酸性土壤条件下铁膜调控技术对水稻根表铁膜和籽粒硒累积的影响*

杨旭健,田宇豪,沈 宏

(华南农业大学资源环境学院 广州 510642)

硒(Se)是人体的必需营养元素。其影响人体健康的主要机理主要有两种:一是以硒代半胱氨酸形式参与构成谷胱甘肽过氧化酶并发挥抗氧化功能,二是促进人体抗体增殖和免疫细胞免疫活力提高。有研究表明适量低浓度的硒能够促进植物的生长发育,也能提高植物的抗氧化酶活性,增强抗逆性。但硒浓度过高则会干扰植物体内正常生理活动,从而影响植株的生长发育以及产量品质。目前我国约有7亿多人口生活在缺硒地区; 我国城乡居民的硒元素日摄入量为42.2～47.0 μg,达不到中国营养学会成人推荐摄入量60 μg·d的水平。食物是人体摄入硒元素的唯一途径,因此提高农作物中可食用部分的硒含量是一种廉价可行的提升我国居民的硒日均摄入量的补充途径。水稻()是最重要的主食之一,食用稻米能以较低的单位质量硒含量满足日均硒摄入需求。但禾本科植物属于非硒积累植物,硒含量一般＜30 μg·kg,低于十字花科(Cruciferae)和豆科(Leguminosae)植物的积累水平。植物富硒主要有两种途径:一是施用硒肥等常规农艺措施; 二是利用遗传学措施选育富硒种质资源。常用的施肥途径包括:叶面喷施、土壤施用和种衣剂等。叶面喷施与土壤施用两种方式补充硒营养实现促进籽粒硒累积的效果各有优劣。但上述常规施硒措施条件下,硒的植物利用率仅为5%～30%,容易造成养分资源浪费和环境污染。而且硒在水稻体内各器官的含量分布存在根＞茎＞叶＞籽粒的规律,因此常规田间管理条件下,籽粒富硒存在一定的技术困难,需要采用新的硒养分高效利用管理措施。

在渍水条件下,水稻根系能氧化存在于根际土壤溶液中的亚铁离子(Fe),使其在根表面形成由结晶态铁或非结晶态铁的氧化物或氢氧化物构成的红棕色的根表沉积物,即铁膜。因为水稻根表铁膜对硒有很强的亲和性,适量的铁膜能在不增加额外田间管理、不明显增加水稻种植经济成本且不显著影响水稻生长的前提下,提高水稻对硒的吸收,所以被认为是一种潜在的营养调控途径。目前的研究发现可以影响水稻根表铁膜形成的措施包括改变磷铁比、施用过氧化物、实施干湿交替等。傅友强等发现,水培条件下只有当营养液中的磷铁比低于或等于1∶3时,水稻根系表面才会形成大量红棕色铁膜。丁汉卿等的研究表明,在持续淹水的水田中利用过氧化尿素对孕穗期水稻进行增氧处理,与不施用过氧化尿素且持续淹水的水稻相比,根系活力提高19.2%,同时铁膜形成量增加最多,为34.8%。干湿交替是一种常见的田间管理措施。该措施通过控制田间的水分改变土壤的氧气浓度、氧化还原电位、微生物群落及元素存在形态等,影响土壤中Fe与Fe的浓度有效性,促进Fe在水稻根表沉积和根表铁膜的形成。虽然已经有很多研究报道水稻根表铁膜能影响硒的吸附与吸收,但其作用是促进或是抑制还没有定论。目前对水稻根表铁膜如何影响硒在植株器官累积和分布规律的研究也还缺乏。本研究在酸性土壤盆栽条件下,研究磷铁比、过氧化尿素和干湿交替3种调控手段单独应用及组合使用对水稻根表铁膜的形成、组成和水稻根、茎、叶和籽粒的硒含量的影响,为利用水稻根表铁膜促进水稻硒的吸收提供实践依据。

