罗定祥,冶 军,侯振安,安军妹,白 娇
(石河子大学农学院农业资源与环境系,新疆石河子 832003)
【研究意义】硒元素对动植物生长发育极为重要,硒元素摄取量不足时会使人和动物产生多种疾病[1-2]。缺硒及土壤硒有效性低的区域可以通过人为干预提高作物硒富集程度,为人类提供更有效的植物性硒源[3]。施用外源硒和活化土硒的有效性是提高作物硒含量的主要两种方法之一。有研究表明,在富硒地区土壤的全硒含量虽然较高,但可被作物吸收的有效态硒的含量却是很少的一部分[4]。硒对植物的生物有效性及植物吸收累积量不仅取决于土壤中总硒含量,且与硒赋存形态密切相关[5]。【前人研究进展】土壤各形态和价态硒间存在着相互转化作用,且很多研究都已证实土壤硒形态和价态的研究比土壤全硒量更有意义[6-8]。土壤中硒形态与土壤质地、全硒、pH、有机质、氧化还原电位(Eh)、阳离子交换量及离子竞争等有关[9-10]。其中土壤有机质含量与有效态硒(可溶态硒、可交换态硒)呈正相关,土壤 pH与可交换态硒和铁-锰氧化物结合态硒的含量存在密切关系[11-14]。【本研究切入点】谭建安等[15]硒含量范围的划分标准:以>0.450 mg/kg为富硒土壤。经调查测定发现石河子天业农业生态园石灰性土壤全硒含量平均值为0.583 mg/kg,达到土壤富硒水平,且远大于全国(0.29 mg/kg)及新疆(0.22 mg/kg)土壤硒含量的平均值,但土壤硒活化率偏低,硒的生物有效性不高[16]。有研究发现腐殖酸、有机肥等有机物料能组成的调节剂能活化土壤中的有机硒,提高土壤中有效硒含量,进而促进作物对硒的吸收[17-19]。【拟解决的关键问题】通过添加不同有机物料,研究不同有机物料对土壤硒活化的作用,为提高石灰性土壤硒的有效性提供依据。
试验于2017年在石河子市的天业农业生态园进行(44°21′52.106″E,86°04′46.475″N)。土壤类型为灌耕灰漠土,质地为壤土,pH 7.8,有机质9.89 g/kg,全氮0.83 g/kg,碱解氮65.06 mg/kg,有效磷15.40 mg/kg,速效钾323 mg/kg,全硒0.583 mg/kg,有效硒29.05 μg/kg。供试小麦为新春6号。供试材料为生化腐殖酸(SF,新疆沃达有限公司)、矿源腐殖酸(KF,新疆哈密亿能源生科技有限公司)、鸡粪有机肥(JF),列出供试材料基本理化性质。表1
表1供试材料基本理化性质
Table1Basic physical and chemical properties of tested materials
供试材料Testmaterials硒含量Seleniumcontent(mg/kg)有机质Organicmatter(g/kg)全氮Totalnitrogen(g/kg)有效磷Availablephosphorus(mg/kg)有效钾Effectivepotassium(g/kg)pH生物腐殖酸Biologicalhumicacid(SF)0 01747 5627 2453 6011 504 7矿源腐殖酸Sourceofhumicacid(KF)1 80696 3912 334 758 536 3鸡粪有机肥Chickenmanure(JF)1 56677 250 161 548 557 1
注:试供材料pH值测定均采用1∶2.5的水土比
Note: Test materials for the determination of pH values are used 1∶2.5 ratio of water and soil
1.2.1试验设计
试验设生物腐殖酸(SF)、矿源腐殖酸(KF)、鸡粪有机肥(JF)和对照(CK)共4个处理,每个处理重复3次,各处理用量均为600 kg/hm2。小区面积10 m2,小区间设1 m保护行。
在播种前将有机物料人工翻用土中,深度为20 cm。小麦采用为1带4行的模式(即4行小麦1条滴灌带,行距为15 cm,滴头间距30 cm)。小麦整个生育期灌水450 mm,分6次进行灌溉。磷肥(磷酸二氢钾),投入量为P2O5100 kg/hm2和氮肥(尿素)施用量为N 100 kg/hm2,均作追肥分三次随水施用。
