Mn2+濃度對不同水稻品種生長和養(yǎng)分吸收的影響

陳琨 武法池 喻華 上官宇先 曾祥忠 周子軍 郭松 涂仕華 秦魚生

（四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南方坡耕地植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測實驗站，成都610066；第一作者：chenkun410@163.com；*通訊作者：shengyuq@126.com）

冬水田是全年只種一季水稻，冬閑期用于蓄水的農(nóng)田。我國的冬水田主要分布在西南地區(qū)和南方山區(qū)，面積為270～400 萬hm2[1]。四川省冬水田面積約為38萬hm2，占全省水稻種植面積的18%，主要分布在川東南丘陵溝谷地區(qū)或山間小平壩上[2]。由于缺乏灌溉水源如大型蓄水工程，這些稻田必須長年淹水才能保證春季有水栽秧。常年淹水導(dǎo)致稻田土壤冷浸，通氣性差，有機物質(zhì)難以完全分解而相對累積，氧化還原電位低，土壤養(yǎng)分有效性低等問題。在長期淹水條件下，大量還原態(tài)鐵、錳、硫等富集，常造成水稻根系變黑甚至腐爛，對水稻產(chǎn)量造成嚴(yán)重影響。

錳是植物生長所必需的微量元素。在植物光合作用中，錳在電子傳遞系統(tǒng)的氧化還原、PSII 水解光合放氧過程及維持葉綠體膜的正常結(jié)構(gòu)中起著不可替代的作用[3-5]。同時，錳作為多種酶（如超氧化物歧化酶SOD）的輔助因子參與一系列氧化還原反應(yīng)[6-7]，維持植物正常健康生長。然而，當(dāng)土壤中的錳濃度過高時，會抑制其他植物營養(yǎng)元素的吸收[8-9]，擾亂植物代謝導(dǎo)致營養(yǎng)失衡[10]。

四川省冬水田地區(qū)以酸性土為主，土壤pH 一般在4～6 之間。在酸性條件下，土壤溶液中的Mn 主要以Mn2+形態(tài)存在，高濃度Mn2+可能導(dǎo)致作物Mn 中毒或抑制生長——坐蔸，這是冬水田地區(qū)水稻生產(chǎn)中的常見問題。水稻坐蔸可能與養(yǎng)分（如N、P、K、Zn）缺乏有關(guān)[11]，也可能與高還原條件下土壤中累積過量的Mn2+、Fe2+及S2-等有關(guān)[12-13]。筆者的前期研究表明，坐蔸田土壤中Fe2+、S2-濃度一般不會引起供試水稻品種坐蔸，而主要原因是田塊內(nèi)局部稻草堆積所致。秋季水稻收獲后局部堆積于田內(nèi)的稻草未能完全腐解，翌年春夏季溫度升高后繼續(xù)發(fā)酵，產(chǎn)生大量有機酸毒害水稻根系，造成水稻坐蔸。那么，除有機酸毒害外，水稻坐蔸是否還與過高的Mn2+濃度和水稻品種有關(guān)呢？因此，本研究選用了2 個四川省主栽水稻品種綿優(yōu)725（水旱輪作區(qū)高產(chǎn)品種）和川香優(yōu)506（冬水田地區(qū)高產(chǎn)品種），旨在通過水培試驗探討這2 個品種對溶液中不同Mn2+濃度的反應(yīng)，明確高濃度Mn2+和水稻品種對Mn2+的耐性是否是水稻坐蔸的另一誘因，從而為該區(qū)水稻坐蔸診斷、防治和抗性品種篩選提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

表1 不同濃度Mn2+處理對水稻生長和生物產(chǎn)量的影響

供試水稻品種為綿優(yōu)725 和川香優(yōu)506。采用水培試驗的方法，培養(yǎng)液使用霍格蘭營養(yǎng)液（不添加Mn）。

1.2 試驗方案

本試驗在四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所盆栽室進行。將供試水稻種子用水沖洗干凈后在室溫下催芽，出芽后置于塑料盤中培養(yǎng)，生長至2 片真葉后移植到盆缽中。根據(jù)Mn2+濃度不同共設(shè)8 個處理，分別為0、50、100、200、250、300、350 和400 mg /L （分 析 純MnSO4·H2O 配劑）。盆缽直徑20 cm、高26 cm。每盆同時移栽2 個水稻品種各2 株，各處理3 次重復(fù)，置于玻璃網(wǎng)室自然光照及溫度下培養(yǎng)，培養(yǎng)過程中每2 d 更換1 次營養(yǎng)液，每天觀察并記錄植株生長狀況，連續(xù)脅迫4 周后收獲。

