不同種植年限蕨麻根際土壤養(yǎng)分變化規(guī)律

王雅瓊,李軍喬,白世俊,牛永昆,李晨芹

(1.青海民族大學(xué) 生態(tài)環(huán)境與資源學(xué)院,青海 西寧 810007;2.青海省生物技術(shù)與分析測(cè)試重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/青藏高原蕨麻研究中心,青海 西寧 810007)

0 引言

蕨麻(PotentillaanserinaL.)屬于薔薇科(Rosacrae)委陵菜屬(Potentilla)，是多年生草本植物，屬于典型的青藏高原特有資源植物，青藏高原地區(qū)稱之為人參果、延壽果或蓬萊果等[1-2]。蕨麻是一種極具特色的植物資源，僅在青藏高原地區(qū)生長(zhǎng)的蕨麻地下根系膨大，形成圓球狀、線結(jié)狀、粗棒狀，富含淀粉、蛋白質(zhì)、多糖、總黃酮等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和有效成分，可用于制作蕨麻餅干、飲料、酒類等營(yíng)養(yǎng)價(jià)值很高的美食[3-5]。蕨麻還含有多種活性成分，能夠提高機(jī)體免疫力及抗應(yīng)激能力，具有抗疲勞、抗缺氧的作用，可以抑制細(xì)菌、病毒和腫瘤生長(zhǎng)的功效，而且具有保肝護(hù)肝、降低血脂及膽固醇等保健功能，在《晶珠本草》、《四部醫(yī)典》、《藏藥志》中均有記載，民間常將其作為食品、保健品和藏藥使用。同時(shí)，蕨麻是生態(tài)恢復(fù)過(guò)程中的一種先鋒植物，具有抗旱性、抗瘠薄性、耐寒性、抗鹽堿性，根系發(fā)達(dá)的特點(diǎn)[6-17]。

根際，定義為“根的作用或影響的領(lǐng)域”，是指植物根系周圍的特殊土壤，它受根系直接影響，與原始土壤不同，不僅是土壤水分和養(yǎng)分進(jìn)入根系參與物質(zhì)循環(huán)的門戶，也是受根系自身的生命活動(dòng)影響最直接、最強(qiáng)烈的區(qū)域，驅(qū)動(dòng)土壤碳、氮和磷的動(dòng)態(tài)變化[18-19]。根際土壤營(yíng)養(yǎng)元素的含量變化與植物根系、土壤微生物等生物因素密切相關(guān)。土壤中養(yǎng)分缺乏是限制許多植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要因素之一，因此，土壤養(yǎng)分含量是檢測(cè)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)[20]。本研究以青藏高原蕨麻研究中心審定的作物新品種“青海蕨麻2號(hào)”為研究對(duì)象，測(cè)定不同連作時(shí)間根際土壤的營(yíng)養(yǎng)元素含量，探討蕨麻根際土壤環(huán)境的變化規(guī)律，以期為蕨麻的人工高產(chǎn)栽培和科學(xué)施肥提供參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

5110VDV ICP-OES(安捷倫，美國(guó))；Digi PREP石墨消解儀(SCP SCIENCE，美國(guó))；DEENA石墨消解儀(Thomas Cain，美國(guó))；Milli-Q 超純水處理系統(tǒng)(密理博，美國(guó))；MS205DU精密電子天平(梅特勒-托利多，美國(guó))；ME403電子天平(梅特勒-托利多，美國(guó))；硝酸(優(yōu)級(jí)純，廣州化學(xué)試劑廠)；鹽酸(優(yōu)級(jí)純，上海國(guó)藥集團(tuán))；氫氟酸(優(yōu)級(jí)純，上海國(guó)藥集團(tuán))；高氯酸(優(yōu)級(jí)純，上海國(guó)藥集團(tuán))；環(huán)境分析多元素混合標(biāo)準(zhǔn)溶液(安捷倫，美國(guó))；土壤(GSS)、沉積物(GSD)成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所，中國(guó))。

1.2 試驗(yàn)材料

1.2.1 供試蕨麻品種

青海蕨麻2號(hào)：由青藏高原蕨麻研究中心李軍喬教授等審定。

1.2.2 施肥處理

施用肥料為尿素181.95 kg·km-2，過(guò)磷酸鈣291.12 kg·km-2，硫酸鉀160.12 kg·km-2，商用有機(jī)肥5 094.61 kg·km-2，N∶P∶K的比例為115∶64∶110，所有肥料作底肥一次施入。

