异翅独尾草不同年龄阶段根际与非根际土壤特征

郭维后，王绍明，张 霞，王振楠

(石河子大学 生命科学学院，新疆 石河子 832000)

近年来，由于气候变化和人类活动的影响，沙漠化成为干旱、半干旱地区面临的主要生态问题[1-4]。植被保护是沙漠化防治最重要的手段，但是在干旱、半干旱地区，尤其受到沙漠地区特殊环境影响，防止沙漠化受到多种因素制约。开发利用干旱、半干旱地区种质资源对于防治沙漠化具有重大的生态意义[5]。异翅独尾草[Eremurusanisopterus(Kar.et Kir) Regel]为百合科独尾草属植物，是广泛分布于古尔班通古特沙漠南缘的多年生早春类短命植物，其根系发达，生命力强且生物量显著高于其他短命植物，是防风固沙的重要植物[6-10]。根际是“土壤-植物系统”物质交换的活跃界面，是土壤水分和矿物质进入根系参与生物循环的直接平台[11-13]。关于植物根际土壤的研究涉及土壤退化、土壤修复、人工造林、植物保护、园林绿化等相关领域[8-10,12]。根际分泌物与微生物的相互作用可以改变土壤的pH值、活化难溶养分(有机质分解为小分子无机物)，也能促使养分在土壤环境和植物体内的转化[14-17]。研究根际土壤微生物、酶活性和养分特征对于了解异翅独尾草生活史，加强对沙生植物种质资源的开发和利用，以及防治沙漠化具有十分重要的意义[13-14]。通过对不同年龄阶段的异翅独尾草根际土壤的微生物、土壤酶以及理化性质进行特征分析，结合相关性分析，探讨了根际土壤微生物、土壤酶以及理化性质对于异翅独尾草生长的影响与作用,为沙漠化防治中沙漠植物保护及恢复提供理论基础。

1 材料和方法

1.1 研究区域自然概况

研究区位于中国新疆古尔班通古特沙漠南缘石河子垦区异翅独尾草自然分布区。古尔班通古特沙漠是中国最大的固定与半固定沙漠，面积约4.88×104km2，整个沙漠面积的95%以上为固定、半固定风沙丘。地貌类型以沙垄及树枝状沙垄为主，沙丘相对高度一般为20～30 m。

1.2 研究方法

1.2.1 取样方法 本研究于2015年5月在古尔班通古特沙漠121团2连沙包周围(44°54′53.81″N、 85°33′30.55″E，海拔309.80 m)进行，选取异翅独尾草自然分布区域，分别采集异翅独尾草幼年期、成熟期和衰老期土壤为研究对象。除去表面2 cm左右的表层沙土，先垂直挖出根系的纵刨面取离植物根系0.5～1.0 cm的沙质土壤，装入无菌袋内混匀，作为非根际土壤；然后将根表面所附着的沙质土壤，用无菌刷刷入到无菌袋内，混匀，作为根际土壤。所取土壤中一部分土样低温储存(4 ℃)，用于微生物培养；另一部分土样自然风干后研碎并过2 mm筛，用于测定理化性质指标,在分布区内选择无任何植物生长的区域作为裸地土壤样品。

1.2.2 指标测定和方法

1.2.2.1 可培土壤微生物数量的测定 可培养微生物的分离、培养、计数采用传统平板稀释涂布法[18]。细菌:牛肉膏蛋白胨培养基；放线菌：高氏Ⅰ号培养基；真菌:马丁(Martin)孟加拉红琼脂培养基。每一处理设3个重复，3个稀释度。接种后，于28 ℃恒温培养箱内倒置培养。

1.2.2.2 土壤酶活性的测定 过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法测定[19]，结果以1 g风干土壤滴定所需0.1 mol/L KMnO4的体积(mL)表示；中性磷酸酶与碱性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定，酶活性测定结果以24 h后1 g土产生酚的质量(mg)表示；脲酶活性采用苯酚钠比色法测定，酶活性测定结果以 24 h后1 g土生成氨的质量(mg)表示；蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水杨酸比色法测定，酶活性测定结果以24 h后1 g干土生成葡萄糖的质量(mg)表示。

