土壤調理劑在恩施利川水稻上的施用效果研究
2023-12-31 00:00:00張陽陽周偉王夢園汪丹余慶閆加力
江蘇科技信息 2023年10期
摘要：湖北省恩施州利川地區土壤硒含量高。文章通過開展大田試驗，研究5種不同配施方式對當地水稻土壤硒形態、土壤硒有效性、水稻硒含量等的影響。結果顯示：5種處理后利川土壤硒形態變化不明顯，土壤pH均有所提高，土壤有效硒含量和水稻籽粒硒含量均有一定程度的提高，其中生石灰+小麥生物炭對水稻籽粒中硒含量的提高有極顯著影響。本研究結果對于恩施天然富硒土壤的開發利用提供了實際參考價值，對于當地富硒產業發展具有一定的指導意義。
關鍵詞：恩施；水稻；調理劑；有效硒
中圖分類號：S156.2 文獻標志碼：A
0 引言
硒是人體必需的一種微量元素，在人體中有著重要的作用，具有抗衰老、抗癌、抗氧化等多種生理功能，能防治心臟病、肝病、糖尿病等40多種疾病，并能增強機體免疫力，解毒排毒，防治克山病和大骨節病，有“抗癌之王”的美稱［1-4］。世界上有40多個國家和地區缺硒，中國缺硒面積占全國國土面積的72%［5-6］。目前全球居民普遍硒攝入不足，人體攝取硒的主要來源是食物，因此合理提高農產品中硒的含量是促進人體硒健康的根本途徑。
恩施地區有大量富硒土壤資源，為進一步推進農業地質調查成果轉化，充分利用農業地質調查成果，亟需開展特色土地資源生態評價、開發利用與保護研究［7-8］。現階段，富硒農產品主要是通過添加富硒化肥生產的，這可能會造成一定的污染，增加化肥成本，也是對調查發現的富硒土壤資源的浪費［9-10］。針對富硒土壤資源，可以利用土壤改良劑提高土壤中硒的生物有效性，從而提高作物的硒含量。
水稻是我國的主要糧食作物，富硒水稻已成為主要的富硒農產品之一，受到廣大消費者的歡迎。近年來，恩施地區已初步形成了富硒水稻產業鏈，但仍存在水稻品種選擇缺乏針對性，富硒水稻的栽培方法缺乏科學性等問題。因此，本文針對恩施富硒土壤資源的特點，開展水稻種植田間試驗，研究不同調理劑在恩施富硒土壤上的應用效果，為恩施富硒水稻的生產提供指導。
1 材料與方法
1.1 供試土壤
試驗開展前，赴恩施州利川調查取樣。利川試驗田土壤偏酸性，硒質量分數達到富硒標準（≥0.4 mg/kg）。土壤硒含量高，且鎘不超標，符合試驗要求。最終，盆栽試驗土壤選擇在恩施州利川市汪營鎮梨樹村水稻田采集，坐標108°45′42.05″E，30°16′25.54″N，試驗田面積約1 333.33 m2，硒背景質量分數為0.41 mg/kg，pH為5.72，有機質質量分數為66.02%，屬于酸性富硒土壤。
1.2 供試材料
供試改良劑包括：（1）鈣鎂磷肥，荊門市高園磷肥有限公司生產，有效磷（P2O5）質量分數≥120 g/kg，pH為7～10；（2）小麥生物質炭，河南譽中奧農業科技有限公司生產，C質量分數≥950 g/kg，pH 為8.34；（3）過磷酸鈣，湖北豐樂生態肥業有限公司生產，有效磷（P2O5）質量分數≥120 g/kg，pH為7～10；（4）生石灰，建德市新安江永合塑料廠生產，CaO質量分數≥990 g/kg，pH為12.39。
水稻種：榮優華占，由大田試驗所在水稻田農戶提供，為利川當地主栽品種。
1.3 試驗方法
田間試驗選擇在恩施州利川市汪營鎮梨樹村水稻田。在水稻田施肥管理的基礎上，除對照（CK，不施加改良劑）外，設置了鈣鎂磷肥、過磷酸鈣、小麥生物炭、生石灰單施和復配施用共5個不同處理：（1）單施鈣鎂磷肥0.50 kg/m2；（2）同時配施鈣鎂磷肥0.50 kg/m2、小麥生物質炭0.18 kg/m2；（3）單施過磷酸鈣0.50 kg/m2；（4）同時配施過磷酸鈣0.50 kg/m2、小麥生物質炭0.18 kg/m2；（5）同時配施生石灰0.18 kg/m2、小麥生物質炭0.18 kg/m2。每個處理3個重復，試驗采用隨機區組設計，小區面積5 m×6 m，小區中間有隔行和排水溝。田間試驗于2021年4月開始，并于當年9月進行土壤及水稻樣品的采集。
1.4 測定項目與方法
水稻成熟期收獲水稻植株，將籽粒分離，并用去離子水沖洗干凈后烘干、磨碎，保存于密封塑料袋用于生物量及化學測定。所有玻璃器皿均于10%質量分數稀鹽酸溶液中浸泡過夜，用去離子水洗凈后烘干使用。
樣品由湖北省地質實驗測試中心（國土資源部武漢礦產資源監督檢測中心）進行測試，土壤pH采用水浸提電位法測定；土壤有機質含量采用油浴外加熱重鉻酸鉀氧化-容量法測定；土壤全硒采用氫化物-原子熒光光譜法測定（參照農業標準NY/T 1104—2006）；土壤有效硒質量分數的測定，用0.1 mol/L的磷酸二氫鉀溶液浸提，HNO3+H2O2（體積比7∶1）混酸進行微波消解后，用氫化物-原子熒光光譜法測定（參照農業標準NY/T 3420—2019）；水稻植株樣中硒的測定，采用 HNO3、HClO3消解，用氫化物-原子熒光光譜法（AFS，AFS-920，北京吉天儀器有限公司）測定溶液中的硒質量分數（參照國標GB/T 5009.93—2017）。
