冷浸田亚铁对水稻毒害作用及改良措施

林海波，朱 青，2*，陈正刚，张 钦，崔宏浩

(1.贵州大学农学院，贵州 贵阳 550025;2.贵州省农业科学院，贵州 贵阳 550006;3.贵州省土壤肥料研究所，贵州 贵阳 550006)

水稻作为世界三大主要粮食作物之一，同时也是我国最主要的粮食作物之一。全国水稻种植面积约占粮食作物面积的30%，产量接近粮食产量的一半。然而随着耕地面积的大幅度减少，人口急剧增多，人均耕地急剧减少，水稻产量现处于不能实现自给自足的局面。因此提高水稻单产的要求越来越迫切。提高水稻单产需要寻求育种技术和栽培技术突破的同时，还要依靠中低产田综合生产能力的提升。据统计［1］，冷浸田总面积约为346万hm2，占全国水稻种植面积的15.07%，占低产稻田面积的44.2%。然而冷浸田水稻年产较正常水稻田600 kg/667 m2以上却只有200～300 kg/667 m2［2］。其中，地下水位高，冷，烂，酸，毒，瘦以及潜在肥力不能发挥是冷浸田的重要特征。研究表明，我国冷浸田养分障碍因子与高产田相比，由于冷浸田长期处于地下水浸渍，还原作用较强，易造成还原性物质累积而产生毒害，尤其是亚铁和还原态硫［3］。亚铁作为冷浸田的一种主要障碍因子［11］，占土壤还原性物质总量的60% ～80%左右［4］。随着亚铁在田中不断累积，对水稻的毒害逐渐加强，严重时会烂秧死苗。因此总结近年来冷浸田亚铁对水稻的影响具有非常重要的现实意义。

1 冷浸田亚铁

冷浸田是一种长期处于淹水条件下的强育性中低产水稻田。根据还原性物质对氧化剂的化学反应活性，将土壤还原性物质区分为亚铁、亚锰、活性有机还原性物质和非活性有机还原性物质［6］。冷浸田处于低洼地区，地表水和地下水汇集，土壤长期处于水分饱和状态，通气不良，还原作用较为强烈，易造成土壤中亚铁等还原物质明显积累。调查研究我国冷浸田主要分布的省份表明［3］，冷浸田亚铁含量范围为160.28 mg/kg～3 786.12 mg/kg，平均含量为1 437.08 mg/kg。高产田亚铁含量范围为11.37 mg/kg～3 629.99 mg/kg，平均含量为814.38 mg/kg。冷浸田亚铁含量明显高于高产田。由于Fe2+会被植株根系很快吸收并导致细胞内的铁含量过量，诱导植株体内细胞发生代谢紊乱，影响植株正常生长和发育。

2 冷浸田亚铁对土壤微生物的影响

土壤中的微生物使土壤变成一个活跃的系统，在土壤形成与发育、土壤结构与肥力以及高等植物生长等方面起着重要作用。研究表明，亚铁含量为300 mg/kg为大多数土壤微生物活性的临界值。而后随着亚铁浓度的增加，土壤微生物量碳、微生物三大基础菌系总量(细菌、真菌、放线菌)、功能菌系总量(氨化细菌、固氮菌、纤维分解菌)、铁还原菌总量将出现先快速下降，后逐渐平稳降低［9］。可能的原因是低水平亚铁时，微生物新陈代谢活动加强，土壤中耐受性较弱的微生物显著减少。而后随着亚铁处理水平增加，土壤中耐受性较强的微生物逐渐适应土壤内部环境并保持平稳减少。

3 冷浸田亚铁对水稻农艺性状的影响

当水稻发生亚铁毒害时，水稻叶片和根系上的症状最为明显。研究发现亚铁毒害主要发生在水稻苗期或者是早期营养生长阶段。发生铁毒时叶脉间出现小褐斑，斑点从尖端向基部蔓延，叶色暗绿;严重时叶色呈紫褐色或褐黄色，根发黑或腐烂。叶片上的症状如青铜病，赤枯病等，不利于水稻在生长时期进行光合作用合成自身物质，降低了灌浆时期籽粒的形成，导致减产。而根系上大量的铁在根系表面形成铁氧化物胶膜，使根系生长受到抑制，不利于作物生长发育。通常认为土壤中亚铁含量达到300 mg/kg时，植株就会发生毒害作用，而达到500 mg/kg时，则可发生严重的铁毒害。通过土培模拟冷浸田试验，研究表明水稻亚铁胁迫临界浓度约为300 mg/kg。过量Fe2+抑制了水稻地上部和根系的生长。分蘖期植株株高和干物质积累量随亚铁的增加而显著降低［9］。通过水培模拟试验发现［10］，当亚铁浓度为40 ppm时，对生长具有一定的促进作用。而后随着亚铁浓度(40 ppm～240 ppm)的增加，株高，根系生长量和干物质产量逐渐降低。通过田间试验研究发现［12］，当土壤中亚铁含量大于744 kg/hm2时，水稻分蘖期株高和根系受到明显抑制。

