦区域。土壤采集后风干、碾磨、混匀并过2 mm筛备用。供试豆科植物为田菁[Sesbaniacannabina(Retz.)Poir.,SC]、箭筈豌豆(ViciasativaL.,VC)、紫云英(AstragalussinicusL.,AS)、光叶紫花苕(V.villosaRoth var.,VR)、紫花苜蓿(MedicagosativaL.,MS)、柱花草(Stylosanthesguianensis,SG)和小冠花(CoronillavariaL.,CV),同时种植非豆科植物油菜作为参照植物(CK)。

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计 种植试验在桂林理工大学温室(110°29′ E,25°06′ N)进行。土壤过筛后装入无渗漏塑料花盆(直径16.0 cm,高11.5 cm)中,每盆装土2.0 kg,加水平衡1周。种子种植前先在3%的H2O2溶液中浸泡30 min,用自来水彻底冲洗后,在培养皿中潮湿滤纸发芽16 h再播种,以棱形方式每盆穴播种子8粒,播种后根据植株长势进行间苗,每盆保留4株,每个处理设3个重复。在试验期间,花盆隔绝降水,基于花盆面积和当地正常降水量考量,每1～2 d浇水1次,以保障植物生长不受水分限制。播种时间为2021年11月3日。

1.3.2 样品采集及指标测定 土壤和植物样品于2022年1月5日采集。将种植豆科植物的完整土壤与花盆小心分离后,检查、记录形成根瘤情况。将植株分为地上、地下和根瘤3部分,在60 ℃下分别烘干至恒重,记录地上和地下部生物量后将所有部分混合粉碎用于15N同位素分析及植物养分分析。同时,采集盆栽土壤,风干、碾磨、混匀后过100目筛用于理化性质测定。使用同位素质谱仪(IsoPrime100)测定植株15N的丰度,使用元素分析仪测定植株和土壤的全N含量,以钼锑抗比色法测定土壤P含量,以火焰光度计法测定土壤K含量。土壤pH、有机质和有效P含量均参照《土壤农业化学分析方法》[19]进行测定。土壤用HNO3+H2O2法消解后以ICP-OES测定全Al含量。以1.0 mol/L KCl浸提土壤后,以ICP-OES测定活性Al(Al3+)、Ca2+和Mg2+含量[20]。

1.4 数据运算

豆科草本植物组织中生物固氮率(BNF,%)采用如下公式计算[21]:

式中,δ15Nreference为参照作物的δ15N,δ15Nlegume为固氮豆科植物的δ15N,B表示以N2为唯一N源的豆科植物的δ15N。本研究中,采用整株植物来评估生物固氮效果,其δ15N丰度应与大气一致,因此B值等于0[20]。

生物固氮量(Ndfa)采用如下公式计算:

Ndfa(g/pot)=BNF×Nlegume

式中,Nlegume为豆科植物N素累积量。

1.5 统计分析

试验数据采用Excel 2019进行统计,以SPSS 26.0 进行单因素方差分析,以GraphPad prism 9.1.1进行主成分分析,使用R 4.1.0中的plspm包探究各因素对豆科植物生物固氮量的影响。

2 结果与分析

2.1 不同豆科植物在铝土矿复垦土壤的生长情况及养分含量

由表1可知,光叶紫花苕的地上部生物量最大,为2.59 g/盆,显著大于除箭筈豌豆(2.22 g/盆)外的其他豆科植物(P<0.05,下同),而小冠花的地上部生物量最小,仅0.387 g/盆,且显著小于除紫花苜蓿外的其他豆科植物;紫云英的地下部生物量最大,为0.334 g/盆,显著大于其他豆科植物,其次是田菁的地下部生物量(0.234 g/盆),而小冠花的地下部生物量最小,仅0.099 g/盆,且显著小于除箭筈豌豆、紫花苜蓿和光叶紫花苕外的其他豆科植物;在结瘤情况方面,仅田菁、紫云英和小冠花结有根瘤;在营养元素含量方面,田菁的N含量为7.980%,均显著高于其他6种豆科植物,是N含量排名第二位小冠花的1.43倍,而N含量最低的是光叶紫花苕,仅3.877%;田菁和紫云英的P含量相当,分别为2.999和2.964 g/kg,均显著高于其他5种豆科植物,而P含量最低是箭筈豌豆,为1.718 g/kg,均显著低于其他豆科植物;K含量最高的是田菁,为19.828 g/kg,显著高于其他豆科植物,而小冠花的K含量最低,且显著低于箭筈豌豆、田菁和柱花草。综上所述,在生物量累积、根瘤情况和养分积累方面,田菁和紫云英在7种豆科植物植物中表现较好。

