叶面喷施硒肥对水稻吸收累积硒及其他矿质元素的影响

王梦园 杨良哲 汪丹 张阳阳 段碧辉 袁知洋 闫加力

摘要 為保证硒肥的合理利用及富硒水稻的安全生产，探究水稻植株体内硒及其他矿质元素、重金属含量对外源硒的响应程度。以水稻品种“鄂中五号”和硒肥“中地西能”为试验对象，采用大田随机区组设计，设4个硒肥浓度（0、15、30、60 g/hm2）处理，于水稻齐穗期统一喷施，在成熟期检测水稻植株各器官中硒含量、糙米中不同矿质元素含量、叶片中不同重金属元素含量，评价各处理糙米与其他各器官硒元素富集的难易程度。结果表明，水稻糙米各器官中硒含量均随硒营养液喷施浓度的增加而增加，其中，谷壳和叶片对硒肥的响应程度最大，叶面硒肥增加了糙米硒的富集系数、各器官硒的转移系数；叶面硒肥对糙米中不同矿质元素的影响不同，高浓度硒处理降低了氮、锰、铜的含量，但提高了锌、钙、镁、钾、磷元素的含量；高浓度硒处理可有效降低植株叶片中汞、铅、镉、铬含量，低浓度的硒处理降低了砷含量。

关键词 叶面硒肥；齐穗期；硒含量；矿质元素含量；重金属元素含量

中图分类号 S143.7+9  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2024）06-0150-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.06.033

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Effect of Foliar Spraying Selenium Fertilizer on the Absorption and Accumulation of Selenium and Other Mineral Elements in Rice

WANG Meng-yuan1，2，YANG Liang-zhe1，2，WANG Dan1，2 et  al

（1. Hubei Institute of Geosciences， Wuhan， Hubei   430034;2. Hubei Provincial Test Center for Selenium Eco-enviromental Effect， Wuhan， Hubei  430034）

Abstract In order to ensure the rational use of selenium fertilizer and the safe production of selenium rich rice， experiments were designed to explore the response of selenium， other mineral elements and heavy metals in rice plants to exogenous selenium. The rice variety ‘Ezhong No. 5 and selenium fertilizer ‘Zhongdixineng were taken as the experimental objects， and the field randomized block design was adopted. Four selenium fertilizer concentrations （0， 15， 30， 60 g/hm2） were set for treatment. The selenium content in organs of paddy rice plants， different mineral elements in brown rice， and different heavy metal elements in leaves were measured at the maturity stage， to evaluate the difficulty of selenium enrichment in brown rice and other organs of each treatment. The results showed that the selenium content in each organ of brown rice increased with the increase of the concentration of selenium nutrient solution sprayed. Among them， the grain hull and leaves had the greatest response to selenium fertilizer， and the foliar selenium fertilizer increased the enrichment coefficient of selenium in brown rice and the transfer coefficient of selenium in each organ;Leaf selenium fertilizer had different effects on different mineral elements in brown rice;High concentration of selenium could effectively reduce the content of mercury， lead， cadmium and chromium in plant leaves， while low concentration of selenium could reduce the content of arsenic.

Key words Foliar selenium fertilizer;Full heading stage;Selenium content;Mineral element content;Heavy metal element content

硒元素在人体中能参与多种酶和蛋白质的合成，是人体不可或缺的有益微量元素之一，具有增强免疫力、抗氧化、防癌抗癌等重要价值［1］。硒因在地壳中分布不均匀的特点导致我国约3/4的地区为缺硒地区［2］，硒缺乏可能导致多类疾病的发生，如心肌病、视网膜斑点变性、白内障以及脑嵴硬化症等［3］。植物膳食是人类摄入硒的主要来源，但主要粮食作物水稻和小麦等谷物中的硒水平普遍较低［4］，硒缺乏症是长期亟需解决的公共卫生问题［5］。施用外源硒以增加作物含硒量是帮助人体补硒的一个重要途径。硒肥的利用对农作物可食部分硒含量的提高具有促进作用，其中以水稻硒含量的提升较为显著［6-8］。在实际生产应用中，水稻硒含量的提高通常可以采用硒肥拌种、土壤硒肥的施用和叶面硒肥的喷施3种途径。然而硒肥拌种存在可操作性不强、用量不易把握等缺点；土壤硒肥在施用过程中易出现利用率不高的问题，且具有造成土壤污染的风险。对于缺硒地区，叶面硒肥的使用是促进水稻富硒的一种较优选择。外源硒肥通常具有无机与有机2种形式，无机硒肥的施用在实际农田生产中应控制其施用量，否则容易引起作物中毒，影响生长发育及产量，也可能导致环境污染；有机硒肥在促进作物生长的同时，提高农作物的含硒率，避免农作物因硒肥浓度过高受到损害。此外，研究表明由于拮抗作用，硒在植物体中具有降低重金属毒害效果［9］；也有研究表明外源硒肥的施用对植物体中矿质元素的吸收累积具有一定影响［10］。基于此，笔者以水稻为目标作物，设计大田试验以探究喷施不同浓度的有机硒肥对水稻植株体内硒的吸收累积及其他矿质元素的影响，为水稻专用硒肥的开发和选择、高品质富硒稻谷的生产提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试水稻品种为“鄂中五号”，由湖北省农业科学院作物育种栽培研究所提供。

