王曉鋒，劉 紅，張 磊，羅 珍，袁興中，岳俊生，蔚建軍（1.重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 00030；2.重慶大學(xué)三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 00030；3.重慶大學(xué)資源及環(huán)境科學(xué)學(xué)院，重慶 00030；.西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，重慶 00716；.第三軍醫(yī)大學(xué)軍事預(yù)防醫(yī)學(xué)院，重慶00038）

澎溪河消落帶典型植物群落根際土壤無機(jī)氮形態(tài)及氮轉(zhuǎn)化酶活性

王曉鋒1，2，3，劉 紅1，3*，張 磊4，羅 珍5，袁興中1，2，3，岳俊生1，2，3，蔚建軍4（1.重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400030；2.重慶大學(xué)三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400030；3.重慶大學(xué)資源及環(huán)境科學(xué)學(xué)院，重慶 400030；4.西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，重慶 400716；5.第三軍醫(yī)大學(xué)軍事預(yù)防醫(yī)學(xué)院，重慶400038）

三峽庫區(qū)消落帶是典型的生態(tài)脆弱帶，其土壤N循環(huán)因受到植物根際效應(yīng)和季節(jié)性淹水的影響而具有特殊性.本研究以三峽庫區(qū)一級(jí)支流澎溪河消落帶為例，選擇4種植被（狗牙根、香附子、蒼耳以及玉米）覆蓋區(qū)，采集植物根際、非根際土壤，分析根際土壤與非根際土壤理化性質(zhì)、無機(jī)氮形態(tài)以及7種N素轉(zhuǎn)化相關(guān)酶，并比較了4種植物根際效應(yīng)強(qiáng)度，以反映不同植物覆蓋對(duì)消落帶土壤N循環(huán)過程的影響.研究表明：供試植物根際土壤pH值均低于非根際，有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷含量均高于非根際，表明植物根際對(duì)消落帶土壤養(yǎng)分有富集作用；4種植物根際土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、亞硝態(tài)氮及14d可礦化氮含量均高于非根際，且土壤硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮以及14d可礦化氮含量呈現(xiàn)香附子＞狗牙根＞蒼耳/玉米；總體上根際土壤N轉(zhuǎn)化酶活性高于非根際，且狗牙根和香附子覆蓋區(qū)脲酶、亞硝酸還原酶、谷氨酰胺酶、脫氫酶顯著高于玉米和蒼耳覆蓋區(qū)；蛋白酶、脲酶、谷氨酰胺酶活性與4種N形態(tài)均呈顯著相關(guān)性，是消落帶土壤N轉(zhuǎn)化的主要參與酶類；根際效應(yīng)分析結(jié)果香附子和狗牙根對(duì)消落帶土壤N轉(zhuǎn)化的根際效應(yīng)強(qiáng)度大于蒼耳和玉米，有利于土壤N素的固定和保持.植物根際效應(yīng)對(duì)消落帶土壤N素循環(huán)的影響可為消落帶植被恢復(fù)工程中植被選擇提供參考，也為改善消落帶土壤退化相關(guān)研究提供科學(xué)支撐.

消落帶；根際土壤；氮轉(zhuǎn)化；典型植物；酶活性

根際是植物、土壤、微生物相互關(guān)聯(lián)的重要生態(tài)區(qū)域［1］，許多學(xué)者在植物根際效應(yīng)的養(yǎng)分有效性［2］、有機(jī)質(zhì)降解［3］、土壤污染修復(fù)［4-5］、土壤退化［6］、營養(yǎng)動(dòng)力學(xué)［7］、微生物群落變化［8-9］以及根際沉積［10］等領(lǐng)域展開了大量研究，根際土壤與非根際土壤在物理、化學(xué)、生物等特性上都有明顯差異［8-9］.根際作為土壤水分和礦物質(zhì)進(jìn)入根系并參與生物循環(huán)的門戶，對(duì)環(huán)境變化極其敏感［11］.不同植物由于其生理特性的差異，對(duì)根際土壤的影響也不同.三峽水庫成庫之后，在水庫兩岸形成了一個(gè)落差30m，面積達(dá)348.39km2的消落帶［12］，其冬季完全淹沒水下，夏季露出，是庫區(qū)水域與周邊陸地環(huán)境的重要界面，具有水、陸環(huán)境的雙重特點(diǎn)，同時(shí)植物群落因季節(jié)性水淹而處于不斷變動(dòng)并逐漸趨于穩(wěn)定［13-15］.孫榮等［16］與Wang等［13-14］分別對(duì)三峽庫區(qū)消落帶2008、2009、2010年植物群落進(jìn)行調(diào)查研究，認(rèn)為季節(jié)性干濕交替導(dǎo)致三峽庫區(qū)消落帶植物群落發(fā)生較大變動(dòng)，澎溪河消落帶優(yōu)勢(shì)植物群落從2008年的蒼耳、狗牙根群落［16］逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楣费栏?、香附子群落?3］.這種植物群落的演變對(duì)消落帶土壤過程和功能必然產(chǎn)生重要影響.目前研究者分別對(duì)消落帶植物群落變化［13］、土壤養(yǎng)分形態(tài)［17，18］、微生物過程［19］進(jìn)行了研究，而從植物群落和根際效應(yīng)角度研究消落帶土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化過程卻很少涉及.N素是生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和生物代謝作用中的關(guān)鍵元素，是水體富營養(yǎng)化最重要的限制因子.因此，研究消落帶不同植物根際與非根際土壤N素形態(tài)和N轉(zhuǎn)化酶活性，對(duì)了解不同植物覆蓋對(duì)消落帶土壤N循環(huán)影響和消落帶植被恢復(fù)的科學(xué)篩選具有重要意義.

