不同种植年限蕨麻根际土壤养分变化规律

王雅琼,李军乔,白世俊,牛永昆,李晨芹

(1.青海民族大学 生态环境与资源学院,青海 西宁 810007;2.青海省生物技术与分析测试重点实验室/青藏高原蕨麻研究中心,青海 西宁 810007)

0 引言

蕨麻(PotentillaanserinaL.)属于蔷薇科(Rosacrae)委陵菜属(Potentilla)，是多年生草本植物，属于典型的青藏高原特有资源植物，青藏高原地区称之为人参果、延寿果或蓬莱果等[1-2]。蕨麻是一种极具特色的植物资源，仅在青藏高原地区生长的蕨麻地下根系膨大，形成圆球状、线结状、粗棒状，富含淀粉、蛋白质、多糖、总黄酮等营养物质和有效成分，可用于制作蕨麻饼干、饮料、酒类等营养价值很高的美食[3-5]。蕨麻还含有多种活性成分，能够提高机体免疫力及抗应激能力，具有抗疲劳、抗缺氧的作用，可以抑制细菌、病毒和肿瘤生长的功效，而且具有保肝护肝、降低血脂及胆固醇等保健功能，在《晶珠本草》、《四部医典》、《藏药志》中均有记载，民间常将其作为食品、保健品和藏药使用。同时，蕨麻是生态恢复过程中的一种先锋植物，具有抗旱性、抗瘠薄性、耐寒性、抗盐碱性，根系发达的特点[6-17]。

根际，定义为“根的作用或影响的领域”，是指植物根系周围的特殊土壤，它受根系直接影响，与原始土壤不同，不仅是土壤水分和养分进入根系参与物质循环的门户，也是受根系自身的生命活动影响最直接、最强烈的区域，驱动土壤碳、氮和磷的动态变化[18-19]。根际土壤营养元素的含量变化与植物根系、土壤微生物等生物因素密切相关。土壤中养分缺乏是限制许多植物生长发育的重要因素之一，因此，土壤养分含量是检测土壤质量的重要指标[20]。本研究以青藏高原蕨麻研究中心审定的作物新品种“青海蕨麻2号”为研究对象，测定不同连作时间根际土壤的营养元素含量，探讨蕨麻根际土壤环境的变化规律，以期为蕨麻的人工高产栽培和科学施肥提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验仪器

5110VDV ICP-OES(安捷伦，美国)；Digi PREP石墨消解仪(SCP SCIENCE，美国)；DEENA石墨消解仪(Thomas Cain，美国)；Milli-Q 超纯水处理系统(密理博，美国)；MS205DU精密电子天平(梅特勒-托利多，美国)；ME403电子天平(梅特勒-托利多，美国)；硝酸(优级纯，广州化学试剂厂)；盐酸(优级纯，上海国药集团)；氢氟酸(优级纯，上海国药集团)；高氯酸(优级纯，上海国药集团)；环境分析多元素混合标准溶液(安捷伦，美国)；土壤(GSS)、沉积物(GSD)成分分析标准物质(中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所，中国)。

1.2 试验材料

1.2.1 供试蕨麻品种

青海蕨麻2号：由青藏高原蕨麻研究中心李军乔教授等审定。

1.2.2 施肥处理

施用肥料为尿素181.95 kg·km-2，过磷酸钙291.12 kg·km-2，硫酸钾160.12 kg·km-2，商用有机肥5 094.61 kg·km-2，N∶P∶K的比例为115∶64∶110，所有肥料作底肥一次施入。

1.3 样品采集

1.3.1 采样地信息

采样地分别位于青海省湟源县寺滩村、兔尔干村、克素尔村，采样地信息见表1。

表1 不同采样地信息Tab.1 Information of different sampling sites

1.3.2 采样时期

在蕨麻不同生长阶段进行采样，采样时间分别为2018年6月(初花至盛花期)，2018年9月(地下块根膨大始期)，2018年11月(地下块根膨大期，即蕨麻采挖收获期)，2019年4月(地上部分萌动期)和2019年6月(初花至盛花期)。

1.3.3 采样方法

采样方法为随机采样法，在每块地里随机取3个样方，代表3个重复，每个样方内选择长势一致的蕨麻5株，间距离不小于10 m，不破坏根系，将其整株挖出，利用抖土法取样，5株蕨麻根际土壤样品混合均匀后代表1个样品[21]。将采集的土壤样品以原位温度带回实验室。

1.4 分析检测

将土样平摊成薄层，每天翻动1次，背光自然风干，用镊子挑除植物根、叶等有机残体，然后用木棍把土块压细，使之通过100目筛，装入有编号的样品袋中备用[21]。土壤养分测定采用常规分析方法见表2。

