木麻黄(Casuarina equisetifolia)属双子叶植物纲木麻黄科木麻黄属。常绿乔木，高可达30 m，原产于澳大利亚，1919年最早引种到福建省泉州，20世纪50年代以后，广泛种植于东南沿海，特别是雷州半岛和海南岛，成为我国东南沿海和海南岛周边滨海地带的主要防风固沙树种。该种生长迅速，对生长地条件要求不高，根系发达深广，具有耐干旱、抗风沙、耐贫瘠、耐盐碱等优良特性，因此它成为热带海岸防固沙的优良先锋树种。这主要得益于木麻黄能与放线菌Frankia形成共生固氮体系(王豁然，1985)。空气中有近79%的N₂，但并不能直接被高等植物利用，只有少数原核微生物能自和或与少数高等植物共生固氮。在进入陆地土壤中，生物固氮有很大的数量，为1.22×10⁹ t·a^-1。放线菌Frankia可与非豆科植物如木麻黄、桤木、沙棘等共生固氮，形成固氮根瘤。在自然条件下，可提供N 300 kg·a^-1 hm^-2(陈廷伟，1989)。Frankia使木麻黄的幼嫩根毛变形后，进入根毛内，菌丝向根毛基部发展，根皮层细胞因受到刺激而分裂形成微小的隆起称为前根瘤，菌丝继而进入前根瘤的部分细胞中使之扩增，同时在根的中柱鞘位置发育成侧根，内生放线菌Frankia进一步侵染发育中的侧根皮层细胞，在其中分裂繁殖最后形成真根瘤。在木麻黄根瘤中，数个侧根原基几乎与其前根瘤同时发生，从而发育成一簇簇膨胀的皮状叶突，从皮状叶突的尖部延长出来才会成功地形成根瘤根。

对于木麻黄固氮根瘤的研究，王晨光等从不同地方的木麻黄根瘤中分离出多种Frankia，并且对这些Frankia的形态、固氮酶活性、生理生化、分离培养、转种结瘤的方面进行了具体的研究(王晨光等，1993)。目前有较多的研究集中在分离、筛选、回接固氮的Frankia菌，研究木麻黄根的结瘤情况(李忠伟等，1986；李志真等，1998)，目前世界上对Frankia菌在土壤中的动态研究，多以结瘤情况作为微量指标。林建群等(1996)用Frankia 16SrRNA制成的探针通过同源杂交，在人工培养的木麻黄根际内检测痕量Frankia的分布，其主要集中在土壤的8 ~30 cm处。野外的环境条件对根际Franika存活生长分布的影响，由于缺乏相应的研究手段，研究较少。但了解有关环境条件对根瘤的影响有利于人工回接及在自然条件下的管理。而木麻黄林生态系统中不同的土壤条件与木麻黄固氮根瘤的生物量、密度、形态及分布等方面的关系尚未见报道。本研究借鉴德国学者研究桤木根际Frankia根瘤的方法(Ditter，1992)，加以改进用于研究木麻黄的根际Frankia根瘤。

1 研究地概况和研究方法 1.1 研究地概况

在调查中选择了海南省海口市3个不同土壤条件的样地。这3个样地的光照、温度、降雨量等条件基本相同，年光照时数为2 230 h，年平均温度为23.8 ℃，年平均降雨量为1 685 mm(高素华等，1988)。3个样地的林分情况见表 1。

样地Ⅰ：海甸岛福安新村南渡江出海口处，河岸边的一片木麻黄林地，林中有少量灌木。土壤为砂质冲积土，其结构为粘盖砂型(上紧下松型)。表层有2~8 cm的结构紧密的、颗粒极细的粘土层，粘土层是由泥沙冲积物的淤泥因胶体作用凝聚而成，故该层含氮量和有机质含量均很高。粘土中粘粒含量多，粒间小间隙不易通气排水。下层为松散的沙土层。

样地Ⅱ：西秀海滩旁的一片木麻黄林地。离海边仅100 m，林中有少量灌木和草本植物。土壤属潮积滨海沙土，沙粒含量多，粉沙和细沙少，粗沙直径为0.25~1.0 mm占65%，沙土保肥保水能力差，透气性好。