針對(duì)三峽庫區(qū)消落帶土壤過程的復(fù)雜性和植物群落的更替性，本研究以三峽入庫支流澎溪河消落帶3種典型草本和1種農(nóng)作物為研究對(duì)象，對(duì)根際與非根際土壤N形態(tài)和N轉(zhuǎn)化酶活性進(jìn)行研究，探討N形態(tài)和酶活性之間的關(guān)系，通過探索不同植物根際效應(yīng)對(duì)消落帶土壤N素轉(zhuǎn)化酶活性差異，探究不同植物改善土壤氮質(zhì)量的作用機(jī)理，理解其對(duì)消落帶系統(tǒng)穩(wěn)定性和養(yǎng)分保持的意義，為三峽庫區(qū)消落帶的植被恢復(fù)工作提供科學(xué)依據(jù).

1 研究區(qū)域概況與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于三峽水庫澎溪河支流回水末端，澎溪河左岸一級(jí)支流白夾溪（108°32′51'E，31°42′16″N）.白夾溪發(fā)源于開縣金峰鄉(xiāng)，河谷平坦，地勢(shì)開闊，河口最低海拔145m.受三峽水庫175m蓄水水位影響河段長11km，消落帶面積3.19km2.該區(qū)域?qū)賮啛釒駶櫦撅L(fēng)氣候，年平均氣溫為17.3℃，全年無霜期＞300d，年降水量1006mm，區(qū)域內(nèi)云霧多，日照偏少，年日照時(shí)數(shù)為1316h，年平均相對(duì)濕度84%.由于地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，土壤母質(zhì)多樣，土壤類型主要為紫色土和沖積潮土.研究區(qū)域植被以草叢為主，分布大面積狗牙根、香附子、蒼耳等典型消落帶草本，蓋度達(dá)85%以上，同時(shí)部分坡度較緩的消落帶每年退水后被當(dāng)?shù)剞r(nóng)民開墾種田，主要以種植玉米和水稻為主.

1.2 采樣設(shè)計(jì)

本研究選取三峽庫區(qū)消落帶典型植物群落狗牙根（Cynodon dactylon）、香附子（Cyperus rotundus）、蒼耳（Anthium sibiricum）和玉米（Zea mays L）作為研究對(duì)象.其中，狗牙根為禾本科多年生草本，具有種子和根莖兩性繁殖能力，須根淺生，抗逆性極強(qiáng)，是消落帶分布最廣泛的草本植物；蒼耳為菊科蒼耳屬一年生草本，適應(yīng)性強(qiáng)，耐旱、耐鹽，156m蓄水初期蒼耳成片分布，為澎溪河流域消落帶優(yōu)勢(shì)物種，前期調(diào)查發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間推移，蒼耳群落逐漸被其他草本群落替代［13，15］；香附子屬莎草科多年生草本植物，有匍匐根狀莖，細(xì)長，生態(tài)適應(yīng)性強(qiáng)，種群擴(kuò)繁容易，經(jīng)濟(jì)價(jià)值高，是三峽水庫高水位運(yùn)行后逐漸形成的主要替代群落［13-14］，也是未來三峽水庫消落帶植被恢復(fù)建設(shè)的重要草本植物；玉米是三峽庫區(qū)主要農(nóng)作物，夏季消落帶露出后會(huì)吸引附近居民對(duì)其進(jìn)行墾荒耕種，因此本研究將玉米作為一種非自然的植物類型.

