不同類型土壤對(duì)水稻硅同位素分餾的影響

肖 晗 孫 燕 周靜杰 馬慶旭 謝懿楠吳良?xì)g 胡兆平

(1浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院/教育部環(huán)境修復(fù)與生態(tài)健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310058；2金正大生態(tài)工程集團(tuán)股份有限公司/養(yǎng)分資源高效開(kāi)發(fā)與綜合利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 臨沂 276000；3西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院/省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,陜西西安 710048)

植物通過(guò)吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、沉淀硅(Si)等過(guò)程影響陸地硅的生物地球化學(xué)循環(huán)。 研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)生物體吸收利用硅時(shí),會(huì)產(chǎn)生明顯的硅同位素分餾現(xiàn)象[1-2]。 近年來(lái),隨著硅穩(wěn)定同位素技術(shù)的快速發(fā)展,利用硅同位素特征值研究生物體與環(huán)境之間的硅生物地球化學(xué)循環(huán),已成為人們了解自然規(guī)律的重要手段之一。 通過(guò)研究水稻[3-5]、竹子[6]、香蕉[7-8]、黃瓜[9]、玉米[10]等高等植物硅同位素特征值(δ30Si 值)發(fā)現(xiàn),其體內(nèi)不同器官δ30Si 值表現(xiàn)出規(guī)律性變化,即除根部外,δ30Si 值從基部器官到頂部器官表現(xiàn)出明顯增加的趨勢(shì)。 近年來(lái),硅同位素信號(hào)與環(huán)境因子(尤其是土壤環(huán)境)之間的關(guān)系開(kāi)始引起人們的關(guān)注。 研究表明,對(duì)土壤硅同位素信號(hào)而言,當(dāng)原生礦物發(fā)生風(fēng)化時(shí),輕硅同位素會(huì)優(yōu)先進(jìn)入次生礦物中,導(dǎo)致土壤溶液相對(duì)富集更多的重硅同位素[11-13]；此外,土壤中的鐵、鋁氧化物在吸附硅時(shí)同樣會(huì)優(yōu)先吸附輕硅同位素[13-15]。 研究發(fā)現(xiàn)對(duì)植物硅同位素信號(hào)而言,植株δ30Si 值與土壤可溶性硅δ30Si 值、有機(jī)質(zhì)含量均呈正相關(guān)關(guān)系[6,10],同時(shí)還受到土壤風(fēng)化程度的影響[16]。 上述研究初步揭示了植物體內(nèi)的硅同位素分餾規(guī)律,而關(guān)于在硅同位素發(fā)生沉淀的過(guò)程中,其生長(zhǎng)環(huán)境中的非生物因素(土壤類型、鐵鋁氧化物含量等)發(fā)揮何種作用,以及植物是否與其所生長(zhǎng)的外界環(huán)境中非生物因子之間存在某些定量關(guān)系尚鮮見(jiàn)報(bào)道。

水稻(Oryza sativa)是典型的喜硅植物,其體內(nèi)SiO2含量可達(dá)10%～15%[17],根部硅累積量甚至是N、P、K 等大量元素的數(shù)倍[18-19],因此常作為研究硅營(yíng)養(yǎng)機(jī)理的模式植物。 此外,水稻是世界上最重要的糧食作物之一,種植面積廣泛,其生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)自然界中的硅生物地球化學(xué)循環(huán)有著重要的影響[3,5]。 本試驗(yàn)在土培條件下,研究不同類型土壤對(duì)水稻體內(nèi)硅同位素組成及分餾的影響,以期為利用硅穩(wěn)定同位素技術(shù)探索自然界的硅循環(huán)模式提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試水稻品種：粳稻嘉58,由嘉興市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院提供。

