酸性土壤條件下鐵膜調(diào)控技術(shù)對水稻根表鐵膜和籽粒硒累積的影響*

楊旭健,田宇豪,沈 宏

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 廣州 510642)

硒(Se)是人體的必需營養(yǎng)元素。其影響人體健康的主要機理主要有兩種:一是以硒代半胱氨酸形式參與構(gòu)成谷胱甘肽過氧化酶并發(fā)揮抗氧化功能,二是促進人體抗體增殖和免疫細(xì)胞免疫活力提高。有研究表明適量低濃度的硒能夠促進植物的生長發(fā)育,也能提高植物的抗氧化酶活性,增強抗逆性。但硒濃度過高則會干擾植物體內(nèi)正常生理活動,從而影響植株的生長發(fā)育以及產(chǎn)量品質(zhì)。目前我國約有7億多人口生活在缺硒地區(qū); 我國城鄉(xiāng)居民的硒元素日攝入量為42.2～47.0 μg,達不到中國營養(yǎng)學(xué)會成人推薦攝入量60 μg·d的水平。食物是人體攝入硒元素的唯一途徑,因此提高農(nóng)作物中可食用部分的硒含量是一種廉價可行的提升我國居民的硒日均攝入量的補充途徑。水稻()是最重要的主食之一,食用稻米能以較低的單位質(zhì)量硒含量滿足日均硒攝入需求。但禾本科植物屬于非硒積累植物,硒含量一般＜30 μg·kg,低于十字花科(Cruciferae)和豆科(Leguminosae)植物的積累水平。植物富硒主要有兩種途徑:一是施用硒肥等常規(guī)農(nóng)藝措施; 二是利用遺傳學(xué)措施選育富硒種質(zhì)資源。常用的施肥途徑包括:葉面噴施、土壤施用和種衣劑等。葉面噴施與土壤施用兩種方式補充硒營養(yǎng)實現(xiàn)促進籽粒硒累積的效果各有優(yōu)劣。但上述常規(guī)施硒措施條件下,硒的植物利用率僅為5%～30%,容易造成養(yǎng)分資源浪費和環(huán)境污染。而且硒在水稻體內(nèi)各器官的含量分布存在根＞莖＞葉＞籽粒的規(guī)律,因此常規(guī)田間管理條件下,籽粒富硒存在一定的技術(shù)困難,需要采用新的硒養(yǎng)分高效利用管理措施。

在漬水條件下,水稻根系能氧化存在于根際土壤溶液中的亞鐵離子(Fe),使其在根表面形成由結(jié)晶態(tài)鐵或非結(jié)晶態(tài)鐵的氧化物或氫氧化物構(gòu)成的紅棕色的根表沉積物,即鐵膜。因為水稻根表鐵膜對硒有很強的親和性,適量的鐵膜能在不增加額外田間管理、不明顯增加水稻種植經(jīng)濟成本且不顯著影響水稻生長的前提下,提高水稻對硒的吸收,所以被認(rèn)為是一種潛在的營養(yǎng)調(diào)控途徑。目前的研究發(fā)現(xiàn)可以影響水稻根表鐵膜形成的措施包括改變磷鐵比、施用過氧化物、實施干濕交替等。傅友強等發(fā)現(xiàn),水培條件下只有當(dāng)營養(yǎng)液中的磷鐵比低于或等于1∶3時,水稻根系表面才會形成大量紅棕色鐵膜。丁漢卿等的研究表明,在持續(xù)淹水的水田中利用過氧化尿素對孕穗期水稻進行增氧處理,與不施用過氧化尿素且持續(xù)淹水的水稻相比,根系活力提高19.2%,同時鐵膜形成量增加最多,為34.8%。干濕交替是一種常見的田間管理措施。該措施通過控制田間的水分改變土壤的氧氣濃度、氧化還原電位、微生物群落及元素存在形態(tài)等,影響土壤中Fe與Fe的濃度有效性,促進Fe在水稻根表沉積和根表鐵膜的形成。雖然已經(jīng)有很多研究報道水稻根表鐵膜能影響硒的吸附與吸收,但其作用是促進或是抑制還沒有定論。目前對水稻根表鐵膜如何影響硒在植株器官累積和分布規(guī)律的研究也還缺乏。本研究在酸性土壤盆栽條件下,研究磷鐵比、過氧化尿素和干濕交替3種調(diào)控手段單獨應(yīng)用及組合使用對水稻根表鐵膜的形成、組成和水稻根、莖、葉和籽粒的硒含量的影響,為利用水稻根表鐵膜促進水稻硒的吸收提供實踐依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗概況

