硒肥土施位置对小麦生理特性及硒积累的影响

侯非凡， 张笑文， 王嘉琦， 张建珍， 李凯泉， 尹雪斌，3*

（1.山西农业大学，山西功能农业研究院，山西 太谷 030801； 2.山西农业大学园艺学院，山西 太谷 030801；3.中国科学技术大学，苏州高等研究院功能农业重点实验室，江苏 苏州 215123）

硒是人体生命活动所必需的微量元素，可参与形成多种酶类，发挥抗氧化功效，使人体细胞免受氧化损伤，维持细胞的正常生理功能[1‑2]，因此硒在预防心血管疾病、抗氧化、抗衰老、防癌、提高免疫力等方面发挥着重要作用[3‑4]。2017 年，原国家卫生和计划生育委员会（现国家卫生健康委员会）发布了卫生行业标准WS/T 578.3—2017《中国居民膳食营养素参考摄入量 第3 部分：微量元素》，规定成人硒的参考摄入量为60 µg·d-1[5]。而中国疾病预防控制中心营养与健康所经过广泛调研后形成的《中国居民营养与健康状况监测2010—2013年综合报告》显示，我国不同地区居民硒平均摄入量为44.4 µg·d-1，普遍低于推荐摄入量[6]，这与我国土壤中硒元素分布不平衡及72%地区属于缺硒地带有直接关系[7]。

膳食是人体硒元素的主要来源，通过膳食补充硒元素也是最安全、经济、有效的途径[8]。根据我国居民的饮食习惯，身体所需的硒元素主要从谷物、蔬菜等植物性食品中补充，其中尤以粮食作物为主。小麦是我国主要的粮食作物之一，属于硒敏感性植物，相较于水稻、玉米有更强的硒富集能力[9]。由于小麦中的有机态硒安全有效，通过施用外源硒获得富硒小麦，进而利用富硒小麦补充膳食中的硒元素是满足缺硒地区人群补硒需求的有效途径[10‑11]。

目前小麦人工富硒的方式包括土壤施硒、叶面喷硒、硒液浸种或拌种等[12]。其中，叶面喷硒的突出特点是针对性强、养分吸收运转快、施肥量少、节约成本，应用更为广泛[13]。但叶面喷硒易造成茎秆、籽粒上的硒肥残留，存在一定的安全隐患。土壤施用富硒肥多采用基施的方式，可随播种环节由机械将肥料一同施入，田间劳动强度较低，具备较好的推广潜力。但目前关于土壤施硒的研究多集中于施用硒溶液、富硒矿粉后对小麦富硒效果的影响[14]，而关于土施富硒肥的方式和具体施用位置的研究较为缺乏。本研究采用土施硒肥的方式，通过改变硒肥施用位置，研究其对小麦成熟期生理特性、产量要素和硒元素积累的影响，旨在明确小麦土施硒肥的较优位置，为小麦富硒肥精准施用技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

2019年9月至2020年6月在山西省晋中市太谷区桃园堡村试验基地（37°25′ N，112°34′ E）进行田间试验。该地区属暖温带大陆性气候，年均降水量460 mm，年均温9.5 ℃，无霜期180 d左右。试验基地前茬作物为玉米，土壤类型为灰褐土。在试验田随机选取3 个取样点，分别测定0—10、10—20 cm 土层化学性质，结果显示该试验田土壤不同土层内硒含量差异较小，土壤均一度较高，可满足试验所需（表1）。

表1 供试土壤基本化学性质Table 1 The basic chemical properties of the tested soil

1.2 试验材料

供试小麦品种为‘鑫麦296’（国审编号：国审麦2014011），由山西普盛种业有限公司提供。该品种为半冬性矮秆小麦品种，抗寒性和抗倒伏性较好，在山西、山东、河南等地推广面积较大。前期试验表明，该品种根系平均深度为97.23 cm，为根系较为发达的品种，适合作为代表性品种进行本研究。基施型粉末状富硒有机肥由苏州硒谷科技有限公司提供，产品代码SETEK-BF-002。该肥料中总硒含量为1 000 mg·kg-1，总养分≥5%，有机质含量≥45%，推荐施硒量为150 g·hm-2。

1.3 试验设计

田间试验所采用的小区面积为4.0 m×1.5 m，采用随机区组进行排列。针对硒肥土施位置与植株根际的水平距离设置5、10 cm 共2个水平，针对硒肥土施位置与土表的垂直深度设置5、10、15 cm共3个水平，共计6个处理（表2），每个处理重复3次，共18个小区。于2019年9月30日人工开沟，硒肥在植株根际单侧施用。先按不同处理所要求的水平距离、垂直深度将肥料均匀施入开好的沟内，埋土垫平后再播种，播种行距30 cm，播种量为150 kg·hm-2，之后于2020年6月22日收获。其他田间管理措施，包括灌溉、除草等按常规进行。