供试硒肥为“中地西能”硒营养液，由中国地质大学（武汉）提供。

1.2 试验设计

试验于2018年在湖北省荆门市京山市孙桥镇胡家棚村进行。采用随机区组设计共设置4个处理，处理符号分别为CK、T1、T2和T3。CK处理为空白对照处理，即不施硒肥处理；T1处理为喷施硒营养液15 g/hm2；T2处理为喷施硒营养液30 g/hm2；T3处理为喷施硒营养液60 g/hm2。每个处理设置3个小区即3个重复，每个小区面积相等，均为30 m2，试验小区周围设有保护行。每个处理统一管理，于齐穗期按不同处理浓度设置分别进行硒肥的喷施。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 样品采集与测定。

水稻成熟期，避开小区边缘位置，每个处理选取3份植株样品和相应的根系土样品。即每个处理随机选取3兜植株（带根），先用自来水洗净根系及植株上的泥土后，再用去离子水润洗3次，而后将籽粒、根、茎、叶分开装入牛皮纸信封中，并放入烘箱中105 ℃杀青2 h后于65 ℃温度下烘干至恒重，籽粒进行脱壳处理，而后每个部分进行粉碎、过筛后备用。采完土壤样品后于常溫条件下运送至实验室，除去土以外的杂质后摊放在阴凉处自然风干。在使用前将所有土壤过2 mm筛（尼龙网材质），有机质测定则将土壤过0.149 mm筛，装瓶密封待用。

水稻根系土壤与植株样品各元素含量的检测均按中国地质调查局《生态地球化学评价样品分析技术要求（试行）》（DD2005-03）的方法，全量元素测定经过消煮后定容、过滤，并保存于4 ℃冰箱中备用，消煮液中的元素含量均用ICP-MS测定；有效态元素采用不同提取剂浸提后采用等离子体质谱法（ICP-MS）、等离子体发射光谱法（ICP-OES）、原子荧光法（AFS）、原子吸收法（AAS）等检测方法进行分析，所用试剂均为优级纯（GR）。

1.3.2 硒的易位指数计算。

利用生物浓度因子（生物富硒系数BCF）和易位因子（转移系数TF）对水稻各部位硒的摄取和易位进行表征。生物富集系数（BCF）反映水稻某一特定器官在硒营养液的作用下，对硒元素的富集与土壤中硒含量的变化情况，它是植物某一器官的硒含量与土壤中硒含量的比值；转移系数（TF）反映硒元素从水稻根部向地上部各器官的运输能力，它是水稻植株地上部各器官硒含量与根中硒含量的比值。计算公式：

水稻硒富集系数（BCF）= 水稻植株某一器官硒元素含量/土壤中硒元素含量

水稻硒转移系数（TF）= 水稻植株地上部各器官硒元素含量/根系中硒元素含量

1.4 数据分析

采用DPS 7.05软件对试验数据进行单因素方差分析，Duncan新复极差法检验差异显著性（P<0.05）与极显著性（P<0.01）。采用Sigma Plot10.0软件进行绘图，采用Canoco.5.0软件进行主成分分析（PCA），评价不同处理方法的结果。以主成分PCA1和PCA2为轴生成图。

