长江中下游稻田球囊霉素相关土壤蛋白分布格局及其对环境的响应

王 浩， 胡明慧， 蔡 蕊， 朱先灿

(安徽师范大学生命科学学院重要生物资源保护与利用研究安徽省重点实验室，安徽芜湖 241000)

土壤中含有丰富的土壤微生物群落，每一克的土壤里含有的微生物数以亿计[1]，土壤微生物在地球资源流动的过程中起着非常关键的作用，在土壤健康、作物生产方面也有着举足轻重的作用。稻田土壤研究得比较多的是丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi，AMF)，是一种能与植物共生的菌类。AMF能与陆地上90%以上的植物形成互利共生作用，AMF能促进宿主植物从土壤中获取氮磷等营养物质，同时也从宿主获取碳源促使自身生长发育[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质影响，例如，高度[3]、纬度[4]、土壤的温度[5-6]、土壤的湿度[7]、土壤的酸碱性[8]、植物的种类以及土壤微生物中其他种群的影响[9]。

植物死亡后，在AMF真菌菌丝和囊泡中的球囊霉素相关土壤蛋白(Glomalin-related soil protein，GRSP)会经过菌丝释放到土壤中。按提取难易程度可分为易提取球囊霉素相关蛋白(EE-GRSP，easily extractable GRSP)和难提取球囊霉素相关蛋白(DE-GRSP，difficultly extractable GRSP)。研究发现GRSP是一种糖蛋白类物质，被称为“生物胶水”，能够粘连其他小分子物质的作用形成聚合体。同时AMF菌丝分泌的球囊霉素相关蛋白表面有许多负电荷粒子，能够和土壤中的一些阳离子物质(如Ca2+、Fe3+等)作用将土壤颗粒和菌丝连接起来，形成更大的土壤团聚体，随菌丝的发育进而粘连的土壤团聚体变大，进一步团聚和包被成大团聚体改善土壤的结构，增加土壤团聚体表面疏水性，提高土壤团聚体的水稳性[9-11]。GRSP能降低重金属对土壤和植物的伤害，GRSP有许多位点与重金属结合，能降低重金属在植物体内转运的含量，也能降低土壤环境中的重金属含量。GRSP能代谢农药残留，AMF真菌自己能代谢土壤中的多环芳烃类物质，还能够促进其他根际微生物对一些有机污染物的降解[12-13]。

长江中下游流域地处我国经济最发达地区，长江经济带GDP占我国总量的40%以上，长江流域也是我国水稻的主要产地。水稻是我国最主要的粮食作物，影响水稻产量因素的研究至关重要，对于长江中下游区域的水稻土壤中GRSP的研究比较少。球囊霉素的分布以及含量对于植物和土壤的影响深远，总球囊霉素和易提取球囊霉素能综合反映土壤有机质的动态、养分的循环及土壌生态的健康状况，影响生态环境的碳循环。研究长江流域的GRSP分布格局能够更好地了解长江流域土壤及其微生物状况，从而对稻田土壤微治理、水稻产量增长、土壤污染整治等方面具有重要的作用和意义。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

试验样品采集地主要在长江中下游(29°67′～32°35′N，113°30′-119°75′E)。采集地属于亚热带季风气候，年平均气温在16～24 ℃，年降水量在 1 500 mm 以上[14]。长江中下流域分布不同种类的土壤，气候和经纬度影响着土壤分布情况，红壤、黄壤、黄棕壤在采样地都有涉及，长江中下游流域的土壤资源，对当地的农林牧渔行业发展十分有利[15]。

1.2 采样

本试验于2020年9月至2020年10月从湖北省宜昌市开始采样，经过湖南省、江西省、安徽省，到江苏省南通市为止，对长江中下游流域稻田土壤的39个点进行土壤采样(图1)。考虑到不同水稻田中湿度不同，软硬程度也不同，采集时用土钻采取0～20 cm深土壤，每个点间隔采取3个样品进行重复，总共采取样品117个。采取的样品标号记号，运输回实验室后自然风干，用研磨机进行打碎，装入塑封袋中备用。

