抗鹽堿轉(zhuǎn)基因大豆對鹽堿土根際土壤化學(xué)特性的影響

王宏燕，邵婧鑫，劉志華

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150030）

土壤鹽堿化作為限制植物產(chǎn)量的重要因素之一，是世界性的土壤退化問題，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了極大的損失[1]。黑龍江省西部地區(qū)是典型的鹽堿化土地，是松嫩平原鹽堿化程度最嚴(yán)重的地區(qū)之一，重度鹽堿化土地面積仍以每年1.4%的速度擴(kuò)展[1]?？果}堿轉(zhuǎn)基因大豆的出現(xiàn)使鹽堿地農(nóng)業(yè)高效利用成為可能，對鹽堿化土地資源的開發(fā)利用有重要意義。

轉(zhuǎn)基因作物因其優(yōu)越性狀得到快速發(fā)展，但其負(fù)面影響也開始引起關(guān)注。近年來的研究表明，轉(zhuǎn)基因作物的外源基因及其基因表達(dá)產(chǎn)物可通過殘茬或根系分泌物進(jìn)入土壤生態(tài)系統(tǒng)[2]，進(jìn)而影響土壤生態(tài)系統(tǒng)。Palm等將轉(zhuǎn)Bt棉花枝葉埋入5種不同土壤生態(tài)系統(tǒng)中，140 d后仍能在3種土壤中檢測到Bt毒素[3]。James的研究表明，Bt毒素可通過根系分泌物殘留在土壤中,其毒性可持續(xù)2～3個月[4]。許多研究表明轉(zhuǎn)基因作物根系分泌物成分的差異能不同程度地影響土壤理化性質(zhì)，如團(tuán)聚體大小和分布、酸堿度、陽離子交換量和吸附性能等[5]。根系分泌物中的甲酸、乙酸和草酸能降低土壤的酸堿度從而加速土壤的酸化[6]。土壤生態(tài)系統(tǒng)是土壤物理、化學(xué)和生物性質(zhì)的綜合反映，近年來的研究多集中在轉(zhuǎn)基因作物對土壤生物及微生物方面的影響，而其對土壤化學(xué)特性影響的研究相對較少。本文主要研究抗鹽堿轉(zhuǎn)基因大豆對鹽堿土壤化學(xué)特性的影響，旨在為評價抗鹽堿轉(zhuǎn)基因大豆對土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響提供基礎(chǔ)研究資料。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

實(shí)驗(yàn)地位于黑龍江省安達(dá)市（E 125°21′781″，N 46°23.916′），海拔149.3 m，地勢平坦。供試土壤為鹽堿土，部分理化性狀如下：全氮2 g·kg-1，速效氮 103 mg·kg-1，全 磷 2 g·kg-1，速 效 磷 27 mg·kg-1，速效鉀150 mg·kg-1，pH 8.44 ，鈉吸附比0.382，總堿度0.002 cmol·kg-1，堿化度0.04，陽離子交換量14 cmol·kg-1，交換性鈉 0.55 cmol·kg-1。

1.2 供試品種

本試驗(yàn)研究對象為抗鹽堿轉(zhuǎn)基因大豆（Salinization resistence transgenic soybeans，SRTS），是利用基因工程技術(shù)將甜菜堿醛脫氫酶基因（BADH）轉(zhuǎn)化栽培大豆黑農(nóng)-35培育出的轉(zhuǎn)基因大豆品種。其余品種及代號分別為親本非轉(zhuǎn)基因大豆黑農(nóng)35（HN-35）、合豐50（HF-50）、抗線王（K）、野生21（Y-21）。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及樣品采集

試驗(yàn)處理為隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每壟長3 m，寬0.7 m，植株間距6 cm，壟間距68 cm，6壟為一個小區(qū)，小區(qū)面積為30 m2。2010年5月至10月于大豆苗期、花期、結(jié)莢期、鼓粒期和成熟期取樣。每個小區(qū)用五點(diǎn)法隨機(jī)取10棵植株，采用抖落法收集根際土壤，將根際土壤用無菌塑封袋封好帶回實(shí)驗(yàn)室分析。

1.4 相關(guān)指標(biāo)的測定方法

pH采用酸度計(jì)進(jìn)行測定（土水比為1∶5）[7]。土壤陽離子交換量采用乙酸鈉法。交換性鈉的測定采用NH4OAc-NH4OH火焰光度法[7]。堿化度為交換性鈉與陽離子交換量的比值[7]。鈉吸附比以土壤中Na+含量與（1/2Mg+1/2Ca）1/2的含量的比值來表示[8]?？倝A度采用雙指示劑—中和滴定法[7]。土壤速效氮采用堿解擴(kuò)散法[7]。土壤速磷的測定采用NaHCO3法[7]。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel（2003）對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，采用SPSS 13.0對試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 SRTS對根際土壤pH的影響

