宋衛(wèi)科，何佳慶，楊麗紅，盧 鑫，李 捷

（1.甘肅恒和交通設施安裝有限公司,甘肅 蘭州 730070；2.甘肅天佑生態(tài)環(huán)境工程有限公司,甘肅 蘭州 730084；3.蘭州大學草地農(nóng)業(yè)科技學院 草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點實驗室,甘肅 蘭州 730020）

高速公路建設是一項以破壞生態(tài)環(huán)境為代價的現(xiàn)代化工程，其建設涉及大量土石方工程，同時會產(chǎn)生大量的邊坡，重置表層土壤元素含量和空間分布，嚴重影響高速路周圍植物群落以及生物棲息地的穩(wěn)定性[1-2]。據(jù)統(tǒng)計，我國每建設1 km 高速公路就會形成5 萬～7 萬m2的裸露坡面[3]，尤其在黃土高原地區(qū)，強烈的蒸發(fā)、高溫和鹽漬化，導致群落植被稀疏、水土流失嚴重、荒漠化和土壤貧瘠化不斷擴大，貧瘠的土壤環(huán)境使該地區(qū)高速公路邊坡生態(tài)環(huán)境變得更為脆弱，植被恢復更加緩慢[4]。因此，邊坡生態(tài)修復是高速公路建設過程中的必要環(huán)節(jié)，也是當前生態(tài)恢復領域的研究熱點[5-7]。紫穗槐(Amorpha fruticosa)為豆科紫穗槐屬(Amorpha)植物，是典型的深根性直根樹種，標準株主根分布最深能達到80 cm。紫穗槐發(fā)達的根系、較強的萌蘗性和繁茂的枝葉，使其具有截持降雨、避免坡面徑流和固土護坡等優(yōu)良特性[6]；同時，紫穗槐的固氮功能可以維持自身的氮素需求[8]，從而使其在貧瘠的土壤中生存，因而被廣泛應用于高速公路邊坡生態(tài)修復。

土壤中的中量、微量元素是植物個體需求量極小，但生長發(fā)育所必需的營養(yǎng)元素，不僅能夠反映土壤對植物礦質(zhì)營養(yǎng)的供給水平，而且通過與植物根系產(chǎn)生一系列互作效應，維持植物-土壤-微量元素狀態(tài)，在多方面影響著植物的生長繁殖[9-10]。因此，研究土壤中量和微量元素有效含量特征，可以較全面分析邊坡土壤元素含量及空間分布特征[11]，而且可以為邊坡的人工治理和植被生態(tài)恢復提供理論依據(jù)。然而，目前有關高速公路邊坡生態(tài)修復的研究主要集中在坡面植被根系分布特征以及群落演替等方面[12-14]，對高速公路護坡植被根系土壤的中量和微量元素有效含量特征以及元素富集效應的研究極其匱乏，尤其是針對西北干旱半干旱地區(qū)高速公路護坡工程中廣泛栽植的紫穗槐。

本研究針對甘肅平?jīng)龅貐^(qū)高速公路邊坡栽植的灌木紫穗槐根系土壤鐵、錳、銅、鋅、鎂、鈣的有效含量特征分別進行探討，分析紫穗槐根系不同土壤深度對以上6 種植被必需營養(yǎng)元素的吸收差異，揭示護坡紫穗槐根際與非根際土壤中量、微量元素的有效含量特征，以期為后續(xù)高速公路人工改良邊坡正向恢復的治理與重建提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地區(qū)概況

研究地區(qū)隸屬于甘肅省平?jīng)鍪腥A亭市西華鎮(zhèn)(106°55′E,35°22′N)，位于甘肅省東部，地處陜西、甘肅、寧夏三省(自治區(qū))交匯處，屬隴東黃土高塬丘陵區(qū)，大陸腹地季風性氣候，季節(jié)分配不勻，夏短而冬長，冬春干旱多風，夏秋陰濕多雨，年均蒸發(fā)量1 320.7 mm，年平均氣溫7.7 ℃，最熱月(7月)平均氣溫20.19 ℃，最冷月(1月)平均氣溫-6.14 ℃。該地區(qū)新建平?jīng)?華亭)至天水高速公路，是G8513 平?jīng)鲋辆d陽國家高速公路聯(lián)絡線的重要組成部分，也是甘肅省高速公路網(wǎng)規(guī)劃平?jīng)鲋廖涠几咚俟返闹匾M成路段，在區(qū)域路網(wǎng)結構中具有重要作用。本研究地點選擇在平天高速公路平?jīng)龆谓话补こ蘌TJA1 標段，路線起點位于華亭市吳家堡子，出馬峽隧道后到本標段終點，路線長度22.15 km。該段高速公路邊坡采用人工栽植紫穗槐幼苗進行邊坡覆綠修復。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗設計與取樣

