張玲玉，趙學(xué)強(qiáng)?，李家美，沈仁芳

水稻和兩種野生植物對酸性硫酸鹽土耐性及礦質(zhì)元素吸收*

張玲玉1，3，趙學(xué)強(qiáng)1，3?，李家美2，沈仁芳1，3

（1. 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國科學(xué)院南京土壤研究所），南京 210008；2. 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)院，鄭州 450002；3. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

酸性硫酸鹽土是發(fā)育于還原性硫化物成土母質(zhì)的一種惡劣土壤類型，雖然其分布區(qū)氣候條件十分有利于水稻生長，但由于土壤條件限制，水稻生產(chǎn)潛力難以發(fā)揮。為篩選出適應(yīng)該土壤的水稻品種，在酸性硫酸鹽土（pH 3.69）上種植了240個(gè)水稻品種，但是所有水稻品種均未獲得經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量，卻發(fā)現(xiàn)兩種野生植物在該土壤中生長茂盛。經(jīng)形態(tài)和分子鑒定，兩種野生植物為野荸薺（）和五棱飄拂草（）。進(jìn)一步分析了水稻和兩種野生植物的根際和非根際土壤性質(zhì)、根部和地上部礦質(zhì)元素含量。結(jié)果表明，根際土壤pH、交換性鋁和有效錳含量不能解釋水稻和兩種野生植物耐性差異，錳毒和缺氮亦不是酸性硫酸鹽土限制植物生長的關(guān)鍵因子，而植物地上部礦質(zhì)元素含量與植物耐性差異相關(guān)。鋁毒、鐵毒和較低的養(yǎng)分（磷、鉀、鈣、鎂）吸收是酸性硫酸鹽土中水稻生長不良的主要因子。相反，兩種野生植物對鋁毒和鐵毒的耐性較強(qiáng)，對養(yǎng)分吸收能力較強(qiáng)，所以生長良好。

酸性硫酸鹽土；水稻；野荸薺；五棱飄拂草；金屬毒害；養(yǎng)分缺乏

酸性硫酸鹽土是指發(fā)育于富含還原性硫化物成土母質(zhì)的土壤，一般土壤沉積層中含有硫化鐵氧化或未被氧化的致酸層和潛在致酸層，是世界范圍內(nèi)最惡劣的土壤類型之一[1-2]。全球范圍內(nèi)，酸性硫酸鹽土超過了1 700萬hm2，其中650萬hm2分布于亞洲，450萬hm2在非洲，300萬hm2在澳洲，300萬hm2在拉丁美洲，23.5萬hm2在歐洲（主要是芬蘭和瑞典），10萬hm2在北美洲，主要分布于熱帶亞熱帶濱海地區(qū)[3-4]。我國酸性硫酸鹽土面積約10.6萬hm2，主要分布于廣東、廣西、海南、福建、臺灣等省（區(qū)）的入海河口及海岸沿線，其中廣東省分布面積最大，約占全國酸性硫酸鹽土總面積的60%左右[4-5]。我國是農(nóng)用耕地資源嚴(yán)重缺乏的國家，耕地面積還在不斷縮減，糧食安全問題日趨嚴(yán)重[6]。酸性硫酸鹽土分布地區(qū)水熱資源豐富，適宜大多數(shù)作物生長?？茖W(xué)利用已被開墾的酸性硫酸鹽土類型農(nóng)田，維持被開墾酸性硫酸鹽土地區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，對于糧食安全和生態(tài)環(huán)境保護(hù)均具有重要意義。

酸性硫酸鹽土被開墾或處于氧化環(huán)境時(shí)，其中的硫鐵礦物質(zhì)與空氣接觸發(fā)生氧化，釋放大量硫酸，形成強(qiáng)烈酸害，嚴(yán)重影響區(qū)域內(nèi)動(dòng)植物生長和人類健康[7]。廣東省地處我國大陸最南端，屬東亞季風(fēng)區(qū)，是中國光、熱和水資源最豐富的地區(qū)之一，氣候條件非常適合水稻種植。目前，位于珠江三角洲的大部分酸性硫酸鹽土已被開墾為稻田。被圍墾的酸性硫酸鹽土稻田，由于地塊間土壤環(huán)境狀況不同，水稻生長參差不齊，嚴(yán)重者在插播數(shù)小時(shí)內(nèi)秧苗全部枯萎，一天后死亡；危害較輕者植株矮小，生育后期全株發(fā)黑，不實(shí)率很高[8]。當(dāng)農(nóng)民收益較低時(shí)，被開墾的酸性硫酸鹽土農(nóng)田易被棄用，棄用的酸性硫酸鹽土農(nóng)田會(huì)對周圍環(huán)境產(chǎn)生惡劣影響。由于土壤條件的限制，酸性硫酸鹽土上的水稻生產(chǎn)潛力得不到發(fā)揮[9]。增強(qiáng)水稻對土壤逆境脅迫的抗性是發(fā)揮酸性硫酸鹽土上水稻生產(chǎn)潛力的關(guān)鍵。

在以往酸性硫酸鹽土研究中，前人對酸性硫酸鹽土的成土條件、礦物轉(zhuǎn)化、土壤化學(xué)特征、水分影響機(jī)制、作物生長限制因子及改良措施進(jìn)行了諸多研究[9-13]。然而，很少有研究者關(guān)注酸性硫酸鹽土圍墾農(nóng)田中水稻與野生植物的耐逆性和養(yǎng)分吸收差異。在酸性硫酸鹽土上，雖然水稻生長不良，甚至死亡，但是有的野生植物卻能適應(yīng)該環(huán)境，生長非常茂盛[14]。硫酸根含量過高、鋁毒、錳毒、酸害、缺磷、缺鉀被認(rèn)為是廣東省酸性硫酸鹽土水稻產(chǎn)量的主要限制因子[9]。耐逆性和對礦質(zhì)元素吸收的差異可能是水稻和野生植物對酸性硫酸鹽土適應(yīng)能力差異的原因，但是具體哪種因素占主導(dǎo)，仍不清楚。

