土施硒肥位置对谷子生理特性及硒积累的影响

2023-06-23王晓虎张建珍侯非凡温镇遥卢梦迪李泽涛苏杰尹雪斌

山西农业大学学报（自然科学版） 2023年2期

王晓虎，张建珍，侯非凡，2，温镇遥，卢梦迪，李泽涛，苏杰，尹雪斌，3*

（1.山西农业大学农学院，山西晋中 030801；2.山西农业大学园艺学院，山西晋中 030801；3.中国科学技术大学苏州研究院功能农业重点实验室，江苏苏州 215123）

硒（Selenium，化学符号Se）是一种位于元素周期表第ⅥA 族的准金属微量元素，于1817 年被瑞典科学家Jons Jakob Berzelius 首次发现［1-2］。硒在发现之初一直被认为是对动植物体有害的元素，直到1973 年被证明在生物学中具有重要作用［3］。硒与人体健康有着密切联系，在心血管疾病、甲状腺疾病、糖尿病、儿童孤独症和新冠肺炎等防治方面具有积极的辅助作用［4-6］。同时硒在植物体内也是不可缺少的微量有益元素，在提高植物光合作用及抗氧化能力、调控植物重金属胁迫等方面具有重要作用，一定程度上还能增加作物产量［7-9］。我国含硒土壤较为匮乏，硒资源分布极不均衡，是全球40 个典型的缺硒国家之一［10］。根据谭见安对土壤硒含量等级的划分［11］，目前我国约有51%的国土面积上的土壤处于硒缺乏状态，低硒土壤呈现从东北到西南的带状分布，且我国有超过1.05 亿人存在因硒缺乏带来的健康问题［12］。因此，通过食用富硒农产品进行硒元素膳食补充成为近年来的研究热点。

谷子是我国最古老的一种粮食作物［13］，脱壳后称为小米，目前我国谷子播种面积约为1.33×106hm2［14］，总产量大约为2.34×106t［15］。谷子因其抗性强、耐寒耐瘠薄［16］，且对硒具有一定的富集作用［17-19］，成为我国多个省份推动富硒功能农业和杂粮战略发展的典型作物。通过施用外源硒获得富硒小米，进而通过膳食定量补充人体所缺乏的硒元素成为一种有效的补硒措施。

长期以来，国内外就如何提高硒肥利用率并在谷子中定量富集硒元素，开展了大量的研究。谷子富集硒的方式包括土壤施硒、叶面喷施硒肥、硒肥浸种和拌种、选育富硒品种等［21］，其中以土壤施硒和叶面喷施硒肥为主，且都表现为适量的硒元素可以提高谷子产量，而高浓度硒元素抑制产量的特点［21-22］。叶面喷硒因操作简便、作物吸收转化较快，加上5G 网络及无人机技术的不断成熟，得到了广泛应用和研究。但对小麦的研究表明，叶面施硒时大部分的外源硒会积累在叶片中，造成硒源的浪费［23］。而土壤施硒不仅能提高根际土壤细菌和真菌群落的丰富度和多样性［24］，且较其他施硒方式能丰富土壤中有效硒含量，硒肥转运时间较长，安全性高，延长硒肥肥效，具有改善土壤养分分配比的作用［20］。虽然叶面施硒的效率比较高，但土壤施硒对小麦的增产效果显著高于叶面施硒；其次土壤施硒会提高土壤有机质含量，进而促进小麦整个生育时期的生长［25］。不同施硒方式及硒源对小麦硒吸收及转运也会产生不同程度的影响，叶面喷硒较土壤施硒的小麦面粉硒损失率更高，土施硒酸盐处理较亚硒酸盐处理显著提高了小麦9 个部位的硒含量，说明土壤中硒酸盐的有效性比较高［26］。税杨等［27］研究也表明，土施硒肥对强筋小麦生物量和产量均有极显著影响，而叶面喷施硒肥却无显著影响。叶面喷施硒肥需要多次少量，浓度过高容易出现烧苗现象，且受天气影响较大，人工成本较高［28］。土壤施硒可以结合机械化实现种肥同播，节约了人工成本，受天气影响小，具有较大的推广价值。本研究采用土施硒肥的方式，通过改变硒肥施用位置，研究其对谷子成熟期生理特性、产量构成和硒元素积累的影响，旨在明确谷子土施硒肥的适宜位置，为谷子富硒肥精准施用技术提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料与设计