本研究在試驗路段內(nèi)連續(xù)設置3 個人工栽植紫穗槐幼苗的邊坡樣地，樣地大小為5 m×10 m。在每個樣地內(nèi)，選擇處于同一坡度水平下，且具有3年生長周期(2018 -2021年)、生長高度基本一致的3 株紫穗槐作為重復。試驗取樣在2021年4月初進行，首先用鐵鍬和鏟子除去土壤表面凋落物，然后用土壤環(huán)刀從紫穗槐基部開始逐段、逐層挖去上層覆土，觀察紫穗槐根系的生長位置，然后沿側(cè)根找到須根部分，剪下分枝，輕輕抖動后落下的土壤為非根際土壤(標記為BS)，仍保留在根上的為根際土壤(標記為RS)[15]。用毛刷分別收集0 -20、20 -40、40 -60、60 -80 及80 cm 以下共5 個土層的根際與非根際土壤，用自封袋保存。將野外帶回的樣品敞開放置在干燥通風的室內(nèi)，使其自然風干，并注意防止污染。樣品自然風干后，揀去動植物殘體、雜質(zhì)、根系和石塊，將風干后的土壤初步研細，然后全部通過0.5 mm 孔徑的篩子，裝入自封袋后儲藏供實驗室分析用。

1.2.2 測定指標

邊坡土壤pH 采用電位法(土水比1∶1)測定，使用儀器為雷磁PHSJ-6L pH 計。植物根系所吸收土壤的有效中量和微量元素以離子態(tài)的形式存在，較土壤元素全量，有效元素含量更能體現(xiàn)植物根系對養(yǎng)分的利用，因此本研究測定紫穗槐根際與非根際土壤有效元素含量。護坡紫穗槐不同深度根際土壤與非根際土壤鐵、錳、銅、鋅、鎂、鈣的有效含量均采用DTPA 法振蕩浸提，原子吸收光譜法(atomic absorption spectroscopy，AAS)測定，使用儀器為AFG型原子吸收分光光度計TAS-990。

用“富集率(enrichment ratio，E)”表示紫穗槐根際對土壤養(yǎng)分的富集程度，從而反映根際效應的強弱[16]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

首先對數(shù)據(jù)進行正態(tài)性檢驗，對不符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)進行對數(shù)轉(zhuǎn)化，使其滿足正態(tài)分布。以邊坡紫穗槐根際與非根際兩種不同的土壤類型以及不同土壤深度作為變量因素，采用 Two-way ANOVA分析6 種元素有效含量的方差顯著性。若差異不顯著，不做繼續(xù)分析；若差異顯著，則采用 Duncan 法對不同土壤深度根際和非根際的pH 和鐵、錳、銅、鋅、鈣、鎂有效含量進行多重比較。根際土壤與非根際土壤不同中、微量元素間的相關性采用Pearson相關分析法。使用R 語言(4.0.1)進行統(tǒng)計分析。使用Origin 2021 軟件制圖。

2 結果與分析

2.1 根際與非根際土壤pH 的變化

高速公路邊坡栽植紫穗槐，土壤類型(A)、土層深度(B)及二者交互作用對土壤pH 均具有顯著影響(PA＜0.001,F=203.124;PB＜0.001,F=96.369,PA×B＜0.001,F=12.846)。不同深度下根際與非根際土壤pH 整體在7.04～7.49 變化。隨土壤深度增加，根際土壤和非根際土壤pH 均逐漸降低(圖1)。

2.2 根際與非根際土壤中量、微量元素有效含量特征

紫穗槐護坡土壤類型和土層深度及其二者的交互作用對土壤有效鐵含量(PA＜0.01,F=26.287;PB＜0.05,F=25.320,PA×B＜0.01,F=3.645)和有效錳的有效含量(PA＜0.05,F=83.100;PB＜0.01,F=104.237,PA×B＜0.01,F=11.013)均具有顯著影響。鐵元素有效含量表現(xiàn)為根際顯著高于非根際(P＜0.05) (圖2)，而錳元素有效含量表現(xiàn)為根際顯著低于非根際(P＜0.05) (圖3)；兩種元素根際和非根際有效含量在不同土層具有相似的變化特征，均隨土層深度增加，呈現(xiàn)為先降低而后增加趨勢，且在60 -80 cm 的土壤深度達到最小值。

