HCO3?和灌溉方式對水稻鐵吸收和利用的交互影響

張新疆 王祥斌 劉玲慧 危常州, *

HCO3?和灌溉方式對水稻鐵吸收和利用的交互影響

張新疆1, 2王祥斌1, 2劉玲慧1, 2危常州1, 2, *

(1石河子大學 農業資源與環境系，新疆 石河子 832000；2新疆生產建設兵團綠洲生態農業重點實驗室，新疆 石河子832000；*通信聯系人，E-mail：changzhouwei@126.com)

【目的】膜下滴灌水稻是一項兼顧高產和節水潛力的水稻栽培技術。然而，在石灰性土壤上膜下滴灌水稻經常表現出缺鐵(Fe)黃化癥狀。前期研究發現，在滴灌條件下HCO3?對水稻Fe吸收的抑制強度弱于淹灌，但內在機制并不清楚。本文主要探討HCO3?對兩種灌溉型水稻土壤DTPA-Fe濃度、水稻木質部傷流液pH值、Fe吸收和利用的影響。【方法】在兩種灌溉水稻[淹灌(FI)和覆膜滴灌(DI-PFM)]處理下設四種灌溉水HCO3?濃度處理(0，2，10和40 mmol/L HCO3?，分別表示為BC-0，BC-2，BC-10和BC-40)。【結果】DI-PFM土壤DTPA-Fe含量顯著低于FI。隨著HCO3?濃度增加，土壤pH增加，而土壤DTPA-Fe濃度呈降低趨勢。水稻木質部傷流液pH值隨灌溉水中HCO3?濃度的增加而增加，FI處理水稻木質部汁液pH值顯著高于DI-PFM。水稻葉片和根系質外體鐵濃度均隨HCO3?濃度的上升表現為先減少后增加的趨勢，在BC-40處理下最高。兩種灌溉型水稻葉片活性鐵濃度、共質體鐵濃度、水稻生物量和全鐵積累量均隨HCO3?濃度的上升而降低，但DI-PFM處理下這些參數的降幅小于FI。水稻根系和葉片中共質體Fe與質外體Fe濃度比值隨HCO3?濃度的增加而降低，FI處理水稻根系和葉片中共質體Fe與質外體Fe濃度比值大于DI-PFM。【結論】HCO3?引起水稻木質部傷流液pH升高影響水稻鐵吸收和利用，但HCO3?并不是造成滴灌水稻缺鐵的主要因子。石灰性土壤上滴灌水稻缺鐵的主要原因可能仍是因為土壤鐵有效性低引起的。

質外體鐵；HCO3?；鐵吸收和利用；共質體鐵；木質部傷流液

水稻是耗水量最大的作物。據統計，到2025年世界上約有1500萬至2000萬hm2的稻田將遭受不同程度的缺水[1]。中國是世界上最大的水稻生產國，水稻種植面積和產量分別占全球的20%和32%[2]，水資源缺乏加速了中國水稻節水技術的發展[3-6]。因此，減少水稻生產用水是必要的。

中國新疆地區農業生產嘗試用膜下滴灌技術(DI-PFM)種植水稻，DI-PFM水稻產量高達12.0 t/hm2 [7]。在DI-PFM系統中，土壤含水量保持在田間持水量的90%左右，土壤表面沒有明顯水層。從土壤水分狀況來看， DI-PFM水稻與旱稻栽培類似，但土壤濕度更大，土壤水分含量變幅更小。相比傳統淹灌栽培稻，DI-PFM可以減少60%的灌溉用水[8]。盡管膜下滴灌水稻有很大的潛力，但在石灰性土壤上DI-PFM水稻經常發生缺鐵問題，缺鐵嚴重會導致稻苗死亡，嚴重影響水稻產量提升和該項技術的推廣。