供試水稻品種為秈稻品種‘天優(yōu)998’。種子經(jīng)過100 g·LHO消毒10 min和清水沖洗干凈后放在鋪有濾紙的培養(yǎng)皿中,置于30 ℃培養(yǎng)箱中催芽。種子出芽后依次用1/4、1/2、1倍劑量水稻營養(yǎng)液(配方見1.2)育苗,每個劑量水平培養(yǎng)7 d,在水稻長到兩葉一心時(發(fā)芽30 d后)移栽到土壤中進行盆栽試驗。試驗所用盆高22 cm,頂部內(nèi)徑25 cm,底部內(nèi)徑16 cm,每盆裝土4.5 kg。供試土壤的部分理化性質(zhì)如下:pH 6.1,堿解氮 101.77 mg·kg,速效磷31.25 mg·kg,速效鉀31.69 mg·kg,有機質(zhì)28.93 g·kg,非結(jié)晶鐵3.89 mg·kg,結(jié)晶鐵10.13 mg·kg,有效鐵5.91 mg kg,全硒0.21 mg·kg。移栽前施入CO(NH)46.7 mg·kg、KHPO26.8 mg·kg、KCl 43.8 mg·kg、NaSeO1.90 mg·kg作為基肥[過氧化尿素處理不施CO(NH),磷鐵比試驗不施KHPO],即投入N 100 mg·kg、PO14.0 mg·kg、KO 37.0 mg·kg和Se 1.00 mg·kg。

1.2 營養(yǎng)液配方

育苗期間使用的營養(yǎng)液配方成分如下:Ca(NO)·4HO,590 mg·L; KNO,904 mg·L; KHPO,136 mg·L; MgSO·7HO,246 mg·L; EDTANaFe,20 mg·L; HBO,2.86 mg·L; MgSO·4HO,2.13 mg·L;ZnSO·4HO,0.22 mg·L; CuSO·5HO,0.08 mg·L;(NH)MoO·4HO,0.02 mg·L。

1.3 試驗設(shè)計

本研究所有處理均設(shè)置3個重復(fù),每盆為一個重復(fù),栽有3株水稻; 所有盆以完全隨機排列布置。過氧化尿素由河北三潔有限公司提供,其活性氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%,氮含量為30%。

1.3.1 不同磷鐵比對水稻根表鐵膜形成和植株硒吸收的影響

本研究中,磷鐵比定義為土壤有效磷與施入外源鐵的物質(zhì)量的比。根據(jù)1.1測定的土壤基礎(chǔ)指標(biāo),供試土壤的有效鐵濃度很低,可忽略不計。而在稻田土壤的淹水還原環(huán)境下,施入土壤的Fe在短時間內(nèi)仍保持其原有形態(tài),不會很快轉(zhuǎn)化為難溶的Fe氧化物或氫氧化物,因此這一定義有一定的合理性。本試驗設(shè)置對照(磷鐵比1∶0.25,近似為1∶0)、磷鐵比1∶1 (施入278 mg·kgFeSO·7HO)、磷鐵比1∶3 (施入833 mg·kgFeSO·7HO)和磷鐵比1∶5(施入1.39 g·kgFeSO·7HO)4個處理。移栽前,對照處理按前文所述施基肥,不施鐵肥; 其他3個處理只施氮鉀基肥,所缺鉀素用KCl補足,并按試驗設(shè)計施用鐵肥。

1.3.2 不同過氧化尿素對水稻根表鐵膜含量和硒吸收的影響

本試驗設(shè)置4個過氧化尿素施用水平處理:空白對照(每盆0.63 g普通尿素)、30 kg·hm(每盆0.29 g過氧化尿素、0.44 g普通尿素)、60 kg·hm(每盆0.58 g過氧化尿素、0.25 g普通尿素)和90 kg·hm(每盆0.97 g過氧化尿素),研究不同用量過氧化尿素對根表鐵膜形成及水稻硒吸收的影響。

1.3.3 干濕交替對水稻根表鐵膜含量和硒吸收的影響

本試驗設(shè)置4個水分管理處理:對照(孕穗期前淺水灌溉,灌漿期自然落干一次)、拔節(jié)期干濕交替1次、拔節(jié)期干濕交替3次和全生育期持續(xù)淹水處理。落干程度以土壤含水量下降至供試土壤田間持水量的70%后保持1 d為度,淹水處理以保持2 cm的土表水層為度。一個干濕交替處理循環(huán)包括2 d的落干和1.5 d的淹水。