表2 不同处理设置Table 2 Design of different treatments

1.4 测定项目和方法

1.4.1成熟期小麦生理特性及产量的测定 于小麦成熟期在每个小区随机选择1 m2进行人工收获，统计该范围内的小麦总穗数。在每个小区随机选取10 株小麦测定植株生理指标，包括株高、分蘖数、穗长、植株整体干物质量和籽粒干物质量。小麦株高、分蘖数、穗长在取回样品后直接测定，之后用自来水洗净根部泥土，再用蒸馏水冲洗根部3 次，用滤纸吸干水分，置入烘箱，105 ℃杀青30 min，60 ℃烘干至恒重，冷却后测量植株干物质量，手工脱粒后测量籽粒干物质量。同时统计所取样品的穗粒数和千粒重，用于计算产量。

1.4.2硒含量及籽粒硒形态的测定 于小麦成熟期在每个小区随机选取5 株小麦，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5 株小麦，杀青烘干后人工脱粒，将籽粒混合后打磨成粉，粉末混合后取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（SeCys2）以及无机态硒。硒含量使用AFS（海光AFS-9780）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。

1.5 计算方法及数据分析方法

采用Excel 2016 进行数据整理，使用DPS 软件的ANOVA 过程对不同处理平均数间的差异进行单因素方差分析，显著性水平为0.05。采用Duncan 新复极差法进行显著性检验（P<0.05）。结果用平均值表示。采用以下公式进行计算。

植株硒积累量=植株硒含量×植株干物质量 （1）籽粒硒积累量=籽粒硒含量×籽粒干物质量 （2）

应用模糊数学中的隶属函数法综合评价小麦在不同位置土施硒肥后的肥效[15‑16]，评价指标包括小麦成熟期干物质量、产量、硒含量及硒积累量。隶属函数公式如下。

式中，U(Xi)为隶属函数值，Xi为不同处理条件下i指标测定值，Xmin和Xmax为所有处理条件中某一指标内的最小值和最大值。

最后将各处理各指标的具体隶属函数值进行累加，并求取平均值，平均值越大，则该土施位置下施用硒肥后的综合肥效越好。

2 结果与分析

2.1 硒肥土施位置对小麦成熟期形态及干物质量的影响

如表3 所示，硒肥土施位置的不同对小麦穗长的影响不显著，而对株高、每株分蘖数、植株干物质量、籽粒干物质量的影响显著（P<0.05）。当硒肥土施位置位于T1处理条件下时，小麦的株高、每株分蘖数和植株干物质量均最大；随着硒肥距离植株及土表的距离增加，以上3 个指标均有不同程度的降低；当硒肥土施位置位于T6 处理时，小麦的株高、每株分蘖数和植株干物质量最小。籽粒干物质量的最大值出现在T2 处理，为1.90 g·株-1，仅显著高于T5处理（P<0.05）。

表3 不同硒肥土施位置下小麦成熟期形态及干物质量Table 3 Morphology and dry matter quality of wheat at maturity under different Se-fertilizer application positions

2.2 硒肥土施位置对小麦产量及其构成因素的影响

在不同位置土施硒肥后，小麦的产量及其构成因素受到了不同程度的影响（表4）。其中以穗数、穗粒数和产量所受影响较大，而不同处理间的千粒重差异不显著。当硒肥土施位置位于T1 条件时，小麦的穗数和产量均最高，分别达到538.22 穗·m-2和820.17 g·m-2，且显著高于其他处理（P<0.05）；随着硒肥土施位置与植株和土表间距离的加大，穗数和产量逐渐降低；当硒肥土施位置位于T5 处理时，小麦的穗数和产量最低，分别为356.67 穗·m-2和489.72 g·m-2。当硒肥土施位置为T2 处理时，小麦穗粒数最大，为36.20 粒，但仅显著高于T4 处理（P<0.05）。可见，硒肥土施位置的变化主要通过影响小麦穗数进而影响其产量。

表4 不同硒肥土施位置下小麦产量及其构成因素Table 4 Yield and its components of wheat under different Se-fertilizer application positions

2.3 硒肥土施位置对小麦成熟期植株和籽粒硒含量及硒积累量的影响

如表5 所示，通过测定植株和籽粒硒含量可知，不同硒肥土施位置条件下，小麦植株硒含量存在差异但不显著，植株硒含量以T1 处理最高，为0.53 mg·kg-1。由于植株干物质量的差异导致植株硒积累量在不同处理间存在显著差异，以T1 处理条件下的植株硒积累量最高，每株为10.85 µg，显著高于其他处理（P<0.05）。硒肥土施位置的变化主要对小麦籽粒硒含量产生了影响，其中以T6 处理下的籽粒硒含量最高，为0.73 mg·kg-1，显著高于除T4 以外的其他处理（P<0.05）；同时该处理条件下，较高的籽粒硒含量也导致其籽粒硒积累量在植株整体硒积累量中占比最高，为31.97%。

