紫花苜蓿根际效应对河套灌区土壤盐分和养分的影响

刘菊梅 曹博 石春芳 辛翠花 毕捷 张庆辉 兰宗宝 司万童

摘要：【目的】從时间和空间尺度上分析紫花苜蓿（Medicago sativa L.）不同生长期内根际土壤盐分和养分的动态变化规律，揭示紫花苜蓿生长过程中根际效应对内蒙古河套灌区盐碱地土壤盐分和养分的影响作用，为北方大型灌区盐碱化农地土壤的植物改良措施提供科学依据。【方法】以内蒙古河套灌区盐碱化土壤为研究对象，以当地土著耐盐牧草紫花苜蓿为试验植物，通过盆栽根袋模拟装置，采集分析不同生长期内（20、40和60 d）紫花苜蓿根际和非根际土壤的pH、盐分和养分含量，并分析其变化规律。【结果】随着紫花苜蓿的生长，其根际土壤的电导率、pH、Na+、K+、Mg2+、Cl-和CO32-含量逐渐降低；根际和非根际土壤中Na+/K+和Cl-/SO42-均呈逐渐降低趋势，根际土壤中Cl-/SO42-相对于非根际土壤降低程度较明显。非根际土壤中总氮、总磷和有机质含量总体上呈下降趋势，根际土壤中总氮含量相对稳定，总磷含量降低，速效磷含量显著升高（P<0.05）。【结论】紫花苜蓿根际效应可降低河套灌区盐碱化土壤的pH、电导率和主要盐分离子浓度，提高磷的有效性，有助于盐碱地土壤理化性质的改善及有效肥力的增强，且其影响作用随紫花苜蓿生长时间的延长逐渐加强。

关键词： 紫花苜蓿；根际效应；土壤盐碱化；盐分；养分；植物改良

中图分类号： S156.44；S158.3 文献标志码：A 文章编号：2095-1191（2018）02-0246-07

Abstract：【Objective】In perspectives of time and space，the dynamic variation of soil salt and nutrient in rhizosphere soil of alfalfa（Medicago sativa L.） during different growth periods. The rhizosphere effects of alfalfa on salt and nutrient in saline-alkali soil of Hetao irrigation area， Inner Mongolia was studied. With these efforts， this paper aimed to provide scientific basis for plant improvement in saline-alkali soil in large irrigation area of northern China. 【Method】In this study， saline-alkali soil from Hetao irrigation area in Inner Mongolia was used as the research target，and alfalfa， an indi-genous salt-tolerant forage， was selected as the experimental plant. Through lab potted plant device， pH， salt content and nutrient content in rhizosphere soil and non-rhizosphere soil of alfalfa during different growth stages（20， 40 and 60 d） were sampled and analyzed， and their variation regulations were studied. 【Result】With the growth of alfalfa， electric conductivity（EC）， pH，Na+， K+， Mg2+， Cl- and CO32- contents decreased gradually in the rhizosphere soil. Na+/K+ and Cl-/SO42- ratios showed a decrease trend in both rhizosphere soil and non-rhizosphere soil，and Cl-/SO42- in rhizosphere soil decreased more greatly than that in non-rhizosphere soil. In non-rhizosphere soil，contents of total nitrogen，total phosphorus，and organic matter generally decreased. While in rhizosphere soil，total nitrogen content was relatively stable，total phosphorus content decreased，and content of available phosphorus increased significantly（P<0.05）. 【Conclusion】The rhizosphere effects of alfalfa decrease pH，EC，and salt ion concentrations in saline-alkali soil in Hetao irrigation area， improve soil physical and chemical properties and effective fertility. In addition， these effects gradually strengthens as alfalfa grows.