4 冷浸田亚铁对水稻生理生化的影响

铁毒致病的生理机理是植物体内积累过量的铁以及铁化合物从而诱发多种活性自由基，攻击膜脂，损伤脂膜［41］。植物为了防御活性自由基的损伤而调控自身的抗氧化酶系统来降低伤害。当亚铁毒害过强时，抗氧化酶活性也将降低或消失。水稻植株MDA和CAT含量反应机体脂质过氧化的程度，间接地反应出细胞的损伤程度。研究发现，低浓度亚铁时水稻叶片SPAD值随Fe2+浓度提高显著增加，叶色也随之加深。当亚铁胁迫时，抗氧化酶系统活性降低，SPAD值下降，不利于光合作用和物质量累积。超氧化物歧化酶(SOD)，过氧化氢酶(CAT)活性随亚铁浓度增加呈现先上升后下降的趋势。过氧化物酶(POD)活性与脯氨酸含量随 Fe2+增加而逐渐上升［13，14］。研究表明 Fe2+对水稻生理活性的影响主要集中在分蘖期和抽穗期，其中水稻叶片和根系的POD活性和MDA含量随Fe2+浓度的增加而提高［15］。龙应霞等研究表明，当亚铁浓度大于200 mg/L时，植株体内过多自由基产生，损伤蛋白质。通过水培模拟试验发现随着亚铁浓度(50～350 mg/L)的增加，水稻气孔导度(Gs)，胞间CO2浓度(Ci)，净光合作用速率(Pn)呈现降低的趋势。同时植株中氮、磷、钾的含量也逐渐降低，铁含量显著增加［45］。

5 冷浸田亚铁对水稻产量的影响

前人通过水培试验模拟冷浸田亚铁对水稻的影响发现，水稻的穗数、粒数、千粒重和理论产量都会随着亚铁含量的增加而降低。当亚铁浓度超过160 ppm时，植株未抽穗而枯萎死亡［8］。通过土培模拟田间试验发现，当土壤中亚铁含量超过300 mg/kg时，水稻生长和土壤微生物活性将会受到影响［9］。通过田间试验发现烂泥田添加Fe2+浓度为100 mg/L时，水稻产量达到最高。超过此浓度产量下降［15］。

6 改良措施

6.1 降低地下水位

冷浸田长期处于地下水浸渍，建立良好的排水系统是改良冷浸田的重要措施［25，29］。研究表明建立良好的排水系统可以降低地下水位，改善土壤通气状况，提高氧化还原电位，明显改善土壤的理化性质，有利于产量的提高［27］。

6.2 合理的耕作措施

垄作能提高土壤温度，抑制水稻分蘖期后土壤亚铁含量的上升，降低土壤亚锰含量，减轻亚铁等还原性物质对水稻根系的毒害作用［19，33］。垄作和垄作+土壤调理剂处理，还原性物质总量显著降低，产量提高［31］。研究还发现起垄栽培结合湿润灌溉较农民习惯土壤排水通气性增强，有利于降低土壤中还原物质总量，活性还原性物质总量和亚铁量，有利于水稻生长，提高产量［20，32］。采用垄畦栽培有利于降低土壤亚铁，硫化氢等有毒气体［21，22］。研究表明垄厢，免耕和垄畦栽培较传统栽培，水稻产量均有所提高［23］。采用免耕方式对水稻产量尽管增产不明显，但较传统翻耕有所提高［24］。同时也可采取耘田和搁田等措施改善土壤通气状况和排出土壤中的毒害气体。

6.3 合理的施肥技术

通过合理的施肥可以降低还原性物质，实现水稻的增产［34，35，36，37］。如鄂东南地区冷浸田中的速效磷、速效钾含量偏低，通过长期加大磷、钾肥施用量，同时配施锌肥和硅肥，可以改善土壤养分，实现增产［30］。研究还发现，增施有机肥，如堆肥、厩肥等，不仅能改良土壤结构，提高土壤养分含量，而且还能改善土壤温度状况，增强土壤微生物的活力。

6.4 筛选土壤改良剂

施用生物炭能够明显的改善土壤的通气状况，减少土壤中还原性物质对水稻的毒害，有利于水稻增产［29，40］。通过施用生物质焦能够提高水稻生育前期土壤温度，促进水稻干物质积累，产量增加［38］。研究表明石灰和秸秆混合施用可以提高土壤Eh，降低土壤活性还原性物质和Fe2+含量，增产显著［35］。研究还发现Mg(OH)2改良效果较好，增产显著的同时也提高了籽粒品质［39］。