表1 各植物類型采樣點(diǎn)立地信息Table 1 Sampling sites features

2014年6月中旬，三峽水庫低水位（145.03～145.49m）運(yùn)行且消落帶植被生長旺盛期，選取白夾溪坡度＜25°的消落帶，對(duì)4種植物生長集中的位置設(shè)置面積為1m×1m的樣方，樣方選取避免設(shè)在田邊、路邊、溝邊等特殊地形的部位以及堆過肥料的地方，并確保選擇樣方內(nèi)研究植物蓋度大于95%.每個(gè)植物群落設(shè)置3個(gè)平行采樣點(diǎn)，記錄每個(gè)樣方內(nèi)主要物種和蓋度，樣方立地信息見表1.

1.3 樣品采集

根際土壤是指黏著在活性植物根系表面1mm以內(nèi)土壤，非根際土壤是指植物覆蓋區(qū)除去根際土壤之外剩余的根周土壤［20］.因此本研究按照Riley［21］的方法：每種植物樣方內(nèi)采用S型布點(diǎn)選擇9株，挖取有完整根系的土體（體積大小視根系的范圍而定），輕輕敲碎并抖落大塊不含根系的土壤，作為非根際土，然后用毛刷刷取根系表面（＜1mm）附著的土壤作為根際土壤，為保證研究樣品足夠，在附近采集多株植株進(jìn)行根際土壤采集，分別混合后按照四分法取樣.將采集的土樣混合，密封后帶回室內(nèi)，仔細(xì)除去其中可見植物殘?bào)w，風(fēng)干磨碎過100目土壤篩后待測(cè).

同時(shí)，將樣方內(nèi)植物地上部和根系全部收割，裝入編號(hào)的采樣袋中，帶回實(shí)驗(yàn)室分析其生物量特征.具體生物量統(tǒng)計(jì)信息見表2.

1.4 測(cè)定項(xiàng)目及方法

土壤理化性質(zhì)分析方法參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》［22］.土壤pH值測(cè)定采用玻璃電極法（土水比1：5），土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀-硫酸氧化法測(cè)定，全氮采用高氯酸-硫酸消化和凱氏定氮法測(cè)定，全磷采用酸溶-鉬銻抗比色法測(cè)定，全鉀（TK）采用火焰光度法測(cè)定，有效磷采用碳酸氫鈉提取-鉬銻抗比色法測(cè)定，速效氮采用擴(kuò)散法測(cè)定，速效鉀采用火焰光度法測(cè)定.

土壤氮素形態(tài)分析：土壤硝態(tài)氮含量采用1mol/L CaCl2溶液提取后用酚二磺酸比色法測(cè)定，銨態(tài)氮采用2mol/L KCl浸提—靛酚藍(lán)比色法測(cè)定，亞硝態(tài)氮采用1mol/L CaCl2溶液提取后用重氮偶合分光光度法分析［23］；土壤14d 可礦化氮采用好氣培養(yǎng)法培養(yǎng)風(fēng)干土樣2周，測(cè)定硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、亞硝態(tài)氮總量變化［23］.

土壤N轉(zhuǎn)化酶分析：蛋白酶活性測(cè)定采用茚三酮比色法，活性單位以24h后1g土壤中氨基氮的毫克數(shù)表示（U）；脲酶采用苯酚鈉比色法測(cè)定，活性單位以3h后1g風(fēng)干土壤生成的銨態(tài)氮的微克數(shù)表示［24］，本研究采用換算成1kg土壤生成的銨態(tài)氮的毫克數(shù)表示（U）；硝酸鹽還原酶采用酚二磺酸比色法測(cè)定，活性單位以1g風(fēng)干土壤反應(yīng)1h后底物硝酸鹽減少的微克數(shù)表示（U）［24-25］；亞硝酸還原酶活性采用重氮偶合分光光度法測(cè)定，活性單位采用1g風(fēng)干土壤反應(yīng)1h后底物亞硝酸鹽減少的微克數(shù)表示（U）［24］；天門冬酰胺酶和谷氨酰胺酶活性均采用納氏比色法，分別以天門冬酰胺和谷氨酰胺為底物，37 ℃陪養(yǎng)24h后測(cè)定酶促反應(yīng)生成氨氮含量，活性單位采用1g風(fēng)干土壤24h反應(yīng)生成氨氮的微克數(shù)表示（U）［22］；脫氫酶測(cè)定采用三苯基四氮唑氯化物（TTC）還原法，用葡萄糖作為氫供體，三苯基四氮唑氯化物作為氫受體，以1g風(fēng)干土壤1h生成的TPF的微克數(shù)（U）表示脫氫酶的活性單位［25］.