1.2.2样品采集与测试指标
采样时间:在小麦播种第1 d(播种前)、第30 d(三叶期)、45 d(拔节期)、60 d(孕穗期)、第75 d(收获后)分别对土壤及植株取样。
土壤样品:取土深度为0~60 cm,采集后的土壤样品在室内阴凉处自然风干,除去植物残体后磨碎分别过60和100目尼龙筛,待测。
植物样品:采回小麦样先用自来水冲掉根部泥砂,再用去离子水将小麦样冲洗3次,洗净的小麦样品用滤纸吸干水分后将根、茎、叶、穗分开。小麦植株样在105℃下杀青30 min,60℃烘干至恒重,分别称量并记录根、茎、叶、穗各器官质量,然后分别粉碎存于自封袋密封,待测。
植物总硒:组织样品粉碎过1 mm筛后,用电子天平称取0.1 g (精确到0.000 1 g),于50 mL锥形瓶中,加HNO3+ HCIO4混合酸(体积比为4∶1)10 mL,摇匀后放置过夜。用电热板170℃加热并及时补加混酸,至溶液清亮无色并伴有白烟出现时, 继续加热至溶液剩余体积为2 mL左右时,从电热板上取下冷却,加用6 mol/L的盐酸10 mL,再次加热至溶液变为清亮并伴有白烟出现时取下、冷却后转移至25 mL容量瓶中待测。测定用AFS-810原子荧光光谱仪测定硒的含量(具体方法参照GB/T 5009.93-2003《食品中硒的测定》)。
植物无机硒:用电子天平准确称取0.20 g样品于有塞刻度试管中,加 50%盐酸溶液10 mL, 超声波混匀30 min 后,沸水浴30 min,冷却后用脱脂棉过滤。样品消解及测定同上。
1.2.3计算
土壤硒活化率=(有效硒含量 / 全硒含量)×100%。
数据计算和绘图用 Microsoft Excel 2003 软件进行,方差分析和数据变异采用 SPSS 21.0 统计分析软件进行,比较不同处理间差异采用单因素方差分析。
研究表明,各处理土壤硒主要以有机结合态为主,占总硒的40%~45%;残渣态硒和铁锰氧化物结合态硒次之,分别约占总硒的34%和18%,可交换态及碳酸盐结合态和可溶态含量最小,分别约为总硒的3%和1%。试验选用的鸡粪有机肥与矿源腐殖酸均富含硒,这可能对土壤总硒含量产生一定的影响,但对土壤各形态变化趋势无显著影响。对照处理土壤各形态硒含量百分比在不同天数较为稳定,整体上残渣态和铁锰氧化物结合态占总硒比例基本无变化,有机结合态硒占总硒比例呈现降低的趋势,而可溶态和可交换态及碳酸盐结合态硒占总硒的比例则为先升高后降低,这与王松山等[5],吴雄平等[13]研究相符。
研究表明,不同有机物料处理下土壤有效态硒含量随施入时间延长而增加。随着施入时间的延长,矿源腐殖酸(KF)处理和鸡粪有机肥(JF)处理土壤可溶态、可交换态占总硒的百分比均呈上升趋势,增幅分别为1.35%~3.25%、1.23~4.59%和3.96%~10.99%、3.15%~11.89%。而生化腐殖酸(SF)处理土壤中可溶态硒含量占总硒的比例基本保持不变;相比之下,可交换态占总硒的比例有所增加,增幅为3.83%~10.09%。
不同有机物料处理下,随施入时间延长土壤中残渣态硒占总硒的百分比均无显著变化,而有机结合态硒占总硒比例均呈降低的趋势,生化腐殖酸处理、矿源腐殖酸处理和鸡粪有机肥处理降幅分别为43.72%~35.92%、41.72%~35.52%和44.01%~35.09%;和随施入时间的延长,矿源腐殖酸处理和生化腐殖酸处理土壤铁锰氧化态硒含量占总硒的百分比整体基本不变,鸡粪有机肥处理条件下铁锰氧化态硒含量占总硒的百分比整体先升高后降低,在施用60 d时,土壤铁锰氧化态硒含量占总硒的比例达到最高,占到总硒量的18.55%。图1
图1不同有机物料下石灰性土壤硒形态百分比随时间变化
Fig.1Change of percentage of each selenium fractions with time in Effects of organic materials calcareous soil
