水分管理對水稻籽粒硒積累及根際土壤細菌群落多樣性的影響*

王瑞昕，楊 靜，方 正，張思宇，周鑫斌

水分管理對水稻籽粒硒積累及根際土壤細菌群落多樣性的影響*

王瑞昕，楊 靜，方 正，張思宇，周鑫斌??

（西南大學資源環(huán)境學院，重慶 400716）

采用盆栽試驗方法，研究不同水分管理方式對水稻根際土壤硒組分、籽粒硒積累以及根際土壤細菌群落多樣性的影響。結(jié)果表明：在水稻的各生育期，好氧和干濕交替較淹水灌溉一定程度上提高了土壤pH和氧化還原電位（Eh），土壤水溶態(tài)和可交換態(tài)硒含量增加，從而提高了土壤硒的有效性。水稻成熟后，不同部位的含硒量由高到低依次為根（1.38～2.22 mg·kg–1）、葉（0.55～0.85 mg·kg–1）、莖（0.53～0.61 mg·kg–1）和籽粒（0.15～0.53 mg·kg–1）。水稻籽粒含硒量以干濕交替灌溉最高，淹水灌溉最低，二者含硒量差異達顯著水平。干濕交替灌溉的水稻產(chǎn)量顯著高于常規(guī)淹水灌溉，且較淹水灌溉提高了7.83%，較好氧灌溉提高13.51%。水稻根際土壤優(yōu)勢菌為變形菌門、綠彎菌門、擬桿菌門、酸桿菌門、Patescibacteria和芽單胞菌門，變形菌門是不同水分管理方式下水稻根際土壤中豐度最高的細菌，水分管理措施顯著影響其豐富度，干濕交替和好氧灌溉中變形菌門的豐富度明顯高于淹水灌溉。從綱水平看，Gammaproteobacteria的豐度與土壤有效硒含量呈正相關(guān)，故Gammaproteobacteria豐度的增加可能是土壤硒生物有效性增加的另一個重要原因。綜上，干濕交替灌溉不但能提高水稻產(chǎn)量和稻米硒含量，且較正常淹水管理節(jié)約用水，在水稻生產(chǎn)中，是一種優(yōu)先推薦的水分管理方法。

水稻；硒；干濕交替；根際土壤；細菌多樣性

硒是人體必需的微量營養(yǎng)元素，人體硒攝入不足會導致一系列健康問題，諸如免疫力低下、生育能力降低和增加癌癥患病風險[1]。通過主食稻米來增加人體硒攝入是一條非常理想的途徑，然而75%的水稻樣品不能夠滿足人類日常硒需求[2]。葉面噴硒可增加水稻籽粒硒含量，但長期噴硒不僅加大生產(chǎn)成本，還可能造成局部環(huán)境污染，過量易對人體健康造成毒害[3]。如能通過合理的農(nóng)藝措施來調(diào)控土壤硒的生物有效性，增加水稻可食部分的硒含量，從而增加人類硒攝入，是硒生物強化最理想的策略，是從源頭上調(diào)控硒營養(yǎng)的根本出路。

土壤硒生物地球化學循環(huán)由化學轉(zhuǎn)化過程和生物轉(zhuǎn)化過程共同參與。土壤氧化還原電位（Eh）和酸堿度（pH）對土壤硒形態(tài)的化學轉(zhuǎn)化起著主要作用[4]，而水分管理措施很大程度上影響著稻田土壤Eh和pH，最終控制著稻田硒的生物有效性[5]。在好氧的中性至堿性土壤環(huán)境中，硒主要以硒酸鹽形態(tài)存在；在厭氧的土壤環(huán)境中，主要以亞硒酸鹽形態(tài)存在。在酸性條件下，元素硒和硒化物則是主要的存在形態(tài)[6]。不同形態(tài)硒的生物有效性不同，硒酸鹽和亞硒酸鹽是水溶性的，其中硒酸鹽不能被土壤吸附，而亞硒酸鹽可被土壤固相中鐵錳氧化物或水化物牢牢吸附，導致溶解性降低[7]，所以硒酸鹽較亞硒酸鹽具有更高的植物可利用性。因此，科研人員試圖發(fā)現(xiàn)一個經(jīng)濟有效的稻田水分管理方法來增加水稻籽粒硒含量。研究表明，旱作較淹水栽培的土壤孔隙水中硒濃度更高，進而增加了水稻籽粒硒含量[8]。另一方面，硒的微生物轉(zhuǎn)化是將硒從一種形態(tài)變?yōu)榱硪环N形態(tài)的驅(qū)動力，近年來的研究表明，微生物能夠還原Se（Ⅳ）、Se（Ⅵ）→Se（0）[9]，該過程可能降低了硒的生物有效性；而微生物對硒的氧化作用Se（0）→Se（Ⅳ）、Se（Ⅵ）報道較少，該過程有望增加硒的生物有效性。然而，到目前為止，稻田水分管理方式和根域相對微氧環(huán)境對土壤硒生物有效性及根際微生物對稻田硒循環(huán)的重要作用機制尚未闡明。