1 材料和方法

1.1 试验概况

供试水稻品种为籼稻品种‘天优998’。种子经过100 g·LHO消毒10 min和清水冲洗干净后放在铺有滤纸的培养皿中,置于30 ℃培养箱中催芽。种子出芽后依次用1/4、1/2、1倍剂量水稻营养液(配方见1.2)育苗,每个剂量水平培养7 d,在水稻长到两叶一心时(发芽30 d后)移栽到土壤中进行盆栽试验。试验所用盆高22 cm,顶部内径25 cm,底部内径16 cm,每盆装土4.5 kg。供试土壤的部分理化性质如下:pH 6.1,碱解氮 101.77 mg·kg,速效磷31.25 mg·kg,速效钾31.69 mg·kg,有机质28.93 g·kg,非结晶铁3.89 mg·kg,结晶铁10.13 mg·kg,有效铁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作为基肥[过氧化尿素处理不施CO(NH),磷铁比试验不施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 营养液配方

育苗期间使用的营养液配方成分如下: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 试验设计

本研究所有处理均设置3个重复,每盆为一个重复,栽有3株水稻; 所有盆以完全随机排列布置。过氧化尿素由河北三洁有限公司提供,其活性氧质量分数为14%,氮含量为30%。

1.3.1 不同磷铁比对水稻根表铁膜形成和植株硒吸收的影响

本研究中,磷铁比定义为土壤有效磷与施入外源铁的物质量的比。根据1.1测定的土壤基础指标,供试土壤的有效铁浓度很低,可忽略不计。而在稻田土壤的淹水还原环境下,施入土壤的Fe在短时间内仍保持其原有形态,不会很快转化为难溶的Fe氧化物或氢氧化物,因此这一定义有一定的合理性。本试验设置对照(磷铁比1∶0.25,近似为1∶0)、磷铁比1∶1 (施入278 mg·kgFeSO·7HO)、磷铁比1∶3 (施入833 mg·kgFeSO·7HO)和磷铁比1∶5(施入1.39 g·kgFeSO·7HO)4个处理。移栽前,对照处理按前文所述施基肥,不施铁肥; 其他3个处理只施氮钾基肥,所缺钾素用KCl补足,并按试验设计施用铁肥。

1.3.2 不同过氧化尿素对水稻根表铁膜含量和硒吸收的影响

本试验设置4个过氧化尿素施用水平处理:空白对照(每盆0.63 g普通尿素)、30 kg·hm(每盆0.29 g过氧化尿素、0.44 g普通尿素)、60 kg·hm(每盆0.58 g过氧化尿素、0.25 g普通尿素)和90 kg·hm(每盆0.97 g过氧化尿素),研究不同用量过氧化尿素对根表铁膜形成及水稻硒吸收的影响。

1.3.3 干湿交替对水稻根表铁膜含量和硒吸收的影响

本试验设置4个水分管理处理:对照(孕穗期前浅水灌溉,灌浆期自然落干一次)、拔节期干湿交替1次、拔节期干湿交替3次和全生育期持续淹水处理。落干程度以土壤含水量下降至供试土壤田间持水量的70%后保持1 d为度,淹水处理以保持2 cm的土表水层为度。一个干湿交替处理循环包括2 d的落干和1.5 d的淹水。

1.3.4 不同水稻铁膜调控技术组合处理对水稻铁膜形成和植株硒富集的效果

采用正交试验设计研究不同水稻铁膜调控技术组合使用对水稻铁膜形成和植株硒富集的效果。本试验设定为磷铁比为因素A,过氧化尿素为因素B,水分管理为因素C,各因素设置3个水平; 并根据正交试验设计原理,设计9个试验处理,各试验对应处理水平如表1所示。除上述9个处理外,还设置常规施肥(按前文施用基肥、不施铁肥、不施用过氧化尿素)且常规水分管理(孕穗期前浅水灌溉,灌浆期自然落干一次)作为对照。

表1 水稻铁膜调控技术正交试验处理Table 1 Orthogonal experiment treatments of rice iron plaque controlling techniques

1.4 水稻根表铁膜的测定

水稻根表铁膜测定采用Yang等的方法,根据铁膜的结晶度把铁膜分为非结晶态和结晶态两类铁膜:收获成熟期的完整水稻,各处理每盆中的3株水稻的所有完整根系作为一个重复样品,将根系依次用自来水和去离子水洗净,将其从植株剪下并充分混匀。取0.25 g根系混合样置于盛有30 mL pH 3.2的0.2 mol·LCO(NH)、0.14 mol·LCOH溶液的锥形瓶中,在25 °C下以150 r·min的速度振摇3 h以提取非结晶态铁。取出非结晶态铁提取液并将根系和锥形瓶用去离子水充分冲洗后,向其中加入20 mL 4/15 mol·L柠檬酸三钠(NaCHO)-1/9 mol·LNaHCO溶液及1 g NaSO,在75 °C下 以150 r·min的速度振摇15 min以提取结晶态铁。