1.3.4 不同水稻鐵膜調(diào)控技術(shù)組合處理對水稻鐵膜形成和植株硒富集的效果

采用正交試驗設(shè)計研究不同水稻鐵膜調(diào)控技術(shù)組合使用對水稻鐵膜形成和植株硒富集的效果。本試驗設(shè)定為磷鐵比為因素A,過氧化尿素為因素B,水分管理為因素C,各因素設(shè)置3個水平; 并根據(jù)正交試驗設(shè)計原理,設(shè)計9個試驗處理,各試驗對應(yīng)處理水平如表1所示。除上述9個處理外,還設(shè)置常規(guī)施肥(按前文施用基肥、不施鐵肥、不施用過氧化尿素)且常規(guī)水分管理(孕穗期前淺水灌溉,灌漿期自然落干一次)作為對照。

表1 水稻鐵膜調(diào)控技術(shù)正交試驗處理Table 1 Orthogonal experiment treatments of rice iron plaque controlling techniques

1.4 水稻根表鐵膜的測定

水稻根表鐵膜測定采用Yang等的方法,根據(jù)鐵膜的結(jié)晶度把鐵膜分為非結(jié)晶態(tài)和結(jié)晶態(tài)兩類鐵膜:收獲成熟期的完整水稻,各處理每盆中的3株水稻的所有完整根系作為一個重復(fù)樣品,將根系依次用自來水和去離子水洗凈,將其從植株剪下并充分混勻。取0.25 g根系混合樣置于盛有30 mL pH 3.2的0.2 mol·LCO(NH)、0.14 mol·LCOH溶液的錐形瓶中,在25 °C下以150 r·min的速度振搖3 h以提取非結(jié)晶態(tài)鐵。取出非結(jié)晶態(tài)鐵提取液并將根系和錐形瓶用去離子水充分沖洗后,向其中加入20 mL 4/15 mol·L檸檬酸三鈉(NaCHO)-1/9 mol·LNaHCO溶液及1 g NaSO,在75 °C下 以150 r·min的速度振搖15 min以提取結(jié)晶態(tài)鐵。

將非結(jié)晶態(tài)鐵及結(jié)晶態(tài)鐵的提取液過濾稀釋后,用原子吸收分光光度計(Model Z-5300,Hitachi,Japan)測定鐵濃度,并計算樣品的鐵膜含量。結(jié)晶態(tài)鐵和非結(jié)晶態(tài)鐵的含量均以單位干質(zhì)量樣品的相應(yīng)組分鐵膜含量表示,即mg·g。鐵膜結(jié)晶比定義為結(jié)晶態(tài)鐵(氫)氧化物含量占總鐵(氫)氧化物含量的比例。

1.5 水稻植株各器官硒含量的測定

植株各器官硒含量采用GB 5009.93-2017所述方法測定:收獲成熟期的水稻植株樣品,各處理每盆中的3株水稻的所有完整植株作為一個重復(fù)樣品,依次用自來水和去離子水洗凈后,將每份重復(fù)的水稻植株樣品按根、莖、葉、籽粒(含穗)分割開,然后烘干粉碎混勻。稱取各部分樣品0.200 g分別放置于消解罐內(nèi),添加5 mL濃HNO和1 mL 300 g·LHO,按設(shè)置步驟消解后冷卻至室溫,然后放置于電熱板上加熱至近干,加入5 mL 6 mol·LHCl,繼續(xù)加熱至清亮無色后,取2 mL溶液取下冷卻定容至25 mL,同時做空白試驗。取己定容溶液至10 mL原子熒光離心管中,加入2 mL 濃HCl 和1 mL K[Fe(CN)]搖勻后,使用原子熒光光譜儀(中國北京吉天,AFS-8130)測定。

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方法

使用SAS system for Windows 9.0 (SAS Institute Inc.,USA)軟件計算數(shù)據(jù)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)誤并進行方差分析(包括-檢驗和Duncan 氏新復(fù)極差法多重比較)和線性相關(guān)分析。使用GraphPad Prism 7 for Windows (GraphPad Software Inc.,USA)軟件繪制柱狀圖和散點圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同磷鐵比處理對水稻根表鐵膜和硒吸收的影響

圖1結(jié)果說明,磷鐵比的下降導(dǎo)致鐵膜的非結(jié)晶態(tài)鐵和結(jié)晶態(tài)鐵含量上升。磷鐵比1∶1、1∶3和1∶5處理的非結(jié)晶態(tài)鐵與對照相比分別增長21.6%、40.7%和71.6%; 且1∶3和1∶5處理與對照的差異達顯著水平(＜0.05)。而4個處理的結(jié)晶態(tài)鐵膜含量相互均有顯著差異(＜0.05)。因此當(dāng)磷鐵比低于或等于1∶3時,處理后根表鐵膜的結(jié)晶度顯著高于對照。