1.3 樣品采集

1.3.1 采樣地信息

采樣地分別位于青海省湟源縣寺灘村、兔爾干村、克素爾村，采樣地信息見(jiàn)表1。

表1 不同采樣地信息Tab.1 Information of different sampling sites

1.3.2 采樣時(shí)期

在蕨麻不同生長(zhǎng)階段進(jìn)行采樣，采樣時(shí)間分別為2018年6月(初花至盛花期)，2018年9月(地下塊根膨大始期)，2018年11月(地下塊根膨大期，即蕨麻采挖收獲期)，2019年4月(地上部分萌動(dòng)期)和2019年6月(初花至盛花期)。

1.3.3 采樣方法

采樣方法為隨機(jī)采樣法，在每塊地里隨機(jī)取3個(gè)樣方，代表3個(gè)重復(fù)，每個(gè)樣方內(nèi)選擇長(zhǎng)勢(shì)一致的蕨麻5株，間距離不小于10 m，不破壞根系，將其整株挖出，利用抖土法取樣，5株蕨麻根際土壤樣品混合均勻后代表1個(gè)樣品[21]。將采集的土壤樣品以原位溫度帶回實(shí)驗(yàn)室。

1.4 分析檢測(cè)

將土樣平攤成薄層，每天翻動(dòng)1次，背光自然風(fēng)干，用鑷子挑除植物根、葉等有機(jī)殘?bào)w，然后用木棍把土塊壓細(xì)，使之通過(guò)100目篩，裝入有編號(hào)的樣品袋中備用[21]。土壤養(yǎng)分測(cè)定采用常規(guī)分析方法見(jiàn)表2。

表2 土壤養(yǎng)分的常規(guī)分析方法Tab.2 Conventional methods for soil nutrient analysis

1.5 數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果使用SPSS 18.0數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，用單因素方差分析進(jìn)行顯著性分析，部分圖表利用EXCEL軟件制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 采樣地土壤養(yǎng)分指標(biāo)分級(jí)結(jié)果

根據(jù)全國(guó)土壤養(yǎng)分指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)[22](見(jiàn)表3)，從實(shí)驗(yàn)地采集的45個(gè)土壤樣品中全氮含量為一級(jí)的25個(gè)、二級(jí)的14個(gè)、三級(jí)的6個(gè)；土壤速效磷含量為一級(jí)的4個(gè)、二級(jí)的28個(gè)、三級(jí)的13個(gè)；土壤速效鉀含量為一級(jí)的9個(gè)、二級(jí)的10個(gè)、三級(jí)的19個(gè)，四級(jí)的7個(gè)(大多數(shù)為冬季地下塊根膨大期的樣品)。由此可見(jiàn)，蕨麻生長(zhǎng)期中仍有部分時(shí)期缺氮、少磷，在地下部分完全膨大即開(kāi)始采挖蕨麻的時(shí)期，土壤缺鉀已有所顯現(xiàn)。

表3 全國(guó)土壤養(yǎng)分指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)Tab.3 National soil nutrient index classification standard statistics

2.2 不同連作年限蕨麻根際土壤氮元素含量比較

由圖1和圖2可以知道：土壤全氮、速效氮的變化范圍分別為1.67～2.55 g·kg-1，155.67～219.67 mg·kg-1。土壤全氮和速效氮含量變化趨勢(shì)一致，均呈現(xiàn)先下降再上升的趨勢(shì)，連作4年、連作8年的土壤全氮、速效氮含量與迎茬相比均顯著下降(P<0.05)，分別下降了34.46%、27.15%和29.14%、26.40%。在蕨麻生長(zhǎng)周期中，連作4年和連作8年的樣品全氮的含量表現(xiàn)出相同的趨勢(shì)，全氮含量隨著初花至盛花期、地下塊根膨大始期、地下塊根膨大期逐漸上升，在地上部分萌動(dòng)期下降，在第二年初花至盛花期繼續(xù)上升；不同連作年限的樣品中速效氮的含量表現(xiàn)出大致相似的趨勢(shì)，初花至盛花期最高、在地下塊根膨大始期下降、在地下塊根膨大期上升，在地上部分萌動(dòng)期有差別，迎茬和連作4年上升，在第二年初花至盛花期下降，連作8年正好相反。

圖1 不同種植年限蕨麻根際土壤全氮含量變化Fig.1 Changes of total nitrogen content in rhizosphere soil of Potentilla anserina L. in different planting years

