土壤堿化對高粱離子平衡的影響

李長有+倪福太

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

關(guān)鍵詞：高粱;天然堿脅迫;離子平衡

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

中圖分類號： S514 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)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(yán)重和復(fù)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(zhì)[1]。堿化土壤存在于超過100個(gè)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(yīng)的主要陰離子[1]。這些離子都來自中性鹽或堿性鹽。報(bào)告清楚地表明，堿脅迫對植物影響非常有害[2-7]。實(shí)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(yán)重[2]。根部周圍的高pH環(huán)境可導(dǎo)致根的正常生理功能的喪失，破壞根細(xì)胞的結(jié)構(gòu)[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(qū)是嚴(yán)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(xù)蔓延[1，9]。然而，大多數(shù)的報(bào)道迄今已普遍強(qiáng)調(diào)了鹽脅迫[9];關(guān)于植物對鹽堿脅迫的生理反應(yīng)的報(bào)道很少[5-8，10-12]。誘導(dǎo)堿脅迫的基因表達(dá)是基于實(shí)驗(yàn)室研究得出的結(jié)果[13-14]。堿化土壤構(gòu)成復(fù)雜的挑戰(zhàn)：鹽的組合物以及中性至堿性的鹽的比例甚至可以在一個(gè)小的區(qū)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(shí)施更復(fù)雜 ，并可能涉及滲透脅迫，離子損傷，高pH的應(yīng)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(yàn)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(qū)的主要食品、飼料及能源作物。高粱有許多優(yōu)點(diǎn)，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(qū)，以及低洼地區(qū)。由于天氣的原因、土壤鹽漬化和干旱，全球的高粱產(chǎn)量和質(zhì)量都會受到嚴(yán)重的影響。在本實(shí)驗(yàn)中，耐堿的高粱品種（SIZA25）生長于堿化的耕地，然后對于無機(jī)離子和相溶性溶質(zhì)進(jìn)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(xué)草地生態(tài)研究站于2009年和2010年進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)（吉林省東北師范大學(xué)草地生態(tài)研究站，位于松嫩南部。氣候?qū)侔霛駶櫚敫珊禍貛?，年降水?10～580毫米，年蒸發(fā)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(guī)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(jì)最高溫度分別為4747℃和4080℃。

2.2 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)

該實(shí)驗(yàn)包括三個(gè)地塊：一個(gè)中度退化的地點(diǎn)，一個(gè)嚴(yán)重退化的地點(diǎn)，一個(gè)非退化的地點(diǎn)，其中非退化的地點(diǎn)作為對照。這三個(gè)采樣點(diǎn)主要是在不同的含鹽量（電導(dǎo)率）和pH值：地點(diǎn)C（對照區(qū)）記錄的低導(dǎo)電率（212.33±5.53 DS/ m）和pH（8.38±0.04）;相應(yīng)的值中度退化的地點(diǎn)分別為1038.83±67.71 DS/m和8.62±0.14（中等脅迫的M點(diǎn)），高度退化的地點(diǎn)為1420.33±53.57 DS/m，9.56±0.06（嚴(yán)重脅迫的S點(diǎn)）。土壤樣品（重300克/個(gè)）從每個(gè)地點(diǎn)的根際收集，放置在土壤采樣袋中，在室內(nèi)在4℃下存放備用。在實(shí)驗(yàn)室中，土壤樣品進(jìn)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(jìn)行測量電導(dǎo)率（EC）和pH值。

2.3 生理指標(biāo)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(fēng)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(shí)，將萃取液用于測定游離的無機(jī)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(tǒng)，AS4A-SC層析柱，流動(dòng)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(jì)測定（TAS-990，普析通用，北京）。脯氨酸的含量用茚三酮進(jìn)行測定[15]?？扇苄钥偺遣捎幂焱獪y定[15]。甘露醇含量使用張等人的方法進(jìn)行測定[16]。游離氨基酸采用比色法測定[17]。

2.4 統(tǒng)計(jì)分析

所有的實(shí)驗(yàn)都是基于6個(gè)重復(fù)樣本。對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析（ANOVA）用統(tǒng)計(jì)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(yàn)（q檢驗(yàn)）進(jìn)行比較。差異P <0.05為顯著。

3 結(jié)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(qiáng)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(zhì)

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(jié)論

4.1 比較

自然堿脅迫導(dǎo)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(qiáng)的抑制作用（如圖7）。我們發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)[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(qiáng)的抑制作用

4.2 滲透調(diào)節(jié)

