全 文 ：黄土丘陵区不同植被根际土壤微量元素含量特征*
张摇 超1,2,3 摇 刘国彬2 摇 薛摇 萐1,2**摇 张昌胜1
( 1西北农林科技大学水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室, 陕西杨凌 712100; 2中国科学院 /水利
部水土保持研究所, 陕西杨凌 712100; 3中国科学院研究生院, 北京 100049)
摘摇 要摇 为了解黄土高原不同植被土壤微量元素的根际效应,分析了该地区柠条、沙棘、沙打
旺、柳枝稷、阿尔泰狗娃花和茵陈蒿 6 种植被根际与非根际土壤中有机碳、全氮、Mn、Cu、Fe、
Zn含量.结果表明: 6 种植被中,柠条、阿尔泰狗娃花和茵陈蒿根际土壤的有机碳、全氮含量
高于非根际土壤;除柠条和沙棘外,其余 4 种植被非根际土壤 pH 值均显著高于根际土壤. 6
种植被根际土壤有效 Mn含量均低于非根际;柠条、沙打旺和柳枝稷根际有效 Cu 含量显著高
于非根际,表现出强烈根际富集现象.除沙打旺外,其他 5 种植被根际有效 Fe 含量均略高于
非根际.沙打旺、柳枝稷、茵陈蒿和阿尔泰狗娃花表现出强烈的有效 Zn 根际富集现象.根际与
非根际土壤有机碳、全氮与有效 Mn、有效 Zn,以及有效 Mn 与有效 Zn 呈极显著正相关.根际
土壤 pH值与有效 Mn和有效 Zn呈显著负相关.由于不同植物根系的生长特征、根际 pH值及
微生物种类等的差异,不同植被根际的微量元素含量不同,茵陈蒿根际 4 种微量元素含量高
于其他植被.
关键词摇 根际土壤摇 非根际土壤摇 微量元素摇 植被摇 黄土丘陵区
*中国科学院战略科技先导项目(XDA05060300)和陕西省科技基础性研究项目(2011JQ5007)资助.
**通讯作者. E鄄mail: xuesha100@ 163. com
2011鄄07鄄24 收稿,2011鄄12鄄13 接受.
文章编号摇 1001-9332(2012)03-0645-06摇 中图分类号摇 S154. 36摇 文献标识码摇 A
Characteristics of soil microelements contents in the rhizospheres of different vegetation in
hilly鄄gully region of Loess Plateau. ZHANG Chao1,2,3, LIU Guo鄄bin2, XUE Sha1,2, ZHANG
Chang鄄sheng1 ( 1State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau,
Institute of Soil and Water Conservation, Northwest A & F University, Yangling 712100, Shaanxi,
China; 2 Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences / Ministry of Water Re鄄
sources, Yangling 712100, Shaanxi, China; 3Graduate University of Chinese Academy of Sciences,
Beijing 100049, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2012,23(3): 645-650.
Abstract: To explore the rhizosphere effect of the microelements in the soils under different vegeta鄄
tion types in Loess Plateau, this paper analyzed the organic C, total N, Mn, Cu, Fe, and Zn con鄄
tents in the rhizosphere soil and bulk soil of six vegetation types in hilly鄄gully region of Loess Plat鄄
eau. Among the six vegetation types, Caragana korshinskii, Heteropappus altaicus, and Artemisia
capillaries had higher organic C and total N contents in rhizosphere soil than in bulk soil. With the
exception of C. korshinskii and H. rhamnoides, all the six vegetation types had a significantly lower
pH in rhizosphere soil than in bulk soil. The six vegetation types had a lower available Mn content
in rhizosphere soil than in bulk soil, and the C. korshinskii, Astragalus adsurgen, and Panicum vir鄄
gatum had a significantly higher available Cu content in rhizosphere soil than in bulk soil. The six
vegetation types except A. adsurgens had a slightly higher available Fe content in rhizosphere soil
than in bulk soil, and A. adsurgens, P. virgatum, H. altaicus, and A. capillaries had a significant
accumulation of available Zn in rhizosphere soil. There existed significant positive correlations be鄄
tween the rhizosphere soil and bulk soil of the six vegetation types in the relationships between the
organic C and total N contents and the available Mn and Zn contents and between the contents of
available Mn and Zn. In rhizosphere soil, available Mn and Zn contents were significantly negative鄄
应 用 生 态 学 报摇 2012 年 3 月摇 第 23 卷摇 第 3 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Mar. 2012,23(3): 645-650
ly correlated with pH value. Due to the differences in root growth characteristics, rhizosphere pH
value, and microbial structure composition, the microelements contents in the rhizosphere soil of the
six vegetation types differed, with the contents of Mn, Cu, Fe, and Zn being higher in the rhizo鄄
sphere soil of H. altaicus than in that of the other vegetation types.
