土壤堿化對高粱離子平衡的影響

李長有+倪福太

摘要：本實驗以較耐鹽堿的高梁品種四雜25號（SIZA25）為實驗材料，選擇堿度不同的三個土壤樣區，定為無堿脅迫（C）、輕度堿脅迫（M）和重度堿脅迫（S）進行實驗，分別對無機離子和相溶性溶質進行測定，并進行兩年的對比實驗，以探討土壤堿化對高粱離子平衡的影響。

關鍵詞：高粱;天然堿脅迫;離子平衡

基金項目：國家自然科學基金項目（30671491）資助;吉林省教育廳科技計劃項目（吉教科合字〔2011〕第 164 號）

中圖分類號： S514 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： ?A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI編號： 10.14025/j.cnki.jlny.2014.24.0019

1 前言

土壤堿化對植物代謝特別是根生理功能有嚴重和復雜的影響。雖然世界陸地面積占地約13.2×109公頃，不超過7×109公頃屬于潛在的可耕地，只有1.5×109公頃目前可供栽培。約0.34×109公頃（23%）的耕地是鹽水，另0.56×109公頃（37%）的耕地是鈉質[1]。堿化土壤存在于超過100個國家，并覆蓋約10%的總耕地面積。在鹽堿土壤中Na+、Ca2+、Mg2+和K+是可溶性的礦物鹽的主要陽離子， Cl-、SO42-、HCO3-、CO32-，和NO3- 是相應的主要陰離子[1]。這些離子都來自中性鹽或堿性鹽。報告清楚地表明，堿脅迫對植物影響非常有害[2-7]。實際上，土壤鹽堿化即由于堿性鹽如NaHCO3和Na2SO4引起的問題，可能比土壤鹽漬化即由中性鹽如NaCl和Na2SO4引起的問題更加嚴重[2]。根部周圍的高pH環境可導致根的正常生理功能的喪失，破壞根細胞的結構[5-7];抑制離子的攝取如Cl-、NO3 -和H2PO4-;大大影響K+的Na+的選擇性吸收，并破壞離子平衡[6，8]。土壤堿化在一些地區是嚴重的問題。例如，在中國東北，堿化草地覆蓋總面積的70%以上，并繼續蔓延[1，9]。然而，大多數的報道迄今已普遍強調了鹽脅迫[9];關于植物對鹽堿脅迫的生理反應的報道很少[5-8，10-12]。誘導堿脅迫的基因表達是基于實驗室研究得出的結果[13-14]。堿化土壤構成復雜的挑戰：鹽的組合物以及中性至堿性的鹽的比例甚至可以在一個小的區域不同。因此，通過這樣的土壤對植物施加的壓力比由單一的鹽或堿在受控條件下實施更復雜 ，并可能涉及滲透脅迫，離子損傷，高pH的應力，并且從不同的離子間的相互作用。因此，在堿化土壤田間試驗是理解耐堿性尤為重要的。

高粱（Sorghum bicolor L）是一種生活中在半干旱地區的主要食品、飼料及能源作物。高粱有許多優點，例如：抗干旱、水澇、鹽以及即使在貧瘠的土壤中也能生長的能力。這種作物廣泛的分布于干旱和半干旱的地區，以及低洼地區。由于天氣的原因、土壤鹽漬化和干旱，全球的高粱產量和質量都會受到嚴重的影響。在本實驗中，耐堿的高粱品種（SIZA25）生長于堿化的耕地，然后對于無機離子和相溶性溶質進行測定，以探討土壤堿化對高粱離子平衡的影響。

2 材料與方法

2.1 植物材料和天氣狀況

SIZA25，耐堿高粱品種被選為測試品種。在長嶺馬場的東北師范大學草地生態研究站于2009年和2010年進行的實驗（吉林省東北師范大學草地生態研究站，位于松嫩南部。氣候屬半濕潤半干旱溫帶，年降水量310～580毫米，年蒸發量為1136～1565年毫米，年積溫為2579℃～3144℃，日平均氣溫在作物生長階段的總和;用作測量熱量在作物生長階段的規則）。在2009年和2010年從4～10月，吉林省氣象臺記錄平均降水量168.6毫米和249.4毫米，在2009年和2010年累計最高溫度分別為4747℃和4080℃。

2.2 實驗地點

該實驗包括三個地塊：一個中度退化的地點，一個嚴重退化的地點，一個非退化的地點，其中非退化的地點作為對照。這三個采樣點主要是在不同的含鹽量（電導率）和pH值：地點C（對照區）記錄的低導電率（212.33±5.53 DS/ m）和pH（8.38±0.04）;相應的值中度退化的地點分別為1038.83±67.71 DS/m和8.62±0.14（中等脅迫的M點），高度退化的地點為1420.33±53.57 DS/m，9.56±0.06（嚴重脅迫的S點）。土壤樣品（重300克/個）從每個地點的根際收集，放置在土壤采樣袋中，在室內在4℃下存放備用。在實驗室中，土壤樣品進行空氣干燥和過篩（孔徑小于2毫米）。采用混合等重量的土壤和水的土壤樣品懸浮液進行測量電導率（EC）和pH值。

