潘恒艷，崔晶晶，韓卓君，宋柏權(quán)，周建朝，王秋紅

（黑龍江大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150080）

0 引言

根際土壤中含有多種有機(jī)物質(zhì)，其中根系分泌物也稱為根滲出物，是從植物根部釋放到根際的一組種類繁多的可溶性化合物[1]。主要由各種含碳化合物組成，包括低分子量（例如可溶性糖、氨基酸和有機(jī)酸陰離子）和高分子量（例如蛋白質(zhì)和粘液）物質(zhì)[2]。根系釋放的有機(jī)物質(zhì)不僅僅為根際微生物提供了豐富的碳源，而且極大地改變了根際土壤的物理和化學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而對(duì)根系的養(yǎng)分狀況產(chǎn)生重大的影響[3]。尤其是低分子量的可溶性有機(jī)物，含量少卻能明顯地改變根際的土壤化學(xué)過(guò)程，促進(jìn)難溶性養(yǎng)分的溶解[4]。因此，根際土壤中的有機(jī)物質(zhì)的變化特征能夠間接或直接地影響根際土壤中的養(yǎng)分含量。

在根際土壤中，根系分泌物的濃度降低主要取決于兩個(gè)方面：化學(xué)（吸附或解吸）和生物學(xué)過(guò)程（例如微生物消耗）引起的擴(kuò)散和降解。微生物消耗有助于根滲出物的耗散，因?yàn)樗峁┝烁H微生物的存活和繁殖所需的營(yíng)養(yǎng)和能量[5-6]。另外，根系分泌物會(huì)抑制氮（N）循環(huán)中的生物硝化過(guò)程[7]，可以通過(guò)根系分泌物的浸出，徑流和反硝化來(lái)降低N 損失，增加作物的氮素利用率，從而減輕農(nóng)業(yè)來(lái)源的N 污染。

目前，對(duì)甜菜根系分泌物的收集和研究多采用室內(nèi)盆栽[8]培養(yǎng)法，利用室內(nèi)可控的無(wú)菌條件收集根系分泌物，這種方法的缺點(diǎn)是忽略了田間自然條件下根際環(huán)境的影響。但是在田間試驗(yàn)時(shí)、原位靜態(tài)收集根系分泌物需要比較復(fù)雜的試驗(yàn)裝置[9]?？紤]到根際土壤的各種成分及微生物對(duì)根系分泌物的影響，本研究在田間采用網(wǎng)袋培養(yǎng)法，直接對(duì)不同生長(zhǎng)階段甜菜的根際土壤中根系分泌物的主要成分（包括氨基酸類、有機(jī)酸類和糖類）進(jìn)行測(cè)定，并分析各主要成分與根際土壤化學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性，試圖在天然土壤復(fù)雜性和變異性的背景下，探究根際土壤有機(jī)養(yǎng)分的變化特征及根系分泌物與環(huán)境因素（生物和非生物因素）的相互作用，為進(jìn)一步研究根系對(duì)根際土壤有機(jī)物質(zhì)的吸收特征及其生理機(jī)制的影響提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2020 年4 月在黑龍江大學(xué)呼蘭校區(qū)田間進(jìn)行。試驗(yàn)材料選取有機(jī)氮吸收效率高、低的品種[10]各1個(gè)，分別為有機(jī)氮高效的品種‘KWS8138’和有機(jī)氮低效的品種‘Beta176’。

1.2 試驗(yàn)方法

用尼龍布（300 目）做網(wǎng)袋，制作直徑為0.55 m 的網(wǎng)袋42 個(gè)，邊緣穿繩收口。選取表層0～25 cm 土壤，不施氮肥（N：0 mg/kg，P：150 mg/kg，K：150 mg/kg）處理，混勻后，按照土壤容重1.34 g/cm3在桶中分層裝入8 kg底土及12 kg 網(wǎng)袋外土，二者成分一致，然后在網(wǎng)袋內(nèi)裝入1.25 kg 土后埋入桶中，于網(wǎng)袋內(nèi)播種30 粒甜菜種子，覆土150 g。每份材料12 個(gè)重復(fù)。于甜菜苗期、葉叢快速生長(zhǎng)期、塊根糖分積累期和收獲期取根際和非根際土壤待測(cè)，其中根際土壤在網(wǎng)袋內(nèi)收集，是距離活體根系表面1～2 mm 以內(nèi)的土壤和根表面及其粘附的土壤，非根際土是指網(wǎng)袋外的土壤，每份土壤3次重復(fù)。