1.2.2.3 土壤理化性质的测定 土壤理化分析参考文献[20]，pH值采用水土比1∶2.5玻璃电位法测定，电导率采用水土比1∶5电导仪测定，含水率采用烘干法测定，有机质含量采用高温外热重铬酸钾氧化—容量法测定，全氮采用开氏—蒸馏滴定法测定；全磷采用HClO4-H2SO4钼锑抗比色法测定；全钾采用氢氧化钠熔融—火焰原子吸收分光光度法测定；碱解氮采用碱解扩散法测定；速效磷采用盐酸-氟化铵提取—钼锑抗比色法测定；速效钾采用乙酸铵提取—火焰原子吸收分光光度法测定。

1.3 数据分析方法

采用Origin进行作图，SPSS 19.0对数据进行ANOVA方差分析、多重比较(Duncan’s法)、相关性分析；采用根际值/非根际值表示根际效应；采用富集率(enrichment ratio，ER)表示根际对土壤养分的富集程度，ER=(根际含量-非根际含量)/非根际含量×100%。

2 结果与分析

2.1 异翅独尾草不同年龄阶段根际与非根际土壤微生物特征

细菌、放线菌、真菌对生态系统中营养元素循环、有机物质的形成和分解、土壤肥力的保持和提高、生态环境改善等方面有着极其重要的作用[21-22]。由图1可知，不同年龄阶段异翅独尾草根际与非根际土壤3大类群微生物数量整体表现为细菌>放线菌>真菌，微生物数量整体表现为衰老期>幼年期>成熟期。成熟期植物分泌的物质抑制了真菌和放线菌的生长。细菌数量随着年龄的增长而增多，而真菌和放线菌数量表现为衰老期>幼年期>成熟期，衰老期植物周围有机物积累促进了微生物的生长。根际真菌数量远高于非根际真菌数量，根际效应最强。除了成熟期放线菌的非根际土壤高于根际土壤，具有根际负效应，幼年期和衰老期真菌、细菌和放线菌数量根际土壤都高于非根际土壤，都具有根际正效应。并且衰老期真菌的根际正效应最高，植物在衰老期根区有机物的积累促进了真菌的生长。总体来说，植物根际土壤微生物总量大于非根际土壤和裸地土壤，植物促进了微生物数量的增加，显著改善了植株周围土壤环境。

不同字母表示数值在0.05水平上存在显著性差异。R：根际; S:非根际图1 不同年龄阶段异翅独尾草根际与非根际土壤微生物数量的比较

2.2 异翅独尾草不同年龄阶段根际与非根际土壤酶活性特征

土壤酶来源于动物、植物、微生物及其分泌物，是土壤成分中最活跃的有机质之一，参与了土壤中生物化学过程在内的自然界物质循环，酶活性的高低直接体现物质循环的速率，此外酶活性也是检测土壤质量的指标[23-24]。由图2可见,不同年龄阶段异翅独尾草根际土壤碱性磷酸酶活性高于非根际土壤，根际土壤碱性磷酸酶活性在幼年期达到最大值，随年龄的增长而降低。独尾草根际蔗糖酶活性除幼年期根际土壤低于非根际土壤外，其他时期的酶活性根际土壤均高于非根际土壤，并且幼年期>衰老期>成熟期。

图2 不同年龄阶段异翅独尾草根际与非根际土壤酶活性的比较

成熟期根际土壤各项酶活性约为非根际的1倍左右，表明成熟期根际土壤环境较为稳定。过氧化氢酶是植物应对不利生存条件产生的一种酶类，可防止由于过氧化氢累积对植物体产生毒害作用，衰老期根际土壤过氧化氢酶活性最高。脲酶可分解有机物为NH3和CO2，而NH3是植物氮素的直接来源，所以它的活性可表示土壤氮素情况；衰老期根际土壤脲酶活性最高，其次为幼年期根际土壤，可能由于衰老期根际土壤中有机质积累量最多，幼年期植株主要进行营养生长，对氮素的需求较高。总体酶活性均具有根际正效应，幼年期碱性磷酸酶的根际正效应最强。

