張嬌陽, 何俐蓉, 李袁澤, 喬磊磊, 薛 萐1,, 劉國彬1,

(1.中國科學院 水利部 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業(yè)國家重點實驗室, 陜西 楊凌712100； 2.中國科學院大學, 北京100049; 3.西北農林科技大學 水土保持研究所, 陜西 楊凌712100； 4. 陜西地建土地工程技術研究院有限責任公司, 西安 710075；5.西北農林科技大學 林學院, 陜西 楊凌 712100)

1996年Wright等[1]從美國中部亞特蘭大州未經耕作的酸性土壤上在121℃高溫下用20 mmol/L的檸檬酸鈉溶液提取了一種含量豐富特殊的蛋白質，后將其稱為球囊霉素(Glomalin-related soil protein，GRSP)。其在陸地生態(tài)系統中具有重要的功能[2]，它是叢枝菌根真菌(Arbuscular Mycorrhizal Fungi，AMF)分泌的一類含有金屬離子的耐熱糖蛋白[3]，中文名為球囊霉素相關土壤蛋白(GRSP)，本文簡稱為球囊霉素。球囊霉素在土壤中大量存在，除球囊霉素蛋白以外的所有非熱穩(wěn)態(tài)蛋白在浸提過程中都能夠被破壞。根據分析提取的難易程度及原理可將球囊霉素分為4類，分別為總球囊霉素(T-GRSP，TG)、易提取球囊霉素(EE-GRSP，EEG)、免疫反應性總球囊霉素(IRT-GRSP，IRTG)、免疫反應性易提取球囊霉素(IREE-GRSP，IREEG)[4]。球囊霉素能夠改善土壤團聚體的穩(wěn)定性，改良土壤結構[5-7]；球囊霉素還是土壤有機碳(SOC)的主要碳源[3]，占土壤總有機碳的27%～52%[8]；同時，球囊霉素在土壤中扮演了“重金屬改良劑”的作用，在根際土壤中氧化還原電位(Eh)和還原性分泌物的共同作用下，球囊霉素可使得重金屬離子價態(tài)發(fā)生改變，改變其毒性[9]，還可以和重金屬離子發(fā)生絡合[10]，使重金屬離子被固定[11-12]；此外，球囊霉素對土壤的氮素含量等也有一定的影響[13]。

土壤中GRSP的含量受到土壤質地、土地利用方式、植被類型等因子的影響[14-16]。王誠煜等[14]認為半干旱區(qū)可以通過提高土壤黏粒含量的方式使得GRSP的積累量增加。闕弘等[15]通過研究5種不同利用類型土壤的GRSP表明，林地和草地的球囊霉素含量高于水稻田、茶園土和菜園土，且在0—40 cm深度范圍內隨土層深度的增加T-GRSP含量減少。仲召亮等[16]研究表明，GRSP化學特征在不同林型及農田間均達到數倍差異。坡向作為關鍵的地形因子，影響著太陽輻射能量的分配和土壤水分的再分布，對于土地利用類型來說具有重要的研究意義[17]，有研究表明坡度是影響我國黃土高原植物營養(yǎng)和化學計量的主要環(huán)境因子[18]。而關于坡向對植被與土壤之間的相互關系、植被與菌根真菌之間的共生關系的影響，還有不同物種對于土壤GRSP及其根際效應的研究鮮少見之。坡向等因素對土壤球囊霉素(GRSP)的影響存在諸多疑問和不明之處。本文通過對黃土丘陵區(qū)不同坡向、不同物種土壤GRSP分布特征的研究，以期揭示坡向的生態(tài)作用，闡明黃土丘陵區(qū)土壤GRSP分布特征及其影響因素，為探究其作用機理提供理論依據。

1 研究區(qū)概況

本研究依托中國科學院安塞水土保持試驗站墩山(109°19′23′E′,36°51′30′′N)進行，該區(qū)域屬于典型黃土丘陵溝壑區(qū)，海拔1 068～1 309 m，屬于溫帶半干旱氣候，年均氣溫8.8℃，年平均降雨量505 mm左右，70%以上的降雨量集中在經常出現極端暴雨的7—9月，無霜期大約為157 d。土壤類型處于黃綿土與沙黃土交錯區(qū)，土壤體積密度為1.10～1.30 g/cm3，pH值為8.7～9.3，有機質濃度為1.10～13.2 g/kg，全氮、全磷含量分別為0.10～0.75，0.14～0.63 g/kg[19]。該區(qū)天然草地植被以鐵桿蒿(Artemisiasacrorum)、白羊草(Bothriochloaischaemum)、狗尾草(Setariaviridis)、茭蒿(Artemisiagiraldii)、長芒草(Stipabungeana)、披針苔草(CarexlanceolataBoott)等為主。