1.3 測(cè)定指標(biāo)

對(duì)甜菜不同時(shí)期取到的根際和非根際土壤，測(cè)定其化學(xué)性質(zhì)，同時(shí)測(cè)定其根際土壤中的有機(jī)物質(zhì)。測(cè)定指標(biāo)包括土壤中的化學(xué)成分，⑴有機(jī)氮組分：氨態(tài)氮（Ammonia nitrogen,AN）、氨基酸態(tài)氮（Amino acid nitrogen,AAN）、氨基糖態(tài)氮（Amino sugar nitrogen,ASN）；⑵其他：全氮（Total nitrogen,TN）、堿解氮（Alkali-hydrolyzable nitrogen,Alkali-N）、無(wú)機(jī)氮（Inorganic nitrogen，包括硝態(tài)氮和銨態(tài)氮）、有機(jī)質(zhì)（Soil organic matter,SOM）、pH、含水量（Water content）。以及土壤中的有機(jī)物質(zhì)，⑴氨基酸類：精氨酸（Arg），谷氨酸（Glu），總氨基酸（Total amino acids），其中總氨基酸為組氨酸（His）、絲氨酸（Ser）、精氨酸（Arg）、甘氨酸（Gly）、天冬氨酸（Asp）、谷氨酸（Glu）、蘇氨酸（Thr）、丙氨酸（Ala）、脯氨酸（Pro）、半胱氨酸（Cys）、賴氨酸（Lys）、酪氨酸（Tyr）、蛋氨酸（Met）、纈氨酸（Val）、異亮氨酸（Ile）、亮氨酸（Leu）、苯丙氨酸（Phe）17 種氨基酸總量；⑵有機(jī)酸類：草酸（Oxalicacid）、甲酸（Formicacid）；⑶糖類：葡萄糖（Glucose）。

采用高效液相色譜法測(cè)定氨基酸[11]、有機(jī)酸[12]、糖[13]；采用實(shí)驗(yàn)室常規(guī)方法[14]測(cè)定土壤總氮、無(wú)機(jī)氮（包括硝態(tài)氮和銨態(tài)氮）、速效氮、SOM、pH 等；土壤有機(jī)氮各組分的含量測(cè)定采用BREMNER[15]的酸解法。

試驗(yàn)用土取自黑龍江大學(xué)呼蘭校區(qū)試驗(yàn)田，基礎(chǔ)土樣含有機(jī)質(zhì)（SOM）48.72 g/kg、堿解氮（Alkali-N）153.66 mg/kg、速效磷（Valid-P）117.76 mg/kg、速效鉀（Valid-K）136.97 mg/kg、全氮（TN）2.02 g/kg、全磷[TP(P2O5)]0.157 g/kg、全鉀[TK(K2O)]0.309 g/kg，pH為6.38[14]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析及圖表采用SPSS 25.0和EXCEL 2019完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 甜菜根際和非根際土壤的化學(xué)性質(zhì)分析