較高的土壤pH值和氧化還原電位會降低植物對鐵的有效吸收[9]。除此以外，研究表明HCO3?是石灰性土壤上誘發植物缺鐵的主要因素[10-13]。但關于HCO3?引起植物缺鐵的發生機制仍存在爭議，主要觀點有兩方面：1）研究認為HCO3?抑制了植物根系對根際Fe的獲取[14-15]；2）也有研究認為HCO3?導致植物體液堿化，進而引起植物葉片質外體鐵失活是導致植物缺鐵的原因[10, 12]。鐵在質外體中的積累和活化受植物基因型、氮素形態、pH和HCO3?濃度影響較大。研究發現，即使植物根系質外體中存在豐富的鐵源，高濃度的HCO3?仍會導致玉米和葡萄缺鐵失綠[15-16]。木質部導管是營養物質從地下部運輸到地上部分的主要通道，植物根系吸收的鐵主要通過木質部向上運輸，并從木質部卸載至韌皮部，進而運輸至各器官[17]。木質部傷流液在植物水分、養分和代謝物的長距離運輸中起主要作用。我們前期研究發現在石灰性土壤上淹灌(FI)水稻葉片活性Fe濃度和土壤DTPA-Fe含量均顯著高于DI-PFM，但HCO3?對FI水稻鐵吸收的抑制效果比膜下滴灌水稻更為強烈[18]，其深層機制還不清楚。

本研究通過設置兩種灌溉方式和四個灌溉水HCO3?濃度，研究HCO3?對不同灌溉方式下水稻傷流液pH、生物量累積、不同部位質外體和共質體鐵濃度以及鐵吸收和分配的影響，分析土壤中HCO3?的增加是否導致水稻木質部傷流液pH升高，從而影響水稻鐵吸收和分配。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2016年5月－9月在新疆石河子市石河子大學農學院試驗站網室進行。試驗開展期間日平均氣溫27.2℃，日降水量5.41 mm，日蒸發量為8.91 mm。供試水稻材料為T-43(L.)。供試土壤為石灰性灰漠土，土壤基礎理化性質：pH 8.2，有機質含量15.7 g/kg，堿解氮含量93.7 mg/kg，有效磷含量19.4 g/kg，速效鉀含量251.0 g/kg，電導率0.24 ms/cm，DTPA-Fe 12.7 mg/kg，DTPA-Mn 13.9 mg/kg，DTPA-Zn 1.0 mg/kg，碳酸鈣 85.5 g/kg。

1.2 試驗設計

兩因素完全隨機試驗設計。設置兩個灌溉處理，分別為傳統淹灌(FI)和覆膜滴灌(DI-PFM)。每個灌溉處理下設四個HCO3?處理，灌溉水中NaHCO3濃度為0、2、10和40 mmol/L(分別表示為BC-0，BC-2，BC-10和BC-40)。水稻出苗長至2葉1心時開始灌溉處理，在水稻拔節期和成熟期(播種后的85 d和150 d)分兩批采集土壤和植物樣品。通過向HCO3?濃度為2 mmol/L的井水中添加NaHCO3形成不同HCO3?梯度的灌溉水，不同灌溉處理中投入的Na+用NaCl補齊。BC-0處理使用0.1 mol/L的鹽酸調節灌溉水pH值至5，目的是除去灌溉水中自然狀態下的HCO3?。每個處理重復5次。

取石河子大學農學院試驗站耕層深度為0～30 cm土壤，土壤自然風干后過4 mm篩，裝入陶瓷花盆(15 cm內徑×30 cm高度)，每個陶瓷花盆裝土壤20 kg。每個盆栽處理施肥量相同，因陶瓷花盆裝土量有限，所以施肥量比傳統大田多50%。氮肥(尿素，折合純氮0.20 g/kg)分四次施用：播種前15%，分蘗期30%，拔節期40%，孕穗揚花期15%。磷肥(重過磷酸鈣，折合P2O50.15 g/kg)和鉀肥(硫酸鉀，折合K2O 0.2 g/kg)在播種前一次性隨土和勻基施。水稻種子播在自制的根袋(300目)中以便于根系取樣和根際土壤采集。為了適應水稻不同生育期根系生長，預先制定不同規格的根袋，分別是寬8 cm、高8 cm(拔節期)和12 cm(成熟期)。每個陶瓷花盆裝土前均勻埋有5個根袋，根袋裝土后，隨土埋在花盆中。盆栽裝土后用足量的水完全淹沒土壤，土壤自然沉降8 d后，測定土壤含水量隨后播種。稻種在播種前在水中浸泡24 h，然后播在相應根袋(每穴12粒種子)。待水稻長至2葉1心時，定苗至每穴6株開始灌溉處理。