為了探討水稻與野生植物適應(yīng)酸性硫酸鹽土能力和礦質(zhì)元素吸收之間的關(guān)系，在同一塊酸性硫酸鹽土稻田中，采集了水稻和兩種生長茂盛的野生植物樣品及其非根際、根際土壤樣品，分析了植物根和地上部礦質(zhì)元素含量及土壤化學(xué)性質(zhì)。本研究試圖從植物礦質(zhì)元素吸收角度解釋水稻與兩種野生植物適應(yīng)酸性硫酸鹽土能力差異的原因，以便能合理地重點(diǎn)補(bǔ)充酸性硫酸鹽土上水稻生長需要的養(yǎng)分，或者為培育新的耐性水稻品種提供信息。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

采樣地為臺山市沖蔞鎮(zhèn)八家村（22°06′55.29″N，112°46′32.10″E），屬于廣東省江門市，位于珠江三角洲西南部。該地區(qū)酸性硫酸鹽土稻田酸度跨度大，各地塊水稻產(chǎn)量差異亦較大。本研究選取了一種酸度較大的地塊。根據(jù)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，由于該地塊種植的水稻長勢差、產(chǎn)量低，尤其在降雨少的年份，甚至顆粒無收，因此當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶將此地塊閑置。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2018年在該地塊種植了240個(gè)水稻（）品種。4月19日在當(dāng)?shù)卣o酸害田塊進(jìn)行水稻育秧，5月17日在酸性硫酸鹽土上插秧，試驗(yàn)區(qū)總面積約120 m2，土壤性質(zhì)均一，每個(gè)水稻品種種植一行（100 cm × 40 cm），每行6穴，每穴2株，每個(gè)水稻品種共12株。整個(gè)試驗(yàn)區(qū)分為5列，每列48個(gè)水稻品種，列與列之間留0.5 m寬度，便于田間調(diào)查和管理。2018年8月23日調(diào)查采樣。根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)民施肥習(xí)慣，每公頃施用750 kg復(fù)合肥（N-P2O5-K2O=18-12-10，氮磷鉀總含量大于等于400 g·kg–1），全部以基肥隨翻地施入。試驗(yàn)?zāi)康氖呛Y選耐酸性硫酸鹽土的水稻品種。在水稻生長后期，水稻長勢較差，有的品種甚至枯萎，最終所有水稻品種均未獲得經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量。在保護(hù)行和兩行水稻中間位置，觀察到兩種野生植物生長非常茂盛，無任何毒害癥狀。

2018年4月3日，種植水稻前，采集了試驗(yàn)田塊（未淹水）的基礎(chǔ)土樣，測定的土壤基礎(chǔ)理化性狀如下：pH 3.69，堿解氮175 mg·kg–1，有效磷9.56 mg·kg–1，速效鉀102 mg·kg–1。2018年8月23日，在試驗(yàn)區(qū)隨機(jī)選擇了三個(gè)距離較遠(yuǎn)的位置，在每個(gè)地點(diǎn)采集了3株長勢較差的水稻根、地上部、根際土壤和非根際土壤樣品，每個(gè)地點(diǎn)的樣品混合后作為一個(gè)重復(fù)，共3個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)是3株水稻的混合樣。同時(shí)，采集兩種野生植物的根、地上部、根際、非根際土壤樣品。由于兩種野生植物混雜地生長在一起，根系交錯(cuò)，兩種野生植物根際土壤無法區(qū)分，最后選擇將兩種野生植物根際土壤視為一種類型根際土壤，后面稱之為野生植物根際土壤，并采集了對應(yīng)的非根際土壤。植物樣品取回實(shí)驗(yàn)室后，用蒸餾水沖洗干凈，將地上部與根分離，105℃殺青30 min，80℃烘干至恒重。隨后，用不銹鋼粉碎機(jī)將烘干樣品粉碎，用于測定植物體內(nèi)礦質(zhì)元素含量。同時(shí)，根際土壤與非根際土壤分別風(fēng)干、研磨，過10目和100目的篩子，用于測定土壤化學(xué)性質(zhì)。

1.3 分析項(xiàng)目與方法

在分析各種指標(biāo)時(shí)，每個(gè)樣品測定2個(gè)平行。土壤pH用電位法，水土比2.5︰1測定（PB-21，Sartorius，德國）；土壤堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測定；土壤有效磷采用HCl-NH4F浸提—鉬銻抗比色法測定；速效鉀采用醋酸銨浸提—火焰光度計(jì)測定；植物磷（P）、鉀（K）、鈣（Ca）、鎂（Mg）、硫（S）、鐵（Fe）、錳（Mn）、鋁（Al）、鈉（Na）采用硝酸-高氯酸（4︰1）消煮，電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP-AES，Optima 8000，PerkinElmer，美國）測定；植物全氮采用硫酸-過氧化氫消煮，靛酚藍(lán)比色法測定；土壤交換性鋁采用1 mol·L–1KCl浸提，有效錳采用1 mol·L–1NH4OAC浸提，電感耦合等離子發(fā)射光譜儀（ICP-AES，Optima 8000，PerkinElmer，美國）測定；植物體pH采用食品有效酸度方法測定[15]。