1.3 測定項目及方法

調(diào)查水稻生長狀況：收獲后的植株反復(fù)用自來水沖洗干凈，帶回實驗室進行指標(biāo)統(tǒng)計。調(diào)查指標(biāo)為：①株高：莖基部至最長葉的距離；②最長根長：莖基部至最長根的距離；③根數(shù)；④分蘗數(shù)；⑤干質(zhì)量。首先將全部鮮樣在105℃下殺青30 min，然后在70℃下烘干至恒質(zhì)量，測定其干物質(zhì)量，最后用不銹鋼粉碎機磨細(xì)，供分析測試用。

水稻植株養(yǎng)分含量的測定包括氮、磷、鉀及錳的測定：粉碎后的樣品經(jīng)H2SO4（濃）-H2O2消化定容后，采用半微量凱氏定氮法測定全氮，釩鉬黃比色法測定全磷，火焰光度法測定全鉀。植株樣品用HN03:HC104=5∶1（體積比）的混酸（優(yōu)級純）消煮后，經(jīng)原子吸收法測定錳含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2007 和DPS 6.55 進行有關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。差異顯著性水平（p＜0.05）通過最小顯著法（LSD）進行檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同Mn2+濃度對水稻生長和生物產(chǎn)量的影響

從表1 可見，在整個試驗Mn2+濃度范圍內(nèi)，川香優(yōu)506 各項農(nóng)藝性狀并未隨Mn2+濃度升高出現(xiàn)明顯下降。相反，在400 mg/L 時某些指標(biāo)還增加到最高或較高，這可能是由于該水稻品種為冬水田地區(qū)的高產(chǎn)品種，已完全適應(yīng)長期淹水的土壤環(huán)境條件，對Mn2+的需求量大或耐性高，在較高的Mn2+濃度下還能生長正常。而綿優(yōu)725 似乎不需要多少Mn2+就能正常生長，即在0 mg /L 時除分蘗數(shù)外的其他農(nóng)藝性狀都處于最高值。因此，隨Mn2+濃度的增加，綿優(yōu)725 的株高、生物產(chǎn)量逐漸變低，根長逐漸變短，分蘗數(shù)、根數(shù)逐漸減少。當(dāng)Mn2+濃度達(dá)到350 mg/L 時，綿優(yōu)725 的一些葉片已出現(xiàn)失綠、幼葉皺縮、葉脈間呈現(xiàn)褐色條斑。這些特征與其他研究報道的植物錳中毒癥狀相符[5，14]。綿優(yōu)725 對Mn2+的反應(yīng)可能與該品種是兩季田—水旱輪作稻區(qū)的主栽品種有關(guān)，適合在輕度還原或低Mn2+濃度的土壤環(huán)境條件下栽培。

2.2 不同Mn2+濃度對水稻氮、磷和鉀含量的影響

表2 不同濃度Mn2+處理對水稻氮、磷和鉀含量的影響 （%）

表3 不同Mn2+濃度對川香優(yōu)506 氮、磷和鉀吸收量的影響 （mg/盤）

從表2 可見，不同Mn2+濃度處理下，川香優(yōu)506 植株和綿優(yōu)725 植株對于氮、磷、鉀的吸收強度不同，總體而言，川香優(yōu)506 對氮、磷和鉀的吸收弱于綿優(yōu)725。從氮含量來看，川香優(yōu)506 植株無論是莖葉還是根系，隨Mn2+濃度增高，其氮含量總體呈上升趨勢，表明Mn2+促進了川香優(yōu)506 對氮的吸收。而綿優(yōu)725 水稻植株則似乎對Mn2+濃度并不敏感。從磷含量來看，川香優(yōu)506 和綿優(yōu)725 植株的表現(xiàn)與氮含量的規(guī)律基本一致，總體呈正效應(yīng)。從鉀含量來看，隨Mn2+濃度增高，川香優(yōu)506 和綿優(yōu)725 植株的鉀含量呈負(fù)效應(yīng)，Mn2+的存在抑制了水稻植株對鉀的吸收。