圖2 不同種植年限蕨麻根際土壤速效氮含量變化Fig.2 Changes of available nitrogen content in rhizosphere soil of Potentilla anserina L. in different planting years

在本研究中，不同連作年限的蕨麻根際土中從花期至塊根膨大始期，速效氮均呈下降趨勢(shì)，直到地下塊根膨大期才保持平穩(wěn)，該結(jié)果符合沈?qū)帠|[23]等對(duì)蕨麻氮素吸收利用規(guī)律的研究結(jié)果，其研究表明不同時(shí)期的蕨麻對(duì)氮、磷、鉀的需求大有不同，蕨麻生長(zhǎng)對(duì)土壤速效氮的吸收主要在匍匐期和花果期。產(chǎn)生該結(jié)果的原因可能是從蕨麻產(chǎn)生匍匐莖起，植株需要大量吸收利用速效氮合成蛋白質(zhì)[24]，當(dāng)蕨麻進(jìn)入花果期，對(duì)氮的吸收量仍在不斷增大[25]，該期莖葉中的蛋白質(zhì)進(jìn)行分解，其降解產(chǎn)物轉(zhuǎn)移到正在發(fā)育中的花序和果實(shí)中[26]。韓翠蓮[27]等人對(duì)馬鈴薯土壤環(huán)境及產(chǎn)量的研究表明，隨著連作年限的增加，馬鈴薯土壤中速效氮含量呈上升趨勢(shì)，這可能是由于馬鈴薯種植地施足了基肥且追肥2次，與本實(shí)驗(yàn)施肥量、施肥方式都不同，所以呈現(xiàn)的規(guī)律性也不相同。

2.3 不同連作年限蕨麻根際土壤磷元素含量比較

由圖3和圖4可知：土壤全磷、速效磷的變化范圍分別為0.83～0.96 g·kg-1，20.15～32.23 mg·kg-1。土壤全磷和速效磷含量變化趨勢(shì)一致，均隨著連作時(shí)間的增加顯著下降(P<0.05)，連作4年和連作8年分別下降了12.60%、13.84%和7.61%、37.48%。在蕨麻生長(zhǎng)周期中，不同連作年限的樣品中全磷和速效磷的含量表現(xiàn)出一致趨勢(shì)，從初花至盛花期、地下塊根膨大始期到地下塊根膨大期逐漸下降，從地上部分萌動(dòng)期、第二年初花至盛花期逐漸上升。

圖3 不同種植年限蕨麻根際土壤全磷含量變化Fig.3 Changes of total phosphorus content in rhizosphere soil of Potentilla anserina L. in different planting years

圖4 不同種植年限蕨麻根際土壤速效磷含量變化Fig.4 Changes of available phosphorus content in rhizosphere soil of Potentilla anserina L. in different planting years

充足的磷元素可顯著促進(jìn)植物的根系生長(zhǎng)、提高葉片的光合能力，進(jìn)而增加植株干物質(zhì)量，是作物增產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)的重要措施，磷在植物體內(nèi)參與光合作用、呼吸作用、能量?jī)?chǔ)存和傳遞、細(xì)胞分裂、細(xì)胞增大等過(guò)程，有助于增強(qiáng)一些植物的抗病性，抗旱和抗寒能力[28-29]。本研究中，不同連作年限蕨麻根際土中全磷和速效磷的含量從初花至盛花期、地下塊根膨大始期、地下塊根膨大期逐漸下降。在基株生長(zhǎng)期植株不斷長(zhǎng)出新葉和增大新葉面積，會(huì)快速吸收速效磷；到塊根膨大期，磷可以促進(jìn)貯藏器官的碳水化合物的形成，尤其淀粉的合成。塊根膨大的過(guò)程就是細(xì)胞分裂、細(xì)胞增大的過(guò)程，這段時(shí)間蕨麻對(duì)磷的吸收利用量最大。沈?qū)帠|[23]等人的研究結(jié)果也表明土壤速效磷主要在基株生長(zhǎng)期和塊根膨大期被吸收。