SRTS與不同基因型大豆對根際土壤pH的影響如圖1所示，根際土壤pH隨大豆生育期的變化呈現(xiàn)降低趨勢。苗期pH在大豆整個生育期最高，不同品種大豆根際土壤pH主要在8.31～8.41之間，成熟期較低，分布在7.20～7.90之間。

不同品種大豆pH在苗期和花期未存在顯著差異（P＜0.05）。結(jié)莢期SRTS根際土壤pH顯著低于HN-35，與其余品種大豆未達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。鼓粒期SRTS根際土壤pH顯著低于HN-35、K。以上表明SRTS能夠降低鹽堿土壤pH，這可能是其較耐鹽堿的機(jī)理，而成熟期SRTS顯著的高于HN-35，可能與成熟期根系分泌物減少有關(guān)，進(jìn)而使SRTS耐鹽堿程度降低所致，具體原因有待于進(jìn)一步研究。

2.2 SRTS對根際土壤陽離子交換量的影響

土壤緩沖性能的主要來源是土壤陽離子交換量，它不僅是改良土壤和合理施肥的重要依據(jù)，同時也是反映土壤負(fù)電荷總量及表征土壤性質(zhì)的重要指標(biāo)[9]。

SRTS與不同基因型大豆對根際土壤陽離子交換量的影響如圖2所示，SRTS與HN-35根際土壤陽離子交換量在鼓粒期達(dá)到最大值，在結(jié)莢期、鼓粒期、成熟期均存在顯著差異（P＜0.05）。其中結(jié)莢期SRTS根際土壤陽離子交換量顯著高于HN-35、Y-21及其余栽培品種，而后兩個時期則顯著低于HN-35、Y-21及其余栽培品種，說明在大豆不同生育時期SRTS對根際土壤陽離子交換量的影響不同，表明SRTS對土壤陽離子交換量的影響存在時期性。

圖1 SRTS與不同基因型大豆對根際土壤pH值的影響Fig.1 Effects of SRTS and different soybeans on pH in rhizospheric soil

圖2 SRTS與不同基因型大豆對根際土壤陽離子交換量的影響Fig.2 Effects of SRTS and different soybeans on cation exchange capacity in rhizospheric soil

2.3 SRTS對根際土壤交換性鈉的影響

SRTS與不同基因型大豆對根際土壤交換性鈉的影響如圖3所示，不同品種大豆在苗期、結(jié)莢期和成熟期分別表現(xiàn)出顯著差異，但SRTS與其受體非轉(zhuǎn)基因大豆HN-35在整個生育期對土壤交換性鈉沒有顯著差異（P＜0.05），表明SRTS對土壤交換性鈉的影響未達(dá)到顯著水平，對根際土壤交換性鈉的影響較小。

圖3 SRTS與不同基因型大豆對根際土壤交換性鈉的影響Fig.3 Effects of SRTS and different soybeans on exchangeable sodium in rhizospheric soil

2.4 SRTS對根際土壤堿化度的影響

SRTS與不同基因型大豆對根際土壤堿化度的影響見圖4，苗期與花期各品種大豆之間根際土壤堿化度無顯著差異（P＜0.05），結(jié)莢期K大豆土壤堿化度分別較SRTS、HF-50提高7.05%、8.37%，SRTS及其余栽培品種之間無顯著差異。鼓粒期HN-35和K之間土壤堿化度差異顯著（P＜0.05），成熟期K則顯著低于SRTS、HN-35和HF-50土壤堿化度。整個生育期SRTS根際土壤堿化度與其親本非轉(zhuǎn)基因大豆HN-35未達(dá)到顯著水平，表明SRTS對土壤堿化度的影響很小。

2.5 SRTS對根際土壤鈉吸附比的影響

SRTS與不同基因型大豆對根際土壤鈉吸附比的影響見圖5，根際土壤鈉吸附比隨大豆生育期呈現(xiàn)波動性變化，花期品種間無顯著差異，其余時期各品種之間差異顯著（P＜0.05）。苗期HF-50鈉吸附比顯著低于SRTS、K和Y-21，結(jié)莢期K顯著高于SRTS、HN-35及其余栽培品種，鼓粒期Y-21顯著高于SRTS和HN-35，成熟期鈉吸附比：HF-50＞HN-35＞SRTS＞Y-21＞K。整個生育期，SRTS與其親本非轉(zhuǎn)基因大豆HN-35未存在顯著差異（P＞0.05），說明SRTS對根際土壤鈉吸附比的影響很小。