圖1 磷鐵比對水稻根表鐵膜成分含量(a)和鐵膜結(jié)晶比(b)的影響Fig.1 Effect of phosphate-iron ratio on components contents (a)and crystalline ratio (b)of iron plaque on rice root surface

圖2的結(jié)果提示,隨著磷鐵比的降低,根系、莖及籽粒硒含量也隨之上升,其中根系硒含量增加12.7%～42.3%,莖硒含量增加23.6%～49.8%,均不同程度顯著高于對照處理(＜0.05); 雖然不同磷鐵比處理的葉片硒含量增幅最高達到21.4%,但處理間差異不顯著。值得注意的是,雖然籽粒硒含量也隨著磷鐵比的降低而上升10.3%～55.3%,且磷鐵比1∶3和1∶5處理的硒含量顯著高于對照(＜0.05),但其硒含量屬于富硒稻米標(biāo)準(zhǔn)的中等偏下水平。

圖2 磷鐵比對水稻各部位硒含量的影響Fig.2 Effect of phosphate-iron ratio on Se contents of rice organs

2.2 不同過氧化尿素處理對水稻根表鐵膜和硒吸收的影響

施用過氧化尿素能顯著提高水稻根表非結(jié)晶態(tài)鐵膜含量41.9%～111.0%。30 kg·hm、60 kg·hm和90 kg·hm3個過氧化尿素處理的結(jié)晶態(tài)鐵膜含量顯著高于0 kg·hm處理(＜0.05),但60 kg·hm和90 kg·hm處理間差異不顯著。相應(yīng)地,60 kg·hm和90 kg·hm處理的結(jié)晶比顯著高于0 kg·hm和30 kg·hm處理24.5%～32.1% (＜0.05)(圖3)。

圖3 過氧化尿素對根表鐵膜成分含量(a)和結(jié)晶比(b)的影響Fig.3 Effect of urea peroxide to components contents (a)and crystalline ratio (b)of iron plaque on rice root surface

與對照相比,過氧化尿素施用量的增加顯著提高了根系硒含量,增幅為47.1%～98.1% (圖4)。3個施過氧化尿素處理的莖硒含量都顯著高于對照29.3%～78.7% (＜0.05),但60 kg·hm處理莖硒含量與90 kg·hm處理無顯著差異。盡管不同過氧化尿素處理間葉片硒含量隨過氧化尿素施用量增加而上升,且60 kg·hm和90 kg·hm處理的硒含量顯著高于對照(＜0.05),但3個過氧化尿素處理間差異不顯著。3個過氧化尿素處理籽粒硒含量均顯著高于對照(＜0.05),但值得注意的是,60 kg·hm與90 kg·hm處理的籽粒硒含量無顯著差異且高于其他兩個處理。

圖4 過氧化尿素對水稻各部位硒含量的影響Fig.4 Effect of urea peroxide on Se contents of rice organs

2.3 不同干濕交替處理對水稻根表鐵膜和硒吸收的影響

對照和兩個干濕交替處理的非結(jié)晶態(tài)鐵膜含量顯著低于持續(xù)淹水處理23.0%～33.1% (＜0.05)(圖5),且兩個干濕交替處理的非結(jié)晶態(tài)鐵膜含量低于對照處理。與之相反,干濕交替處理增加結(jié)晶態(tài)鐵膜含量。與持續(xù)淹水相比,對照、干濕交替1次處理和干濕交替3次3個處理顯著增加結(jié)晶態(tài)鐵膜含量76.6%～142.0% (＜0.05)。由于干濕交替對結(jié)晶態(tài)鐵和非結(jié)晶態(tài)鐵累積量的相反作用,4個處理的結(jié)晶比呈現(xiàn)隨著落干時間增加而提高的趨勢,即干濕交替3次＞干濕交替1次＞對照＞持續(xù)淹水。

圖5 干濕交替對根表鐵膜成分含量(a)和結(jié)晶比(b)的影響Fig.5 Effect of alternation of wetting and drying (AWD)to components contents (a)and crystalline ratio (b)of iron plaque on rice root surface