7 展望

通过近年来的研究表明，冷浸田亚铁对水稻的毒害已成为约束冷浸田增产的一个重要障碍因子。冷浸田中过高的亚铁含量对水稻农艺性状，生理生化和产量等方面都产生了一定的毒害作用。前人通过水培和土培等盆栽试验都得出了亚铁对水稻毒害的临界浓度。然而前人对冷浸田的研究大部分集中在水培和土培等盆栽试验来模拟田间环境。然而模拟试验与田间环境相差悬殊，无法模拟土壤中的复杂环境状况，从而难以将试验结果广泛应用于实际农业生产。今后的侧重点在于在田间试验中摸索亚铁对水稻的毒害临界值，为后期的冷浸田的改良提供的一定理论基础。还有对冷浸田亚铁的研究大部分集中在前期对水稻农艺性状的影响，而对后期水稻生长发育(如产量)和土壤结构的影响研究较少。土壤作为水稻生长的直接媒介，对水稻的生长发育起到了关键作用。因此，研究亚铁对土壤结构的影响非常重要，了解其对土壤有效养分，土壤微生物活性，土壤酶活性，土壤团聚体等方面的影响，进一步明确亚铁毒害的机制，为今后改良提供理论依据。

对于冷浸田的改良是今后提升我国冷浸田潜在生产力重点方向。先前对于冷浸田改良措施的研究表明，对于冷浸田的改良已经取得了一定的效果。通过大量试验表明垄作对于冷浸田改良效果明显。然而像垄作等大部分改良措施都是需要消耗大量的人力和物力，而且对水稻虽有增产但效果不显著。对于今后改良措施的研究方向应该侧重于小投资大回报上。即不需要消耗过多的人力和物力的同时，还可以取得显著增产。土壤作为水稻汲取养分的直接介质，改善土壤有效养分结构应该成为今后改良的重中之重。改良研究方向偏向于在降低冷浸田中亚铁含量的同时，又可以改善土壤养分结构。虽然研究表明土壤改良剂可以短期在一定程度上改善土壤结构，降低亚铁含量，但是长期添加可能会造成二次毒害。因此，对于冷浸田改良应该结合相关的措施，通过更多的试验寻求最佳的改良方法。

［1］全国土壤普查办公室.中国土壤［M］.北京:中国农业出版社.1998:37-98.

［2］李庆奎.中国水稻土［M］.北京:科学出版社，1992.

［3］柴娟娟，廖 敏，徐培智，等.我国主要低产水稻冷浸田养分障碍因子特征分析［J］.水土保持学报，2012，26(2):284-288.

［4］于天仁，刘婉兰.水稻土中氧化还原过程的研究(Ⅲ):氧化还原条件对水稻生长的影响［J］.土壤学报，1957，5(4):292-304.

［5］于天仁，刘志光.水稻土的氧化还原过程及其与水稻生长的关系［J］.土壤学报，1964，12(04):380-389.

［6］刘志光，于天仁.水稻土中氧化还原过程的研究(Ⅴ)还原性物质的测定［J］.土壤学报，1962，10(01):13-28.

［7］熊明彪，舒 芬，宋光煜，等.南方丘陵区土壤潜育化的发生与生态环境建设［J］.土壤与环境，2002，11(02):197-201.

［8］刘芷宇，唐永良，罗质超.主要作物营养失调症状图谱［M］.北京:农业出版社出版，1982:47-48.

［9］陈 娜，廖 敏，张 楠，等.Fe2+对水稻生长和土壤微生物活性的影响［J］.植物营养与肥料学报.2014，20(3):651-660.

［10］李达模，唐建军，苏以荣，等.湘中、湘北地区早籼稻耐土壤潜育性评价［J］.武汉植物学研究，1992，10(2):139-151.

［11］胡 彬，吴 平，廖春燕，等.水稻依赖抗坏血酸H2O2清除系统在抗铁毒中的作用［J］.植物生理学报，1999，25(1):43-48.

［12］崔宏浩，陈正刚，朱 青，等.亚铁对水稻分蘖期植株性状变化分析［J］.耕作与栽培，2014，01:1-3.

［13］王贵民，陈国祥，杨艳华，等.亚铁对杂交水稻幼苗生长和部分生理生化特性的影响［J］.南京师大学报(自然科学版)，2003，26(02):56-60.

［14］蔡妙珍，林咸永，罗安程，等.过量Fe2+对水稻生长和某些生理性状的影响［J］.植物营养与肥料学报，2002，8(01):96-99.

［15］陈正刚，徐昌旭，朱 青，等.不同类型冷浸田Fe2+对水稻生理酶活性的影响［J］.中国农学通报，2014，30(12):63-70.

［16］林增泉，徐 朋，彭加桂，等.冷浸田类型与改良研究［J］.土壤学报，1986，23(02):157-162.