2 研究方法

2.1 試驗設計與方法

在查閱安塞站歷史資料的基礎上，選取3個棄耕年限相同、立地條件相似，僅坡向不同的天然草地作為試驗地，分別為陽坡(S15°W)、半陽坡(N75°W)、陰坡(N57°E)。在每個試驗地選取3個10 m×10 m樣地重復，在每個樣地隨機選取3個1 m×1 m樣方且間隔不小于10 m。

2014年9月上旬對不同坡向的典型植物群落進行土壤樣品采集。采集前先在樣方內統計植物種類、蓋度、高度、密度等群落生長情況，同時測定樣地的坡度、坡向、海拔等環(huán)境因子(表1)[20]。調查記錄完成后進行采樣，將樣方內的優(yōu)勢物種植物分別整株挖出，取0—20 cm較完整根系的土體，用力抖落其周圍土壤，收集緊縛于根系上的土作為該植物的根際土；在遠離該植被根系約15 cm處用土鉆取0—20 cm土壤，混合均勻，然后去除植物殘體、根系和可見的土壤動物(如蚯蚓等)作為非根際土。土壤樣品遵循隨機、等量和多點混合的原則進行取樣。所采土樣去根風干后分別過1 mm和0.25 mm篩，用于土壤基本理化性質、土壤有機碳(SOC)含量和GRSP含量測定。

2.2 項目測定

土壤理化性質均采用常規(guī)方法測定[21]。土壤有機碳用重鉻酸鉀氧化—外加熱法；土壤全氮采用凱氏定氮法測定；土壤全磷采用硫酸—高氯酸消煮，鉬銻抗比色法測定；采用烘干法(105℃)測土壤含水量；pH值用pH計測定(水∶土=2.5∶1)，結果見表2[20]。

GRSP含量按改進后的考馬斯亮藍法測定[22]。浸提：T-GRSP浸提，稱取1 g風干土于10 ml離心管，加入8 ml檸檬酸緩沖液，121℃高溫高壓浸提60 min，迅速1 000 r/min離心5 min，將上清液倒入50 ml離心管中，10 ml離心管中剩余土壤浸提5次，浸提液混勻可在4℃條件下保存3 d；EE-GRSP除浸提次數為1次外，其余與上述方法一致。比色：取浸提液1 ml于10 ml離心管，加入5 ml考馬斯亮藍，顯色2 min后于595 nm下比色。

表1 樣地基本特征

注：糙影子草(Cleistogenessquarrosa)、野棉花(Anemonevitifolia)、興安胡枝子(Lespedezadavurica)、菊葉委陵菜(Potentillatanacetifolia)、茵陳蒿(Artemisiacapillaries)、異葉敗醬(Patriniaheterophylla)、胡枝子(LespedezabicolorTurcz.)、懸鉤子(RubussaxatilisL.)、茜草(RubiacordifoliaL.)、鵝觀草(RoegneriakamojiOhwi)、阿爾泰狗娃花(Heteropappusaltaicus)、野豌豆(Viciasepiwm)、香青蘭(Dracocephalummoldavica)、賴草(Aneurolepidiumdasystachys)、蘆葦(Phragmitesaustralis)。

表2 土壤的基本理化性質

注：同列不同字母表示不同處理間差異達顯著水平(p<0.05)，數值為均值±SD。

2.3 數據處理與分析

用Excel 2010和Origin 9.0進行數據處理和繪圖，利用SPSS 20.0中的LSD方法(p<0.05)進行差異顯著性檢驗，根際效應以R/S表示，即根際土壤中含量(R),與鄰近非根際土壤中含量(S)之比；采用Canoco 5進行冗余分析。

3 結果與分析

3.1 不同坡向土壤GRSP的分布特征

坡向對T-GRSP和EE-GRSP影響顯著(圖1)。

T-GRSP在根際和非根際均表現為陽坡>半陽坡>陰坡，不同坡向之間差異顯著(p<0.05)，其中半陽坡和陰坡根際土的T-GRSP含量分別比陽坡減少了14.84%，46.08%，根際土T-GRSP含量顯著高于相同坡向的非根際土含量。

EE-GRSP含量在根際土和非根際土中也呈現陽坡>半陽坡>陰坡，但僅根際陽坡和半陽坡顯著高于陰坡，非根際并未達到顯著水平，根際EE-GRSP含量和非根際整體差異不大。