Key words: rhizosphere; bulk soil; microelement; vegetation; hilly鄄gully region of Loess Plateau.
摇 摇 土壤中的微量元素是酶活性、维生素和生长激
素等的重要组成成分,任何一种微量元素过量或缺
乏都会影响植物的正常生长[1] . 根际是植物生长过
程中形成的复杂的、动态的微型生态系统,对植物的
生长发育起着至关重要的作用.近年来,国内外学者
对根际土壤微量元素含量进行了大量研究. Lehto
等[2]利用 DGT 模型研究了植物根系吸收微量元素
的机理;Kopittke等[3]分析了根际土壤 pH 值与 Mn
含量的关系;任伟等[4]探讨了阿拉善干旱荒漠区霸
王(Zygophyllum xanthoxylum)、白刺(Nitraria tangu鄄
torum) 等 7 种旱生灌木根际与非根际土壤 Ca、Mg、
Fe、Mn、Zn、Cu的含量,结果表明,7 种灌木根际有效
铁、有效锰、有效锌含量均大于非根际,表现出明显
的富集效应;张文元等[5]研究发现,与非根际相比,
毛竹(Phyllostachys edulis)根际土壤对微量元素的溶
解吸收受根际环境的影响更显著.
黄土高原丘陵区环境恶劣,加之长期的人为活
动干扰,自然植被遭到破坏,土壤结构疏松,水土流
失较为严重. 近年来开展的生态建设和退耕还林
(还草)工程明显改善了该区的土壤状况.目前对黄
土丘陵区土壤的研究大多集中在土壤物理结构[6]、
养分状况[7-9]以及微生物特性[10-14]等方面,而对土
壤中物质交换频繁、生化反应最为强烈的区域———
根际的研究相对较少.因此,分析黄土丘陵区不同植
被根际养分及微量元素含量特征,对研究该地区植
被演替与重建、植物的耐旱机制、植物根际的生理生
化反应过程及抗逆性等方面起着重要的作用.为此,
本文以黄土丘陵区 6 种主要植被为对象,分析其根
际、非根际土壤微量元素含量的变化,及其与有机
质、全氮和 pH 值的关系,以期为该流域植被恢复及
土壤肥力特征描述提供数据支持,为合理利用土地
资源和制订切实可行的水土保持措施提供科学
依据.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区概况
研究区位于中国科学院安塞水土保持实验站的
墩山(36毅51忆30义 N,109毅19忆23义 E),海拔 1330 m郾 该
区域属黄土高原丘陵沟壑地貌,为典型的侵蚀环境,
年均降雨量为 510 mm,降雨年际变化大,且年内分
配不均,大多降雨集中于 7—9 月;土壤为黄土母质
上发育的黄绵土,土壤抗冲、抗蚀能力差,水土流失
严重;土壤质地类型为粉砂壤土,砂粒含量占
19郾 0% ,粉粒含量占 65郾 2% ,黏粒含量占 15郾 8% .流
域植被属于暖温带落叶阔叶林区向暖温带草原区过
渡的森林草原植被.自 1999 年实施退耕还林工程以
来,该流域生态环境明显改善.
1郾 2摇 样地选择及采样
2008 年 9 月,根据流域地貌特征、植被以及土
地利用状况,在流域内选择种植前均为坡耕地,坡
度、坡向相似,具有代表性的 8 年生的 6 种植被:人
工灌木林包括柠条(Caragana korshinskii)林、沙棘
(Hippophae rhamnoides)林;人工草地包括沙打旺
(Astragalus adsurgens)、柳枝稷(Panicum virgatum);
天然草地包括阿尔泰狗娃花 (Heteropappus altai鄄
cus)、茵陈蒿(Artemisia capillaris). 其基本特征及林
下植被如表 1.
