酸性土壤上不同水稻品种耐低磷差异研究

李小莉，胡安永，王嘉林，肖 珣，沈仁芳，赵学强*

（1.土壤与农业可持续发展国家重点实验室/中国科学院 南京土壤研究所，江苏 南京 210008；2.中国科学院大学，北京 100049；3.南通大学 地理科学学院,江苏 南通 226019）

我国南方红壤地区的水热条件比较适宜农业生产，并且作物生产的潜力巨大，但是由于红壤的酸性，作物的生长会受到抑制，不能充分发挥其巨大的气候生产潜力［1］。在各种养分胁迫因子中，低磷胁迫是酸性土壤上限制作物生产潜力发挥的主要因子［2］。施用磷肥是缓解酸性土壤上植物缺磷的主要途径。农民为了追求作物高产，过度投入肥料，导致过量的磷进入周围的河流、湖泊等水体中，造成了水体富营养化，破坏了生态环境［3-4］。因此，增强作物对酸性土壤中积累态磷的利用、降低磷肥施用量，具有保护生态环境和节约资源的双重意义。

水稻是对低磷胁迫较为敏感的作物类型［5］。我国农业磷肥用量中14%用于水稻［6］。酸性土壤缺磷并不是因为土壤中总磷少，而是因为磷被固持在土壤中，形成了铁磷和铝磷，其有效性低。不同作物种类的耐低磷能力不同，例如，猪屎豆、肥田萝卜和象草常常种植在南方地区，这3种作物对难溶性磷的利用率以象草最大，肥田萝卜次之，猪屎豆最小［7］。不同水稻品种的耐低磷能力也存在显著差异［8-11］，但关于酸性土壤上不同水稻品种耐低磷能力差异机制的研究较少，因此，开展酸性土壤上不同水稻品种耐低磷差异的研究很有必要。

本研究在前期田间试验的基础上，以6 个水稻品种为材料，通过土培和水培试验，研究了不同水稻品种对低磷的响应、根际磷活化、磷吸收效率和根系生长的差异，以期获得耐低磷水稻品种，并解析酸性土壤上水稻耐低磷机制，以期为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论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

在南方酸性土壤种植的244个水稻品种的基础上［12］，选择了6个水稻品种为试验材料，分别为敖柱、连粳7号、A类黄、一支腊选系、南充一支腊、马扎，研究了不同水稻品种耐低磷能力的差异。水稻品种由南京农业大学万建民教授提供。

1.2 供试土壤

供试土壤发育于第四纪红黏土，采自江西省鹰潭市中国科学院红壤生态试验站稻田0～20 cm土层的新鲜土壤样品，剔除杂物及残留根系后，风干、磨细，分别过2 mm和0.149 mm孔径筛备用。于试验开始前，采用常规方法对供试土壤的基本理化性质进行了分析，土壤基本理化性状：pH值4.71、有机质2.23 g/kg、全氮0.14%、全磷0.674 g/kg、碱解氮40.52 mg/kg、速效钾49.47 mg/kg、速效磷1.63 mg/kg［13］。

1.3 试验设计

土培试验：盆栽试验于2019年9～10月在中国科学院南京土壤研究所自然光照的玻璃温室中进行。采用不透明塑料桶（内径17 cm，高17 cm），装土2 kg。磷设计2个水平：+P：0.1 g/kg土；-P：不施磷。所有处理均施N 0.2 g/kg土、施K 0.2 g/kg土。土培试验的氮、磷、钾肥分别为尿素、磷酸二氢钾和硫酸钾。每个处理均设置4次重复。挑选饱满水稻种子，用0.1%次氯酸钠溶液浸泡30 min，清水冲洗干净，催芽，待种子露白后，将发芽整齐一致的种子播入盆中。待出苗后，每盆留苗3株。水稻在酸性土壤中生长40 d。地上部和根部样品分别于烘箱105 ℃杀青30 min，65 ℃烘干至恒重，所有烘干后的样品经粉碎研磨后，用钼蓝比色法测定其磷含量［13］。土样风干磨细过筛，测定根际和非根际土壤的有效磷含量［13］。