根際效應(yīng)強(qiáng)度計(jì)算采用Yin［26］的方法：

1.5 數(shù)據(jù)處理

原始數(shù)據(jù)在在Excel 2003中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，應(yīng)用SPSS 18.0對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，5%水平下LSD 多重比較檢驗(yàn)各處理平均值之間的差異顯著性.

表2 5種植物根系及生物量特征Table 2 Biomass and root characteristics of the five plant species （mean±SD， n = 10）

2 結(jié)果與分析

2.1 典型植物群落根際與非根際土壤理化性質(zhì)差異

如表3所示，4種植物根際土壤pH值均低于非根際，除玉米外均達(dá)到顯著水平；有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、有效磷含量均表現(xiàn)為根際土壤高于非根際；根際土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量均表現(xiàn)為香附子＞狗牙根＞蒼耳＞玉米，全磷、全鉀含量則表現(xiàn)為狗牙根最大，玉米根際養(yǎng)分含量均低于其他3種草本植物；此外，不同植物根際對(duì)養(yǎng)分的富集率表現(xiàn)差異顯著，狗牙根、香附子根際土壤有機(jī)質(zhì)、全氮富集率均高于蒼耳和玉米，而全磷富集率則以香附子和玉米較高；玉米根際全鉀和速效鉀均表現(xiàn)負(fù)富集，可能與玉米根際活化和根系吸收有關(guān).綜合分析，狗牙根和香附子根際效應(yīng)對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響高于蒼耳和玉米，而玉米對(duì)土壤養(yǎng)分的保持效果較差.

2.2 典型植物根際與非根際土壤無機(jī)氮形態(tài)差異

根際土壤硝態(tài)氮含量范圍在14.21～ 32.16mg/kg，非根際土壤為8.35～18.66mg/kg，二者在不同植物之間均表現(xiàn)顯著差異，且香附子最大，狗牙根次之，蒼耳和玉米最小；除玉米外，其他3種植物根際土壤硝態(tài)氮含量顯著高于非根際.植物根際效應(yīng)提高了土壤銨態(tài)氮含量（玉米除外），且香附子和蒼耳根際顯著高于非根際，不同植物之間根際與非根際土壤銨態(tài)氮含量均表現(xiàn)為香附子顯著高于其他3種植物，由于農(nóng)田翻耕導(dǎo)致玉米根際與非根際土壤通氣性高，而銨態(tài)氮在高氧分壓條件下會(huì)被快速轉(zhuǎn)化，因此含量較低.根際土壤亞硝態(tài)氮含量范圍為0.020～0.060mg/kg，非根際土壤中為0.016～0.050mg/kg，根際土壤亞硝態(tài)氮含量狗牙根和香附子高于蒼耳和玉米，非根際土壤亞硝態(tài)氮含量狗牙根＞香附子＞蒼耳＞玉米；除蒼耳外，根際亞硝態(tài)氮含量均比非根際高，但無顯著差異.

14d可礦化氮在不同植物根際與非根際土壤中變化較大，被認(rèn)為可以較為敏感地表征植物根際效應(yīng)下土壤氮含量變化［27］.由圖可見，香附子根際土壤可礦化氮含量最高，為77.38mg/kg，顯著高于其它3種植物，玉米根際土壤可礦化氮含量最低，為32.80mg/kg，狗牙根與蒼耳根際土壤可礦化氮含量差異不顯著，但顯著高于玉米；非根際土壤可礦化氮含量表現(xiàn)為香附子顯著高于其它3種植物，狗牙根高于蒼耳，高于玉米，但均無顯著差異；狗牙根、香附子和蒼耳根際土壤可礦化氮顯著高于非根際，可見植物根際效應(yīng)對(duì)土壤可礦化氮含量的影響顯著.

表3 三峽庫區(qū)典型植物群落根際與非根際土壤理化性質(zhì)及富集率Table 3 Soil nutrients in the rhizosphere and non-rhizosphere of the four typical plant species in the littoral zone of three gorges reservoir （mean±SE， n=3）

圖1 典型植物根際與非根際土壤硝態(tài)氮（mg/kg）、銨態(tài)氮（mg/kg）、可礦化氮（mg/kg）以及亞硝態(tài)氮（μg/kg）含量Fig.1 Nitrate N（mg/kg）， ammonium N（mg/kg）， mineralizable N（mg/kg）， and nitrite N （μg/kg） contents in rhizosphere and non-rhizosphere soil under different vegetation types （mean ± SD）

2.3 典型植物根際與非根際土壤的氮素轉(zhuǎn)化酶活性差異

酶活性是土壤肥力和微生物活性的重要表征［28］，也是土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的重要參與者，研究土壤酶活性變化對(duì)全面分析土壤生理生化和養(yǎng)分動(dòng)力學(xué)相關(guān)的關(guān)鍵過程具有重要意義［29-30］.