近年來，各地研制并推廣了多種水分管理模式（如干濕交替、好氧灌溉），不僅能夠減少灌溉用水量，而且是保證水稻高產(chǎn)高效的重要措施[10]。水分管理很大程度上影響著稻田土壤的氧化還原電位和酸堿度，進而控制著稻田硒的化學轉(zhuǎn)化以及微生物轉(zhuǎn)化過程，最終影響水稻籽粒硒積累。基于以上背景，研究不同水分管理模式下水稻根際土壤中硒的形態(tài)轉(zhuǎn)化規(guī)律、水稻籽粒硒積累、水稻根際土壤細菌群落多樣性三者間的關(guān)系，揭示水分管理影響水稻吸收積累硒的作用機制，為從源頭上、生產(chǎn)上有效調(diào)控硒由稻田向農(nóng)產(chǎn)品傳遞以及滿足人類硒營養(yǎng)健康具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試水稻品種為晶兩優(yōu)534。供試土壤采自重慶市北碚區(qū)西南大學試驗農(nóng)場，采用多點取樣法采集20～30 cm土層，土壤類型為普通紫色濕潤雛形土（中性紫色土），其基本理化性質(zhì)如下：pH 6.8，有機質(zhì)10.14 g·kg–1，堿解氮73.56 mg·kg–1，有效磷15.32 mg·kg–1，速效鉀171.3 mg·kg–1，全硒0.27 mg·kg–1。供試土壤經(jīng)自然風干后磨碎過篩，充分混勻用于盆栽試驗。

1.2 試驗設(shè)計

本試驗在西南大學資源環(huán)境學院植物營養(yǎng)學植物培養(yǎng)室內(nèi)進行（白天光照時間14 h，光強度260～350 μmol·m–2·s–1，白天溫度28℃，夜晚溫度20℃，相對濕度60%～70%）。盆栽試驗所用的培養(yǎng)缽為聚乙烯盆（直徑24 cm，高30 cm），每盆裝土9 kg。2019年6月5日施基肥，肥料用量分別為N 300 mg·kg–1，P2O5100 mg·kg–1，K2O 300 mg·kg–1，分別以尿素、過磷酸鈣和硫酸鉀作為肥源，同時所有處理添加亞硒酸鈉1.00 mg·kg–1與土壤充分混勻，加水平衡一周后進行水稻移栽，移栽60 d后進行追肥，追施尿素0.3 g·kg–1，硫酸鉀0.05 g·kg–1，每盆根際袋內(nèi)移栽2株，水稻移栽后即進行不同水分管理處理。本試驗設(shè)置3種水分管理處理，（1）淹水灌溉F（長期淹水，保持水層2 cm至作物收獲前2周）；（2）好氧灌溉A（長期保持土壤濕潤，無明顯積水）；（3）干濕交替灌溉AFA（淹水與灌溉交替進行，24 d為一個周期），每個處理重復3次。

1.3 樣品采集與分析

自水稻移栽20 d后，每隔12天測定一次土壤pH、Eh：使用pH、Eh計測定[11]。

分別在水稻的分蘗期（40 d）、抽穗期（60 d）和成熟期（110 d）取根際袋內(nèi)的土壤，風干后過0.149 mm篩待用。測定土壤中不同硒形態(tài)的含量，分級提取依據(jù)瞿建國等[12]的逐級連續(xù)浸提方法。提取之后，各形態(tài)提取液需在95℃、6 mol·L–1鹽酸介質(zhì)中還原15 min后用原子熒光光譜儀（AFS，AFS-920，北京吉天儀器有限公司）測定。

成熟期測定水稻根、莖、葉、籽粒中的硒含量：各部位進行分別粉碎，樣品用HNO3︰HClO4（4︰1）混合消煮，消化同Zhang等[13]的方法。消化待測液采用原子熒光光譜儀（AFS，AFS-920，北京吉天儀器有限公司）進行測定?？瞻讟悠吠瑫r進行消化，硒回收率為95%～105%。

