轮作区不同品系水稻根际土壤元素变化趋势研究

王梦姣，邓百万，彭 浩

轮作区不同品系水稻根际土壤元素变化趋势研究

王梦姣1，2，3，邓百万2，3，彭 浩2，3

(1.陕西理工大学陕西省资源生物重点实验室，陕西汉中 723000;2.陕西理工大学陕西省食药用菌工程技术研究中心，陕西汉中 723000;3.陕西理工大学生物科学与工程学院，陕西汉中 723000)

【目的】研究陕西南部水稻-油菜轮作制种植方式下，不同品系水稻在其不同生长时期根际土壤元素含量的变化趋势。【方法】本文利用电感耦合等离子体发射光谱法的实验方法，对该地区3个采样点(安康、城固、宁强)2个水稻品种在水稻3个重要生长时期(五叶期、分蘖期、孕穗期)根际土壤的P、K、Ca、Mg、Na、Fe 6种营养元素及Mn、Zn、Cr、Cu 4种重金属元素的含量变化进行了研究和对比。【结果】这10种元素含量范围分别是41.6～2189.2，10 301.2～32 141.2，198.7～6517.3，6101.3～30 021.0，2761.2～15 293.2，8907.6～106 080.0，165.4～790.4，6.2～39.4，39.4～91.3，3.3～43.3 mg/kg;营养元素彼此具有显著相关性，重金属之间呈相关或显著相关性。通过对土壤含水量及酸碱性的研究发现，土壤含水量符合水稻水田生长特性，在水稻孕穗期含水量均较高，个别采样地还能达到50%;除安康地区为偏酸性水稻土(pH5.5～6.5)，其余采样地均为中性土壤，均适合水稻生长。【结论】本研究揭示了水稻根际土壤元素的变化趋势，为合理施肥及水土保持方面起理论支持的作用。