供試土壤：紅壤(red soil,RS)、黑土(black soil,BS)和褐土(cinnamon soil,CS),其中紅壤采自浙江省金華市瑯琊鎮(zhèn)新朱村(29°01′12″ N,119°28′14″ E),黑土采自吉林省長(zhǎng)春市城西鄉(xiāng)躍進(jìn)村(43°57′02″ N,125°12′38″ E),褐土采自山西省長(zhǎng)治市郊區(qū)老頂山鎮(zhèn)關(guān)村(36°13′06″ N,113°08′46″ E),土壤均取自耕作層(0～20 cm)。 土壤采集后去除肉眼可見(jiàn)的石塊、植物根系和土壤動(dòng)物,置于陰涼、通風(fēng)處自然風(fēng)干,過(guò)篩(孔徑2 mm)后用于盆栽試驗(yàn)。 供試土壤基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 不同類型土壤基本理化性質(zhì)Table1 Basic chemical properties of different soil types

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2017年在浙江大學(xué)紫金港校區(qū)日光網(wǎng)室中進(jìn)行。 盆栽試驗(yàn)采用無(wú)蓋圓形膠質(zhì)盆(上口徑28 cm,下口徑19 cm,高22 cm),每個(gè)盆缽裝土6.0 kg,按照N 0.15 g·kg-1(尿素)、P2O50.1 g·kg-1(過(guò)磷酸鈣)、K2O 0.15 g·kg-1(硫酸鉀)施入土壤。 其中,磷、鉀肥全部作為基肥一次性施入,氮肥50%作為基肥施入,另外50%作為穗肥以溶液形式在幼穗分化后期施入土壤。 大田育秧后將水稻幼苗移栽至盆缽,每盆3 穴,每穴3 株,重復(fù)3 次,一盆作為一個(gè)重復(fù),采用隨機(jī)區(qū)組排列。 在水稻成熟期時(shí)采集水稻樣品,每盆隨機(jī)選擇一穴,將水稻按照根、莖、葉、稻殼和糙米分為5 部分,一穴水稻相同器官混為一個(gè)樣品,自來(lái)水洗凈后,用去離子水洗滌3～4 次,105℃殺青30 min,65℃烘干后稱重,磨細(xì)過(guò)篩(100 目)后備用,用于元素測(cè)定分析。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 植物硅含量測(cè)定 稱取0.3 g 植物樣品于瓷坩堝中,550℃灰化3 h,然后用50 mL 0.08 mol·L-1H2SO4溶液將灰分全部洗入100 mL 塑料瓶中,加入2 mL 40%氫氟酸(HF),振蕩1 h 后靜置過(guò)夜。 吸取懸液1 mL 于50 mL 離心管中,用0.32% H3BO3溶液定容至50 mL,取1.5 mL 樣品溶液于10 mL 離心管中,加入1.5 mL 顯色劑(0.08 mol·L-1H2SO4和2%鉬酸銨溶液組成的1 ∶1 混合液),搖勻后靜止5 min,加入1.5 mL 3.3%酒石酸和1.5 mL 0.4%抗壞血酸,搖勻,10 min 后利用TU-1810 紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(北京普儀公司)在811 nm 波長(zhǎng)下測(cè)定吸光值[20],按照公式計(jì)算樣品硅含量(%)：

