紫云英不同还田量下土壤硒释放特征及水稻富硒规律

2020-05-05唐红琴李忠义韦彩会黄太庆董文斌何铁光俞月凤张琬茹汤海玲蒙炎成

西南农业学报 2020年3期

唐红琴，李忠义，韦彩会，黄太庆，董文斌，何铁光*，俞月凤，张琬茹，汤海玲，蒙炎成

(1.广西农业科学院农业资源与环境研究所，广西南宁 530007；2.广西商贸高级技工学校，广西南宁 530007)

【研究意义】水稻属非硒积累作物，自然生长条件下植株含硒量较低，需要通过人工补硒才能达到富硒稻米标准[1]。在很多相关研究中，主要采用增施硒肥或叶面喷硒的方式对水稻添加外源硒[2-5]，但容易增加经济成本且存在环境污染风险[6]，不利于富硒水稻的安全生产。与传统补硒方法相比，利用聚硒植物紫云英作绿肥供给外源硒[7]，开发无公害富硒水稻栽培技术，有助于促进富硒产业的健康发展。但目前关于紫云英还田对土壤有效硒的释放动态及水稻植株富硒特征的影响了解甚少。因此，开展紫云英翻压还田试验，研究其不同还田量对土壤和水稻的富硒效应，对构建富硒水稻生态种植模式及实现富硒大米的绿色生产具有重要意义。【前人研究进展】以往在紫云英—水稻耕作制度中主要将紫云英用于减施化肥[8-10]、改良土壤和提高稻米产量[11-13]。在生产富硒水稻方面，赵决建[14]研究显示，喷施亚硒酸钠溶液可增加紫云英的硒含量，且亚硒酸钠浓度越大，紫云英含硒量越高；将紫云英压青作基肥还田，稻米对硒的富集量随紫云英硒含量的增加而不断增高，比对照高56 %以上。张祥明等[15]采用叶片喷硒的方法制备富硒紫云英，经翻压还田后可有效促进水稻对硒元素的吸收，其中外源硒(18.0 g/hm2Na2SeO3)+紫云英组合的糙米硒含量最高，达到绿色稻米的富硒标准。张祥明等[16]在安徽桐城、庐江、贵池等低硒水稻田开展紫云英—水稻富硒试验，结果表明，施入喷亚硒酸钠的紫云英后能显著提升土壤的总硒含量和稻米的硒含量。赵学杏[17]研究也发现，在稻田翻压经喷硒处理的紫云英能大幅提高稻米硒含量，产出符合国家相关标准的富硒大米。【本研究切入点】迄今，关于紫云英—水稻富硒生产的研究中富硒紫云英多数通过喷施亚硒酸钠制成，本质上仍属于人工增施硒肥范畴，而针对紫云英翻压还田后土壤有效态硒的释放过程、水稻植株富集硒的规律及合理还田量的探讨鲜见报道。【拟解决的关键问题】在紫云英盛花期刈割其地上部鲜草直接翻压还田，分析紫云英不同还田量下土壤有效硒的释放动态及水稻根、茎和叶对硒元素的富集特征，并根据各处理稻米硒含量确定适宜的紫云英还田量，同时开展相应的大田示范和技术推广工作，为实现规模化生产绿色富硒大米提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2016年11月至2017年7月在广西河池市巴马县甲篆镇百马村水稻种植基地进行，试验地位于东经107°8′、北纬24°12′，海拔255 m。试验前供试水稻田为典型富硒土壤，有效硒含量0.260 mg/kg，全硒含量1.39 mg/kg。其他基本理化性状为：pH 6.43，全氮含量1.86 g/kg，全磷含量0.54 g/kg，全钾含量1.14 g/kg，碱解氮含量98.50 mg/kg，速效磷含量16.10 mg/kg，速效钾含量23.10 mg/kg，有机质含量22.60 mg/kg。

1.2 试验材料

选择富硒紫云英品种桂紫7号作为冬闲田绿肥，于2016年11月3日撒播，下种量30 kg/hm2。2017年4月1日刈割其盛花期的地上部植株压青还田，还田时紫云英茎、叶、花和种子的硒含量分别为0.225、0.268、0.186和0.166 mg/kg。紫云英还田后插秧，所栽品种为当地高产优质水稻品种桂育9号。