水稻;根际土壤;金属元素;土壤微环境

【研究意义】水稻正常生长发育需要多种营养元素(碳、氢、氧、氮、磷、钾、钙、镁、铁、锰、铜、锌等)，除碳、氢、氧从水和空气中获得，其它均需要从土壤中获得。一旦土壤中能够被水稻吸收的营养元素不能满足水稻生长发育需求，水稻就会出现各种缺乏元素的现象，比如水稻缺钙会导致其根系生长差、茎和根尖的分生组织受损，根尖细胞腐烂、死亡等[1-2];缺镁会使水稻叶尖、叶缘出现色泽褪淡变黄，穗枝梗基部不实粒增加，导致减产[3-4];当水稻出现苗期僵苗不发，分蘖期推迟时很有可能是缺锌;当水稻缺锰时，叶脉会出现间断失绿的现象，还会出现褐色细小斑点。因此，对作物适当的施以肥料能够帮助作物良好生长，达到高质高产的目的[5]。另一方面，重金属元素对水稻也有显著影响:锰胁迫下，水稻敏感品种茎和根干重分别降低了17.4%和20.8%，产量显著下降[6];高浓度的铬对水稻种子的萌发及幼苗生长均有一定抑制作用，对根的抑制作用最明显[7]。【前人研究进展】一般情况下，作物能够直接吸收利用的各种营养元素主要来源于土壤胶体表面的吸附元素，比如，作物吸收利用的钙元素主要来源于胶体表面的吸附钙[8];作为作物利用的主要有效镁，代换态镁(能够被一般代换剂代换出来的镁元素)一般也吸附在土壤胶体表面[9]。而作为植物能够利用的营养元素的主要存在介质土壤胶体，具有保持土壤黏度结构、含蓄水份、保持土壤肥力等特点，在水土保持过程中起重要作用。人为改变土壤含水量、土壤酸碱性会直接影响土壤胶体表面能及胶体带电性，使土壤胶体固有的凝集作用发生变化，导致土壤结构剧烈变化，较原始土壤更易出现水土流失现象。因此有针对性的合理施用肥料不仅能够保证作物的正常生长发育还能够起到防止水土流失，保护土壤资源的目的。轮作，即在同一块田地上，有顺序地在季节间或年间轮换种植不同的作物或复种组合的一种种植方式，具有用地、养地的特点，能够减少病虫害、改善土壤胶体结构，提高土壤肥力等。轮作制耕种能够显著降低通过土壤侵染作物的病虫害(如烟草的黑胫病、蚕豆根腐病、甜菜褐斑病、西瓜蔓割病等);如将感病的寄主作物与非寄主作物实行轮作，便可消灭或减少这种病菌在土壤中的数量，减轻病害。对为害作物根部的线虫，轮种不感虫的作物后，可使其在土壤中的虫卵减少，减轻危害。陈丹梅等在研究土壤理化生物学性质时，发现种植模式与作物土传真菌病害的发生密切相关，轮作种植能显著作物感染病虫害的几率[10]。此外，轮作种植方式还能使植物均衡利用土壤养分、调节调节土壤肥力:不同作物从土壤中吸收的养分数量和比例不同，不同作物轮换种植，可保证土壤养分的均衡利用，避免其片面消耗。【拟解决的关键问题】陕西南部地区是陕西省水稻的主产区，也是我国重要的水稻主产区[11]，该地区的水稻种植方式属于油菜-水稻轮作制耕种。本文用电感耦合等离子体发射光谱法(ICP OPTICAL EMISSION，ICP-OES)对陕南轮作制水稻主产区(安康和汉中地区)的2个不同水稻品系(K优082、先丰优901)在不同生长时期(五叶期、分蘖期、孕穗期)的根际土壤中6种主要金属营养元素和4个重金属元素含量进行了分析，结合土壤含水量和土壤酸碱性结果，探索水稻3个重要生长时期根际土壤的肥力状况，为该地区合理施用肥料起基础实验支持，同时，还能达到避免因过渡使用肥料对土壤造成的不必要的水土流失现象。【本研究切入点】本实验在陕西南部地区水稻主要种植区安康、城固和宁强[12]，这3个采样地气候情况分别亚热带大陆性季风气候、北亚热带湿润季风区和暖温带山地湿润季风气候，年平均温度分别为15.2、14.3、13.0℃，年均降水主要都集中在9月，经度分别为109。01′E、107。13′E、105。60′E，纬度分别为32。42′N、32。75′N、32。55′N，海拔高度分别为260、480、820 m，土质均为储育性水稻土，灌溉水源类型分别为河水、河水、泉水，土地使用肥料均为尿素、复合肥(N∶P∶K=15∶15∶15)。水稻K优082为平原地区主栽品种[13]，在安康、城固、宁强3个地区的水稻株高分别是115.6、115.6、110.6 cm，水稻穗数分别为17.3、16.7、16.9，水稻粒数分别为180.8、160.6、161.4，水稻结实率分别为84.3%、85.8%、82.6 %，农作方式均为单季稻。先丰优901为山区地区主栽品种[13]，在安康、城固、宁强3个地区的水稻株高分别是118.3、111.2、112.4 cm，水稻穗数分别为18.1、17.4、16.2，水稻粒数分别为182.5、170.0、169.1，水稻结实率分别为86.9%、84.7%、80.7 %，农作方式均为单季稻。

1 材料与方法

1.1 样品采集

本实验采用5点采样法进行土壤样品采集，将水稻根系从土壤中挖出，用抖落法[14]抖掉与根系松散结合的土体，然后将土壤连带植物组织包裹带回实验室后迅速进行后续试验处理。在同一块实验田的没有种植水稻的土壤部分，取5～20 cm的土壤，去除表面植被、沙石等，带回实验室后过2 mm筛，充分混匀后作为对照土壤进行实验。

