石灰、磷酸鹽及硅酸鹽對土壤硒有效性及水稻累積硒的影響

譚卓賢 杜建軍 孫星 易瓊 徐培智 張木

摘要： ?華南地區酸性土壤硒有效性低，本研究旨在探討石灰、磷酸鹽及硅酸鹽類土壤改良物質對酸性水稻土硒有效性及水稻吸收硒的影響。結果表明，在施0.25 mg/kg硒基礎上，石灰、硅酸鈉、磷酸氫二鈉以及三者配合施用對水稻單株產量影響不大；對大米硒含量提升效果以石灰、硅酸鈉及石灰、硅酸鈉、磷酸氫二鈉三者配合施用的處理較好；酸性土壤中各形態硒的含量高低依次為有機物/硫化物結合態硒、殘渣態硒、鐵錳氧化物結合態硒、交換態硒和水溶態硒。石灰、磷酸氫二鈉處理顯著提升易被植物吸收的水溶態硒及交換態硒含量，顯著降低難利用殘渣態硒含量；石灰、硅酸鈉、磷酸氫二鈉三者配合施用的處理顯著降低了有機物/硫化物結合態硒的含量。施用石灰以及施用磷酸氫二鈉均可有效提升土壤硒的有效性，并促進水稻對硒的吸收，施用硅酸鹽對土壤硒有效性影響不大，但能促進水稻對硒的累積。

關鍵詞： ?硒； 酸性土壤； 有效硒； 石灰； 磷酸鹽； 硅酸鹽

中圖分類號： ?S156 ???文獻標識碼： A ???文章編號： ?1000-4440（2024）03-0450-07

Effects of lime， phosphate and silicate on selenium availability in soil and selenium accumulation in rice

TAN Zhuo-xian1，2， DU Jian-jun1， SUN Xing2， YI Qiong2， XU Pei-zhi2， ZHANG Mu2

（1.College of Resources and Environment， Zhongkai University of Agriculture and Engineering， Guangzhou 510225， China; 2.Institute of Agricultural Resources and Environment， Guangdong Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Plant Nutrition and Fertilizer in South Region， Ministry of Agriculture and Rural Affairs/Guangdong Provincial Key Laboratory of Nutrient Recycling and Farmland Conservation， Guangzhou 510640， China）

Abstract： ?The availability of selenium in acidic soils in South China is low. The purpose of this study was to investigate the effects of lime， phosphate and silicate on selenium availability in acid paddy soil and selenium uptake by rice. The results showed that on the basis of 0.25 mg/kg selenium application， lime， sodium silicate， disodium hydrogen phosphate and their combined application had little effect on rice yield per plant. The effect of improving the selenium content of rice was better under the combined application of lime and sodium silicate and the combined application of lime， sodium silicate and disodium hydrogen phosphate. The content of various forms of selenium in acidic soil was in the order of organic/sulfide bound selenium， residual selenium， iron-manganese oxide bound selenium， exchangeable selenium and water-soluble selenium. Lime and disodium hydrogen phosphate treatment significantly increased the contents of water-soluble selenium and exchangeable selenium that were easily absorbed by plants， and significantly reduced the content of residual selenium that was difficult to use. The combined application of lime， sodium silicate and disodium hydrogen phosphate significantly reduced the content of organic/sulfide-bound selenium. The application of lime and disodium hydrogen phosphate could effectively improve the availability of selenium in soil and promote the absorption of selenium by rice. The application of silicate had little effect on the availability of selenium in soil， but it could promote the accumulation of selenium by rice.