表2 土壤养分的常规分析方法Tab.2 Conventional methods for soil nutrient analysis

1.5 数据分析

实验结果使用SPSS 18.0数据分析软件进行数据统计，用单因素方差分析进行显著性分析，部分图表利用EXCEL软件制作。

2 结果与分析

2.1 采样地土壤养分指标分级结果

根据全国土壤养分指标分级标准统计[22](见表3)，从实验地采集的45个土壤样品中全氮含量为一级的25个、二级的14个、三级的6个；土壤速效磷含量为一级的4个、二级的28个、三级的13个；土壤速效钾含量为一级的9个、二级的10个、三级的19个，四级的7个(大多数为冬季地下块根膨大期的样品)。由此可见，蕨麻生长期中仍有部分时期缺氮、少磷，在地下部分完全膨大即开始采挖蕨麻的时期，土壤缺钾已有所显现。

表3 全国土壤养分指标分级标准统计Tab.3 National soil nutrient index classification standard statistics

2.2 不同连作年限蕨麻根际土壤氮元素含量比较

由图1和图2可以知道：土壤全氮、速效氮的变化范围分别为1.67～2.55 g·kg-1，155.67～219.67 mg·kg-1。土壤全氮和速效氮含量变化趋势一致，均呈现先下降再上升的趋势，连作4年、连作8年的土壤全氮、速效氮含量与迎茬相比均显著下降(P<0.05)，分别下降了34.46%、27.15%和29.14%、26.40%。在蕨麻生长周期中，连作4年和连作8年的样品全氮的含量表现出相同的趋势，全氮含量随着初花至盛花期、地下块根膨大始期、地下块根膨大期逐渐上升，在地上部分萌动期下降，在第二年初花至盛花期继续上升；不同连作年限的样品中速效氮的含量表现出大致相似的趋势，初花至盛花期最高、在地下块根膨大始期下降、在地下块根膨大期上升，在地上部分萌动期有差别，迎茬和连作4年上升，在第二年初花至盛花期下降，连作8年正好相反。

图1 不同种植年限蕨麻根际土壤全氮含量变化Fig.1 Changes of total nitrogen content in rhizosphere soil of Potentilla anserina L. in different planting years

图2 不同种植年限蕨麻根际土壤速效氮含量变化Fig.2 Changes of available nitrogen content in rhizosphere soil of Potentilla anserina L. in different planting years

在本研究中，不同连作年限的蕨麻根际土中从花期至块根膨大始期，速效氮均呈下降趋势，直到地下块根膨大期才保持平稳，该结果符合沈宁东[23]等对蕨麻氮素吸收利用规律的研究结果，其研究表明不同时期的蕨麻对氮、磷、钾的需求大有不同，蕨麻生长对土壤速效氮的吸收主要在匍匐期和花果期。产生该结果的原因可能是从蕨麻产生匍匐茎起，植株需要大量吸收利用速效氮合成蛋白质[24]，当蕨麻进入花果期，对氮的吸收量仍在不断增大[25]，该期茎叶中的蛋白质进行分解，其降解产物转移到正在发育中的花序和果实中[26]。韩翠莲[27]等人对马铃薯土壤环境及产量的研究表明，随着连作年限的增加，马铃薯土壤中速效氮含量呈上升趋势，这可能是由于马铃薯种植地施足了基肥且追肥2次，与本实验施肥量、施肥方式都不同，所以呈现的规律性也不相同。

2.3 不同连作年限蕨麻根际土壤磷元素含量比较

由图3和图4可知：土壤全磷、速效磷的变化范围分别为0.83～0.96 g·kg-1，20.15～32.23 mg·kg-1。土壤全磷和速效磷含量变化趋势一致，均随着连作时间的增加显著下降(P<0.05)，连作4年和连作8年分别下降了12.60%、13.84%和7.61%、37.48%。在蕨麻生长周期中，不同连作年限的样品中全磷和速效磷的含量表现出一致趋势，从初花至盛花期、地下块根膨大始期到地下块根膨大期逐渐下降，从地上部分萌动期、第二年初花至盛花期逐渐上升。

图3 不同种植年限蕨麻根际土壤全磷含量变化Fig.3 Changes of total phosphorus content in rhizosphere soil of Potentilla anserina L. in different planting years

图4 不同种植年限蕨麻根际土壤速效磷含量变化Fig.4 Changes of available phosphorus content in rhizosphere soil of Potentilla anserina L. in different planting years

