古尔班通古特沙漠宽翅菘蓝和四齿芥在沙土和灰漠土中的生长差异.pdf
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1、第 41 卷 第 4 期2023 年 8 月石河子大学学报(自然科学版)Journal of Shihezi University(Natural Science)Vol.41 No.4Aug.2023收稿日期:2022-11-14 基金项目:荒漠与绿洲生态国家重点实验室开放基金(KH0054)作者简介:丁思佳(1997),女,硕士研究生,专业方向为干旱区生物多样性。通信作者:庄丽(1968),女,教授,从事植物学方向的研究,e-mail:1549569170 。DOI:10.13880/ki.65-1174/n.2023.23.019文章编号:1007-7383(2023)04-0461-0
2、8古尔班通古特沙漠宽翅菘蓝和四齿芥在沙土和灰漠土中的生长差异丁思佳,李桂芳,吕新华,王仲科,程模香,庄丽(石河子大学生命科学学院,新疆 石河子 832003)摘要:探讨短命植物在不同土壤类型下的适应能力和生存策略,以古尔班通古特沙漠地区的 2 种优势十字花科短命植物宽翅菘蓝(Isatis violascens)和四齿芥(Tetracme recurvata)为研究对象,分析生长在该地区沙土和灰漠土区域内短命植物的形态特征、营养物质含量分布以及光合色素含量的生长差异。结果表明:(1)2 种植物的根际灰漠土有机质、全氮、全磷等含量显著高于根际沙土(P0.05),且各土壤综合肥力均在 1.101.3
3、0 范围内,肥力等级为 III级;(2)灰漠土中短命植物株高、鲜重、含水量均显著高于沙土中植物(P0.05),表明灰漠土中植物具有良好的生长状态;(3)灰漠土中短命植物地上全氮、全钾及地下全氮、全磷、全钾显著高于沙土中植物(P0.05),表明灰漠土中植物具有较强的氮、磷、钾的储存能力;(4)灰漠土中短命植物叶绿素 b 显著高于沙土中植物(P0.05),表明灰漠土中植物具有较高传递光能的能力。综上,不同土壤下短命植物的生长特性具有差异性,土壤养分可能是影响短命植物在多样土壤类型下分布的重要原因。关键词:土壤肥力;形态特征;营养物质含量;光合色素中图分类号:Q948文献标志码:AGrowth di
4、fference of Isatis indigotica and Tetracme recurvata in sandy soil and gray desert of Gurbantunggut DING Sijia,LI Guifang,LYU Xinhua,WANG Zhongke,CHENG Moxiang,ZHUANG Li(College of Life Sciences,Shihezi University,Shihezi,Xinjiang 832003,China)Abstract:To explore the adaptive ability and survival st
5、rategies of ephemeral plants in different types of soils,the morphological char-acteristics,nutrient content distribution and photosynthetic pigment contents of ephemeral plants growing in sandy soil and gray desert soil were analyzed,with Isatis violascens and Tetracme recurvata,two dominant specie
6、s of ephemeral plants in the cruciferous family in Gurbantunggut desert region,as the study objects.The results showed as follows:(1)The contents of organic matter,total nitrogen and total phosphorus in rhizosphere grey desert soil were significantly higher than those in rhizosphere sandy soil(P0.05