結(jié)果顯示，除蒼耳根際土壤脫氫酶低于非根際外，其他植物根際N素轉(zhuǎn)化酶活性均高于非根際，不同植物根際土壤酶活性也有所差異.根際土壤蛋白酶活性以狗牙根最高，為0.660U，顯著高于其他3種植物，玉米最低，為0.344U；非根際土壤蛋白酶活性也表現(xiàn)為狗牙根顯著高于其他3種植物，蒼耳＞香附子＞玉米，但無顯著差異；除蒼耳外，其他3種植物根際土壤蛋白酶活性均顯著高于非根際，且香附子和狗牙根差異最大，分別增加0.167，0.135U.

4種植物根際土壤脲酶活性高于非根際，但均無顯著差異；根際土壤脲酶活性香附子最大（74.4U），狗牙根次之（61.1U），蒼耳和玉米較低（分別為42.8，38.1U）；香附子和狗牙根根際與非根際相比，土壤脲酶活性分別提升了31.1%和37.3%，玉米根際效應(yīng)對(duì)脲酶活性的影響最小.

根際與非根際土壤硝酸還原酶活性均表現(xiàn)為狗牙根顯著高于其他3種植物，且香附子、蒼耳、玉米之間沒有顯著差異；狗牙根和蒼耳根際土壤硝酸還原酶活性顯著高于非根際，分別增加1.87，1.07U.

亞硝酸還原酶在不同植物覆蓋的土壤中變化最大，無論根際與非根際，狗牙根均最高（根際與非根際分別為0.433，0.858U），與其他3種植物達(dá)到顯著差異，香附子次之，顯著高于蒼耳和玉米；僅有狗牙根根際亞硝酸還原酶活性顯著高于非根際，提高了0.415U.

天冬酰胺酶的活性能夠反映土壤中含氮有機(jī)物的轉(zhuǎn)化能力.根際土壤天門冬酰胺酶活性在53.8～98.3U，不同植物類型之間存在顯著差異，狗牙根＞蒼耳＞香附子＞玉米，非根際土壤具有相似規(guī)律；根際土壤天門冬酰胺酶活性均高于非根際，且除玉米外，其他3種植物均達(dá)到顯著水平，以狗牙根根際效應(yīng)對(duì)天門冬酰胺酶活性影響最大.

谷氨酰胺酶能夠促使土壤谷氨酰胺的酰胺氮水解，生成谷氨酸和氨，是植物N源的重要組成.谷氨酰胺酶活性表現(xiàn)為香附子和狗牙根顯著高于蒼耳和玉米，根際土壤谷氨酰胺酶活性均高于非根際，且香附子和蒼耳根際達(dá)到顯著水平.

脫氫酶與土壤有機(jī)質(zhì)和微生物活性具有一定相關(guān)性，對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)分解具有重要意義.除蒼耳外，其他三種植物根際土壤脫氫酶活性高于非根際，但均無顯著差異，根際土壤脫氫酶活性以狗牙根最高（0.334U），顯著高于其他3種植物，香附子和玉米顯著高于蒼耳，但非根際土壤脫氫酶活性4種植物間沒有顯著差異.

表4 典型植物群落根際與非根際土壤N素轉(zhuǎn)化酶活性Table 4 Soil enzyme activity of the rhizosphere and non-rhizosphere soils under different vegetation types （Mean ± SD）

2.4 典型植物根際與非根際土壤的氮素轉(zhuǎn)化酶與無機(jī)氮形態(tài)的相關(guān)性分析

表5可以看出，土壤氮素轉(zhuǎn)化酶之間存在明顯的相關(guān)性，除脲酶與硝酸還原酶、天冬酰胺酶以及谷氨酰胺酶與硝酸鹽還原酶、脫氫酶之間相關(guān)性沒達(dá)到顯著水平（P＞0.05），其他均呈顯著相關(guān).硝態(tài)氮含量與蛋白酶、脲酶、亞硝酸還原酶、谷氨酰胺酶活性呈顯著正相關(guān)關(guān)系，土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量與脲酶、谷氨酰胺酶活性均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系.總氮與除脫氫酶外的其他N素轉(zhuǎn)化酶類均呈顯著相關(guān)，且與硝態(tài)氮、銨態(tài)氮有極顯著相關(guān)關(guān)系，可礦化氮與蛋白酶、脲酶、谷氨酰胺酶有顯著相關(guān)關(guān)系，與硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、亞硝態(tài)氮以及總氮也存在顯著相關(guān)性.蛋白酶、脲酶、谷氨酰胺酶與土壤N素形態(tài)存在顯著相關(guān)關(guān)系，可見其可能是土壤N素轉(zhuǎn)化的重要驅(qū)動(dòng)者. 2.5 典型植物對(duì)土壤氮形態(tài)和N素轉(zhuǎn)化酶的根際效應(yīng)

