滴灌條件下不同價態(tài)外源硒對水稻硒吸收及轉(zhuǎn)運的影響

張棟 史力超 冶軍侯振安 王存虎 吳永海

(石河子大學農(nóng)學院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境系,新疆石河子832003;?通訊聯(lián)系人,E-mail:yejun．shz＠163．com)

滴灌條件下不同價態(tài)外源硒對水稻硒吸收及轉(zhuǎn)運的影響

張棟 史力超 冶軍?侯振安 王存虎 吳永海

(石河子大學農(nóng)學院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境系,新疆石河子832003;?通訊聯(lián)系人,E-mail:yejun．shz＠163．com)

【目的】通過田間小區(qū)試驗,研究外源硒酸鹽及亞硒酸鹽施入滴灌稻田中對土壤中不同價態(tài)硒含量及其生物有效性的影響,旨在為滴灌條件下富硒水稻的開發(fā)提供理論依據(jù)。【方法】以水稻品種T-43為材料,硒肥為亞硒酸鹽與硒酸鹽,施硒量為0．3、0．6、1．2 kg/hm2?！窘Y(jié)果】研究結(jié)果表明,施肥后1 d硒酸鹽1．2 kg/hm2處理土壤中可溶態(tài)硒含量最高,比對照高了340%;可交換態(tài)硒、鐵氧化物態(tài)硒及有機態(tài)硒含量在施肥后4 d亞硒酸鹽1．2 kg/hm2處理最高,較對照分別提高了380%、56%、59%,硒酸鹽處理鐵氧化物態(tài)硒及有機態(tài)硒含量增加不顯著,說明硒酸鹽主要以可溶態(tài)硒存在,而亞硒酸鹽主要以可交換態(tài)硒存在,并且由可溶態(tài)轉(zhuǎn)化為其他形態(tài),因此降低了其有效性。對水稻的根、莖、葉及籽粒硒含量分析后發(fā)現(xiàn),亞硒酸鹽處理的籽粒和葉中的硒含量顯著低于硒酸鹽處理,而其根部硒含量顯著大于硒酸鹽處理,莖部硒含量無顯著差異,且亞硒酸鹽處理的根部硒累積量均大于硒酸鹽處理。【結(jié)論】說明施用亞硒酸鹽大部分積累在水稻根部,硒酸鹽處理的地上部硒累積量大于亞硒酸鹽處理,同時,硒酸鹽處理的根系吸收系數(shù)、初級轉(zhuǎn)運系數(shù)、次級轉(zhuǎn)運系數(shù)均大于亞硒酸鹽處理,說明亞硒酸鹽大部分積累在水稻根部且向地上部轉(zhuǎn)運較難,硒酸鹽隨水滴施的生物有效性高于亞硒酸鹽。

硒酸鹽;亞硒酸鹽;水稻;生物有效性

硒是人體和動物所必需的微量元素之一,在增強抗氧化能力、提高免疫力和預防癌癥等方面有重要功效[1-3]。世界大部分地區(qū)環(huán)境中硒含量處于偏低水平,而中國70%以上的地區(qū)不同程度缺硒[4]。研究表明,植物硒是人體和動物攝入硒的主要來源,而植物硒主要來源于土壤[5-6],造成植物硒含量低的主要原因是土壤硒的有效性低[7]。長期硒攝入量不足會引起多種疾病[8-9],因此,如何提高糧食作物中的硒含量亟待解決[9]。

硒在土壤中遷移轉(zhuǎn)化及有效性主要取決于其存在的形態(tài)及價態(tài)[10,11]。研究表明,土壤中硒的形態(tài)根據(jù)其與土壤結(jié)合的成分不同可分為可溶態(tài)、可交換態(tài)、鐵氧化物態(tài)、有機結(jié)合態(tài)和殘渣態(tài),其中,可被植物吸收利用的主要為可溶態(tài)、可交換態(tài)及部分有機結(jié)合態(tài)[12]。因此,研究不同價態(tài)外源硒在土壤中的形態(tài)轉(zhuǎn)化具有重要意義。

