尽管根/土界面一般是指根围数毫米范围内的微域土区, 但该微区中物理、化学和生物学状况直接影响着土壤中水分、养分的向根迁移、转化和有效性, 影响着植物根的吸收和生理活性(刘芷宇等, 1997), 因此对于该微区的研究在理论与实践上都具有极为重要的意义。由于土壤有效P含量较低以及土壤对P较强的固定作用, 使得土壤中P的生物有效性往往较低, 成为植物高产的主要限制因子之一(袁可能, 1983;陆景陵, 1994;Hinsinger et al., 1996), 因此, 植物对土壤中P的吸收取决于近根土壤处的P浓度与扩散系数, 存在于根/土界面范围内根系与土壤间的相互作用对于P的植物有效性具有显著影响(Nye et al., 1987;Marschner et al., 1990)。通过NH₄⁺-N与NO₃^--N来调控根/土界面pH值以研究该界面pH值变化与植物养分有效性间的关系, 是由Riley与Barber等较早开始的(Riley et al., 1971;Silber et al., 1998)。以后在众多的此类研究中, 已有一些证据表明P等难溶性矿质养分的有效性或溶解性依赖于不同N素形态引起的根/土界面pH值的变化及与其他养分的相互作用(Sarker et al., 1982;张福锁, 1993;邹春琴等, 1994;Teng et al., 1995;安志装等, 2002)。但由于研究重点的不同, 以往有关该方面的研究, 多以农作物为研究对象, 而针对于林木方面的研究还较少。另外, 受试验条件的限制, 在研究方法上, 以往多采用比较粗放的从根系剥离土壤的方法以获得根际土壤样品, 这样只能对近根处的理化状况等给出一个总体评价, 而距根面不同距离处的土壤pH值及养分梯度的变化详情不得而知。本文以落叶松(Larix gmelinii)苗木为研究对象, 采用国际上较先进的根垫-冰冻切片法, 并加以改进, 旨在阐明不同N素形态处理时苗木根/土界面pH值的梯度变化及其对P、Fe等养分有效性的影响与作用机制, 为苗木及人工林根际微域环境的调控及苗木的科学经营与合理施肥等提供技术支撑和理论依据。

供试土壤采自中国科学院长白山森林生态系统定位研究站1号样地, 土壤类型为典型暗棕壤。将地表枯枝落叶清除后, 采集A层0 ~ 25 cm土壤。过5 mm粗筛以去除大的石砾与植物根系, 经风干后再过2 mm细筛, 以备不同试剂处理。供试土壤主要养分含量为全N :3.4 g·kg^-1; 全P :1.8 g·kg^-1; 全K :9.8 g·kg^-1; 碱解N :340.8 mg·kg^-1; 铵态N :12.64 mg·kg^-1; 硝态N :2.71 mg·kg^-1; 有效P :23.51 mg·kg^-1;有效K :196.25 mg·kg^-1; pH(H₂O):6.33。

采用2种N源分别为NH₄Cl、KNO₃, 2种P源分别为易溶性的Ca(H₂PO₄)₂(PS)与难溶性的P矿粉(PR)。处理方式分别为:NH₄Cl+P0(不加P, 即纯铵态N处理), NH₄Cl+PS, NH₄Cl+PR; KNO₃+P0(不加P, 即纯硝态N处理), KNO₃+PS, KNO₃+PR, 连同对照共7种处理, 每处理8个重复。加入的N与P浓度分别为400与200 mg·kg^-1。具体加入方法是将一定量分析纯试剂溶于100 mL蒸馏水中, 然后与一定量风干土壤均匀混合。为保证各处理间K、Ca含量的相似, 各处理均加入一定量的KCl或CaCl₂。为防止发生硝化作用(NH₄⁺→NO₃^-), 在土壤处理过程中, 同时以溶液形式加入硝化抑制剂二氰二胺(dicyandiamide, DCD), 施入量为60 mg·kg^-1(在苗木培育15 d后, 以溶液形式再次加入DCD, 加入量为30 mg·kg^-1), 然后备用。P矿粉直接与土壤混合。