2.4 不同連作年限蕨麻根際土壤鉀元素含量比較

由圖5和圖6可知：土壤全鉀、速效鉀的變化范圍分別為18.77～19.16 g·kg-1，126.33～174.80 mg·kg-1。土壤全鉀和速效鉀含量變化趨勢(shì)不一致，土壤全鉀的含量隨著連作年限先降低再升高，速效鉀含量隨連作年限先升高再降低。在蕨麻生長(zhǎng)周期中，不同連作年限的樣品中全鉀含量表現(xiàn)出大致相似的趨勢(shì)，在初花至盛花期、地下塊根膨大始期、地下塊根膨大期逐漸下降，在地上部分萌動(dòng)期有差別，迎茬和連作8年先下降，在第二年初花至盛花期上升，連作4年正好相反；不同連作年限的樣品中速效鉀的含量表現(xiàn)出大致一致趨勢(shì)，初花至盛花期、地下塊根膨大始期、地下塊根膨大期逐漸下降，迎茬和連作8年在地上部分萌動(dòng)期、第二年初花至盛花期逐漸上升，連作4年的樣品在地上部分萌動(dòng)期上升、第二年初花至盛花期下降(見(jiàn)圖5和圖6)。

圖5 不同種植年限蕨麻根際土壤全鉀含量變化Fig.5 Changes of total potassium content in rhizosphere soil of Potentilla anserina L. in different planting years

圖6 不同種植年限蕨麻根際土壤速效鉀含量變化Fig.6 Changes of available potassium content in rhizosphere soil of Potentilla anserina L. in different planting years

鉀素可間接對(duì)糖實(shí)現(xiàn)調(diào)控作用，有研究表明鉀素對(duì)各種酶的活性有顯著影響，植物中超過(guò)60種酶必須通過(guò)鉀來(lái)活化[30]，其中包括轉(zhuǎn)化酶，同化產(chǎn)物的運(yùn)輸與轉(zhuǎn)化，在鉀素增強(qiáng)轉(zhuǎn)化酶的活性時(shí)，其產(chǎn)生的反饋?zhàn)饔脮?huì)加速蔗糖的轉(zhuǎn)化[31]。隨著蕨麻生長(zhǎng)周期的變化，速效鉀含量有所下降，表明蕨麻在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中對(duì)速效鉀的需求。也有研究表明，大豆根際土壤中速效鉀的含量為正茬>迎茬>連作4年[32]。雖然種植植物缺鉀現(xiàn)象在全國(guó)很多地區(qū)仍然普遍存在[33]，但在兔爾干村、寺灘村和克素爾村地區(qū)速效鉀的含量普遍高于全國(guó)中等水平(84～116 mg·kg-1)[34]。因此為了保持和提高蕨麻根際土壤中鉀素肥力，提高蕨麻產(chǎn)量，在今后人工種植蕨麻生產(chǎn)中應(yīng)充分重視鉀素平衡。

不同種植年限蕨麻根際土中全氮、全鉀和速效氮含量均出現(xiàn)先降低再升高現(xiàn)象，可能是由于蕨麻根對(duì)土壤中的氮、鉀具有富集作用，而且經(jīng)過(guò)植物連作的選擇壓力，根際微生物的群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，例如定植于根際的腐生真菌產(chǎn)生胞外酶，這些酶能分解和調(diào)動(dòng)植物凋落物和土壤有機(jī)質(zhì)中對(duì)植物有用的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[35]，叢枝菌根真菌通過(guò)改變土壤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度促進(jìn)植物養(yǎng)分獲取[36]。而且在土壤中鉀的強(qiáng)流動(dòng)性也可能造成這種結(jié)果，黃蜀葵有類似的現(xiàn)象[21]，因此，開(kāi)展蕨麻對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收規(guī)律研究具有重要意義。

3 結(jié)語(yǔ)

氮、磷、鉀為植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的營(yíng)養(yǎng)元素，對(duì)根、莖、葉、果實(shí)等的發(fā)育和形成，碳水化合物的合成、分解、運(yùn)輸起重要作用。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面，耕作方式和種植地區(qū)的海拔對(duì)土壤質(zhì)量有著直接影響，進(jìn)而影響農(nóng)作物的質(zhì)量。本研究中，隨著種植年限的增加，蕨麻根際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，全鉀的含量隨著連作年限先降低再升高，速效鉀含量先升高再降低；不同連作年限的蕨麻從花期至地下塊根膨大期，根際土壤中速效氮、速效磷和速效鉀的含量均呈下降趨勢(shì)，表明蕨麻在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中對(duì)氮、磷、鉀元素需求量大。在種植過(guò)程中需及時(shí)補(bǔ)充大量元素，并搭配有機(jī)肥合理增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，確保蕨麻生長(zhǎng)發(fā)育所需養(yǎng)分。