充足的磷元素可显著促进植物的根系生长、提高叶片的光合能力，进而增加植株干物质量，是作物增产和稳产的重要措施，磷在植物体内参与光合作用、呼吸作用、能量储存和传递、细胞分裂、细胞增大等过程，有助于增强一些植物的抗病性，抗旱和抗寒能力[28-29]。本研究中，不同连作年限蕨麻根际土中全磷和速效磷的含量从初花至盛花期、地下块根膨大始期、地下块根膨大期逐渐下降。在基株生长期植株不断长出新叶和增大新叶面积，会快速吸收速效磷；到块根膨大期，磷可以促进贮藏器官的碳水化合物的形成，尤其淀粉的合成。块根膨大的过程就是细胞分裂、细胞增大的过程，这段时间蕨麻对磷的吸收利用量最大。沈宁东[23]等人的研究结果也表明土壤速效磷主要在基株生长期和块根膨大期被吸收。

2.4 不同连作年限蕨麻根际土壤钾元素含量比较

由图5和图6可知：土壤全钾、速效钾的变化范围分别为18.77～19.16 g·kg-1，126.33～174.80 mg·kg-1。土壤全钾和速效钾含量变化趋势不一致，土壤全钾的含量随着连作年限先降低再升高，速效钾含量随连作年限先升高再降低。在蕨麻生长周期中，不同连作年限的样品中全钾含量表现出大致相似的趋势，在初花至盛花期、地下块根膨大始期、地下块根膨大期逐渐下降，在地上部分萌动期有差别，迎茬和连作8年先下降，在第二年初花至盛花期上升，连作4年正好相反；不同连作年限的样品中速效钾的含量表现出大致一致趋势，初花至盛花期、地下块根膨大始期、地下块根膨大期逐渐下降，迎茬和连作8年在地上部分萌动期、第二年初花至盛花期逐渐上升，连作4年的样品在地上部分萌动期上升、第二年初花至盛花期下降(见图5和图6)。

图5 不同种植年限蕨麻根际土壤全钾含量变化Fig.5 Changes of total potassium content in rhizosphere soil of Potentilla anserina L. in different planting years

图6 不同种植年限蕨麻根际土壤速效钾含量变化Fig.6 Changes of available potassium content in rhizosphere soil of Potentilla anserina L. in different planting years

钾素可间接对糖实现调控作用，有研究表明钾素对各种酶的活性有显著影响，植物中超过60种酶必须通过钾来活化[30]，其中包括转化酶，同化产物的运输与转化，在钾素增强转化酶的活性时，其产生的反馈作用会加速蔗糖的转化[31]。随着蕨麻生长周期的变化，速效钾含量有所下降，表明蕨麻在生长发育过程中对速效钾的需求。也有研究表明，大豆根际土壤中速效钾的含量为正茬>迎茬>连作4年[32]。虽然种植植物缺钾现象在全国很多地区仍然普遍存在[33]，但在兔尔干村、寺滩村和克素尔村地区速效钾的含量普遍高于全国中等水平(84～116 mg·kg-1)[34]。因此为了保持和提高蕨麻根际土壤中钾素肥力，提高蕨麻产量，在今后人工种植蕨麻生产中应充分重视钾素平衡。

不同种植年限蕨麻根际土中全氮、全钾和速效氮含量均出现先降低再升高现象，可能是由于蕨麻根对土壤中的氮、钾具有富集作用，而且经过植物连作的选择压力，根际微生物的群落结构发生改变，例如定植于根际的腐生真菌产生胞外酶，这些酶能分解和调动植物凋落物和土壤有机质中对植物有用的氮、磷等营养物质[35]，丛枝菌根真菌通过改变土壤营养物质浓度促进植物养分获取[36]。而且在土壤中钾的强流动性也可能造成这种结果，黄蜀葵有类似的现象[21]，因此，开展蕨麻对营养元素的吸收规律研究具有重要意义。

3 结语

氮、磷、钾为植物生长发育所必需的营养元素，对根、茎、叶、果实等的发育和形成，碳水化合物的合成、分解、运输起重要作用。在农业生产方面，耕作方式和种植地区的海拔对土壤质量有着直接影响，进而影响农作物的质量。本研究中，随着种植年限的增加，蕨麻根际土中全氮和速效氮含量先降低再升高，全磷和速效磷含量逐年下降，全钾的含量随着连作年限先降低再升高，速效钾含量先升高再降低；不同连作年限的蕨麻从花期至地下块根膨大期，根际土壤中速效氮、速效磷和速效钾的含量均呈下降趋势，表明蕨麻在生长发育过程中对氮、磷、钾元素需求量大。在种植过程中需及时补充大量元素，并搭配有机肥合理增加土壤有机质含量，确保蕨麻生长发育所需养分。