1.2 土壤含水量

称取10 g的土壤(记下准确的重量g，经105℃烘干后直至恒重(两次称重相差不大于3 mg)，冷却称重，记录每个样品的重量(g)，设置3个重复，并计算标准差。

1.3 土壤pH值测定方法

称取过20目筛的风干土壤10 g，置于100 mL烧杯中;用容量瓶量取50 mL馏水，加入烧杯中(土∶水=1∶5)后用玻璃棒搅拌约1 min，静置半小时左右，澄清。插入pH计(上海精科PHS-3C)的电极球至悬液面下，待pH读数稳定后，记录pH值。测定3个样品后，用pH标准溶液校正1次。对每个样品的3个重复均进行测定后求取平均值，并进行标准误差的计算，用星号(*)表示显著性(*:P＜0.05，**:P＜0.01)。

1.4 电感耦合等离子体发射光谱法测定土壤中营养元素及重金属元素含量

1.4.1 仪器与试剂 电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)PE Optima8000，万分一天平、烘箱等;硝酸、高氯酸、氢氟酸、超纯水等。

1.4.2 样品消解(湿法消解) 准确称取0.2500～0.2509 g土至坩埚中，加入10 mL混酸(硝酸∶高氯酸=9∶1)，静置过夜后加热消化，同时加入氢氟酸至溶液呈无色透明或略带黄色且残留量不超过1 mL，冷却并定容至26mL，混匀待测，设置3个重复。

1.4.3 标准曲线绘制 准确吸取5.00 mL单元素标准溶液(100 mg/L)置于50 mL容量瓶中，用2%硝酸溶液稀释至刻度，混匀，配置成混合标准使用液。再将该混合标准使用液逐级稀释成不同浓度系列的标准溶液(稀释浓度分别为0.01、0.02、0.05、0.1、0.2、1、2、10 mg/L)，待测。

1.4.4 样品数据处理 设定好仪器参数后，对每个样品的3个重复均进行测定后求取平均值，并进行标准误差的计算，并用星号(*)表示显著性(*:P＜0.05，**:P＜0.01)。

2 结果与分析

2.1 不同地区水稻根际土壤6种营养元素变化趋势分析

实验对不同地区2个不同水稻品系在其不同生长时期的根际土壤中6种营养元素(P、K、Ca、Mg、Na、Fe)含量进行分析(图1)，在安康地区采样点处(图1-A)，2个品系水稻根际的P、K、Na元素含量均随水稻的生长发育逐渐降低，Ca、Fe元素含量均随水稻的生长发育逐渐升高，Mg元素含量均随水稻的生长发育先升高后降低;两个品系水稻根际的P、Ca、Fe元素含量在城固地区均随水稻的生长发育逐渐升高，K优082品系水稻根际的K、Mg和先丰优901水稻根际的Mg元素含量均随水稻的生长发育先升高后降低，Na元素含量均随水稻的生长发育逐渐降低(图1-B);宁强地区2个品系水稻根际的P、 Mg元素含量均随水稻的生长发育先升高后降低，K、Na元素含量均随水稻的生长发育逐渐降低，Ca元素含量均随水稻的生长发育逐渐升高，Fe元素含量均随水稻的生长发育先升高后降低。这些变化均具有一定显著性(图1-C)。

2个品系水稻在五叶期时，3个采样点根际土壤的P、K、Ca、Mg、Na、Fe这6种营养元素含量分别为41.6～884.0，16 655.6～32 141.2，198.7～2735.2，6101.3～12 716.0，5132.4～15 293.2，8907.6～71 531.2;在分蘖期含量分别为332.8～962.0，12 261. 6～21 507.0，2031.5～4738.9，9748.3～30 021.0，4331.6～6758.0，25 464.4～64 355.0;在孕穗期含量分别为379.6～2189.2，10 301.2～19151.6，4236.3～6517.3，7325.1～10 559.5，2761.2～3603. 6，44 501.6～106 080.0 mg/kg。结合本实验前文施肥时期为水稻移栽前期，只进行了氮肥、磷肥和钾肥的混合肥施用，参考土壤肥力等级标准[15]和水稻生长时期营养元素需求研究[16]发现，这些地区水稻根际土壤中所含的元素含量均能满足水稻在主要生长发育时期的需求，即不用在另外施加其他元素的肥料，以免造成因过渡施肥引起土壤胶体结果变化而导致的水土流失及土壤盐碱化问题。