研究表明,第1 d时,各处理土壤硒的活化率在8.42%~9.90%,这明显低于石灰性土壤硒的活化率的均值12.16%[16];同时,矿源腐殖酸(KF)处理和鸡粪有机肥(JF)处理土壤硒活化率高于和对照(CK)处理,这可能由于鸡粪有机肥、矿源腐殖酸本身含硒,施入土壤后对土壤硒形态含量造成的影响。随施入时间延长,各有机物料处理土壤硒活化率均显著高于对照处理(P<0.05),且从0~60 d均呈快速增高趋势。在60 d时,对照处理与矿源腐殖酸处理土壤硒活化率达到最高;60 d后,对照处理土壤活化率趋于平稳,而矿化腐殖酸处理土壤硒活化率呈下降趋势。在整个过程来看矿源腐殖酸处理和鸡粪有机肥处理土壤硒活化率显著高于生化腐殖酸处理和对照处理,可见这两处理活化土壤硒的效果最好。图2
注:误差线代表标准偏差(n=3)。不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)
Note: Error bars represent standard deviation (n=3). Different low case letters indicate significant differences among treatments(P<0.05)
图2不同时期土壤硒活化率
Fig.2The soil selenium activation rate in different periods
研究表明,施用鸡粪有机肥处理土壤pH值与对照(CK)处理无显著差异,但是施用生化腐殖酸(SF)和矿源腐殖酸(KF)处理土壤pH值显著低于对照处理,分别较对照处理降低11.54%和5.13%。 SF、KF和JF处理之间差异均显著,表现为SF< KF 注:误差线代表标准偏差(n=3)。不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05) Note: Error bars represent standard deviation (n=3). Different low case letters indicate significant differences among treatments(P<0.05) 图3不同有机物料下土壤pH值和有机质变化 研究表明,在75 d取样,土壤有效硒含量与土壤有机质(n=4、r=0.87 、P<0.01)呈极显著相关。可见,有机物料能使土壤有效硒含量提高,这与安梦鱼等[18]研究结果相符。土壤有效硒含量与pH(n=4、r=0.22)之间无明显的相关性。图4 图4土壤有机质和pH与土壤有效硒的相关性 研究表明,施用不同有机物料鸡粪有机肥(JF)、生化腐殖酸(SF)和矿源腐殖酸(KF)处理小麦根部硒含量较对照(CK)处理均显著增加,分别较对照处理增加32.56%、25.58%和9.30%;JF处理小麦茎硒含量较对照处理显著增加,但是生化腐殖酸和矿源腐殖酸处理茎部硒含量鸡粪有机肥与对照处理相比无显著差异。鸡粪有机肥处理和矿源腐殖酸处理小麦叶片硒含量显著高于对照处理,分别较对照处理高 22.03%和 27.12%,但是生化腐殖酸处理小麦叶部硒含量较对照处理差异不显著。施用鸡粪有机肥处理和矿源腐殖酸处理条件下小麦籽粒硒含量均显著高于对照处理籽粒硒含量,较对照处理分别提高了34.48%、27.59%;而生化腐殖酸处理与对照 处理小麦籽粒硒含量无显著差异。表2 表2不同有机物料下小麦根、茎、叶和籽粒硒含量变化 有机物料Organicmaterials硒含量 Seleniumcontent(mg/kg)根Roots茎Stems叶Leaves籽粒GrainCK0 043d0 021b0 059b0 029bSF0 054b0 019b0 057b0 025bKF0 047c0 020b0 075a0 037aJF0 057a0 028a0 072a0 039a 注:同列相同小写字母表示施有机物料处理间差异不显著(P>0.05) Note: Common letters indicate no significant difference among treatments at 0.05 level 瞿建国等[20]研究结果说明,土壤中硒的存在形态与土壤pH 和有机质含量是密切相关的。研究中不同有机物料pH值不同,土壤中分别施用生物腐殖酸、矿源腐殖酸、鸡粪有机肥显著降低土壤pH值;同时施用矿源腐殖酸、鸡粪有机肥后土壤中各硒形态及总硒的含量均有提高,使用生物腐殖酸对土壤硒无显著影响,这与李圣男等[17],刘庆等[21]研究结果一致。