将非结晶态铁及结晶态铁的提取液过滤稀释后,用原子吸收分光光度计(Model Z-5300,Hitachi,Japan)测定铁浓度,并计算样品的铁膜含量。结晶态铁和非结晶态铁的含量均以单位干质量样品的相应组分铁膜含量表示,即mg·g。铁膜结晶比定义为结晶态铁(氢)氧化物含量占总铁(氢)氧化物含量的比例。

1.5 水稻植株各器官硒含量的测定

植株各器官硒含量采用GB 5009.93-2017所述方法测定:收获成熟期的水稻植株样品,各处理每盆中的3株水稻的所有完整植株作为一个重复样品,依次用自来水和去离子水洗净后,将每份重复的水稻植株样品按根、茎、叶、籽粒(含穗)分割开,然后烘干粉碎混匀。称取各部分样品0.200 g分别放置于消解罐内,添加5 mL浓HNO和1 mL 300 g·LHO,按设置步骤消解后冷却至室温,然后放置于电热板上加热至近干,加入5 mL 6 mol·LHCl,继续加热至清亮无色后,取2 mL溶液取下冷却定容至25 mL,同时做空白试验。取己定容溶液至10 mL原子荧光离心管中,加入2 mL 浓HCl 和1 mL K[Fe(CN)]摇匀后,使用原子荧光光谱仪(中国北京吉天,AFS-8130)测定。

1.6 数据统计分析方法

使用SAS system for Windows 9.0 (SAS Institute Inc.,USA)软件计算数据的平均值、标准误并进行方差分析(包括-检验和Duncan 氏新复极差法多重比较)和线性相关分析。使用GraphPad Prism 7 for Windows (GraphPad Software Inc.,USA)软件绘制柱状图和散点图。

2 结果与分析

2.1 不同磷铁比处理对水稻根表铁膜和硒吸收的影响

图1结果说明,磷铁比的下降导致铁膜的非结晶态铁和结晶态铁含量上升。磷铁比1∶1、1∶3和1∶5处理的非结晶态铁与对照相比分别增长21.6%、40.7%和71.6%; 且1∶3和1∶5处理与对照的差异达显著水平(＜0.05)。而4个处理的结晶态铁膜含量相互均有显著差异(＜0.05)。因此当磷铁比低于或等于1∶3时,处理后根表铁膜的结晶度显著高于对照。

图1 磷铁比对水稻根表铁膜成分含量(a)和铁膜结晶比(b)的影响Fig.1 Effect of phosphate-iron ratio on components contents (a)and crystalline ratio (b)of iron plaque on rice root surface

图2的结果提示,随着磷铁比的降低,根系、茎及籽粒硒含量也随之上升,其中根系硒含量增加12.7%～42.3%,茎硒含量增加23.6%～49.8%,均不同程度显著高于对照处理(＜0.05); 虽然不同磷铁比处理的叶片硒含量增幅最高达到21.4%,但处理间差异不显著。值得注意的是,虽然籽粒硒含量也随着磷铁比的降低而上升10.3%～55.3%,且磷铁比1∶3和1∶5处理的硒含量显著高于对照(＜0.05),但其硒含量属于富硒稻米标准的中等偏下水平。

图2 磷铁比对水稻各部位硒含量的影响Fig.2 Effect of phosphate-iron ratio on Se contents of rice organs

2.2 不同过氧化尿素处理对水稻根表铁膜和硒吸收的影响

施用过氧化尿素能显著提高水稻根表非结晶态铁膜含量41.9%～111.0%。30 kg·hm、60 kg·hm和90 kg·hm3个过氧化尿素处理的结晶态铁膜含量显著高于0 kg·hm处理(＜0.05),但60 kg·hm和90 kg·hm处理间差异不显著。相应地,60 kg·hm和90 kg·hm处理的结晶比显著高于0 kg·hm和30 kg·hm处理24.5%～32.1% (＜0.05)(图3)。