样地Ⅲ：海口市工业大道旁的一片木麻黄林地。出于市区，离海边约7 km。林内有少量小叶桉混杂分布。土壤属潮积滨海沙，结构属于紧密型、粉沙、细沙含量多，颗粒小，粒间间隙小，故质坚硬，不易挖掘。但上层凋落物及分解物与沙土的混合层厚达3~5 cm，故上层较松散(海南省农业厅土肥站，1994；南京林业学校，1988)。

1.2 研究方法

调查时间为2000-4-10~20。在上述每个样地随机设置6个面积为50 cm×50 cm的样方进行仔细挖掘(Ditter，1992)。样地Ⅰ、Ⅱ的挖掘深度为30 cm，由于样地Ⅲ土质较硬，挖掘难度大，在20 cm以下没有发现根瘤，故挖掘深度为20 cm。在挖掘过程中不能破坏根和根瘤的位置、大小和形状。没挖1个50 cm ×50 cm的样方后，用相当于座标的铁丝网对根瘤的位置定位，并记录在座标纸上，描绘其位置、大小和形状。

完成以上工作后，用剪刀将根瘤连同根一起剪下，分别装入已编号的样袋及时带回实验室处理。用毛笔将根瘤上的沙土刷干净，称量各样方内的根瘤总重、最大根瘤、最小根瘤的重量。然后将根瘤上的活组织和死组织分离开，称取各样方内根瘤活组织的重量。再用排水法测量根瘤活组织体积，最后将根瘤活组织于70 ℃下烘干至恒重，称取干重。

2 结果 2.1 木麻黄根瘤的分布和形态

根瘤的平面分布如图 1，根瘤沿木麻黄的根周围分布。

3个样地木麻黄根瘤垂直分布情况见表 2。样地Ⅰ根瘤的分布没有明显的规律，但粘土层没有根瘤存在，这跟上紧下松的土壤结构有关。在样地Ⅱ的松散型土壤中根瘤大部分部分布于10~30 cm之间，处于深层。在样地Ⅲ的紧密型土壤中，根瘤分布于0 ~10 cm之间，处于土壤的表层较松疏的分解物与沙土混合层。可见土壤的性质对根瘤的分布有一定的影响。

对各根瘤的外部形态进行观察发现，样地Ⅰ的根瘤结构紧密，多呈球状或椭球状；样地Ⅱ的根瘤体积大，较松散，根系上新老根瘤并存，老根瘤占的比重较大，位于核心位置，呈黄褐色，新根瘤分布在外围，呈黄色或浅黄色，外观上呈珊瑚状；样地Ⅲ的根瘤体积和重量都特别小，根瘤成串珠状分布于细根及其分枝上，测量较典型的一条细根，15 cm的长度上有6~8个小根瘤，小根瘤的结构简单，仅由2 ~5个皮状突起构成，重量小于0.1 g。3个样地根瘤活组织的颜色均为浅黄色或黄色，3个样地各选取1个根瘤的皮状突起，切开后放在显微镜下观察其内部结构，发现均具有相同的结构。

2.2 木麻黄根瘤的生物量

从表 2中可以看出，样地Ⅱ根瘤的总生物量是968.5 g·m^-2，远大于样地Ⅰ的19.2 g·m^-2，样地Ⅲ的41.6 g·m^-2。样地Ⅱ的根瘤现存量(根瘤活组织重量)位，也远大于样地Ⅰ和样地Ⅲ的根瘤现存量。根瘤总生物量的比较为：Ⅱ>Ⅲ >Ⅰ。表明潮积滨海沙土的木麻黄林地，在某段时间里所形成的根瘤比其它两个不同性质木麻黄林地要多。

单位面积的根瘤的个数以样地Ⅲ为最多，为124.0个·m^-2，明显多于样地Ⅱ的24.7个·m^-2，更多于样地Ⅰ的7.3个·m^-2。单位面积的根瘤的个数比较为：Ⅲ >Ⅱ >Ⅰ。