式中,ρ：從工作曲線上查得SiO2的質(zhì)量濃度,mg·L-1；V：樣品總體積,L；10：換算系數(shù)；m：烘干后樣品質(zhì)量,g。

1.3.2 植物二氧化硅提取 稱取5 mg 樣品與60 ～70 mg NaOH·H2O 混勻,置于7 mL 四氟乙烯—全氟烷氧基乙烯基醚共聚物(PFA)溶樣杯(南京瑞尼克公司)中,200℃高溫熔融3 d。 冷卻后,向PFA 溶樣杯中加入2 mL 超純水置于DB-3 恒溫電熱板(常州普儀公司)上加熱1 ～2 h 使樣品溶解。 若產(chǎn)生褐色沉淀物,將上述溶液及沉淀全部轉(zhuǎn)移至10 mL 離心管中,11 000 r·min-1離心4 min,分離上清液和沉淀物,將沉淀物轉(zhuǎn)移至PFA 溶樣杯中,加入200 μL 7 mol·L-1HNO3,在恒溫電熱板上加熱5～6 h 使其溶解。 選用聚丙乙烯柱作為淋洗柱,填充物為AG50-X8 樹(shù)脂(Bio-Rad 公司,USA)。 首先對(duì)樹(shù)脂進(jìn)行淋洗：依次加入1 mL 8% HF 淋洗1 次,1.5 mL 超純水淋洗3 次,1.5 mL 6～7 mol·L-1HCl 淋洗3 次,1.5 mL 超純水淋洗3 次,重復(fù)HCl-H2O 淋洗過(guò)程3 次。 將上述已消解完全的樣品溶液轉(zhuǎn)移至淋洗柱中,加入超純水,液體收集至15 mL離心管中,用超純水進(jìn)行稀釋使溶液中SiO2的含量約為2 ppm[21-22]。

1.3.3 植物硅同位素組成測(cè)定 將上述提取的水稻SiO2硅同位素組成采用Neptune Plus 多接受等離子體質(zhì)譜儀(Thermo Fisher,Germany)進(jìn)行檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果用δ30Si(‰)相對(duì)于石英砂標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)NBS-28 表示。

式中,R待測(cè)樣品：待測(cè)樣品中重硅同位素與輕硅同位素之間的豐度比,即30Si/28Si；R標(biāo)準(zhǔn)樣品：標(biāo)準(zhǔn)樣品中重硅同位素與輕硅同位素之間的豐度比,標(biāo)準(zhǔn)樣品采用美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局石英砂硅同位素標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)NBS-28。 當(dāng)δ30Si 值為正,說(shuō)明樣品中的重硅同位素含量高于標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)；當(dāng)δ30Si 值為負(fù),說(shuō)明樣品中重硅同位素含量低于標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。 對(duì)于同一體系2 種物質(zhì)A、B 而言,若δA30Si 值在數(shù)值上大于δB30Si 值,表明物質(zhì)A 相對(duì)于物質(zhì)B 重。本試驗(yàn)中測(cè)試所得δ30Si 精度優(yōu)于±0.01%(2σ)。

樣品中的硅同位素組成測(cè)定在北京科薈測(cè)試技術(shù)有限公司進(jìn)行。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 20.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,差異顯著性檢驗(yàn)采用Duncan 新復(fù)極差法(P＜0.05)；相關(guān)性分析采用Pearson 相關(guān)分析；采用Orgin 8.0 軟件進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同類型土壤水稻硅積累

由表2可知,紅壤、黑土、褐土上種植的水稻體內(nèi)各器官硅含量的變化范圍分別為0.18% ～7.61%、0.12%～12.81%、0.13%～19.06%,變化幅度表現(xiàn)為褐土＞黑土＞紅壤,3 種土壤均以稻殼硅含量為最高,葉片次之,其中褐土種植的水稻的硅含量明顯高于黑土和紅壤。 3 種土壤上種植的水稻硅分配比例均以葉片最高,葉片硅分配比例超過(guò)整株的50%,其中褐土種植的水稻葉片的硅分配比例明顯高于黑土和紅壤。

表2 水稻不同器官干重，硅含量、累積量和分配比例Table2 Dry weight， Si concentration， Si accumulation， Si distribution in different organs of rice

2.2 不同土壤類型水稻硅同位素組成

由表3可知,紅壤、黑土、褐土種植的水稻地上部各器官中,δ30Si 值從基部器官到頂部器官呈現(xiàn)出明顯增加的趨勢(shì),糙米最高,莖部最低。 紅壤、黑土和褐土上種植的水稻的各器官之間δ30Si 值的變化幅度不同,變化范圍分別為-2.04‰～0.31‰、-2.21‰～0.96‰、-1.94‰ ～2.14‰,其中褐土最大,變化幅度為4.08‰；黑土次之,變化幅度為3.17‰；紅壤最小,變化幅度僅為2.35‰,表明水稻體內(nèi)硅同位素分餾潛力依次為褐土＞黑土＞紅壤。 3 種土壤種植的水稻整株δ30Si 值存在顯著差異,依次表現(xiàn)為褐土＞黑土＞紅壤。