［17］李清华，王 飞，何春梅，等.福建省冷浸田形成、障碍特性及治理利用技术研究进展［J］.福建农业学报，2011，26(4):681-685.

［18］徐祥玉，张志毅，王 娟，等.起垄和施肥对冷浸田土壤氧化还原状况的影响［J］.中国生态农业学报，2013，21(06):666-673.

［19］王思潮，曹凑贵，李成芳，等.耕作模式对冷浸田水稻产量和土壤特性的影响［J］.中国生态农业学报，2014，22(10):1 165-1 173.

［20］刘 杰，罗尊长，肖小平，等.不同栽培和灌溉方式对冷浸稻田还原性物质及水稻生长的影响［J］.作物研究，2014，28(05):451-454.

［21］郑九满，董 益，潘月琴.冷浸田水稻垄畦栽培［J］.温州农业科技，2004，04:11-13.

［22］潘振刚，刘梦熊.浙西南山区冷浸田水稻垄畦法栽培技术调查［J］.浙江农业科学，1991，06:282-284+295.

［23］曹芬芳，曾 燕，夏 冰，等.冷浸田双季稻品种和栽培方式比较研究［J］.作物研究，2014，28(01):1-6.

［24］董爱玲，冯跃华，赵田径，等.免耕对移栽杂交水稻生长特性及产量的影响［J］.山地农业生物学报，2008，27(06):471-475.

［25］罗林钟，莫昌寿.冷浸田的改良方法［J］.河北农业科技，1998，05:20.

［26］王思潮，曹凑贵，李成芳，等.鄂东南冷浸田不同中稻品种产量及生理研究［J］.湖北农业科学，2014，53(16):3 736-3 740.

［27］林增泉，徐 朋，彭加桂，等.冷浸田类型与改良研究［J］.土壤学报，1986，23(02):157-162.

［28］董稳军，张仁陟，黄 旭，等.明沟排水对冷浸田土壤理化性质及产量的影响［J］.灌溉排水学报，2014，33(02):114-116.

［29］吴新德，戴延寿.安徽池州地区冷浸田的综合改良［J］.土壤，1996，(02):62-63.

［30］徐祥玉，张敏敏，刘 晔，等.磷钾调控对冷浸田水稻产量和养分吸收的影响［J］.植物营养与肥料学报，2014，20(05):1 076-1 083.

［31］李 志.宣州区冷浸田综合治理集成技术研究与示范初报［J］.安徽农学通报，2014，20(07):82-83+104.

［32］刘 杰，罗尊长，肖小平，等.不同栽培和灌溉方式对冷浸田障碍因子及水稻产量的影响［J］.中国农学通报，2014，30(30):147-151.

［33］熊又升，徐祥玉，张志毅，等.垄作免耕影响冷浸田水稻产量及土壤温度和团聚体分布［J］.农业工程学报，2014，15:157-164.

［34］苏金平，管珊红，袁福生，等.不同化肥施用量对冷浸田水稻产量效应的研究［J］.江西农业学报，2014，26(05):19-24.

［35］张 赓，李小坤，鲁剑巍，等.不同措施对冷浸田土壤还原性物质含量及水稻产量的影响［J］.中国农学通报，2014，30(27):153-157.

［36］刘 杰，罗尊长，肖小平，等.不同施磷方式对冷浸田磷素养分及水稻产量的影响［J］.湖南农业科学，2014，04:37-39+42.

［37］覃建政.冷浸田测土配方施肥对水稻产量的影响［J］.中国农业信息，2014，03:124.

［38］王文军，张祥明，凌国宏.生物质焦对冷浸田水稻生长·产量的影响［J］.安徽农业科学，2013，41(14):6 220-6 221+6 243.

［39］刘启鹏，林丽红，王 飞.闽北山区冷浸田土壤改良剂筛选试验［J］.福建农业科技，2013，03:59-60.

［40］董稳军，郑华平，黄 旭，等.土壤改良剂对冷浸田水稻根系活力及产量的影响［J］.中国农学通报，2013，29(6):182-187.

［41］Sarita S，Manisha S，Prakash C.Oxidative stress induced by iron in Hydrilla verticillata(L.f.)royle:response of antioxidants［J］.Ecotoxicology and Environmental Safety，1997(38):289-291.

［42］Diacono M，Montemurro F.Long-term effects of organic amendments on soil fertility:A review［J］.Agronomy for Sustainable Development，2010，30(2):401-422.

［43］陈 娜.冷浸田亚铁和还原态硫障碍因子致毒机理及治理初探［D］.浙江大学，2014.

［44］王思潮.物料添加对冷浸田土壤特性及水稻生育特性影响［D］.华中农业大学，2014.

［45］张 赓.还原性铁、锰对水稻生长影响及其在冷浸田中毒害的消减措施研究［D］.华中农业大学，2013.