图3 过氧化尿素对根表铁膜成分含量(a)和结晶比(b)的影响Fig.3 Effect of urea peroxide to components contents (a)and crystalline ratio (b)of iron plaque on rice root surface

与对照相比,过氧化尿素施用量的增加显著提高了根系硒含量,增幅为47.1%～98.1% (图4)。3个施过氧化尿素处理的茎硒含量都显著高于对照29.3%～78.7% (＜0.05),但60 kg·hm处理茎硒含量与90 kg·hm处理无显著差异。尽管不同过氧化尿素处理间叶片硒含量随过氧化尿素施用量增加而上升,且60 kg·hm和90 kg·hm处理的硒含量显著高于对照(＜0.05),但3个过氧化尿素处理间差异不显著。3个过氧化尿素处理籽粒硒含量均显著高于对照(＜0.05),但值得注意的是,60 kg·hm与90 kg·hm处理的籽粒硒含量无显著差异且高于其他两个处理。

图4 过氧化尿素对水稻各部位硒含量的影响Fig.4 Effect of urea peroxide on Se contents of rice organs

2.3 不同干湿交替处理对水稻根表铁膜和硒吸收的影响

对照和两个干湿交替处理的非结晶态铁膜含量显著低于持续淹水处理23.0%～33.1% (＜0.05)(图5),且两个干湿交替处理的非结晶态铁膜含量低于对照处理。与之相反,干湿交替处理增加结晶态铁膜含量。与持续淹水相比,对照、干湿交替1次处理和干湿交替3次3个处理显著增加结晶态铁膜含量76.6%～142.0% (＜0.05)。由于干湿交替对结晶态铁和非结晶态铁累积量的相反作用,4个处理的结晶比呈现随着落干时间增加而提高的趋势,即干湿交替3次＞干湿交替1次＞对照＞持续淹水。

图5 干湿交替对根表铁膜成分含量(a)和结晶比(b)的影响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

对照、干湿交替1次和3次处理间的根系硒含量无显著差异,且都显著低于持续淹水处理(＜0.05)。但各处理茎部的硒含量高低顺序为:干湿交替3次＞干湿交替1次＞持续淹水=对照。持续淹水处理的叶片硒含量则显著低于干湿交替3次处理,降幅为6.6%。对照和干湿交替3次处理的籽粒硒含量显著低于持续淹水处理(＜0.05),但干湿交替1次处理的硒含量与持续淹水无显著差异(图6)。

图6 干湿交替对水稻各部位硒含量的影响Fig.6 Effect of alternation of wetting and drying (AWD)to Se contents of rice organs

2.4 不同磷铁比、过氧化尿素及干湿交替处理形成铁膜与水稻籽粒硒含量的相关性分析

由图7的线性相关分析表明,在不同磷铁比处理和不同过氧化尿素处理下,水稻根表铁膜结晶态和非结晶态铁膜浓度都与籽粒硒含量呈极显著线性相关(＜0.01)(图7a,b,d,e)。而在不同干湿交替处理条件下,两种形态的铁膜(图7c,f)与籽粒硒含量线性相关都不显著。

图7 不同磷铁比(a,d)、过氧化尿素(b,e)及干湿交替(c,f)处理下铁膜含量与水稻籽粒硒含量的相关性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 不同处理组合对水稻根表铁膜形成量及硒富集的影响

前面的单因素试验已经证实,低磷铁比、过氧化尿素和干湿交替处理都可以提高水稻的铁膜含量。3个因素的3种处理形成的9种组合对铁膜形成的影响如图8所示。9个处理的非结晶态铁膜含量都显著高于对照处理(＜0.05),其中ABC处理的非结晶态铁膜含量最高,为141.93 mg·g,是对照的2.36倍。一般地说,当磷铁比低于1∶5时(即A或A处理),B(90 kg·hm过氧化尿素)和C(持续淹水)处理比较容易获得较高的非结晶态铁膜含量。而除了ABC之外的8个组合处理的结晶态铁膜含量显著高于对照处理(＜0.05),处理间的差异区分程度比非结晶态铁膜含量明显; 其中ABC处理的结晶态铁膜含量最高,为4.76 mg·g,比对照高2.02倍(图8b)。总的来说,B因素(过氧化尿素)的水平为2或3 (60或90 kg·hm过氧化尿素)以及C因素(水分管理)的水平为1或2 (1次或3次干湿交替)的处理组合能得到较高含量的结晶态铁膜。结晶比的变化规律与结晶态铁含量相似,最高的结晶比出现在非结晶态和结晶态铁膜含量都在中等水平的ABC处理(图8c)。