表3 不同類型土壤水稻不同器官δ30Si 值Table3 The δ30Si value of different organs of rice under different types of soil /‰

2.3 不同類型土壤水稻硅同位素分餾系數(shù)

由圖1可知,紅壤、黑土、褐土種植的水稻體內(nèi)硅同位素分餾系數(shù)αPre-Dsi分別為0.998 8、0.997 8、0.997 5,表明3 種土壤類型中,褐土種植的水稻硅同位素分餾程度最大,黑土次之,紅壤最小。

圖1 SiO2 在水稻各器官沉淀時(shí)Si 同位素分餾曲線Fig.1 A plot displaying the Si isotope fractionation among Si precipitated of different rice organs

2.4 土壤有效硅、水稻硅同位素特征值與土壤理化性質(zhì)之間的相關(guān)性分析

由表4可知,水稻葉片δ30Si 值和整株δ30Si 值與土壤pH 值、有機(jī)質(zhì)及有效硅含量均呈極顯著正相關(guān),與土壤游離氧化鐵、游離氧化鋁含量均呈極顯著負(fù)相關(guān)。 水稻整株δ30Si 值與土壤全氮含量呈顯著正相關(guān)；而水稻葉片δ30Si 值與土壤全氮呈極顯著正相關(guān),與速效鉀含量呈顯著正相關(guān)。 土壤有效硅含量與土壤pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮及速效鉀含量呈極顯著正相關(guān),與堿解氮含量呈顯著正相關(guān),與土壤游離氧化鐵、游離氧化鋁含量呈極顯著負(fù)相關(guān)。

3 討論

3.1 不同土壤類型對(duì)水稻硅同位素分餾的影響

研究發(fā)現(xiàn)植物從土壤中吸收硅元素時(shí),硅在植物體內(nèi)以植硅體的形式存在；而當(dāng)植物凋亡后,會(huì)以枯枝落葉的形式返還到土壤中,其中92.5%的植硅體可以再次被植物吸收利用[23],且植硅體的溶解速率大于土壤中其他硅酸鹽礦物,是土壤中土壤有效硅的主要來(lái)源[24-25],這與本研究結(jié)果相同。 本研究中,整株水稻的δ30Si 值與土壤有效硅之間存在極顯著正相關(guān)關(guān)系,證實(shí)了植硅體可能是植物吸收硅的主要來(lái)源。

表4 土壤有效硅、水稻δ30Si 值與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性Table4 Correlations between available Si of soils， δ30Si values of rice and soil chemical properties