野生植物鑒定先請植物分類學(xué)家對兩種野生植物進(jìn)行形態(tài)學(xué)鑒定，同時(shí)進(jìn)行分子鑒定。采用TreliefTMPlant Genomic DNA Kit試劑盒（通用型，北京擎科新業(yè)生物技術(shù)有限公司），提取了兩種野生植物的DNA，進(jìn)行PCR，分別擴(kuò)增ITS（內(nèi)轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)，Internal Transcribed Spacer）序列和ITS2序列，引物和PCR條件參考文獻(xiàn)報(bào)道[16]。其中ITS序列擴(kuò)增引物為5afwd：5′-CCTTATCATTTAGAGGAAGG AG-3′；4rev：5′-TCCTCCGCTTATTGATATGC-3′。ITS序列PCR擴(kuò)增程序：94℃ 5 min；94℃ 1 min，50℃ 1 min，72℃ 1.5 min + 3 s/cycle，30個(gè)循環(huán)；72℃ 7 min[16]。ITS2序列擴(kuò)增引物為S2F：5′-ATGC GATACTTGGTGTGAAT-3′；S3R：5′-GACGCTTCTC CAGACTACAAT-3′。ITS2序列PCR擴(kuò)增程序：94℃5 min；94℃30 s，56℃30 s，72℃ 45 s，40個(gè)循環(huán)；72℃ 10 min[16]。PCR產(chǎn)物送金斯瑞生物科技有限公司進(jìn)行測序，獲得的核酸序列在美國國家生物技術(shù)信息中心（National Center for Biotechnology Information，NCBI）核酸數(shù)據(jù)庫，用基于局部序列比對算法搜索工具（Basic local alignment search tool，BLAST）進(jìn)行序列比對，將與PCR產(chǎn)物序列相似度高的核酸序列下載，采用MEGA7.0軟件中的CLUSTAL W程序?qū)Χ鄺l序列進(jìn)行多重比對，最大似然法（Maximum likelihood，ML）構(gòu)建分子系統(tǒng)進(jìn)化樹，用來分子鑒定兩種野生植物。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)為3個(gè)重復(fù)的平均值，每個(gè)重復(fù)為2個(gè)測試平行的平均值。采用WPS2019（Version 11.1.0）整理和做圖，差異顯著性分析采用SPSS19.0統(tǒng)計(jì)軟件中單因素方差分析（ANOVA）方法。

2 結(jié) 果

2.1 兩種野生植物的鑒定

分別將兩種植物的ITS和ITS2的核酸序列提交到NCBI（https://www.ncbi.nlm.nih.gov/）核酸數(shù)據(jù)庫上，分別獲得序號MK295082（BQ1，ITS）、MK295083（PFC1，ITS）、MK295084（PFC1，ITS2）、MK295085（BQ1，ITS2），建立了分子系統(tǒng)進(jìn)化樹（圖1）。系統(tǒng)進(jìn)化樹中分別用BQ1和PFC1代表發(fā)現(xiàn)的兩種野生植物，括號中編號為NCBI核酸數(shù)據(jù)庫的序列編號。無論是用ITS還是ITS2構(gòu)建分子進(jìn)化樹，BQ1均與距離最近（圖1a和圖1b），PFC1均與距離最近（圖1c和圖1d）。最后根據(jù)分子和形態(tài)學(xué)鑒定結(jié)果，兩種野生植物BQ1和PFC1分別被鑒定為野荸薺（）和五棱飄拂草（）。

2.2 不同植物根際和非根際土壤化學(xué)性質(zhì)比較

同一種植物的根際與非根際土壤pH無顯著差異，但是水稻根際pH顯著高于野生植物根際和非根際土壤pH；土壤交換性鋁和有效性錳含量在根際與非根際以及不同植物之間均無顯著差異（表1）。雖然在水稻種植前采集的未淹水土壤（干土）pH為3.69（見材料與方法），但是在淹水條件下采集的植物根際和非根際土壤pH卻均高于4.2（表1）。此外，測定的稻田田面水pH僅有2.0左右。在水稻種植中，淹水條件下土壤中較多的H+釋放至水體中，導(dǎo)致土壤pH升高，而水體pH急劇降低，這種強(qiáng)酸性的水體環(huán)境可能會(huì)嚴(yán)重抑制水稻生長。

2.3 不同植物根和地上部礦質(zhì)元素含量比較

根礦質(zhì)元素含量分析（表2）表明，2種野生植物P、K含量均顯著高于水稻，前者是后者的1.82倍～5.54倍；野荸薺Na含量顯著高于水稻，五棱飄拂草Na含量在野荸薺和水稻之間；其他7種元素（N、Ca、Mg、S、Al、Fe、Mn）含量在3種植物之間無顯著差異。

地上部礦質(zhì)元素含量分析（表3）表明，N含量在3種植物之間無顯著差異；2種野生植物P、K、Ca、Mg、S、Na、Mn含量均顯著高于水稻，前者為后者的1.41倍～9.67倍，其中K和Na的倍數(shù)最高；水稻地上部Al和Fe含量顯著高于野荸薺，與五棱飄拂草之間無顯著差異（表3）。這些結(jié)果表明，水稻較野生植物更多地吸收了Al和Fe，但是卻較少地吸收了養(yǎng)分（N除外）。

表1 不同植物根際和非根際土壤化學(xué)性質(zhì)

注：同一列不同字母表示不同土壤之間在0.05水平上差異顯著。Note：Different letters in the same column indicate significant differences between soils at the level of 0.05

表2 不同植物根部礦質(zhì)元素含量

注：Mn的濃度單位為mg·kg–1，其他元素的濃度單位均為g·kg–1；同一行不同小寫字母表示三種植物之間在0.05水平上差異顯著。下同。Note：mg·kg–1as unit for Mn concentration，and g·kg–1as unit for other elements；Different letters in the same line indicate significant differences between plants at the level of 0.05. The same below

表3 不同植物地上部礦質(zhì)元素含量

2.4 不同植物體pH比較

野荸薺地上部pH顯著高于水稻與五棱飄拂草，水稻與五棱飄拂草之間地上部pH無顯著差異，3種植物根部pH亦無顯著差異（表4）。

表4 不同植物體pH

注：同一行不同字母表示不同植物之間在0.05水平上差異顯著。Note：Different letters in the same line indicate significant differences between plants at the level of 0.05.