7、),and the comprehensive fertility of all soils was Grade III,within 1.10 to 1.30.(2)The plant height,fresh weight and water content of ephem-eral plants in gray desert soil were significantly higher than those in sandy soil(P0.05),indicating a good growth state of plants in gray desert soil.(3)The a
8、boveground total nitrogen,total potassium,and subsurface total nitrogen,total phosphorus and total potassi-um of ephemeral plants in gray desert soil were significantly higher than those in sandy soil(P0.05),indicating a strong storage ca-pacity of nitrogen,phosphorus and potassium of plants in gray
9、 desert soil.(4)The chlorophyll b of ephemeral plants in gray desert soil was significantly higher than that in sandy soil(P0.05),indicating a higher light energy transfer capacity of plants in gray desert soil.In summary,ephemeral plants have different growth characteristics in different soils,and
10、soil nutrients may be an important factor affecting the distribution of ephemeral plants in various soils.Key words:soil fertility;morphological characteristics;nutrient content;photosynthetic pigment古尔班通古特沙漠位于准噶尔盆地中央,植被覆盖率相对率较低,但短命植物是该地区早春荒漠462 石河子大学学报(自然科学版)第 41 卷生态系统的重要组成部分1-2。在春季,短命草本植物种类就占该沙漠全部
11、植物物种的 47%,能够有效的抑制沙地表面的活动性,对保持沙漠稳定、防风固沙起到重要作用,是植被稳定沙面的主要贡献者3。十字花科是早春短命植物区系组成中最多的种类之一,约占所有种数的 15%,宽翅菘蓝(Isatis violascens)和四齿芥(Tetracme recurvata)是古尔班通古特沙漠中主要的十字花科短命植物,其频度分别为 37%和 70%,重要值达 12%和 24%,具有重要的生态功能2,4。有研究表明5,四齿芥主要分布于该沙漠中部和南部,宽翅菘蓝主要分布于南部,其分布差异主要是受到气候、地形高度、土壤以及生物结皮盖度等环境因子的影响。而该地区的典型性土壤沙土和灰漠土是短命
12、植物最适宜分布的基质,2 种土壤的质地和养分含量具有显著差异6-7,可为检验不同土壤对短命植物生长的潜在影响提供了理想的研究场所。Karlen8提出,土壤质量是维持动植物生产力、环境质量以及动植物健康的综合,土壤养分作为土壤质量评价的重要指标,对土壤肥力进行综合评价能够较为全面的反映土壤质量。同时,土壤是植物生长发育的重要来源,植物可通过调整植物的形态特征、营养物质分布以及光合能力等特性去适应不同土壤类型,以便顺利完成生活史过程9。但目前,土壤异质性对短命植物的形态、营养物质及光合色素含量的影响研究鲜有报道。其中植物个体的生长是不同器官 在环境中 产生不断 变 化 的 一 个 过程10;碳、氮
13、和磷等作为植物各项活动所需基本化学元素,其平衡与稳定关系到植物生长和各种生理机能的调节11;光合色素主要包括叶绿素和类胡萝卜素,均在植物光合作用中发挥着极其重要的作用12,以上植物指标的变化均可反映植物对环境变化的适应策略。因此,本研究的主要目的如下:(1)评估 2 种短命植物宽翅菘蓝、四齿芥下的根际沙土和根际灰漠土的养分差异和土壤肥力状况;(2)比较不同土壤下 2 种短命植物的形态特征、营养物质含量和光合色素含量。剖析古尔班通古特沙漠不同土壤的肥力状况及不同土壤下短命植物的形态、营养物质分布和光合色素含量是否存在差异,并以此深入了解该区域短命植物的分布情况、功能特征以及生存策略,为日后研究荒