收獲后測定水稻株高、有效穗數(shù)以及產(chǎn)量。

1.4 土壤微生物多樣性分析

水稻收獲前，取根際袋中的鮮土用于土壤微生物多樣性測定。1）DNA 抽提和PCR擴增：水稻根際土壤總DNA的抽提使用E.Z.N.A.?soil試劑盒（Omega Bio-tek，Norcross，GA，美國），該試劑盒可快速（60 min內(nèi)可處理1 g土壤）可靠地從各種土壤樣本中分離出高質(zhì)量的基因組DNA。用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測DNA提取質(zhì)量后，用338F（5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3′）和806R（5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′）引物對V3～V4可變區(qū)進行PCR擴增，擴增程序為：95℃預變性3 min，27個循環(huán)（95℃變性30 s，55℃退火30 s，72℃延伸30 s），最后72℃延伸 10 min（PCR儀：ABI GeneAmp?9700型）。2）Illumina Miseq 測序：使用2%瓊脂糖凝膠回收PCR產(chǎn)物，純化后洗脫檢測。根據(jù)Illumina MiSeq 平臺（Illumina，San Diego，美國）標準操作規(guī)程構(gòu)建文庫，利用Illumina公司的Miseq PE300平臺進行測序（上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司）。Miseq測序得到的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過拼接質(zhì)控后得到優(yōu)化數(shù)據(jù)，區(qū)分樣本后進行OTU（Operational taxonomic unit，操作分類單元）聚類分析和物種分類學分析，可以對OTU進行多種多樣性指數(shù)分析，以及在各個分類水平上進行群落結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計分析，進而完成樣本群落組成和系統(tǒng)發(fā)育信息的多元分析和差異顯著性檢驗等一系列深入的統(tǒng)計學和可視化分析。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2007軟件整理數(shù)據(jù)后，用SPSS 18.0 軟件進行數(shù)據(jù)的方差分析，用鄧肯（Duncan）檢驗法進行差異顯著性比較。應用Mothur軟件根據(jù)97%序列的相似度，將序列歸為多個OTU并生成稀釋曲線，計算覆蓋率（Coverage）、超（Chao）、香農(nóng)（Shannon）、香農(nóng)埃文（Shannoneven）指數(shù)。有關(guān)指數(shù)的算法如下[14-16]：

式中，、chao、shannon、shannon分別表示覆蓋率、超、香農(nóng)、香農(nóng)埃文指數(shù)。1為僅含有一條序列的OTU數(shù)目；2為僅含有兩條序列的OTU數(shù)目；n為第個OTU所含的序列數(shù)；obs為實際觀測到的OTU數(shù)；為抽樣中出現(xiàn)的總序列數(shù)目；max為在物種豐富度相同時能夠達到的最大香農(nóng)指數(shù)；為群落物種豐富度指數(shù)；通常使用2、e等作為底數(shù)。

2 結(jié) 果

2.1 水分管理對土壤pH和Eh的影響

水稻移栽40 d后，每隔12天測定一次水稻土壤的pH、Eh。如圖1所示，好氧和干濕交替灌溉較淹水灌溉一定程度上提高了土壤pH，且隨著處理時間的延長，好氧灌溉的土壤pH呈現(xiàn)小幅度的升高后降低的趨勢，總體變化幅度不大。在整個水稻生育期，淹水（6.50～6.73）和干濕交替灌溉（6.68～6.83）的土壤pH呈現(xiàn)弱酸性，好氧灌溉（7.19～7.28）的土壤則接近中性。

對于土壤Eh而言，淹水和干濕交替灌溉在不同生育時期均顯著低于好氧灌溉（<0.05）。淹水灌溉的土壤處于還原狀態(tài)，氧化還原電位處于–203～–261 mV，在移栽88 d之前變化幅度不大，88 d之后土壤Eh上升，這是由于在水稻收獲前曬田，使得土壤含水量下降所致。干濕交替的土壤氧化還原電位隨著水分管理方式的變化而改變，好氧灌溉的水稻土壤處于氧化狀態(tài)，土壤Eh的變化范圍為163～253 mV，隨著處理時間的延長，土壤Eh有所下降。