供试苗木为2年生落叶松苗。采用kuchenbuch与Jungk的根垫-冰冻切片法实验装置并加以改进后进行模拟培育(Kuchenbuch et al., 1982)。每盆(盆口直径20 cm, 高25 cm)先装5.0 kg经不同试剂处理的土壤, 并重新湿润到含水量为150 g·kg^-1, 使之具有平滑的表面, 再用孔径25 μm的尼龙网纱贴紧, 将冲洗后的5株大小一致的苗木根系在尼龙网纱上排成平面, 以形成根垫置于尼龙网纱的上面。为防止蒸腾强度高时出现凋萎现象, 在根垫区也添加约1 cm厚的同样土层。每隔一定时间用称重法浇水1次, 以使土壤含水量维持在田间持水量附近。

根垫与土壤接触25 d后, 移走根垫及尼龙网纱, 将植株称重分样, 烘干后以备分析用。将尼龙网纱下的土壤连同盆钵放入低温冰柜中冰冻24 h后, 稍回暖, 取出冰冻土壤, 在电动刀具上切成小块(6 cm×5 cm×7 cm), 然后用切片机将土壤自根垫向下方向切成1 mm厚的薄片, 以获得距根面不同距离处的土壤样品, 对于同一处理, 其各重复中同一距离处的土壤薄片混合成1个样品, 以备测试样品不足。

样品分析方法  土壤pH值:电位法测定, 土水比为1:2.5;土壤有效P :以0.03 mol·L^-1 NH₄F-0.025 mol·L^-1 HCl浸提-钼锑抗比色法测定; 土壤有效Fe:以CH₃COONH₄浸提-原子吸收分光光度法测定(刘光菘等, 1996);植物样品P :用HNO₃—HClO₄混合液消煮, 待测液采用钼锑抗比色法测定P; 植物样品Fe :以干灰化法灰化样品后用稀HCl溶解灰分, 再用原子吸收分光光度法测定(董鸣等, 1996)。

数据分析方法  试验数据采用Execl-SPSS10.0统计软件处理。

由图 1可知, 无论是何种处理, 苗木根/土界面处的pH值均呈现出一定的梯度变化。对照处理中, 根/土界面处pH值较土体略有下降, 在距根面0 ~ 1 mm处, pH值较土体下降约0.30个单位, 表明落叶松苗木本身对根/土界面pH值的影响不大。受不同N素形态及P源处理后, 落叶松苗木根/土界面pH值较对照处理均发生了变化。与对照比较, 纯铵态N处理使根/土界面处pH值趋于降低, 且距根面愈近, 降低的幅度愈大, 在距根面约0 ~ 1 mm处, pH值较土体下降约1.5个单位。整个降低区域主要集中在0 ~ 5 mm范围内, 而在距根面约10 mm处, pH值趋于平缓而逐渐过渡到土体pH值。本试验中铵态N引起的根/土界面pH值下降的幅度, 略低于黑麦草(Lolium rigidum)试验中1.6 pH单位的下降幅度, 也低于农作物油菜(Brassica napus)从pH 6.6到pH 4.9的下降幅度(Gahoonia et al., 1992)。

与对照相比较, 纯硝态N处理使根/土界面处pH值升高。通过与铵态N引起的根/土界面pH值的变化比较可知, 施入相同浓度的N源后, 硝态N引起的根/土界面pH值较对照升高的幅度要低于铵态N处理引起的根/土界面pH值较对照下降的幅度, 如在距根面0 ~ 1 mm的范围内, 硝态N处理后pH值较对照约升高0.50个单位, 而铵态N处理后pH值较对照约下降1.3个单位。

尽管引起根/土界面pH值改变的原因很多, 也十分复杂, 但一般认为由于根系吸收阴阳离子比率不同, 通过体内生理调节机制向根外释放H⁺或OH^-, 从而达到生理酸碱平衡, 是引起根/土界面pH值变化的主要原因(Gijsman et al., 1990;张福锁, 1993)。由于N素是植物生长发育过程中通过根系吸收量较多的一种矿质元素, 因此, 根系以何种方式吸收N素便对阴阳离子平衡产生着直接的重要影响。一般认为, 施用铵态N时, 由于总吸收量中阳离子量大于阴离子量, 植物为了维持体内电荷平衡和细胞正常生长所需的pH值, 根系分泌出质子, 使根/土界面pH值下降; 而施用硝态N时, 在总吸收量中阴离子量大于阳离子量, 根系分泌出OH^-1或HCO₃^-, 使根/土界面pH值上升(Rollwagen et al., 1988;Silber et al., 1998)。

