加硒再生水不同灌溉方式下土壤硒的空间分布及影响因素分析

马 天，高 峰，刘春成, 3，胡 超，崔丙健，崔二苹, 3，郝益婷

加硒再生水不同灌溉方式下土壤硒的空间分布及影响因素分析

马 天1, 2，高 峰1, 3*，刘春成1, 2, 3，胡 超1, 3，崔丙健1, 3，崔二苹1, 2, 3，郝益婷1, 2

（1.中国农业科学院 农田灌溉研究所，河南 新乡 453002；2.中国农业科学院 研究生院，北京 100081；3.中国农业科学院 农业水资源高效安全利用重点开放实验室，河南 新乡 453002）

【目的】研究加硒再生水滴灌与畦灌对土壤中硒的空间分布及与土壤理化性质的相关性。【方法】采用盆栽试验水肥一体加硒法，设置了高低2个加硒量（H：4 mg/kg，L：1 mg/kg）和3种灌水方式（2D：2 L/h滴灌，4D：4 L/h滴灌，Q：小畦灌），并以不加硒作为对照，试验共7个处理（2DL、4DL、QL、2DH、4DH、QH、CK不加硒），研究了在再生水滴灌和畦灌条件下，添加不同量的外源硒对土壤硒空间累积分布的影响。【结果】除不加硒处理（CK）外，其他各处理0～10 cm土壤含硒量显著高于10～20 cm土壤含硒量（＜0.05）；在距滴头水平距离10 cm处的土壤，低加硒量的2DL、4DL、QL处理土壤含硒量比CK分别提升了1.04、1.21、0.83倍，高加硒量的2DH、4DH、QH处理比CK土壤含硒量分别提升了2.03、2.31、2.48倍；2 L/h滴灌的2DL、2DH处理土壤含硒量的等值线图呈“窄深”型，4 L/h滴灌的4DL、4DH处理土壤含硒量呈“浅宽”型，小畦灌的QL处理下呈“浅宽”型，小畦灌的QH处理下呈“近水平等高线型”。【结论】加硒灌溉显著提升0～10 cm土层土壤含硒量，且外源硒施加量为1 mg/kg和4 mg/kg时，0～10 cm土层处于中硒与富硒量值区间内；2 L/h加硒滴灌，相较于畦灌更有利于外源硒在0～10 cm土层植物根系层附近的累积，同时减少外源硒的深层淋洗；0～10 cm土层土壤有机质质量分数和含水率与土壤含硒量显著正相关，土壤电导率与土壤含硒量呈负相关关系。

再生水；滴灌；土壤；硒；理化性质

0 引言

【研究意义】硒是人类和动物的必须元素[1]，硒摄入不足影响身体健康，包括氧化应激性疾病，降低生育能力和免疫功能，增加癌症风险等[2]。据估计，全球范围内有5亿～10亿人硒摄入量不足[3]。中国从东北三省起至云贵高原存在一条低硒带[4-5]，全国2/3的耕地土壤处于缺硒状态，导致这些地区人口硒摄入量不足[6]。在缺硒地区，施加外源硒提升作物含硒量是解决人类硒摄入不足的重要途径。水资源紧缺已严重制约着我国农业的发展，再生水灌溉利用已成为我国缓解水资源紧张的替代战略，许多缺水地区利用再生水灌溉已势在必行。虽然前人研究表明再生水水质满足《城市污水再生利用农田灌溉用水水质》等国家标准，且产出的产品品质达到安全标准要求，但由于宣传认识不到位，目前再生水灌溉下的作物产品在大众心目中认可度不高。开展再生水灌溉地区富硒产品相关研究，对提高农业再生水安全利用具有重要的现实意义。硒在土壤中的空间分布直接影响着作物对硒的吸收，土壤的基本理化性质与土壤硒空间分布有密切关联，探讨加硒再生水滴灌与畦灌对土壤中硒的空间分布及与土壤理化性质的相关性，为再生水灌溉利用技术提供支撑。