2.3 异翅独尾草不同年龄阶段根际与非根际土壤理化性质特征

从表1可知，不同年龄阶段异翅独尾草根际与非根际土壤有机质、速效钾含量等存在显著性差异。除了成熟期的有机质、速效磷和衰老期的全钾根际土壤含量低于非根际土壤，具有明显的根际负效应，其他均表现为根际土壤>非根际土壤，具有明显的根际正效应。可能是由于成熟期植株的生长，吸收了更多的速效磷，衰老期植株的生长使得全钾更多地转变为速效钾后，植物吸收所致。总体来说，根际土壤中的电导率和速效钾含量表现为衰老期和幼年期均大于成熟期，根际土壤中的有机质、全氮、速效磷含量表现为幼年期>衰老期>成熟期，根际土壤中的碱解氮和全磷含量表现为成熟期>衰老期>幼年期，随着年龄增长全钾的含量降低。成熟期异翅独尾草根际土壤对全钾的富集率最高,达到了564.660%，其次为幼年期土壤速效磷(ER=345.454%)。植株的根际土壤电导率均大于非根际土壤，说明植株根系均具有一定的聚盐性，使得植物根际土壤的电导率升高，由含水率影响推测沙生植物对含水率的影响并不大。综合来看，不同年龄阶段的异翅独尾草均提高了土壤的有机质与养分，且根际土壤养分总量大于非根际土壤和裸地土壤，促进了养分的积累，改善了沙漠土壤的质量。

表1 不同年龄阶段异翅独尾草根际与非根际土壤养分特征

注：同列不同字母表示在0.05水平上存在显著性差异。

2.4 异翅独尾草根际与非根际土壤养分与微生物数量、酶活性相关性分析

从表2可以看出，异翅独尾草根际土壤细菌数量与脲酶、过氧化氢酶和中性磷酸酶活性呈极显著正相关(P<0.01)，说明根际土壤中脲酶、过氧化氢酶和中性磷酸酶活性的增加有利于细菌生长和繁殖。真菌数量与脲酶、过氧化氢酶和中性磷酸酶活性都呈极显著正相关(P<0.01)，说明根际土壤中脲酶、过氧化氢酶和中性磷酸酶活性的增加有利于真菌生长和繁殖。放线菌与脲酶和中性磷酸酶活性呈极显著正相关(P<0.01)，与过氧化氢酶和蔗糖酶活性呈显著正相关(P<0.05)，说明根际土壤中脲酶和中性磷酸酶活性的增加有利于放线菌生长和繁殖。其中，真菌数量与细菌数量呈极显著正相关(P<0.01)，放线菌数量与细菌数量呈显著正相关(P<0.05)，说明异翅独尾草根际土壤的细菌和真菌生长有密切关系；碱性磷酸酶活性与细菌、真菌和放线菌数量均呈负相关，说明根际土壤中碱性磷酸酶活性的增加不利于根际土壤中细菌、真菌和放线菌的生长和繁殖。

表2 根际与非根际土壤微生物数量和酶活性的相关系数

注：*表示在P<0.05水平上相关性显著，**表示在P<0.01水平上相关性极显著，下同。

异翅独尾草非根际土壤细菌和放线菌数量与过氧化氢酶活性呈极显著正相关(P<0.01)，说明非根际土壤中过氧化氢酶活性的增加有利于非根际土壤中细菌和放线菌生长和繁殖。中性磷酸酶活性与细菌和放线菌数量均呈极显著负相关(P<0.01)，说明中性磷酸酶活性的增加会影响非根际土壤中细菌和放线菌的生长与繁殖。细菌数量与放线菌数量呈极显著正相关(P<0.01)，可知异翅独尾草非根际土壤的细菌和放线菌生长有密切关系。在根际与非根际环境中制约微生物生长繁殖酶的种类不同。

从表3可以看出，异翅独尾草根际土壤电导率与细菌、真菌、放线菌数量、脲酶和蔗糖酶呈极显著正相关(P<0.01)，与中性磷酸酶呈显著正相关(P<0.05)。这说明根际土壤中盐分的增加致使脲酶和蔗糖酶活性增加，有利于根际土壤中细菌、真菌和放线菌的生长和繁殖；有机质与真菌、放线菌数量、脲酶和碱性磷酸酶呈极显著正相关(P<0.01)，与细菌和中性磷酸酶呈显著正相关(P<0.05)，说明异翅独尾草根际有机质的增加，对于脲酶和碱性磷酸酶的分泌具有促进作用，有利于真菌和放线菌的生长；全氮与细菌和放线菌呈极显著正相关(P<0.01)，与真菌和脲酶呈显著正相关(P<0.05)，全磷与细菌和真菌呈极显著正相关(P<0.01)，与脲酶呈显著正相关(P<0.05)，速效钾与细菌、真菌、放线菌和脲酶呈极显著正相关(P<0.01)，说明全氮、全磷和速效钾的聚集利于细菌生长，全磷和速效钾的聚集利于真菌生长，全氮和速效钾的聚集利于放线菌生长；蔗糖酶与全钾和碱解氮、速效磷与碱性磷酸酶呈极显著正相关(P<0.01)，全钾与过氧化氢酶、碱解氮与碱性磷酸酶、放线菌与速效磷呈显著正相关(P<0.05)，说明一种酶的聚集利于另一种养分的汇聚。