水稻是世界上重要的糧食作物之一,而我國稻米硒含量平均值為0．032 mg/kg,低的僅為0．016 mg/kg,遠遠不能滿足人體的正常需求。通過土壤增施硒肥來提高水稻籽粒中的硒含量,是改善人體硒營養(yǎng)的重要途徑[13,14]。因此,研究水稻對外源硒的吸收轉(zhuǎn)運,對提高稻米硒含量,促進人體健康具有重要意義。本研究基于滴灌區(qū)施肥特點,研究了不同價態(tài)外源硒在滴灌稻田中的形態(tài)轉(zhuǎn)化及其對水稻生物有效性的影響,以期為滴灌條件下富硒水稻的開發(fā)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1．1 試驗地概況與試驗材料

試驗于2015年在新疆石河子市天業(yè)化工生態(tài)園進行,土壤類型為灌耕灰漠土,耕層土壤基礎(chǔ)理化性狀如下:p H值8．26,有機質(zhì)含量26．79 g/kg,堿解氮含量86．89 mg/kg,有效磷含量17．44 mg/kg,速效鉀含量354 mg/kg,全硒含量0．309 mg/kg,供試材料為水稻品種T-43,硒肥為分析純亞硒酸鈉(Na2SeO3)和硒酸鹽(Na2SeO4)。

1．2 試驗設(shè)計

硒肥施用方法為滴施,施硒量設(shè)0．3、0．6、1．2 kg/hm2,施用亞硒酸鹽分別用Y0．3、Y0．6、Y1．2表示,施用硒酸鹽則以S0．3、S0．6、S1．2表示,均以不施硒作為對照(CK)。共7個處理,每個處理重復3次,小區(qū)面積10 m2,小區(qū)間設(shè)0．5 m保護行,硒肥于水稻抽穗期溶于施肥罐隨水滴施。

1．3 栽培模式與田間管理

試驗采用膜下滴灌,一膜三管12行種植模式,膜寬2．2 m,行距配置為10+26+10+26+10+26 +10+26+10+25 cm,穴距10 cm。采用機械鋪膜機械點種,干播濕出,28．5萬穴/hm2。全生育期施氮肥(以純N計)270 kg/hm2,磷肥(以P2O5計)180 kg/hm2,鉀肥(以K2O計)150 kg/hm2。氮磷鉀肥分別選擇尿素、重過磷酸鈣和磷酸鉀。灌水量為10 500 m3/hm2。

1．4 樣品采集與項目測定

1．4．1 土壤樣品采集與項目測定

分別于硒肥施用后1、4、8、12、16、20 d,在小區(qū)內(nèi)隨機選取3～4個采樣點,按S型路線采集0～20 cm耕層土壤,樣品經(jīng)風干、剔除雜物后分別過1 mm、0．25 mm的尼龍篩,備用待測。

土壤不同形態(tài)硒含量的分析參照王松山等[15]的連續(xù)浸提法進行。

1．4．2 植株樣品采集與項目測定

水稻收獲時,每個處理隨機選取3～4個大小為1 m2的采樣點連根取20株水稻,去除根上土壤,用水沖洗,并經(jīng)蒸餾水洗滌,植株按根、莖、葉、籽粒將各組織分開,于105℃下殺青30 min,75℃下烘干至恒重,粉碎過1 mm篩,備測待用。

植株全硒分析參照于振等[16]的方法。于收獲前3 d隨機取樣測產(chǎn),取樣面積為6．0 m2,收獲后測定產(chǎn)量、成穗數(shù)、每穗粒數(shù)及千粒重。參照姜超強等的方法[17]計算以下參數(shù):根系吸收系數(shù)＝根系硒濃度/土壤硒濃度;初級轉(zhuǎn)運系數(shù)＝莖葉硒濃度/根系濃度;次級轉(zhuǎn)運系數(shù)＝籽粒硒濃度/莖葉硒濃度;地上部硒累積量＝地上部硒含量×地上部生物量;地下部硒累積量＝地下部硒含量×地下部生物量。

1．5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)處理采用Excel 2010進行,數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用SAS 8．1完成。

2 結(jié)果與分析

2．1 硒酸鹽與亞硒酸鹽在土壤中的形態(tài)及含量變化

施肥后1 d,硒酸鹽處理土壤可溶態(tài)硒含量最高,亞硒酸鹽處理次之,CK處理最低;施肥后4～20 d土壤水溶態(tài)硒含量呈下降趨勢,在等施用量條件下,S0．3和Y0．3處理較CK分別增加71%和62%; S0．6和Y0．6處理較CK分別增加76%和66%; S1．2和Y1．2處理較CK分別增加77%和72%(圖1-A)。