圖3 紫穗槐護坡根際與非根際土壤有效錳含量Figure 3 Available manganese content in Amorpha fruticosa rhizosphere and non-rhizosphere soil in slope protection

紫穗槐護坡土壤類型和土層深度及其交互作用對土壤有效銅含量均具有顯著影響(PA＜0.05,F=42.089;PB＜0.05,F=53.780,PA×B＜0.05,F=2.600)。土壤有效銅含量表現(xiàn)為根際顯著高于非根際(P＜0.05)；隨著土壤深度的增加，根際與非根際土壤有效銅含量先逐漸降低，而當土壤深度達到40 -60 cm 時，土壤有效銅含量趨于穩(wěn)定(圖4)。土壤類型對鋅元素有效含量具有顯著影響(PA＜0.01,F=38.820)，而土層深度及其交互作用對有效鋅含量不存在顯著影響(PB＞0.05,F=137.015,PA×B＞0.05,F=22.304)。具體表現(xiàn)為根際土壤有效鋅顯著低于非根際含量(P＜0.05)；非根際土壤有效鋅含量隨土壤深度無明顯變化趨勢，而根際有效鋅則表現(xiàn)為在0 -40 cm 的增加趨勢以及大于40 cm 時的穩(wěn)定趨勢(圖5)。

圖4 紫穗槐護坡根際與非根際土壤有效銅含量Figure 4 Available copper content in Amorpha fruticosa rhizosphere and non-rhizosphere soil in slope protection

圖5 紫穗槐護坡根際與非根際土壤有效鋅含量Figure 5 Available zinc content in Amorpha fruticosa rhizosphere and non-rhizosphere soil in slope protection

紫穗槐護坡土壤類型和土層深度及其交互作用對有效鈣含量均不存在顯著影響(PA＞0.05,F=69.362;PB＞0.05,F=145.761,PA×B＞0.05,F=9.811)。具體表現(xiàn)為隨著土層深度的變化，根際與非根際有效鈣含量并無明顯波動，平均含量維持在1.90～1.92 mg·kg-1(圖6)。土壤類型和土層深度及其交互作用對有效鎂含量均存在顯著的影響(PA＜0.05,F=82.358;PB＜0.05,F=158.920,PA×B＜0.05,F=19.302)。根際鎂有效含量顯著高于非根際含量(P＜0.05)，隨著土壤深度的增加，紫穗槐根際與非根際土壤有效鎂含量整體均表現(xiàn)為降低的趨勢(圖7)。

圖6 紫穗槐護坡根際與非根際土壤有效鈣含量Figure 6 Available calcium content in Amorpha fruticosa rhizosphere and non-rhizosphere soil in slope protection

圖7 紫穗槐護坡根際與非根際土壤有效鎂含量Figure 7 Available magnesium content in Amorpha fruticosa rhizosphere and non-rhizosphere soil in slope protection

2.3 紫穗槐護坡根際和非根際土壤中量、微量元素的相關性與富集率

高速公路護坡紫穗槐根際土壤各元素間的相關性分析(表1)表明，根際土壤鐵元素與錳元素具有極顯著的相關性(P＜0.01)，而銅元素與鎂元素具有顯著的相關性(P＜0.05)。

表1 紫穗槐護坡根際土壤中量、微量元素相關性Table 1 Correlation of middle and trace elements in Amorpha fruticosa rhizosphere soil in slope protection

紫穗槐護坡非根際土壤各元素的相關性分析(表2)表明，鐵元素與錳元素和鎂元素具有顯著相關性(P＜0.05)，與銅元素具有極顯著相關性(P＜0.01)；錳元素和鋅元素與鎂元素均具有顯著的相關性(P＜0.05)；銅元素與鈣元素表現(xiàn)為極顯著相關性(P＜0.01)，與鎂元素為顯著相關(P＜0.05)；鈣元素與鎂元素同樣表現(xiàn)為極顯著相關(P＜0.01)。

表2 紫穗槐非根際土壤中、微量元素相關性Table 2 Correlation of middle and trace elements in Amorpha fruticosa non-rhizosphere soil in slope protection