不同有机物料处理下土壤有机结合态硒占总硒比例均随施入时间延长而降低。矿源腐殖酸处理和鸡粪有机肥处理土壤可溶态、可交换态占总硒的百分比在增加;生化腐殖酸处理土壤中可溶态硒含量占总硒的比例无显著变化,而可交换态占总硒的比例有所增加。这与安梦鱼等[18]研究结论相一致。各有机物料处理下土壤有效态硒含量随施入时间延长而增加,进而提高土壤硒的活化率。在60 d时,矿源腐殖酸处理土壤硒活化率达到最高,60 d后土壤硒含量开始有所下降,是否说明添加矿源腐殖酸对土壤有效硒的活化有一定限度,还是土壤有效硒含量会随着施入时间再延长而下降,在整个过程中生化腐殖酸处理、鸡粪有机肥处理土壤硒的活化率一直呈上升趋势,由于试验根据春小麦生育期来设定,春小麦生育期时间短,观察时间有限,还需进一步跟踪研究。 在土壤有效硒含量的诸多影响因子中,有机质含量对土壤有效硒的影响较大,由于有机质对硒元素的吸附作用受到有机质的组成以及质和量的影响[22]。试验中土壤有效硒含量与土壤有机质极显著相关,有机物料能使土壤有效硒含量提高,这与杨旎等[23],安梦鱼等[18]研究结果一致。相反,有研究发现有机质会吸附固定硒,使得土壤中有效态的硒含量减少[24]。施用腐殖酸能提高土壤有效硒含量,可能与腐殖酸中的富里酸含有多种活性官能团,如-COOH、醇-OH-NH2、酚-OH等[25-26]有关,官能团能与硒元素络合,形成生物易吸收且活性高的硒化合物;施用有机肥对有机结合态硒中富里酸结合态硒的矿化有促进作用,富里酸结合的硒有效性高,易被植物所吸收[23,27]。石灰性土壤施用生化腐殖酸,土壤有效硒含量与小麦籽粒硒含量并不成正比,且小麦硒主要富集于其根部,这与张栋等[30]研究结果不符。土壤可容态硒中六价态硒含量最高,而可交换态硒主要以四价态硒为主[5,31]。试验施用生化腐殖酸后,土壤中可溶态硒(六价)含量占总硒的比例无显著变化,可交换态硒(四价)显著提高。不同种类植物对不同价态硒的吸收具选择性有关,硒酸盐(六价硒)易被小麦吸收利用及易向籽粒富集,亚硒酸盐(四价硒)易滞留于小麦根部[32]。 土壤全硒一般不能很好的反映土壤对植物的供硒水平,只能作为土壤硒的潜在容量指标,应该用有效态硒来衡量土壤的供硒能力[33]。施用不同有机物料能很好的活化富硒土壤中的有机硒,提高土壤硒的活化率,很好利用了富硒土壤的优势,减少了因添加外源硒带来的污染,同时可提高作物硒含量。试验主要分析pH、有机质与有机物料对土壤硒活化的相关性,同时施用有机物料可能会改变土壤环境其他因子如微生物活动、有机硒含量等对试验结果也可能产生影响,且整个过程中pH应该是一动态变化的。因此,还需进一步验证和研究。 不同有机物料处理下,随施入时间延长,土壤有机结合态硒占总硒比例均降低,土壤有效态硒含量增加,进而提高土壤硒的活化率。其中矿源腐殖酸处理和鸡粪有机肥处理土壤可溶态硒、可交换态硒含量均增加,土壤硒有效性增高,小麦籽粒硒含量较未添加处理分别提高27.59%和34.48%;生化腐殖酸处理主要增加可交换态硒含量,较未添加处理增高7.07%,而可溶态硒含量占总硒的比例无显著变化,硒主要富集于小麦根部, 较未添加处理小麦根部硒含量增加25.58%。 参考文献(References) [1] Hamilton, S. 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Fig.3Effects of different organic compounds on soil pH value and organic matter2.4 土壤有机质和pH与土壤有效硒的相关性
Fig.4Correlation Analysis of Soil Organic Matter, pH and Soil Available Selenium2.5 小麦各器官硒含量
Table2Effects of different organic materials onselenium content of wheat roots,stems and grain3 讨 论
4 结 论