對照、干濕交替1次和3次處理間的根系硒含量無顯著差異,且都顯著低于持續(xù)淹水處理(＜0.05)。但各處理莖部的硒含量高低順序為:干濕交替3次＞干濕交替1次＞持續(xù)淹水=對照。持續(xù)淹水處理的葉片硒含量則顯著低于干濕交替3次處理,降幅為6.6%。對照和干濕交替3次處理的籽粒硒含量顯著低于持續(xù)淹水處理(＜0.05),但干濕交替1次處理的硒含量與持續(xù)淹水無顯著差異(圖6)。

圖6 干濕交替對水稻各部位硒含量的影響Fig.6 Effect of alternation of wetting and drying (AWD)to Se contents of rice organs

2.4 不同磷鐵比、過氧化尿素及干濕交替處理形成鐵膜與水稻籽粒硒含量的相關(guān)性分析

由圖7的線性相關(guān)分析表明,在不同磷鐵比處理和不同過氧化尿素處理下,水稻根表鐵膜結(jié)晶態(tài)和非結(jié)晶態(tài)鐵膜濃度都與籽粒硒含量呈極顯著線性相關(guān)(＜0.01)(圖7a,b,d,e)。而在不同干濕交替處理條件下,兩種形態(tài)的鐵膜(圖7c,f)與籽粒硒含量線性相關(guān)都不顯著。

圖7 不同磷鐵比(a,d)、過氧化尿素(b,e)及干濕交替(c,f)處理下鐵膜含量與水稻籽粒硒含量的相關(guān)性Fig.7 Correlation between grain Se content and contents of iron plaque forming under different phosphate-iron ratios (a,d),urea peroxide (b,e)and alternation of wetting and drying (AWD)(c,f)treatments

2.5 不同處理組合對水稻根表鐵膜形成量及硒富集的影響

前面的單因素試驗已經(jīng)證實,低磷鐵比、過氧化尿素和干濕交替處理都可以提高水稻的鐵膜含量。3個因素的3種處理形成的9種組合對鐵膜形成的影響如圖8所示。9個處理的非結(jié)晶態(tài)鐵膜含量都顯著高于對照處理(＜0.05),其中ABC處理的非結(jié)晶態(tài)鐵膜含量最高,為141.93 mg·g,是對照的2.36倍。一般地說,當(dāng)磷鐵比低于1∶5時(即A或A處理),B(90 kg·hm過氧化尿素)和C(持續(xù)淹水)處理比較容易獲得較高的非結(jié)晶態(tài)鐵膜含量。而除了ABC之外的8個組合處理的結(jié)晶態(tài)鐵膜含量顯著高于對照處理(＜0.05),處理間的差異區(qū)分程度比非結(jié)晶態(tài)鐵膜含量明顯; 其中ABC處理的結(jié)晶態(tài)鐵膜含量最高,為4.76 mg·g,比對照高2.02倍(圖8b)。總的來說,B因素(過氧化尿素)的水平為2或3 (60或90 kg·hm過氧化尿素)以及C因素(水分管理)的水平為1或2 (1次或3次干濕交替)的處理組合能得到較高含量的結(jié)晶態(tài)鐵膜。結(jié)晶比的變化規(guī)律與結(jié)晶態(tài)鐵含量相似,最高的結(jié)晶比出現(xiàn)在非結(jié)晶態(tài)和結(jié)晶態(tài)鐵膜含量都在中等水平的ABC處理(圖8c)。

圖8 不同處理組合對根表鐵膜成分含量和結(jié)晶比的影響Fig.8 Effect of different treatment combinations on components and crystalline ratios of iron plaque on rice root surface

三因素方差分析(表2)結(jié)果表明,3種調(diào)控方法組合下,磷鐵比處理因能極顯著(＜0.01)影響結(jié)晶態(tài)鐵含量,進而顯著(＜0.05)影響鐵膜結(jié)晶比,但對非結(jié)晶態(tài)鐵膜沒有顯著影響。由于過氧化尿素對結(jié)晶態(tài)和非結(jié)晶態(tài)鐵含量的促進效果相對均衡,最終表現(xiàn)為對結(jié)晶比有顯著影響。干濕交替處理對結(jié)晶態(tài)和非結(jié)晶態(tài)鐵膜含量以及結(jié)晶比都有顯著影響(＜0.05),由于干濕交替處理對兩種形態(tài)的鐵膜作用是相反的,即有利于結(jié)晶態(tài)鐵膜含量增加而不利于非結(jié)晶態(tài)鐵膜累積,加之其對非結(jié)晶態(tài)鐵含量影響的增幅高于對結(jié)晶態(tài)鐵膜的降幅,結(jié)晶比表現(xiàn)為與非結(jié)晶態(tài)鐵膜相似的變化趨勢。值得注意的是,由于方差分析提示3個因素存在交互作用,因此對上述數(shù)據(jù)進行多因素多重比較分析并以此推測最有利于鐵膜形成的組合處理意義不大; 根據(jù)實際試驗結(jié)果可知,最有利于非結(jié)晶態(tài)和結(jié)晶態(tài)鐵膜累積的分別是ABC和ABC處理,最有利于鐵膜結(jié)晶比提高的處理是ABC。

