長江中下游稻田球囊霉素相關(guān)土壤蛋白分布格局及其對環(huán)境的響應(yīng)

王 浩， 胡明慧， 蔡 蕊， 朱先燦

(安徽師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院重要生物資源保護(hù)與利用研究安徽省重點實驗室，安徽蕪湖 241000)

土壤中含有豐富的土壤微生物群落，每一克的土壤里含有的微生物數(shù)以億計[1]，土壤微生物在地球資源流動的過程中起著非常關(guān)鍵的作用，在土壤健康、作物生產(chǎn)方面也有著舉足輕重的作用。稻田土壤研究得比較多的是叢枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi，AMF)，是一種能與植物共生的菌類。AMF能與陸地上90%以上的植物形成互利共生作用，AMF能促進(jìn)宿主植物從土壤中獲取氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)，同時也從宿主獲取碳源促使自身生長發(fā)育[2]。水稻田的AMF真菌也具有微生物的普遍特性，其含量受所在地理位置和土壤理化性質(zhì)影響，例如，高度[3]、緯度[4]、土壤的溫度[5-6]、土壤的濕度[7]、土壤的酸堿性[8]、植物的種類以及土壤微生物中其他種群的影響[9]。

植物死亡后，在AMF真菌菌絲和囊泡中的球囊霉素相關(guān)土壤蛋白(Glomalin-related soil protein，GRSP)會經(jīng)過菌絲釋放到土壤中。按提取難易程度可分為易提取球囊霉素相關(guān)蛋白(EE-GRSP，easily extractable GRSP)和難提取球囊霉素相關(guān)蛋白(DE-GRSP，difficultly extractable GRSP)。研究發(fā)現(xiàn)GRSP是一種糖蛋白類物質(zhì)，被稱為“生物膠水”，能夠粘連其他小分子物質(zhì)的作用形成聚合體。同時AMF菌絲分泌的球囊霉素相關(guān)蛋白表面有許多負(fù)電荷粒子，能夠和土壤中的一些陽離子物質(zhì)(如Ca2+、Fe3+等)作用將土壤顆粒和菌絲連接起來，形成更大的土壤團(tuán)聚體，隨菌絲的發(fā)育進(jìn)而粘連的土壤團(tuán)聚體變大，進(jìn)一步團(tuán)聚和包被成大團(tuán)聚體改善土壤的結(jié)構(gòu)，增加土壤團(tuán)聚體表面疏水性，提高土壤團(tuán)聚體的水穩(wěn)性[9-11]。GRSP能降低重金屬對土壤和植物的傷害，GRSP有許多位點與重金屬結(jié)合，能降低重金屬在植物體內(nèi)轉(zhuǎn)運的含量，也能降低土壤環(huán)境中的重金屬含量。GRSP能代謝農(nóng)藥殘留，AMF真菌自己能代謝土壤中的多環(huán)芳烴類物質(zhì)，還能夠促進(jìn)其他根際微生物對一些有機(jī)污染物的降解[12-13]。

長江中下游流域地處我國經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)地區(qū)，長江經(jīng)濟(jì)帶GDP占我國總量的40%以上，長江流域也是我國水稻的主要產(chǎn)地。水稻是我國最主要的糧食作物，影響水稻產(chǎn)量因素的研究至關(guān)重要，對于長江中下游區(qū)域的水稻土壤中GRSP的研究比較少。球囊霉素的分布以及含量對于植物和土壤的影響深遠(yuǎn)，總球囊霉素和易提取球囊霉素能綜合反映土壤有機(jī)質(zhì)的動態(tài)、養(yǎng)分的循環(huán)及土壌生態(tài)的健康狀況，影響生態(tài)環(huán)境的碳循環(huán)。研究長江流域的GRSP分布格局能夠更好地了解長江流域土壤及其微生物狀況，從而對稻田土壤微治理、水稻產(chǎn)量增長、土壤污染整治等方面具有重要的作用和意義。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

試驗樣品采集地主要在長江中下游(29°67′～32°35′N，113°30′-119°75′E)。采集地屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫在16～24 ℃，年降水量在 1 500 mm 以上[14]。長江中下流域分布不同種類的土壤，氣候和經(jīng)緯度影響著土壤分布情況，紅壤、黃壤、黃棕壤在采樣地都有涉及，長江中下游流域的土壤資源，對當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)林牧漁行業(yè)發(fā)展十分有利[15]。