高速公路栽植紫穗槐護坡時，根際對土壤有效中量和微量元素的富集效應具有選擇性。結果表明，紫穗槐根際對有效銅和有效鐵具有較強的富集作用，而對鋅元素和錳元素并無富集趨勢(圖8)。此外，紫穗槐根際效應還表現(xiàn)為對鈣元素和鎂元素較弱的富集作用。紫穗槐根際對銅元素的富集作用最強，對鎂元素的富集作用最弱。

圖8 紫穗槐護坡根系6 種土壤元素富集率Figure 8 Enrichment rate of Amorpha fruticosa root soil elements in slope protection

3 討論

高速公路邊坡生態(tài)修復中，植被必需的土壤中量和微量元素缺失是導致坡面植被退化的關鍵因子[11]，而當鐵、錳、鋅、銅等重金屬元素過量時，則會造成環(huán)境污染和生態(tài)系統(tǒng)平衡破壞。由于土壤pH 能直接影響元素的存在形態(tài)、有效性及遷移轉(zhuǎn)化與歸宿[16]，因此，邊坡土壤中量和微量元素有效含量特征與pH 動態(tài)有密切關系[17]，根際與非根際土壤 pH 的差異必然會影響微量元素養(yǎng)分的狀態(tài)、轉(zhuǎn)化、吸收和利用[18]。本研究中，高速公路邊坡紫穗槐根際土壤出現(xiàn)了一定程度的酸化，這與很多學者的研究結果一致[19-20]。這可能與豆科植物產(chǎn)生的根系分泌物尤其是各種有機酸有關，同時豆科植物在生物固氮的過程中具有“氮阻遏”的特征，這種特征使植物減少對無機氮的吸收，導致根系H+分泌增多引起根際土壤的酸化[19]。研究表明隨著邊坡土層深度的增加，根際與非根際土壤pH 都逐漸降低，這與深層土壤的腐殖酸等有機質(zhì)含量的增加和微生物作用有關。

高速公路邊坡易受淋溶作用而加劇土壤侵蝕，導致氮、磷、鉀等土壤養(yǎng)分嚴重流失。相比于大量元素，鐵、錳、銅、鋅、鈣和鎂不僅是土壤的中量、微量元素，也是植物必需元素，它們參與植株許多酶系統(tǒng)的活動，參與氮、磷和碳的代謝以及呼吸作用、光合作用和碳水化合物的運轉(zhuǎn)，缺乏時會嚴重影響坡面植被的正常生長。本研究表明坡面根際土壤鐵的有效含量顯著大于非根際土壤，表明紫穗槐建植后根系對鐵元素的顯著富集作用。這是由于鐵元素作為植物所需的微量元素，是紫穗槐固氮酶等含鐵蛋白的重要金屬組分[20]，發(fā)達的根系有利于對土壤中有效鐵的利用，產(chǎn)生強大的根瘤固氮效應，因此，紫穗槐對鐵元素的獲取量相比其他元素更多。根系60 -80 cm 深度有效鐵含量達到最低水平，可能是由于隨根系深度的增加，根瘤對鐵的利用效率逐漸增強[21]。紫穗槐非根際錳含量顯著大于根際，對錳元素無富集趨勢，可能的原因是黃土區(qū)土壤錳缺乏，而邊坡較強的淋溶作用導致紫穗槐對錳元素的利用減弱；本研究表明隨著土壤深度的增加，根際與非根際有效錳均表現(xiàn)為降低的變化趨勢，因為邊坡淋溶作用較強，而有效錳的轉(zhuǎn)化與水淹作用下pH 的變化有關[22]。以往研究表明錳元素也可以通過影響氮素代謝來影響植株生長[23]，這可能是錳元素與鐵元素在不同深度土壤中變化趨勢相近的原因。根際有效鋅含量顯著少于非根際，原因是試驗區(qū)土壤為堿性土，可利用的鋅較少[20,24]，加之黃土坡面較強的水土流失，非根際區(qū)含鋅化合物具有較高的溶解度，導致根際有效鋅含量相對較低；同時，與Zn2+半徑相近的元素如Fe2+等吸收過多可能造成紫穗槐對鋅的吸收障礙，導致非根際鋅含量的增加，紫穗槐根際土壤有效鋅在0 -40 cm 呈現(xiàn)增加趨勢，這與根際土壤鋅易在表層土壤積累有關[25]。本研究表明，紫穗槐護坡根際與非根際土壤中銅元素的有效含量隨土層的深度表現(xiàn)為逐漸降低然后趨于穩(wěn)定的變化趨勢，并且根際有效銅高于非根際，盡管邊坡土壤條件貧瘠，但根際對銅元素具有強烈的富集作用。這是由于銅元素參與植物呼吸作用以及氧化還原過程。同時，根際pH 隨土壤深度逐漸降低，導致交換性銅隨土壤深度的增加而在根際與非根際土壤中積累[26]。以往研究表明，由于銅元素過量會對植物產(chǎn)生毒害作用，在長期的適應過程中，植物會減少對銅元素的吸收利用，增強耐受性[24,26-27]。而本研究表明，紫穗槐針對重金屬元素有效含量低、邊坡淋溶作用強的土壤環(huán)境下，對銅元素的富集作用，可能是保證受創(chuàng)坡面植被生長的重要因素。研究表明紫穗槐護坡土壤根際與非根際鈣元素并無顯著差異，土壤鈣含量在0 -80 cm 內(nèi)無明顯的變化趨勢，可能是與土壤鈣鹽在邊坡淋溶作用下并無明顯遷移行為，不易受邊坡環(huán)境過濾的影響。根際對鎂元素具有一定的富集作用，隨著土壤深度增加，鎂元素有效量顯著降低，造成這種分布特征的原因是鎂作為植物所需的中量元素，其養(yǎng)分吸收集中在根尖及周邊根系[16,25]。此外，可供紫穗槐利用的有效鎂在黃土坡面環(huán)境下更易受淋洗損失，隨著土壤深度的增加，邊坡的水分遷移變化對紫穗槐根系際與非根際土壤交換性鎂與水溶性鎂含量的影響逐漸增加。