表5 根際與非根際土壤酶活性、氮形態(tài)之間的相關(guān)性分析Table 5 Correlation coefficients between soil nitrogen forms and enzyme activity in rhizosphere and non-rhizosphere soils

圖2 4種典型植物對(duì)土壤蛋白酶（PR），脲酶（UR），硝酸鹽還原酶（NR），亞硝酸鹽還原酶（SNR），天門冬酰胺酶（NS），谷氨酰胺酶（GL），脫氫酶（DE）和硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、亞硝態(tài)氮、可礦化氮的根際效應(yīng)差異

不同種植物對(duì)土壤生物地化過程的根際效應(yīng)強(qiáng)度也存在顯著差異［31］，是植物根系和根際過程對(duì)土壤生態(tài)影響的重要指標(biāo).如圖2所示，香附子根際效應(yīng)對(duì)蛋白酶、脲酶、脫氫酶、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮的影響最大，分別達(dá)到49%、37%、52%、 72%、78%，狗牙根對(duì)硝酸鹽還原酶、亞硝酸鹽還原酶的根際效應(yīng)最大，分別達(dá)到73%和98%，蒼耳對(duì)谷氨酰胺酶、銨態(tài)氮的根際效應(yīng)最大，分別達(dá)到55%和63%，玉米對(duì)天門冬酰胺酶和亞硝態(tài)氮根際效應(yīng)強(qiáng)度最大，分別達(dá)到50%和35%.總體上看，狗牙根對(duì)11個(gè)指標(biāo)中9個(gè)指標(biāo)根際效應(yīng)強(qiáng)度＞30%，香附子則對(duì)11個(gè)指標(biāo)中10個(gè)指標(biāo)的根際效應(yīng)強(qiáng)度＞30%，蒼耳根際效應(yīng)強(qiáng)度＞30%的指標(biāo)為5個(gè)，玉米為4個(gè)，計(jì)算同種植物對(duì)11個(gè)指標(biāo)根際效應(yīng)強(qiáng)度均值，狗牙根和香附子分別為45.8%和46.4%，高于蒼耳和玉米的29.6%和23.3% （P= 0.04）.

3 討論

3.1 不同植物根際與非根際土壤養(yǎng)分與N形態(tài)

根際是圍繞于植物活根的土壤微域，受到根系與微生物代謝的強(qiáng)烈影響，使得根際土壤理化性質(zhì)與非根際土壤存在一定的差異［4，6］.本研究表明，不同植物根際土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、有效磷含量均高于非根際，表現(xiàn)出明顯的養(yǎng)分富集，這與多數(shù)研究結(jié)果一致［31-33］.Cheng等［33］認(rèn)為，植物17%以上的光合產(chǎn)物通過根系不斷釋放到根周土壤，直接提高土壤有機(jī)碳及其他養(yǎng)分總量，同時(shí)促使根圍微生物的快速生長固定大量養(yǎng)分，進(jìn)而表現(xiàn)為根際土壤養(yǎng)分含量高于非根際.不同植物根際對(duì)根際土壤養(yǎng)分富集特性差異明顯［34］，本研究中狗牙根和香附子根際效應(yīng)對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響高于蒼耳和玉米.由于植物根際環(huán)境pCO2變化、陽離子不平衡吸收、根系酸性分泌物產(chǎn)生等導(dǎo)致根際土壤pH值偏低［35］，本研究4種植物根際土壤pH值均低于非根際，這也與Zhang等［32］研究結(jié)果一致.

植物生長能夠通過根系和根際過程對(duì)土壤N素循環(huán)產(chǎn)生影響，并進(jìn)一步影響生態(tài)系統(tǒng)N循環(huán)模式.Yin等［26］對(duì)兩種喬木根際N轉(zhuǎn)化研究結(jié)果表明，N礦化速率和硝化速率均顯著高于非根際土壤，Nie等［36］研究表明，水稻根際土壤氨氮、溶解性有機(jī)氮、微生物量氮顯著低于非根際，硝態(tài)氮與非根際沒有顯著差異，而本研究中不同植物根際硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、亞硝態(tài)氮均高于非根際，尤其14d可礦化氮顯著高于非根際（玉米除外）.不同植物根際效應(yīng)對(duì)N素轉(zhuǎn)化影響程度不同［31，36-37］，香附子根際與非根際土壤不同形態(tài)無機(jī)氮含量均為最高，玉米和蒼耳根際與非根際土壤硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮以及14d可礦化氮均低于香附子和狗牙根，朱秋蓮等［27］研究寧南山區(qū)典型植物根際與非根際氮形態(tài)也表明不同植物根際14d可礦化氮差異顯著，本研究不同植物非根際土壤的N形態(tài)差異也進(jìn)一步表明，不同植被覆蓋對(duì)土壤可礦化氮含量的改變是影響消落帶土壤氮循環(huán)的重要因素.