每個傳統淹灌處理陶瓷花盆底部都留有滲漏小孔，保證水分滲透速率為10 mm/d。在傳統淹灌處理中，整個水稻生長期要保持土壤表面3～7 cm水層。利用醫用輸液器模擬滴灌灌水，滴灌處理土壤表面覆蓋7 μm厚塑料膜。覆膜滴灌處理使用稱重法進行灌水管理，通常每2 d灌溉一次，維持土壤含水量在土壤飽和持水量的90%以上。水稻全生育期滴灌灌水量為33.5 L/盆，傳統淹灌處理為72.0 L/盆。

1.3 水稻木質部傷流液、土壤和水稻植株樣本的收集和預處理

于水稻拔節期，從7:00開始使用不銹鋼刀片將水稻從根基部1 cm處割斷，用去離子水沖洗水稻基部，使用醫用注射器連續收集水稻傷流液2 h后，立即測定傷流液pH值。傷流液收集完成后，挖出每個重復的根袋，取三穴根系用自來水輕輕洗去根系表面土壤。將地上部分為葉、莖、葉鞘。另取兩穴水稻根系收集根際土壤，將收集的土壤樣品放至冰盒內帶回實驗室，測定土壤溶液中的HCO3?和土壤DTPA-Fe濃度。土壤和根系樣品置于冰盒中，帶回實驗室測定根系活力等指標。新鮮的水稻植株和土壤樣品在采集后立即進行測定[19]。水稻根系先用去離子水洗凈，后用0.5 mmol/L CaSO4溶液沖洗根系5遍[20]。地上部樣品用去離子水清洗后再用0.1 mol/L HCl溶液沖洗5遍。

于水稻成熟期收獲籽粒，并分地上、地下部取樣，將地上部分為葉、莖、葉鞘、籽粒。不同植株部位鐵含量測定預處理方法同上。

1.4 指標測定

木質部傷流液pH值使用IQ150不銹鋼探針酸度計(光譜技術公司，美國)測定。根據Zhang等[18]的方法獲得土壤溶液，土壤溶液中的HCO3?濃度用0.02 mol/L HCl和溴酚藍作為指示劑測定。取新鮮土壤除雜后，按照土∶水=2∶5振蕩搖勻3 min后，待土壤沉淀后直接使用混合電極pH計(pH Meter IQ150)測定土壤pH。在25℃下用DTPA-TEA (0.005 mol/L二乙烯三胺五乙酸+ 0.1 mol/L三乙醇胺+ 0.01 mol/L氯化鈣，調節pH至7.3)提取土壤中DTPA-Fe。使用α -萘胺(α-NA)氧化速率表征根系活力(ROA)[21]。根據Takkar和Kaur的方法測定水稻葉片活性Fe濃度[22]。每個盆栽隨機選擇30片劍葉，分別在單片葉的中部和上下各3 cm處測定葉綠素含量。30片葉片不同部位葉綠素含量的平均值作為一個處理的觀察值。

根據Biel等和Matichenkov等的方法測定水稻葉片和根系共質體和質外體鐵濃度[23-24]，具體過程如下：用不銹鋼剪刀將植物樣品切成小塊(0.2～0.5 cm寬)。將新鮮樣品(1.0 g)轉移到含有50 mL去離子水的三角瓶中，振蕩浸提1 h后，使用原子吸收分光光度計測定濾液鐵濃度，此部分為質外體鐵濃度。取浸提1 h后植株殘渣用去離子水洗滌數次后，將植物樣品轉移至研缽中研磨，研磨后的樣品轉移到含有50 mL去離子水的三角瓶中，持續振蕩1 h，此時濾液中為共質體鐵，使用原子吸收分光光度法測定濾液鐵濃度。

植物樣品稱量后用不銹鋼研磨機研磨，樣品在硝酸-高氯酸(硝酸∶高氯酸=2∶8)中消化。鐵濃度用原子吸收分光光度計(日立Z-2000，日本)測定。

根據下列方程計算水稻收獲指數和鐵收獲指數[25]：

收獲指數=籽粒質量/(籽粒質量+秸稈質量)；

鐵收獲指數=籽粒鐵吸收量/(秸稈鐵吸收量+籽粒鐵吸收量)。

1.5 數據處理和統計分析

所得數據用Excel 2003進行數據整理后，用Graph Pad Prism 5作圖。用SAS 8.0對數據進行雙因素方差分析，在0.05水平進行差異顯著性檢驗(LSD法)。