至于土壤可交換態(tài)硒含量,在灌水施肥后0～4 d,亞硒酸鹽及硒酸鹽處理呈增加趨勢,在等施入量條件下,S0．3和Y0．3處理較CK分別增加58%和65%;S0．6和Y0．6處理較CK分別增加56%和73%;S1．2和Y1．2處理較CK分別增加62%和79%,施肥后8～20 d土壤中可交換態(tài)硒含量呈下降趨勢(圖1-B)。

至于土壤鐵氧化物態(tài)硒及有機態(tài)硒含量,在灌水施肥后0～4 d,亞硒酸鹽處理及硒酸鹽處理呈增加趨勢,其中,亞硒酸鹽處理土壤中鐵氧化物態(tài)硒及有機態(tài)硒含量大于硒酸鹽處理,CK處理含量最低,施肥后8～20 d土壤鐵氧化物態(tài)硒(圖1-C)及有機態(tài)硒(圖1-D)含量變化不顯著。

圖1 不同價態(tài)外源硒在土壤中的形態(tài)轉(zhuǎn)化Fig．1．Transformation of different valence selenium in soil．

2．2 不同價態(tài)外源硒的生物有效性

2．2．1 不同價態(tài)外源硒對水稻根系、莖、葉和籽粒硒含量的影響

水稻的根系、莖、葉及籽粒硒含量均隨著外源硒施用量的增加而增加。在等施用量條件下,亞硒酸鹽處理的根部硒含量均大于硒酸鹽處理,且亞硒酸鹽處理(Y1．2)根部硒含量最高,較CK處理提高了195%。硒酸鹽處理的葉部及籽粒硒含量均大于亞硒酸鹽處理,且在硒酸鹽處理最大施用量(S1．2)時葉部及籽粒硒含量最高,較CK提高了176%和568%。莖的硒含量在不同價態(tài)硒處理間無顯著差異,但均大于CK處理。不同價態(tài)硒及施硒量對莖無顯著影響,對水稻的根、葉及籽粒硒含量均有顯著影響(表1)。

2．2．2 不同價態(tài)外源硒對水稻地上部及地下部硒累積量的影響

水稻的地上部及地下部硒累積量隨著外源硒施用量的增加而增加。在等施用量條件下,亞硒酸鹽處理的根部硒累積量均大于硒酸鹽處理,且亞硒酸鹽處理(Y1．2)根部硒累積量最高,較CK處理提高了198%,而硒酸鹽處理的地上部硒累積量大于亞硒酸鹽處理,且在硒酸鹽處理(S1．2)最大施用量時地上部硒累積量最高,較CK提高了508%,不同價態(tài)硒及施硒量對水稻地上部及地下部硒累積量均有顯著影響(表2)。

2．2．3 水稻對土壤硒的吸收和轉(zhuǎn)運

由表2可見,硒酸鹽及亞硒酸鹽處理的水稻根系對土壤硒的吸收系數(shù)隨著施用量的增加而增加,且均大于CK處理,在等施硒量下比較發(fā)現(xiàn)硒酸鹽處理均大于亞硒酸鹽處理。初級轉(zhuǎn)運系數(shù)以硒酸鹽處理最高,CK處理其次,亞硒酸鹽處理最低,且隨著施硒量的增加而增加,而次級轉(zhuǎn)運系數(shù),亞硒酸鹽處理與CK處理無顯著差異,硒酸鹽處理最高且隨著施硒量的增加而增加。

表1 不同價態(tài)硒處理下水稻根系、莖、葉和籽粒的硒含量Table 1．Effects of Se valence on its contents in root,stem,leaf and grain of rice．

綜上所述,水稻根系對土壤硒的吸收利用隨著外源硒施入量的增加而增加,硒酸鹽的有效性較高,且在硒酸鹽處理條件下,硒由水稻的根系轉(zhuǎn)運到莖葉及由莖葉轉(zhuǎn)運到籽粒的能力高于亞硒酸鹽處理。