表1 不同豆科植物在铝土矿复垦土壤的生长及养分积累情况

2.2 不同豆科作物的固氮效率及生物固氮量

以能形成根瘤的3种豆科植物为分析样本进行δ15N检测及固氮效率和生物固氮量分析,结果(表2)发现,田菁、紫云英和小冠花3种豆科植物的δ15N间存在显著差异,其中,紫云英的δ15N值最大,田菁的δ15N值最小,说明田菁的固氮能力最强。

表2 不同豆科植物的δ15N含量比较

从图1-A可看出,田菁的固氮效率最高,为80.01%,显高于紫云英和小冠花,紫云英的固氮效率最低,但与小冠花无显著差异(P>0.05,下同)。从图1-B可看出,3种豆科植物的生物固氮量间存在显著差异,排序为小冠花<紫云英<田菁。虽然田菁的生物量小于紫云英,但其固氮效率(图1-A)和N含量(表1)均显著高于其他2种豆科植物,所以其生物固氮量在三者中最高(0.077 g/pot),而紫云英的生物量显著高于小冠花,因此,二者的生物固氮量大小与其固氮效率相反,紫云英的生物固氮量显著高于小冠花。可见,在生物固氮方面,田菁是表现最好的豆科植物,紫云英次之,小冠花最差。

同一小图图柱上不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05),图3同。

2.3 不同豆科植物的主成分分析

以结有根瘤的豆科植物为分析样本,对其养分含量、生物量、固氮效率和生物固氮量进行主成分分析(PCA)。从图2可看出,第一主成分(PC1)的方差贡献率为56.76%,第二主成分(PC2)的方差贡献率为31.05%,二者的累计方差贡献率为87.81%;第一主成分的特征指标有植物养分N、P和K及固氮效率和生物固氮量,其中,植物养分N、P和K与固氮效率和生物固氮量均呈正相关,以K和N与固氮效率的相关性最强;第二主成分的特征指标为地上部生物量(A_biomass)和地下部生物量(U_biomass),二者间呈正相关;植物养分P与地上和地下部生物量也呈一定正相关。前2个主成分的函数表达式为:

图2 3种豆科植物的主成分分析结果

Y1=0.479X1+0.450X2+0.282X3-0.004X4+0.075X5+0.489X6+0.493X7

Y2=-0.035X1-0.243X2+0.336X3+0.673X4+0.594X5-0.114X6+0.092X7

式中,X1、X2、X3、X4、X5、X6和X7分别代表植物养分K、N、P及地上部生物量、地下部生物量、固氮效率和生物固氮量。

由表3可知,3种豆科植物前2个主成分的综合得分排序为田菁>紫云英>小冠花,说明增加生物量和植物营养含量等指标后,3种豆科植物中田菁的主成分综合得分与其固氮效率和固氮能力(图1)表现相同,仍属最高。可见,田菁是3种结瘤豆科植物中在铝矿区复垦土壤种植生长最好的豆科植物。

表3 3种豆科植物的主成分分析综合得分比较

2.4 种植不同豆科植物对土壤性状的影响

由表4可知,种植各植物土壤的pH变化范围为6.09～6.54,其中,种植豆科植物土壤的pH均显著高于CK土壤,以种植箭筈豌豆土壤的pH最高,而种植紫云英土壤的pH较低;种植紫云英、光叶紫花苕、箭筈豌豆和柱花草土壤的有机质含量较CK土壤有所上升,但差异不显著,种植紫花苜蓿土壤的有机质含量较CK土壤下降,但差异不显著,而种植田菁和小冠花土壤的有机质含量与CK土壤分别显著降低10.4%和14.3%;除种植紫云英和光叶紫花苕土壤的速效K含量较CK土壤下降(但差异不显著)外,种植其他豆科植物土壤的速效K含量均较CK土壤有所上升,其中,种植田菁和小冠花土壤的速效K含量分别显著上升21.3%和17.8%;种植不同豆科植物对土壤有效P含量均无显著影响,土壤总N含量也无显著变化。说明种植豆科植物主要影响土壤pH及有机质和速效K含量,对土壤总N和有效P含量无显著影响。

表4 种植不同豆科植物土壤的基础性状比较

2.5 不同豆科植物对土壤Al元素及Ca2+和Mg2+的影响

从图3-A可看出,种植各植物后土壤的总Al含量为97.69～108.38 g/kg,其中,种植田菁和小冠花土壤的总Al含量较低(分别为97.69和98.05 g/kg),分别较CK土壤显著降低8.65%和8.31%,而种植其他豆科植物土壤的总Al含量与CK差异不显著。从图3-B可看出,种植各植物土壤的Al3+含量排序为柱花草<紫云英

图3 不同豆科植物的总Al和Al3+含量比较

箭头旁的数值为标准化路径系数,实线表示影响显著(P<0.05),虚线表示影响不显著(P>0.05);单箭头表示呈正相关,双箭头表示呈负相关;GOF表示模型的拟合优度;*表示影响显著(P<0.05),**表示影响极显著(P<0.01)。