2 结果与分析

2.1 不同硒肥浓度条件下水稻各器官中硒含量的变化

由图1可知，水稻糙米、谷壳、根、茎、叶的硒含量均随硒营养液喷施浓度的增加而增加，不同器官增幅不同，增长幅度最大的是水稻谷壳，当喷施硒营养液的浓度为T3时，水稻谷壳的硒含量高达5.41 mg/kg，与不施硒肥处理（CK）相比增长了1 630.59%，T1（15  g/hm2）和T2（30  g/hm2）处理与不施硒肥处理（CK）相比分别增长了250.50%和567.47%，这说明在叶面喷施硒肥的处理下，谷壳是水稻植株组织中硒富集能力最强的部位；所有处理中，T3处理的糙米硒含量为1.63 mg/kg，极显著高于其他处理（P<0.01），且所有处理硒含量均显著高于CK处理（P<0.05）；相比于水稻根系，茎和叶对硒元素的生物利用性更大，随着硒肥浓度的增加，叶片硒含量最高为3.33 mg/kg，相比于CK处理增长了510.21%；水稻茎在不同硒肥浓度梯度下，表现为先增后稳的趋势，T3处理硒含量相较于T2处理仅增加了12.65%，而T2处理相较于T1处理增加了169.87%；水稻地下部根系硒含量的增加幅度较小，只有最大浓度的T3处理显著高于CK处理（P<0.05），其他处理与CK处理相比均无显著差异（P>0.05）。因此，叶面喷施硒营养液是提高水稻硒含量的有效方式，且水稻地上部含硒量高于地下部，叶片与谷壳对叶面硒肥的响应能力较强。

2.2 不同硒浓度处理条件下硒在土壤-水稻系统中的富集与转运

叶面喷施不同浓度的硒营养液条件下水稻糙米Se生物富集系数（BCF）和地上部各组织Se转移系数（TF）见表1，水稻糙米Se生物富集系数为0.77～6.68，说明在不喷施硒营养液的情况下，水稻糙米聚硒能力较弱，而经过硒营养液处理后，水稻糙米聚硒能力增强（均大于1），水稻糙米BCF随着硒肥喷施浓度的增加，低浓度的T1处理与CK处理差异显著（P<0.05），高浓度的T2和T3处理与CK处理呈极显著差异（P<0.01），可见喷施叶面硒肥具有促进水稻糙米Se的富集作用，且在T3处理浓度范围之内，硒营养液的浓度越高，水稻糙米对Se元素的生物富集系数越大。不喷施硒营养液的情况下，水稻各组织对硒元素的转移系数（TF）表现为叶>谷壳>茎>糙米，各组织对硒的转移系数在施硒量为30  g/hm2时（T2处理浓度）与对照差异极显著（P<0.01）。糙米、谷壳和叶片的转移系数随硒营养液浓度的增加而增加，且T1处理与对照组（CK）相比呈显著增加（P<0.05），可见硒营养液的施用可有效促进硒元素从根部向籽粒运输，从而增加籽粒的硒富集量，而叶片硒转移系数随着硒肥浓度的提高而升高，其原因可能与硒营养液直接作用于叶片有关；茎的转移系数随喷施硒量的增加呈先增加后降低的趋势，原因可能是植物体中大量的硒被运输至籽粒。综合考虑水稻硒的富集与转移能力，不施硒肥处理表现出“低富集能力、低转移能力”的特点，不利于富硒稻米的生产与发展，不同浓度的叶面硒肥处理下水稻植株各组织表现出“高富集能力、高转移能力”的特点，因此水稻叶面喷施硒肥有助于实现硒资源的充分利用。

2.3 叶面喷施硒营养液对根系土壤各元素的影响

以土壤各元素含量作为变量进行主成分分析（图2），其中第一主坐标解释量为38.25%，第二主坐标解释量为14.66%，两主坐标轴主要解释了52.91%的变量。由此可见，硒营养液的喷施对土壤中的各元素有一定影响。CK处理聚在PCA图的左下部分，喷施硒营养液处理与CK处理相比，主要影响部分矿质元素及重金属元素含量，由各元素的分布特征可以看出，土壤总Se含量与土壤有效态Zn、Cu、Fe、Cd、Pb、有机质、总氮含量之间呈较高的正相关性，原因可能是岩石中Se元素与这些元素同源，且外源有机物在增加土壤有机质的同时，也可能增加土壤Se元素含量；土壤有效Se含量与土壤pH、交换态Ca、Mg、有效态Cr、Mo、Sn、As、速效钾含量之间呈较高的正相关性，由此可知，土壤有效态Se含量与土壤pH、阳离子交换量密切相关。综合来看，叶面喷施硒营养液对土壤基本理化性质影响不大，原因可能是硒营养液主要通过叶面进入植物体中，直接参与植物体中各组织元素循环和分配，对土壤的影响只能通过根系作用。