從表3、表4 可見，就川香優(yōu)506 而言，隨著Mn2+濃度的提高，無論莖葉、根系還是整個植株中氮、磷吸收量總體上呈增加趨勢。結(jié)合表2 的結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)?shù)腗n2+濃度即有利于水稻對氮磷的吸收，也能促進水稻中氮磷的代謝。而綿優(yōu)725 莖葉、根系和全株對氮、磷的吸收量則呈現(xiàn)出對Mn2+的負(fù)效應(yīng)，且當(dāng)Mn2+濃度達(dá)到350 mg/L 時，下降趨勢較為明顯，說明350 mg/L Mn2+已經(jīng)開始影響該品種對氮、磷的吸收。從鉀吸收量來看，川香優(yōu)506 和綿優(yōu)725 植株對鉀吸收量均與Mn2+濃度呈負(fù)效應(yīng)，表明對這2 個品種而言，Mn2+抑制了植株對鉀的吸收。

這些結(jié)果進一步表明，Mn2+在綿優(yōu)725 植株體內(nèi)與N、P、K(或許還有其它養(yǎng)分)具有很強的拮抗作用。只有在極低Mn2+濃度下水稻才能吸收充足的N、P、K 養(yǎng)分，隨著溶液Mn2+濃度升高N、P、K 養(yǎng)分的吸收受到限制，導(dǎo)致水稻生長受限。這一發(fā)現(xiàn)對今后篩選適合長期淹水冬水田種植的水稻品種，無論在育種上還是生產(chǎn)栽培上，都具有重要指導(dǎo)意義和實用價值。

2.3 不同Mn2+濃度對水稻錳含量和吸收量的影響

隨著培養(yǎng)液中Mn2+濃度的逐漸增加，無論川香優(yōu)506 還是綿優(yōu)725 水稻莖葉和根系中的錳含量及錳吸收量都呈上升趨勢，且就川香優(yōu)506 而言，在不同濃度的Mn2+處理條件下，莖葉中的錳吸收量均高于根系，大致增高了2.14～3.82 倍。與0 mg/L 處理相比，其他濃度處理川香優(yōu)506 整株中Mn2+的吸收量分別增加了6.81倍、17.29 倍、20.29 倍、22.9 倍、18.7 倍、30.5 倍、24.8倍。在綿優(yōu)725 水稻中，莖葉中的錳吸收量大約是根系的2.45～4.54 倍，與0 mg/L 處理相比，其他濃度處理整株中Mn2+的吸收量分別增加了8.39 倍、11.16 倍、14.11倍、13.39 倍、15.89 倍、13.24 倍、16.08 倍。以上結(jié)果說明，Mn2+的生物活性較高，易被水稻吸收并迅速運輸?shù)降厣喜?，這也是為何錳毒害首先出現(xiàn)在水稻地上部的原因。

表4 不同Mn2+濃度對綿優(yōu)725 氮、磷和鉀吸收量的影響 （mg/盤）

表5 不同Mn2+濃度處理對水稻植株錳含量和吸收量的影響

3 討論

錳是植物維持正常生命活動必不可少的微量元素，參與植物光合作用，維持葉綠體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，有利于C、N 同化。適量的錳能夠促進植物對氮磷的吸收，但是過量的錳能夠增加活性氧積累，破壞體內(nèi)激素平衡，抑制植物對一些必需元素如鈣、鎂、鐵等的吸收，最終導(dǎo)致葉綠體結(jié)構(gòu)遭到破壞，葉綠素合成下降，光合速率降低[15-17]。不同植物甚至同一植物的不同品種對錳脅迫的響應(yīng)機制差異較大[18]。例如本試驗中，Mn2+濃度達(dá)到350 mg/L 時，川香優(yōu)506 并未表現(xiàn)出錳中毒癥狀，而綿優(yōu)725 葉片已經(jīng)出現(xiàn)褐色壞死斑點。再如，當(dāng)用2 048 μmol/L 的錳處理白千層幼苗時，幼苗節(jié)間縮短，植株矮小，葉片扭曲變形，并在葉柄至葉片邊緣部分出現(xiàn)紅色斑點[19]。而當(dāng)用15 000 μmol/L 的錳處理錳超累積植物商陸時，葉片才出現(xiàn)明顯壞死斑，并逐漸枯萎死亡[20]，因此，不能用單一的機理去解釋植物對金屬錳的耐性。