Key words： alfalfa（Medicago sativa L.）； rhizosphere effect； soil alkalization； salt； nutrient； plant improvement

0 引言

【研究意义】据统计，目前全世界大约有50%的耕地受到盐碱化胁迫，其中超过40%的灌区因不合理灌溉及田间管理等人为因素导致盐碱化土地面积不断扩大（Dong et al.，2010）。我国内蒙古河套灌区土壤盐碱化问题突出，是导致当地土地退化的主要因素之一。内蒙古河套灌区盐碱地面积约4.3×105 ha，严重威胁着当地的粮食安全（李新等，2016），因此，采取合理的措施控制和治理当地土地盐碱化问题已迫在眉睫。【前人研究进展】采用物理和化学措施配合适宜的田间管理方式，如深耕、秸秆覆盖和组合耕作方式等是盐碱化土壤改良的常用方法，其在控制土壤中水盐运动及改善土壤理化性质等方面已取得了较好成效（Zhao et al.，2014），但弊端亦多。物理化学措施的原理即通过增加根际土壤中可溶性钙离子含量，以使钠离子从阳离子交换位点上被取代，然后通过淋洗将其转移到耕作层以下。但该法需水量较大且成本较高，通常会加剧盐分的积累；土壤改良剂的加入同时会引入新的二次污染物，如重金属等，进而通过食物链传递威胁人体健康（Qadir and Oster，2002；Muhammad and Khattak，2011）。添加家畜粪便、腐殖质酸及种植植物等生物改良措施能改善土壤质地，增加土壤中的可溶性钙离子含量，提高土壤肥力，既有效又低廉环保（Clark et al.，2007）。其中，种植植物的根系能改善根际土壤养分的聚合能力和持水性，有利于盐离子淋洗到有效耕层以下，改良土壤耕作层理化性质，增加有机碳和速效养分，同时能促进土壤微生物的大量繁殖，进而有效去除或固定部分污染物质，降低土壤毒性（Cao et al.，2012；Zhang et al.，2014），可有效解决由于盐碱化造成土壤中大量营养元素缺失、水力运动不均衡等引起植物生长减缓甚至死亡的问题（Qadir et al.，2003；董利苹等，2011；Yazdanpanah et al.，2013）。因此，植物改良措施作为一种效果良好的盐碱化土壤改良方法越来越受到关注（Barrett-Lennard，2002；Cao et al.，2012）。目前，可用于盐碱化土壤改良的植物种类较多，有千金子草（Akhter et al.，2004）、光头稗（Al Sherif，2007）、黄花草木犀（Al Sherif，2009）、紫花苜蓿（Medicago sativa L.）（Cao et al.，2012）、无芒雀麦（潘多锋等，2012）、披碱草（王洪峰等，2012）和NyPa草（Lymbery et al.，2013）等。其中，紫花苜蓿是多年生耐盐的豆科植物，被誉为牧草之王，其在土壤改良中适应性强，根系发达、分支多、产量高，防风固沙和改土培肥效果明显（Cao et al.，2012）；然而，现有研究较多集中于紫花苜蓿对土壤理化性质及肥力质量的影响作用。【本研究切入点】植物根际土壤受到植株根部释放物质、微氧环境及土壤微生物群落结构的综合影响，与非根际土壤相比，其物理化学性质差异明显。紫花苜蓿是内蒙古河套灌区及其周边农田地区广泛分布的植物，但其根际效应在该区域盐碱化土壤改良中的作用尚缺乏系统研究。【拟解决的关键问题】以内蒙古河套灌区盐碱化土壤为研究对象，采用盆栽根袋模拟装置，种植当地土著耐盐牧草紫花苜蓿。于紫花苜蓿不同生长期内，分析其根际与非根际土壤盐分和养分含量变化，阐明紫花苜蓿根际效应对内蒙古河套灌区盐碱地土壤盐分和养分的影响作用，以期为北方大型灌区盐碱化土壤的植物改良措施提供科学依据。

1 材料与方法

1. 1 试验材料

供试土壤采集于内蒙古河套灌区农田（地势平坦），采用梅花布点法设5个采样点，每个点剥离表层盐分后采集0～40 cm土层土壤，5点混合后清理杂物，四分法取样装入自封袋带回实验室，在室内自然阴干后过0.50 mm土壤筛待用。供试土壤为棕钙土，含沙量较高，初始土壤理化背景值为：总氮14.52±1.78 g/kg，总磷52.43±3.44 mg/kg，有机质16.44±0.18 g/kg，电导率2.69～3.09 ms/cm。