试验于2019 年5-10 月在山西省晋中市太谷区桃园堡村功能谷子试验基地进行，供试品种为张杂谷13 号，由河北省巡天农业科技有限公司提供；以苏州硒谷科技有限公司提供的富硒有机肥为硒源，总硒含量1000 mg·kg-1，总养分≥5%，有机质的含量≥45%，产品代码SETEK-BF-002。

试验采用单因素完全随机设计，硒肥施用位置距离谷子植株的水平距离（单侧施肥）设置5 和10 cm 两个水平，距离土表的垂直深度设置5、10 和15 cm 三个水平，共计6 个施肥位置处理（表1）。每个处理重复3 次，每个小区面积5 m×1.5 m，共18个小区，两小区之间设置0.5 m 保护行。5 月15 日播种，富硒有机肥随播种施入，施用量150 g·hm-2。试验田土壤有机质含量13.15 g·kg-1，全氮含量0.79 g·kg-1，速效磷含量17.52 mg·kg-1，速效钾含量209.46 mg·kg-1，pH8.03，硒含量0.46 mg·kg-1；前茬作物为玉米，管理同当地大田常规管理。

表1 土施硒肥不同位置处理对应的编号Table 1 Corresponding numbers for different Se fertilizer application positions单位：cm

1.2 测定项目与方法

1.2.1 成熟期谷子农艺性状及干物质量的测定成熟期在每个小区随机选取5 株谷子测定农艺性状，包括株高、茎秆长度、茎杆粗度、旗叶长度、旗叶宽度、节间数、穗下节长、穗长和穗中部粗。测定农艺性状之后，用自来水洗净根部泥土，再用蒸馏水冲洗3 次，于烘箱中105 ℃杀青30 min，65 ℃烘干至恒重，之后测量植株干物质量，随后将谷子分解为根、茎、叶、穗4 部分分别测量不同器官干物质量，最后测量籽粒干物质量。

1.2.2 小区测产

谷子成熟期取样，每个小区随机选取1 m×1.5 m 的面积，统计该面积内的全部穗数，换算成每平米穗数。收获前每个小区随机选取3 株谷子用于考种，测定千粒重和穗粒数，用于计算产量。

1.2.3 成熟期谷子硒含量及形态的测定

成熟期，在每个小区随机选取3 株谷子，杀青烘干后将植株整体打磨成粉，粉末混合后取3 个重复测定植株整体硒含量。同样随机选取3 株谷子，杀青烘干后人工脱粒，将籽粒混合后打磨成粉，粉末取3 个重复测定籽粒硒含量和硒形态，硒形态测定指标包括有机态硒的硒代蛋氨酸（SeMet）、硒代胱氨酸（SeCys）以及无机态硒。硒含量使用AFS（海光AFS-9780，中国）测定，硒形态采用高效液相色谱-电感耦合等离子体质谱仪（HPLC-ICP-MS，NexION300X，美国）测定。

1.3 数据处理及统计分析

采用Excel 2016 对数据进行整理，利用DPS 软件进行统计分析，采用Duncan 新复极差法进行显著性检验（p＜0.05），采用Origin 2020b 进行表的绘制，结果用平均值表示。综合评价采用模糊数学中的隶属函数法［29］。

植株硒积累量=植株硒含量×植株干物质量；

籽粒硒积累量=籽粒硒含量×籽粒干物质量；

籽粒中各形态硒积累量=籽粒中各形态硒含量×籽粒干物质量；

籽粒中各形态硒积累量占比=各形态硒积累量/籽粒硒积累量。

2 结果与分析

2.1 土施硒肥位置对谷子成熟期形态的影响

由表2 可知，土施硒肥位置不同对谷子成熟期形态指标的影响不同。E 处理谷子株高最高，为120. 51 cm，显著高于其他处理，且相比其他处理的增幅范围为15. 96%～23. 06%；此处理条件下谷子的穗长和穗中部粗也最大，分别为26.45 和3.39 cm，但仅显著高于B 和F 处理。B 处理下谷子株高、穗长和穗中部粗最小，分别为97.93、14.40 和2.35 cm。A 处理下的谷子茎杆粗度达到最大值，为0.85 cm，显著高于B 和F 处理；F 处理下茎杆粗度最小，为0.60 cm。