【研究进展】唐俊杰等[7]研究表明，外源硒添加水平越高，小白菜富集硒效果越明显。马红梅等[8]发现适量施用硒肥能够促进甜荞生长，当施用硒肥质量浓度为0～10 mg/kg时，可以促进甜荞叶绿素合成、提升蒸腾速率、气孔导度、净光合速率和甜荞生物量。姜超强等[9]研究表明，水稻根系、茎叶和籽粒中的含硒量均随着土壤含硒量增加而增加，土壤含硒量为0.5～1.0 mg/kg所产的富硒大米（0.15～0.20 mg/kg），可满足人体6 080 μg/d硒的需要量，而土壤含硒量≥1.5 mg/kg所产大米含硒量达到0.319 mg/kg，超出粮食含硒量安全标准。【切入点】添加外源硒培植富硒作物是生物转硒技术的重要途径，有关外源硒施加量对作物硒富集的影响的研究已经很多，但通过不同灌溉方式的水肥一体技术施加外源硒、外源硒在土壤中的分布规律及与土壤理化性质的相关性等方面的研究较少。因此，开展相关研究为通过灌溉方式调控硒在土壤中的分布规律及土壤理化性质，对科学提升生物转硒技术安全性和有效性有重大意义。

【拟解决的关键问题】本研究通过盆栽试验，在滴灌2 L/h、滴灌4 L/h和小畦灌3种灌水方式下，分析高低2种外源硒施加量对土壤硒富集规律的影响，探明分析加硒再生水在不同灌溉方式下土壤硒空间分布及与土壤理化性质的相关性，为再生水灌溉下调控土壤硒分布、提升作物含硒量提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2020年10月20日—2021年5月17日在中国农业科学院农田灌溉研究所新乡农业水土环境野外科学观测试验站（35°15'N、113°55'E，海拔73.20 m）日光温室中开展。供试土壤取自中国农业科学院新乡七里营试验基地（35°18'N、113°54'E，海拔84 m）的农田0～20 cm 耕层土壤，质地为砂壤土。

表1 供试土壤基本理化性质

供试作物为山东紫皮蒜，鳞茎扁圆形，外皮紫红色，头大，蒜瓣少，耐寒性强。外源硒选用无水亚硒酸钠（纯度99%），配置1 g/L亚硒酸钠标准水溶液，试验中各处理的加硒量随灌溉水施入方箱。试验装置为80 cm（长）×40 cm（宽）×40 cm（高）的方箱，将供试土壤过5 mm筛，均匀装入上述方箱，装填高度为30 cm。

试验水源为新乡市骆驼湾污水处理厂的再生水，所有处理均采用再生水灌溉，污水处理工艺为A/O（Anoxic Oxic）反硝化生物滤池及臭氧氧化组合工艺，试验再生水水质指标均符合农田灌溉水质标准（GB 5084—2021）和城市污水再生利用农田灌溉用水水质标准（GB 20922—2007）。

1.2 试验设计

试验设置灌水方式（A因子）和加硒量（B因子）2个因子，其中加硒量（A因子）设1 mg/kg（L）和4 mg/kg（H）2个水平，灌水方式（B因子）设滴灌2 L/h（2D）、滴灌4 L/h（4D）和小畦灌（Q）3个水平。试验设置滴灌2 L/h不加硒对照CK。试验采用随机区组设计，共计6个处理，1个对照，每个处理设4个重复。

表2 试验用再生水水质

表3 试验因子处理表

硒施加量指加入硒的总量换算成0～15 cm耕作层土壤中的硒质量浓度。大蒜种植间距定为20 cm，滴头位置在每株大蒜正上方，每个方箱种植3株大蒜，一列排开株间距20 cm。