3 討 論

3.1 耐酸性硫酸鹽土野生植物資源挖掘

酸性土壤中酸害、鋁毒、錳毒、鐵毒以及氮、磷、鈣、鎂缺乏等被認(rèn)為是限制植物生長的因子[17-20]。大多數(shù)糧食作物在酸性土壤上生長均會(huì)受到嚴(yán)重抑制，但是一些野生植物卻能在酸性土壤上正常生長[14，19]，表明野生植物存在一些特殊的耐酸性土壤機(jī)制。例如，在對酸性硫酸鹽土上野生植物的研究[21]中，飄拂草屬（）中的兩岐飄拂草（subsp）對鋁和酸有很強(qiáng)的耐受性，400 mg·L–1Al3+和pH 2.0環(huán)境對該植物的生長均無顯著影響。相似地，和也在酸性硫酸鹽土上被發(fā)現(xiàn)[22]。另據(jù)前人報(bào)道，荸薺屬（）的多個(gè)種（如和）也能在酸性硫酸鹽土上正常生長[23-24]。研究發(fā)現(xiàn)，適應(yīng)酸性硫酸鹽土的大多數(shù)野生植物屬于莎草科（），荸薺屬和飄拂草屬均屬于莎草科[22]。本研究也在我國南方酸性硫酸鹽土上發(fā)現(xiàn)了兩種野生植物，即使研究的240個(gè)水稻品種均不能完成整個(gè)生育期，但是這兩種野生植物卻能夠茂盛地生長。進(jìn)一步通過形態(tài)學(xué)和分子鑒定，這兩種野生植物被鑒定為野荸薺（）和五棱飄拂草（），這為植物耐酸性硫酸鹽土機(jī)制研究提供了新的植物資源。

3.2 水稻和野生植物對酸性硫酸鹽土耐性差異機(jī)制

由于野生植物大多不易培養(yǎng)，相關(guān)遺傳和分子信息不清楚，野生植物的耐酸性土壤機(jī)制亦不清楚，或者機(jī)制揭示不夠深入。特別對于酸性硫酸鹽土這種強(qiáng)酸性土壤，生長于其中的野生植物的耐性機(jī)制研究更少，大多側(cè)重于報(bào)道一些野生植物能夠在酸性硫酸鹽土上生長，而缺乏對相關(guān)機(jī)制的探討，更未見到野生植物和水稻進(jìn)行比較的相關(guān)報(bào)道。在本研究中，雖然野荸薺和五棱飄拂草能夠在酸性硫酸鹽土上良好生長，但是水稻卻不能正常生長。與當(dāng)?shù)剞r(nóng)民耕種的正常地塊水稻相比，試驗(yàn)地塊里的水稻生育期整體延遲，雖然可以完成營養(yǎng)生長期，但是無法完成生殖生長期。

據(jù)報(bào)道，有些耐鋁植物適應(yīng)酸性土壤的機(jī)制是根際堿化，從而降低根際環(huán)境里的鋁濃度而保持正常生長，且耐鋁品種能夠更有效地提高根際pH[25-26]。本研究中，無論是水稻還是野生植物，根際和非根際土壤pH均無顯著差異（表1），而一般認(rèn)為根際土和非根際土壤性質(zhì)存在差異。本文所研究的酸性硫酸鹽土極酸，在田間原位監(jiān)測的稻田田面水pH僅有2.0，植物本身對這種極酸環(huán)境下根際土壤pH的改變可能比較小。此外，在這種淹水條件下，由于物質(zhì)流動(dòng)性較強(qiáng)，根際和非根際土壤pH之間差異可能比較小。水稻根際土壤pH雖然高于兩種野生植物根際土壤pH，但是根際土壤交換性鋁和有效錳含量在野生植物和水稻間并無差異，水稻仍然無法像野荸薺和五棱飄拂草一樣正常生長。在這種極端土壤逆境環(huán)境下，雖然可能由于本能性反應(yīng)，水稻趨向于通過提高根際土壤pH緩解毒害作用，但是水稻不能通過一般作物調(diào)控根際微環(huán)境的途徑，來完全消除酸性硫酸鹽土的強(qiáng)酸害。因此，水稻根際pH較高的效應(yīng)被大大削弱，根際堿化效應(yīng)不足以讓水稻完全適應(yīng)這種強(qiáng)酸性土壤。相反，因?yàn)閮煞N野生植物本身對酸性硫酸鹽土具有高耐性，所以兩種野生植物根際pH未升高，結(jié)果是兩種野生植物根際土壤pH低于水稻。與該結(jié)果相似，有文章也報(bào)道高耐酸鋁的兩歧飄拂草（）的根際土壤pH顯著低于另外一種低耐酸鋁芒屬植物（）[21]。最近一系列研究表明，在水培條件下，培養(yǎng)溶液pH升高反而會(huì)增加鋁對植物和微生物的毒害[27-28]。根據(jù)以上分析，推斷野荸薺與五棱飄拂草耐酸性硫酸鹽土的機(jī)制不是通過誘導(dǎo)根際pH升高，可能是通過自身的其他機(jī)制來適應(yīng)酸性硫酸鹽土。在惡劣的酸性硫酸鹽土上，一般農(nóng)作物根系調(diào)控的根際微環(huán)境變化起到的作用極弱，所以不能正常生長。