表2 土施硒肥位置对谷子成熟期形态的影响Table 2 Effects of soil Se fertilization position on the morphology of millet at maturity stage

2.2 土施硒肥位置对谷子成熟期干物质量影响

土施硒肥位置不同对谷子成熟期干物质量的影响较为显著（表3）。C 处理下谷子根干物质量、穗干物质量、植株干物质量均达到最大值，其中根干物质量显著高于除E 以外的其他处理，穗干物质量和植株干物质量显著高于除D 和E 以外的其他处理；E 处理下谷子茎秆干物质量、叶片干物质量、籽粒干物质量最大，分别为11.48、4.14、19.09 g·株-1，相比其他处理的增幅范围为3.24%～178.64%、6.43%～245.00%、1.49%～135.97%。B 处理下，除根干物质量以外，谷子各器官干物质量均最小。

表3 土施硒肥位置对谷子成熟期不同器官干物质量的影响Table 3 Effects of soil Se fertilization position on dry matter quality of different organs at the ripening stage of millet单位：g·株-1

2.3 土施硒肥位置对谷子产量及构成因素的影响

由表4 可知，在不同位置土施硒肥后，谷子产量和穗数所受影响较大，但穗粒数和千粒重的差异并不显著。F 处理下谷子穗数和产量最高，达到29.67 穗·m-2、184.32 g·m-2，且穗数显著高于其他处理，而产量与A 和E 处理差异不显著；D 处理下，谷子穗数和产量最低，为14.67 穗·m-2、94.30 g·m-2。可见，土施硒肥位置主要通过影响谷子穗数进而影响其产量。

表4 土施硒肥位置对谷子产量及构成因素的影响Table 4 Effects of soil Se fertilization position on millet yield and constituent factors

2.4 土施硒肥位置对谷子成熟期植株和籽粒硒含量及硒积累量的影响

通过测定成熟期植株和籽粒硒含量可知，土施硒肥位置不同对谷子植株和籽粒硒含量及积累量影响较大（表5）。B 处理下谷子植株硒含量最高，为2.47 mg·kg-1，且与其它处理存在显著差异；F 处理植株硒含量最低，为1.12 mg·kg-1。由于植株干物质量的差异导致植株硒积累量与植株硒含量有较大差别，C 处理下谷子植株硒积累量最大，为86.12 μg·株-1，差异显著高于B 和D 以外的其他处理。土施硒肥位置的变化对谷子籽粒硒含量也有较大影响，E 处理下的籽粒硒含量最高，为0.77 mg·kg-1，显著高于除D 以外的其它处理，增幅范围为18.46%～60.42%；该处理下籽粒硒积累量显著高于其他处理，为14.75 μg·株-1，增幅范围为44.89%～219.96%，且该处理下籽粒硒积累量在植株硒积累量中的占比高达24.37%。

表5 土施硒肥位置对谷子成熟期植株和籽粒硒含量及硒积累量的影响Table 5 Effects of soil Se fertilization position on Se content and Se accumulation in plants and grains at mature stage of millet

2.5 土施硒肥位置对谷子籽粒中不同硒形态含量的影响

通过测定谷子成熟期籽粒中硒形态及其含量可知，不同土施硒肥位置处理下，谷子籽粒中均以有机态硒为主，而无机态硒未检出（表6）。有机态硒中以硒代蛋氨酸（SeMet）为主，占籽粒硒积累量的98.48%～99.31%，而硒代胱氨酸（SeCys）占比较低，占籽粒硒积累量的0.69%～1.52%。谷子籽粒中硒代蛋氨酸含量及积累量以E 处理下最高，为0.76 mg·kg-1、14.58 μg·株-1，该处理下硒代蛋氨酸含量显著高于除D 以外的其它处理，硒代蛋氨酸积累量较其它处理差异显著；在相同处理条件下，硒代胱氨酸含量及积累量也最高，但硒代胱氨酸含量与其它处理差异不显著，硒代胱氨酸积累量显著高于A、B、F 处理。可见，以土施富硒有机肥的方式可获得更为安全的富硒农产品，籽粒中无机硒含量低于检测限而无法测出。