3.2 不同植物根際與非根際土壤N素轉(zhuǎn)化酶活性及其與土壤N形態(tài)相關(guān)性

酶活性可作為不同環(huán)境條件下微生物活性和物質(zhì)循環(huán)效率重要表征［37］，其是參與根際微環(huán)境生物地化循環(huán)的重要中間物質(zhì)［38］，受到植物根系、微生物活性和土壤性質(zhì)的影響.大量研究表明，植物根系會(huì)直接向根際土壤分泌大量酶，同時(shí)微生物在根際土壤的大量繁殖也分泌各種胞外酶，從而導(dǎo)致根際土壤酶活性高于非根際［29，30，39-40］.少量研究表明，植物根際土壤脲酶［41］、硝酸鹽還原酶［25］、亞硝酸還原酶［25］低于非根際.本研究結(jié)果表明，4種植物根際土壤N轉(zhuǎn)化酶活性總體上高于非根際（蒼耳脫氫酶除外），這與大部分關(guān)于植物根際土壤酶活性的研究結(jié)果一致，但與Weng等［25］結(jié)果有差異，可能與消落帶土壤環(huán)境和植物根系差異有關(guān)，但缺乏直接證據(jù)；脲酶、亞硝酸還原酶、谷氨酰胺酶、脫氫酶在狗牙根和香附子覆蓋土壤顯著高于玉米和蒼耳覆蓋區(qū)，可見不同植物覆蓋對(duì)消落帶土壤N循環(huán)影響不同，進(jìn)一步反映根際土壤微生物活性存在差異.

在土壤N轉(zhuǎn)化過程中N素轉(zhuǎn)化酶起著重要作用［25，30，41］，Weng等［25］研究表明，硝酸還原酶、亞硝酸還原酶、酰胺酶活性與根際、非根際土壤N形態(tài)有一定相關(guān)性.本研究中，4種植物根際與非根際土壤N形態(tài)與N素轉(zhuǎn)化酶之間存在一定相關(guān)性，表明植物根際與非根際N轉(zhuǎn)化酶變化是不同植物根際N形態(tài)差異的重要原因，其中蛋白酶、脲酶、谷氨酰胺酶與土壤N素形態(tài)相關(guān)性較高，可能是消落帶土壤N素轉(zhuǎn)化的主要參與酶類.總之，植物覆蓋通過提高微生物活性來促進(jìn)土壤N固定和礦化，對(duì)土壤N保持具有重要意義.

3.3 不同植物對(duì)土壤N素轉(zhuǎn)化的根際效應(yīng)強(qiáng)度差異

植物根系向土壤中釋放新鮮有機(jī)物，刺激微生物的快速繁殖和大量胞外酶的釋放，進(jìn)而促進(jìn)土壤有機(jī)物分解［42］和N素循環(huán)的改變［43］.不同植物根系生理特征的差異引起根際對(duì)土壤微環(huán)境影響的差異，這些可以通過根際土壤酶活性的增加［37-39，42］和N素轉(zhuǎn)化狀態(tài)［44］得以呈現(xiàn).本研究參考Yin等［31］的方法評(píng)估不同植物對(duì)N素轉(zhuǎn)化的根際效應(yīng)強(qiáng)度差異，結(jié)果表明狗牙根和香附子覆蓋對(duì)土壤N轉(zhuǎn)化的根際效應(yīng)高于蒼耳和玉米，狗牙根和香附子在消落帶的覆蓋對(duì)與土壤N素礦化和固定的影響高于蒼耳和玉米，有利于土壤N素的保持.總之，植物根際能夠通過根系吸收、根系沉積、微生物過程等影響根際養(yǎng)分循環(huán)，也進(jìn)一步影響植物生長、土壤養(yǎng)分保持和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，因此需要進(jìn)一步針對(duì)不同植物覆蓋下消落帶土壤N循環(huán)和微生物過程展開深入探討.

4 結(jié)論

4.1 4種供試植物根際土壤pH值均低于非根際，有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷含量均高于非根際，表明植物根際對(duì)消落帶土壤養(yǎng)分有富集作用.