14、漠植被对环境的响应和适应特征积累一定的理论依据。1 材料与方法1.1研究区概况研究区位于准噶尔盆地中央的古尔班通古特沙漠(44.1546.50N,84.50 91.20E),是我国面积最大的固定与半固定沙漠,属于温带内陆荒漠气候。该地全年日照 2 777 h,年积温达 3 000 3500,年降水量约 70150 mm,年蒸发量在 2 000 mm 以上。研究区植被主要以梭梭(Haloxylon ammodendron)、琵琶柴(Reaumuria songonica)、狭果鹤虱(Lappula semiglabra)、尖喙牻牛儿苗(Erodium oxyrhinchum)、碱蓬(Suaeda
15、 glauca)等为主2,13。1.2实验材料的选择和采集在研究内选择地势相对平坦且具有 2 种目标植物广泛分布的沙土和灰漠土的区域作为大型样方,再将其划分为 3 块(10 m10 m)的小型样方,每个小型样方之间至少间隔 2 m。随机选择植株规格基本一致的宽翅菘蓝、四齿芥,并采用全株挖掘法获取完整的植株样本,在各大型样方内每种植物共采集30 株,采集后用去离子水将植株清洗干净并带回实验室进一步处理。在采集植物样品的相对应位置进行土壤样品采集,使用土壤采样器收集 0 30 cm 土层的植物根际土壤,将收集的土壤密封在自封袋中,并在室内风干过筛后进行土壤理化性质测定。1.3植株形态测定植物根长和
16、株高使用精度为 0.01 cm 的卷尺进行测量。将植株分成地上和地下 2 部分,使用精度为 0.000 1 g 的分析天平称重植物地上和地下鲜重,将植物样品置于(105 2)的烘箱烘干,直至后1 次减少量比前面差量小于 0.1%时终止烘干,即植物地上和地下减 少量即为地 上含 水 量 和 地 下 含水量。1.4植物营养物质和土壤养分的测定测定土壤有机碳采用重铬酸钾氧化法,全氮采用高氯酸-硫酸消化法,全磷采用酸溶-钼锑抗比色法,全钾采用酸溶-原子吸收法,铵态氮采用氯化钙浸提,速效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法,速效钾采用乙酸铵浸提-原子吸收法14。植物营养物质的测定项目为有机碳、全氮、全磷、全
17、钾,其测定方法与土壤测定相应项目方法一致。1.5营养元素生物吸收系数生物吸收系数(A)反映了植物从环境中吸收和积累化学元素的能力。为有效地量化植物对土壤中第 4 期丁思佳,等:古尔班通古特沙漠宽翅菘蓝和四齿芥在沙土和灰漠土中的生长差异463 每种养分的吸收能力,并计算每种养分的生物吸收系数15,计算公式如下:A=Lx/Nx。(1)式中,Lx 为 x 元素在植物体各部分的含量,Nx为相应的土壤中 x 元素的含量。1.6光合色素含量的测定为分析植物光合能力,采用分光光度法测定光合色素16。将 0.1 g 新鲜叶片样品研磨后放置到5 ml 80%丙酮中摇匀遮光浸提 48 h,将匀浆过滤并用 80%丙
18、酮稀释至 25 ml,随后用分光光度计分别测定 470、646、652、663 nm 处的吸光度值,并计算叶绿素 a、叶绿素 b、叶绿素 a+b 和类胡萝卜素含量。计算公式如下:Ca=(12.21A663)-(2.81A646);Cb=(20.13A646)-(5.03A663);Ca+b=1 000A65234.5;Car=1 000A470-3.27Ca-104Cb229;相应色素的含量=(色素浓度V稀释倍数)/W。(2)式中,A 为某波长处的吸光度;Ca为叶绿素 a浓度;Cb为叶绿素 b 浓度;Ca+b为叶绿素总浓度;Car为类胡萝卜素浓度;V 为 80%丙酮萃取叶绿素的最终体积;W 为
19、植物鲜重。1.7土壤肥力评价及等级划分采用改进后的内梅罗指数对土壤肥力进行综合评估17。选取土壤有机质、全氮、全磷、全钾、铵态氮、速效磷、速效钾共 7 个指标综合反映土壤肥力状况。参照全国第二次土壤普查中土壤养分分级标准并划定内梅罗评估方法中土壤指标分级标准,对数据标准化(单项肥力指标),以消除各参数之间的量纲差别,以及计算土壤肥力系数(土壤综合肥力指数),并将土壤进行肥力分级(表 1)。计算公式如下18:数据标准化(单项肥力指数)公式:Pi=Ci/Xa,(Pi1)CiXa;Pi=1+Ci-XaXc-Xa,(1Pi2)XaCiXc;Pi=2+Ci-XcXp-Xc,(2Pi3)XcXp。(3)式
