酸性土壤上不同水稻品種耐低磷差異研究

李小莉，胡安永，王嘉林，肖 珣，沈仁芳，趙學強*

（1.土壤與農業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室/中國科學院 南京土壤研究所，江蘇 南京 210008；2.中國科學院大學，北京 100049；3.南通大學 地理科學學院,江蘇 南通 226019）

我國南方紅壤地區(qū)的水熱條件比較適宜農業(yè)生產，并且作物生產的潛力巨大，但是由于紅壤的酸性，作物的生長會受到抑制，不能充分發(fā)揮其巨大的氣候生產潛力［1］。在各種養(yǎng)分脅迫因子中，低磷脅迫是酸性土壤上限制作物生產潛力發(fā)揮的主要因子［2］。施用磷肥是緩解酸性土壤上植物缺磷的主要途徑。農民為了追求作物高產，過度投入肥料，導致過量的磷進入周圍的河流、湖泊等水體中，造成了水體富營養(yǎng)化，破壞了生態(tài)環(huán)境［3-4］。因此，增強作物對酸性土壤中積累態(tài)磷的利用、降低磷肥施用量，具有保護生態(tài)環(huán)境和節(jié)約資源的雙重意義。

水稻是對低磷脅迫較為敏感的作物類型［5］。我國農業(yè)磷肥用量中14%用于水稻［6］。酸性土壤缺磷并不是因為土壤中總磷少，而是因為磷被固持在土壤中，形成了鐵磷和鋁磷，其有效性低。不同作物種類的耐低磷能力不同，例如，豬屎豆、肥田蘿卜和象草常常種植在南方地區(qū)，這3種作物對難溶性磷的利用率以象草最大，肥田蘿卜次之，豬屎豆最?。?］。不同水稻品種的耐低磷能力也存在顯著差異［8-11］，但關于酸性土壤上不同水稻品種耐低磷能力差異機制的研究較少，因此，開展酸性土壤上不同水稻品種耐低磷差異的研究很有必要。

本研究在前期田間試驗的基礎上，以6 個水稻品種為材料，通過土培和水培試驗，研究了不同水稻品種對低磷的響應、根際磷活化、磷吸收效率和根系生長的差異，以期獲得耐低磷水稻品種，并解析酸性土壤上水稻耐低磷機制，以期為提高酸性土壤上水稻耐低磷能力和降低磷肥施用量提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

在南方酸性土壤種植的244個水稻品種的基礎上［12］，選擇了6個水稻品種為試驗材料，分別為敖柱、連粳7號、A類黃、一支臘選系、南充一支臘、馬扎，研究了不同水稻品種耐低磷能力的差異。水稻品種由南京農業(yè)大學萬建民教授提供。

1.2 供試土壤

供試土壤發(fā)育于第四紀紅黏土，采自江西省鷹潭市中國科學院紅壤生態(tài)試驗站稻田0～20 cm土層的新鮮土壤樣品，剔除雜物及殘留根系后，風干、磨細，分別過2 mm和0.149 mm孔徑篩備用。于試驗開始前，采用常規(guī)方法對供試土壤的基本理化性質進行了分析，土壤基本理化性狀：pH值4.71、有機質2.23 g/kg、全氮0.14%、全磷0.674 g/kg、堿解氮40.52 mg/kg、速效鉀49.47 mg/kg、速效磷1.63 mg/kg［13］。

1.3 試驗設計

土培試驗：盆栽試驗于2019年9～10月在中國科學院南京土壤研究所自然光照的玻璃溫室中進行。采用不透明塑料桶（內徑17 cm，高17 cm），裝土2 kg。磷設計2個水平：+P：0.1 g/kg土；-P：不施磷。所有處理均施N 0.2 g/kg土、施K 0.2 g/kg土。土培試驗的氮、磷、鉀肥分別為尿素、磷酸二氫鉀和硫酸鉀。每個處理均設置4次重復。挑選飽滿水稻種子，用0.1%次氯酸鈉溶液浸泡30 min，清水沖洗干凈，催芽，待種子露白后，將發(fā)芽整齊一致的種子播入盆中。待出苗后，每盆留苗3株。水稻在酸性土壤中生長40 d。地上部和根部樣品分別于烘箱105 ℃殺青30 min，65 ℃烘干至恒重，所有烘干后的樣品經粉碎研磨后，用鉬藍比色法測定其磷含量［13］。土樣風干磨細過篩，測定根際和非根際土壤的有效磷含量［13］。