雖然水稻根際土壤pH高于野生植物根際和非根際土壤pH（表1），但是水稻地上部較野荸薺地上部積累了更多的鐵和鋁（表3）。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是野荸薺本身具有將鐵和鋁排除在體外的機(jī)制，植物積累鋁和鐵的多少主要取決于植物本身的遺傳因素。前人研究[23]表明，木賊狀荸薺（）是一種非常耐酸性環(huán)境的植物，這種植物能將除錳外的一些其他微量金屬元素包括鋁和鐵從植物地上部排除出去，從而更好地適應(yīng)酸性環(huán)境。與這篇報(bào)道相類似，本文結(jié)果也表明，水稻與野荸薺之間根系鋁、鐵、錳3種元素含量無差異，但是水稻地上部鋁和鐵含量顯著高于野荸薺，水稻地上部錳含量反而低于野荸薺（表3）。這表明雖然野荸薺根系吸收了大量的鋁鐵，但是從根系向地上部的轉(zhuǎn)移量較水稻要少，地上部積累較少的鋁和鐵是野荸薺適應(yīng)酸性硫酸鹽土的主要機(jī)制。同時(shí)，野荸薺植物體pH顯著高于水稻和五棱飄拂草（表4），原因可能是因?yàn)橐拜┧j體內(nèi)積累的酸性離子鋁離子較少，而相應(yīng)的其他堿性金屬元素較多，導(dǎo)致野荸薺地上部pH較高。三種植物根系礦質(zhì)元素含量相差較?。ū?），根系pH亦無顯著差異（表4）。對水稻而言，極酸的水體環(huán)境和惡劣的土壤性質(zhì)超出了水稻對逆境的適應(yīng)能力，致使地上部積累較多的鋁和鐵，這是水稻不能在酸性硫酸鹽土上良好生長的原因。雖然錳毒也是酸性土壤上植物生長的限制因子之一[29]，但是由于錳的移動(dòng)性強(qiáng)，在酸性硫酸鹽土壤上有強(qiáng)烈的淋溶作用[30]，土壤中有效錳的濃度并不高（表1），且水稻和野荸薺根和地上部錳含量均不高（表2和表3），不足以對植物造成毒害。前人[31]報(bào)道也表明酸性硫酸鹽土上水稻生長不良的主要原因是鋁毒和鐵毒，而不是錳毒。因此，目前試驗(yàn)條件下野荸薺和水稻適應(yīng)酸性硫酸鹽土能力的差異是因?yàn)殇X毒和鐵毒，而不是因?yàn)殄i毒。

與野荸薺相同，五棱飄拂草與水稻之間根系鋁和鐵含量無顯著差異（表2），但是與野荸薺不同的是，五棱飄拂草與水稻之間地上部鋁和鐵含量亦無顯著差異（表3）。這表明五棱飄拂草適應(yīng)酸性硫酸鹽土的機(jī)制有別于野荸薺。Yamamoto等[21]對兩歧飄拂草（）的研究發(fā)現(xiàn)，兩歧飄拂草能忍耐高濃度鋁和極低pH（2.0）環(huán)境，并推測其可能有自身的耐鋁機(jī)制。本文結(jié)果表明，雖然五棱飄拂草地上部鋁和鐵含量略低于水稻，但是二者差異不顯著（表3），水稻不能在酸性硫酸鹽土上正常生長，而五棱飄拂草可以。與野荸薺通過地上部對鋁、鐵的排斥機(jī)制不同，推測五棱飄拂草對鋁、鐵的適應(yīng)機(jī)制可能是內(nèi)部忍耐機(jī)制。一些鋁超積累植物可以通過內(nèi)部忍耐機(jī)制如液泡分室作用來解鋁毒[32]。一般認(rèn)為水稻耐鋁機(jī)制以排斥機(jī)制為主，使大部分鋁集中于水稻根部，而地上部鋁含量很低[33]。這里的結(jié)果也表明水稻地上部鋁含量確實(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于根鋁含量。一般植物地上部鋁含量大于1 000 mg·kg–1時(shí)，便被定義為鋁積累植物[34]。在目前所研究的酸性硫酸鹽土上，水稻體內(nèi)鋁含量遠(yuǎn)超過了1 000 mg·kg–1（表3），這必然對水稻生長產(chǎn)生毒害。水稻積累如此高的鋁可能與酸性硫酸鹽土的極酸水環(huán)境有關(guān)，田間原位測定的稻田田面水pH為2.0左右，這必然加劇鋁的溶出，進(jìn)而加劇了水稻地上部鋁積累。此外，鐵的毒害也是酸性硫酸鹽土水稻生長受抑制的一個(gè)原因[35]。綜合以上信息推斷，吸收了過量的鋁和鐵可能是酸性硫酸鹽土上水稻無法正常生長的原因，至于五棱飄拂草的具體內(nèi)部耐性機(jī)制，尚需進(jìn)一步研究。

雖然水稻地上部積累了較多的鋁和鐵，但有趣的是，與野荸薺和五棱飄拂草相比，水稻地上部各種礦質(zhì)養(yǎng)分元素（氮除外）含量卻較低（表3）。Osaki等[14]對酸性硫酸鹽土上多種野生植物在不同土壤環(huán)境下體內(nèi)鋁含量與其他元素含量做了相關(guān)性分析，結(jié)果表明，植物體內(nèi)鋁含量與多種元素（P、K、Ca、Mg、Fe、Zn、Cu、Na）含量呈負(fù)相關(guān)，而與氮和錳含量無相關(guān)性。這一結(jié)果與目前的結(jié)果十分相似，即植物吸收的鋁越多，吸收的養(yǎng)分越少。與Osaki等[14]報(bào)道不同的是，目前的研究表明水稻體內(nèi)鋁多、鐵也多，野荸薺體內(nèi)鋁少、鐵也少，看起來鋁和鐵呈正相關(guān)，這可能是個(gè)特例。雖然Na不是植物必需營養(yǎng)元素，但是Na和K呈現(xiàn)出了相似規(guī)律，這可能是因?yàn)橹参飳和Na的吸收具有相似機(jī)制。對于生長在酸性硫酸鹽土上的水稻而言，水稻對營養(yǎng)元素的吸收及體內(nèi)維持較高營養(yǎng)元素含量的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及野荸薺和五棱飄拂草。以前的報(bào)道[17-18]也表明鋁毒會(huì)抑制植物對多種養(yǎng)分的吸收。筆者推測水稻根系吸收了大量鐵、鋁，并在地上部積累了高濃度鋁和鐵，產(chǎn)生了鋁毒和鐵毒，抑制了根系生長及養(yǎng)分吸收和運(yùn)輸系統(tǒng)，導(dǎo)致水稻吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)養(yǎng)分的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)弱于野荸薺和五棱飄拂草，養(yǎng)分缺乏進(jìn)一步抑制了水稻生長。這從養(yǎng)分吸收角度進(jìn)一步解釋了野生植物和水稻耐酸性硫酸鹽土差異的原因。通過調(diào)控植物對養(yǎng)分的吸收，可以增強(qiáng)植物抵抗酸性土壤的能力[18]。