Key words： ?selenium; acid soil; available selenium; lime; phosphate; silicate

硒是人體所必需的營養元素，適當攝入硒不僅能夠降低患心血管疾病的概率，還能提高人體免疫力[1]。中國有近2/3土壤缺硒，缺硒造成各種健康問題嚴重困擾著超過1.5×108人[2]。人體內硒的主要來源是糧食作物中的有機硒[3]，是作物通過吸收轉化土壤中的無機硒所得[4]。中國華南地區土壤普遍呈酸性，大部分的硒被固定在土壤中[5]，施加外源硒如液面噴施硒肥、土壤基施硒肥等，雖然能一定程度上提高作物硒含量，但也僅有5%～30%能被植物吸收，稍有不慎便會造成資源浪費和硒污染等各種問題[6]。土壤全硒含量即便能夠達到富硒水平，其中有效硒含量也不一定如一些足硒或少硒地區土壤[7-8]，因此土壤全硒量并不能完全用來評價土壤的供硒能力。提升作物硒含量，關鍵在于如何提高酸性土壤中硒的有效性。酸性土壤中占主導地位的四價硒的溶解度會大大降低，究其原因是絕大部分的四價硒都會被黏土礦物吸附，被Fe、Al的氧化物固定，或者與有機質發生絡合作用而被固定[9]。酸性土壤中亞硒酸鹽與磷酸鹽都能夠被土壤中的鐵鋁氧化物與黏粒礦物吸附，但對磷酸鹽的吸附能力大于亞硒酸鹽，磷酸鹽與亞硒酸鹽競爭結合位點[10]。硅酸鹽在陰離子吸附位點的競爭能力次于磷酸鹽但強于亞硒酸鹽，硅酸鹽與鐵氧化物的結合能阻止亞硒酸鹽與鐵氧化物的結合，且能解除被鐵氧化物所吸附的亞硒酸鹽[11]。當前的研究多集中在改變pH、磷酸鹽含量和硅酸鹽含量之后對硒的有效性的影響狀況，但是并未揭示改變以上因素之后，土壤硒各種形態的轉化及其在植株體內的遷移特征。因此，本研究通過盆栽試驗，明確石灰、磷酸鹽及硅酸鹽類土壤改良物質對土壤硒形態轉化以及對水稻吸收累積硒的影響，為提升酸性土壤中稻米硒含量提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

本研究于2020年7-11月在廣東省農業科學院農業資源與環境研究所溫室基地（23°7′N，113°15′E）內采用盆栽試驗進行，以水稻為研究載體，于7月15日育苗，8月13日移栽，收獲日期為11月18日。供試土壤為廣東省臺山市都斛鎮的黏壤土，基本理化性質為：pH值5.01、有機質含量3.25%、堿解氮含量182.72 mg/kg、有效磷含量35.20 mg/kg，速效鉀含量242.50 mg/kg、總硒含量0.38 mg/kg。盆栽器具為高密度聚乙烯桶，底面半徑8.0 cm，桶口半徑10.5 cm，高19.0 cm，每盆盛土3 kg，每盆栽種水稻1穴。共設置6個處理，對照不施硒（T1）、0.25 mg/kg硒（T2）、0.25 mg/kg硒+1.00 g/kg石灰（T3）、0.25 mg/kg硒+1.00 g/kg硅酸鈉（T4）、0.25 mg/kg硒+0.40 g/kg磷酸氫二鈉（T5）、0.25 mg/kg硒+ 1.00 g/kg石灰+1.00 g/kg硅酸鈉+ 0.40 g/kg磷酸氫二鈉（T6）。各處理重復8次，其中4個重復進行水稻栽培，另外4個重復為不栽培水稻的空白對照，空白對照水分管理與栽培水稻的處理保持一致。硒肥為分析純亞硒酸鈉（Na2SeO3），大量元素肥料分別為尿素、磷酸氫二銨、氯化鉀，N、P2O5、K2O用量分別為每1 kg土壤施0.30 g、0.15 g、0.20 g。每1 kg土補充1 ml濃縮1 000倍的Arnon微量元素營養液，以保證水稻生長期間微量元素充足，營養液成分根據南方酸性土壤特性適當調整，去除影響試驗結果的成分，以保證試驗結果的準確性。供試水稻品種為美香占，在25 d苗齡時進行移栽，自然光照，定量澆灌水，嚴格進行病蟲害防控。

1.2 樣品采集與測定方法

水稻成熟后采集水稻植株樣品，將水稻植株分為根、莖葉、籽粒（大米、谷殼），先用自來水沖洗再用去離子水潤洗，放入烘箱中烘干至恒質量，并記錄各部位干質量。烘干后的植株樣品，粉碎過100目篩，而后裝入密封袋中，標明信息，保存待測。同時采集各處理不栽培水稻空白處理的土壤樣品，風干過篩備測。

水稻各部位的硒含量測定按照國家標準GB/T 21729-2008進行[12]：稱取樣品0.1～0.2 g（精確至0.001 g）置于微波消解罐中，依次添加HNO3 4 ml和H2O2 2 ml，然后進行微波消解消化，待消解液冷卻后再加5 ml 6 mol/L HCl溶液，持續加熱使樣品至無色透明狀態，冷卻后轉移至25 ml聚乙烯管中，最后加入2.5 ml 100 g/L鐵氯化鉀，用去離子水定容待測。

土壤空白處理的土壤樣品進行pH值測定和硒的形態分析。土壤pH值采用pH計測定，5∶1水土比浸提[13]。土壤不同形態硒分析采用連續化學浸提法，分為水溶態、交換態、鐵錳氧化物結合態、有機物硫化物結合態以及殘渣態5種形態，前4種形態的硒分別用0.25 mol/L HCl和0.70 mol/L KH2PO4、2.50 mol/L HCl、5% K2S2O8+NHO3（水與濃硝酸1∶1）進行浸提，浸提液采用HNO3-HClO4進行消解，測定殘渣態硒的土壤用HNO3-HClO4進行消解[14]。各級提取的硒均由北京吉天儀器有限公司采用AFS-8230雙道原子熒光光度計進行測定。