水培試驗：挑選飽滿水稻種子，用0.1%次氯酸鈉溶液浸泡30 min，清水沖洗干凈，催芽，待種子露白后，將發(fā)芽整齊一致的種子轉移至人工氣候室內避光培養(yǎng)48 h，然后將水稻幼苗轉移至裝有1/4木村營養(yǎng)液中繼續(xù)培養(yǎng)。人工氣候室條件：光照14 h，黑暗10 h，溫度為（25±2）℃，相對濕度為（65±5）%，光強為300 μmol/（m2·s）。待水稻幼苗長至3葉1心時，選擇長勢一致的水稻幼苗進行水培試驗處理。設計2個磷水平：180 μmol/L（+P）、10 μmol/L（-P）。每隔2 d更換1次營養(yǎng)液，每個處理4次重復，培養(yǎng)40 d后收獲。地上部和根部樣品于烘箱105℃殺青30 min，65 ℃烘干至恒重，測定植株地上部和根的干重，植株體內磷含量測定方法同上。

1.4 數據統(tǒng)計與分析

耐低磷能力和磷吸收效率根據下列計算公式計算：

耐低磷能力=低磷條件下生物量（g）/正常磷條件下生物量（g）

磷吸收效率=水稻植株總磷含量（mg）/根系干重（g）

利用Excel 2003軟件繪制圖表。通過SPSS統(tǒng)計分析軟件對不同處理間的差異進行顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 土培條件下不同水稻品種耐低磷能力的比較

土培條件下，與施用磷肥相比，在不施磷肥條件下5個水稻品種的地上部和根系生物量都顯著減少（表1）。從耐低磷能力（-P/+P）數據來看，敖柱、連粳7號、A類黃3個水稻品種的耐低磷能力相對較高（表1），且水稻地上部的耐低磷能力與根部的具有顯著的相關性（圖1）。

圖1 土培條件下水稻地上部和根部耐低磷能力的相關性分析

表1 土培條件下低磷脅迫對不同水稻品種生物量的影響 g/盆

2.2 土培條件下不同水稻品種體內和土壤磷含量的比較

由表2可知，與施用磷肥相比，在低磷條件下，不同水稻品種體內磷含量都較低。在低磷條件下，耐低磷水稻品種連粳7號和A類黃的植株體內的磷含量較高，而耐低磷品種敖柱的體內磷含量較低，說明3個耐低磷水稻品種可能具有不同的耐低磷機制。

表2 土培條件下不同水稻品種體內磷含量 g/kg

在施磷條件下，6個水稻品種的非根際和根際有效磷含量沒有顯著差異（圖2a）；在低磷條件下，耐低磷水稻品種敖柱和連粳7號的根際磷含量顯著高于非根際磷含量，而其余4個品種沒有顯著差異（圖2b）。因此，在低磷條件下，耐低磷水稻品種敖柱和連粳7號的根際磷活化能力較強。

圖2 土培條件下不同水稻品種非根際和根際土壤有效磷含量

2.3 水培條件下低磷脅迫對不同水稻品種生長的影響

在水培條件下，與正常供磷（+P）相比，除了水稻品種敖柱外，低磷脅迫對其他5個水稻品種地上部生物量均有抑制作用；相反，低磷脅迫對6個水稻品種的根系生物量均有促進作用（表3）。從-P/+P比值來看，耐低磷品種敖柱的比值較高，而耐低磷品種A類黃的比值卻較低，這表明敖柱可能通過在低磷脅迫下誘導根系生長來適應低磷，而A類黃可能通過其他耐低磷機制。水培條件下，水稻根部耐低磷能力與地上部耐低磷能力具有顯著相關性（圖3），這與土培試驗結果表現一致。