摇 摇 在各样地选取 3 个 20 m伊20 m 小区,每个小区
内按“S冶形选取 6 个点,挖取有完整根系的土体,将
根表面附着的土壤全部抖落,然后迅速装入塑料袋
内作为根际土.同时采集距离根系约 15 cm的土壤,
为非根际土[15] . 所有土样带回室内充分混匀,风干
后测定土壤有机质、全氮、pH 值及各种微量元素有
效态含量.土壤有机碳采用重铬酸钾氧化外加热法
测定;全氮采用半微量凯氏法测定;pH 值用 pH 计
测定(水 颐 土 = 2郾 5 颐 1);土壤微量元素测定采用
DTPA浸提通过 2 mm 尼龙筛的根际和非根际土壤
的风干土样,在室温下振荡 1郾 5 h,过滤后,用原子
吸收分光光度计(GBC932AA)在波长 324郾 8、248郾 3、
213郾 9 和 279郾 5 nm 下,分别测定土壤有效铜、有效
铁、有效锌和有效锰的吸光度[16] .
1郾 3摇 数据处理
采用 SPSS 15郾 0 统计软件的方差分析、多重比
较(Duncan 法, 琢 = 0郾 05)和相关性分析 ( Pearson
法)对数据进行处理 郾
646 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
表 1摇 样地基本特征
Table 1摇 Description of sampling plots
优势种
Dominant
species
坡向
Slope
aspect
坡度
Slope degree
(毅)
海拔
Altitude
(m)
盖度
Coverage
(% )
土壤质地
Soil texture (% )
沙粒
Sand
粉粒
Silt
黏粒
Clay
其他种
Other species
柠条
C郾 korshinskii
N 20 1257 72郾 5 32郾 1 55郾 7 12郾 2 铁杆蒿
Artemisia sacrorum
沙棘
H郾 rhamnoides
N 22 1220 60郾 6 27郾 4 58郾 6 14郾 0 艾蒿、长芒草
Artemisia argyi, Stipa bungeana
沙打旺
A郾 adsurgens
NE10毅 20 1235 68郾 5 32郾 8 53郾 8 13郾 4 兴安胡枝子、苦荬菜
Lespedeza davurica, Lactuca indic
柳枝稷
P郾 virgatum
NW25毅 24 1282 75郾 2 32郾 9 53郾 9 13郾 2 早熟禾、阿尔泰狗娃花
Poa annua, Heteropappus altaicus
阿尔泰狗娃花
H郾 altaicus
NW10毅 24 1311 70郾 5 30郾 8 54郾 0 15郾 2 长芒草、铁杆蒿
S郾 bungeana, A郾 sacrorum
茵陈蒿
A郾 capillaris
N 27 1298 64郾 5 31郾 0 55郾 2 13郾 8 兴安胡枝子、二裂委陵菜
L郾 Davurica, Potentilla bifurca
2摇 结果与分析
2郾 1摇 不同植被根际与非根际土壤有机碳和全氮含量
由图 1 可以看出,柠条、阿尔泰狗娃花和茵陈蒿
的根际土壤有机碳含量高于非根际,沙棘和柳枝稷
为非根际高于根际,而沙打旺则两者间无显著差异.
其中, 根际土壤有机碳含量为阿尔泰狗娃花和茵陈
蒿最高,分别为4郾 9和4郾 7 g·kg-1 ,柠条和沙棘最
图 1摇 不同植被根际与非根际土壤有机碳、全氮含量
Fig. 1摇 Organic C and total N in the rhizosphere soil of different
vegetations (means依SD).
CO:柠条 Caragana korshinskii; HR:沙棘 Hippophaer rhamnoides; AD:
沙打旺 Hippophae rhamnoides; PV:柳枝稷 Panicum virgatum; HA:阿
尔泰狗娃花 Heteropappus altaicus; AC:茵陈蒿 Artemisia capillaris郾 玉:
根际土壤 Rhizosphere soil; 域: 非根际土壤 Bulk soil郾 不同字母表示
差异显著(P<0郾 05) Different letters represented statistic significance at
0郾 05 level郾 下同 The same below.
低;非根际为阿尔泰狗娃花最高,柠条最低. 根际土
壤全氮含量除沙棘和柳枝稷根际含量小于非根际
外,其他 4 种植被均大于非根际.
2郾 2摇 不同植被根际与非根际土壤 pH值
除柠条和沙棘外,其余 4 种植物非根际土壤都
呈现不同程度的酸化 (图 2). 根际土壤 pH 值在
8郾 50 ~ 8郾 70 之间变化,柠条和沙打旺最高,而阿尔
泰狗娃花最低;非根际为茵陈蒿和柳枝稷最高,沙棘
和阿尔泰狗娃花最低.