4.2 植物根際土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、亞硝態(tài)氮及14d可礦化氮含量均高于非根際，且土壤硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮以及14d可礦化氮含量呈現(xiàn)香附子＞狗牙根＞蒼耳/玉米.

4.3 狗牙根和香附子覆蓋區(qū)脲酶、亞硝酸還原酶、谷氨酰胺酶、脫氫酶顯著高于玉米和蒼耳覆蓋區(qū)；蛋白酶、脲酶、谷氨酰胺酶活性與4種N形態(tài)均呈顯著相關(guān)性，是消落帶土壤N轉(zhuǎn)化的主要參與酶類.

4.4 根際效應(yīng)分析結(jié)果香附子和狗牙根對(duì)消落帶土壤N轉(zhuǎn)化的根際效應(yīng)強(qiáng)度大于蒼耳和玉米，有利于土壤N素的固定和保持.

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Inorganic nitrogen forms and related enzyme activity of rhizosphere soils under typical plants in the littoral zone of Pengxi River.

WANG Xiao-feng1，2，3， LIU Hong1，3*， ZHANG Lei4， LUO Zhen5， YUAN Xing-zhong1，2，3， YUE Jun-sheng1，2，3， YU Jian-jun4（1.State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control， Chongqing University，Chongqing 400030， China；2.Key Laboratory of Three Gorges Reservoir Region's Eco-Environment， Ministry of Education， Chongqing University， Chongqing 400030， China；3.College of Resource and Environmental Science，Chongqing University， Chongqing 400030， China；4.College of Resources and Environment， Southwest University，Chongqing 400716， China；5.College of Military Preventive Medicine， Third Military Medical University， Chongqing 400038， China）. China Environmental Science， 2015，35（10）：3059～3068

The Three Gorges Reservoir （TGR）， which is the largest water conservancy project ever built in the world，produced a drawdown area of about 348.93km2due to flooding control. The biological geochemical cycle of the soil in the drawdown zone has been changed as the result of long-term winter flooding and summer drought and vegetation covering. The loss of soil nitrogen in the drawdown zone poses a threat to the water environmental in TGR. Pengxi River， which has the largest drawdown area among all of the tributaries in TGR basin has been selected in present study. The four typical vegetation types， Cynodon dactylon， Cyperus rotundus， Anthium sibiricum and Zea mays L as control， were studied to measure nutrient characteristics and nitrogen forms of rhizosphere and non-rhizosphere soils. The variables included soil physical-chemical proprieties， ammonium nitrogen）， nitrate nitrogen）， nitrite nitrogen，nitrogen mineralization in 14d （NN） and 7 types N invertase enzymes including protease （PR）， urease （UR）， nitrate reductase （NR）， nitrite reductase （SNR）， dehydrogenase （DE）， glutaminase （GL） and asparaginase （AS）. The resultsshowed： 1） pH of rhizosphere soil was generally lower than non-rhizosphere soil under different vegetation in different type soils because of the possible organic acid and H+released from plant roots and cation absorption differences. All nutrient concentrations in rhizosphere soil were higher than those in non-rhizosphere except potassium （Total K and available K）. 2），，and NN of rhizosphere soil were generally higher than non-rhizosphere soil，by following the order of Cyperus rotundus＞Cynodon dactylon＞Anthium sibiricum and Zea mays L under different vegetation. 3） All 7 types invertases showed the better activeness in the rhizosphere soil compared with them under non-rhizosphere. UR， SNR， DE and GL in the zone covered by Cyperus rotundus and Cynodon dactylon were significantly higher than those in Anthium sibiricum and Zea maysL. 4） There was significant correlation between soil N forms and PR， UR and GL.was significantly correlated with SNR. Rhizosphere effects on all N forms and invertase enzyme activity were done to evaluate the incidence of the soil N cycle by different vegetations， and results showed that rhizosphere effects of Cyperus rotundus and Cynodon dactylon were greater than those of Anthium sibiricum and Zea mays L. The present research could provide that the drawdown zone covered with different vegetations has different soil processes and function for N cycle， so the vegetation recovery in the drawdown zone should consider the rhizosphere effect of different vegetations on N cycle.

drawdown zone；rhizosphere soils；nitrogen transformation；typical plants；enzyme activity

X53，S182

A

1000-6923（2015）10-3059-10

王曉鋒（1987-），男，河南三門峽人，重慶大學(xué)博士研究生，主要研究方向?yàn)闈竦厣鷳B(tài)學(xué).發(fā)表論文15篇.

2015-02-09

國家重大科技專項(xiàng)（2013ZX07104-004-05）

* 責(zé)任作者， 副教授， hliu63@sina.com