滴灌处理在每株大蒜正上方设置滴头1个，共计3个滴头，滴头间距为20 cm。4DL、4DH处理滴头流量4 L/h，2DL、2DH处理和CK滴头流量为2 L/h；QL处理和QH处理采用小畦灌方式灌水。小畦灌与滴灌的湿润比分别为100%、60%，计划湿润土层深度设置为15 cm，田间持水率低于65%时开始灌水。2 L/h滴灌每次灌水15 min，每次合计灌水1.5 L；4 L/h滴灌每次灌水7.5 min，每次合计灌水1.5 L；小畦灌每次灌水2.5 L。

1.3 取样方法

在大蒜成熟收获后，立即采集土样。土样采集使用混合样品采集方法。水平方向以滴头为中心，选取距滴头中心0、5、10 cm处取3个位置，深度方向选取0～10、10～20 cm处2个土层深度，每个重复取土18钻，混合成6个空间点位土样（如图1所示，相同颜色土柱混合为1个土样，代表1个空间点位）。

图1 取土方法示意图

1.4 指标测定方法

土样采集后分别测定土壤全硒量、土壤pH值、土壤电导率（）、土壤有机质量（OM）、土壤含水率。土壤全硒量的测定采用国标NY/T 1104-2006 中的原子荧光光谱法。土壤pH值使用pH S-1型酸度计（美国Orion奥立龙公司，±0.001）测定。土壤电导率使用DDB-303A 型便携式电导率仪（上海仪电科学仪器股份有限公司，±1.0%）测定。土壤有机质采用低温外热重铬酸钾氧化-比色法测定。土壤含水率采用取土烘干法测定。

3)设计了高精度掘进机位姿测量验证系统，并通过掘进机位姿测量试验证明了系统的可靠性，该验证系统可作为掘进机位姿检测、定位、定向及纠偏试验的可行性验证与测量精度的对比系统。

1.5 数据分析

采用SPSS statistic17软件进行数据分析，采用R语言软件绘制相关性分析热图及土壤含硒量空间分布热图。

2 结果与分析

2.1 垂直方向土壤硒分布情况

不同深度土壤硒分布情况如图2所示。在0～10 cm土层，2DL、4DL、QL处理比土壤含硒量分别比CK高2.77、2.09、1.31倍，2DH、4DH、QH处理土壤含硒量分别比CK高3.87、4.45、3.84倍；在10～20 cm土层，2DL、4DL、QL处理土壤含硒量分别比CK提升了0.83、0.57、0.51倍，2DH、4DH、QH处理土壤含硒量分别比CK高1.41、0.93、1.49倍。说明灌溉时施加外源硒可以显著提升不同深度土层土壤含硒量，外源加硒量与土壤硒的累积量呈正相关关系，但土壤含硒量0～10 cm土层显著高于10～20 cm土层。

在0～10 cm土层，2DL处理土壤含硒量比QL处理高112%（＜0.05），而2DL处理与4DL处理之间无显著差异（＞0.05），4DL处理与QL处理间也无显著差异（＞0.05）；2DH、4DH、QH处理间均无显著差异（＞0.05）。说明低加硒量下2DL和QL处理对0～10 cm土壤硒累积量影响显著，对10～20 cm土壤硒累积量没有显著影响；高加硒量下不同灌水方式对0～20 cm土壤含硒量的影响没有显著性差异。

除不加硒处理（CK）外，其他各处理0～10 cm土壤含硒量显著高于10～20 cm土壤含硒量（＜0.05）；2DL、4DL、2DH、4DH处理0～10 cm土层土壤含硒量比10～20 cm土层分别高98.47%、89.30%、94.43%、171.88%（＜0.05），QL、QH处理在0～10 cm土层土壤含硒量分别比10～20 cm土层处高47.04%、68.02%（＜0.05）。说明灌溉时外源施加硒表层土壤的累积效果强于深层土壤，滴灌加硒相较于畦灌加硒，外源硒会更多地停留在表层土壤，深层流失则相对较少。