1.2 采樣

本試驗于2020年9月至2020年10月從湖北省宜昌市開始采樣，經(jīng)過湖南省、江西省、安徽省，到江蘇省南通市為止，對長江中下游流域稻田土壤的39個點進(jìn)行土壤采樣(圖1)。考慮到不同水稻田中濕度不同，軟硬程度也不同，采集時用土鉆采取0～20 cm深土壤，每個點間隔采取3個樣品進(jìn)行重復(fù)，總共采取樣品117個。采取的樣品標(biāo)號記號，運輸回實驗室后自然風(fēng)干，用研磨機(jī)進(jìn)行打碎，裝入塑封袋中備用。

1.3 土壤理化性質(zhì)和酶活性測定

1.4 土壤球囊霉素相關(guān)土壤蛋白含量測定

取1 g干土，加8 mL 20 mmol/L檸檬酸鈉溶液(pH值7.0)，121 ℃高壓滅菌30 min，10 000g離心 3 min，上清用于測EE-GRSP。沉淀加8 mL 50 mmol/L 檸檬酸鈉溶液(pH值8.0)，121 ℃高壓滅菌60 min，10 000g離心3 min，上清用于測 DE-GRSP。上清用考馬斯亮藍(lán)法測定。總GRSP(T-GRSP)即EE-GRSP和DE-GRSP之和。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)采用Excel和SPSS 25.0軟件進(jìn)行分析。顯著性分析采用單因素方差分析Duncan’s法進(jìn)行檢驗；采用Pearson’s法對土壤理化性質(zhì)、GRSP進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 GRSP與土壤其他理化指標(biāo)的含量分布

39個樣點總球囊霉素、易提取球囊霉素的含量如圖2所示。長江中下游流域水稻田土壤T-GRSP含量介于3.05～10.4 mg/g之間，平均含量為 5.26 mg/g，變化幅度較大。總球囊霉素相關(guān)蛋白含量最少的是24號樣地(安徽馬鞍山)，含量最多的是4號樣地(湖北石首)。易提取球囊霉素相關(guān)土壤蛋白含量介于1.02～4.97 mg/g之間，平均值為 2.33 mg/g。EE-GRSP含量最少的是22號樣地(安徽無為)，最多的是19號樣地(安徽樅陽)。

2.2 GRSP對土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)

對土壤中有機(jī)碳與T-GRSP和EE-GRSP進(jìn)行相關(guān)性分析(圖3)，表明EE-GRSP與有機(jī)碳含量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，T-GRSP與土壤有機(jī)碳呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，說明GRSP作為土壤有機(jī)碳的重要組成部分，與土壤有機(jī)碳關(guān)系密切。

進(jìn)一步分析GRSP對土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)占比。從圖4可以看出，易提取球囊霉素對土壤有機(jī)碳貢獻(xiàn)(EE-GRSP/SOC)最大的是29號樣地(江蘇廣陵)，占比為13.42%；最小的是16號樣地(安徽安慶)，其比值為2.01%。所有樣地EE-GRSP/SOC平均比值為 6.37%，最大值與最小值相差6倍。總球囊霉素相關(guān)蛋白占土壤有機(jī)碳的比例(T-GRSP/SOC)最大的是25號樣地(安徽馬鞍山)，最小的是28號樣地(江蘇揚州)。所有樣地T-GRSP/SOC平均占比為14.33%，變化的范圍是5.77%～25.63%。土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)變化范圍很大，最大值與最小值相差5倍。

2.3 GRSP與地理距離和土壤性質(zhì)的相關(guān)性

圖5表示的是GRSP與地理距離和土壤性質(zhì)的相關(guān)性。EE-GRSP和T-GRSP均與經(jīng)緯度沒有顯著相關(guān)性，說明GRSP分布不受空間距離的影響。EE-GRSP與土壤pH值(r=-0.322，P<0.05)呈顯著負(fù)相關(guān)，與總氮(r=0.394，P<0.05)呈顯著正相關(guān)。T-GRSP與總氮(r=0.400，P<0.05)和硝態(tài)氮(r=0.391，P<0.05)均呈顯著正相關(guān)。

2.4 GRSP與有機(jī)磷類農(nóng)殘的相關(guān)性

表2顯示，其中平均含量最多的農(nóng)殘磷化物是氧化樂果，大約為7.24 ng/g，最高的位于黃岡市黃梅縣，為19.99 ng/g，平均含量最少的是樂果，大約為 0.3 ng/g。

圖6表示的是7種有機(jī)磷類農(nóng)殘與GRSP的相關(guān)性。T-GRSP與甲基對硫銨磷(r=0.368，P<0.05)呈顯著正相關(guān)。EE-GRSP與甲基對硫銨磷(r=0.364，P<0.05)呈顯著正相關(guān)，與氧化樂果(r=-0.362，P<0.05)和喹硫磷(r=-0.335，P<0.05)呈顯著負(fù)相關(guān)。