天然的堿性應(yīng)力降低K+和Ca2+含量，增加Na+含量，導(dǎo)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(jià)陽離子，是所有高等植物的生長所必需的，且已被報(bào)道在同化物的轉(zhuǎn)運(yùn)中發(fā)揮重要作用[21-22]。低Na +和高K +在細(xì)胞質(zhì)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(rèn)為是比高含量的Na更有害。我們的結(jié)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(dāng)高滲透勢的水份吸收和限制鈉離子到芽的擴(kuò)散是高粱的適應(yīng)性戰(zhàn)略組成部分。高粱具有一個(gè)非常高效的機(jī)制以防止Na+從枝條進(jìn)入到根[23-24]。天然的堿性應(yīng)力降低K+在根部含量而不是在葉（圖8D-F），這一發(fā)現(xiàn)與早期研究的結(jié)果不同。弗朗索瓦等[25]發(fā)現(xiàn)，鹽脅迫并沒有影響K+在高粱的積累，而我們的數(shù)據(jù)顯示，天然的堿性脅迫下高粱葉子不會嚴(yán)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(jī)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(qiáng)烈干擾無機(jī)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(jī)負(fù)電荷高粱嚴(yán)重缺乏，從而影響代謝的動(dòng)態(tài)平衡。

參考文獻(xiàn)

[1] Lauchli， A.， and U. Lüttge. 2002. Salinity in the soil environment. In： Salinity： Environment-Plants-Molecules， ed. K. K.Tanji， pp. 21-23. Boston： Kluwer Academic Publ.

[2] Shi， D. C.， and L. J. Yin. 1993. Difference between salt （NaCl） and alkaline （Na2CO3） stresses on Puccinellia tenuiflora （Griseb.） Scribn. et Merr. plants. Acta Botanica Sinica 35： 144-149.

[3] Kaya， C.， D. Higgs， and A. Ikinci. 2002. An experiment to investigate ameliorative effects of potassium sulphate on salt and alkalinity stressed vegetable crops. Journal of Plant Nutrition 25： 2545-2558.

[4] Rao， P. S.， B. Mishra， S. R. Gupta， and A. Rathore. 2008. Reproductive stage tolerance to salinity and alkalinity stresses in rice genotypes. Plant Breeding 127： 256-261

[5] Yang， C. W.， A. Jianaer， C. Y. Li， D. C. Shi， and D. L. Wang. 2008a. Comparison of the effects of salt-stress and alkali-stress on photosynthesis and energy storage of an alkali-resistant halophyte Chloris virgata. Photosynthetica 46： 273-278.

[6] Yang， C. W.， D. C. Shi， and D. L. Wang. 2008b. Comparative effects of salt and alkali stress on growth， osmotic adjustment and ionic balance of an alkali-resistant halophyte Suaeda glauca （Bge.）. Plant Growth Regulation 56： 179-190.

[7] Yang， C. W.， P. Wang， C. Y. Li， D. C. Shi， and D. L. Wang. 2008c. Comparison of effects of salt and alkali stresses on the growth and photosynthesis of wheat. Photosynthetica 46： 107-114.

[8] Yang， C. W.， J. N. Chong， C. M. Kim， C. Y. Li， D. C. Shi， and D. L. Wang. 2007. Osmotic adjustment and ion balance traits of an alkali resistant halophyte Kochia sieversiana during adaptation to salt and alkali conditions. Plant and Soil 294： 263-276.

[9] Kawanabe， S.， and T. C. Zhu. 1991. Degeneration and conservation of Aneurolepidium chinense grassland in Northern China. Journal of Japanese Grassland Science 37： 91-99.

[10] Shi， D. C.， S. J. Yin， G. H. Yang， and K. F. Zhao. 2002. Citric acid accumulation in an alkalitolerant plant Puccinellia tenuiflora under alkaline stress. Acta Botanica Sinica 44： 537-540.

[11] Shi， D. C.， and Y. M. Sheng. 2005. Effect of various salt-alkaline mixed stress conditions on sunflower seedlings and analysis of their stress factors. Environmental and Experimental Botany 54： 8-21.

[12] Shi， D. C.， and D. L. Wang. 2005. Effects of various salt-alkali mixed stresses onAneurolepidium chinense （Trin.） Kitag. Plant and Soil 271： 15-26.

[13] Gao， C. Q.， Y. C. Wang， G. F. Liu， C. P. Yang， J. Jiang， and H. Y. Li. 2008. Expression profiling of salinity-alkali stress responses by large-scale expressed sequence tag analysis in Tamarix hispid. Plant Molecular Biology 66： 245-258.

[14] Wang， Y. C.， H. Ma， G. F. Liu， C. X. Xu， D. W. Zhang， and Q. Y. Ban. 2008. Analysis of gene expression profile of Limonium bicolor under NaHCO3 stress using cDNA microarray. Plant Molecular Biology Reporter 26： 241-254.

[15] ?Zhu， G. L.， X. W. Deng ， and W. N. Zuo. 1983. Determination of free proline in plants. Plant Physiology Communications 1： 35-37.

[16] Zhang， X. Q， M. Li， L. H. Lan.， T. Xie.， and A. P. Liao. 2005. Determination of mannitol in broth by photometry. Chinese Journal of Analysis Laboratory 24： 61-64.

[17] Zhang， Z. 2002. Laboratory Manual of Plant Physiology. Beijing， China： Higher Education Press.