图8 不同处理组合对根表铁膜成分含量和结晶比的影响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)结果表明,3种调控方法组合下,磷铁比处理因能极显著(＜0.01)影响结晶态铁含量,进而显著(＜0.05)影响铁膜结晶比,但对非结晶态铁膜没有显著影响。由于过氧化尿素对结晶态和非结晶态铁含量的促进效果相对均衡,最终表现为对结晶比有显著影响。干湿交替处理对结晶态和非结晶态铁膜含量以及结晶比都有显著影响(＜0.05),由于干湿交替处理对两种形态的铁膜作用是相反的,即有利于结晶态铁膜含量增加而不利于非结晶态铁膜累积,加之其对非结晶态铁含量影响的增幅高于对结晶态铁膜的降幅,结晶比表现为与非结晶态铁膜相似的变化趋势。值得注意的是,由于方差分析提示3个因素存在交互作用,因此对上述数据进行多因素多重比较分析并以此推测最有利于铁膜形成的组合处理意义不大; 根据实际试验结果可知,最有利于非结晶态和结晶态铁膜累积的分别是ABC和ABC处理,最有利于铁膜结晶比提高的处理是ABC。

磷铁比、施用过氧化尿素、干湿交替3种处理组合试验的籽粒硒含量结果(图9)表明,与对照相比,全部9个组合处理都显著提高水稻籽粒硒含量。其中ABC处理的籽粒含硒量最高,达0.116 μg·g,是对照的2.01倍; 过氧化尿素施用量大于或等于60 kg·hm(即B、B水平)处理的籽粒硒含量也比对照高77.0%～82.1%。方差分析结果表明在组合处理下,磷铁比(A)对籽粒硒含量作用不显著,而过氧化尿素(B)和干湿交替(C)对籽粒硒含量作用显著(＜0.05)。由于3个因素存在交互作用,因此对上述数据进行多因素多重比较分析并以此推测最有利于籽粒硒累积的组合处理意义不大; 根据实际试验结果,把ABC定为最佳处理组合。另外,由方差分析的值(表2)可知,3种调控技术对水稻铁膜含量和水稻籽粒硒含量影响大小顺序为过氧化尿素处理＞干湿交替处理＞磷铁比处理。

表2 不同处理组合对铁膜含量和籽粒硒含量影响的方差分析(F值)Table 2 Analysis of variances (F values)of the effect of treatment combinations on iron plaque contents and grain Se content

图9 不同处理组合对水稻籽粒硒含量的影响Fig.9 Effect of different treatment combinations on rice grain Se content

3 讨论与结论

3.1 磷铁比、过氧化尿素及干湿交替处理对水稻铁膜形成量和硒吸收的影响

土壤中存在硒的多种形态,包括亚硒酸盐、硒酸盐、硒化物、含硒有机物等; 其中水溶态的硒酸盐和亚硒酸盐溶解度高、迁移性好,是植物从土壤吸收的主要硒形态。硒酸盐主要存在于碱性和通气良好的旱作土壤中,而亚硒酸盐则主要存在于中性至弱酸性还原性水稻土中。土壤中硒的含量及形态、水分含量、土壤的pH和养分离子相互作用以及硒肥的施用量和施肥时期等因素都能影响土壤中硒的有效性以及水稻对硒的吸收、利用效率和籽粒硒含量。而调控水稻根表铁膜的技术也是通过改变土壤的上述理化特性影响根表铁膜形成过程。