注:不同小寫字母表示處理之間有顯著差異p<0.05，下圖同。
圖1 不同坡向土壤T-GRSP和EE-GRSP含量

3.2 不同坡向土壤GRSP的根際效應

通過對不同坡向上的根際土和非根際土的GRSP含量進行對比得出不同坡向GRSP的根際效應(R/S值)變化(圖2)。結果表明，陽坡與半陽坡T-GRSP的根際效應要高于陰坡，達到顯著水平；EE-GRSP的根際效應表現為半陽坡>陽坡>陰坡，均未達到顯著水平。此外，陽坡、半陽坡T-GRSP的根際效應R/S值接近于2，根際效應為極明顯，高于陰坡的1.5，說明了陽坡、半陽坡對T-GRSP根際效應的影響較陰坡更為強烈。而EE-GRSP的根際效應R/S值接近于1，根際效應較弱。

3.3 不同物種對土壤GRSP的變化及其根際效應

通過對陽坡白羊草根際土和鐵桿蒿根際土的GRSP含量對比(圖3)可知，陽坡鐵桿蒿根際土T-GRSP含量大于白羊草根際土，但差異不顯著；EE-GRSP含量在鐵桿蒿和白羊草根際土之間的差異較小。不同物種間T-GRSP的根際效應大于EE-GRSP，但物種對其影響無顯著差異(圖3B)。

圖2 不同坡向土壤T-GRSP和EE-GRSP的根際效應變化

圖3 陽坡不同物種根際土壤T-GRSP和EE-GRSP含量及根際效應變化

3.4 土壤GRSP含量的冗余分析

對土壤總球囊霉素(T-GRSP)、易提取球囊霉素(EE-GRSP)和土壤有機碳(TC)、總氮(TN)、全磷(TP)、pH值、含水量(SW)以及坡向、物種、根際效應8個環(huán)境因子進行冗余分析(圖4)。結果表明，第一軸解釋了50.10%的變異，第二軸解釋了30.43%的變異，其中T-GRSP，EE-GRSP與土壤有機碳、全氮顯著正相關，與全磷、pH值和含水量呈負相關。物種和根際作用與T-GRSP，EE-GRSP正相關，而與坡向呈負相關。

4 討 論

大地形因子(海拔)和小地形因子(坡向和坡位)共同影響著植物的生存[23-24]。其中坡向直接影響的土壤環(huán)境條件，包括溫度、濕度[25-26]，土壤發(fā)育和生產[27]，土壤團聚體的穩(wěn)定性[28]等；坡向和坡位共同對土壤有機質空間分布及其腐殖化和礦化過程有重要影響[29]；坡向和植被也影響了土壤有機碳和氮含量[30]以及微生物性質[31]。GRSP作為AM真菌的分泌物[1]，它的含量和組成受到眾多因素的影響，包括氣候條件、植被類型、土壤特性、AM真菌組成等多種生態(tài)因子[32]。研究表明，黃土坡面養(yǎng)分的流失量隨著坡度的增大而增大[33]，本研究中陽坡33°>半陽坡26°>陰坡15°(表1)，其測量結果顯示，陰坡土壤有機碳和全氮含量較陽坡和半陽坡有顯著降低，這與其他研究結果不同，即陽坡具有相對較高的土壤養(yǎng)分含量(表2)；同樣，不同坡向土壤GRSP含量變化規(guī)律表現為陽坡>半陽坡>陰坡(圖1)。說明坡向對于土壤SOC，TN和GRSP來說是比坡度更為關鍵的影響因子。一般而言，不同坡向的環(huán)境因子有明顯變化。試驗結果顯示，陽坡土壤含水量顯著低于半陽坡和陰坡(表2)，這與有關土壤含水量對不同坡向群落構成的限制性的研究成果基本一致[34-35]，但與土壤GRSP含量分布不同，陽坡土壤的GRSP含量最大，半陽坡和陰坡土壤GRSP含量有不同程度降低，其中陰坡鐵桿蒿根際土的GRSP含量較陽坡和半陽坡顯著減小(圖1)。這是由于干旱脅迫下土壤中GRSP含量顯著高于正常水分土壤[36]，隨著脅迫程度的增加，土壤中GRSP呈先升高后下降趨勢[37]。環(huán)境脅迫能夠增加土壤中AMF在植物根系的侵染率，進而增加土壤中GRSP含量，但當環(huán)境脅迫超出植物及土壤微生物自身承受力時，土壤中GRSP含量降低[3]。此外由于GRSP是土壤的主要碳源，GRSP與SOC的變化趨勢一致，進一步證明，坡向對土壤GRSP的影響顯著。