各样地单个根瘤的重量和体积也不同。单个根瘤的重量以样地Ⅱ为最大，为39.4 g·个^-1，样地Ⅰ的为2.62 g·个^-1，样地Ⅲ的仅为0.34 g·个^-1。单个根瘤的体积以样地Ⅱ的为最大，为34.8 cm³·个^-1，很明显比其它样地的根瘤要大。样地Ⅰ的为2.02 cm³·个^-1，样地Ⅲ的仅为0.58 cm³·个^-1。单个根瘤的重量和体积的比较均为：Ⅱ >Ⅰ >Ⅲ。

在多次对上述3个样地土壤取样的其它研究中，屡屡在样地Ⅱ中发现大个的根瘤。观察到的最大根瘤重达355 g，直径达18 cm，通过镜检，确认其组织为根瘤。用方差分析和最小显著差数法对3个样地的根瘤个数、单个重量及单个体积进行分析，比较各样地间的差异，结果见表 4。

其余各项不能利用t检验和方差方法比较出来，由于各样地内样方间差异过大，掩盖了样地间的差异，因此总重量差异、总体积差异均不能利用此法比较。

3 讨论 3.1 土壤含氮量与土壤中固氮根瘤生物量的关系

固氮根瘤的密度用单位面积的根瘤的个数表示不能反映固氮根瘤对土壤中氮的贡献大小。因为有的土壤中根瘤的个数很多，但每个根瘤的体积却很小。而固氮根瘤单位面积的活生物量应与其固氮量成正相关。3个样地固氮根瘤的活生物量为：潮积滨海沙土(Ⅱ)>砂质冲积土(Ⅰ)>风积滨海沙土(Ⅲ)。而土壤的全氮量，样地Ⅰ为0.075%~0.08%，样地Ⅱ为0.042%~0.058%¹⁾，样地Ⅲ为0.22%~0.25%(南京林业学校主编，1988)。3个样地土壤的全氮量比较为：Ⅲ >Ⅰ >Ⅲ，风积滨海沙土的含氮量最高，潮积滨海沙土中的含氮量最低。

1) Liu Qiang. Nutrient status and effects of site condition on symbiotic nitrogen fixation in plantation of Casuarina equisetifolia on sandy and alluvial soils in Hainan Island, China. Master thesis in Technology University of Dresden. 1998.

潮积滨海沙土的样地Ⅱ中固氮根瘤的活生物量最大，是样地Ⅲ和样地Ⅰ的40~54倍。可以推测其固氮活动最强。而样地Ⅱ中的全氮量最低，因此需要根瘤固氮来向土壤—植被系统中输入氮。

固氮作用是消耗巨大能量的过程，每固定1 g N₂需要消耗掉133 g碳水化合物中的能量，因此，固氮微生物在不必进行固氮作用或在明显不利于固氮作用的条件下将停止固氮作用，过量化合态氮的存在都会抑制固氮作用(陈文新，1990)。有直接的实验证据证明，细枝木麻黄(Casurina cunninghamiana Miq.)根瘤形成的数量和根瘤的生物量与其相邻环境的硝态氮浓度呈负相关，在高浓度硝态氮环境条件下固氮酶活性显著降低(Arnone et al.，1994)。随着土壤中化合态氮含量的增高，对形成根瘤和固氮作用的抑制也增加(Indian Council of Forestry Research and Education，1991)。

土壤高含氮量不利于根瘤的形成和生长，样地Ⅲ的土壤含氮量最高，木麻黄固氮根瘤生物量较小。土壤含氮量高，其他非固氮植物可以在此土壤里生长较好。因此，此林中有一些小叶桉和草本植物分布较多。由于小叶桉对土壤含氮量要求高(中国树木志编委会，1983)，风积沙土上小叶桉比木麻黄生长好(陈文新，1990)。

样地Ⅰ的土壤含氮量虽然并不高，但林地位于南渡江河岸的冲积沙土中，海拔仅1~2 m，河水可浸入附近的土壤，此外涨大水时，河水漫上河岸(该处的土壤土层为粘土层是很好的证明)，河水中的氮会输入到土壤中。在样地Ⅰ所处的河岸附近的水域，氮含量是全流域中最高的，水质中氨氮含量为0.523 mg·L^-1，亚硝酸盐氮为0.013 mg·L^-1，硝酸盐氮为0.472 mg·L^-1，共有有效氮量为1.008 mg·L^-1(黄澜等，1998)。由此推知，样地Ⅰ土壤—植物系统中，有效氮量较高，木麻黄林对耗能量较高的生物固氮的需求很弱。