供试植物选用在内蒙古河套灌区盐碱化土壤上生长良好的紫花苜蓿。

1. 2 植物根袋培养和土壤样品采集

参考前人研究中多采用的盆栽根袋法模拟装置进行试验（Li et al.，2009；董利苹等，2011）。根袋采用320目的尼龙网纱缝制而成，内径5.0 cm、高8.0 cm。塑料花盆规格内径20.5 cm、高14.6 cm。将装有100 g干土的根袋埋于装有3 kg干土的花盆中央位置，距离花盆底部5.0 cm，花盆中根袋内外土壤密度和高度保持一致，将配好的底肥水溶液均匀淋在花盆中，添加量为N 200 mg/kg，P2O5 100 mg/kg，使花盆中土壤水含量达140 g/kg，备用。并在每个根袋内播种刚露白的紫花苜蓿种子20粒，待其出苗后留苗12株。种植9盆，另外留3盆未播种盆作为对照组，每周浇水1次。分别在苜蓿长出后20、40和60 d时各取样1次。取出根袋中紧贴植物主根1.0 cm以内的土壤作为根际土，取根袋外距离根袋3.0 cm以内的土壤作为非根际土。

1. 3 样品分析测定

采集的土样在室内自然阴干并过2.00 mm土壤筛保存待用，测定前再过0.15 mm土壤筛后进行相关指标测定。可溶性总盐分（以电导率表示该指标）用电导率仪測定，pH采用pH计测定，Na+、K+、Ca2+和Mg2+采用原子吸收分光光度法测定，CO32-、Cl-和SO42-采用滴定法测定。有机质含量采用重铬酸钾外热法测定，总氮含量采用凯氏定氮法测定，总磷含量采用高氯酸—浓硫酸消化钼锑抗比色法测定，速效磷含量采用NaHCO3浸提钼锑抗比色法测定。各项指标测定参考鲍士旦（2005）、吴月茹等（2011）的方法。

1. 4 统计分析

试验数据采用SPSS 19.0进行整理与统计分析，以Excel 2007制图。

2 结果与分析

2. 1 紫花苜蓿根际效应对土壤可溶性总盐分（电导率）和pH的影响

由图1可看出，随着种植时间的延长，紫花苜蓿根际与非根际土壤的电导率和pH均呈下降趋势。与非根际土壤相比，根际土壤的电导率和pH下降更明显，且在20 d后与根际土壤差异显著（P<0.05，下同）或极显著（P<0.01，下同）（40 d时的土壤pH除外）。60 d时根际土壤電导率降低率高于40.0%， pH降低率为2.9%。

2. 2 不同生长期紫花苜蓿根际与非根际土壤中主要盐分离子含量的动态变化规律

随着紫花苜蓿的生长，其根际和非根际土壤中主要盐离子的含量出现了不同的变化规律。由图2可看出，Na+、K+、Mg2+、Cl-和CO32-含量呈不同程度的降低趋势，而Ca2+（非根际除外）和HCO3-离子浓度表现出不同程度的上升趋势。除非根际土壤中SO42-外，所有离子在根际和非根际土壤中的含量在一定时间段与对照组（0 d）相比均表现出显著差异。整体而言，根际土的阳离子中除Ca2+外，其余3种阳离子均在40 d时相比非根际土壤显著降低，相反根际土中阴离子除Cl-外，其余3种阴离子在60 d时相比非根际均显著升高。与根际和非根际土壤中pH随着生长时间的延长不断降低，且在60 d时根际土壤pH极显著低于非根际土壤的结果吻合。可见，植物根际效应对根际盐离子含量具有明显的影响效应，且在植物生长发育的不同阶段影响也不相同。

2. 3 不同生长期紫花苜蓿根际与非根际土壤盐分组成的动态变化规律

从表1可看出，随着紫花苜蓿的生长，其根际和非根际土壤中Na+/K+和Cl-/SO42-均呈逐渐降低趋势；Na+/Ca2+呈先升后降的变化趋势，且在20 d时表现出峰值，在40 d时与对照组（0 d）相比显著降低；Na+/Mg2+在60 d时显著升高。同一生长阶段，根际土壤中Cl-/SO42-相对于非根际土壤减小程度均较大，结合图2数据可知，可能与根际土中Cl-含量降低速度显著高于非根际，而根际土中SO42-含量显著高于非根际有直接原因。整体而言，本研究中植物的根际效应对盐碱土中Na+、Mg2+和Cl-具有一定的降低效果。