表3 根际与非根际土壤养分与微生物数量、酶活性的相关系数

异翅独尾草非根际土壤过氧化氢酶与全钾和速效钾呈极显著正相关(P<0.01)，与有机质呈极显著负相关(P<0.01)。这说明非根际土壤中过氧化氢酶活性的变化对非根际土壤中有机质、钾含量有很显著的影响。蔗糖酶与电导率呈极显著正相关(P<0.01)，与全钾和速效钾呈显著正相关(P<0.05)，与有机质、碱解氮和速效磷呈极显著负相关(P<0.01)。说明蔗糖酶的变化对有机质、碱解氮和速效磷含量以及钾含量有显著影响，对土壤盐分含量影响极显著。碱性磷酸酶与有机质、碱解氮和速效磷呈极显著正相关(P<0.01)，与全磷呈显著正相关(P<0.05)，与电导率、全钾和速效钾呈极显著负相关(P<0.01)，这说明非根际土壤中碱性磷酸酶活性与碱解氮和土壤磷、钾含量关系密切。细菌与全钾呈极显著正相关(P<0.01)，与速效钾呈显著正相关(P<0.05)，放线菌与全钾、脲酶与碱解氮和速效磷呈显著正相关(P<0.05)，说明非根际土壤中全钾和速效钾有利于细菌生长和繁殖，而土壤中全钾有利于放线菌生长和繁殖，脲酶的聚集利于碱解氮和速效磷的汇聚。

3 结论与讨论

通过对古尔班通古特沙漠南缘不同年龄阶段异翅独尾草根际与非根际微生物数量、酶活性与土壤养分的特征研究发现，同一植物在不同生育时期和营养状态下，根际微生物呈现一定的动态变化[25]。不同年龄阶段根际土壤微生物的含量与组成差异较大，衰老期微生物数量最大，说明衰老期养分的积累有利于微生物的生长。土壤酶活性在不同年龄阶段均表现出明显的根际效应，这是由于植物根系自身生长与微生物相互作用释放了大量的酶类到根际土壤中，使得根际土壤中的酶类显著增高。幼年期碱性磷酸酶根际效应达到了19.042倍。异翅独尾草土壤中幼年期pH值、过氧化氢酶、蔗糖酶、中性磷酸酶，成熟期放线菌、速效磷、有机质，衰老期全钾、过氧化氢酶呈现根际负效应。其他各时期微生物、酶活性和养分含量均具有明显的根际聚集现象。衰老期根际土壤有机质含量是非根际的119倍，衰老期凋落物、死根和根的分泌物等大量聚集有利于有机质的累积，与此同时与根际土壤细菌、真菌、放线菌、脲酶和蔗糖酶有着很密切的相关性。不同年龄阶段的异翅独尾草均提高了土壤的有机质与养分，且根际土壤养分总量大于非根际土壤和裸地土壤，促进了养分的积累，改善了沙漠土壤的质量。

异翅独尾草在70 d内迅速完成整个生活史周期，早春萌发，当年开花、结实，进行夏眠，利用根度过不良环境。根在整个生活史中占有很重要的地位，在水土保持、稳定沙面、减少沙尘暴的频度与强度方面有重要的作用[26-27]。异翅独尾草根际土壤中脲酶、过氧化氢酶和中性磷酸酶对细菌，脲酶、过氧化氢酶和中性磷酸酶含量对真菌，脲酶和中性磷酸酶对放线菌有利；根际土壤中盐分的增加致使脲酶和蔗糖酶含量增加，有利于根际土壤中细菌、真菌和放线菌的生长和繁殖，异翅独尾草根际有机质的增加，对于脲酶和碱性磷酸酶的分泌具有促进作用，有利于真菌和放线菌的生长。说明全氮、全磷和速效钾对细菌、全磷和速效钾对真菌生长有利，全氮和速效钾对放线菌生长有利,说明一种酶的聚集利于另一种养分的汇聚。

含水率与土壤微生物数量及酶活性相关性不显著，说明水分并不起主导作用，微生物数量、酶活性与有机质、全氮、全磷及速效钾养分之间均呈极显著相关性关系，表明沙漠植物稀疏，水资源匮乏，生物的生长繁殖更依赖于养分的供给。

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