同时，根据实验结果发现，在同一采样地的不同水稻品系根际土壤元素含量随着水稻生长发育过程变化趋势一致。

综合以上发现，陕南轮作区水稻根际土壤元素变化趋势主要和该地区土质本身关联性较强，肥料的施用及水稻品种的变化对土壤元素变化趋势没有显著影响。

2.2 4种重金属在不同地区水稻根际土壤中的分布特性研究

2.2.1 4种重金属在不同地区的水稻不同生长时期的累积特性分析 前人对于水稻根际土壤重金属概念有较多分歧，故本文将Mn[17-18]、Zn[19]、Cr[19]、Cu[20]4种元素均作为重金属元素进行分析和研究，但在其他关于水稻根际土壤元素的实验研究中，可能需要考虑其在水稻实际生长发育过程具有重要作用[21]。

由表1可以看出，3个采样点2个水稻品种在其不同生长时期根际土壤的4种重金属含量均存在一定变化趋势:土壤总Mn含量随水稻的生长发育逐渐降低，这可能是由于水稻在生长发育时期需要吸收土壤中的Mn(易被植物吸收的二价离子状态)[22]，导致土壤总Mn量下降;由于水稻生长发育需要从土壤中吸收Zn和Cu，待生长后期需要度下降及外源水中离子的补充，导致土壤中总Zn和总Cu先降低后上升;Cr变化不显著。

图1 不同地区水稻根际土壤6种营养元素变化趋势分析Fig.1 Tendency of six nutrient elements in rice rhizosphere soil of different rice strains

总体而言，Mn、Zn、Cr、Cu的含量分别为165.4～790.4，6.2～39.4，39.4～91.3，3.3～43.3 mg/ kg。其中五叶期和孕穗期水稻土壤的Zn变异系数与同一时期其他元素变异系数相比最大，分别为48.86%和61.74%，在分蘖期变异系数也达到了35.16%，这可能与锌直接参与水稻光合作用与孕穗过程相关。在分蘖期Cu元素的变异系数最大51.79%。重金属Zn、Cr、Cu含量均小于国家土壤环境质量标准[16]，且在这2个指标处，土壤均为一级土壤(总锌含量小于100 mg/kg，总铬含量均小于90 mg/kg，总铜含量小于35 mg/kg)。这说明，3个采样点的土壤中含有重金属，但重金属含量较低。我国对土壤全锰元素含量没有明确的标准等级，一般我国农业土壤中全锰的自然含量是42～3000 mg/kg，平均为710 mg/kg[23-24]。本实验采样地的全锰含量低于我国农田土壤平均水平，对水稻的生长和发育没有显著影响。

表1 水稻根际土壤中4种重元素含量Table 1 Concentrations of four heavy-metal elements in rice rhizosphere soil

2.2.2 不同水稻生长时期4种重金属元素与营养元素的相关性分析 从表2可以看出，五叶期的P元素与Mn和Zn元素呈显著负相关，同时，P与其他5种营养元素彼此均具有显著相关性，其余五叶期4种重金属元素彼此均具有显著相关性。从表3可以看出，在分蘖期4种重金属元素与营养元素大部分均表现为负相关，但重金属之间均呈现相关或显著相关性;营养元素间相关性较五叶期显著下降，其中P和K元素由显著正相关变为显著负相关，Ca和Mg元素依然保持显著正相关，Na和Fe元素保持显著负相关。从表4可以看出，到孕穗期营养元素相关性逐渐升高，重金属元素之间的显著性下降。