1.5 數據處理
采用Microsoft Excel 2010軟件進行數據處理，采用DPS 7.05軟件對試驗數據進行單因素方差分析，Duncan新復極差法檢驗差異顯著性（Plt;0.05）與極顯著性（Plt;0.01），用Origin 21進行圖件繪制。
2 結果與分析
2.1 不同調理劑對土壤中硒形態的影響
土壤中硒的生物有效性不僅與土壤中硒的質量分數有關，還與硒的形態有關。本文的硒形態包括水溶態、離子交換態、碳酸鹽結合態、腐殖酸結合態、鐵錳結合態、強有機結合態、殘渣態。根據測試結果，利川大田土壤pH為5.55，呈弱酸性，硒質量分數為0.465 mg/kg，有效硒質量分數為3.24 μg/kg，其中腐殖酸結合態、強有機結合態、殘渣態為有效硒的主要成分，占比分別為33%，31%，29%（見圖1）。
供試土壤中水溶態、離子交換態及碳酸鹽結合態硒質量分數較低，而主要以腐殖酸結合態、強有機結合態、殘渣態硒存在。分析不同處理后土壤的硒形態，主要形態并未發生變化，還是腐殖酸結合態、強有機結合態和殘渣態（見圖2）。
2.2 不同調理劑對土壤中硒有效性的影響及其機理
2.2.1 不同處理對土壤硒有效性的影響
能被植物有效利用的硒被稱為有效硒。試驗結果均顯示，與對照組CK相比，不同處理土壤中有效硒的質量分數均有不同程度提高（見圖3），除T1外，其他處理與CK存在極顯著性差異（P＜0.01），說明這幾種處理均能顯著提高土壤有效硒質量分數。各處理對土壤有效硒質量分數的提高效果從高到低依次是T5，T4，T2，T3，T1，土壤有效硒質量分數分別提高了0.99～3.47 μg/kg，增幅為30.44%～107.06%。其中T5、T4、T2這3種處理土壤有效硒質量分數增加最多，較CK分別增加了3.47 μg/kg，2.78 μg/kg，2.33 μg/kg，增幅達107.06%，85.82%，72.07%。即混施生石灰和小麥生物炭、混施過磷酸鈣和小麥生物炭、混施鈣鎂磷肥和小麥生物炭具有較好的提高土壤有效硒的潛力。
2.2.2 不同處理對土壤pH的影響
在酸性土壤中，硒主要以亞硒酸鹽存在，土壤中鐵、鉛的氧化物和氫氧化物對亞硒酸鹽有很強的吸附作用，會降低其在土壤溶液中的濃度，影響植物對亞硒酸鹽的吸收；而在堿性土壤中，硒酸鹽是主要形態，更容易被植物吸收。如圖4所示，不同處理后，土壤pH變化不太大，僅稍有提高。其中T5、T2處理對于提高土壤pH效果最明顯，與CK存在顯著差異（P＜0.05），T5處理達到了極顯著差異（P＜0.01）。T5處理添加了生石灰和小麥生物炭，處理后pH值最高，為6.74，較CK提高了23.66%；T2處理添加鈣鎂磷肥和小麥生物質炭，處理后pH為5.82，較CK提高了6.66%。說明生石灰、小麥生物炭、過磷酸鈣對于酸性土壤pH有一定的調控作用。
2.3 不同調理劑對水稻硒含量的影響
如圖5所示，本試驗中施加不同調理劑后水稻籽粒中硒的質量分數均達到了富硒標準（0.04～0.30 mg/kg），試驗結果顯示幾種調理劑配施能夠提高水稻籽粒硒質量分數。
不同處理與CK相比，水稻籽粒硒質量分數均有不同程度的提高，其中T5處理對于提高水稻籽粒硒質量分數效果最明顯，與CK存在極顯著差異（P＜0.01），T5、T4、T2處理達到了顯著差異（P＜0.05），分別較CK增加了0.03 mg/kg，0.02 mg/kg，0.02 mg/kg。各處理對水稻籽粒、根硒質量分數的提高效果從高到低依次是T5、T4、T2、T3、T1，水稻籽粒硒質量分數提高了0.01～0.03 mg/kg，增幅為14.72%～44.35%。
由圖3、圖5可以看出，各種處理對土壤有效硒質量分數及水稻硒質量分數均有所提高，效果最明顯的是混施生石灰和小麥生物炭，均達到了極顯著水平（P＜0.01），說明生石灰和小麥生物炭能夠有效提升利川土壤中硒的生物有效性，從而增加水稻籽粒硒質量分數。
3 討論
利川大田試驗對照組土壤pH為5.45，為酸性土壤，添加生石灰能有效提升土壤的pH。相關研究發現，土壤有效硒質量分數與土壤pH呈正相關關系，pH越大，土壤有效硒質量分數越大。土壤的酸堿度可影響硒元素與土壤組分的吸附和解析過程，并影響土壤中硒的形態，從而影響土壤有效硒的質量分數［11-12］。徐爭啟等［13］研究四川萬源市土壤硒的形態特征及影響因素時，發現土壤 pH與SOL-Se、EXC-Se 和RES-Se 有顯著相關關系（P＜0.05）。趙妍等［14］對江蘇茶園土壤有效硒的研究表明，土壤有效硒質量分數與土壤pH呈正相關關系。閆加力等［15］通過研究，發現土壤 pH通過影響硒的賦存形態來影響硒的有效性，從而影響作物對硒的吸收。