铁膜属于两性胶体,它拥有特别的电化学性质和很大的表面积,能够通过吸附或者共沉淀多种养分和重金属元素,并增加根系比表面积,因此可以作为营养库储存部分根际硒养分,并缓慢释放到根系供植物吸收。因此调控铁膜的形成也能起到调控水稻硒吸收的作用。调控水稻铁膜形成量及性质的方式有很多,本文主要探讨了磷铁比、外源施用过氧化尿素和干湿交替3种方式对水稻铁膜形成的影响。傅友强等研究发现,对水培条件下的水稻进行磷铁比试验,只有磷铁比低于1∶3,方可见明显的红棕色铁膜在根表沉积。其可能原因是高浓度的磷酸根能与溶液中的铁结合形成沉淀,降低根际可被氧化的亚铁浓度。本试验结果支持这一规律,且磷铁比越低,铁膜形成量越高(图1a)。值得注意的是,结晶态铁膜的变化差异比非结晶态铁膜显著,提示磷铁比对结晶度高的铁膜矿物形成量影响更显著。但磷铁比为1∶3和1∶5处理两种形态的铁膜增长比例相当,所以两个处理的磷铁比差异不显著(图1b)。

过氧化尿素在土壤溶液中可分解成过氧化氢和尿素,不但可以为水稻生长提供氮素营养,还可以为水稻根系营造氧化环境。肖元松等和杜宏儒等发现,施用过氧化尿素可以在较长时间内提高土表水体和根际溶氧量,提高根系抗氧化酶活性,从而缓解淹水胁迫对植株的伤害作用。丁汉卿研究发现,土壤中增施过氧化尿素后,土壤中的非结晶态铁降低14.6%～33.5%,结晶态铁增加4.5%～32.4%,水稻的根表铁膜增加8.0%～34.8%。本试验结果中,过氧化尿素施用量与两种形态的铁膜含量都呈正相关关系(图3a),但高浓度(≥60 kg·hm)的过氧化尿素处理对结晶态铁膜的提升效果不显著,说明高浓度过氧化尿素处理有利于非结晶态铁膜形成而不利于非结晶态铁转化为结晶态铁。由于过氧化尿素能把四价硒高效地氧化为六价硒,使其更容易被水稻转运到地上部,促进籽粒硒含量的提高。因此过氧化尿素处理对水稻籽粒硒累积的提升作用非常显著(图4),但由于90 kg·hm处理的高剂量氮供应可能增加了有效穗数,降低了单穗粒重,导致单位质量的籽粒硒含量下降; 所以与60 kg·hm处理相比,90 kg·hm处理籽粒硒含量并未显著增加。至于90 kg·hm处理所释放的氧化性物质量是否可能对根系造成了伤害,或者过量硒累积对植株造成了抑制作用,还有待进一步研究。虽然本研究中,水稻籽粒硒含量与铁膜含量呈正相关的结果与高阿祥提出的铁膜增加会促进硒的吸收的结论一致。但磷铁比与过氧化尿素两类处理的结果还略有差异:磷铁比处理条件下,籽粒硒含量的提高与结晶态铁膜含量关系更紧密(图7a,d)；而在过氧化尿素处理条件下,非结晶态铁膜含量的提高更能促进籽粒硒累积(图7b,e)。

干湿交替通过若干轮排水-淹水循环操作,使土壤氧化还原电位发生周期性波动,克服长期淹水带来的土壤还原性物质累积、氮素挥发淋失等弊端,从而提高水稻氮吸收转运和利用效率、水分利用效率、光合速率等,最终实现产量提高。另外,干湿交替对土壤中已存在的硒也有一定的活化作用。本研究结果提示,干湿交替处理对铁膜的贡献主要在于结晶态铁含量的提高,但同时也导致非结晶态铁含量显著下降(图5)。其可能的原因是干湿交替处理降低了土壤水分含量,提高了氧化还原电位,从而降低土壤溶液中Fe浓度,减少与根际接触并被氧化的几率,阻碍铁膜形成。与王瑞昕等提出的干湿交替较淹水灌溉一定程度上提高水稻稻米硒含量的观点有所不同,本研究条件下,进行一次干湿交替处理后籽粒硒含量与持续淹水处理后相当,但显著高于对照和干湿交替3次处理(图6)。结合各处理的铁膜形成量(图5)考虑,解释这一现象可能与不同结晶度铁膜对硒的吸附-解吸能力有关。