注不同小写字母表示同一深度各处理间的差异显著，不同大写字母表示同一处理在不同深度差异显著。

2.2 水平方向土壤硒分布情况

距滴头不同水平距离处土壤硒分布情况如图3所示。距滴头水平距离0 cm处的土壤，2DL、4DL、QL处理土壤含硒量分别比CK高3.90、2.81、1.79倍，2DH、4DH、QH处理土壤含硒量分别比CK高5.15、4.25、4.04倍；在距滴头水平距离5 cm处的土壤，2DL、4DL、QL处理土壤含硒量分别比CK高2.13、1.20、0.82倍，2DH、4DH、QH处理土壤含硒量分别比CK高2.77、2.52、2.11倍；在距滴头水平距离10 cm处的土壤，2DL、4DL、QL处理土壤含硒量分别比CK高1.04、1.21、0.83倍，2 DH、4 DH、QH处理土壤含硒量分别比CK高2.03、2.31、2.48倍。说明灌溉时施加外源硒可以显著提升水平方向各位置土壤含硒量，外源硒加入量与土壤硒水平方向累积量呈正相关关系。

2DL处理在0、5 cm位置处土壤含硒量分别比QL高出75.37%和72.05%（＜0.05），而2DL和4DL之间及4DL和QL处理之间在3个位置均无差异；2DH、4DH、QH处理土壤含硒量在水平3个位置均无差异。可以得出低加硒量下，2DL相较QL距滴头0 cm处、5 cm处土壤硒累积量差异显著，而高加硒量则会减弱不同灌水方式间水平方向土壤含硒量的差异。

图3 水平方向土壤含硒量分布

2DL、4DL、QL处理在0、10 cm处2个水平位置间土壤含硒量差异均显著（＜0.05），而2DH、4DH、QH处理在这3个水平位置土壤含硒量均无显著性差异（＞0.05）；2DL、4DL、QL处理在10 cm处土壤含硒量分别比0 cm处减少49.36%、29.51%、20.15%。可以得出低加硒量下不同灌水方式之间土壤硒水平分布差异性更强，土壤硒水平分布均匀性呈小畦灌＞高流量滴灌＞低流量滴灌的趋势。

2.3 土壤含硒量空间分布

2DH、4DH、QH处理土壤含硒量中心峰值分别达到0.8、0.94、0.61 mg/kg，外边缘值分别达到0.38、0.28、0.37 mg/kg；2DL、4DL、QL处理土壤含硒量峰值分别达到0.66、0.45、0.36 mg/kg，外边缘值分别达到0.22、0.21、0.22 mg/kg；根据中国硒元素生态景观类型图有关土壤含硒量等级划分，不加硒对照CK表土含硒量处于边缘硒水平（即硒匮缺状态），低加硒量处理过后的表土含硒量可达到中等和高含硒量水平（即不缺硒和富硒状态），高加硒量处理过后表土含硒量可达到高含硒量水平（即富硒状态）。可知加硒灌溉可以显著提升缺硒地区土壤表土含硒量，使耕作层土壤含硒量局部性达到不缺硒和富硒水平。

2.4 土壤理化性质与硒累积分布的相关性分析

为探明空间位置上土壤基本理化性质与土壤硒迁移累积的关系，将空间不同位置的土壤含硒量与土壤pH、、有机质量、含水率进行相关性分析。不同空间位置土壤含硒量与土壤理化性质的相关性如图5所示，加硒不同灌水方式处理下土壤理化指标变化情况如表4所示。

随着深度方向10～20 cm土层土壤pH值的升高，会显著提升0～10 cm土层土壤含硒量，即深层土壤pH值的升高，会显著促进表层土壤硒的累积。在水平0 cm、深度方向0～10 cm土层，土壤电导率与土壤含硒量存在显著的负相关关系，即随着土壤电导率的提升，会显著抑制土壤硒的累积。在深度方向0～10 cm土层，土壤有机质量与土壤含硒量呈显著的正相关关系。在水平0 cm土层中，土壤含水率与土壤含硒量呈显著正相关关系，即土壤含水率提高土壤含硒量显著增加。