圖4 SRTS與不同基因型大豆對根際土壤堿化度的影響Fig.4 Effects of SRTS and different soybeans on alkalinity in rhizospheric soil

圖5 SRTS與不同基因型大豆對根際土壤鈉吸附比的影響Fig.5 Effects of SRTS and different soybeans on sodium adsorption ratio in rhizospheric soil

2.6 SRTS對根際土壤總堿度的影響

土壤總堿度是土壤溶液中不同來源的OH-離子的濃度總和超過H+濃度時所表現(xiàn)出來的堿度，總堿度可以作為改良堿化土壤的一項(xiàng)參數(shù)。如圖6所示，苗期總堿度：SRTS＞HN-35＞K＞HF-50＞Y-21，SRTS根際土壤總堿度顯著（P＜0.05）高于HN-35、Y-21及其余栽培品種?；ㄆ赟RTS顯著高于HF-50，與HN-35、Y-21和K無顯著差異。結(jié)莢期SRTS根際土壤總堿度顯著低于HN-35、Y-21和K，鼓粒期SRTS根際土壤總堿度比HN-35提高了7.09%，成熟期SRTS對土壤總堿度影響與HN-35無顯著差異。上述結(jié)果表明SRTS對根際土壤總堿度的影響存在時期性。

2.7 SRTS對根際土壤養(yǎng)分的影響

整個生育期土壤速效氮：SRTS＞HF-50＞K＞HN-35＞Y-21。SRTS與不同基因型大豆對根際土壤速效氮的影響如圖7（A）所示，苗期SRTS根際土壤速效氮顯著高于K和Y-21，與HN-35無顯著差異（P＜0.05）?；ㄆ诤统墒炱诟髌贩N大豆之間根際土壤速效氮無顯著差異，結(jié)莢期Y-21土壤速效氮顯著高于HN-35，但SRTS與HN-35之間無顯著差異，鼓粒期SRTS土壤速效氮顯著高于HN-35和Y-21，分別提高了11.48%和9.69%。說明鼓粒期SRTS有提高根際土壤速效氮的潛力。

圖6 SRTS與不同基因型大豆對根際土壤總堿度的影響Fig.6 Effects of SRTS and different soybeans on total alkalinity in rhizospheric soil

圖7 SRTS與不同基因型大豆對根際土壤速效氮（A）和速效磷（B）的影響Fig.7 Effects of SRTS and different soybeans on available N(A)and available P(B)in rhizospheric soil

整個生育期土壤速效磷：Y-21＞K＞HN-35＞HF-50＞SRTS，土壤速效磷在整個生育期呈現(xiàn)出波動性變化。SRTS與不同基因型大豆對根際土壤速效磷的影響如圖7（B）所示，苗期SRTS根際土壤速磷顯著低于HN-35和Y-21，但顯著高于HF-50，說明大豆生育期前SRTS對土壤速磷有一定的抑制作用?；ㄆ赟RTS顯著高于HN-35、Y-21及其余品種大豆，結(jié)莢期SRTS顯著高于HN-35，但低于Y-21及其余栽培品種大豆，說明SRTS在大豆生長旺盛時期對土壤速效磷有一定的促進(jìn)作用。鼓粒期SRTS顯著低于HN-35、HF-50及Y-21大豆，成熟期SRTS土壤速效磷顯著低于Y-21，但與其余品種大豆無顯著差異，表明SRTS對根際土壤速效磷存在影響，但其影響具有時期性。