表5 不同硒肥土施位置下小麦成熟期植株和籽粒硒含量及硒积累量Table 5 Selenium content and accumulation of whole plant and grain in wheat under different Se-fertilizer application positions

2.4 硒肥土施位置对小麦籽粒中不同形态硒含量的影响

通过测定小麦成熟期籽粒中硒形态及其含量可知，不同硒肥土施位置处理条件下，小麦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91.02%~94.72%；而硒代胱氨酸（SeCys2）占比较低，占籽粒硒积累量的5.28%~8.98%。与籽粒硒含量变化情况类似，籽粒中硒代蛋氨酸含量以T6 处理条件下最高，为0.68 mg·kg-1，且显著高于除T4 以外的其他处理（P<0.05）。T2 处理条件下的硒代蛋氨酸积累量、硒代胱氨酸含量及积累量最高，且显著高于其他处理（P<0.05）。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，且不同土施位置条件下籽粒中硒代蛋氨酸和硒代胱氨酸含量存在差异。

表6 不同硒肥土施位置下小麦籽粒中不同硒形态含量及其占比Table 6 Contents and proportions of different forms selenium in wheat grain under different Se-fertilizer application positions

2.5 不同土施位置处理条件下硒肥肥效的综合评价

本研究表明，小麦在土施富硒有机肥时，施用位置的变化会对小麦生理特性、产量、硒含量等产生不同程度的影响，其肥效无法由某个单一指标来反映，而需对多个指标进行综合评价后方可确定硒肥土施位置的较优选择。隶属函数法是利用模糊理论的原理，对试验所得的多项指标进行综合评价。首先通过计算获得不同处理条件下每项指标的隶属函数值，累加不同指标的隶属函数值后计算其平均数，以平均隶属函数值的大小确定小麦土施硒肥的较优位置。

综合分析结果表明（表7），将硒肥施于小麦根际水平距离5 cm、土表垂直深度5 cm 位置时（T1处理），对于鑫麦296这一小麦品种而言，与其他土施位置相比可获得较优的肥效。其中植株干物质量、穗数、产量、植株硒含量、植株硒积累量在T1 处理条件下可获得最大值。建议在进行小麦硒肥精准施用时，可选择与小麦根际水平距离5 cm、与土表垂直深度5 cm 位置作为硒肥的土施位置。

表7 硒肥土施位置对小麦成熟期各项指标的隶属函数值的影响Table 7 Effects of Se-fertilizer application positions on the membership function values for indexes of wheat at maturity

3 讨论

3.1 小麦不同富硒方式的比较

对于小麦进行人工富硒的方式种类较多，其中以土壤施硒和叶面喷硒为主。近年来，随着无人机、自走式施肥机等施肥机械的推广，越来越多的人选择在小麦适宜生育期通过叶片喷施硒肥进而获得富硒小麦。税杨等[17]研究表明，随着土施富硒有机肥用量的增加，强筋小麦籽粒产量和总生物量呈现低用量促进、高用量抑制的现象，但在施硒量一定的条件下，与土施硒肥相比，叶面喷硒处理对其生物量和产量无显著影响，这可能与土施的硒肥在小麦生长发育过程中能够更长时间地发挥作用有关。陈雪等[18]发现，水稻土施硒肥时硒元素滞留在根部中的比例明显增加，而茎、叶和籽粒中硒元素所占比例降低；叶面喷硒时硒元素滞留在叶部的比例显著增加，而根、茎、籽粒中硒所占比例有所降低。可见，多数作物对硒的转运吸收遵循“就近原则”，与硒元素通过根系吸收转运至籽粒相比，小麦硒从叶面直接通过韧皮部转运至籽粒中的过程可能更加高效，硒可以更多地分配于籽粒中。但叶面喷硒多在小麦扬花期进行，硒元素与植株接触时间较短，部分硒溶液会发生蒸腾损失或在叶面中同化为有机硒挥发，导致叶面喷硒条件下籽粒对硒元素的利用率不高[19]。同时，土施硒肥多采用随播种基施的方式，操作简便省工；硒肥与植株根系接触时间长，吸收更加充分，转化进入籽粒中的周期更长；且土施硒肥多为缓释肥，常存在施硒后效应，在施用后的小麦第2 个生长季仍可有效提高籽粒中的硒含量[20]。因此，土施硒肥是叶面喷硒的有效补充，值得推广利用。土壤施硒可采用施入硒酸钠（Na2SeO4）溶液、亚硒酸钠（Na₂SeO3）溶液、硒矿粉、富硒有机肥等方式。植物对硒酸钠的敏感性高于亚硒酸钠，且2 种含硒化合物对小麦生长发育的影响均表现出低用量促进、高用量抑制的现象[21]。付小丽[22]研究了硒矿、硒粉、亚硒酸钠和硒酸钠4 种不同硒源对小麦和油菜生长的影响发现，亚硒酸钠和硒酸钠更有利于小麦对硒的吸收，但不同用量硒酸钠处理下小麦成熟期地上部硒积累量为25.94~2 540.19 µg，为同用量亚硒酸钠处理下硒积累量的28~38 倍。因此，在农业生产上多以亚硒酸钠对作物进行富硒处理，可避免产生含硒量过高的植物产品[23]。硒酸钠和亚硒酸钠等无机型富硒肥的施用量较难精准把握，作物对此类肥料的反应较为敏感，过量的无机硒会导致作物生长受到抑制，从而出现减产和品质下降等现象，而富硒有机肥多以发酵腐熟的有机肥为底料，再添加适量的亚硒酸钠，其效果更为温和，且具有改良土壤、调节土壤酸碱度的作用，近年来应用更为广泛[24]。