研究表明，高速公路邊坡紫穗槐根際土壤元素中，僅鐵和錳、銅和鎂具有相關性，可能的原因是根系對中、微量元素的利用與吸收具有選擇性，根際土壤中的選擇要強于非根際土壤，這導致含量極低的中量、微量元素間變化具有很大差異，存在的相關性很少。反之，非根際元素含量存在不同程度的相關性，引起這種相關的原因可能是不同元素在非根際區(qū)存在不同程度的絡合、螯合作用，在土壤中協(xié)同影響[28]。研究表明，邊坡的環(huán)境過濾可能是紫穗槐對元素富集和引起次生群落特性的重要決定因素，并在根際水平上，對中量和微量元素的植物控制，可能是群落組成和恢復動態(tài)的關鍵驅(qū)動力。此外，影響邊坡植被恢復的制約因子還與根際分泌物以及根際微生物群落密不可分[29-30]。因此，有必要進一步分析邊坡土壤元素在根際與非根際的聚集狀態(tài)與根系微生物群落的共生網(wǎng)絡，深入揭示邊坡生態(tài)恢復過程中植被生長發(fā)育受制約或促進的內(nèi)在機制。

4 結論

選取高速公路護坡紫穗槐不同深度土壤有效中量和微量元素為研究對象，分析坡面條件下紫穗槐根際與非根際土壤鐵、錳、銅、鋅、鈣和鎂6 種植物必需營養(yǎng)元素的含量特征，發(fā)現(xiàn)紫穗槐根際鐵、鎂、銅有效含量顯著高于非根際，根際錳、鋅有效含量顯著低于非根際，有效鈣含量在根際和非根際之間無顯著差異。隨著土壤深度的增加，鐵、錳、銅、鎂均表現(xiàn)出一定的降低趨勢，其中元素有效含量最低值出現(xiàn)在40 -80 cm 土壤深度范圍內(nèi)；鋅和鈣有效含量隨著土層深度的增加無明顯變化趨勢。紫穗槐根際與非根際土壤中量、微量元素存在復雜相關性，根系對土壤元素具有不同程度的富集作用，富集率為銅＞鐵＞鈣＞鎂，而對錳和鋅并無富集。研究表明高速公路護坡栽植豆科灌木紫穗槐，降低了植株根系土壤的pH，改變了根系土壤中量和微量元素有效含量和分布狀態(tài)，對維持邊坡土壤養(yǎng)分的穩(wěn)定、避免養(yǎng)分流失、提升土壤肥力具有潛在作用。