磷鐵比、施用過氧化尿素、干濕交替3種處理組合試驗的籽粒硒含量結(jié)果(圖9)表明,與對照相比,全部9個組合處理都顯著提高水稻籽粒硒含量。其中ABC處理的籽粒含硒量最高,達0.116 μg·g,是對照的2.01倍; 過氧化尿素施用量大于或等于60 kg·hm(即B、B水平)處理的籽粒硒含量也比對照高77.0%～82.1%。方差分析結(jié)果表明在組合處理下,磷鐵比(A)對籽粒硒含量作用不顯著,而過氧化尿素(B)和干濕交替(C)對籽粒硒含量作用顯著(＜0.05)。由于3個因素存在交互作用,因此對上述數(shù)據(jù)進行多因素多重比較分析并以此推測最有利于籽粒硒累積的組合處理意義不大; 根據(jù)實際試驗結(jié)果,把ABC定為最佳處理組合。另外,由方差分析的值(表2)可知,3種調(diào)控技術(shù)對水稻鐵膜含量和水稻籽粒硒含量影響大小順序為過氧化尿素處理＞干濕交替處理＞磷鐵比處理。

表2 不同處理組合對鐵膜含量和籽粒硒含量影響的方差分析(F值)Table 2 Analysis of variances (F values)of the effect of treatment combinations on iron plaque contents and grain Se content

圖9 不同處理組合對水稻籽粒硒含量的影響Fig.9 Effect of different treatment combinations on rice grain Se content

3 討論與結(jié)論

3.1 磷鐵比、過氧化尿素及干濕交替處理對水稻鐵膜形成量和硒吸收的影響

土壤中存在硒的多種形態(tài),包括亞硒酸鹽、硒酸鹽、硒化物、含硒有機物等; 其中水溶態(tài)的硒酸鹽和亞硒酸鹽溶解度高、遷移性好,是植物從土壤吸收的主要硒形態(tài)。硒酸鹽主要存在于堿性和通氣良好的旱作土壤中,而亞硒酸鹽則主要存在于中性至弱酸性還原性水稻土中。土壤中硒的含量及形態(tài)、水分含量、土壤的pH和養(yǎng)分離子相互作用以及硒肥的施用量和施肥時期等因素都能影響土壤中硒的有效性以及水稻對硒的吸收、利用效率和籽粒硒含量。而調(diào)控水稻根表鐵膜的技術(shù)也是通過改變土壤的上述理化特性影響根表鐵膜形成過程。

鐵膜屬于兩性膠體,它擁有特別的電化學(xué)性質(zhì)和很大的表面積,能夠通過吸附或者共沉淀多種養(yǎng)分和重金屬元素,并增加根系比表面積,因此可以作為營養(yǎng)庫儲存部分根際硒養(yǎng)分,并緩慢釋放到根系供植物吸收。因此調(diào)控鐵膜的形成也能起到調(diào)控水稻硒吸收的作用。調(diào)控水稻鐵膜形成量及性質(zhì)的方式有很多,本文主要探討了磷鐵比、外源施用過氧化尿素和干濕交替3種方式對水稻鐵膜形成的影響。傅友強等研究發(fā)現(xiàn),對水培條件下的水稻進行磷鐵比試驗,只有磷鐵比低于1∶3,方可見明顯的紅棕色鐵膜在根表沉積。其可能原因是高濃度的磷酸根能與溶液中的鐵結(jié)合形成沉淀,降低根際可被氧化的亞鐵濃度。本試驗結(jié)果支持這一規(guī)律,且磷鐵比越低,鐵膜形成量越高(圖1a)。值得注意的是,結(jié)晶態(tài)鐵膜的變化差異比非結(jié)晶態(tài)鐵膜顯著,提示磷鐵比對結(jié)晶度高的鐵膜礦物形成量影響更顯著。但磷鐵比為1∶3和1∶5處理兩種形態(tài)的鐵膜增長比例相當(dāng),所以兩個處理的磷鐵比差異不顯著(圖1b)。