本試驗結(jié)果表明，過量的錳對水稻植株的株高、根長、根數(shù)、分蘗數(shù)和生物量都有影響，Mn2+敏感性品種綿優(yōu)725 上表現(xiàn)得更為明顯，類似的影響在其他植物中也已有報道。如郭素娟等[21]研究了錳對板栗生長及生理效應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)隨著錳濃度的增加，板栗幼苗葉綠素含量、苗高、根質(zhì)量、生物量等都呈先升高后降低的趨勢，錳濃度過高會抑制板栗的生長。曾琦等[17]發(fā)現(xiàn)，錳毒對油菜生長、Fe、Ca 含量均有影響。李燕等[22]發(fā)現(xiàn)，過量的錳處理導(dǎo)致短毛蓼株高、株質(zhì)量、葉綠素含量均顯著降低。而適宜的Mn2+可促進水稻植株生長，有利于水稻對氮磷的吸收，也能促進水稻中氮磷的代謝，這在對Mn2+抗性較強的品種川香優(yōu)506 中表現(xiàn)得尤為突出，也與相關(guān)報道相符[23]。本試驗還發(fā)現(xiàn)，水稻植株發(fā)生錳毒害后，植株莖葉會首先受到生長抑制，莖葉中的錳吸收量是根系的2～5 倍，進而影響根系。曾琦等[17]用低濃度Mn2+（5 mg/L）處理油菜時，發(fā)現(xiàn)莖和葉生物量降幅（13.64% 和10.46%）明顯大于根系生物量降幅（5.00%），隨Mn2+濃度進一步增加（15.0～30.0 mg/L），根系生物量降幅與莖和葉相近，說明過量的錳首先使地上部出現(xiàn)錳毒害癥狀，生長受到抑制，隨著錳毒害程度的加劇，根系也明顯受到傷害，生長進一步受到抑制，這與本試驗結(jié)果相符。

四川省冬水田分布較為廣泛，由于長期漬水，氧化還原電位低，土壤呈酸性，還原態(tài)錳含量高，水稻坐蔸現(xiàn)象普遍。目前，施用石灰類物質(zhì)是這類酸性土壤降低酸度的主要手段。另外，由于土壤溶液中的Mn2+與其他多種元素存在拮抗作用，因此也可以通過施入適量的相關(guān)肥料以緩解錳毒，例如，鐵、錳元素之間存在著強烈拮抗作用，鐵能夠顯著抑制錳的吸收和累積[24-25]；鎂能夠提高小麥莖稈組織耐高錳的能力[26]；硅不僅能使植物對錳的吸收減少還能增加植物內(nèi)部組織對過量錳的忍耐力[27]；鉛對水稻錳毒有明顯的拮抗作用，它能促進錳毒害的水稻長高和分蘗，并提高水稻的生物產(chǎn)量[28]。綜上所述，四川省冬水田中水稻普遍存在的坐蔸現(xiàn)象與稻田中還原態(tài)錳含量過高有關(guān)，并且不同水稻品種的耐錳毒性有所差別。因此，應(yīng)當(dāng)根據(jù)稻田具體情況以及所種植的水稻品種，合理的施用相關(guān)肥料以減輕冬水田水稻的坐蔸現(xiàn)象。

4 結(jié)論

過高的Mn2+濃度會導(dǎo)致綿優(yōu)725 中毒，影響植株正常生長，當(dāng)Mn2+濃度達(dá)到350 mg/L 時，綿優(yōu)725 出現(xiàn)明顯錳中毒癥狀，莖葉干質(zhì)量僅為對照的45.25%，根系干質(zhì)量僅為對照的50.82%，根數(shù)僅為對照的65.93%。而另一品種川香優(yōu)506 在這一濃度下則無明顯影響。

過高的Mn2+濃度會影響綿優(yōu)725 水稻植株的養(yǎng)分吸收，當(dāng)Mn2+濃度達(dá)到350 mg/L 時，整株氮吸收量僅為對照的45.84%，整株磷吸收量僅為對照的64.98%，整株鉀吸收量僅為對照的44.23%，而川香優(yōu)506 在這一濃度下養(yǎng)分吸收量與對照相比差異不大。

從綿優(yōu)725 水稻Mn2+中毒后生物產(chǎn)量對比來看，莖葉干質(zhì)量下降幅度明顯高于根系；從Mn2+聚集部位來看，莖葉中的錳吸收量是根系的2.45～4.54 倍，表明過量的錳首先使地上部出現(xiàn)錳毒害癥狀，使水稻生長受到抑制。

冬水田稻區(qū)水稻品種不同是對Mn2+濃度響應(yīng)差異的主要因素，在適合冬水田的抗性品種篩選上可以把對Mn2+的耐性作為參考指標(biāo)之一，在田間診斷水稻坐蔸時亦可參考本試驗所觀察到的水稻錳中毒表現(xiàn)癥狀。