2. 4 不同生长期紫花苜蓿根际与非根际土壤养分含量的动态变化规律

由图3可看出，随着紫花苜蓿的生长，非根际土壤中总氮、总磷和有机质含量总体上呈下降趋势，是由于植物生长过程中对养分的消耗所致。可见，本研究条件下土壤中的养分含量对苜蓿生长供不应求，当植物根际土壤中的养分含量较低时，就会通过质流和扩散作用从根际土壤以外获取养分，进而导致非根际土壤养分（C、N和P）浓度相应下降。但由于苜蓿本身具有一定的固氮能力，因此根际土壤中总氮含量相对维持在比较稳定的状态。虽然总磷含量在根际和非根际土壤中有所降低，但速效磷含量随着植物的生长出现显著上升趋势，表明紫花苜蓿根际效应能有效提高土壤磷的有效性。

3 讨论

本研究结果表明，紫花苜蓿的根际效应在降低土壤可溶性盐分和pH方面有一定效果。豆科植物能够依赖与其共生的固氮菌加剧根际酸化，从而促进土壤中可溶性Ca2+含量增加（Zhou et al.，2009），可溶性Ca2+含量的增加有利于更多的Na+从交换位点上置换出来，继而被淋洗下去，最终导致Na+含量降低（Qadir and Oster，2002）。本研究结果与此结论基本一致。

与非根际土壤相比，Na+、K+和Mg+含量在紫花苜蓿根际土壤中下降更加明显，原因可能有两个方面：（1）植物覆盖后抑制了土壤盐分的表聚作用（Cao et al.，2012）；（2）植物根系能增强土壤渗透性和导水性，降雨或灌溉时有利于盐离子淋洗到有效耕作层以下（Qadir and Oster，2002）。K+含量在根际土壤中表现为先降低后升高的趋势，且在紫花苜蓿生长初期（20 d）达最低水平，而非根际土壤中在60 d时才表现出显著降低变化趋势。本研究中的K+含量整体变化趋势与董利苹等（2011）研究得出的新疆大叶（Medicago sativa L. cv. Xinjiangdaye）等4种植物根际土壤中K+含量均出现亏缺，且K+在根际土壤中的含量与相同培养时间非根际土壤相比差异显著的结论基本一致。

根际土壤盐离子含量的提高主要是由于植物促进了盐离子向根际运输即根际效应为植物提供了更多的ATP，使得离子的运输效率提高，以及植物对盐分的选择性吸收增强，从而使得盐分不断向根际区富集（弋良朋等，2008）。根际土壤中SO42-和HCO3-含量升高，其主要原因是：随着植物的生长，根际土壤中微生物群落多样性和丰富度要显著高于非根际土壤，根际微生物不断地进行碳和硫的形态转变，为植物提供更多的易吸收的营养物质。此外，HCO3-含量的增加还与CO32-的转换有关，本研究中CO32-含量呈下降趋势，CO32-含量和HCO3-含量的总值在不同生长期差异不显著，而SO42-含量的提高可能是植物根际微生物代谢促使土壤中其他形态的无机硫和有机硫的形态转变所致。另外，植物生长过程中根部分泌物会影响到各类离子的存在形式，进而影响到植物本身对盐离子的选择吸收能力，最终影响到根际土壤环境中盐离子的生物有效性（Qadir and Oster，2002）。由此可知，K+、Na+和Mg2+含量的降低及SO42-和HCO3-含量的升高对于根际土壤盐分和pH的降低有较大贡献，也说明紫花苜蓿根际效应对河套灌区盐碱化土壤具有良好的脱盐和降pH作用。