圖4 不同坡向土壤與環(huán)境因子的冗余分析

植物根際土壤是植物體與土壤之間進行物質交換和能量流動最為頻繁的區(qū)域，具有龐大的植被根系，其根系強大的合成功能，能夠促進微生物的活性，進而有利于微生物分泌物的釋放[38]。AM真菌可與大多數陸地植物形成互惠共生體[39-41]，其分泌物球囊霉素廣泛存在于植物根際環(huán)境中。眾多研究表明，GRSP不僅有能改善土壤物理結構、提高土壤養(yǎng)分含量的功能，而且還有能固定土壤中的重金屬,提高植物對重金屬的抗性等諸多環(huán)境功能[42]。因此GRSP的根際效應也顯得尤為重要。本研究通過對不同坡向的土壤GRSP根際效應的分析，結果表明不同坡向的T-GRSP根際效應均無顯著差異，但其R/S值均大于1，陽坡、半陽坡大于陰坡，陽坡、半陽坡接近于2，陰坡接近于1.5，這說明T-GRSP在根際土壤中含量大于非根際，植被對于T-GRSP表現出強烈的根際效應。EE-GRSP作為AM真菌新近產生的球囊霉素[43]，其根際效應表現出相同的變化趨勢，其中陰坡較半陽坡降低，相比于T-GRSP，表現出較弱的根際效應。不同坡向中陰坡的土壤含水量最低，土壤養(yǎng)分、GRSP含量也最低，故陰坡土壤GRSP根際效應比陽坡和半陽坡弱。

黃土丘陵區(qū)不同坡向棄耕地，由于地面光照強度高，溫度較高，水分蒸發(fā)快，為鐵桿篙和白羊草等喜光抗旱的物種提供了良好的生長環(huán)境，憑借其繁殖能力強、適應性強等特點,逐漸成為該地區(qū)的主要物種，即優(yōu)勢種[44]。在黃土丘陵區(qū)退耕地自然恢復草地演替中，白羊草群落為草本頂級群落[45]。本研究區(qū)草地處于向草本頂級群落的過渡期，其陽坡的優(yōu)勢種和亞優(yōu)勢種為鐵桿蒿和白羊草，為分析不同優(yōu)勢種間GRSP差異，對陽坡兩優(yōu)勢種間球囊霉素含量進行對比。結果表明，陽坡鐵桿蒿根際土GRSP含量大于白羊草，但無顯著差異。說明優(yōu)勢種間GRSP無差異，進而說明演替過程中GRSP含量對群落生態(tài)優(yōu)勢度無顯著影響。

通過冗余分析可知，坡向跟土壤含水量為顯著正相關，跟GRSP含量呈負相關，即隨著坡向從陽坡到陰坡，由于干旱脅迫的降低其土壤GRSP含量逐漸減少；根際環(huán)境對GRSP含量為正相關關系，由于根際土壤相比于非根際土壤具有龐大的植被根系，合成功能強大，AM真菌分泌物GRSP作用明顯增強。結合前面對不同坡向的GRSP分布特征和不同坡向GRSP根際效應無顯著差異可得，相比于坡向，根際作用對GRSP含量影響更為明顯。物種和GRSP的相關性弱于根際的作用，這主要由于GRSP主要來源于AM真菌的作用，加之根系的分泌物增加了碳素供應，而以上兩個作用受物種的影響小于根系的作用。

5 結 論

坡向對T-GRSP和EE-GRSP影響顯著，根際和非根際土壤整體表現為陽坡>半陽坡>陰坡，根際土T-GRSP含量顯著高于相同坡向的非根際土含量，根際EE-GRSP含量則和非根際整體差異不大。T-GRSP呈現較強的根際效應，其中陽坡與半陽坡要高于陰坡，但是差異未達到顯著水平，EE-GRSP則呈現較弱的根際效應。物種對T-GRSP和EE-GRSP的影響相對較小。冗余分析表明T-GRSP，EE-GRSP與坡向呈負相關，與物種和根際作用正相關，其中根際作用強于物種。本研究從球囊霉素角度分析了坡向對土壤特征的影響，但是由于試驗未測定AM真菌的相關參數，因此很難揭示坡向對GRSP的作用機制，在下一階段需要加強此方面的工作，特別是坡向對AM真菌和GRSP之間的作用關系研究。