BC-0，BC-2，BC-10和BC-40表示灌溉水中HCO3?濃度分別為0，2，10和40 mmol/L。DI-PFM和FI分別表示覆膜滴灌栽培和水稻傳統淹灌。I，B和I×B分別表示灌溉方式、灌溉水中HCO3?濃度及兩者間的交互影響。誤差線表示標準誤(n=5)；柱上相同字母表示處理間無顯著差異(P < 0.05，LSD檢驗)。下同。

Fig. 1. Effects of irrigation method and HCO3?concentration of irrigation water on soil HCO3?concentration, soil pH, soil DTPA-Fe concentration at jointing stage.

2 結果與分析

2.1 土壤溶液中HCO3?濃度、土壤pH值、土壤DTPA-Fe濃度

灌溉方式、灌溉水中HCO3?濃度及其交互作用均對土壤溶液HCO3?濃度、土壤pH值和土壤DTPA-Fe濃度有顯著影響(圖1)。

土壤溶液HCO3?濃度和土壤pH整體上均表現為隨灌溉水中HCO3?濃度的增加而顯著升高，土壤DTPA-Fe濃度表現為隨灌溉水中HCO3?濃度的增加而降低。在相同灌溉水HCO3?濃度下，土壤溶液HCO3?濃度和土壤DTPA-Fe濃度均在FI處理下顯著高于DI-PFM，而土壤pH值在FI處理下顯著低于DI-PFM。在FI條件下，隨灌溉水HCO3?濃度的增加，土壤DTPA-Fe濃度顯著降低，而在DI-PFM條件下，土壤DTPA-Fe濃度有降低趨勢，但無顯著性差異。

2.2 木質部傷流液pH值

灌溉方式、灌溉水中HCO3?濃度及其交互作用均對水稻木質部傷流液pH有顯著影響(圖2)。隨著灌溉水中HCO3?濃度的增加，水稻木質部傷流液pH有升高趨勢，且在DI-PFM和FI處理下，BC-10處理木質部傷流pH均顯著高于BC-2和BC-0。FI水稻傷流液pH在BC-0和BC-2處理下均顯著高于DI-PFM，但在BC-10處理下水稻傷流pH值在DI-PFM和FI間無顯著性差異。

2.3 根系活力、葉片SPAD值和葉片活性鐵濃度

灌溉方式、灌溉水中HCO3?濃度及其交互作用均對水稻根系氧化力和葉片活性鐵濃度有顯著影響。灌溉方式對水稻葉片SPAD值無顯著影響，而灌溉水中HCO3?濃度及其交互作用對水稻葉片SPAD值有顯著影響(圖3)。

圖2 水稻拔節期灌溉方式和灌溉水中HCO3?濃度對水稻木質部傷流液pH值的影響

Fig. 2. Effects of irrigation method and HCO3?concentration of irrigation water on the xylem sap pH value of rice at jointing stage.

在同一灌溉水HCO3?濃度處理下，DI-PFM水稻根系氧化力顯著高于FI。隨著HCO3?濃度增加，水稻根系氧化力逐漸降低，降幅表現為DI-PFM大于FI(相比BC-2，DI-PFM水稻在BC-10和BC-40處理下根系氧化力分別降低8.43%和15.50%，FI水稻在BC-10和BC-40處理下根系氧化力分別降低2.93%和5.40%)。在兩種灌溉方式下，水稻葉片SPAD值均隨灌溉水中HCO3?濃度的增加而顯著降低，降幅表現為DI-PFM小于FI。在BC-0，BC-2和BC-10處理下，DI-PFM處理水稻葉片SPAD值顯著低于FI，而在BC-40處理下，水稻葉片SPAD值在DI-PFM與FI處理間無顯著性差異。在同一灌溉水HCO3?濃度處理下，DI-PFM水稻葉片活性鐵含量顯著低于FI處理。水稻葉片活性鐵均隨灌溉水HCO3?濃度增加而顯著降低，降幅表現為FI大于DI-PFM(圖3)。

圖3 水稻拔節期灌溉方式和灌溉水中HCO3?濃度對水稻根系氧化力、葉片SPAD值和葉片活性鐵濃度的影響

Fig. 3. Effects of irrigation method and HCO3?concentration of irrigation water on rice root oxidation ability, leaf SPAD value and leaf active Fe concentration at jointing stage.