2.2 水分管理對土壤硒組分含量變化的影響

通過逐級連續(xù)浸提的方法測定了水稻根際土壤中不同形態(tài)硒含量，結(jié)果表明，不同形態(tài)硒含量由高到低依次為F5（殘渣態(tài)）、F3（酸溶態(tài)）、F4（有機物結(jié)合態(tài)）、F2（可交換態(tài)）和F1（水溶態(tài)）。其中，殘渣態(tài)占土壤全硒含量的52.11%～59.50%；酸溶態(tài)硒占土壤全硒含量的13.36%～16.12%；有機物結(jié)合態(tài)硒（包括碳酸鹽以及鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)）占土壤全硒含量的11.73%～13.63%；可交換態(tài)硒占根際土壤全硒含量的10.01%～14.76%；水溶態(tài)硒含量最低，占土壤全硒含量的1.65%～7.28%（圖2）。

在水稻分蘗期、抽穗期、成熟期，水稻根際土壤水溶態(tài)硒、可交換態(tài)硒含量呈現(xiàn)A>AFA>F處理的趨勢，酸溶態(tài)硒、有機物結(jié)合態(tài)硒、殘渣態(tài)硒含量呈現(xiàn)F>AFA>A的趨勢。即好氧和干濕交替處理下，土壤有效態(tài)硒含量高于淹水處理。

2.3 水分管理對水稻各器官硒含量變化的影響

從圖3中可以看出，不同水分管理條件下水稻各器官的硒含量由高到低依次為根（1.38～2.22 mg·kg–1）、葉（0.55～0.85 mg·kg–1）、莖（0.53～0.61 mg·kg–1）、籽粒（0.15～0.53 mg·kg–1）。其中，水稻根中硒含量為水稻葉硒含量的2.26倍～2.59倍，是水稻莖的2.56倍～3.63倍，是水稻籽粒的4.21倍～9.01倍。A處理的水稻根中硒濃度最低，分別較F、AFA處理低38.33%、60.62%（<0.05）。三種不同水分管理條件對成熟期水稻莖中硒濃度的影響不顯著，好氧灌溉下的水稻葉硒含量顯著低于其他兩種處理。干濕交替灌溉的水稻籽粒硒含量最高，且顯著高于淹水灌溉，好氧灌溉的水稻籽粒硒含量較淹水高出0.16 mg·kg–1。

2.4 水分管理對水稻各器官硒轉(zhuǎn)移系數(shù)的影響

圖4呈現(xiàn)出不同水分管理條件對水稻硒轉(zhuǎn)移系數(shù)的影響，TCS/R、TCL/S、TCG/L分別表示水稻莖/根、葉/莖、籽粒/葉中硒濃度的比值，反映出水稻硒在各器官中的轉(zhuǎn)移狀況。在水稻成熟期，好氧灌溉的TCS/R最高（0.39），顯著高于淹水（0.29）及干濕交替（0.28）處理。好氧灌溉下處理水稻硒由莖向葉的轉(zhuǎn)移系數(shù)顯著低于其他處理，淹水灌溉下水稻硒由葉到籽粒的轉(zhuǎn)移系數(shù)顯著低于其他兩處理（圖4），且分別較干濕交替、好氧灌溉低70.55%、67.94%。

2.5 水分管理對水稻產(chǎn)量的影響

水稻收獲時期，三個處理之間的株高差異不顯著。干濕交替灌溉的水稻有效穗數(shù)最多，且顯著高于好氧灌溉，分別較好氧、淹水灌溉高出38.10%、19.05%。干濕交替灌溉產(chǎn)量顯著高于好氧灌溉，且較常規(guī)淹水灌溉提高了7.83%，較好氧灌溉提高13.51%（表1）。

表1 不同水分管理下的水稻產(chǎn)量

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標準誤差。同列不同小寫字母表示處理間差異顯著（<0.05）。下同。Note：The data in the table are of mean± standard deviation. Different lowercase letters in the same column indicate significant difference between treatments at<0.05. The same below.

2.6 水分管理對水稻根際土壤細菌α多樣性的影響

稀釋曲線可用來比較測序數(shù)據(jù)量不同的樣本中物種的豐富度、均一性或多樣性，也可用來說明樣本的測序數(shù)據(jù)量是否合理。如圖5所示，隨著取樣數(shù)的增加，稀釋曲線逐漸趨于平穩(wěn)，OTU數(shù)目逐漸飽和，說明本試驗取樣合理，樣本數(shù)足夠大且能夠較為全面地反映出水稻根際土壤細菌群落狀況。