在甜菜的不同發(fā)育階段分別取根際及非根際土壤，分析了土壤中有機(jī)氮各組分（包括AN、AAN和ASN），以及土壤TN、無(wú)機(jī)氮、Alkali-N、SOM 及pH 等化學(xué)性質(zhì)在甜菜生長(zhǎng)季的變化情況。土壤有機(jī)氮組分中AN、AAN和ASN 在甜菜各發(fā)育階段根際和非根際的變化情況見(jiàn)表1，AN在根際內(nèi)的含量高于非根際，高0.002～0.018（平均0.011）g/kg，隨著植株的生長(zhǎng)，AN含量逐漸降低；甜菜有機(jī)氮高效品種‘KWS8138’根際內(nèi)的AN含量高于有機(jī)氮低效品種‘Beta176’，高0.025～0.035（平均0.029）g/kg，說(shuō)明其根際土壤礦化的AN 較多。這主要是甜菜全生育期內(nèi)的根系活動(dòng)及土壤微生物代謝促進(jìn)了根際土壤有機(jī)氮中AN 的礦化，另外，植物無(wú)法直接利用NH3-N（氨態(tài)氮，AN），也會(huì)導(dǎo)致根際AN含量較高，有機(jī)氮高效品種對(duì)AN的吸收利用少于有機(jī)氮低效的品種。AAN 在根際的含量低于非根際土壤，低0.017～0.029（平均0.023）g/kg，從苗期到收獲期，AAN 含量逐漸增加；有機(jī)氮高效品種根際AAN 的含量比低效品種高0.011～0.026（平均0.019）g/kg。說(shuō)明根際土壤有機(jī)氮礦化出的AAN被根系直接吸收或土壤微生物的代謝利用。隨著植株的生長(zhǎng)，由根系分泌的或者土壤中有機(jī)氮礦化的AAN逐漸增多，導(dǎo)致土壤中AAN的含量升高。ASN在根際和非根際的變化趨勢(shì)與AAN相同，根際比非根際低，低0.005～0.044（平均0.023）g/kg，隨著植株的生長(zhǎng)逐漸增加，收獲期達(dá)到最高值；不同的是在有機(jī)氮高效品種根際含量顯著低于低效品種，低0.037～0.048（平均0.043）g/kg?？梢?jiàn)隨著甜菜植株的生長(zhǎng)，對(duì)ASN的吸收利用逐漸減少，有機(jī)氮高效的甜菜植株對(duì)ASN的吸收利用相對(duì)低效品種顯著增加。

表1 根際和非根際土壤中有機(jī)氮各組分含量差異Table 1 The content differences of each component of organic nitrogen in rhizosphere and non-rhizosphere soil

根際土壤TN 含量高于非根際土壤中的含量，高0.004～0.032（平均0.017）g/kg；有機(jī)氮高效品種‘KWS8138’高于低效品種‘Beta176’，高0.001～0.016（平均0.008）g/kg（表2）。SOM 在根際的含量要低于非根際，隨著植株的生長(zhǎng)，SOM 含量也在逐漸降低；不同品種差異較大，有機(jī)氮吸收效率高的品種SOM 含量（平均43.47 g/kg）高于低效的品種（36.73 g/kg）。根際土壤的Alkali-N 含量略低于非根際，低0～0.007（平均0.003）g/kg，苗期到收獲期含量稍有增加；有機(jī)氮高效品種低于有機(jī)氮低效的品種，低0.015～0.019（平均0.017）g/kg。根際土壤pH 略低于非根際，低0～0.02（平均0.01），苗期到收獲期逐漸升高；有機(jī)氮高效品種高于低效品種，低0.11～0.22（平均0.17）。無(wú)機(jī)氮根際內(nèi)外差異除了‘KWS8138’苗期和葉叢快速生長(zhǎng)期差異顯著外，其他時(shí)期差異不顯著，隨植株的發(fā)育也無(wú)明顯的變化，有機(jī)氮高效與低效品種之間也無(wú)明顯差異。

表2 根際和非根際土壤中TN、無(wú)機(jī)氮、Alkali-N、SOM 及pH 含量差異Table 2 Differences of total nitrogen,inorganic nitrogen,alkali hydrolyzable nitrogen,organic matter and pH in rhizosphere and non-rhizosphere soil

2.2 根際土壤中的有機(jī)物質(zhì)在甜菜不同生長(zhǎng)階段的變化特征

根際土壤中的有機(jī)物質(zhì)（氨基酸、有機(jī)酸和糖類）是甜菜根系分泌物的主要成分，在甜菜不同生長(zhǎng)階段，植株根系對(duì)土壤中有機(jī)氮素的吸收和利用均有差異。由表3 可知，有機(jī)氮高效品種‘KWS8138’的根際土壤中總氨基酸、Glu、Arg、草酸、甲酸、葡萄糖均高于低效品種‘Beta176’，分別高11.25、3.08、1.77、56.80、2.55、1.55μg/(g·h)?？偘被岷虯rg含量從苗期到收獲期呈逐漸增加趨勢(shì)，平均增幅分別為14.64%、37.74%；Glu、草酸、甲酸、葡萄糖含量從苗期到收獲期逐漸降低，平均降幅分別為36.91%、92.02%、84.25%、78.11%，其中草酸降幅最大。