本实验土壤属于油菜-水稻轮作种植区，在种植水稻前期，土壤整体营养成分较高，同时，在水稻移栽前给水稻土壤中进行了施肥，此时水稻土中P、K含量高，故在五叶期土壤营养元素大部分成显著相关;土壤中重金属元素含量低，与营养元素相比属于微量元素，彼此呈现显著关系，但不与营养元素相关。水稻经过一段时期生长，对营养元素及部分重金属元素[25]有不同程度的吸收，导致土壤中元素含量不同程度的发生变化，进而使其彼此相关性降低。在水稻由营养生长变为生殖生长的孕穗期，这一过程需要大量P、K、Fe等元素参与水稻的幼穗分化、抽穗的生理过程[26]，这使该时期营养元素相关性有了个别回升现象，但重金属元素与营养元素相关性依然不高。

表2 五叶期水稻根际土壤元素含量间的相关系数Table 2 Correlation coefficient between elements of rice rhizosphere soil in five-leaf stage

表3 分蘖期水稻根际土壤元素含量间的相关系数Table 3 Correlation coefficient between elements of rice rhizosphere soil in tillering stage

表4 孕穗期水稻根际土壤元素含量间的相关系数Table 4 Correlation coefficient between elements of rice rhizosphere soil in booting stage

2.3 土壤含水量分析

水稻生长周期大部分时间都是浸泡在水里，因此，水份能够直接影响水稻的生长发育级根系伸长等[27]，同时土壤含水量也会直接影响土壤微生物的种类和分布，及土质类型等，进而间接影响土壤矿质元素含量和分布。因此，对土壤含水量的分析有助于分析土壤营养元素变化趋势的原因。

通过对水稻根际土壤含水量变化趋势分析发现，随着水稻的生长发育，土壤含水量显著升高，有的地区在孕穗期土壤含水量超过50%(表5)。这复合水稻水田生长的特点。同时，大量灌溉水的使用，可能会带来部分可溶性矿质元素，这可能导致在孕穗期水稻土壤营养元素的相关性略有上升

表5 水稻根际土壤含水量Table 5 Water content in rice rhizosphere soil(%)

图2 水稻根际土壤酸碱度变化Fig.2 pH of rice rhizosphere soil

2.4 土壤酸碱度分析

土壤pH是土壤许多化学性质特别是盐基状况的综合反映，对土壤中微生物的活性、养分的转化与释放、微量元素的生物有效性以及元素的迁移等均有重要影响[25]。在不同pH值时，土壤中各种元素会以不同形式出现，因此，研究土壤pH值对探索土壤元素变化规律有重要作用。

图2表明，在3个采样地的2种水稻品系的根际土壤pH值都随着水稻生长发育过程逐渐降低，这可能是由于随着水稻逐渐生长，其根系分泌物与土壤微生物互作的结果。就采样点而言，安康水稻根际土壤pH值较低(5.5～6.5)，城固和宁强采样地pH偏中性。这个结果与土壤环境质量标准[29]对照，采样地土壤酸碱性复合水稻种植要求。

3 结 论

本文通过研究发现，陕南水稻-油菜轮作区3个不同采样点在水稻不同生长发育时期(五叶期、分蘖期、孕穗期)中根际土壤P、K、Ca、Mg、Na、Fe 6种营养元素及Mn、Zn、Cr、Cu 4种重金属元素含量范围分别是41.6～2189.2，10 301.2～32 141.2，198.7～6517.3，6101.3～30 021.0，2761.2～15 293.2，8907.6～106 080.0，165.4～790.4，6.2～39.4，39.4～91.3，3.3～43.3 mg/kg。参考土壤肥力等级标准[15]和水稻生长时期营养元素需求研究[16]发现，这些地区水稻根际土壤中所含的元素含量均能满足水稻在主要生长发育时期的需求，即不用在另外施加其他元素的肥料。同时，3个采样地含有Mn、Zn、Cr、Cu 4种金属元素，但含量均较低，满足我国农田土壤要求标准，不会对水稻生长造成显著影响。通过对土壤含水量及酸碱性的研究发现，土壤含水量符合水稻水田生长特性，在水稻孕穗期含水量均较高，个别采样地还能达到50%;除安康地区为偏酸性水稻土(pH 5.5～6.5)，其余采样地均为中性土壤，均适合水稻生长。