综上所述，土壤pH值升高，会促进土壤硒从pH值高的区域向pH值低的区域迁移累积。土壤电导率升高抑制土壤硒吸附累积。土壤有机质量与土壤含硒量具有高度正相关关系，土壤有机质量升高，土壤含硒量的增加。在滴灌湿润体内部，土壤含水率与土壤含硒量正相关，土壤水分是驱动土壤硒迁移的重要因子。

图5 不同位置土壤含硒量与土壤理化性质的相关性分析

表4 不同加硒灌水方式处理下的土壤理化指标

注 不同小写字母表示同一指标在水平上差异显著，不同大写字母代表同一指标在垂直方向的差异显著。

3 讨论

土壤中硒主要有元素态硒（0价）、亚硒酸盐（+4价）、硒酸盐（+6价）、硒化物（-2价）和有机几种形态，其中亚硒酸盐与硒酸盐是植物可以利用的主要形态。亚硒酸钠可溶于水，随灌溉水施入土体后易被土壤中的黏土矿物/铁铝氧化物所结合，被土壤吸附，并在适当条件下解吸[10]。亚硒酸盐被氧化为硒酸盐后水溶性增强，更易随土壤水分运动迁移。本研究中外源硒的土壤空间累积与灌溉湿润体形状高度相似，其主要原因是试验中添加的外源硒为亚硒酸钠，属于水溶性硒，能够在灌溉水的淋润作用下，被淋洗至作物根系土壤附近。灌水结束后随着土壤含水率的下降，水溶性的亚硒酸钠会与土壤中矿物和铁铝氧化物结合，被土壤吸附，并达到吸附解析平衡，进而使外源硒在作物根系层土壤累积[11-12]。研究表明滴灌相较于小畦灌，外源硒在表层土壤的累积更多，这是因为畦灌每次的灌水定额较高，水分的深层渗漏较高，部分可溶性的亚硒酸钠还未被表层土壤吸附，便被淋洗至深层土壤中。因此使用滴灌加硒会降低深层渗漏，提升有效硒的比例及作物对外源硒的利用效率。

唐昌贵等[13]通过研究硒在辣木-土壤中的迁移转运规律发现，基施和喷施外源硒后，土壤中含硒量比未添加处理分别增加了3倍和1倍。钟松臻[14]有关外源硒对土壤-水稻系统硒形态的影响研究中发现，水稻外源性亚硒酸盐施入土壤后能显著提高土壤总硒及各形态含硒量，进而提高水稻硒水平。本研究中施加外源硒后土壤含硒量分布规律与以上结果基本一致。

高流量滴灌形成饱和进水带速度快且范围大，从而水平方向的推进作用强，外源硒水平向的运移作用更强；低流量滴灌形成饱和进水带的速度缓且范围小，水平方向推进作用相对较弱，从而外源硒竖直方向迁移作用更强[15-16]。在不同作物地下部形状有区别，根系的水平竖直方向延展有很大差异。本研究发现，对于作物根系竖直方向延展较强的作物，宜采用加硒低流量滴灌；对于作物根系宽大水平方向延展强的作物，宜采用加硒高流量滴灌；对于密植作物宜采用加硒小畦灌，但要提升灌水频次，严格控制每次灌水定额，避免深层渗漏过多，造成外源硒深层损失过多。大蒜根系层深度约为10～15 cm，对10～20 cm土层土壤硒吸收利用率高。

土壤pH值升高会促进亚硒酸钠解吸，增加有效态含硒量，在水的淋润作用下会在表层湿润体的中心处汇集。高电导率代表土壤中离子总数高，也会有更多离子与含硒离子竞争吸附位点，从而抑制土壤对硒的吸附累积。有机质对硒有吸附和固持作用，相较于黏土，有机质对硒的吸附作用更强。试验中添加的外源硒为亚硒酸钠，属于可溶性盐，在水的淋润作用下会发生顺水势梯度的定向迁移，在含水率高的地方累积。