2．2．4 不同價態(tài)外源硒對水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

由表3可見,隨著施硒量的增加,硒酸鹽及亞硒酸鹽處理與不施硒處理在水稻成穗數(shù)、每穗粒數(shù)、千粒重及產(chǎn)量上均無顯著差異。在等施硒量條件下,硒酸鹽處理水稻的產(chǎn)量構(gòu)成因素及產(chǎn)量與亞硒酸鹽處理無顯著差異,隨著施硒量的增加硒酸鹽處理水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素與亞硒酸鹽處理的無顯著差異。

3 討論

3．1 硒酸鹽與亞硒酸鹽對土壤中不同形態(tài)硒含量的影響

土壤中的硒是作物吸收利用硒的主要來源,作物從土壤溶液中不斷地吸收利用硒,不斷將土壤中各形態(tài)硒間的平衡打破。土壤中不同形態(tài)硒施能夠互相轉(zhuǎn)化的。研究表明,與有機質(zhì)結(jié)合的硒可經(jīng)礦化作用轉(zhuǎn)變?yōu)榭杀恢参镂绽玫奈酵寥乐衼硌a充因作物吸收缺失的硒[18]。

圖2 不同價態(tài)硒處理下水稻地上部及地下部硒累積量Fig．2．Effects of Se valence on its accumulation in shoots and roots of rice．

表2 不同價態(tài)硒處理下水稻對土壤硒的吸收和轉(zhuǎn)運系數(shù)Table 2．Effects of Se valence on its absorption and transport coefficients of rice．

表3 不同價態(tài)硒處理下水稻產(chǎn)量構(gòu)成因素及產(chǎn)量Table 3．Effects of Se valence on yield and its components．

硒在土壤中各組分間的分配是一個動態(tài)平衡的過程,在土壤中施入外源硒后破壞了土壤中原有的硒形態(tài)間的平衡。隨著時間的延長在土壤中又建立新的平衡。研究表明,硒酸鹽水溶液在一個月內(nèi)仍有80%殘留,而亞硒酸鹽完全被沉淀物固定[19],在無作物種植條件下外源硒酸鹽在土壤中經(jīng)65 d轉(zhuǎn)化后仍有59%以上可溶態(tài)存在[20]。本研究發(fā)現(xiàn),在種植作物的條件下,土壤中施用硒酸鹽主要以可溶態(tài)硒形式存在,亞硒酸鹽主要以可交換態(tài)硒形式存在,且由可交換態(tài)硒形式轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定態(tài)硒,這與Li等[24]的研究結(jié)果一致,亞硒酸鹽施入土壤后易被有機質(zhì)和鐵氧化物吸收,施入土壤中的亞硒酸鹽主要以可交換態(tài)、鐵氧化物態(tài)及有機態(tài)形式存在,相反,硒酸鹽不易被土壤吸附,施入土壤后其水溶性及流動性都比較高,且土壤中主要以可溶態(tài)形式存在。同時,有研究表明,土壤中有效態(tài)硒主要為可溶態(tài)硒和可交換態(tài)硒[12],說明土壤中施用硒酸鹽的生物有效性大于亞硒酸鹽。

3．2 不同價態(tài)外源硒對水稻硒吸收及轉(zhuǎn)運的影響

硒的形態(tài)決定了作物吸收的硒從地下部向地上部轉(zhuǎn)運的能力,且水稻吸收不同價態(tài)硒的機制有顯著差異。施加亞硒酸鹽3 h內(nèi),硒大部分積累在根部,而硒酸鹽處理的植株地上部硒含量顯著大于亞硒酸鹽處理[21]。本研究發(fā)現(xiàn),施用不同價態(tài)硒,隨著施用量的增加,水稻根、莖、葉及籽粒的硒含量均增加,在等施用量的條件下,硒酸鹽處理的葉片、籽粒硒含量均大于亞硒酸鹽處理,而亞硒酸鹽處理的根部硒含量均大于硒酸鹽處理,莖部無顯著差異,且亞硒酸鹽處理的根部硒累積量均大于硒酸鹽處理。說明施用亞硒酸鹽大部分積累在水稻根部,硒酸鹽處理的地上部硒累積量大于亞硒酸鹽處理,造成這一現(xiàn)象的主要原因是水稻吸收亞硒酸鹽后通過氧化還原作用和代謝作用在其根部轉(zhuǎn)化為硒酸鹽和其他硒化物才能向地上部轉(zhuǎn)運,而水稻根部吸收亞硒酸鹽的過程較亞硒酸鹽轉(zhuǎn)化過程快[22]。