圖3 水培條件下水稻地上部和根部耐低磷能力的相關性分析

表3 水培條件下低磷脅迫對不同水稻品種生物量的影響 g/盆

2.4 水培條件下不同水稻品種體內磷含量和磷吸收效率的比較

由表4可知，水培低磷條件下，在6個水稻品種中，水稻品種連粳7號體內的磷含量最高。當施加磷肥后，所有水稻體內的磷含量都有顯著增加，連粳7號體內的磷含量仍最高，說明水稻品種連粳7號對磷的吸收能力較強。耐低磷水稻品種敖柱的體內磷含量也較高，而另外一個耐低磷品種A類黃的體內磷含量卻較低。

表4 水培條件下不同水稻品種的磷含量 g/kg

從表5可以看出，在低磷條件下，與其他4個水稻品種比較，耐低磷品種敖柱和連粳7號都有較高的磷吸收效率，但在正常磷條件下，除了水稻品種A類黃的磷吸收效率較低外，其他5個水稻品種的磷吸收效率沒有顯著差異。這進一步表明敖柱和連粳7號在水培低磷條件下具有較強吸磷能力。

表5 水培條件下不同水稻品種磷吸收效率 g/kg

3 討論

本研究在前期田間試驗基礎上，采用土培和水培試驗，探究了酸性土壤上6個水稻品種耐低磷能力的差異，其中敖柱、連粳7號和A類黃3個水稻品種的耐低磷能力較強，一支臘選系、南充一支臘和馬扎3個水稻品種的耐低磷能力較差。

在本研究中，敖柱和連粳7號的根際磷含量在低磷脅迫下顯著增加，表明這2個品種可能通過根系生理途徑活化了根際固定態(tài)磷。為響應低磷環(huán)境，水稻根系分泌物量會明顯增加［14-15］，其中有機酸的增加量尤為明顯。水稻根系分泌物中的蘋果酸、乙酸、檸檬酸、琥珀酸等有機酸在耐低磷水稻品種中的相對分泌量增加，根系釋放的酸性磷酸酶活性明顯提高［16］。在酸性土壤中，有機酸通過酸溶、螯合和競爭吸附等機制活化了土壤難溶態(tài)磷，主要是Al-P和Fe-P［17］。由此可知，敖柱和連粳7號具有較強的根際活化能力，將來需要進一步分析這2個水稻品種在低磷脅迫下的根系分泌物特征，以明確其具體的根際磷活化機制。

與土培試驗不同，水培試驗營養(yǎng)液中的磷都是可溶態(tài)的，不涉及磷的活化，因此，水培試驗主要反映水稻根系對磷的響應和吸收能力。在水培低磷條件下，6個水稻品種的根部生物量都顯著提高，這是水稻對低磷環(huán)境形態(tài)的適應機制，可能是光合產物在分配方向的強度隨著磷素水平的改變而改變。前人的砂培試驗結果表明：在低磷脅迫下，耐低磷水稻品種的總根數、總根長、總根表面積、側根長、側根數及側根密度均明顯增加［11］。本研究也表明，水稻地上部的耐低磷能力與根系的耐低磷能力顯著相關，耐低磷品種敖柱在水培低磷條件下的根系重量顯著提高，而其他品種提高較少，這表明低磷誘導的根系增大是敖柱耐低磷的一個主要機制。

除了根際活化和根系大小外，根系磷吸收效率也是耐低磷篩選的重要指標之一。在水培低磷條件下，與其他4個品種相比，耐低磷品種敖柱和連粳7號在低磷脅迫下的磷吸收效率較高，且體內磷含量也相對較高。因此，敖柱和連粳7號的耐低磷能力得益于較高的根系磷吸收率。

4 結論

綜上所述，在本研究的6個水稻品種中，敖柱、連粳7號和A類黃是3個耐低磷水稻品種，其中敖柱通過根際活化、根系增大、根系磷高效吸收3個途徑來增強其耐低磷能力，連粳7號主要通過根際活化和根系磷高效吸收以增強其耐低磷能力，A類黃可能通過體內磷高效利用來實現耐低磷。這些研究結果有助于了解水稻的耐低磷機制，同時也為酸性土壤上耐低磷水稻品種的選育和水稻耐低磷分子機制的研究提供了種質資源。