3.2 肥料土施位置对小麦的影响

小麦是我国主要粮食作物，其种植方式已基本进入机械化的种肥同播时代，为精准施肥提供了基础。精准施肥可有效调控根层养分，而适宜的根层养分是实现作物高产的关键[25]。肥料施用的位置会对土壤有效养分迁移转化、作物根系生长、养分吸收利用产生不同的影响，合理的施肥位置可协调作物对养分的需求[26]，可见施肥位置是影响作物精准施肥的重要因素。目前关于硒肥不同土施位置对小麦生理特性及产量的影响鲜有报道，而其他探讨肥料土施位置对小麦影响的研究中所涉及的肥料多为大量元素的控释肥或复合肥，这些研究结果对于本试验具有一定的参考意义。郭宁等[27]研究表明，在干旱胁迫条件下，上层施肥处理的冬小麦株高显著高于下层施肥处理，但生物量和产量差异不明显。本试验中距离土表垂直深度5 cm 的2 个处理T1 和T4 条件下，株高平均值为66.69 cm，显著高于其他2 个施肥深度的处理结果，株高的变化趋势与郭宁等[27]的研究结果相似。张务帅[28]发现，控释氮肥施用深度为15 cm 时可显著提高0—20 cm 土层氮、磷、钾含量，比普通撒施增产15%左右。段文学等[29]研究显示，黄淮冬麦区旱地小麦施氮深度为20 cm 时，较10 cm 施氮深度可显著提高产量及成熟期小麦干物质量。石岩等[30]结果显示，氮肥在20—40 cm的较深层土壤中施用时，与0—20和60—80 cm的施肥深度相比，氮肥利用率和产量明显更高。但在本试验中，以施肥深度较浅的T1处理小麦产量较高，与段文学等[29]和石岩等[30]的研究结果有差异，可能与试验中所采用的肥料种类及其相应特性存在差异有关。刘永哲等[31]的研究则认为，在播种行侧方3 cm、深5 cm 处基施包膜尿素肥，与播种行下方12 cm 处施用、播种行侧方10 cm 深5 cm 处施用相比，可显著提高小麦产量，此最佳施用位置与本试验所确定的硒肥较优施用位置接近。郭新送等[32]研究表明，控释肥在种两侧5 cm和种侧5 cm+种下5 cm 方式下施用的小麦产量较高，较其他处理小麦产量提高7.16%~38.52%，且施肥位置与深度主要影响了穗数和穗粒数，进而导致不同处理间的产量存在显著差异，与本研究结果相似。袁文胜等[33]比较了小麦种下和种侧施肥，发现最佳的施肥方式为种下正位施肥，肥料与种子间距为5 cm 左右，小麦产量可达5 544 kg·hm-2。本试验中硒肥土施的最佳施用位置为距离植株根际水平距离5 cm、距离土表垂直深度5 cm，此时可获得最大的植株干物质量、穗数、产量、植株硒含量及植株硒积累量。由于目前市面上的种肥同播机多为种行肥行错位施入，种行和肥行间存在5~10 cm的水平间距，故在设计本试验时并未设计种子正下方施用硒肥的处理。根据其他肥料在小麦种子正下方施用的研究结果，未来将增加小麦种子正下方施用硒肥的研究，从而为种肥同播机精准施用硒肥提供更为全面的数据。