20、中,Pi 为指标 i 的单项肥力指数,反应该指标的丰富度;Ci 为指标 i 的实际数据;Xa、Xp、Xi 为指标的分级标准值。改进后的内梅罗指数计算公式:NPI=(Pave)2+(Pimin)22n-1n。(4)式中,NPI 为土壤综合肥力指数;Pave为土壤各单项肥力指数的均值;Pimin为所有单项肥力指数中的最小值;n 为参与指标个数。表 1土壤肥力分级标准肥力等级范围2.71.8NPI2.70.9NPI1.8NPI0.91.8数据分析利 用 Microsoft Excel 2018 对数 据进行整理,SPSS 20.0 对数据进行 t 检验显著性分析,采用 Ori-gin 2018 作图
21、。2 结果与分析2.1沙土和灰漠土的土壤养分差异和土壤肥力评估如表 2 所示,2 种短命植物下的根际沙土和根际灰漠土有机质、全氮、全磷、全钾、铵态氮、速效钾含量均存在极显著差异(P0.05)。从整体上看,2 种短命植物下的灰漠土有机质、全氮、全磷、全钾、铵态氮含量均显著大于沙土,而速效钾含量显著小于沙土(P全磷速效钾速效磷全氮有机质铵态氮。整体上,2 种短命植物的根际土壤的各单项肥力指标均表现出灰漠土沙土。如图 1C 所示,宽翅菘蓝下的沙土和灰漠土的综合肥力指数分别为1.10 和 1.25;四齿芥下的沙土和灰漠土的综合肥力指数分别为 1.10 和 1.23,2 种植物的根际土壤综合肥力指数均处
22、于 1.10 1.30 范围内,肥力等级为级。2.2沙土和灰漠土中短命植物地上、地下的营养物质和生物吸收系数的差异如图 2A 所示,沙土和灰漠土中短命植物地上、地下营养物质存在显著差异(P0.05)。与灰漠土中植物相比,沙土中宽翅菘蓝的地上全磷显著高出10.58%(P0.05),沙土中四齿芥的地上全磷极显著高出 8.97%(P0.01);与沙土中植物相比,灰漠土中四齿芥的地上全氮显著高出 8.95%(P0.05),地上全钾极显著高出 7.14%(P0.01)。464 石河子大学学报(自然科学版)第 41 卷表 2 2 种短命植物下的根际沙土和根际灰漠土的土壤养分差异植物种类土壤类型土壤养分有机
23、质/(g kg-1)全氮/(g kg-1)全磷/(g kg-1)全钾/(g kg-1)铵态氮/(mg kg-1)速效磷/(mg kg-1)速效钾/(mg kg-1)宽翅菘蓝沙土1.540.050.140.010.360.0120.270.204.010.585.930.27350.895.59灰漠土4.750.260.370.000.420.0021.480.176.460.615.610.11259.413.27显著性 ns 四齿芥沙土1.720.250.140.010.360.0120.250.274.940.165.730.39277.274.92灰漠土3.350.330.390.030
24、.440.0121.440.115.650.304.900.38236.374.26显著性 ns 注:表示差异极显著(P0.01),表示差异显著(P0.05)。A:宽翅菘蓝;B:四齿芥;C:综合肥力。图 1宽翅菘蓝和四齿芥根际土壤各单项肥力指标数值雷达图及综合肥力A:地上营养物质含量;B:地下营养物质含量;表示差异极显著(P0.01),表示差异显著(P0.05)。图 2不同土壤肥力下短命植物地上、地下营养物质含量第 4 期丁思佳,等:古尔班通古特沙漠宽翅菘蓝和四齿芥在沙土和灰漠土中的生长差异465 如图 2B 所示,与沙土中植物相比,灰漠土中宽翅菘 蓝 的 地 下 全 氮、全 磷、全 钾 极
25、显 著 高 出101.23%、76.74%、31.83%(P0.01),灰漠土中四齿芥的地下全氮、全磷、全钾极显著高出 32.08%、30.01%、20.26%(P灰漠土。2 种土壤下短命植物的地上、地下的各营养物质生物吸收系数的顺序均为:有机碳全氮全磷全钾,在一定程度上反应了植物对土壤养分的需求顺序。表 3土壤肥力下短命植物各部分营养物质的生物吸收系数植物种类土壤类型植物部分生物吸收系数有机碳全氮全磷全钾宽翅菘蓝沙土灰漠土地上部分 263.94 104.81 5.82 1.53 地下部分85.22 42.47 4.50 1.54 地上部分 261.17 16.91 1.20 1.20 地下部
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