根际土壤中的全氮含量随时间变化出现增高趋势的主要原因：（1）豆科植物的固氮作用。（2）根系含氮分泌物及根的死亡、根毛组织表皮的凋零物和微生物在根际汇聚的效果（张福锁等，1991）。根际和非根际土壤中的有机质含量均呈下降趋势，相比非根际土壤，根际土壤中有机质含量下降趋势更加明显。这主要归因于植物的生长吸收和质流扩散作用，也可能是由于紫花苜蓿在快速生长阶段根系对有机质吸收速率快于对水分吸收速率，而造成根际土壤中养分含量低于非根际土壤。根际土壤和非根际土壤中速效磷含量呈上升趋势，根际土壤的表现更明显，可能是紫花苜蓿对土壤中总磷转化利用的结果。盐碱地苜蓿根际效应对土壤磷具有一定的活化作用（高文星等，2008），植物根系将部分总磷转化为速效磷，从而使得根际的有效磷含量明显增加。加之植物本身对土壤养分的吸收，直接导致总磷含量呈显著下降趋势。当然，通过生物措施改良盐碱化土壤，其pH、主要盐分离子的变化结果还与供试盐碱土本身的土壤性质、植物品系、生长阶段和年限、根际与非根际土壤采集位点的时空分布差异等因素有关（弋良朋等，2008）。为更深入研究这种影响作用，今后有必要进行更长生长期和生长年代的动态监测。

4 结论

紫花苜蓿根际效应可降低河套灌区盐碱化土壤的pH、电导率和主要盐分离子浓度，促进土壤中养分的活化，提高磷的有效性，有助于土壤理化性质的改善及有效肥力的增强，且其影响作用随紫花苜蓿生长时间的延长而逐渐加强，对农灌区盐碱化土壤的改良具有积极作用。

参考文献：

鲍士旦. 2005. 土壤农化分析[M]. 第3版. 北京：中国农业出版社. [Bao S D. 2005. Soil Agriculture Analysis[M]. The 3rd Edition. Beijing： China Agriculture Press.]

董利蘋，曹靖，李先婷，代立兰，苏怡兵. 2011. 不同耐盐植物根际土壤盐分的动态变化[J]. 生态学报，31（10）：2813-2821. [Dong L P，Cao J，Li X T，Dai L L，Su Y B. 2011. Dynamic change of salt contents in rhizosphere soil of salt-tolerant plants[J]. Acta Ecologica Sinica，31（10）：2813-2821.]

高文星，张莉丽，任伟，马斌，周志宇. 2008. 河西走廊盐渍土不同种植年限苜蓿根际磷含量变异特征[J]. 草业科学， 25（7）：54-58. [Gao W X，Zhang L L，Ren W，Ma B，Zhou Z Y. 2008. The changeable characteristics of phosphorus content in rhizosphere soils in different years alfalfa pastures in Hexi Corridor saline soil[J]. Pratacultu-ral Science，25（7）：54-58.]

李新，焦燕，代钢，扬铭德，温慧洋. 2016. 内蒙古河套灌区不同盐碱程度的土壤细菌群落多样性[J]. 中国环境科学， 36（1）：249-260. [Li X，Jiao Y，Dai G，Yang M D，Wen H Y. 2016. Soil bacterial community diversity under di-fferent degrees of saline-alkaline in the Hetao Area of Inner Mongolia[J]. China Environmental Science， 36（1）：249-260.]

潘多锋，申忠宝，王建丽，高超，李道明. 2012. 紫花苜蓿与无芒雀麦混播对松嫩平原盐碱化草地土壤改良效果研究[J]. 黑龙江农业科学，（10）：127-131. [Pan D F，Shen Z B，Wang J L，Gao C，Li D M. 2012. Study on soil improvement effect of alfalfa mixed with smooth brome grass on saline-alkaline grassland in songnen plain[J]. Heilong-jiang Agricultural Sciences，（10）：127-131.]

王洪峰，王博文，阎秀峰. 2012. 植物种植对盐碱草地土壤化学性质改良效果的定量化评价[J]. 中国草地学报，32（4）：75-81. [Wang H F，Wang B W，Yan X F. 2012. Quantitative evaluation of improvement effect of four plant on soil chemical properties in saline-alkali grassland[J]. Chinese Journal of Grassland， 32（4）：75-81.]

吴月茹，王维真，王海兵，张智慧. 2011. 采用新电导率指标分析土壤盐分变化规律[J]. 土壤学报，48（4）：869-873. [Wu Y R，Wang W Z，Wang H B，Zhang Z H. 2011. Ana-lysis of variation of soil salt with new electric conductivity index[J]. Acta Pedologica Sinica，48（4）：869-873.]