研究表明,水稻體內(nèi)的硅同位素組成變化屬于類似瑞利(Rayleigh)分餾行為[3]。 瑞利分餾模型是指溶液中的H428SiO4優(yōu)先聚合發(fā)生沉淀,沉淀硅的δ30Si 值低于溶液中剩余溶解硅的δ30Si 值,導(dǎo)致反應(yīng)體系中沉淀硅和溶解硅的同位素組成均呈現(xiàn)指數(shù)形式升高的過(guò)程[26-27]。 沉淀硅與溶解硅之間的硅同位素分餾系數(shù)用αPre-Dsi表示,用來(lái)指示沉淀硅同位素比值(RPre)與溶解硅同位素比值(RDSi)之商。 |αPre-Dsi-1|值越大,說(shuō)明沉淀硅同位素與溶解硅同位素之間的質(zhì)量差異越大,硅同位素分餾程度越大。 依據(jù)上述理論,將本試驗(yàn)中紅壤、黑土、褐土上種植的水稻體內(nèi)各器官中δ30Si 值與水稻體內(nèi)沉積硅所占比例進(jìn)行作圖(圖1),結(jié)果表明,紅壤、黑土、褐土種植的水稻體內(nèi)硅同位素分餾程度表現(xiàn)為褐土＞黑土＞紅壤,表明種植于褐土上的水稻體內(nèi)硅同位素分餾效應(yīng)最強(qiáng),黑土次之,紅壤最弱。 本研究還發(fā)現(xiàn)水稻δ30Si 值(整株和葉片)、土壤有效硅含量與土壤有機(jī)質(zhì)含量存在極顯著正相關(guān)關(guān)系,由此推測(cè),褐土種植的水稻體內(nèi)硅同位素分餾程度最大的原因可能與褐土有機(jī)質(zhì)含量較高有關(guān)。 有機(jī)質(zhì)含量越高,表明土壤中植硅體含量可能越高,導(dǎo)致水稻體內(nèi)硅含量越高,水稻體內(nèi)硅同位素分餾效應(yīng)越強(qiáng)。 研究發(fā)現(xiàn)成熟期水稻體內(nèi)硅同位素分餾程度大于開(kāi)花期,推測(cè)可能是由于成熟期水稻個(gè)體更大[28]。 然而,比較竹子和水稻體內(nèi)硅同位素分餾系數(shù)αPre-Dsi時(shí)發(fā)現(xiàn),竹子的個(gè)體雖然遠(yuǎn)大于水稻,但其體內(nèi)的硅同位素分餾程度卻與成熟期水稻接近,表明植物體內(nèi)硅同位素分餾效應(yīng)強(qiáng)弱可能不僅與植株個(gè)體大小有關(guān)[6,28]。 本研究結(jié)果表明,種植于3 種土壤上的水稻干重依次為黑土＞紅壤＞褐土,硅同位素分餾程度依次表現(xiàn)為褐土＞黑土＞紅壤。 由此推測(cè),造成該現(xiàn)象的可能原因是一方面種植于黑土上的水稻干重大于紅壤,表明相對(duì)紅壤,種植于黑土上的水稻植株個(gè)體更大,硅同位素分餾效應(yīng)更強(qiáng)；另一方面褐土有效硅含量高于黑土,且中性土可能比酸性土具有更強(qiáng)的供硅能力[29],導(dǎo)致種植于褐土上的水稻體內(nèi)硅含量高于黑土,進(jìn)而導(dǎo)致種植于褐土上的水稻體內(nèi)硅同位素分餾效應(yīng)強(qiáng)于黑土。 本研究結(jié)果表明,紅壤種植的水稻體內(nèi)硅同位素的分餾程度最小,可能是由于紅壤采自南方,土壤風(fēng)化程度較高,一方面土壤有機(jī)質(zhì)含量較低[30-31],使得土壤中植硅體的含量可能較少；另一方面脫硅富鐵鋁化作用強(qiáng)烈,降低了土壤溶液中硅含量,導(dǎo)致土壤有效硅含量低,不利于硅同位素在水稻體內(nèi)的分餾。