2郾 3摇 不同植被根际与非根际土壤有效 Mn、Cu、Fe
和 Zn 含量
不同植被根际土壤有效 Mn、Cu、Fe 和 Zn 含量
差异较大(图 3). 6 种植被根际土壤有效 Mn 含量均
低于非根际,且无论是根际还是非根际,茵陈蒿和阿
尔泰娃花土壤 Mn含量均显著高于其他植被.柠条、
沙打旺和柳枝稷根际土壤有效 Cu 含量显著高于非
根际,表现出强烈的根际富集现象,而沙棘和茵陈蒿
根际、非根际无明显差异.除沙打旺外,其他5种植
图 2摇 不同植被根际与非根际土壤 pH值
Fig. 2摇 pH in the rhizosphere and bulk soil of different vegeta鄄
tions (mean依SD)郾
7463 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 张摇 超等: 黄土丘陵区不同植被根际土壤微量元素含量特征摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
图 3摇 不同植被根际与非根际土壤中 Mn、Cu、Fe和 Zn 含量
Fig. 3摇 Content of available Mn, Cu, Fe and Zn in the rhizosphere and bulk soil of different vegetations (mean依SD).
被根际土壤的有效 Fe含量高于非根际,但是差异并
不明显.除柠条和沙棘外,沙打旺、柳枝稷、茵陈蒿和
阿尔泰狗娃花根际的土壤有效 Zn 均表现出强烈的
根际富集现象,为沙打旺、茵陈蒿>阿尔泰狗娃花>
柳枝稷>沙棘>柠条;非根际则为茵陈蒿、阿尔泰狗
娃花>沙棘、沙打旺>柳枝稷>柠条.
摇 摇 由表 2可以看出,无论是根际还是非根际,土壤
有机碳和全氮之间均呈极显著正相关,且二者与有效
Mn和有效 Zn极显著正相关,有效 Mn 与有效 Zn 极
显著正相关. 根际土壤 pH 值与有机碳、全氮、有效
Mn、有效 Zn 呈显著负相关,但非根际并不显著. 此
外,根际土壤有效 Mn 与有效 Fe 显著正相关(P<
0郾 05),与有效 Cu相关不显著;而非根际土壤为有效
Mn与有效 Cu显著正相关,与有效 Fe相关不显著.
表 2摇 不同植被根际(A)和非根际(B)土壤微量元素与有机碳、全氮相关性分析
Table 2摇 Correlation among organic C, total N and micro鄄nutrients in rhizosphere soil of different vegetations
Organic C Total N pH Mn Cu Fe Zn
A Organic C 1 0郾 981** -0郾 613** 0郾 928** -0郾 104 0郾 633** 0郾 635**
Total N 1 -0郾 657** 0郾 959** -0郾 085 0郾 613* 0郾 651**
pH 1 -0郾 623** -0郾 178 -0郾 461 -0郾 516*
Mn 1 -0郾 101 0郾 482* 0郾 678**
Cu 1 -0郾 009 0郾 242
Fe 1 0郾 074
Zn 1
B Organic C 1 0郾 963** -0郾 243 0郾 888** 0郾 542* 0郾 216 0郾 776**
Total N 1 -0郾 172 0郾 883** 0郾 624** 0郾 146 0郾 722**
pH 1 -0郾 048 -0郾 491* 0郾 133 -0郾 326
Mn 1 0郾 587* 0郾 078 0郾 867**
Cu 1 -0郾 097 0郾 632**
Fe 1 0郾 187
Zn 1摇 摇 摇 摇
* P<0郾 05;** P<0郾 01郾
3摇 讨摇 摇 论
3郾 1摇 不同植被根际土壤有机碳、全氮含量及 pH值
李国辉等[17]和詹媛媛等[18]研究表明,植物根
际土壤有机碳、全氮含量显著高于非根际.本研究在
柠条、阿尔泰狗娃花和茵陈蒿中发现了相同的现象.
这是因为根际土壤中的根系纵横交错,而根系分泌
物和根组织的脱落物是土壤 C、N的重要来源,根际
土壤庞大的根系增加了土壤有机碳、全氮的含量,进
而表现出强烈的根际富集作用. 6 种植被中,除了柠
846 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
条和沙棘外,其余 4 种植被根际土壤均表现出不同
程度的酸化.这是由于根系呼吸作用释放 CO2,以及
在离子主动吸收和根尖细胞伸长过程中分泌质子和
有机酸所致,也与植物根际微生物的呼吸作用有关.
柠条和沙棘的根际 pH 值大于非根际,可能是它本
身对根际阴阳离子选择吸收的结果.