1.3 土壤理化性质和酶活性测定

1.4 土壤球囊霉素相关土壤蛋白含量测定

取1 g干土，加8 mL 20 mmol/L柠檬酸钠溶液(pH值7.0)，121 ℃高压灭菌30 min，10 000g离心 3 min，上清用于测EE-GRSP。沉淀加8 mL 50 mmol/L 柠檬酸钠溶液(pH值8.0)，121 ℃高压灭菌60 min，10 000g离心3 min，上清用于测 DE-GRSP。上清用考马斯亮蓝法测定。总GRSP(T-GRSP)即EE-GRSP和DE-GRSP之和。

1.5 数据统计分析

数据采用Excel和SPSS 25.0软件进行分析。显著性分析采用单因素方差分析Duncan’s法进行检验；采用Pearson’s法对土壤理化性质、GRSP进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 GRSP与土壤其他理化指标的含量分布

39个样点总球囊霉素、易提取球囊霉素的含量如图2所示。长江中下游流域水稻田土壤T-GRSP含量介于3.05～10.4 mg/g之间，平均含量为 5.26 mg/g，变化幅度较大。总球囊霉素相关蛋白含量最少的是24号样地(安徽马鞍山)，含量最多的是4号样地(湖北石首)。易提取球囊霉素相关土壤蛋白含量介于1.02～4.97 mg/g之间，平均值为 2.33 mg/g。EE-GRSP含量最少的是22号样地(安徽无为)，最多的是19号样地(安徽枞阳)。

2.2 GRSP对土壤有机碳的贡献

对土壤中有机碳与T-GRSP和EE-GRSP进行相关性分析(图3)，表明EE-GRSP与有机碳含量呈显著正相关(P<0.05)，T-GRSP与土壤有机碳呈显著正相关(P<0.05)，说明GRSP作为土壤有机碳的重要组成部分，与土壤有机碳关系密切。

进一步分析GRSP对土壤有机碳的贡献占比。从图4可以看出，易提取球囊霉素对土壤有机碳贡献(EE-GRSP/SOC)最大的是29号样地(江苏广陵)，占比为13.42%；最小的是16号样地(安徽安庆)，其比值为2.01%。所有样地EE-GRSP/SOC平均比值为 6.37%，最大值与最小值相差6倍。总球囊霉素相关蛋白占土壤有机碳的比例(T-GRSP/SOC)最大的是25号样地(安徽马鞍山)，最小的是28号样地(江苏扬州)。所有样地T-GRSP/SOC平均占比为14.33%，变化的范围是5.77%～25.63%。土壤有机碳的贡献变化范围很大，最大值与最小值相差5倍。

2.3 GRSP与地理距离和土壤性质的相关性

图5表示的是GRSP与地理距离和土壤性质的相关性。EE-GRSP和T-GRSP均与经纬度没有显著相关性，说明GRSP分布不受空间距离的影响。EE-GRSP与土壤pH值(r=-0.322，P<0.05)呈显著负相关，与总氮(r=0.394，P<0.05)呈显著正相关。T-GRSP与总氮(r=0.400，P<0.05)和硝态氮(r=0.391，P<0.05)均呈显著正相关。

2.4 GRSP与有机磷类农残的相关性

表2显示，其中平均含量最多的农残磷化物是氧化乐果，大约为7.24 ng/g，最高的位于黄冈市黄梅县，为19.99 ng/g，平均含量最少的是乐果，大约为 0.3 ng/g。

图6表示的是7种有机磷类农残与GRSP的相关性。T-GRSP与甲基对硫铵磷(r=0.368，P<0.05)呈显著正相关。EE-GRSP与甲基对硫铵磷(r=0.364，P<0.05)呈显著正相关，与氧化乐果(r=-0.362，P<0.05)和喹硫磷(r=-0.335，P<0.05)呈显著负相关。