以上數據表明，HCO3?對水稻根系氧化力的抑制在DI-PFM下更為強烈，但灌溉水中HCO3?對水稻葉片SPAD值和活性鐵的抑制作用在DI-PFM處理弱于FI處理。

2.4 水稻葉片、根系質外體和共質體鐵濃度

灌溉方式、灌溉水中HCO3?濃度及兩者的交互作用均對水稻葉片和根系質外體鐵、共質體鐵濃度及葉片共質體/質外體鐵濃度比(Ls/a Fe)、根系共質體/質外體鐵濃度比(Rs/a Fe)有顯著影響(表1)。

葉片質外體和共質體鐵濃度在DI-PFM處理下顯著高于FI，而根系質外體、共質體鐵濃度，Ls/a Fe和Rs/a Fe均在DI-PFM處理下顯著低于FI。在DI-PFM和FI處理下，水稻葉片和根系質外體鐵均隨HCO3?濃度的增加表現為先減少后增加的趨勢，其中在BC-40處理下最高。水稻葉片和根系共質體鐵均表現為隨HCO3?濃度的增加而顯著降低，其中以BC-40處理下最低。在DI-PFM和FI處理下，灌溉水中HCO3?增加會顯著降低水稻Ls/a Fe和Rs/a Fe。在DI-PFM下，BC-40相比BC-2處理，Ls/a Fe 和 Rs/a Fe分別減少了0.16和0.80，而在FI處理下，Ls/a Fe和Rs/a Fe分別減少了0.21和1.52 (表1)。

表1 水稻拔節期不同灌溉方式下灌溉水中HCO3?對水稻葉片、根系質外體鐵和共質體鐵濃度的影響

表中數據為平均值±標準誤。同一列內不同小寫字母表示通過LSD法多重比較處理間差異顯著（< 0.05）；同一列內不同大寫字母表示不同灌溉方式間在< 0.05水平上存在顯著差異。*，**和***分別表示在0.05，0.01和0.001水平差異顯著，ns 表示差異不顯著。下同。

Values are Mean±SE (=5). Different lowercase letters within a column mean significant difference at 5% by LSD multiple range test; Different uppercase letters within a column indicate that the means for different irrigation methods across different HCO3?concentrations of the irrigation water treatments are significantly different at the< 0.05 level. *, ** and *** indicate significant difference at the 0.05, 0.01 and 0.001 probability levels, respectively. ns indicates no significant difference. The same as below.

以上結果表明，灌溉水中較高的HCO3?會增加水稻葉片和根系質外體鐵濃度，但會降低共質體鐵濃度，且高濃度的HCO3?會降低水稻體內鐵由質外體向共質體的轉運，這種降低在FI處理比DI-PFM明顯。

2.5 水稻生物量、鐵吸收及分配

灌溉方式、灌溉水中HCO3?濃度及其交互作用均對水稻葉、莖、籽粒生物量積累和根、葉、籽粒鐵濃度有顯著影響(表2)。

水稻根系和鞘干物質量在DI-PFM和FI間無顯著差異，而FI水稻葉片、莖、籽粒干物質量顯著高于DI-PFM。隨灌溉水中HCO3?濃度的增加，水稻生物量呈下降趨勢。FI水稻生物量減少量高于DI-PFM(BC-40與BC-2相比，DI-PFM處理根、葉、莖、鞘和穗干物質量分別降低2.25，1.76，1.04，1.49和3.18 g/盆，FI處理根、葉、莖、鞘和穗干物質量分別降低4.08，1.29，4.26，1.57和7.43 g /盆)(表2)。

水稻根系鐵濃度在DI-PFM下顯著高于FI，而葉片和籽粒鐵濃度在DI-PFM顯著低于FI，且莖、鞘部鐵濃度在DI-PFM和FI間無顯著性差異。FI處理水稻根系全鐵濃度隨灌溉水中HCO3?濃度增加先逐漸降低，后又有所增加，且BC-40處理全鐵濃度最高。DI-PFM處理水稻葉片全鐵濃度隨灌溉水中HCO3?濃度的增加而增加，而FI處理水稻葉片全鐵濃度在BC-10處理最低，在BC-0、BC-2和BC-40處理間沒有顯著性差異，且BC-40處理葉片全鐵濃度顯著高于BC-10。DI-PFM和FI處理籽粒全鐵濃度均隨HCO3?濃度的增加而增加(表2)。