由表5可知,种植豆科植物土壤的Ca2+含量相较CK土壤均有所上升,但差异不显著,其中Ca2+含量最高的是种植紫花苜蓿的土壤;种植豆科植物土壤的Mg2+含量与CK土壤无显著差异,其土壤Mg2+含量排序为光叶紫花苕<紫云英

表5 种植豆科植物对土壤Ca2+和Mg2+含量的影响

2.6 影响不同豆科植物生物固氮量的因素分析

偏最小二乘法路径模型(PLS-PM)分析结果(图4)显示,不同豆科植物对其养分积累均具有极显著负影响,路径系数为-0.851;土壤总Al含量对其他成分均无显著影响;pH仅对土壤Al3+含量具有极显著正影响,路径系数为0.802;土壤养分含量对土壤Ca2+和Mg2+含量具有极显著正影响(P<0.01,下同),路径系数为0.998,对Al3+含量和生物量具有极显著负影响,路径系数分别为-0.507和-0.957;植物养分含量对生物固氮量具有极显著正影响,土壤Al3+含量对生物固氮量具有显著正影响,路径系数分别为0.746和0.192;不同豆科植物及其生物量对生物固氮量均无显著影响。可见,铝土矿复垦土壤种植豆科植物的生物固氮量受植物养分含量和土壤Al3+含量直接影响,而pH、土壤养分含量和植物类型通过影响植物养分和土壤Al3+含量间接影响豆科植物的生物固氮量。

3 讨 论

豆科植物结瘤不仅受环境因素影响[22-23],还受生物因素影响[12,24]。Blair等[25]研究发现,不同Al浓度引起的毒性程度在很大程度上取决于植物种类和基因。Jaiswal等[26]研究证实,Al胁迫能通过抑制根瘤菌与其宿主植物间产生结瘤因子从而影响根瘤的形成。本研究中,在种植于广西平果市铝土矿复垦土壤的7种豆科植物中,仅田菁、小冠花和紫云英有根瘤形成,未发现其余5种豆科植物形成根瘤。Ramirez等[27]研究表明,Al胁迫下豆科植物与根瘤菌的共生过程因Al浓度、pH和植物等的不同而存在差异,这也许是本研究中仅有3种豆科植物有根瘤形成的原因;偏最小二乘法路径模型分析结果表明,豆科植物类型对植物养分含量呈极显著负影响,而植物养分含量对其生物固氮量具有极显著正影响,说明本研究中豆科植物种类本身对其在铝土矿复垦土壤中种植的固氮能力影响较大。

正常或较低浓度的Al对生物无毒[28],土壤pH大小对Al的存在形态具有巨大影响[29],当土壤pH<5.5时,Al主要以Al3+形式存在且其含量迅速升高[30],严重抑制植物生长,降低作物产量[31]。Al胁迫时,根系是最先受影响的植物器官[32],根系感受Al胁迫信号后,通过激发信号分子转导调节自身抗氧化酶类及蛋白表达,调整自身生理代谢以适应逆境,因此,根系对环境的适应能力能直观反映其对Al的耐受性[33],如果根系生长受到抑制,根系吸收养分、根瘤菌侵染、结瘤因子产生和根瘤发育均受到影响[26]。本研究结果与上述研究结果相似,pH对土壤Al3+含量具有极显著正影响。植物地上部的Al毒害症状与营养缺乏症状相似[34],均表现为植株矮小、叶片黄化和茎秆纤细等[35]。与Alves等[20]对酸性土壤中Al3+与大豆固氮效率的研究结论相反,本研究中土壤Al3+含量对豆科植物的生物固氮量产生显著正影响,这可能是因为种植3种结瘤豆科植物后土壤的pH接近中性,且土壤Al3+含量处于低浓度范围(4.20～5.12 g/kg)。陈振等[36]研究发现,低浓度Al胁迫对狗牙根生长具有促进作用,可能是因为狗牙根本身对Al胁迫具有适应机制,能产生有机酸和各种酶活性物质促进狗牙根生长发育。Ciamporova[37]研究表明,微量的Al可促进植物生长,而过量的Al会对植物造成危害,表明Al对植物的毒性影响有一个临界值。但由于铝土矿土壤Al3+含量较低,本研究未探究出高浓度Al3+对植物生物固氮量产生的抑制作用。

4 结 论

田菁、紫云英和小冠花能在铝土矿复垦土壤中结瘤,提高铝土矿复垦土壤的pH、速效K、Al3+和有机质含量及其本身的生物固氮量。综合评价认为,田菁是最适合在铝土矿复垦土壤中种植的豆科植物,可作为铝土矿复垦区土壤固氮培肥的豆科植物推广应用。