3 討論與結(jié)論

近年來，因產(chǎn)量高、抗逆性強(qiáng)，全球轉(zhuǎn)基因大豆的種植面積逐年增加[10]?？果}堿轉(zhuǎn)基因大豆因其能在鹽堿地正常生長，可提高鹽堿地的利用價值應(yīng)運(yùn)而生。本研究種植抗鹽堿轉(zhuǎn)基因大豆（SRTS）在不同生育時期對鹽堿土根際土壤化學(xué)特性的影響，結(jié)果表明，SRTS的種植能夠降低鹽堿土壤pH值，由于SRTS根系分泌物發(fā)生變化和轉(zhuǎn)基因大豆影響根際土壤微生物數(shù)量所致。有研究指出植物種屬、根系分泌物和微生物數(shù)量等環(huán)境因素都有可能影響根際土壤pH[11]。SRTS對陽離子交換量和總堿度在大豆不同生育期的影響不同，這可能是由于不同生育時期植物根系分泌物的組成成分不同造成的。由于插入外源基因片段，轉(zhuǎn)基因作物本身特性與親本有較大不同[12]，會造成根系分泌物組分發(fā)生變化等，從而影響土壤某些化學(xué)特性。有研究表明，轉(zhuǎn)Bt基因玉米、大米和馬鈴薯能夠在植物的整個生育期將外源基因隨根系分泌物分泌到土壤中，且轉(zhuǎn)基因玉米化學(xué)組成成分不同于其非轉(zhuǎn)基因玉米[13]。SRTS對交換性鈉、堿化度和鈉吸附比的影響較小，說明短期內(nèi)種植SRTS對交換性鈉、堿化度和鈉吸附比的影響不明顯。SRTS除在鼓粒期顯著高于親本非轉(zhuǎn)基因大豆HN-35，其余生育期對速效氮均無顯著影響，而對速效磷的影響隨生育期不同而存在差異，大豆生長旺盛期SRTS對土壤速效磷有顯著促進(jìn)作用，這與孫彩霞等的研究[14]稍有不同，其研究表明，轉(zhuǎn)Bt基因棉花種植一個生長季后對土壤中堿解氮、速效磷等含量無顯著影響。

抗鹽堿轉(zhuǎn)基因大豆由于外源基因的插入，可能直接通過根系分泌物的變化，如組成成分和分泌量的不同，或通過外源基因轉(zhuǎn)移等因素影響鹽堿土壤的某些化學(xué)特性，而且由于本身的特性發(fā)生變化，其對土壤中某些營養(yǎng)元素的吸收利用可能發(fā)生變化，從而影響鹽堿土根際土壤的某些化學(xué)特性。本文僅對部分化學(xué)特性進(jìn)行初步評價，其它評價指標(biāo)以及具體的影響機(jī)制尚待于進(jìn)一步研究。

[1]馮玉杰,張巍,陳橋,等.松嫩平原鹽堿化草原土壤理化特性及微生物結(jié)構(gòu)分析[J].土壤,2007,39(2):301-305.

[2]王振,趙廷昌,劉學(xué)敏,等.轉(zhuǎn)基因作物對土壤微生物多樣性影響[J].植物保護(hù),2007,33(4):15-20.

[3]Palm C J,Seidler R J,Schaller D L,et al.Persistence in soil of transgenic plant produced Bacillus thuringlensis var.kurstaki δ-endotoxin[J].Canadian Journal of Microbiology,1996,42:1258-1262.

[4]James R R.Utilizing a social ethic toward the environment in assessing genetically engineered insect-resistance in trees[J].Agriculture and Human Values,1997,14:237-249.

[5]王忠華,葉慶富,舒慶堯,等.轉(zhuǎn)基因植物根系分泌物對土壤微生態(tài)的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2002,13(3):373-375.

[6]Marscher H,Romheld V,Cakmak I.Root-induced changes of nutrient availability in the rhizosphere[J].Journal of Plant Nutrition and Soil Science,1987,10:1175-1184.

[7]鮑士旦.土壤農(nóng)化分析[M].3版.北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,2005.

[8]Chi C M,Zhao C W,Sun X J,et al.Estimating exchangeable sodium percentage from sodium adsorption ratio of salt-affected soil in the songnen plain of northeast China[J].Pedosphere,2011,21(2):271-276.

[9]張彥雄,李丹,張佐玉,等.兩種土壤陽離子交換量測定方法的比較[J].貴州林業(yè)科技,2010,38(2):45-49.

[10]Clive James.2009年全球生物技術(shù)/轉(zhuǎn)基因作物商業(yè)化發(fā)展態(tài)勢[J].中國生物工程雜志,2010,30(2):1-22.

[11]陳有,黃藝,陶澍.玉米和大豆根際土壤性質(zhì)的動態(tài)變化[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào),2002,26(3):283-287.

[12]冷春龍.轉(zhuǎn)基因抗蟲棉對土壤肥力質(zhì)量的影響[D].南京:南京林業(yè)大學(xué),2007:7-9.

[13]Isik Icoz,Guenther Stotzky.Fate and effects of insect-resistant Bt crops in soil ecosystems[J].Soil Biology&Biochemistry,2008,40:559-586.

[14]孫彩霞,張玉蘭,繆璐,等.轉(zhuǎn)Bt基因作物種植對土壤養(yǎng)分含量的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2006,17(5):943-946.

[15]沈曉峰,欒鳳俠,陶波.抗草甘膦轉(zhuǎn)基因大豆生物與環(huán)境安全性[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2007,38(3):401-404.

[16]吳迪,王秋玉.轉(zhuǎn)基因植物對根際土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響[J].中國生物工程雜志,2007,27(2):113-118.