表1 39个样地土壤理化性质含量

3 讨论

GRSP是有机碳的重要组成部分，也是生态环境中的重要组成部分，土壤中GRSP含量与土壤肥力有着密切的关系。GRSP可促进土壤有机碳的固定[18]。本研究检测到长江中下游流域稻田中总球囊霉素相关蛋白占土壤有机碳的贡献范围是5.76%～25.63%，其变化幅度较大，平均值为14.33%。之前有研究检测到我国土壤中GRSP占有机碳平均含量约为25%，泥炭中的占比更高，约为50%[19]。 可见长江中下游流域稻田GRSP含量低于正常土壤中GRSP含量的平均值，是否可以通过筛选出一种能大量产生GRSP的AMF菌种接种到水稻田中来提高水稻产量，为我们未来的探究提供了方向。GRSP 对土壤中总碳含量的贡献率高于生物有机碳，这主要是由于土壤中 GRSP周转率较低、自身积累能力较强造成的[20]。AMF可以从宿主植物获取大量的碳源，促进植物光合作用，对于减少CO2的排放有很大作用[21]。

有研究发现pH值与GRSP含量呈显著负相关，本研究的数据也证明了这一点。对于39个样地的pH值检测得到其变化范围为5.29～8.66，平均为7.51，水稻的最适生长pH值为6.0～7.5[21，12]，与本研究检测到的长江流域水稻田的pH值范围重合。土壤中pH值降低能增加GRSP含量，可能与pH值降低使优势种无梗孢子科的RA值增加有关，无梗孢子科是AMF最丰富的科之一。

土壤中的有机磷类农残也影响着GRSP的含量，有机磷类主要来源于农药的残留，在长江中下游稻田的耕作管理农药的合理使用需要更多的关注。

表2 39个样地经纬度以及有机磷类农残含量

综上，本次研究结果表明，长江中下游流域水稻田土壤球囊霉素相关蛋白与有机碳具有显著正相关的关系，土壤pH值直接或间接地影响着GRSP的含量，与土壤中球囊霉素相关蛋白的含量有显著负相关关系。试验还存在一些不足之处：(1)对长江中下游稻田土壤种类因素没有考虑。研究发现GRSP的含量因土壤类型而异，不同种类的土壤含量差距很大，长江以南大部分地区为中亚热带气候区，广泛分布着红壤和黄壤；长江以北为北亚热带气候区，大多分布着黄棕壤。(2)温度因素也没有考虑进去，一些研究表明，温度与土壤中GRSP含量是具有相关性的，随着季节气候变化GRSP含量会呈现显著性变化[25-26]。所采集的样地在长江中上游，横跨3个省，长江流域各个城市的气温中下游地区高于上游地区，江南高于江北，这些差距会影响土壤中的GRSP含量。(3)农耕作用对于GRSP含量没有考虑进去，连作和间作对于AMF的含量具有显著的相关性[27]。有机磷类农药的使用也会对GRSP的含量产生影响。在进行农业管理的过程中更需要合理选择耕种方式，科学施加肥料，合理灌溉。在湖北大部分地区水稻田轮作水稻和油菜，安徽大部分地区也是轮作，芜湖南陵县许多农户轮作紫云英和水稻，紫云英的根瘤能改善土壤环境，减少化学肥料施用，在水稻种植前直接翻耕到土壤中作为绿肥能让水稻产量提高。江苏部分地区稻田会轮作休耕，让土壤有一定时间恢复肥力，增加水稻产量。因此，对于长江流域水稻田土壤的了解是迫切的，对于我国水稻产量影响因素探索是必要的。总而言之，研究和保护长江流域的土壤球囊霉素含量分布就是保护长江流域的生态环境，就是保护人类生存环境，就是响应我国生态优先、绿色发展新道路的倡导。