弋良朋，马健，李彦. 2008. 两种土壤条件下荒漠盐生植物根际系统养分分布的实验研究[J]. 中国沙漠，28（3）：443-448. [Yi L P， Ma J， Li Y. 2008. Distribution of soil nu-trient concentration in the rhizosphere system of desert halophytes under two soil conditions[J]. Journal of Desert Research，28（3）：443-448.]

张福锁. 1991. 根分泌物及其在植物营养中的作用 [J]. 北京农业大学学报，17（2）：63-67. [Zhang F S. 1991. Root exudates and their role in plant nutrition[J]. Acta Agricultural University Pekinensis，17（2）：63-67.]

Akhter J，Murray R，Mahmood K，Malik K A，Ahmed S. 2004. Improvement of degraded physical properties of a saline-sodic soil by reclamation with kallar grass（Leptochloa fusca）[J]. Plant and Soil，258：207-216.

Al Sherif E A. 2007. Echinochloa colona（L.）link，a promi-sing species to cultivate salt affected soils in arid lands[J]. American-Eurasian Journal of Agricultural and Environ of Science，2：767-774.

Al Sherif E A. 2009. Melilotus indicus（L.） All.，a salt-tolerant wild leguminous herb with high potential for use as a fora-ge crop in salt-affected soils[J]. Flora，204：737-746.

Barrett-Lennard E G. 2002. Restoration of saline land through revegetation[J]. Agricultural Water Management， 53（1-3）：213-226.

Cao J，Li X T，Kong X L，Zed R，Dong L. 2012. Using alfalfa（Medicago sativa）to ameliorate salt-affected soils in Yingda irrigation district in northwest China[J]. Acta Ecologica Sinica，32（2）：68-73.

Clark G J，Dodgshun N，Sale P W G，Tang C. 2007. Changes in chemical and biological properties of a sodic clay subsoil with addition of organic amendments[J]. Soil Biology and Biochemistry，39：2806-2817.

Dong H Z，Kong X Q，Luo Z，Li W J，Xin C S. 2010. Unequal salt distribution in the root zone increases growth and yield of cotton[J]. European Journal of Agronomy，33（4）：285-292.

Li C J，Ma J，Li Y. 2009. Salt content in the rhizosphere of five psammophytes[J]. Acta Ecologica Sinica， 29（9）： 4649-4655.

Lymbery A J，Kay G D，Doupé R G，Partridge G J，Norman H C. 2013. The potential of a salt-tolerant plant（Distichlisspicata cv. NyPa Forage） to treat effluent from inland saline aquaculture and provide livestock feed on salt-affec-ted farmland[J]. Science of the Total Environment，445-446：192-201.

Muhammad D，Khattak R A. 2011. Wheat yield and chemical composition as influenced by integrated use of gypsum，press-mud and FYM in saline-sodic soil[J]. Journal of the Chemical Society of Pakistan，33：82-86.

Qadir M，Oster J D. 2002. Vegetative bioremediation of calcareous sodic soils：History，mechanisms，and evaluation[J]. Irrigation Science，21（3）：91-101.

Qadir M，Steffens D，Yan F，Schubert S. 2003. Sodium removal from a calcareous saline-sodic soil through leaching and plant uptake during phytoremediation[J]. Land Degradation and Development，14（3）：301-307.

Yazdanpanah N，Pazira E，Neshat A，Mahmoodabadi M，Sinobas L R. 2013. Reclamation of calcareous saline sodic soil with different amendments（II）：Impact on nitrogen，phosphorous and potassium redistribution and on microbial respiration[J]. Agricultural Water Management，120：39-45.

Zhang H S，Zai X M，Wu X H，Qin P，Zhang W M. 2014. An ecological technology of coastal saline soil amelioration[J]. Ecological Engineering，67：80-88.

Zhao Y G，Pang H C，Wang J，Huo L，Li Y Y. 2014. Effects of straw mulch and buried straw on soil moisture and salinity in relation to sunflower growth and yield[J]. Field Crops Research，161：16-25.

Zhou L L，Cao J，Zhang F S，Li L. 2009. Rhizosphere acidification of faba bean，soybean and maize[J]. Science of the Total Environment，407：4356-4362.

（責任编辑 王 晖）