值得注意的是,pH也是影响土壤中硒有效性的重要因素; 当pH+大于15时,土壤中的硒以六价为主; 当pH+为7.5～15时,则以四价为主,水稻田的和pH范围决定了土壤中的大部分硒以四价形式存在。根际呈酸性(pH 3～5)时,硒主要以HSO甚至HSeO形态存在,水稻根系主要通过水通道主动吸收HSeO; 而根际呈碱性(pH8)时,硒主要形态为SO,水稻主要通过非阴离子通道途径被动吸收硒,吸收效率低于酸性根际环境。虽然最有利于土壤中的硒以有效性最高的水溶态硒存在的pH只有很窄的范围(pH 6.82～7.09),但硒元素转化为其他有效性低的形态至少需要30 d,而且酸性土壤对硒的固定和还原作用强于中性和碱性土壤。并且在相同值条件下,pH值越高四价硒越容易被氧化为六价硒,所以似乎碱性土壤更有利于硒吸收。但弱酸性条件下,铁膜的主要成分之一针铁矿因质子化而带有正电荷,对亚硒酸根离子的吸附能力较强,有利于硒在根际富集,并在pH＞5.6的情况下释放; 而在碱性条件下,土壤中的Fe大多在非根际即与OH、HCO或CO结合形成沉淀,难以迁移到根际形成铁膜,硒元素也容易被分散地吸附固定在非根际。因此适时采取根际调控措施后,方能提高弱酸性土壤的硒有效性,从而有利于水稻硒的吸收。

3.2 不同铁膜调控技术的组合应用对水稻铁膜和硒吸收的影响

为尽可能降低系统误差,减少多因素试验的处理设置量,采用正交试验设计3种铁膜调控技术的组合试验。多因素方差分析结果表明过氧化尿素(B因素)和干湿交替(C因素)对水稻的根表铁膜形成和籽粒硒含量影响均达极显著水平; 同时这两个因素的效应掩盖了磷铁比的效应,造成磷铁比处理(A因素)对非结晶态铁膜含量和籽粒硒含量影响都不显著(表2)。因为过氧化尿素可以迅速强烈地提高根际氧化还原电位,所以即使长期淹水条件下也会在根际发生强烈的氧化反应,提高铁膜矿物结晶度; 同时过氧化尿素使根际相当一部分亚硒酸根被氧化成毒性相对较低的硒酸根,使其从铁膜中解吸、被根系吸收并被转运到地上部特别是籽粒。因此淹水条件下适量施用过氧尿素能实现不影响水稻根系水分和其他养分吸收的淹水条件下安全地吸收充足的六价硒酸根离子,使其在籽粒累积(图9)。所以在本研究供试土壤硒含量(0.21 mg·kg)远低于全球土壤平均硒含量(0.4 mg·kg),并且采用1 mg·kg的较低外源硒肥施用量的情况下,仍能获得中等水平的富硒水稻(图9)。需要指出,本研究把根系本身和铁膜视为一个整体进行研究其硒含量,也未对根际存在和铁膜吸附的硒价态进行分析。因此对结果的解释很多只是推测而缺乏结果佐证,因此对上述两点的继续研究将有助于更好地解释本研究的结果。

3.3 结论

1)磷铁比、过氧化尿素以及干湿交替处理都可以改变水稻铁膜形成量。磷铁比降低和过氧化尿素施用量的增加以及持续淹水处理都能一定程度上提高根表铁膜形成量及硒吸附量,从而提高植株各器官的硒含量。当磷铁比低于1∶3或过氧化尿素施用量高于60 kg·hm时,根表铁膜形成量和水稻籽粒趋近最高值。磷铁比和过氧化尿素处理条件下,水稻籽粒硒含量与水稻根表铁膜的含量呈正相关:其中磷铁比处理条件下,水稻籽粒硒含量与水稻根表结晶态铁膜的含量相关性更强; 而在过氧化尿素处理条件下,水稻籽粒硒含量与水稻根表非结晶态铁膜的含量相关性更强。

2)正交试验结果表明,在持续淹水条件下,外源施用60 kg·hm过氧化尿素处理能在不影响水稻正常水分和养分吸收的情况下,营造富含亚铁离子且氧化还原电位较高的根际环境,促进根表铁膜的形成,从而提高籽粒硒含量。而在上述处理条件下,磷铁比对铁膜形成量和籽粒硒含量的影响不显著。