表6 土施硒肥位置对谷子籽粒中不同硒形态含量的影响Table 6 Effects of soil Se fertilization position on different Se morphological contents in millet grains

2.6 谷子不同位置土施硒肥后肥效的综合评价

本研究表明，谷子在土施富硒有机肥时，施用位置的变化会对其生理特性、产量、硒含量等产生不同程度的影响。采用隶属函数法对试验所得的多项指标进行综合评价，以平均隶属函数值的大小确定谷子土施硒肥的较优位置。

结果表明，将硒肥施于距离谷子植株水平距离10 cm、距离土表垂直深度10 cm 位置（即E 处理）时，与其它土施硒肥位置相比，可获得较优的肥效。在E 处理下，籽粒干物质量、穗粒数、籽粒硒含量和籽粒硒积累量可获得最大值，产量仅次于F 处理，且差异不显著。可见谷子硒肥精准施用时，可选择距离谷子植株水平距离10 cm、距离土表垂直深度10 cm 位置作为硒肥的最适宜土施位置。

3 讨论

随着“健康中国”战略的实施，国民的健康意识得到加强，富硒功能农业也得到了发展，国民膳食结构的改善使得富硒农产品逐渐进入人们的日常生活，对谷子富硒产品的开发成为研究热点。谷子富硒的方式较多，其中以叶面喷施和土施硒肥为主［21-22］。吴季蓉等［31］研究表明，硒肥对谷子的农艺性状、光合特征及产量均有明显的改善效果，且不同施硒方式对谷子的改善效果不同，农大8 号和10号的产量均在追施硒肥225 kg·hm-2浓度处理下达到最大值，其次是抽穗期叶面喷施67.84 g·hm-2浓度处理，第三是土施硒肥150 kg·hm-2浓度处理，最后是拌种施硒。可见通过土壤追施硒肥的效果要比抽穗期叶面喷施硒肥效果好，张城铭等［31］也发现土施硒肥效果比叶面喷硒效果好。本研究在土施硒肥的基础上，探究了适宜的施肥位置，结果表明在距离谷子植株水平距离10 cm、距离土表垂直深度10 cm 为硒肥对谷子的最佳肥效位置，对指导土壤施硒具有重要意义。我国土施硒肥的应用研究起步晚，谷子等杂粮上研究较少，特别是硒元素在土壤中的转化、谷子的吸收等相关作用机理研究上更少，因此，未来需要进行更为系统的研究。

长期以来，国内外就如何提高施肥技术展开了大量的研究，但大多数集中在肥料浓度、施肥时间及选育品种上，较少报道施肥技术中的另一重要因子——施肥位置。张喜英等［32］研究发现谷子的平均根深可以达到130 cm，扩展直径90 cm，0～20 cm耕层土壤中根系表面积占总根系表面积的70%以上。根系在作物吸收养分和水分的过程中起到了关键作用，可见研究肥料土施位置对谷子的意义重大。本试验结果中，施肥水平距离和施肥深度对谷子干物质积累和产量具有显著影响，且针对产量构成因素，施肥水平距离和施肥深度对单位面积穗数有极显著影响，对千粒重的影响未达到显著水平。该结果与李永虎等［33-34］的研究结果一致，表明施肥位置主要通过影响谷子单位面积穗数进而影响产量。但李永虎等研究中推荐施肥水平距离16.80～18.75 cm、施肥深度为20.80～23.75 cm，本试验中富硒肥的适宜土施位置为距离谷子植株水平距离10 cm、距离土表垂直深度10 cm，推荐位置有所差别，导致该结果的原因可能与肥料种类有关，要在未来的试验中进一步深入研究，为种肥同播机精准施用硒肥提供更全面的数据。