土壤活性铝浓度对Retisol中紫花苜蓿寿命的影响

《Cogent Food & Agriculture》：Effect of mobile aluminum concentration on alfalfa longevity in Retisol

　　

Retisol中土壤养分平衡以及氢离子和铝离子浓度对紫花苜蓿长期生产力具有关键影响。本研究旨在评估Retisol中不同浓度活性铝对紫花苜蓿寿命及其春季再生潜力的影响。当活性铝浓度不超过25.0 mg kg-1时，紫花苜蓿种质表现出最佳的农业生物学潜力。活性铝浓度对紫花苜蓿越冬的临界阈值为50.0 mg kg-1。当土壤中活性铝浓度高于50.0 mg kg-1时，存活苜蓿可维持长达3年；而当浓度达到65.0–95.0 mg kg-1时，苜蓿在第一个冬季后即消失。最大生产力（种子产量和初花期干物质产量）出现在活性铝浓度为0.0–25.0 mg kg-1的条件下。随着土壤中活性铝浓度的增加，干物质产量和种子产量显著下降（r = –0.565*）。

一、研究背景与目的

紫花苜蓿（Medicago sativa L.）是全球广泛种植的重要多年生豆科牧草，其寿命长短直接影响草地总产量和经济效益。然而，苜蓿的生长受环境条件和土壤状况的强烈影响，尤其是土壤酸度和养分有效性。当土壤pH值低于5.5时，活性铝（Al³⁺）浓度升高，成为限制苜蓿生长的主要因素之一。可溶性铝会抑制根尖分生组织活性、破坏细胞分裂、减少细根形成，进而损害水分和养分吸收。此外，酸性条件下磷的有效性显著降低（30%以上），进一步制约苜蓿生产力。已有研究表明，不同苜蓿基因型对铝胁迫的耐受性存在差异，导致在相同土壤条件下其持久性、根系活力和植株密度呈现显著差别。立陶宛及许多欧洲国家的土壤中，部分区域的活性铝浓度已超过植物毒性水平。因此，本研究的目的是评估Retisol中不同浓度活性铝对苜蓿寿命及其春季植被恢复期间再生潜力的影响。

二、研究方法

研究在立陶宛农业与林业研究所Vezaiciai分站的长时期田间试验中进行，地点位于立陶宛西部（55°70′ N, 21°49′ E）。供试土壤为Bathygleyic Distric Glossic Retisol，质地为冰碛壤土，黏粒含量8.0%。研究选用了来自不同国家及立陶宛当地的30份苜蓿种质（19个品种和11个群体），于2020年播种，采用随机区组设计，六次重复。依据土壤中活性铝浓度将试验地分为四组：0.0–25.0、25.0–50.0、50.0–65.0和65.0–95.0 mg kg^-1。关键分析方法包括：土壤pH_KCl采用电位法测定；有效磷和钾采用Egner-Riehm-Domingo（AL）法；有机碳采用杜马斯干烧法；活性铝采用Sokolov滴定法（1 M KCl提取）；全氮采用凯氏定氮法；交换性钙和镁采用缓冲液法。苜蓿农艺性状测定包括：越冬性（1–9级评分）、株高、茎数、干物质产量（DMY，初花期）和种子产量（SY）。

三、研究结果

3.1 土壤剖面一般参数

土壤反应在整个一米层内呈极强酸性（pH_KCl 4.00–4.33），随深度增加pH值显著下降。耕层（0–20 cm）有毒铝含量超过植物毒性限值3倍（58.93–63.30 mg kg^-1），而60–100 cm深处有毒铝浓度比非植物毒性水平（20 mg kg^-1）高出6–7倍，最高值（158.67 mg kg^-1）出现在80–90 cm深度。土壤有机碳含量在表层最高（0–10 cm达1.08%），向下显著减少。交换性钙和镁在不同深度间无显著差异。全氮和有效磷主要集中在0–20 cm表层，30 cm以下有效磷急剧降低。有效钾在整个剖面分布相对均匀，变异系数较低（7%–15%）。