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计设置6个紫云英还田量处理，分别为CT1(13 500 kg/hm2)、CT2(16 500 kg/hm2)、CT3(19 500 kg/hm2)、CT4(21 000 kg/hm2)、CT5(22 500 kg/hm2)和CT6(24 000 kg/hm2)，以无紫云英翻压还田作对照(CK)，每处理3次重复。试验采用随机区组排列，每个试区长10 m，宽5 m，面积50 m2。试区间筑田埂隔离，留30 cm宽沟以避免相互交叉影响。插秧后的水肥运筹和病虫防治等各项田间管理工作与传统方法相同。

紫云英刈割完毕按设计要求和试区面积称量，然后移至各试区翻压还田。分别于2017年4月1日(水稻移栽当天)、4月8日(返青期)、4月28日(分蘖期)、5月16日(拔节期)、6月2日(抽穗期)和7月18日(成熟期)按照五点取样法采集各试区土壤和水稻植株，测量土壤有效硒含量及水稻根、茎和叶的硒含量。收获后晒干稻谷，选择有代表性的谷粒脱壳，测定稻米的全硒含量。

注：同列数据后不同大、小写字母分别表示差异极显著(P<0.01)和显著(P<0.05)。

Note:Different uppercase letters in the same column represented extremely significant difference(P<0.01)，and lowercase letters represented significant difference(P<0.05).

1.3.2 测定项目及方法供试土壤呈酸性，采用NaH2PO4浸提法测量有效硒含量[18]，全硒含量经优级纯混合酸(硝酸∶高氯酸=3∶2)消煮后，以原子荧光光度计测定[19]。水稻根、茎、叶及稻米烘干粉碎后，参考国家标准食品中硒的测定方法(GB 5009.93-2010)测定全硒含量。

1.4 统计分析

采用Excel 2003进行试验数据整理和图表制作，以SPSS 24.0进行方差分析和相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同紫云英还田量处理土壤有效硒的释放动态

从表1可看出，水稻移栽时各处理的土壤有效硒含量无显著差异(P>0.05，下同)，移栽后各紫云英还田处理的土壤有效硒开始不断释放。到返青期，CT1处理的土壤有效硒含量由移栽时的0.255 mg/kg增加到0.279 mg/kg，提高9.4 %；CT2处理的土壤有效硒含量由移栽时的0.254 mg/kg增加至0.314 mg/kg，增幅23.6 %；CT3～CT6处理的土壤有效硒含量分别递增到0.323、0.358、0.421和0.442 mg/kg。可见土壤有效硒的释放量与紫云英还田量存在明显的正比关系。进入分蘖期后，各还田处理的土壤有效硒含量均达到峰值，排序为CT6处理>CT5处理>CT4处理>CT3处理>CT2>处理>CT1处理。其中CT6处理的土壤有效硒含量最高，达0.747 mg/kg，极显著高于CK及其他紫云英还田量处理(P<0.01，下同)；CT1处理的土壤有效硒含量较低，为0.437 mg/kg，显著低于CT2处理(P<0.05，下同)，极显著低于CT3～CT6处理。从拔节期起，各还田处理的土壤有效硒含量逐渐降低。在成熟期，CT6处理的土壤有效硒含量降至0.591 mg/kg，但仍极显著高于相同生育期的其他处理；CT1处理的土壤有效硒含量较低，为0.299 mg/kg，显著低于CT2处理，极显著低于CT3～CT6处理；CT2～CT5处理的土壤有效硒含量分别为0.313、0.391、0.407和0.556 mg/kg，与拔节期和抽穗期相比均有不同程度降低。说明随着土壤硒元素释放速度减缓和水稻根系的不断吸收，各还田处理的土壤有效硒含量不断下降。与还田处理不同，CK由于没有外源硒补充，在试验过程中土壤有效硒含量始终呈下降之势，说明紫云英可通过翻压还田的形式向土壤提供外源硒，从而提高土壤硒元素含量。

2.2 不同紫云英还田量处理水稻植株对硒元素的富集规律分析

从表2可看出，在移栽至返青阶段，各处理水稻根部的硒含量均有不同幅度增加；秧苗完全返青后，水稻开始快速生长，CK和紫云英还田处理的水稻根系硒含量也随之迅速增加，并在抽穗期达到峰值。在抽穗期，CT6处理根系的硒含量最高，为1.140 mg/kg，富硒能力最强；CT5处理根系的硒含量为1.010 mg/kg，富硒能力仅次于CT6处理；CT3和CT4处理根系的硒含量在0.700～0.900 mg/kg，仍表现出较强的富硒能力；CT1和CT2处理根系的硒含量分别为0.581和0.649 mg/kg，富硒能力较CT5和CT6处理极显著降低，但均极显著高于CK(0.334 mg/kg)。随着水稻进入成熟期，其根系逐渐衰老，各处理水稻根部的硒含量均出现不同程度下降，其中，CT6处理水稻根部的硒含量降至1.090 mg/kg，与峰值比降幅为4.4 %，但其富硒能力仍极显著高于其他处理；CT5处理水稻根部的硒含量降至0.910 mg/kg，比CT6低16.5 %；CT4、CT3、CT2和CT1处理水稻根系的硒含量分别降到0.726、0.675、0.533和0.468 mg/kg，富硒能力不断降低；CK水稻根系的富硒能力最弱(硒含量仅0.223 mg/kg)，极显著低于各紫云英还田处理。