表3 根際土壤中有機(jī)物質(zhì)在甜菜不同生長(zhǎng)階段的含量變化Table 3 The content of organic material in the rhizosphere soil varies at different growth stages of sugarbeet

2.3 根際土壤中的有機(jī)物質(zhì)與土壤化學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性分析

土壤有機(jī)氮吸收效率高的品種‘KWS8138’不同發(fā)育階段根際土壤中的有機(jī)物質(zhì)與化學(xué)性質(zhì)的相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表4，Glu、草酸與AN 和SOM 顯著正相關(guān)，與AAN、ASN、TN 顯著負(fù)相關(guān)；葡萄糖與AN 和SOM 顯著正相關(guān)，與ASN、TN顯著負(fù)相關(guān)。甲酸與SOM顯著正相關(guān)，根際土壤中有機(jī)物質(zhì)與pH均未顯著相關(guān)。

表4 KWS8138 根際土壤中的有機(jī)物質(zhì)與土壤主要化學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性Table 4 Correlation of organic material and the main chemical properties of the soil in the KWS8138 rhizosphere soil

對(duì)土壤有機(jī)氮吸收效率低的品種‘Beta176’不同發(fā)育階段根際土壤中的有機(jī)物質(zhì)與化學(xué)性質(zhì)的相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表5，總氨基酸、Arg 與AAN、TN、Alkali-N 顯著正相關(guān)，與AN 和SOM 顯著負(fù)相關(guān)。Glu、草酸、葡萄糖與AN和SOM顯著正相關(guān)，與AAN、TN、Alkali-N顯著負(fù)相關(guān)。甲酸與AN顯著正相關(guān)，與Alkali-N顯著負(fù)相關(guān)，葡萄糖與pH顯著負(fù)相關(guān)。

表5 Beta176 根際土壤中的有機(jī)物質(zhì)與土壤主要化學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性Table 5 Correlation of organic material and the main chemical properties in rhizosphere soil in the Beta176

3 討論

根際土壤中的有機(jī)物質(zhì)主要來(lái)自植物根系分泌物，植物根系向根際分泌的多種化合物在根際土壤的養(yǎng)分循環(huán)、微生物群落分布及SOM 分解等方面都起到關(guān)鍵性的作用[16]。根系分泌物會(huì)因不同植物或同一植物的不同生長(zhǎng)階段而異，導(dǎo)致植物物種根際組成成分產(chǎn)生差異[17-18]。有研究表明，根際土壤比周圍非根際土壤中的成分和結(jié)構(gòu)更復(fù)雜[19-21]。進(jìn)入根際的有機(jī)物質(zhì)可以加速土壤氮循環(huán)[22-23]，主要是通過(guò)刺激土壤有機(jī)質(zhì)（SOM）分解來(lái)促進(jìn)N代謝[24-25]。在這個(gè)生化過(guò)程中，根際通過(guò)啟動(dòng)效應(yīng)將碳和氮的分解聯(lián)系起來(lái)，從而增加養(yǎng)分的有效吸收利用[26]。因此，有機(jī)氮高效的品種可在低氮條件下更大程度地促進(jìn)土壤中有機(jī)氮礦化后形成更多的AN、AAN，更能適應(yīng)低營(yíng)養(yǎng)條件，大大減少了對(duì)氮肥施入的需求。