3.2 苜蓿农业生物学参数

活性铝浓度显著影响苜蓿种质的农艺性状。在活性铝浓度为0.0–25.0 mg kg^-1的土壤中，苜蓿第二和第三生长年的越冬性显著优于第四和第五年（分别好1.1和1.6倍）。当活性铝浓度达到50.0–65.0 mg kg^-1时，第二年即出现越冬性下降。而在65–95 mg kg^-1的土壤中，第一个冬季后苜蓿即严重稀疏，仅存零星植株。整个研究期间，仅0.0–25.0和25.0–50.0 mg kg^-1两组中苜蓿持续存活。第三年生长的苜蓿株高显著高于其他年份（高1.4–1.8倍）。在活性铝浓度50.0–65.0 mg kg^-1下，苜蓿在第三年后消失。茎数方面，0.0–25.0 mg kg^-1组在第二年为144.1单位 m^-2，第三和第五年显著增至215.9和210.3单位 m^-2。50.0–65.0 mg kg^-1组的茎数平均比低铝组少2.2倍。干物质产量方面，0.0–25.0 mg kg^-1组在第二和第三年稳定最高（均为4.8 t ha^-1），显著高于其他组。50.0–65.0 mg kg^-1组第二年仅为1.5 t ha^-1，第三年降至0.4 t ha^-1。65–95 mg kg^-1组第二年仅0.3 t ha^-1。种子产量方面，0.0–25.0 mg kg^-1组第二年最高（276.3 kg ha^-1），显著高于后期年份。25.0–50.0 mg kg^-1组的种子产量在各年份均比低铝组低1.5–1.7倍。50.0–65.0 mg kg^-1组种子产量极低（第二年41.0 kg ha^-1，第三年73.7 kg ha^-1），65–95 mg kg^-1组仅为12.0 kg ha^-1。

四、讨论与结论

讨论部分指出，立陶宛西部降雨量大，淋洗作用强烈，导致土壤酸化加剧，氢离子和铝离子在吸附复合体中积累。本研究中的未施石灰土壤因母质缺乏碳酸盐且碱基被淋失而呈现低pH。有机碳在表层的富集是典型现象，而50–60 cm深处的异常升高可能与上层淋洗或埋藏有机质有关。土壤酸度对交换性钙含量影响最大，钙缺乏会阻碍根伸长，使植物无法获取深层养分。磷在30 cm以下急剧下降是其低移动性和固定作用的直接后果。活性铝对苜蓿的毒害主要表现为根系发育严重受阻，进而影响水分和养分吸收，最终降低生长和产量。越冬性是决定苜蓿寿命的关键，研究发现活性铝浓度与越冬评分呈强正相关（r = 0.820, p < 0.01），表明不利土壤条件具有累积效应。活性铝浓度与株高（r = –0.690, p < 0.01）、茎数（r = –0.846, p < 0.01）和干物质产量（r = –0.869, p < 0.01）均呈强负相关。种子产量对活性铝最为敏感，两者呈显著负相关（r = –0.565*）。研究结论翻译如下：

所研究的土壤剖面反映了受人类经济活动影响的土壤特征，体现了Retisol上的自然人为负荷。该土壤在一个深度上呈极强酸性（pH 4.00–4.33），活性铝浓度在深层超出临界限值（20 mg kg^-1）高达七倍。主要养分（氮、磷）和有机碳集中在0–20 cm表层，其含量随深度显著下降（50–60 cm处除外）。土壤具有中等水平的有效钾资源（50–60 cm深度除外）。土壤剖面中交换性钙和镁含量在不同深度间无统计学显著差异。该土壤的化学组成不利于苜蓿生长发育。

土壤中活性铝浓度决定了苜蓿种质的越冬性、作物寿命和生产力。活性铝浓度与植物存活之间存在直接的负相关关系。当活性铝浓度超过50.0 mg kg^-1限值时，苜蓿在第三年后消失；当达到65.0–95.0 mg kg^-1时，第一个冬季后即出现严重的作物群体减少。在整个研究期（5年）内，仅活性铝浓度低于50.0 mg kg^-1的组别保持了作物活力。

随着土壤酸度和活性铝浓度升高（超过50.0 mg kg^-1），苜蓿形成的茎数比低铝浓度组平均少2.2倍。

最大且稳定的干物质产量（4.8 t ha^-1）仅在活性铝浓度为0.0–25.0 mg kg^-1时达到。超过此限值后，干物质产量统计上显著下降；在50.0–65.0 mg kg^-1浓度下，第三年干物质产量仅为0.4 t ha^-1。

种子产量是反映土壤活性铝浓度影响的最敏感指标。最高种子产量出现在苜蓿第二生长年且活性铝浓度最低的条件下。当活性铝浓度升至25.0–50.0 mg kg^-1时，各研究年份的种子产量降低1.5–1.7倍；超过50.0 mg kg^-1限值时，苜蓿变得不具生产力（产量不超过73.7 kg ha^-1）。