硝态N处理根/土界面pH值的上升幅度, 一般低于铵态N处理pH值的下降幅度。可能是由于铵态N被吸收后主要在根部进行代谢, 每吸收一定量的铵态N, 就会有等量的质子释出。硝态N被吸收后所引起的pH值上升幅度较小, 这主要与硝态N进入体内后的还原位置有关。有些植物吸收的硝态N, 除存留在根部一小部分外, 其余大部分则运输至地上部进行还原, 代谢过程中所产生的OH^-或HCO₃^-不易通过根系全部释出, 且本身还需存留一部分供代谢之用, 这样, 根/土界面pH值上升的幅度也就较小(张福锁, 1993)。

由图 1还可看出, 无论是铵态N处理引起的苗木根/土界面pH值的下降, 还是硝态N处理引起的苗木根土界面pH值的升高, 都受P源种类的影响。对于铵态N处理, 配施难溶性矿物P(PR)时, 引起的根/土界面pH值下降的幅度, 较纯铵态N处理时减小, 二者相差约0.8个pH单位; 而对于硝态N处理, 配施难溶性矿物P时, 根/土界面pH值上升的幅度, 较纯硝态N处理时增加, 二者相差约0.3个pH单位。这可能主要是由于施用铵态N时所引起的质子分泌, 有一部分参与了难溶性矿物态P的溶解, 矿物P溶解时对质子的消耗缓冲了根/土界面处pH值的降低, 致使近根面土壤中pH值下降的幅度也较小。同样, 由于难溶性P处理时对质子的消耗, 而使硝态N引起的根/土界面处pH值上升的幅度加大。另外, 无论是何种N素形态处理, 配施易溶性P(PS)时, 铵态N引起的根/土界面pH值的下降, 与纯铵态N处理时相似, 而硝态N引起的根/土界面pH值的上升, 与纯硝态N处理时相似, 表明易溶性P对不同N素形态引起的根/土界面pH值变化的影响不大。

图 1 不同N素形态对落叶松苗木根/土界面pH梯度的影响 Fig. 1 Effect of different N sources on the soil pH value gradient in the root/soil interface of Larix gmelinii seedlings

由图 2可知, 不同P源处理时, 根/土界面处有效P含量受N源种类的影响。对于易溶性P处理, 无论施加铵态N还是硝态N, 近根面处有效P含量均较不加P时表现出增加。对于难溶性矿物P处理, 施加铵态N时, 近根面处的有效P含量较不加P时表现出增加, 而且仅限于距根面约0 ~ 3 mm处, 远距离处(≥4 mm)有效P含量水平与不加P处理时相似; 施加硝态N时, 近根面土壤中的有效P含量, 均与不加P处理时相似, 而未出现施加铵态N时在距根面0 ~ 3 mm处有效P含量增加的现象。该结果表明, 施加铵态N时引起的根系分泌氢离子, 是根/土界面处难溶性矿物P溶解的主要驱动力, 但这种影响仅限于距根面很近的范围。因为质子自根系分泌后, 再向远距离处即土体逐渐扩散, 超过一定距离后这种影响逐渐减弱, 甚至消失, 致使难溶性矿物P受质子溶解的效应随着距根面距离的增加而减弱。其他一些研究也证实了根系可以诱导黑麦草、三叶草(Trifolium subterraneum)及茶树(Camellia japonica)中难溶性矿物磷酸盐的溶解(Hinsinger et al., 1996;Zoysa et al., 1997)。

图 2 不同N素形态对苗木根/土界面有效P浓度梯度的影响 Fig. 2 Effect of different N sources on the concentration gradient of available P in the root/soil interface of the seedlings

施加铵态N并不施P或只配施易溶性P时, 在距根面0 ~ 4 mm处的有效Fe含量较其他距离处增加, 表明铵态N引起的根/土界面处pH的降低, 对近根处的难溶性Fe起到了一定的活化作用, 使该处有效Fe含量增加。施加铵态N并配施难溶性P时, 近根面处的有效Fe含量虽也高于其他距离处的有效Fe含量, 但低于不施P或只施易溶性P时近根面处的有效Fe含量, 表明难溶性矿物P通过对质子的消耗, 而对铵态N引起的pH降低作用起到了一定的缓冲作用, 进而对Fe的活化也产生了一定的抑制作用(图 3)。