植物根系分泌物直接影響土壤中有機(jī)質(zhì)（有機(jī)碳）的含量[27]，通過(guò)釋放大量的碳（有機(jī)酸、糖和氨基酸）來(lái)調(diào)節(jié)土壤環(huán)境，這可能會(huì)增強(qiáng)微生物之間的相互作用[28]，從而對(duì)土壤的碳礦化產(chǎn)生正激發(fā)效應(yīng)[29]。當(dāng)土壤中的碳氮比較低的時(shí)候或者植物生長(zhǎng)發(fā)育需要較高的氮時(shí)，植物可以通過(guò)根系分泌物改變土壤中的養(yǎng)分有效性，從而適應(yīng)周圍環(huán)境的變化[30-31]?！甂WS8138’對(duì)土壤有機(jī)氮吸收效率較高，在氮素養(yǎng)分不足時(shí)，根系能分泌出更多的氨基酸，為根際微生物提供碳源，從而改變根際土壤養(yǎng)分的有效性來(lái)適應(yīng)環(huán)境。

研究表明，在逆境脅迫下，植物根系可通過(guò)向根際環(huán)境分泌有機(jī)酸來(lái)減輕脅迫[32]，其機(jī)理是通過(guò)改變根際pH 和氧化還原條件，通過(guò)螯合作用和還原作用增加元素的溶解度和移動(dòng)性，進(jìn)而促進(jìn)植物根系對(duì)這些養(yǎng)分的吸收和利用[33-34]。根系分泌物中低分子量羧酸鹽（≤3 個(gè)羧基）如草酸，可增加植物對(duì)磷的吸收[35]。無(wú)論是‘KWS8138’還是‘Beta176’，根際土壤中的草酸都與根際土壤的pH 呈負(fù)相關(guān)，土壤pH 的變化直接影響根際的細(xì)菌群落，微生物多樣性的下降與土壤pH 的下降密切相關(guān)[36]，由此推測(cè)甜菜根際土壤中草酸的量會(huì)影響根際土壤微生物中細(xì)菌的含量。甜菜根系分泌物為根際的微生態(tài)環(huán)境提供了能源，在一定程度上改變了微生物根際環(huán)境的生態(tài)分布[37]。

4 結(jié)論

（1）根際土壤有機(jī)氮礦化的各組分中，氨態(tài)氮（AN）在根際內(nèi)的含量高于非根際，在甜菜收獲期降到最低，‘KWS8138’對(duì)AN 的吸收少于‘Beta176’，說(shuō)明根際土壤礦化的AN 較多，這主要是甜菜全生育期內(nèi)的根系活動(dòng)及土壤微生物代謝可能促進(jìn)了根際土壤有機(jī)氮中AN 的礦化，另外，植物無(wú)法直接利用NH3-N（AN），也會(huì)導(dǎo)致根際AN 含量較高；氨基酸態(tài)氮（AAN）和氨基糖態(tài)氮（ASN）在根際的變化趨勢(shì)與AN 相反，在根際內(nèi)的量低于非根際，隨著生育期逐漸升高。根際土壤有機(jī)質(zhì)（SOM）、堿解氮（Alkali-N）含量和pH 的變化與AAN、ASN相一致，在根際內(nèi)的含量低于非根際。

（2）土壤有機(jī)氮吸收效率高的品種‘KWS8138’中總氨基酸、Arg 與AAN、ASN、TN、Alkali-N 顯著正相關(guān)，與AN、無(wú)機(jī)氮和SOM顯著負(fù)相關(guān)。Glu、草酸、葡萄糖與AN 和SOM顯著正相關(guān)，與AAN、ASN、TN呈顯著負(fù)相關(guān)趨勢(shì)，甲酸與SOM顯著正相關(guān)，根際土壤中有機(jī)物質(zhì)與pH均未顯著相關(guān)。土壤有機(jī)氮吸收效率低的品種‘Beta176’中總氨基酸、Arg與AAN、TN、Alkali-N顯著正相關(guān)，與AN 和SOM 顯著負(fù)相關(guān)。Glu、草酸、葡萄糖與AN和SOM顯著正相關(guān)，與AAN、TN、Alkali-N顯著負(fù)相關(guān)。甲酸與AN顯著正相關(guān)，與Alkali-N顯著負(fù)相關(guān)，葡萄糖與pH顯著負(fù)相關(guān)。