水培试验：挑选饱满水稻种子，用0.1%次氯酸钠溶液浸泡30 min，清水冲洗干净，催芽，待种子露白后，将发芽整齐一致的种子转移至人工气候室内避光培养48 h，然后将水稻幼苗转移至装有1/4木村营养液中继续培养。人工气候室条件：光照14 h，黑暗10 h，温度为（25±2）℃，相对湿度为（65±5）%，光强为300 μmol/（m2·s）。待水稻幼苗长至3叶1心时，选择长势一致的水稻幼苗进行水培试验处理。设计2个磷水平：180 μmol/L（+P）、10 μmol/L（-P）。每隔2 d更换1次营养液，每个处理4次重复，培养40 d后收获。地上部和根部样品于烘箱105℃杀青30 min，65 ℃烘干至恒重，测定植株地上部和根的干重，植株体内磷含量测定方法同上。

1.4 数据统计与分析

耐低磷能力和磷吸收效率根据下列计算公式计算：

耐低磷能力=低磷条件下生物量（g）/正常磷条件下生物量（g）

磷吸收效率=水稻植株总磷含量（mg）/根系干重（g）

利用Excel 2003软件绘制图表。通过SPSS统计分析软件对不同处理间的差异进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 土培条件下不同水稻品种耐低磷能力的比较

土培条件下，与施用磷肥相比，在不施磷肥条件下5个水稻品种的地上部和根系生物量都显著减少（表1）。从耐低磷能力（-P/+P）数据来看，敖柱、连粳7号、A类黄3个水稻品种的耐低磷能力相对较高（表1），且水稻地上部的耐低磷能力与根部的具有显著的相关性（图1）。

图1 土培条件下水稻地上部和根部耐低磷能力的相关性分析

表1 土培条件下低磷胁迫对不同水稻品种生物量的影响 g/盆

2.2 土培条件下不同水稻品种体内和土壤磷含量的比较

由表2可知，与施用磷肥相比，在低磷条件下，不同水稻品种体内磷含量都较低。在低磷条件下，耐低磷水稻品种连粳7号和A类黄的植株体内的磷含量较高，而耐低磷品种敖柱的体内磷含量较低，说明3个耐低磷水稻品种可能具有不同的耐低磷机制。

表2 土培条件下不同水稻品种体内磷含量 g/kg

在施磷条件下，6个水稻品种的非根际和根际有效磷含量没有显著差异（图2a）；在低磷条件下，耐低磷水稻品种敖柱和连粳7号的根际磷含量显著高于非根际磷含量，而其余4个品种没有显著差异（图2b）。因此，在低磷条件下，耐低磷水稻品种敖柱和连粳7号的根际磷活化能力较强。

图2 土培条件下不同水稻品种非根际和根际土壤有效磷含量

2.3 水培条件下低磷胁迫对不同水稻品种生长的影响

在水培条件下，与正常供磷（+P）相比，除了水稻品种敖柱外，低磷胁迫对其他5个水稻品种地上部生物量均有抑制作用；相反，低磷胁迫对6个水稻品种的根系生物量均有促进作用（表3）。从-P/+P比值来看，耐低磷品种敖柱的比值较高，而耐低磷品种A类黄的比值却较低，这表明敖柱可能通过在低磷胁迫下诱导根系生长来适应低磷，而A类黄可能通过其他耐低磷机制。水培条件下，水稻根部耐低磷能力与地上部耐低磷能力具有显著相关性（图3），这与土培试验结果表现一致。