表2 不同紫云英还田量处理水稻植株各部位硒含量的变化情况Table 2 The changes of Se content in different parts of rice plant under the treatments of different amounts of Chinese milk vetch returned to field

注：同一植株部位同列数据后不同大、小写字母分别表示差异极显著(P<0.01)和显著(P<0.05)。

Note:Different uppercase letters in the same column of the same plant part represented extremely significant difference(P<0.01)，and lowercase letters represented significant difference(P<0.05).

水稻地上部茎和叶的硒含量在整个试验期间的变化趋势与根系相似，即在水稻生长前期各处理水稻茎和叶对硒的富集能力较弱，硒含量处于较低水平；从返青结束开始，水稻茎和叶部位对硒元素的富集速度加快，其硒含量迅速升高，至抽穗期达到峰值；在抽穗期，CT6处理水稻茎和叶对硒的富集量分别为1.014和0.592 mg/kg，均极显著高于其他处理；CT5、CT4、CT3、CT2和CT1处理水稻茎的硒含量分别为0.878、0.656、0.581、0.536和0.411 mg/kg，叶的硒含量分别为0.562、0.451、0.423、0.392和0.342 mg/kg，表现出随紫云英还田量下降而递减的变化规律；相比之下，CK缺乏外源硒补给，其抽穗期茎和叶的富硒量最低，仅分别为0.207和0.139 mg/kg，均极显著低于各紫云英还田量处理；在水稻成熟期，由于硒元素向籽粒富集，各处理水稻茎和叶的硒含量均比抽穗期有所下降，其排序均表现为CT6处理>CT5处理>CT4处理>CT3处理>CT2处理>CT1处理>CK，且CT1～CT6处理极显著高于CK。可见，紫云英翻压还田对水稻各器官的富硒效应非常明显，且还田量越大富硒效果越佳。

2.3 不同紫云英还田量处理的稻米硒含量

由表3可知，与CK相比，紫云英翻压还田能有效提高稻米硒含量，且随着紫云英还田量的增加，稻米硒含量不断递增。其中，CT1处理的稻米平均硒含量为0.032 mg/kg，比CK高39.1 %，差异极显著，表现出极强的富硒能力；CT2～CT4处理稻米的硒含量为0.033～0.036 mg/kg，分别比CK高43.5 %、52.2 %和56.5 %，差异均达到极显著水平，但与CT1相比增长较缓慢，差异不明显；CT5处理的稻米硒含量为0.044 mg/kg，极显著高于CT4处理，达到GB/T 2499-2008《富硒稻谷》规定的标准(0.040～0.300 mg/kg)；CT6处理的稻米硒含量为0.047 mg/kg，略高于CT5处理，但差异不显著。综上所述，紫云英翻压还田对稻米的富硒效应非常明显，当还田量达到22 500 kg/hm2或更高时，可产出符合国标要求的富硒大米。

表3 不同紫云英还田量处理稻米的硒含量Table 3 The rice Se content under the treatments of different amounts of Chinese milk vetch returned to field (mg/kg)

注：同行数据后不同大、小写字母分别表示差异极显著(P<0.01)和显著(P<0.05)。

Note:Different uppercase letters in the same row represented extremely significant difference(P<0.01)，and lowercase letters represented significant difference(P<0.05).

