長江中下游稻田球囊霉素相關土壤蛋白分布格局及其對環(huán)境的響應

王 浩， 胡明慧， 蔡 蕊， 朱先燦

(安徽師范大學生命科學學院重要生物資源保護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蛋白(EE-GRSP，easily extractable GRSP)和難提取球囊霉素相關蛋白(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蛋白表面有許多負電荷粒子，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，形成更大的土壤團聚體，隨菌絲的發(fā)育進而粘連的土壤團聚體變大，進一步團聚和包被成大團聚體改善土壤的結構，增加土壤團聚體表面疏水性，提高土壤團聚體的水穩(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)，還能夠促進其他根際微生物對一些有機污染物的降解[12-13]。

長江中下游流域地處我國經(jīng)濟最發(fā)達地區(qū)，長江經(jīng)濟帶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，總球囊霉素和易提取球囊霉素能綜合反映土壤有機質(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?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個樣品進行重復，總共采取樣品117個。采取的樣品標號記號，運輸回實驗室后自然風干，用研磨機進行打碎，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。上清用考馬斯亮藍法測定?？侴RSP(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軟件進行分析。顯著性分析采用單因素方差分析Duncan’s法進行檢驗；采用Pearson’s法對土壤理化性質(zhì)、GRSP進行相關性分析。

2 結果與分析

2.1 GRSP與土壤其他理化指標的含量分布

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?？偳蚰颐顾叵嚓P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對土壤有機碳的貢獻

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

進一步分析GRSP對土壤有機碳的貢獻占比。從圖4可以看出，易提取球囊霉素對土壤有機碳貢獻(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?？偳蚰颐顾叵嚓P蛋白占土壤有機碳的比例(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%。土壤有機碳的貢獻變化范圍很大，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)的相關性

圖5表示的是GRSP與地理距離和土壤性質(zhì)的相關性。EE-GRSP和T-GRSP均與經(jīng)緯度沒有顯著相關性，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)呈顯著負相關，與總氮(r=0.394，P<0.05)呈顯著正相關。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。

2.4 GRSP與有機磷類農(nóng)殘的相關性

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種有機磷類農(nóng)殘與GRSP的相關性。T-GRSP與甲基對硫銨磷(r=0.368，P<0.05)呈顯著正相關。EE-GRSP與甲基對硫銨磷(r=0.364，P<0.05)呈顯著正相關，與氧化樂果(r=-0.362，P<0.05)和喹硫磷(r=-0.335，P<0.05)呈顯著負相關。

表1 39個樣地土壤理化性質(zhì)含量

3 討論

GRSP是有機碳的重要組成部分，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系。GRSP可促進土壤有機碳的固定[18]。本研究檢測到長江中下游流域稻田中總球囊霉素相關蛋白占土壤有機碳的貢獻范圍是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率高于生物有機碳，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含量呈顯著負相關，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，無梗孢子科是AMF最豐富的科之一。

土壤中的有機磷類農(nóng)殘也影響著GRSP的含量，有機磷類主要來源于農(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注。

表2 39個樣地經(jīng)緯度以及有機磷類農(nóng)殘含量

綜上，本次研究結果表明，長江中下游流域水稻田土壤球囊霉素相關蛋白與有機碳具有顯著正相關的關系，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蛋白的含量有顯著負相關關系。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去，一些研究表明，溫度與土壤中GRSP含量是具有相關性的，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含量沒有考慮進去，連作和間作對于AMF的含量具有顯著的相關性[27]。有機磷類農(nóng)藥的使用也會對GRSP的含量產(chǎn)生影響。在進行農(nóng)業(yè)管理的過程中更需要合理選擇耕種方式，科學施加肥料，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，研究和保護長江流域的土壤球囊霉素含量分布就是保護長江流域的生態(tài)環(huán)境，就是保護人類生存環(huán)境，就是響應我國生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展新道路的倡導。