图3 水培条件下水稻地上部和根部耐低磷能力的相关性分析

表3 水培条件下低磷胁迫对不同水稻品种生物量的影响 g/盆

2.4 水培条件下不同水稻品种体内磷含量和磷吸收效率的比较

由表4可知，水培低磷条件下，在6个水稻品种中，水稻品种连粳7号体内的磷含量最高。当施加磷肥后，所有水稻体内的磷含量都有显著增加，连粳7号体内的磷含量仍最高，说明水稻品种连粳7号对磷的吸收能力较强。耐低磷水稻品种敖柱的体内磷含量也较高，而另外一个耐低磷品种A类黄的体内磷含量却较低。

表4 水培条件下不同水稻品种的磷含量 g/kg

从表5可以看出，在低磷条件下，与其他4个水稻品种比较，耐低磷品种敖柱和连粳7号都有较高的磷吸收效率，但在正常磷条件下，除了水稻品种A类黄的磷吸收效率较低外，其他5个水稻品种的磷吸收效率没有显著差异。这进一步表明敖柱和连粳7号在水培低磷条件下具有较强吸磷能力。

表5 水培条件下不同水稻品种磷吸收效率 g/kg

3 讨论

本研究在前期田间试验基础上，采用土培和水培试验，探究了酸性土壤上6个水稻品种耐低磷能力的差异，其中敖柱、连粳7号和A类黄3个水稻品种的耐低磷能力较强，一支腊选系、南充一支腊和马扎3个水稻品种的耐低磷能力较差。

在本研究中，敖柱和连粳7号的根际磷含量在低磷胁迫下显著增加，表明这2个品种可能通过根系生理途径活化了根际固定态磷。为响应低磷环境，水稻根系分泌物量会明显增加［14-15］，其中有机酸的增加量尤为明显。水稻根系分泌物中的苹果酸、乙酸、柠檬酸、琥珀酸等有机酸在耐低磷水稻品种中的相对分泌量增加，根系释放的酸性磷酸酶活性明显提高［16］。在酸性土壤中，有机酸通过酸溶、螯合和竞争吸附等机制活化了土壤难溶态磷，主要是Al-P和Fe-P［17］。由此可知，敖柱和连粳7号具有较强的根际活化能力，将来需要进一步分析这2个水稻品种在低磷胁迫下的根系分泌物特征，以明确其具体的根际磷活化机制。

与土培试验不同，水培试验营养液中的磷都是可溶态的，不涉及磷的活化，因此，水培试验主要反映水稻根系对磷的响应和吸收能力。在水培低磷条件下，6个水稻品种的根部生物量都显著提高，这是水稻对低磷环境形态的适应机制，可能是光合产物在分配方向的强度随着磷素水平的改变而改变。前人的砂培试验结果表明：在低磷胁迫下，耐低磷水稻品种的总根数、总根长、总根表面积、侧根长、侧根数及侧根密度均明显增加［11］。本研究也表明，水稻地上部的耐低磷能力与根系的耐低磷能力显著相关，耐低磷品种敖柱在水培低磷条件下的根系重量显著提高，而其他品种提高较少，这表明低磷诱导的根系增大是敖柱耐低磷的一个主要机制。

除了根际活化和根系大小外，根系磷吸收效率也是耐低磷筛选的重要指标之一。在水培低磷条件下，与其他4个品种相比，耐低磷品种敖柱和连粳7号在低磷胁迫下的磷吸收效率较高，且体内磷含量也相对较高。因此，敖柱和连粳7号的耐低磷能力得益于较高的根系磷吸收率。

4 结论

综上所述，在本研究的6个水稻品种中，敖柱、连粳7号和A类黄是3个耐低磷水稻品种，其中敖柱通过根际活化、根系增大、根系磷高效吸收3个途径来增强其耐低磷能力，连粳7号主要通过根际活化和根系磷高效吸收以增强其耐低磷能力，A类黄可能通过体内磷高效利用来实现耐低磷。这些研究结果有助于了解水稻的耐低磷机制，同时也为酸性土壤上耐低磷水稻品种的选育和水稻耐低磷分子机制的研究提供了种质资源。