图 3 不同N素形态对落叶松苗木根/土界面有效Fe浓度梯度的影响 Fig. 3 Effect of different N sources on the concentration gradient of available Fe in the root/soil interface of the seedlings

施加硝态N时, 无论配施何种P源, 有效Fe含量在距根面不同距离处的分布差异较小, 而且均分别低于施加铵态N时近根面处的有效Fe含量。表明施加硝态N时引起的近根面处pH的升高, 对根/土界面处难溶性矿物Fe的活化产生了一定的抑制作用。在不施P或只配施易溶性P时, 有效Fe含量高于配施难溶性P时的有效Fe含量, 表明难溶性矿物P的添加, 通过对质子的消耗对难溶性Fe的活化也起到了一定的抑制作用。

总之, 由于铵态N处理引起的根/土界面酸化的结果, 使近根面处Fe的有效性增加, 而硝态N引起的根土界面处pH的升高, 使Fe的有效性降低。但无论何种N素形态处理对Fe有效性的影响, 均与P源种类有关。

为进一步阐明不同N素形态处理对根/土界面处P、Fe等养分有效性的影响, 对苗木叶中P、Fe含量也进行了测定(图 4)。不同N素形态处理使苗木叶中P、Fe浓度出现显著差异。与不同N素形态处理时苗根/土界面处有效P、Fe浓度相比较可以知, 根/土界面处有效P、Fe浓度较高时, 苗木叶中P、Fe浓度也表现出较高, 通过相关分析表明, 二者具有较好的相关性。尤其值得注意的是, 由于铵态N处理引起的根/土界面酸化的结果, 致使近根面处难溶性矿物P的有效性显著提高, 进而使苗木对P的吸收增加; 硝态N处理在促进难溶解矿物P吸收方面所起的作用很小。

图 4 不同N素形态处理对落叶松苗木叶P、Fe浓度的影响 Fig. 4 Effect of different N sources on the concentrations of P and Fe in the leaves of Larix gmelinii seedlings

1) 不同N素形态处理对落叶松苗木根/土界面pH值具有不同的影响。铵态N处理后苗木根/土界面pH值较对照降低, 硝态N处理后苗木根/土界面pH值升高, 且在浓度相同时铵态N处理使根/土界面pH值降低的幅度大于硝态N处理后根/土界面pH值升高的幅度, 这主要与不同N源的生理代谢特点有关。

2) 不同N素形态使苗木根/土界面pH值变化的幅度受P源种类及距根面距离的影响。对于铵态N处理, 施加易溶性P时, 根/土界面处pH值的梯度分布与纯铵态N处理时相似, 而施加难溶性矿物P时, 铵态N引起的根/土界面处pH值下降的幅度减小; 对于硝态N处理, 施加易溶性P时, 根/土界面处pH值的梯度分布与纯硝态N处理时相似, 而施加难溶性矿物P时, 硝态N引起的根/土界面pH值上升的幅度显示出增加。表明难溶性矿物P对根系分泌的质子具有消耗作用, 进而对不同N素形态处理引起的根/土界面pH值的变化产生影响。

3) 不同P源处理时根/土界面处有效P含量受N素形态的影响。对于易溶性P处理, 加入铵态N或硝态N时近根面处有效P含量均较纯铵态N或纯硝态N处理增加。对于难溶性矿物P处理, 加入铵态N时, 仅距根面0 ~ 3 mm处有效P含量增加明显, 而加入硝态N时, 近根面处有效P含量与纯硝态N处理时相似。表明铵态N处理引起的根系分泌质子, 对根/土界面处难溶性矿物P的溶解产生了作用, 是根/土界面处难溶性矿物P溶解的主要驱动力。

4) 由于铵态N引起的根/土界面酸化的结果, 使近根面处Fe的有效性增加, 而硝态N引起的根/土界面处pH的升高, 使Fe的有效性降低。无论何种N源, 对Fe有效性的影响, 均受P源种类的作用。无论何种N素形态处理, 配施难溶性矿物P时, Fe的有效性较低。

5) 不同N素形态处理时, 苗木叶中P、Fe浓度具有显著差异。由于铵态N处理引起的根/土界面酸化的结果, 致使近根面处难溶性矿物P的有效性显著增加, 进而使苗木对P的吸收增加; 而硝态N处理在促进难溶解矿物P吸收利用方面所起的作用甚微。