經(jīng)過Mothur軟件分析，在OTU相似水平為0.97的情況下得到能夠反映水稻根際土壤細菌α多樣性的指數(shù)，包括覆蓋率、超、香農(nóng)、香農(nóng)埃文指數(shù)。不同水分管理措施下，土壤細菌群落覆蓋率指數(shù)之間無顯著差異，即水分管理對細菌群落的覆蓋度不產(chǎn)生明顯影響。土壤菌群豐富度表現(xiàn)為F（4 556）>AFA（4 140）>A（3 761），三者之間存在顯著性差異，淹水處理下的根際土壤細菌豐富度最高。對于土壤細菌多樣性而言，淹水處理的香農(nóng)指數(shù)顯著高于其他兩處理，分別較A、AFA處理高出9.20%、3.14%。淹水處理的土壤菌群均勻度（0.847）最好，顯著高于好氧處理（0.803），干濕交替處理處于中間水平，但與淹水處理之間差異未達顯著水平（表2）。對于土壤細菌群落覆蓋度、多樣性、豐富度和均勻度而言，均呈現(xiàn)F>AFA>A的規(guī)律，即土壤由淹水變?yōu)闈駶櫊顟B(tài)時，水稻根際土壤細菌α多樣性呈下降趨勢。

表2 不同水分管理條件下水稻根際土壤細菌多樣性指數(shù)

2.7 水分管理對水稻根際土壤細菌群落結(jié)構(gòu)多樣性的影響

不同水分管理對細菌在門水平上的物種組成影響如圖6所示，好氧灌溉下的根際土壤優(yōu)勢菌為變形菌門（41.27%～48.18%）、綠彎菌門（8.49%～10.84%）、擬桿菌門（8.23%～10.81%）、酸桿菌門（8.09%～8.20%）、Patescibacteria（5.72%～8.96%）、芽單胞菌門（6.20%～8.46%）6種細菌，占總菌數(shù)的88.71%～90.35%。干濕交替灌溉下的根際土壤優(yōu)勢菌為變形菌門（39.54%～46.41%）、綠彎菌門

（10.45%～14.76%）、擬桿菌門（8.10%～9.63%）、酸桿菌（8.26%～10.01%）、Patescibacteria（6.15%～6.73%）、芽單胞菌門（3.46%～5.12%）、放線菌門（2.83%～4.05%）、厚壁菌門（2.36%～3.54%）8種細菌，占總菌數(shù)的89.97%～91.73%。淹水灌溉下的根際土壤優(yōu)勢菌為變形菌門（35.02%～43.73%）、綠彎菌門（9.98%～15.21%）、擬桿菌門（10.01%～10.77%）、酸桿菌門（6.41%～9.62%）、Patescibacteria（4.91%～7.59%）、芽單胞菌門（2.54%～3.60%）、放線菌門（2.77%～4.80%）、厚壁菌門（2.80%～3.81%）8種細菌，占總菌數(shù)的87.00%～88.03%。

如圖7所示，對A、AFA、F三種不同水分管理方式下根際土壤樣本進行優(yōu)勢屬的組間差異顯著性檢驗分析，結(jié)果表明在屬水平，A處理下豐度最高，AFA處理次之，F(xiàn)處理最低，三者間存在顯著差異（<0.05）。的豐度在AFA處理下最高，F(xiàn)處理下最低。A處理下，豐度顯著高于其他兩處理。豐度在A處理下最高，F(xiàn)處理下豐度最低，且差異達極顯著水平（<0.01）。在A處理下豐度最低，豐度在F處理下顯著低于其他處理，豐度在F處理時最低，且與其他兩處理之間存在極顯著差異。

水稻根際土壤豐度前5位的細菌菌綱與不同硒形態(tài)的環(huán)境因子關(guān)聯(lián)分析如圖8所示，圖中不同菌綱以實線表示，虛線表示土壤Eh、pH以及不同土壤硒形態(tài)，環(huán)境因子箭頭間的夾角代表正（銳角）、負相關(guān)性（鈍角）。結(jié)果表明，土壤Eh、pH與土壤中有效態(tài)硒（水溶態(tài)、可交換態(tài)硒）含量呈顯著正相關(guān)，且對于物種數(shù)據(jù)的影響程度（解釋量）較大。土壤中豐度最高的Gammaproteobacteria與土壤Eh、pH以及水溶態(tài)、可交換態(tài)、酸溶態(tài)硒濃度呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，與有機物結(jié)合態(tài)、殘渣態(tài)硒含量呈負相關(guān)。Deltaproteobacteria、Anaerolineae、Alphaproteobacteria、Bacteroidia豐度與土壤有機物結(jié)合態(tài)、殘渣態(tài)硒含量呈正相關(guān)，與土壤Eh、pH以及土壤水溶態(tài)、可交換態(tài)、酸溶態(tài)硒含量呈負相關(guān)。