3郾 2摇 不同植被根际土壤有效 Mn、Cu、Fe和 Zn 含量
总体上,6 种植被根际土壤有效 Mn含量均小于
非根际,主要与黄土高原特殊的气候及土壤有关.植
被生长过程中需要从根际吸收足够的有效态 Mn 来
满足生长的需求,而在干旱地区的碱性土壤中,可供
利用的 Mn比较少,造成根际有效 Mn 含量下降. 沙
棘、茵陈蒿和阿尔泰狗娃花的有效 Cu 未呈明显的
根际富集现象,是由于 Cu 过量会对植物产生毒害
作用.在长期的适应过程中,植物会通过螯合、络合、
沉淀等作用来降低根际土壤中重金属元素的有效
性[3],减少对 Cu的吸收利用,从而保证植被的健康
生长.因此,植物生长过程中未表现出有效铜根际富
集效应是一种积极的环境适应方式. 但是在黄土高
原干旱条件下,不同植被对环境胁迫的适应方式不
同,引起了根际有效 Cu 含量的差异.此外,Lexmond
等[19]和 Chaignon等[20]研究表明,根际 pH升高会促
进根际有效 Cu 含量的增加. 因此,柠条有效 Cu 明
显的根际富集效应与其较低的根际 pH 值有关. 除
沙打旺外,其他 5 种植被根际有效 Fe含量略高于非
根际,表现出一定的根际富集效应. 除柠条和沙棘
外,沙打旺、柳枝稷、茵陈蒿和阿尔泰狗娃花根际有
效 Zn含量均大于非根际.这是植物向根际分泌有机
酸和根际微生物作用的结果. 植物会尽可能多地活
化溶解根际土壤中结合态的 Zn,进而保证自身的吸
收利用.由于柠条和沙棘常年对 Zn 的吸收利用,造
成了根际含量小于非根际. 这需要对植物体内养分
转移进行研究来进一步验证.
Zhang等[21]认为,与柠条、沙棘、沙打旺及柳枝
稷相比,茵陈蒿更能提高黄土区土壤质量.本研究发
现,不同植被根际的微量元素含量变化不同. 6 种植
被中,茵陈蒿根际土壤有效 Cu、Fe、Mn 和 Zn 含量较
高,说明茵陈蒿比人工灌木和人工草地更能提高土
壤微量元素含量.在植被生长过程中,不同植被对微
量元素的根际效应受植物根系的生长特征、根际 pH
值、根际微生物种类、根际分泌物的组成以及所处的
发育阶段等因素的影响[22-26],多种因素的共同作用
造成了根际效应的复杂多样性. 不同植被根际土壤
中微量元素的变化主要是由于根系对离子的选择吸
收和吸收速率的差异引起的.
3郾 3摇 不同植被根际土壤有机碳、全氮以及微量元素
之间的相关性
魏孝荣和邵明安[27]研究表明,高的土壤有机质
能够显著提高微量元素的有效性. Chen 等[28]研究
发现,红松 (Pinus koraiensis)对根际有效 Fe、Mn、
Cu、Zn的吸收与施加的氮源浓度紧密相关. 本研究
结果表明,根际及非根际有机碳、全氮与有效 Mn、有
效 Zn呈极显著正相关,说明土壤有机碳和全氮含量
的升高在一定程度上会增加土壤中有效 Mn、Zn 的
含量.与非根际相比,根际土壤 pH 值与有效 Mn、有
效 Zn有较好的负相关,是由于 pH值的降低促进了
Mn、Zn等微量元素化合物溶解度的增加,从而提高
其有效态含量.此外,根际土壤有效 Mn 与有效 Fe、
Zn呈显著正相关,非根际有效 Mn 与有效 Cu、Zn 呈
显著正相关,表明在植被生长过程中,土壤微量元素
之间相互影响、协同作用,而根际、非根际土壤微量
元素之间相关性上的差异与特殊的根际环境有关.
黄土丘陵区地处干旱、半干旱气候区,降雨量较少,
且年内分配不均,不同植被对不同微量元素吸收的
差异较显著.通过对植被根际土壤有效态微量元素
的研究,将有助于认识植被的耐旱机理,从而选择出
最适合本地区生态恢复的植被.
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作者简介摇 张摇 超,男,1985 年生, 博士研究生. 主要从事
于恢复生态与微生物生态研究. E鄄mail: zhangchaolynn@
163. com.
责任编辑摇 李凤琴
056 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