表1 39個樣地土壤理化性質(zhì)含量

3 討論

GRSP是有機(jī)碳的重要組成部分，也是生態(tài)環(huán)境中的重要組成部分，土壤中GRSP含量與土壤肥力有著密切的關(guān)系。GRSP可促進(jìn)土壤有機(jī)碳的固定[18]。本研究檢測到長江中下游流域稻田中總球囊霉素相關(guān)蛋白占土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)范圍是5.76%～25.63%，其變化幅度較大，平均值為14.33%。之前有研究檢測到我國土壤中GRSP占有機(jī)碳平均含量約為25%，泥炭中的占比更高，約為50%[19]。 可見長江中下游流域稻田GRSP含量低于正常土壤中GRSP含量的平均值，是否可以通過篩選出一種能大量產(chǎn)生GRSP的AMF菌種接種到水稻田中來提高水稻產(chǎn)量，為我們未來的探究提供了方向。GRSP 對土壤中總碳含量的貢獻(xiàn)率高于生物有機(jī)碳，這主要是由于土壤中 GRSP周轉(zhuǎn)率較低、自身積累能力較強造成的[20]。AMF可以從宿主植物獲取大量的碳源，促進(jìn)植物光合作用，對于減少CO2的排放有很大作用[21]。

有研究發(fā)現(xiàn)pH值與GRSP含量呈顯著負(fù)相關(guān)，本研究的數(shù)據(jù)也證明了這一點。對于39個樣地的pH值檢測得到其變化范圍為5.29～8.66，平均為7.51，水稻的最適生長pH值為6.0～7.5[21，12]，與本研究檢測到的長江流域水稻田的pH值范圍重合。土壤中pH值降低能增加GRSP含量，可能與pH值降低使優(yōu)勢種無梗孢子科的RA值增加有關(guān)，無梗孢子科是AMF最豐富的科之一。

土壤中的有機(jī)磷類農(nóng)殘也影響著GRSP的含量，有機(jī)磷類主要來源于農(nóng)藥的殘留，在長江中下游稻田的耕作管理農(nóng)藥的合理使用需要更多的關(guān)注。

表2 39個樣地經(jīng)緯度以及有機(jī)磷類農(nóng)殘含量

綜上，本次研究結(jié)果表明，長江中下游流域水稻田土壤球囊霉素相關(guān)蛋白與有機(jī)碳具有顯著正相關(guān)的關(guān)系，土壤pH值直接或間接地影響著GRSP的含量，與土壤中球囊霉素相關(guān)蛋白的含量有顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。試驗還存在一些不足之處：(1)對長江中下游稻田土壤種類因素沒有考慮。研究發(fā)現(xiàn)GRSP的含量因土壤類型而異，不同種類的土壤含量差距很大，長江以南大部分地區(qū)為中亞熱帶氣候區(qū)，廣泛分布著紅壤和黃壤；長江以北為北亞熱帶氣候區(qū)，大多分布著黃棕壤。(2)溫度因素也沒有考慮進(jìn)去，一些研究表明，溫度與土壤中GRSP含量是具有相關(guān)性的，隨著季節(jié)氣候變化GRSP含量會呈現(xiàn)顯著性變化[25-26]。所采集的樣地在長江中上游，橫跨3個省，長江流域各個城市的氣溫中下游地區(qū)高于上游地區(qū)，江南高于江北，這些差距會影響土壤中的GRSP含量。(3)農(nóng)耕作用對于GRSP含量沒有考慮進(jìn)去，連作和間作對于AMF的含量具有顯著的相關(guān)性[27]。有機(jī)磷類農(nóng)藥的使用也會對GRSP的含量產(chǎn)生影響。在進(jìn)行農(nóng)業(yè)管理的過程中更需要合理選擇耕種方式，科學(xué)施加肥料，合理灌溉。在湖北大部分地區(qū)水稻田輪作水稻和油菜，安徽大部分地區(qū)也是輪作，蕪湖南陵縣許多農(nóng)戶輪作紫云英和水稻，紫云英的根瘤能改善土壤環(huán)境，減少化學(xué)肥料施用，在水稻種植前直接翻耕到土壤中作為綠肥能讓水稻產(chǎn)量提高。江蘇部分地區(qū)稻田會輪作休耕，讓土壤有一定時間恢復(fù)肥力，增加水稻產(chǎn)量。因此，對于長江流域水稻田土壤的了解是迫切的，對于我國水稻產(chǎn)量影響因素探索是必要的。總而言之，研究和保護(hù)長江流域的土壤球囊霉素含量分布就是保護(hù)長江流域的生態(tài)環(huán)境，就是保護(hù)人類生存環(huán)境，就是響應(yīng)我國生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展新道路的倡導(dǎo)。