2.3 生理指標的測定

在早晨收獲植物，用蒸餾水洗滌，分離成根、莖、葉，在100℃鼓風干烘箱中殺青10分鐘，然后在60℃至恒重。各干燥樣品與10毫升去離子水混合，并保持在100℃下1小時，將萃取液用于測定游離的無機離子的含量：Cl-、NO3-、H2PO4-、SO42-，草酸鹽，通過離子色譜法測定（DX-300離子色譜系統，AS4A-SC層析柱，流動相：Na2CO3/NaHCO3 = 1.7/1.8毫米;戴安，桑尼維爾，美國），Na+、K+、Ca2+和Mg2+通過原子吸收分光光度計測定（TAS-990，普析通用，北京）。脯氨酸的含量用茚三酮進行測定[15]。可溶性總糖采用蒽酮測定[15]。甘露醇含量使用張等人的方法進行測定[16]。游離氨基酸采用比色法測定[17]。

2.4 統計分析

所有的實驗都是基于6個重復樣本。對數據進行方差分析（ANOVA）用統計軟件SPSS 14.0（SPSS公司，芝加哥，美國）單向分析。處理平均值由Student-Newman-Keuls 檢驗（q檢驗）進行比較。差異P <0.05為顯著。

3 結果與分析

3.1 陰離子

天然的堿性脅迫刺激Cl-和NO3-在根、莖、葉的積累（如圖1）。

圖1天然的堿性脅迫對Cl-和NO3-積累和分布的影響

在根H2PO4-的含量并沒有顯著改變，其在莖含量隨脅迫強度略有增加。然而，自然堿脅迫降低葉H2PO4-的含量，刺激H2PO4-的積累只能在適度范圍（如圖2）。

圖2天然的堿性脅迫對H2PO4-積累和分布的影響

天然的堿性脅迫增加根SO42-含量，并減少其在葉片中含量， 在莖中含量在2009年下降，在2010年上升（如圖3）。

圖3天然的堿性脅迫對SO42積累和分布的影響

3.2 相溶性溶質

自然堿脅迫并沒有影響可溶性糖的顯著積累（如圖4）。

圖4天然的堿性脅迫對可溶性糖含量積累和分布的影響

在葉脯氨酸，甘露醇和氨基酸保持相對不變，而在根和莖的脯氨酸和氨基酸的積累，刺激甘露醇的降低（如圖5）。

對草酸含量的影響只是輕微（如圖6）。

圖6天然的堿性脅脅迫對草酸含量積累和分布的影響

4 討論與結論

4.1 比較

自然堿脅迫導致滲透脅迫和離子損傷[18]，加上各種離子之間的相互作用和高pH值增加的影響。因此，天然堿脅迫對高粱的生長有較強的抑制作用（如圖7）。我們發現，堿性鹽在根際造成高pH值和離子失衡的不利影響作出了重大貢獻[19]。另外，天氣也可能影響高粱植物的天然堿脅迫，圖1表明，根，莖，葉的DW在2010年比2009年較高，這差異可能歸因于2009年降水較低和溫度較高。

圖7天然的堿性脅脅迫對高粱生長有較強的抑制作用

4.2 滲透調節

天然的堿性應力降低K+和Ca2+含量，增加Na+含量，導致更高的Na+/K+和Na+/Ca2+泵比（如圖8）。Na+已被證明只對某些物種是必不可少的，但似乎刺激其他物種的生長[20]。然而，K+是唯一的一價陽離子，是所有高等植物的生長所必需的，且已被報道在同化物的轉運中發揮重要作用[21-22]。低Na +和高K +在細胞質中是必不可少的一些酶促過程。對高粱來說高含量的K被認為是比高含量的Na更有害。我們的結果表明，天然的堿性脅迫對Na+/K+比率在高粱葉片和莖僅有很小的影響，但是顯著增加了根部Na+/ K+比率（如圖8）。

天然的堿性脅迫增加根系和莖中Na+含量而不是影響葉（如圖8），而在根中的K+含量比在葉片和莖低，Na+含量和Na+/ K+比率根部要比葉和莖高得多。這種差異表明，在根部保持相當高滲透勢的水份吸收和限制鈉離子到芽的擴散是高粱的適應性戰略組成部分。高粱具有一個非常高效的機制以防止Na+從枝條進入到根[23-24]。天然的堿性應力降低K+在根部含量而不是在葉（圖8D-F），這一發現與早期研究的結果不同。弗朗索瓦等[25]發現，鹽脅迫并沒有影響K+在高粱的積累，而我們的數據顯示，天然的堿性脅迫下高粱葉子不會嚴重缺乏K+。在這樣的壓力，高粱可能會釋放K+從根到芽，鉀的又一作用機制提供給高粱忍受壓力的能力。自然堿脅迫不僅影響陽離子的新陳代謝，也強烈干擾無機陰離子的積累和分布，通過降低Cl-和NO3-在根、莖、葉的含量，特別是在莖和葉。這可能是由于無機負電荷高粱嚴重缺乏，從而影響代謝的動態平衡。

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