表2 水稻成熟期不同灌溉方式下灌溉水中HCO3?對水稻生物量和全鐵濃度的影響

HCO3?對水稻鐵吸收量、鐵總積累量、籽粒收獲指數和鐵收獲指數的影響見表3。水稻根系、莖、籽粒鐵吸收量、水稻鐵總積累量、穗收獲指數和鐵收獲指數均在DI-PFM處理下顯著低于FI，而葉片鐵吸收量在DI-PFM下顯著高于FI。水稻不同器官鐵吸收量和水稻鐵積累量均隨HCO3?濃度的增加而降低。相比DI-PFM，灌溉水中HCO3?對水稻鐵積累量的抑制在FI處理下更為強烈(BC-2與BC-0相比，DI-PFM水稻鐵積累量降低2612 μg/盆，FI降低7653 μg/盆；BC-40與BC-0相比，DI-PFM水稻鐵積累量降低4472 μg/盆，FI降低20217 μg/盆)。

表3 水稻成熟期不同灌溉方式下灌溉水中HCO3?濃度對水稻鐵吸收量、鐵積累量、水稻籽粒收獲指數、鐵收獲指數的影響

總體來看，高濃度的HCO3?會抑制水稻生物量積累、鐵吸收量和鐵積累量，并且這種抑制作用在FI下強于DI-PFM。

3 討論

3.1 HCO3?誘導水稻木質部汁液pH升高影響水稻鐵吸收和利用

一般認為植物木質部汁液呈弱酸性，這使得植物體內鐵可以和有機酸形成穩定的螯合物進行運輸[17, 26]，而影響鐵在植物體內吸收利用的關鍵因子之一是細胞質膜鐵還原酶活性，植物質外體pH的升高會降低其活性，抑制植物體內三價鐵的還原吸收，進而影響鐵在植物體內的吸收和分配[27]。早期研究指出土壤中的HCO3?會通過根系吸收進入植物體，引起植物體pH穩態的改變，進而導致植物發生缺鐵現象[10-11]。本研究結果顯示，當灌溉水HCO3?濃度增加至10 mmol/L時，兩種灌溉方式下水稻木質部傷流液pH值均顯著增加，并且傳統灌溉水稻木質部傷流液pH值高于覆膜滴灌(圖2)。與此同時，灌溉水中HCO3?增加導致水稻葉片SPAD值和葉片活性鐵的顯著降低(圖3)，水稻根系和葉片共質體鐵濃度、葉片和根系中的共質體/質外體鐵濃度比也均隨著HCO3?濃度的增加而降低(表1)，且傳統灌溉水稻的降幅大于覆膜滴灌。水稻供應硝態氮同樣會導致木質部傷流液pH值上升[28]，水稻葉片表現出缺鐵黃化現象。以上結果表明，HCO3?誘導水稻木質部傷流液pH值的升高會減緩水稻體內鐵的有效利用。

在本研究中，傳統灌溉(FI)處理水稻根系全鐵濃度，質外體和共質體鐵濃度均高于覆膜滴灌(DI-PFM)，而葉片全鐵濃度，共質體和質外體鐵濃度則在DI-PFM下較高(表1)，數據似乎表明DI-PFM水稻體內Fe由地下部向地上部的轉運率高于FI，然而實際上在石灰性土壤上往往是滴灌水稻更容易遭受缺鐵脅迫[9, 18]。可見，僅憑計算植物體內全鐵含量由根系向地上部的分配效率來判斷水稻鐵運輸效率是有局限性的。造成上述結果的可能原因如下：1）FI條件下土壤pH值低于DI-PFM，土壤中有效鐵含量更高(圖1)，相應植株根部鐵吸收量更多；2）FI處理水稻傷流液pH值高于DI-PFM(圖2)，這降低了FI水稻體內鐵由根部向地上部的運輸效率，導致DI-PFM水稻葉片共質體鐵與質外體鐵濃度比高于FI(表1)。此外，也有研究認為全鐵含量并不能直接用來評價植物缺鐵水平，而使用活性鐵(Fe-HCl)可以有效評價植物鐵營養狀況[29-32]。我們前期研究和本次研究結果均發現，HCO3?處理顯著降低了水稻葉片活性鐵含量和葉片SPAD值(圖3)，且兩種灌溉方式下水稻BC-40處理水稻葉片和根系質外體鐵含量均高于其他HCO3?濃度處理，而根系和葉片共質體鐵含量在BC-40處理下最低(表1)，可見HCO3?誘導水稻木質部汁液pH升高會導致大量鐵沉積在質外體[16]，并且土壤中HCO3?越高，沉積在根系質外體的無效鐵就越多，這也是FI水稻鐵吸收運輸效率低于DI-PFM的主要原因。以上研究結果與他人研究類似，HCO3?誘發向日葵缺鐵會導致向日葵質外體pH升高，并且引發大量鐵在質外體沉積而無效化[11, 33]。Nikolic和Kastori也報道過類似的結果，他們發現葡萄幼苗在含有游離鐵的溶液中根系質外體鐵濃度會增加，但在含HCO3?的所有處理中共質體鐵濃度都會顯著降低[15]。以上結果表明，HCO3?誘導水稻木質部傷流液pH的升高造成大量鐵在質外體的無效化是水稻缺鐵的主要原因。