3 討 論

3.1 水分管理方式對水稻根際土壤硒形態(tài)和籽粒硒積累的影響

土壤Eh和pH是影響稻田土壤硒有效性的關(guān)鍵因子[4]。在好氧和干濕交替灌溉下，土壤Eh和pH要高于淹水灌溉（圖1）。化學純培養(yǎng)體系得出，在酸性及還原條件下（7.5 < pE+ pH < 15，pE表示電子活度），亞硒酸鹽是土壤中硒主要的存在形態(tài)，土壤中的鐵氧化物和氫氧化物對亞硒酸鹽有很強的吸附作用，降低其在土壤溶液中的濃度進而影響亞硒酸鹽的生物有效性[17]；在堿性和氧化環(huán)境中（pE + pH >15），硒酸鹽是土壤中硒的主要存在形態(tài)[4]，且不易被土壤膠體吸附，所以，硒酸鹽較亞硒酸鹽具有更高的植物有效性[7]；在強還原條件下，硒還可能轉(zhuǎn)化為Se（-Ⅱ，0），這兩種硒形態(tài)不溶于水，所以對植物而言是無效的?？茖W家在含硒量較高的淹水沉積物中發(fā)現(xiàn)，當亞鐵氧化成三價鐵之后，Se（-Ⅱ，0）可部分轉(zhuǎn)化為Se（Ⅳ），當氧化還原電位超過200 mV時，亞硒酸鹽可緩慢氧化為硒酸鹽[4，18]。因此，土壤中硒的存在形態(tài)很大程度上取決于土壤氧化還原條件以及酸堿度，不同形態(tài)的硒可在微生物、土壤腐殖化、氧化還原作用下進行轉(zhuǎn)化，最終在土壤中維持一個相對平衡的狀態(tài)。

本試驗中，不同形態(tài)硒含量由高到低依次為：殘渣態(tài)（52.11%～59.50%）、酸溶態(tài)（13.36%～16.12%）、有機物結(jié)合態(tài)（包括碳酸鹽以及鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)）（11.73%～13.63%）、可交換態(tài)（10.01%～14.76%）和水溶態(tài)（1.65%～7.28%），這與先前的研究[19-20]一致。好氧和干濕交替處理下土壤有效態(tài)硒（水溶態(tài)和可交換態(tài)硒）含量高于淹水處理，而淹水處理的酸溶態(tài)硒、有機物結(jié)合態(tài)硒、殘渣態(tài)硒含量則升高（圖2），說明淹水條件下土壤硒的生物有效性較低，這與先前的研究[8，21-22]一致。

在淹水條件下，稻田土壤長期處于還原狀態(tài)，土壤中高價態(tài)硒可被還原為Se（0，Ⅱ-），可溶性和可交換態(tài)硒逐漸轉(zhuǎn)化為結(jié)合態(tài)、殘渣態(tài)硒[4]。另一方面，長期的淹水處理使水稻形成了發(fā)達的通氣組織[23]，在通氣組織的作用下，水稻根際處于一種相對氧化的狀態(tài)，根際土壤溶液中的Fe2+、Mn2+被固定于根表形成鐵膜，將土壤中的硒更多地固定在水稻根表鐵膜中，降低其有效性[24]。綜上所述，淹水灌溉相較干濕交替、好氧灌溉而言，土壤硒的生物有效性較低（圖8）。

就水稻籽粒硒含量而言，以干濕交替處理最高，表現(xiàn)為AFA>A>F的趨勢（圖3），這說明，土壤中水溶態(tài)硒和可交換態(tài)硒含量越高，則土壤硒生物有效性越高，相應地提高了水稻籽粒中硒含量。本研究結(jié)果與Li等[8]的相同，土壤中添加亞硒酸鈉和硒酸鈉后，好氧灌溉處理的籽粒硒含量分別為淹水處理的2倍和25倍，可見好氧栽培可使水稻籽粒中積累更多硒。此外，本研究發(fā)現(xiàn)，三種水分管理中，干濕交替灌溉的水稻產(chǎn)量最高（表1），這與張慎鳳[25]的研究結(jié)果一致，且干濕交替灌溉可顯著提高稻米出糙率、精米率、透明度、淀粉黏滯譜的最高黏度和崩解值等稻米品質(zhì)指標。連同本研究結(jié)果，干濕交替灌溉可顯著提高稻米硒含量（圖3），在水稻生產(chǎn)中，可通過控制土壤水的落干程度，可以獲得高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、節(jié)水的效果。但特別需要注意的是，干濕交替灌溉必須采取輕干濕交替灌溉（自然落干至土壤水勢-15 kPa）方可顯著提高產(chǎn)量，如果是重干濕交替灌溉（自然落干至土壤水勢-30 kPa）則降低了產(chǎn)量和品質(zhì)。