2.4 硒营养液对土壤和植株各组织硒含量的影响

以土壤和植物各组织硒含量作为变量进行主成分分析（图3），其中第一主坐标解释量为72.23%，第二主坐标解释量为14.53%，两主坐标轴主要解释了86.76%的变量。由此可见，大部分的变量因子均聚在图的右边，可见变量之间具有较强的正相关性，水稻植株糙米硒含量与谷壳和叶片中的硒含量变量轴几乎重叠，表明这3个变量之间具有很强的正相关性，且相关系数接近1；土壤总硒含量、有效硒含量与植物各组织硒含量之间相关性均较弱。此外，CK处理均分布在左侧，T1、T2、T3处理逐渐趋近于植株各组织变量轴，可见水稻在喷施硒营养液的情况下，植株各组织硒含量的增加与土壤硒含量无关，且喷施硒营养液60  g/hm2時，硒营养液浓度的增加可以有效促进籽粒和根茎叶硒含量的增加，对土壤硒含量影响较小，因此，叶面硒肥被认为对土壤污染较小，可应用性强，在土壤缺硒情况下不影响增硒效果。

2.5 硒营养液对水稻籽粒各元素累积的影响

以糙米中各元素含量作为变量进行主成分分析（图4），其中第一主坐标解释量为44.95%，第二主坐标解释量为21.10%，两主坐标轴主要解释了66.05%的变量。从图4可以看出，大部分变量聚集在左边部分，CK处理聚在PCA图的右边部分，硒营养液处理分布于各变量轴中间，可见硒营养液的喷施对糙米中的各元素含量有一定影响，所有矿质元素含量的增加均与硒营养液的施用有关，除Se外的其他有益元素如N、P、Ca、Zn、K、Mg等均互相具有较强的相关性，原因可能是硒营养液中含有少量的有益微量元素被运输至籽粒中，且硒营养液具有促进植物吸收利用土壤及外源矿质营养元素作用。此外，对于提高有益矿质元素含量效果的最佳硒营养液施用量还需进一步研究。

2.6 不同浓度硒营养液对水稻叶片重金属累积的影响

不同浓度硒营养液处理对水稻叶片中重金属的吸收累积具有不同程度的影响（图5）。从图5可以看出，随着硒营养液施用浓度的增加，叶片中Hg元素含量呈先降低再增加再降低的趋势，T1、T2和T3处理相比于CK处理分别降低了6.38%、0.95%、6.71%；叶片中Pb含量呈先增加后持续降低的趋势，降幅为5.91%～14.03%；各处理水平下，仅T1处理具有降低叶片As含量的作用，相比于CK处理降低了7.99%；硒营养液的施用与CK相比同样降低了叶片中Cr含量，降幅为14.64%～44.36%，T3处理降低程度最大；各处理植株叶片Cd含量差异不大，仅T3与CK处理相比具有降低效果，仅降低了3.63%。综合来看增加叶面硒肥浓度可有效降低植株叶片Hg、Pb、Cr、Cd含量，这对减轻重金属污染土壤中水稻植株毒性具有重要意义。不同硒营养液处理下，5种重金属元素含量的变化趋势不一致，对于叶面硒肥降低植株重金属元素含量的最适施用量及其作用机理需进一步研究。