3.3 酸性硫酸鹽土的利用

酸性硫酸鹽土作為水熱資源豐富地區(qū)的一種土壤類型，應(yīng)充分發(fā)揮其利用價(jià)值。通過對水稻與生長無障礙的野生植物對礦質(zhì)元素吸收進(jìn)行比較，可以了解酸性硫酸鹽土上作物特需的營養(yǎng)元素，進(jìn)而針對性地對作物進(jìn)行合理補(bǔ)充養(yǎng)分，進(jìn)行科學(xué)施肥。同時(shí)，篩選一些酸鋁脅迫下具有較高養(yǎng)分吸收利用效率的水稻品種，增強(qiáng)水稻在酸性硫酸鹽土上的栽培和種植技術(shù)，可以發(fā)揮酸性硫酸鹽土上作物的生產(chǎn)潛力。此外，國內(nèi)外對酸性硫酸鹽土上生長的野生植物耐性機(jī)制研究較少。野生植物在如此惡劣的土壤上較好地生長，對逆境的抵抗和對營養(yǎng)元素的吸收、利用可能有其特別的機(jī)制。研究野生植物在極端酸性環(huán)境下對營養(yǎng)元素的高效利用機(jī)制，不僅可以為提高酸性硫酸鹽土作物生產(chǎn)力提供理論參考，還能為廢棄礦區(qū)的生物修復(fù)提供植物資源和技術(shù)。

4 結(jié) 論

在所試驗(yàn)的酸性硫酸鹽土（pH 3.69）上，種植的240個(gè)水稻品種均不能正常生長，卻發(fā)現(xiàn)兩種野生植物可以茂盛地生長。經(jīng)形態(tài)學(xué)和分子系統(tǒng)進(jìn)化樹的方法，兩種野生植物被鑒定為野荸薺和五棱飄拂草。根際土壤pH、交換性鋁含量、有效錳含量均不能解釋水稻和兩種野生植物適應(yīng)酸性硫酸鹽土能力的差異，即兩種野生植物不是通過誘導(dǎo)根際土壤性質(zhì)變化來適應(yīng)酸性硫酸鹽土。目前試驗(yàn)條件下，錳毒耐性、氮高效吸收與植物適應(yīng)酸性硫酸鹽土能力關(guān)聯(lián)亦較小。水稻地上部積累了較多鋁和鐵，卻積累了較少養(yǎng)分；野荸薺地上部積累了較少鋁和鐵，卻積累了較多養(yǎng)分；五棱飄拂草地上部積累了與水稻相似量的鋁和鐵，也積累了較多養(yǎng)分。根系各種礦質(zhì)元素含量在不同植物之間差異較小。根據(jù)上述結(jié)果，推斷鋁毒和鐵毒及養(yǎng)分吸收能力降低是酸性硫酸鹽土上水稻生長的限制因子，而野荸薺和五棱飄拂草因?yàn)槟軌蚝芎玫氐挚逛X毒和鐵毒，養(yǎng)分吸收能力也較強(qiáng)，所以兩種野生植物可在酸性硫酸鹽土上良好生長。野荸薺可能對鋁和鐵存在排斥機(jī)制，限制鋁和鐵向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)，而五棱飄拂草對鋁和鐵的內(nèi)部忍耐能力較強(qiáng)，能在體內(nèi)積累高含量的鋁和鐵，卻不受毒害。

致 謝 感謝南京農(nóng)業(yè)大學(xué)萬建民教授和江玲教授提供水稻種質(zhì)資源。

［1］ Powell B，Martens M. A review of acid sulfate soil impacts，actions and policies that impact on water quality in Great Barrier Reef catchments，including a case study on remediation at East Trinity. Marine Pollution Bulletin，2005，51（1）：149—164.

［2］ Dent D L，Pons L J. A world perspective on acid sulphate soils. Geoderma，1995，67（3）：263—276.

［3］ Ljung K，Maley F，Cook A，et al. Acid sulfate soils and human health-a millennium ecosystem assessment. Environment International，2009，35（8）：1234—1242.

［4］ Huang Q Y，Tang S H，Lu Y，et al. Formation，characteristics and ecological effects of acid sulfate soils. Plant Nutrition and Fertilizer Science，2014，20（6）：1534—1544. [黃巧義，唐拴虎，盧瑛，等. 酸性硫酸鹽土的形成、特性及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng). 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2014，20（6）：1534—1544.]

［5］ Gong Z T，Zhang X P. Mangrove and acid sulphate soils in China. Acta Pedologica Sinica，1994，31（1）：86—94. [龔子同，張效樸. 中國的紅樹林與酸性硫酸鹽土. 土壤學(xué)報(bào)，1994，31（1）：86—94.]

［6］ Zhao Q G，Yang J S，Zhou H.“Ten words”strategic policy for ensuring red line of farmland and food security in China. Soils，2011，43（5）：681—687. [趙其國，楊勁松，周華. 保障我國“耕地紅線”及“糧食安全”十字戰(zhàn)略方針. 土壤，2011，43（5）：681—687.]

［7］ Zhang J E. The process of acid hazards in acid sulfate soils and its environmental effects. Tropical Geography，1999，19（2）：137—141. [章家恩. 酸性硫酸鹽土的酸害暴發(fā)機(jī)制及其環(huán)境影響. 熱帶地理，1999，19（2）：137—141.]