過氧化尿素在土壤溶液中可分解成過氧化氫和尿素,不但可以為水稻生長提供氮素營養(yǎng),還可以為水稻根系營造氧化環(huán)境。肖元松等和杜宏儒等發(fā)現(xiàn),施用過氧化尿素可以在較長時間內(nèi)提高土表水體和根際溶氧量,提高根系抗氧化酶活性,從而緩解淹水脅迫對植株的傷害作用。丁漢卿研究發(fā)現(xiàn),土壤中增施過氧化尿素后,土壤中的非結(jié)晶態(tài)鐵降低14.6%～33.5%,結(jié)晶態(tài)鐵增加4.5%～32.4%,水稻的根表鐵膜增加8.0%～34.8%。本試驗結(jié)果中,過氧化尿素施用量與兩種形態(tài)的鐵膜含量都呈正相關(guān)關(guān)系(圖3a),但高濃度(≥60 kg·hm)的過氧化尿素處理對結(jié)晶態(tài)鐵膜的提升效果不顯著,說明高濃度過氧化尿素處理有利于非結(jié)晶態(tài)鐵膜形成而不利于非結(jié)晶態(tài)鐵轉(zhuǎn)化為結(jié)晶態(tài)鐵。由于過氧化尿素能把四價硒高效地氧化為六價硒,使其更容易被水稻轉(zhuǎn)運到地上部,促進籽粒硒含量的提高。因此過氧化尿素處理對水稻籽粒硒累積的提升作用非常顯著(圖4),但由于90 kg·hm處理的高劑量氮供應(yīng)可能增加了有效穗數(shù),降低了單穗粒重,導(dǎo)致單位質(zhì)量的籽粒硒含量下降; 所以與60 kg·hm處理相比,90 kg·hm處理籽粒硒含量并未顯著增加。至于90 kg·hm處理所釋放的氧化性物質(zhì)量是否可能對根系造成了傷害,或者過量硒累積對植株造成了抑制作用,還有待進一步研究。雖然本研究中,水稻籽粒硒含量與鐵膜含量呈正相關(guān)的結(jié)果與高阿祥提出的鐵膜增加會促進硒的吸收的結(jié)論一致。但磷鐵比與過氧化尿素兩類處理的結(jié)果還略有差異:磷鐵比處理條件下,籽粒硒含量的提高與結(jié)晶態(tài)鐵膜含量關(guān)系更緊密(圖7a,d)；而在過氧化尿素處理條件下,非結(jié)晶態(tài)鐵膜含量的提高更能促進籽粒硒累積(圖7b,e)。

干濕交替通過若干輪排水-淹水循環(huán)操作,使土壤氧化還原電位發(fā)生周期性波動,克服長期淹水帶來的土壤還原性物質(zhì)累積、氮素?fù)]發(fā)淋失等弊端,從而提高水稻氮吸收轉(zhuǎn)運和利用效率、水分利用效率、光合速率等,最終實現(xiàn)產(chǎn)量提高。另外,干濕交替對土壤中已存在的硒也有一定的活化作用。本研究結(jié)果提示,干濕交替處理對鐵膜的貢獻主要在于結(jié)晶態(tài)鐵含量的提高,但同時也導(dǎo)致非結(jié)晶態(tài)鐵含量顯著下降(圖5)。其可能的原因是干濕交替處理降低了土壤水分含量,提高了氧化還原電位,從而降低土壤溶液中Fe濃度,減少與根際接觸并被氧化的幾率,阻礙鐵膜形成。與王瑞昕等提出的干濕交替較淹水灌溉一定程度上提高水稻稻米硒含量的觀點有所不同,本研究條件下,進行一次干濕交替處理后籽粒硒含量與持續(xù)淹水處理后相當(dāng),但顯著高于對照和干濕交替3次處理(圖6)。結(jié)合各處理的鐵膜形成量(圖5)考慮,解釋這一現(xiàn)象可能與不同結(jié)晶度鐵膜對硒的吸附-解吸能力有關(guān)。