3.2 不同土壤類型對(duì)水稻硅同位素組成的影響

土壤有效硅是指土壤中可供當(dāng)季作物吸收利用的硅,通常作為土壤供硅能力的重要指標(biāo)[32]。 葉片是水稻主要的硅累積器官。 本研究中,葉片SiO2累積量超過(guò)水稻整株的50%,故將土壤有效硅、水稻δ30Si 值(整株和葉片)與土壤理化性質(zhì)進(jìn)行相關(guān)性分析,以研究不同類型土壤對(duì)水稻硅同位素特征值的影響。 本研究發(fā)現(xiàn)土壤有效硅、水稻δ30Si 值(整株和葉片)與土壤pH 值呈極顯著正相關(guān),可能是由于在酸性、中性和微堿性環(huán)境下,土壤有效硅含量與pH 值呈正相關(guān)[33],且中性水田土壤的供硅能力強(qiáng)于酸性土[30]。本研究結(jié)果表明,水稻δ30Si 值(整株和葉片)與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,這可能是由于土壤有機(jī)質(zhì)含量越高,土壤中植硅體含量越高[6]。 本研究中,在采集野外土壤前,黑土和褐土中種植的作物均為玉米,一方面,玉米從土壤溶液中吸收硅時(shí)會(huì)優(yōu)先選擇輕硅同位素,使土壤溶液相對(duì)富集重硅同位素[10]；另一方面,在我國(guó)玉米生產(chǎn)中,玉米被收獲后,秸稈大多數(shù)會(huì)被移走,直接還田的比例較少。 據(jù)報(bào)道,2010年我國(guó)玉米秸稈產(chǎn)量約22 156 萬(wàn)t,而直接還田的比例僅占玉米秸稈資源總量的17.6%[34],使得土壤中被玉米吸收所消耗掉的輕硅同位素?zé)o法完全得到補(bǔ)充,導(dǎo)致土壤溶液中的δ30Si 值進(jìn)一步升高,而土壤溶液中的硅又是植物吸收硅的主要來(lái)源,因此導(dǎo)致植株δ30Si 值升高[35]。 此外,本研究還發(fā)現(xiàn),黑土中游離氧化鐵和游離氧化鋁的含量均低于褐土,黑土栽培的水稻δ30Si值(整株和葉片)亦低于褐土,原因可能是在一定范圍內(nèi),土壤風(fēng)化程度越高,土壤中鐵、鋁氧化物的含量越高,吸附土壤中的有效硅含量就越多[16],且會(huì)優(yōu)先吸附輕硅同位素,導(dǎo)致土壤溶液相對(duì)富集重硅同位素[13],最終導(dǎo)致水稻體內(nèi)δ30Si 值的升高。 但也有研究表明,土壤溶液中的硅酸可以從鐵、鋁氧化物表面被解吸后得到補(bǔ)充。 Ding 等[36-37]研究發(fā)現(xiàn)黃河水和長(zhǎng)江水硅同位素組成存在差異的原因之一可能是長(zhǎng)江流域紅壤中鐵氧化物對(duì)硅酸的吸附—解吸作用更強(qiáng)烈。本研究中,土壤有效硅含量、水稻δ30Si 值(葉片和整株)與土壤游離氧化鐵、游離氧化鋁含量均存在顯著負(fù)相關(guān),推測(cè)原因主要有：一是,紅壤風(fēng)化程度高,脫硅富鐵鋁化作用強(qiáng),導(dǎo)致大量硅損失,土壤有效硅含量較低；二是,紅壤排水性能較差,含水量較高,土壤溶液中的鐵、鋁氧化物對(duì)硅酸的吸附—解吸作用強(qiáng)烈；三是,紅壤此前從未種植過(guò)任何作物,有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)較低,但紅壤游離氧化鐵、氧化鋁含量一般較高。 然而,關(guān)于土壤中游離鐵、鋁氧化物對(duì)硅的吸附—解吸過(guò)程具體機(jī)理仍缺乏明確的認(rèn)識(shí),且本研究?jī)H選取了3 種土壤,土壤類型偏少,今后還需選取更多類型的土壤進(jìn)行深入研究。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明,紅壤、黑土和褐土栽培的水稻體內(nèi)硅同位素分餾潛力和分餾程度均表現(xiàn)為褐土＞黑土＞紅壤,水稻硅同位素信號(hào)主要受土壤pH 值、有機(jī)質(zhì)、有效硅、游離氧化鐵和游離氧化鋁含量的影響。 本研究初步探明了水稻體內(nèi)硅同位素組成及分餾與紅壤、黑土及褐土之間的關(guān)系,為進(jìn)一步研究植物體內(nèi)硅同位素信號(hào)與土壤環(huán)境之間的關(guān)系奠定了良好基礎(chǔ)。 今后可集中于土壤類型和植物類型選擇的多樣化、植物與土壤之間的硅同位素分餾機(jī)理等方面深入研究,進(jìn)一步尋找植物與不同生長(zhǎng)環(huán)境之間硅同位素分餾的定量關(guān)系,構(gòu)建植物-土壤硅同位素分餾模型,為研究區(qū)域性和全球性的硅生物地球化學(xué)循環(huán)提供試驗(yàn)證據(jù)。