4 讨 论

前人分别从不同角度对水稻根际土壤元素进行了研究，比如李松松等人对8种矿质元素在苗期水稻的积累特性进行了研究[30]，王秋菊等人对不同类型土壤对水稻产量及养分吸收特性进行了分析[31]，高盼还研究土壤下层元素含量与水稻生长特性关系[32]等，但均没有针对我国西北西区水稻主产区-陕西南部地区进行土壤元素分析，该地区属于水稻-油菜轮作区，土壤元素含量、变化趋势、酸碱性等于我国其他水稻产区有一定差异，对该地区的水稻根际土壤元素变化趋势及土壤理化性质进行分析，首先有助于了解轮作区土壤元素变化规律，可以帮助我们建立轮作区水稻田施肥方案，防止过渡施肥引起土壤胶体结构变化，进而导致不同程度的水土流失;其次，该地区重金属元素含量在一定程度上是对该地区污染与否及污染程度的指示，是保证水稻品质的重要指标;再次，前人研究发现，土壤元素含量与土壤根际微生物显著相关[33]。本文的实验研究是后续分析该地区根际微生物多样性的一方面影响因素，为进一步探讨该地区微生态环境建立了基础实验数据。

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(责任编辑 陈 虹)

Variation Tendency of Elements'Contents in Rice Rhizosphere Soil of Rotation Areas

WANG Meng-jiao1，2，3，DENG Bai-wang2，3，PENG Hao2，3
(1.Shaanxi Sci-Tech University，Key Laboratory of Biological Resources in Shaanxi Province，Shaanxi Hanzhong 723000，China;2.Shaanxi Sci-Tech University，Shaanxi Provincial Engineering Research Center of Edible and Medicinal Microbes，Shaanxi Hanzhong 723000，China; 3.Shaanxi Sci-Tech University，School of Biological Science and Engineering，Shaanxi Hanzhong 723000，China)

【Objective】The present study aims to analyze the variation tendency of elements in rice rhizosphere soil under the rape-rice rotation system in Southern shaanxi.【Method】The distributions of P，K，Ca，Mg，Na，Fe，Mn，Zn，Cr and Cu of different rice strains in different stages at three sampling sites by inductively coupled plasma emission spectrometry method were studied.【Result】The concentration ranges of P，K，Ca，Mg，Na，Fe，Mn，Zn，Cr，Cu were 41.6-2189.2，103 01.2-32 141.2，198.7-6517.3，6101.3-30 021.0，2761.2-15 293.2，8907.6-106 080.0，165.4-790.4，6.2-39.4，39.4-91.3，3.3-43.3 mg/kg，respectively.Significant difference was found in the concentrations of nutrientelements.There were good correlations betweenmetal elements.The results ofwater content and pH of soil showed that soilwater contentwas in accordance with the growth characteristics of rice.Water content at the booting stage of rice was higher，and the sampling area could reach at50%.In addition to the Ankang area(pH5.5-6.5)，the restof sampling siteswere neutral soil，which were all suitable for rice growth.【Conclusion】This study revealed the trend of soil elements in rhizosphere of rice and played a theoretical role in rational fertilization and soil and water conservation.

Rice;Rhizosphere;Metal elements;Soilmicroenvironment

S143.7

A

1001-4829(2017)8-1814-08

10.16213/j.cnki.scjas.2017.8.020

2016-09-12

陕西理工人才启动项目“不同品系水稻根际微生物物种多样性分析研究”(SLGKYQD2-19);陕西理工大学研究生创新基金项目“安康地区轮作制水稻根际土壤微生物多样性分析”(SLGYCX1618);陕西省科技厅重点实验室项目“复合微生物菌群固定化模型建立及其对汉江汉中段水质净化效果研究(2015SZS-15-07)”;陕西省教育厅重点科学研究计划项目“陕南水稻根际微生物多样性分析及抗性微生物筛选研究”(15JS021)

王梦姣(1987-)，女，陕西宝鸡人，博士研究生，讲师，研究方向:水稻与根际微生物互作关系研究，E-mail: amy133253@126.com，Tel:18291699362。