值得注意的是,pH也是影響土壤中硒有效性的重要因素; 當(dāng)pH+大于15時,土壤中的硒以六價為主; 當(dāng)pH+為7.5～15時,則以四價為主,水稻田的和pH范圍決定了土壤中的大部分硒以四價形式存在。根際呈酸性(pH 3～5)時,硒主要以HSO甚至HSeO形態(tài)存在,水稻根系主要通過水通道主動吸收HSeO; 而根際呈堿性(pH8)時,硒主要形態(tài)為SO,水稻主要通過非陰離子通道途徑被動吸收硒,吸收效率低于酸性根際環(huán)境。雖然最有利于土壤中的硒以有效性最高的水溶態(tài)硒存在的pH只有很窄的范圍(pH 6.82～7.09),但硒元素轉(zhuǎn)化為其他有效性低的形態(tài)至少需要30 d,而且酸性土壤對硒的固定和還原作用強于中性和堿性土壤。并且在相同值條件下,pH值越高四價硒越容易被氧化為六價硒,所以似乎堿性土壤更有利于硒吸收。但弱酸性條件下,鐵膜的主要成分之一針鐵礦因質(zhì)子化而帶有正電荷,對亞硒酸根離子的吸附能力較強,有利于硒在根際富集,并在pH＞5.6的情況下釋放; 而在堿性條件下,土壤中的Fe大多在非根際即與OH、HCO或CO結(jié)合形成沉淀,難以遷移到根際形成鐵膜,硒元素也容易被分散地吸附固定在非根際。因此適時采取根際調(diào)控措施后,方能提高弱酸性土壤的硒有效性,從而有利于水稻硒的吸收。

3.2 不同鐵膜調(diào)控技術(shù)的組合應(yīng)用對水稻鐵膜和硒吸收的影響

為盡可能降低系統(tǒng)誤差,減少多因素試驗的處理設(shè)置量,采用正交試驗設(shè)計3種鐵膜調(diào)控技術(shù)的組合試驗。多因素方差分析結(jié)果表明過氧化尿素(B因素)和干濕交替(C因素)對水稻的根表鐵膜形成和籽粒硒含量影響均達極顯著水平; 同時這兩個因素的效應(yīng)掩蓋了磷鐵比的效應(yīng),造成磷鐵比處理(A因素)對非結(jié)晶態(tài)鐵膜含量和籽粒硒含量影響都不顯著(表2)。因為過氧化尿素可以迅速強烈地提高根際氧化還原電位,所以即使長期淹水條件下也會在根際發(fā)生強烈的氧化反應(yīng),提高鐵膜礦物結(jié)晶度; 同時過氧化尿素使根際相當(dāng)一部分亞硒酸根被氧化成毒性相對較低的硒酸根,使其從鐵膜中解吸、被根系吸收并被轉(zhuǎn)運到地上部特別是籽粒。因此淹水條件下適量施用過氧尿素能實現(xiàn)不影響水稻根系水分和其他養(yǎng)分吸收的淹水條件下安全地吸收充足的六價硒酸根離子,使其在籽粒累積(圖9)。所以在本研究供試土壤硒含量(0.21 mg·kg)遠(yuǎn)低于全球土壤平均硒含量(0.4 mg·kg),并且采用1 mg·kg的較低外源硒肥施用量的情況下,仍能獲得中等水平的富硒水稻(圖9)。需要指出,本研究把根系本身和鐵膜視為一個整體進行研究其硒含量,也未對根際存在和鐵膜吸附的硒價態(tài)進行分析。因此對結(jié)果的解釋很多只是推測而缺乏結(jié)果佐證,因此對上述兩點的繼續(xù)研究將有助于更好地解釋本研究的結(jié)果。

3.3 結(jié)論

1)磷鐵比、過氧化尿素以及干濕交替處理都可以改變水稻鐵膜形成量。磷鐵比降低和過氧化尿素施用量的增加以及持續(xù)淹水處理都能一定程度上提高根表鐵膜形成量及硒吸附量,從而提高植株各器官的硒含量。當(dāng)磷鐵比低于1∶3或過氧化尿素施用量高于60 kg·hm時,根表鐵膜形成量和水稻籽粒趨近最高值。磷鐵比和過氧化尿素處理條件下,水稻籽粒硒含量與水稻根表鐵膜的含量呈正相關(guān):其中磷鐵比處理條件下,水稻籽粒硒含量與水稻根表結(jié)晶態(tài)鐵膜的含量相關(guān)性更強; 而在過氧化尿素處理條件下,水稻籽粒硒含量與水稻根表非結(jié)晶態(tài)鐵膜的含量相關(guān)性更強。

2)正交試驗結(jié)果表明,在持續(xù)淹水條件下,外源施用60 kg·hm過氧化尿素處理能在不影響水稻正常水分和養(yǎng)分吸收的情況下,營造富含亞鐵離子且氧化還原電位較高的根際環(huán)境,促進根表鐵膜的形成,從而提高籽粒硒含量。而在上述處理條件下,磷鐵比對鐵膜形成量和籽粒硒含量的影響不顯著。