3.2 不同水分管理方式下水稻根際土壤細菌區(qū)系和活性與水稻硒吸收的關(guān)系

土壤硒微生物轉(zhuǎn)化也是硒生物地球化學循環(huán)的一個重要過程。本研究的高通量測序結(jié)果表明，水稻根際土壤優(yōu)勢菌為變形菌門、綠彎菌門、擬桿菌門、酸桿菌門、Patescibacteria、芽單胞菌門等，這些菌群也常被認為是稻田土壤中常見的優(yōu)勢微生物[26]，不同水分管理顯著影響著上述菌群的豐度（圖6）。變形菌門是不同水分管理方式下水稻根際土壤中豐度最高的細菌，有研究表明，變形菌門中Alphaproteobacteria是一類具有多種生理特性的有機體，它與木質(zhì)素、芳香化合物的降解有關(guān)[27]。Betaproteobacteria與土壤凈碳礦化率呈正相關(guān)，同時對土壤氮素循環(huán)起到關(guān)鍵作用[26]。Gammaproteobacteria能參與土壤固氮、溶磷過程，對植物根際鐵載體的形成有促進作用[28]。Deltaproteobacteria（由、、、、、組成）被證明在水稻生態(tài)系統(tǒng)中參與還原Fe、S化合物[29-30]。就屬水平而言，干濕交替和好氧灌溉中的細菌屬、、、、、等顯著高于淹水灌溉（圖7），而目前尚未見報道上述菌屬是否參與土壤硒的生物轉(zhuǎn)化以及Fe或S的氧化還原反應，有待進一步驗證。

變形菌門是本試驗土壤中豐度最高的菌門，且Gammaproteobacteria豐度與土壤pH、Eh以及有效硒（水溶態(tài)、可交換態(tài)硒）含量之間呈顯著正相關(guān)（圖8），即干濕交替以及好氧灌溉下Gammaproteobacteria豐度的增加在一定意義上提高了土壤硒的生物有效性。有證據(jù)證明，Gammaproteobacteria可產(chǎn)生的根際鐵載體能與土壤中的金屬離子結(jié)合形成可溶性的金屬螯合物從而提高硒的生物有效性[31]。也有研究表明，添加高產(chǎn)鐵載體根際菌后，土壤中水溶態(tài)硒含量提高了2.50倍～7.85倍[32]，即變形菌所產(chǎn)生的根際鐵載體通過螯合作用，使鐵氧化物釋放出硒，這也可能是干濕交替和好氧灌溉較淹水灌溉的土壤有效硒含量較高的原因。與變形菌門相比，其他菌門不直接參與鐵和硫的氧化還原過程，如綠彎菌門是一類生長在極端環(huán)境中，可參與土壤碳、氮循環(huán)的菌群[33]。擬桿菌門主要作用是水解和分解大分子物質(zhì)如纖維素和半纖維素[34]。芽單胞菌門、酸桿菌門被認為是寡營養(yǎng)細菌（Oligotrophic bacteria）中的一員，在貧營養(yǎng)條件下能夠分解復雜的土壤基質(zhì)[35]。本研究也發(fā)現(xiàn)，不同水分管理條件對以上菌門（除變形菌門外）無顯著的影響（圖6）。

4 結(jié) 論

在整個水稻生育期內(nèi)，干濕交替和好氧灌溉的土壤pH、Eh較淹水灌溉高，使得土壤有效態(tài)硒含量（水溶態(tài)硒和可交換態(tài)硒之和）高于淹水灌溉，從而增加了土壤硒的化學有效性。干濕交替的水分管理方式，既能達到節(jié)水的目的，而且可以顯著增加水稻籽粒硒含量。通過對根際土壤細菌多樣性進行分析，發(fā)現(xiàn)變形菌門是不同水分管理方式下水稻根際土壤中豐度最高的細菌，水分管理措施對其豐富度產(chǎn)生影響，干濕交替和好氧灌溉中變形菌門的豐度明顯高于淹水處理，且Gammaproteobacteria豐度的增加可能是土壤硒生物有效性增加的另一個重要原因。

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Effects of Water Management on Selenium Accumulation in Rice Grains and Bacterial Community Diversity in Rhizosphere Soil

WANG Ruixin, YANG Jing, FANG Zheng, ZHANG Siyu, ZHOU Xinbin??