[18] Munns ， R. 2002. Comparative physiology of salt ?and water stress. Plant， Cell and Environment 25： 239-250.

[19] Campbell， S. A.， and J. N. Nishio. 2000. Iron deficiency studies of sugar beet using an improved sodium bicarbonate-buffered hydroponic growth system. Journal of Plant Nutrition 23：741-757.

[20] Ma， Y.， B. B. Qu， L. Q. GUO， D. C. Shi ， and D. L. Wang. 2007. A characteristic of the growth and solute accumulation in shoots of an alkali-tolerant Kochia sieversiana under saltalkaline mixed stress. Acta Prataculturae Sinica 16： 25-33.

[21] Ashley， D. A.， and R. D. Goodson. 1972. Effect of time and plant K status on 14C-labeled photosynthate movement in cotton. Crop Science 12： 686-690.

[22] ?Hartt， C. E. 1969. Effect of ?potassium deficiency upon translocation of 14C in attached blades and entire plants of sugarcane. Plant Physiology 44： 1461-1469.

[23] Grieve， C. M. and E. V. Maas. 1984. Betaine accumulation in salt-stressed sorghum. PhysiologiaPlantarum 61：167-171.

[24] Weimberg， R. W.， H. R. Lerner， and A. Poljakoff-Mayber. 1984. Changes in growth and watersoluble solute concentrations in Sorghum bicolor stressed with sodium and potassium salts. Physiologia Plantarum 62：472-480.

[25] Francois， L. E.， T. Donovan， and E. V. Maas. 1984. Salinity effects on seed yield， growth， andgermination of grain sorghum. Agronomy Journal 76： 741-744.

作者簡介：李長有，博士，吉林師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，副教授，研究方向：植物逆境生理學(xué)。

[19] Campbell， S. A.， and J. N. Nishio. 2000. Iron deficiency studies of sugar beet using an improved sodium bicarbonate-buffered hydroponic growth system. Journal of Plant Nutrition 23：741-757.

[20] Ma， Y.， B. B. Qu， L. Q. GUO， D. C. Shi ， and D. L. Wang. 2007. A characteristic of the growth and solute accumulation in shoots of an alkali-tolerant Kochia sieversiana under saltalkaline mixed stress. Acta Prataculturae Sinica 16： 25-33.

[21] Ashley， D. A.， and R. D. Goodson. 1972. Effect of time and plant K status on 14C-labeled photosynthate movement in cotton. Crop Science 12： 686-690.

[22] ?Hartt， C. E. 1969. Effect of ?potassium deficiency upon translocation of 14C in attached blades and entire plants of sugarcane. Plant Physiology 44： 1461-1469.

[23] Grieve， C. M. and E. V. Maas. 1984. Betaine accumulation in salt-stressed sorghum. PhysiologiaPlantarum 61：167-171.

[24] Weimberg， R. W.， H. R. Lerner， and A. Poljakoff-Mayber. 1984. Changes in growth and watersoluble solute concentrations in Sorghum bicolor stressed with sodium and potassium salts. Physiologia Plantarum 62：472-480.

[25] Francois， L. E.， T. Donovan， and E. V. Maas. 1984. Salinity effects on seed yield， growth， andgermination of grain sorghum. Agronomy Journal 76： 741-744.

作者簡介：李長有，博士，吉林師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，副教授，研究方向：植物逆境生理學(xué)。

[19] Campbell， S. A.， and J. N. Nishio. 2000. Iron deficiency studies of sugar beet using an improved sodium bicarbonate-buffered hydroponic growth system. Journal of Plant Nutrition 23：741-757.

[20] Ma， Y.， B. B. Qu， L. Q. GUO， D. C. Shi ， and D. L. Wang. 2007. A characteristic of the growth and solute accumulation in shoots of an alkali-tolerant Kochia sieversiana under saltalkaline mixed stress. Acta Prataculturae Sinica 16： 25-33.

[21] Ashley， D. A.， and R. D. Goodson. 1972. Effect of time and plant K status on 14C-labeled photosynthate movement in cotton. Crop Science 12： 686-690.

[22] ?Hartt， C. E. 1969. Effect of ?potassium deficiency upon translocation of 14C in attached blades and entire plants of sugarcane. Plant Physiology 44： 1461-1469.

[23] Grieve， C. M. and E. V. Maas. 1984. Betaine accumulation in salt-stressed sorghum. PhysiologiaPlantarum 61：167-171.

[24] Weimberg， R. W.， H. R. Lerner， and A. Poljakoff-Mayber. 1984. Changes in growth and watersoluble solute concentrations in Sorghum bicolor stressed with sodium and potassium salts. Physiologia Plantarum 62：472-480.

[25] Francois， L. E.， T. Donovan， and E. V. Maas. 1984. Salinity effects on seed yield， growth， andgermination of grain sorghum. Agronomy Journal 76： 741-744.

作者簡介：李長有，博士，吉林師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，副教授，研究方向：植物逆境生理學(xué)。