图1 紫云英还田量与土壤有效硒含量、水稻各部位硒含量的相关性分析结果Fig.1 The analysis result of correlation between the amounts of Chinese milk vetch returned to field and available Se content of soil，Se content of different parts of rice

2.4 紫云英还田量与土壤有效硒含量及水稻硒含量的相关性分析

将紫云英还田量与试验期间各还田处理土壤有效硒含量和水稻根、茎和叶全硒含量的平均值及收获后稻米的硒含量进行相关性分析，结果(图1)发现，土壤有效硒含量随紫云英翻压还田量的增加呈线性增加，其拟合方程为y=0.0236x-0.0248，R2=0.8974，说明土壤有效硒含量与紫云英还田量呈显著正相关；紫云英还田量的增加也有助于水稻根系对硒元素的吸收，其拟合方程为y=0.0337x-0.1694，R2=0.8595，即紫云英还田量与水稻根系硒含量也呈显著正相关；此外，水稻茎、叶和大米的硒含量也随紫云英还田量的增加而递增，其R2分别为0.8455、0.8041和0.7886，可见水稻植株地上部的硒含量与紫云英还田量均呈显著正相关。从图1还可以看出，紫云英还田量与土壤有效硒含量、水稻各部位硒含量的相关系数排序为土壤>根>茎>叶>稻米，说明相关性与硒元素的运输距离有关，距离越远相关性越低。

3 讨论

与其他豆科植物相比，紫云英对硒元素的吸收能力更强，而且拥有较高的地上部生物量[20]，因而可作为高硒原料为土壤供给外源硒。已有研究表明，增加还田紫云英植株的硒含量是提高土壤硒含量的有效措施[21]。目前紫云英增硒方式多为叶片喷施亚硒酸钠溶液[22-23]，虽然短期内见效较快，但容易引起土壤硒残留和水体硒污染[24-25]。与传统增硒方式不同，本研究直接以增加紫云英鲜草的还田量来提升供硒水平，结果发现，紫云英翻压后土壤有效硒含量随还田量的增大而不断增高，表现出密切的正相关关系，说明紫云英翻压还田对土壤的增硒作用非常明显，且还田量越大增硒效果越佳。可见以增施紫云英的方法来替代旧有模式，有利于开发更加环保、生态的供硒技术，从而实现富硒水稻的安全生产。紫云英压青还田后其硒元素的释放受腐解程度影响，从水稻移栽开始至翻压第8天，CT1～CT6处理的土壤有效硒含量升高相对有限，说明在水稻生长前期紫云英植株腐解较缓慢，可能与春耕时温度较低有关[26]。水稻返青后气温回升，紫云英腐解速度加快，硒元素大量释放到土壤中，各还田处理土壤的有效硒含量迅速增加，并在4月28日(分蘖期)达峰值。之后剩余的紫云英残体分解速度放慢，加上水稻根系的吸收，土壤有效硒含量呈逐渐下降趋势。由此可推断紫云英在土壤中较容易腐解，但其硒元素释放主要集中在翻压后的10～30 d，这与宋莉等[27]、黄晶等[28]对紫云英还田后的腐解规律和氮、磷、钾营养元素释放特征的研究结果基本相符。

在自然生长条件下，作物所含的硒除种籽自身携带外，其余基本上来源于土壤。李伟等[29]、张宝军等[30]及史艳芙等[31]研究显示，土壤硒元素存在多种形态，但对作物发挥供硒作用的是其中能被根系直接吸收的有效态硒，因此增加土壤有效硒含量，对生产符合相关标准的富硒产品至关重要。本研究发现，与CK相比，紫云英还田促进土壤有效态硒的释放，从而为水稻提供充足的外源硒，并大幅提高其根、茎、叶和大米的硒含量。说明紫云英—水稻耕作模式能显著增强土壤供硒水平和水稻富硒能力，且完全生态无污染，具有良好的推广前景。在实际生产中，施入紫云英仅是明确增硒方向，还需要考虑土壤的硒状况和水稻对硒的富集特征以确定适宜的鲜草还田量范围，才能实现富硒水稻的稳定生产。土壤硒元素经水稻根系吸收进入植株体内，通过茎和叶的富集后再转运至籽粒，整个运输距离较长，加上中间各环节的截留和损耗，最终到达籽粒的硒明显减少[32]。当紫云英还田量不足时，土壤供硒受到限制，稻米硒含量徘徊在0.032～0.036 mg/kg，难以实现突破性上涨。随着紫云英还田量增大到22 500～24 000 kg/hm2，稻米硒含量极显著升高至0.044～0.047 mg/kg，达到GB/T 2499-2008《富硒稻谷》的标准。可见增施适量紫云英是提高稻米硒含量的有效措施，当还田量增加到22 500 kg/hm2时，即可生产符合国家标准的富硒大米。

本研究尚处于基础分析和理论探讨阶段，还需深入开展紫云英还田的富硒机理及硒元素的迁移特征研究，同时进行相应的示范和推广工作，为利用紫云英开发富硒水稻的生态栽培技术，推动广西富硒产业的可持续发展提供实践经验和技术方法。