［8］ Huang J M. Chemical characteristics of strong acidic saline paddy soils（acid-reversing fields）in Guangdong coastal waters. Acta Pedologica Sinica，1958，6（2）：114—122. [黃繼茂. 廣東濱海強(qiáng)酸性鹽漬水稻土（反酸田）化學(xué)特性的研究. 土壤學(xué)報(bào)，1958，6（2）：114—122.]

［9］ Huang Q Y，Tang S H，Huang X，et al. Analysis on the limiting hazardous chemical factors of acid sulfate paddy soils in Guangdong Province. Plant Nutrition and Fertilizer Science，2016，22（1）：180—191. [黃巧義，唐拴虎，黃旭，等. 廣東省酸性硫酸鹽水稻土作物產(chǎn)量的主要限制因子分析. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2016，22（1）：180—191.]

［10］ Zhang J E. The landscape diagnosis and their spatial and temporal patterns of distribution and succession of sulphate acid soils. Soil and Environmental Sciences，1999，8（2）：144—147. [章家恩. 酸性硫酸鹽土的景觀診斷及時(shí)空分布與演替模式. 土壤與環(huán)境，1999，8（2）：144—147.]

［11］ Zang X P，Zhang C L，Sun G M，et al. Effect of phosphate rocks on nutrient availability of rice on acid sulfate soils. Plant Nutrition and Fertilizer Science，2003，9（2）：203—207. [臧小平，張承林，孫光明，等. 酸性硫酸鹽土壤上施用磷礦粉對水稻養(yǎng)分有效性的影響. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2003，9（2）：203—207.]

［12］ Liu Z Q，Duan S S，Li A F，et al. Transformation characteristics of sulfur forms in acid sulfate soils under different soil water conditions. Chinese Journal of Applied Ecology，2004，15（9）：1570—1574. [劉振乾，段舜山，李愛芬，等. 不同土壤水分條件下酸性硫酸鹽土硫形態(tài)轉(zhuǎn)化特征. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2004，15（9）：1570—1574.]

［13］ Liu Z Q，Wang J W，Luo S M，et al. Hydrodynamic mechanism on the change of different forms of acid in acid sulfate soil. Acta Pedologica Sinica，2002，39（5）：726—734. [劉振乾，王建武，駱世明，等. 酸性硫酸鹽土酸消長的水動(dòng)力機(jī)制研究. 土壤學(xué)報(bào)，2002，39（5）：726—734.]

［14］ Osaki M，Watanabe T，Ishizawa T，et al. Nutritional characteristics in leaves of native plants grown in acid sulfate，peat，sandy podzolic，and saline soils distributed in Peninsular Thailand. Plant and Soil，1998，201（2）：175—182.

［15］ Wang Y H. Food analysis. Beijing：Chemical Industry Press，2010. [王永華. 食品分析. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.]

［16］ Chen S L，Yao H，Han J P，et al. Validation of the ITS2 region as a novel DNA barcode for identifying medicinal plant species. PLoS One，2010，5（1）：e8613.

［17］ Zhao X Q，Chen R F，Shen R F. Co-adaptation of plants to multiple stresses in acidic soils. Soil Science，2014，179（10/11）：503—513.

［18］ Zhao X Q，Shen R F. Strategies for increasing the utilization of nitrogen and phosphorus by plants under aluminum stress. Plant Physiology Journal，2015，51（10）：1583—1589. [趙學(xué)強(qiáng)，沈仁芳. 提高鋁毒脅迫下植物氮磷利用的策略分析. 植物生理學(xué)報(bào)，2015，51（10）：1583—1589.]

［19］ Chen R F，Dong X Y，Zhao X Q，et al. Advances in adaptive mechanisms to acid soils in woody plants—with an emphasis on（）and oil tea（）. Soils，2015，47（2）：252—258. [陳榮府，董曉英，趙學(xué)強(qiáng)，等. 木本植物適應(yīng)酸性土壤機(jī)理的研究進(jìn)展——以胡枝子（）和油茶（）為例. 土壤，2015，47（2）：252—258.]

［20］ Moore P A，Attanandana T，Patrick W H. Factors affecting rice growth on acid sulfate soils. Soil Science Society of America Journal，1990，54（6）：1651—1656.

［21］ Yamamoto A，Wasaki J，F(xiàn)unatsu Y，et al. Distribution and stress tolerance ofsubsp（）growing in highly acidic solfatara fields. Ecological Research，2018，33（5）：971—978.

［22］ Uchiyama H，Matoba H，Aizawa T，et al. Chromosome counts of some wetlandspecies from the Mekong Delta，Vietnam. Cytologia，2010，75（4）：335—339.

［23］ Lottermoser B G，Ashley P M. Trace element uptake by（spike rush）in an abandoned acid mine tailings pond，northeastern Australia：implications for land and water reclamation in tropical regions. Environmental Pollution，2011，159（10）：3028—3035.

［24］ Aizawa T，Ve N B，Nakajima M，et al.sp. nov.，a nitrogen-fixing bacterium isolated from an aquatic plant，，that grows in highly acidic swamps in actual acid sulfate soil areas of Vietnam. International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology，2010，60（5）：1152—1157.

［25］ Foy C D，Burns G R，Brown J C，et al. Differential aluminum tolerance of two wheat varieties associated with plant-induced pH changes around their roots. Soil Science Society of America Journal，1965，29（1）：64—67.

［26］ Degenhardt J，Larsen P B，Howell S H，et al. Aluminum resistance in the Arabidopsis mutantis caused by an aluminum-induced increase in rhizosphere pH. Plant Physiology，1998，117（1）：19—27.

［27］ Zhao X Q，Bao X M，Wang C，et al. Hydroxy-Al and cell-surface negativity are responsible for the enhanced sensitivity ofto aluminum by increased medium pH. Archives of Microbiology，2017，199（8）：1185—1194.

［28］ Wang W，Zhao X Q，Chen R F，et al. Altered cell wall properties are responsible for ammonium-reduced aluminum accumulation in rice roots. Plant，Cell and Environment，2015，38（7）：1382—1390.