4 结论

1）相较于不加硒对照，各处理加硒灌溉能显著提升0～10 cm深度土壤含硒量。加4 mg/kg硒相较于加1 mg/kg硒，0～10 cm土壤含硒量显著提升。

2）外源硒施加量为1 mg/kg和4 mg/kg时，0～10 cm土壤处于中硒与富含硒量值区间内。

3）滴灌相较于畦灌更有利于外源硒在0～10 cm土壤植物根系层附近的累积，同时减少外源硒的深层淋洗。

4）0～10 cm土层土壤有机质量和含水率与土壤含硒量显著正相关，土壤电导率与土壤含硒量呈负相关关系。

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Spatial Distribution of Added Selenium in Soil as Affected by Different Irrigations Using Reclaimed Water

MA Tian1, 2, GAO Feng1, 3*, LIU Chuncheng1, 2, 3, HU Chao1, 3, CUI Bingjian1, 3, CUI Erping1, 2, 3, HAO Yiting1, 2

(1 Institute of Farmland Irrigation, CAAS, Xinxiang 453002, China; 2. Graduate School, CAAS, Beijing 100081, China;3. Key Laboratory of High-efficient and Safe Utilization of Agriculture Water Resources, CAAS, Xinxiang, 453002, China)

【Background】Selenium is a crop nutrient but scarce in many soils. One solution is to add selenium with irrigation water to the soil. In this paper we investigated experimentally spatial accumulation and distribution of added selenium and is correlation with physical and chemical properties of soil under different irrigations using reclaimed water. 【Method】The experiment was conducted in pots. It consisted of two selenium additions: 4 mg/kg and 1 mg/kg (L), with each addition having three irrigation amounts (or methods). 2 L/h drip irrigation (2D), 4 L/h drip irrigation (4D), and border irrigation (S). Without selenium addition was taken as the control (CK). We measured accumulation and distribution of the added selenium in each pot. 【Result】Except in CK, selenium content in the top 0～10 cm soil was significantly higher than that in the 10～20 cm soil (<0.05). For L treatment, the selenium content in the soil 10 cm away from the emitter under 2D, 4D and S increased by 1.04, 1.21 and 0.83, respectively, while for H treatment these increased by 2.03, 2.31 and 2.48 times, respectively, compared to CK. The contour of selenium content in 2D+L and 2D+H showed a "narrow-deep" type, while in 4D+L and 4D+H and Q+L, it showed a “pudgy” type. Selenium content in Q+H showed a “near horizontal contour” distribution. 【Conclusion】Adding selenium with irrigation water increased selenium content in the 0～10 cm soil, with the content increasing with the application amount. Compared with border irrigation, drip irrigation increased selenium accumulation in the root zone - the top 0～10 cm of soil. Soil selenium content was positively correlated with organic matter and water content in the 0～10 cm soil, but negatively correlated to soil conductivity, both at significant levels.

reclaimed water; drip irrigation; soil; selenium; physical and chemical properties

马天, 高峰, 刘春成, 等. 加硒再生水不同灌溉方式下土壤硒的空间分布及影响因素分析[J]. 灌溉排水学报, 2022, 41(10): 58-64.

MA Tian, GAO Feng, LIU Chuncheng, et al. Spatial Distribution of Added Selenium in Soil as Affected by Different Irrigations Using Reclaimed Water[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022, 41(10): 58-64.

1672 - 3317（2022）10 - 0058 - 07

S275.6

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022105

2022-03-01

国家重点研发计划项目（2017YFC0403503-2）；河南省科技攻关项目（202102110264，192102110094）；河南省自然科学基金青年项目（202300410552）；中国农业科学院农业科技创新工程项目（ASTIP202104）

马天（1996-），男。硕士研究生，主要从事非常规水安全利用研究。E-mail: matian138@qq.com

高峰（1963-），男。研究员，主要从事非常规水安全利用研究。E-mail: gfyx@sina.com

责任编辑：赵宇龙