3 讨论

叶面硒肥在实际生产应用中具有被植物叶片直接吸收并快速转移至其他器官的特性，既能提高目标作物硒含量也能避免造成土壤污染，且因避免土壤系统对硒元素的固定以及土壤中生物、物理和化学作用造成的硒流失，所以较土壤硒肥具有更高的硒利用率［11-12］，被认为是一种普遍采用的有效生物强化措施［12］。前人研究了外源硒的施用对大豆鼓粒期各器官中硒含量的影响，结果表明，各器官硒含量与外源硒浓度具有正相关关系［13］。贺前锋等［14］通过大田试验研究了外源硒对水稻植株硒含量的影响，结果发现叶面硒肥的施用显著增加了各器官中的硒含量。这与该试验结果相似，该试验结果表明在水稻齐穗喷施硒营养液，水稻植株各器官的硒含量与喷施浓度呈正相关，然而水稻植株各器官含硒量的增加幅度与前人研究结果［14］不一致，原因可能与水稻品种和硒肥种类有关。此外，在研究外源硒对各器官硒含量的影响时还发现，当硒营养液的浓度控制在30 g/hm2以内时，水稻植株各器官中的分布以叶片和谷壳中硒含量最高，且叶片和谷壳中的硒含量差异不大，而当硒营养液的浓度为60 g/hm2时，谷壳中硒含量最高。与陈雪等［15］叶面硒肥处理下仅有叶片中的硒比例显著增加的结果不一致，原因可能是叶面喷施亚硒酸钠和有机硒营养液的作用不一致，有机硒营养液相较于亚硒酸钠转移到茎、根及籽实部分的比例更高［16］。该试验在研究水稻糙米的硒生物富集系数和植株各部位器官的硒转移系数也发现，水稻籽粒对硒叶面肥的响应程度较其他器官更大，原因可能是叶面喷施硒肥有利于硒向籽粒运输和积累，运输的过程硒损耗不大，且该试验的施肥时期是齐穗期，该时期是水稻各器官向籽粒输送营养物质的关键时期，可以更好地提升水稻籽粒的硒含量。但值得注意的是，在无外源硒干扰情况下，水稻植株叶片中的硒含量高于其他器官，可能是硒在植物体内不同器官中的分布比例不同，可见自然生长条件下硒的聚集与植株各器官和元素本身的生理特性有关。

硒被證明是植物体中很多酶和抗氧化剂的重要组成部分［17］，与其他元素存在协同和竞争关系。该试验中，叶面硒营养液的喷施有利于提高糙米中N、P、K、Mg、Ca、Mn、Cu、Zn的含量，但随着硒营养液浓度的增加，N、Mn、Cu含量表现为先增后降的趋势，这与汪志君等［18］在一定浓度范围内，硒可以促进植物对P、Ca 和 Mg 等元素的吸收结果一致。研究表明叶面硒肥对玉米籽粒和秸秆内Zn和Fe含量的增加具有促进作用［19］，也有施用硒肥对Fe、Zn含量的影响均不显著的研究［20］，该试验结果表明硒营养液的施用有利于增加糙米中Zn含量，但对Fe含量的影响较小，这可能与作物品种、硒肥种类和施用浓度不同有关。该研究还发现，硒营养液的喷施对糙米中的B有抑制作用，这与前人研究结果一致［21］，这主要是因为Se、Zn与B之间具有拮抗作用。综合来看，硒营养液的施用整体提高了水稻糙米中矿质元素的含量，促进了水稻籽粒对大部分矿质养分的吸收累积，对提高水稻品质具有较大的积极作用。

硒还被证明可以对作物体内重金属具有拮抗作用，可以降低汞、铅、镉、锑、砷［22］等元素含量，共有抑制农作物对重金属元素的吸收及减少重金属在作物体内的运转2个途径［23］。研究表明叶面硒肥处理下，水稻籽粒中矿质元素锰和铁元素含量增加的同时，对籽粒中重金属元素汞、铅和镉含量具有显著的降低效果［24］，杨燕君等［25］在甜柿果实品质试验中同样发现硒肥具有降低果实和叶片中镉、铅和汞含量的作用。该研究结果显示喷施叶面硒肥对水稻籽粒重金属含量无影响，其原因可能是该试验中水稻籽粒重金属含量本身较低，几乎为零。考虑到硒营养液直接作用于叶片，经研究发现不同浓度硒肥的施用对水稻叶片中重金属元素Hg、Cd、Cr、As和Pb含量的影响不同，Mroczek-zdyrska等［26］在对蚕豆的试验中也得到类似结果。研究表明硒肥降低农作物重金属含量机理有硒降低植株体内活性氧的含量，提高氢离子活性［27］，促进细胞壁对重金属离子的结合固定等方式［28］，而硒肥致使农作物体内重金属含量的增加主要是由于协同作用［26］。因此硒肥在实际生产应用中用于降低重金属毒害时应结合重金属污染源与污染程度综合考虑其用量及调控措施。

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