谷類作物土壤缺鐵臨界水平一般認為是5 mg/kg (DTPA-Fe)[34]。在本研究中土壤DTPA-Fe濃度在DI-PFM處理下顯著低于FI，但整體土壤DTPA-Fe含量仍高于5 mg/kg(圖1)，而灌溉水中HCO3?濃度在10 mmol/L時水稻葉片SPAD和活性鐵含量均表現出降低趨勢，且DI-PFM處理水稻葉片SPAD值整體低于FI(圖3)。可見，水稻的缺鐵臨界值可能要高于5 mg/kg。新疆地區發展的滴灌水稻栽培仍是選擇耐旱性較好的水稻種質資源，水稻屬水生作物，在長期的淹水栽培中逐漸通過適應性改變形成了耐鐵毒害能力，因此，在傳統的淹灌栽培制度下很少見水稻鐵毒現象發生。與其他禾本科作物相比，一般認為5 mg/kg的土壤有效鐵含量并不能直接作為判斷水稻是否遭受缺鐵脅迫的土壤臨界水平。

3.2 HCO3?抑制水稻生長影響鐵積累

HCO3?影響水稻鐵吸收和分配的同時也會抑制水稻根系和地上部的生長(表1～表3)，這與前人研究結果相似。Gruber和Kosegarten認為植物缺鐵引起的生長受限早于葉片出現失綠癥，這種植株表面上看似乎健康，但實際上已經遭受缺鐵脅迫[35]。在本研究中，土壤HCO3?濃度的增加抑制了水稻生物量的積累，而且FI水稻的這種受抑制程度比DI-PFM更大，原因是FI土壤中積累了更多的HCO3?(圖1)。在本研究中我們注意到，高濃度HCO3?處理水稻根系顏色呈深棕色，可見HCO3?對水稻根系生長造成了傷害。此外，本研究中BC-40沒有收集到足夠傷流液進行pH測試，原因也和水稻根系活力有關。因為傷流液動力來源于根部膨壓[36]，而膨壓又與植株的生長生理活性相關。根據前人研究，HCO3?至少通過兩種機制影響植物根系生長：1）影響根系質外體pH緩沖性；2）干擾根部細胞的新陳代謝[37]。有研究發現缺鐵植物早期地上部生長受限[38]，這與我們的試驗結果相似，HCO3?明顯抑制了水稻生物量累積(表2)。總之，多項研究結果表明HCO3?對植物生長有直接傷害，而HCO3?引起水稻根系受損也是導致水稻生長受限和發生缺鐵障礙的原因之一。