根系吸收系數(shù)表示土壤中該元素的生物有效性[17],值越大說明土壤中硒的有效性越高且土壤中的硒越容易被水稻吸收。本研究發(fā)現(xiàn),在等量施硒條件下硒酸鹽處理的根系吸收系數(shù)均大于亞硒酸鹽處理,且施硒處理較不施硒處理顯著增加。初級轉(zhuǎn)運系數(shù)及次級轉(zhuǎn)運系數(shù)反映作物由地下部向地上部轉(zhuǎn)運該元素的能力[17]。本研究發(fā)現(xiàn),在等施硒條件下,硒酸鹽處理的初級轉(zhuǎn)運系數(shù)及次級轉(zhuǎn)運系數(shù)均大于亞硒酸鹽處理,造成這一現(xiàn)象的主要原因是在植物體內(nèi)轉(zhuǎn)移的硒主要是硒酸鹽形態(tài)[22],說明在滴灌稻田中硒酸鹽有效性高于亞硒酸鹽,且進一步說明施用亞硒酸鹽易積累在水稻根部且不易向地上部轉(zhuǎn)運。

研究表明,在土壤-植物系統(tǒng)中,施硒增加了土壤有效磷、鉀的含量,且會影響土壤酶活性,從而改善植物的養(yǎng)分環(huán)境,最終影響植物的產(chǎn)量[23]。本研究條件下,施硒各處理對水稻的產(chǎn)量及其構(gòu)成的影響未達顯著水平。

4 結(jié)論

1)施入土壤中的硒酸鹽主要以可溶態(tài)硒形式存在,亞硒酸鹽在土壤中主要以可交換態(tài)硒存在,而由于土壤對亞硒酸鹽的吸附大于硒酸鹽,因此,施入土壤中的亞硒酸鹽易由有效態(tài)硒轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定態(tài)硒,因此,造成亞硒酸鹽生物有效性低于硒酸鹽。

2)由于作物對不同價態(tài)硒的吸收及轉(zhuǎn)運機制不同,施用亞硒酸鹽時大部分硒累積在水稻根部,相反硒酸鹽易由水稻地下部轉(zhuǎn)運至地上部,因此,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中建議選用硒酸鹽作為硒肥使用。

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Effects of Selenium Valence on Its Uptake and Translocation in Rice Under Drip Irrigation

ZHAND Dong,SHI Lichao,YE Jun?,HOU Zhen’an,WANG Cunhu,WU Yonghai
(Department of Resources and Environmental Sciences,College of Agronomy,Shihezi University,Shihezi 832003,China;?Corresponding author,E-mail:yejun．shz＠163．com)

【Objective】To lay a theoretical base for the development of selenium-enriched rice,a field plot experiment was performed to study the effects of selenate and selenite on selenium transformation and bioavailability under drip irrigation．【Method】The experiment consisted of two factors:(i)amount of Se fertilizer(0．3,0．6,and 1．2 kg/hm2), (ii)type of Se fertilizer(selenate and selenite)．【Result】The results indicated that selenate application at the level of 1.2 kg/hm2resulted in the highest soluble selenium concentration one day after fertilization(340%higher than control),1．2 kg/hm2selenite application resulted in the highest exchangeable selenium,Fe oxide-bound selenium and organic matter-bound selenium concentrations four days after fertilization(380%,56%,59%higher than control)．It could be seen that selenate mainly existed in soluble form in soil,while selenite could be transformed from the soluble form to other three forms,which decreased its bioavailability．We found that under selenite treatment selenium concentration in leaves and seeds was significantly lower than that under selenate treatment．However,under selenite treatment,the selenium content in root was significantly higher than that under selenate treatment．【Conclusion】The selenium accumulations in shoot and root of rice were significantly higher under selenate treatments than those under the selenite treatments．Compared with the selenate treatment,absorption index,primary transport index and secondary transport index were lower in the selenite treatment．In conclusion,selenite has higher bioavailability than selenite in drip irrigation．

selenite;selenate;rice;bioavailability

S143．7+1;S511.06

A

1001-7216(2017)01-0065-07

2016-04-26;修改稿收到日期:2016-07-12。

國家科技支撐計劃資助項目(2012BAD42B02)。