3.2 土壤pH值对根瘤生物量的影响

前人的工作表明，与木麻黄共生固氮的Frankia放线菌，在温度为25 ~37 ℃、pH值为7.5 ~8.5、通气条件好的情况下，能与植物形成较多的根瘤，根瘤的固氮能力也强；而在低温、过度湿润、通气不好的情况下，则抑制根瘤的形成和生长(阮继生等，1990)。

本项研究中的土壤的pH值，样地Ⅰ处于4.4~6.6之间，样地Ⅱ为6.0 ~8.3¹⁾，样地Ⅲ为6.2~6.6 (南京林业学校，1988)。样地Ⅱ中的木麻黄固氮根瘤生长发育很旺盛，中性偏碱的土壤pH值条件为放线菌Frankia提供了较适宜的生活环境。

1) Liu Qiang. Nutrient status and effects of site condition on symbiotic nitrogen fixation in plantation of Casuarina equisetifolia on sandy and alluvial soils in Hainan Island, China. Master thesis in Technology University of Dresden. 1998.

3.3 土壤的物理性质与根瘤分布的关系

土壤的比重、容量、孔隙对根系的发展有影响。土壤颗粒越细，砂质越少，其容量就越大，孔隙就越小，质地就越硬，通气性就越差，根系难以延伸，也不利于根瘤的形成。

样地Ⅰ有2~8 cm的粘土层，下为松散的砂土，粘土中粘料含量多，孔隙很小，常板结成块状，加之粘土层有机质丰富，含氮量高，对根瘤的生长不利，故在粘土层未能发现有根瘤的分布。样地Ⅰ中所采到的根瘤全分布于松散的下层砂土中，根瘤在砂土层的各个水平上分布较均匀。根瘤的个数少，6个样方仅采到11个小根瘤。

样地Ⅱ的土壤砂粒颗粒大，间隙大，土壤结构松散，砂粒大，粒间空隙大，根瘤的生长环境不受质地的抑制而可以在砂粒间空隙中生长，新根瘤可以长在老根瘤的四周，向四周的松散沙地延伸生长。根瘤的个数不多，但单个重量和体积都很大，根瘤不受限制地生长使得根瘤呈现各种块状如：珊瑚状、球状等松散的形状。土层透气性较好，保水性能差，土壤表层(深度为0~10 cm)干燥，砂土比热容量小(南京林业学校，1988)，土壤温度白天易上升，夜间易降低，土壤表层昼夜温差大，而深层土壤(深度为10~30 cm)温度变化相对较小，且能保持较高而恒定的温度，含水量也较高，更适宜根瘤的生长。所以样地Ⅱ的根瘤多分布地10~30 cm的深度。

样地Ⅲ的土壤属紧密型的砂土，结构紧密，砂土的颗粒较细，粉砂所占的比例大，比重容量较大，孔隙的百分数少，固氮根瘤很少分布，但土壤表面有3~4 cm的凋落分解物与砂土的混合层，此层结构疏松，大多数根瘤分布在这一层。这些根瘤在表层土壤中的同一条根上呈串珠状分布，根瘤的个数很多，但单个根瘤的体积和重量都很小，大多数根瘤只是由几片皮状叶突构成。超过4 cm深度以下的紧密砂土中很少有根瘤的分布，连细根的分布也较少。可见疏松的土壤结构适于根瘤的分布。

5 结论

不同土壤环境中固氮根瘤的生物量、形状、大小、分布有不同的特点。在砂质冲积土、风积砂土和潮积砂土3类土壤中，潮积砂土最适合固氮根瘤的生长发育。土壤中氮的流通量很可能决定木麻黄固氮根瘤的生物量。土壤的pH值、粒性和结构、含水量都对固氮根瘤的生长发育有一定影响。