兩種灌溉型水稻葉片活性鐵濃度均隨灌溉水HCO3?濃度的增加而降低(圖3)，BC-10和BC-40處理水稻葉部全鐵含量低于BC-0和BC-2處理，但是在個別生育期前者高于后者(表2)，這種現象稱為“黃化悖論”，可以用“稀釋現象”解釋[35]。正常植物葉片快速生長時葉片中的鐵濃度會隨著葉片的生長而被稀釋，但由于HCO3?抑制了植物葉片的生長，此時缺鐵植物葉片內鐵濃度會“濃縮”，所以生長受抑植株的葉片中鐵含量往往高于正常綠色葉。本研究發現“黃化悖論”現象不僅在葉片發生，在根系中也有同樣現象(表2)。由此可見，HCO3?抑制水稻生長是缺鐵的一個重要表現。我們發現其他測試指標，例如水稻鐵積累量、鐵含量、水稻收獲指數、鐵收獲指數都隨HCO3?濃度的增加而降低(表2，表3)。圖1和表3數據顯示，DI-PFM處理水稻土壤有效鐵和水稻鐵積累量顯著低于FI處理(DI-PFM 17135 μg/盆；FI 40335 μg/盆)，而HCO3?對水稻葉片活性鐵和全鐵吸收的抑制作用都是在水稻淹灌時更為嚴重，因此我們對實際生產中滴灌水稻容易發生缺鐵原因的解釋是土壤鐵有效性下降和水稻鐵吸收不足，而石灰性土壤上HCO3?并不是滴灌水稻缺鐵的主要誘發因子。

4 結論

HCO3?誘導水稻木質部傷流液pH升高會減緩水稻質外體鐵向共質體鐵的有效吸收。HCO3?減少水稻鐵吸收和積累量，主要是因為限制了水稻生物量的積累。石灰性土壤上HCO3?并不是導致滴灌水稻發生缺鐵的主要因子，造成滴灌水稻發生缺鐵的原因可能還是因為土壤有效鐵和水稻鐵吸收不足。

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Interactive Effects of HCO3?and Irrigation Methods on Iron Uptake and Utilization in Rice

ZHANG Xinjiang1, 2, WANG Xiangbin1, 2, LIU Linghui1, 2, WEI Changzhou1, 2, *

(Department of Resources and Environmental Science, Shihezi University, Shihezi 832000, China; Key Laboratory of Oasis Ecology Agriculture of Xinjiang Production and Construction Group, Shihezi 832000, China; Corresponding author, E-mail: changzhouwei@126.com)

【Objective】Drip-irrigated rice with plastic film mulch (DI-PFM) is a rice cultivation technique with both high yield and water-saving potential. However, DI-PFM rice on calcareous soil often exhibits Fe-chlorosis symptoms. Previous studies found that the inhibitory intensity of HCO3?on Fe uptake of DI-PFM rice was weaker than that of flooding irrigation rice, but the underlying mechanism remains unclear. The effects of HCO3?on soil DTPA-Fe concentration, xylem sap pH, Fe absorption and distribution of two kinds of irrigated rice were studied. 【Methods】The experiment included two irrigation methods [flooding irrigation (FI) and DI-PFM] and four HCO3?concentrations (0, 2, 10 and 40 mmol/L HCO3?, were expressed as BC-0, BC-2, BC-10 and BC-40, respectively) of irrigation water. 【Results】The concentration of soil DTPA-Fe in DI-PFM was significantly lower than that in FI. With the increase of HCO3?concentration, soil pH increased, while soil DTPA-Fe concentration decreased. Xylem sap pH of rice increased with the increase of HCO3?concentration in irrigation water, and the xylem sap pH of FI rice was significantly higher than that of DI-PFM. With the increase of HCO3?concentration, the apoplast Fe concentration in rice leaves and roots decreased at low HCO3?level and increased at high HCO3?level, and peaked under BC-40 treatment. The leaf active Fe concentration, symplastic Fe concentration, rice biomass and total Fe accumulation of two kinds of irrigated rice decreased with the increase of HCO3?concentration, but the decrease of these parameters under DI-PFM treatment were less than that of FI. The concentration ratio of symplastic Fe to apoplast Fe in rice roots and leaves decreased with the increase of HCO3?concentration, and the concentration ratio of symplastic Fe to apoplast Fe in rice roots and leaves in FI was higher than that of DI-PFM. 【Conclusion】The increased pH in xylem sap of rice caused by HCO3?affected the absorption and utilization of Fe in rice, but HCO3?was not the main factor leading to Fe deficiency in DI-PFM rice. The main reason for Fe deficiency of DI-PFM rice on calcareous soil may still be due to the low availability of soil Fe.

apoplastic Fe; HCO3?; Fe uptake and utilization; symplastic Fe; xylem sap

10.16819/j.1001-7216.2022.210904

2021-09-11；

2022-05-11。

國家自然科學基金資助項目（31860587，31471947）。