(College of Resources and Environment, Southwest University, Chongqing 400716, China)

【Objective】For this paper a pot experiment was conducted to evaluate effects of water management varying in pattern on composition of soil selenium, bacterial community diversity in rhizosphere soil and Se accumulation in grains of rice, and further to explore mechanism of water management affecting the absorption and accumulation of selenium in rice, so as to provide considerable theoretical and practical support to effective regulation of selenium transfer from rice field to agricultural products, to meet the demand of human for selenium nutrient and health. 【Method】The experiment was designed to have three treatments in water management treatments, that is, (I) flooded irrigation (F); (II) aerobic irrigation (A); and (III) alternation of flooded and aerobic irrigation (AFA), and three replicates for each treatment. Starting from D20 (20 days after rice transplanting), soil pH and Eh were measured every 12 days. The selenium in the rhizosphere soil was fractionated at the tillering stage, heading stage and maturity stage of the crop. Content of selenium in rice roots, stems, leaves and grains as well as yield of the crop were measured at maturity. Before rice harvest, the fresh soil in the rhizosphere bag was retrieved and placed in a bag, which was then sealed and stored at low temperature (–80℃) for high-throughput sequencing analysis. 【Result】Results show that at all the rice growth stages, Treatments A and AFA were higher than Treatment F in soil pH and Eh to a certain extent and in content of soluble and exchangeable selenium as well, thereby in availability of soil selenium. In terms of selenium content, the organs of a rice plant exhibited an order of root (1.38–2.22 mg·kg–1) > leaf (0.55–0.85 mg·kg–1) > stem (0.53–0.61 mg·kg–1) > grain (0.15– 0.53 mg·kg–1). Treatment AFA was the highest in selenium content in rice grains, while Treatment F was the lowest. The difference between the two was obvious. Treatment AFA was significantly or 7.83% higher than Treatment F and 13.51% higher than Treatment A in grain yield. The dominant species of bacteria in the rhizosphere soil of rice were Proteobacteria, Chloroflexi, Bacteroidetes, Acidobacteria, Patescibacteria and Gemmatimonadetes, with Proteobacteria being the most abundant one in rice rhizosphere soil in all the treatments. Obviously water management had a significant impact on richness of the bacteria. Treatments AFA and A were significantly higher than Treatment F in richness of Proteobacteria. On the level of class, abundance of Gammaproteobacteria was positively related to content of available Se in the soil, so the increase in the former may be deemed as an important reason for higher bioavailability of selenium in the soil. 【Conclusion】 Comprehensive analysis shows that alternation of flooded and aerobic irrigation can not only improve yield and selenium content of rice grains, but also save water for irrigation as compared to normal flooding irrigation. Therefore it can be recommended as preferential water management method in rice production.

Rice; Selenium; Alternation of flooded and aerobic irrigation; Rhizosphere soil; Bacterial diversity

S143.7+1

A

10.11766/trxb202004090050

王瑞昕，楊靜，方正，張思宇，周鑫斌. 水分管理對水稻籽粒硒積累及根際土壤細菌群落多樣性的影響[J]. 土壤學報，2021，58（6）：1574–1584.

WANG Ruixin，YANG Jing，F(xiàn)ANG Zheng，ZHANG Siyu，ZHOU Xinbin. Effects of Water Management on Selenium Accumulation in Rice Grains and Bacterial Community Diversity in Rhizosphere Soil[J]. Acta Pedologica Sinica，2021，58（6）：1574–1584.

*國家自然科學基金項目（31672238）和重慶市基礎(chǔ)科學與前沿技術(shù)研究項目（cstc2017jcyjAX0425）資助 Supported by the National Natural Science Foundation of China（No. 31672238）and the Research Program of Basic Research and Frontier Technology of Chongqing City in China（No. cstc2017jcyjAX0425）

Corresponding author，E-mail：zxbissas@163.com

王瑞昕（1996—），女，山西長治人，碩士研究生，主要從事植物硒營養(yǎng)生理研究。E-mail：17835424992@163.com

2020–04–09；

2020–06–28；

2020–09–22

（責任編輯：陳榮府）