添加生物炭能夠提高土壤pH，提高土壤中的有機質含量。研究表明，施用生物炭對土壤微生物的豐度有顯著影響，土壤微生物是土壤生態系統的重要組成部分，對土壤營養循環和植物生長起重要作用［16］。土壤微生物群落組成或活性的變化不僅影響著土壤有機質的循環，也顯著影響養分的循環，對于農田生態系統至關重要，可以直接或間接地影響地上植物的生長。
長期施用磷肥能減輕土壤的酸化，本文結果顯示鈣鎂磷肥能夠提高酸性土壤的pH，較CK組提高了0.36。李平等［17］研究顯示，鈣鎂磷肥處理土壤pH的平均增幅只有0.1。本研究結果顯示磷肥能夠提高土壤有效硒，與前人試驗結果一致。劉勤等［18］發現，磷和硒都以含氧陰離子的形式存在于土壤中，化學行為相似，磷通過與硒在土壤膠體表面的吸附位點競爭而影響Se（IV）的環境行為。土壤膠體更多地與磷酸結合，亞硒酸鹽被激活釋放，大大提高了土壤中硒的化學有效性。馬訊等［19］發現在土壤中添加鈣鎂磷肥可使磷酸氫離子增加，土壤中磷酸氫離子與亞硒酸鹽之間的競爭吸附是內部配體交換機制。與亞硒酸鹽相比，磷酸氫離子是較強的配體離子，兩者同時存在時，磷酸氫離子優先被土壤吸附，從而減少了土壤對亞硒酸鹽的吸附，增加了土壤中硒的有效性［20］。
4 結論
不同調理劑處理下，恩施利川富硒土壤中的硒均得到不同程度的活化，土壤中有效硒質量分數提高顯著，水稻籽粒和根系中硒質量分數也得到相應提高，水稻均達到了富硒大米標準。其中T5處理效果最佳，使土壤有效硒質量分數提高3.47 μg/kg，增幅達107.06%；水稻籽粒硒質量分數提高0.03 mg/kg，增幅44.35%。即混施生石灰和小麥生物炭能夠有效提升恩施利川土壤中硒的生物有效性，從而增加水稻籽粒硒質量分數。
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（編輯 李春燕編輯）
Application effect of soil conditioner on Enshi Lichuan rice
Zhang Yangyang1，2， Zhou Wei1，2*， Wang Mengyuan1，2， Wang Dan1，2， Yu Qing3， Yan Jiali1，2（1.Hubei Institute of Geosciences（Hubei Selenium Industrial Research Institute）， Wuhan 430034， China;
2.Hubei Provincial Test Center for Selenium Eco-environmental Effect， Wuhan 430034， China;
3.Yangtze University， Jingzhou 434023， China）
Abstract： The soil selenium content in Lichuan area of Enshi prefecture， Hubei province is high. Through field experiments， this article studied the effects of five different fertilization methods on the selenium forms in local rice soil， soil selenium availability， and rice selenium content. The results showed that there was no significant change in soil selenium forms in Lichuan after the five treatments， and the soil pH value increased. The available selenium content in soil and the selenium content in rice grains increased to a certain extent. Quicklime+wheat biochar had a very significant impact on the improvement of selenium content in rice grains. The results of this study provide practical reference value for the development and utilization of natural selenium rich soil in Enshi， and have certain guiding significance for the development of local selenium rich industry.
Key words： Enshi; rice; conditioning agent; effective selenium