［29］ EI-Jaoual T，Cox D A. Manganese toxicity in plants. Journal of Plant Nutrition，1998，21（2）：353—386.

［30］ Liu Z H，Wang Z Q. Transformation and movement of iron and manganese in acid sulphate soils in China. Acta Pedologica Sinica，1994，31（4）：376—384. [劉兆輝，王遵親. 我國酸性硫酸鹽土壤中鐵錳形態(tài)轉(zhuǎn)化及遷移. 土壤學(xué)報(bào)，1994，31（4）：376—384.]

［31］ Kang D J，Seo Y J，Lee B K，et al. Identification and crop performance of acid sulfate soil-tolerant rice varieties. Journal of Crop Science and Biotechnology，2010，13（2）：75—81.

［32］ Shen R F，Ma J F，Kyo M，et al. Compartmentation of aluminium in leaves of an Al-accumulator，Moench. Planta，2002，215（3）：394—398.

［33］ Chen RF，Shen RF，Gu P，et al. Response of rice（）with root surface iron plaque under aluminium stress. Annals of Botany，2006，98（2）：389—395.

［34］ Chenery E M，Sporne K R. A note on the evolutionary status of aluminium-accumulators among dicotyledons. New Phytologist，1976，76（3）：551—554.

［35］ Sahrawat K L. Iron toxicity to rice in an acid sulfate soil as influenced by water regimes. Plant and Soil，1979，51（1）：143—144.

Comparison of Rice Plants with Two Wild Plants in Tolerance to Acid Sulfate Soil and Absorption of Mineral Elements

ZHANG Lingyu1,3, ZHAO Xueqiang1,3?, LI Jiamei2, SHEN Renfang1,3

(1. State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2. College of Life Science, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Acid sulfate soil is a type of soil developed from the parent material of reducing sulfide and is described as “the nastiest soils in the world” because of its strong acidity and poor plant growth. Acid sulfate soils are mainly distributed along the seacoast of tropical and subtropical regions, wherein the climate is though very suitable for growth of most crops, especially rice (L.) because of their abundant water and heat resources, it is very hard to bring the production potential of rice into full play, due to their poor soil properties, such as acid threats, metal toxicity and nutrient deficiency. Plants, the same in family, but different in species or variety, vary significantly in capability to adapt to stress soils. Although most crop plants cannot grow in acid sulfate soils, some native plants can do very well. The objective of this study is to screen out rice cultivars that are capable to adapt to acid sulfate soils, and further to explore their underlying mechanisms.A total of 240 varieties of rice were planted in acid sulfate soil (pH 3.69) in Taishan City, Guangdong Province, China, and were managed as the local farmers do their crops. None met the target of economic yield. However, accidentally two species of wild plants, identified morphologically and molecularly asandwere found growing flourishingly in the soil. During the rice harvest season, samples of the rice plants, wild plants, and their rhizosphere and non-rhizosphere soils were collected for analysis of soil chemical properties (pH, exchangeable Al, and available Mn) and contents of 10 elements (N, P, K, Ca, Mg, S, Na, Al, Fe, and Mn) in the roots and shoots.It was found that variation of soil chemical properties such as pH, exchangeable Al and available Mn, in rhizosphere could not explain the difference between the two wild plants and the rice plants in tolerance and that Mn toxicity and N deficiency were not the key factors that limited growth of the plants. Instead, the contents of mineral elements in the plant shoots were found to be closely related to the difference between the rice plants and the wild plants in tolerance. The rice plants accumulated more Al and Fe, but less nutrients (P, K, Ca, Mg, and S) in the shoots than the two wild plants. Little difference was observed in contents of most mineral elements in roots between the plants. Moreover, the Al and Fe contents in the shoot ofwere low, which explains its tolerance to Al and Fe toxicity through exclusion mechanism, while the Al and Fe contents in the shoot ofwere high, which explains its resistance to Al and Fe toxicity through internal tolerance mechanism.Al toxicity, Fe toxicity and poor nutrient uptake are the main factors leading to poor growth of rice in acid sulfate soils. In contrast, the two wild plantsandcan grow well in the soils thanks to their strong ability to resist Al and Fe toxicity and to take up nutrients. Mn toxicity and N deficiency may not be involved in the difference between the rice plants and the wild plants in adaptability to acid sulfate soils. It is, therefore, suggested that to improve Al and Fe tolerance and nutrient uptake are two approaches key to developing crop productivity potential in acid sulfate soils, which can be achieved through soil management and variety breeding.

Acid sulfate soil; Rice;;; Metal toxicity; Nutrient deficiency

S158

A

10.11766/trxb201901300064

張玲玉，趙學(xué)強(qiáng)，李家美，沈仁芳. 水稻和兩種野生植物對酸性硫酸鹽土耐性及礦質(zhì)元素吸收[J]. 土壤學(xué)報(bào)，2020，57（2）：403–413.

ZHANG Lingyu，ZHAO Xueqiang，LI Jiamei，SHEN Renfang. Comparison of Rice Plants with Two Wild Plants in Tolerance to Acid Sulfate Soil and Absorption of Mineral Elements [J]. Acta Pedologica Sinica，2020，57（2）：403–413.

* 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31672229）和中國科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目（KFZD-SW-112-01-09）共同資助 Supported by the National Natural Science Foundation of China（No. 31672229）and the Key Deployment Projects of the Chinese Academy of Sciences（No. KFZD-SW-112-01-09）

，E-mail：xqzhao@issas.ac.cn

張玲玉（1992—），女，山東淄博人，碩士研究生，主要從事酸性土壤植物營養(yǎng)研究。E-mail: zhangly@issas.ac.cn

2019–01–30；

2019–03–19；

優(yōu)先數(shù)字出版日期（www.cnki.net）：2019–04–15

（責(zé)任編輯：陳榮府）