1.3 數據處理

采用SPSS 12.0進行統計分析，各處理的多重比較采用LSD-test（P<0.05）法，采用Sigmaplot 12.5進行制圖。

2 結果與分析

2.1 不同種類土壤改良物質對水稻單株產量的影響

如圖1所示，與對照（T1）相比，單獨施硒（T2）、硒+石灰（T3）、硒+硅酸鈉（T4）、硒+磷酸氫二鈉（T5）處理，以及硒+石灰+硅酸鈉+磷酸氫二鈉（T6）處理對水稻單株產量均未產生顯著影響。

2.2 不同種類土壤改良物質對土壤pH值的影響

如圖2所示，單獨施硒處理（T2）對于土壤pH值影響不大，施用硒+石灰（T3）、硒+硅酸鈉（T4）處理以及硒+石灰+硅酸鈉+磷酸氫二鈉（T6）處理均顯著提高了土壤pH值，其中T6處理pH值提升幅度最大。

2.3 不同種類土壤改良物質對水稻各部位硒含量的影響

如圖3A所示，與對照（T1）相比，其他5個處理均顯著提高了水稻根系硒含量，T2、T3、T4、T5、T6分別提高97.0%、129.6%、120.5%、154.7%、118.9%。與單施硒處理（T2）相比，T5處理根系硒含量提升幅度達29.3%。T2、T3、T4、T5、T6處理的地上部莖葉硒含量與對照（T1）相比均有顯著提高（圖3B），增幅分別為317.7%、588.5%、409.5%、375.8%、646.3%；與單施硒處理（T2）相比，T3、T6處理地上部莖葉硒含量分別提高63.9%和77.7%，而T5處理也有所提升，但差異不顯著。如圖3C所示，與對照（T1）相比，T2、T3、T4、T5、T6處理大米硒含量分別提高243.3%、358.6%、329.6%、284.4%、360.2%；與T2處理相比，T3、T4、T6處理大米硒含量都有不同程度的顯著提高，提升幅度為34.2%、25.7%、34.7%。施硒顯著提高了谷殼硒含量（圖3D），與對照（T1）相比，T2、T3、T4、T5、T6處理谷殼硒含量提高了91.3%、255.2%、153.3%、135.2%、256.6%；與T2處理相比，T3和T6處理谷殼硒含量分別提高34.2%和34.7%。

2.4 不同種類土壤改良物質對土壤硒賦存形態的影響

如圖4A所示，與對照（T1）相比，T3、T5、T6處理水溶態硒顯著提高，提高幅度分別為35.4%、25.6%、16.8%；與T2處理相比，T3、T5處理達到了顯著性差異，增幅為22.7%、13.8%。與不施硒對照（T1）相比（圖4B），T3、T5處理顯著提高了交換態硒含量，提升幅度分別為24.8%和14.9%；與單獨施硒處理（T2）相比，T3、T5處理顯著提高了交換態硒含量，增幅分別為21.5%和11.7%。與不施硒對照（T1）相比（圖4C），T2、T3、T4、T5、T6處理對土壤鐵錳氧化物結合態硒含量均有顯著提升作用，增幅分別為107.5%、107.7%、107.8%、126.9%、118.3%；與單獨施硒處理（T2）相比，僅T5處理鐵錳氧化物結合態硒含量有顯著增加。如圖4D所示，各施硒處理均顯著提高了土壤有機物/硫化物結合態硒的含量，提升幅度分別為31.0%、27.2%、30.7%、29.3%、20.1%；在所有的施硒處理中，僅有T6處理較T2處理降低了8.3%。與不施硒對照（T1）相比（圖4E），T2、T4、T5、T6處理殘渣態硒含量達到了顯著性差異；在施硒處理中，T3、T5處理殘渣態硒較T2處理分別降低了23.4%和17.5%。

2.5 不同種類土壤改良物質對土壤各形態硒分配比例的影響

如圖5所示，與不施硒對照（T1）相比，水溶態硒占比以T3處理最高、T2處理最低；交換態硒含量以T3處理最高，其他處理均有所降低；T2、T3、T4處理鐵錳氧化物結合態硒占比有所降低，T5與T6處理有所提高；T2、T3、T4、T5處理有機物/硫化物結合態硒占比有不同程度的提高，T6處理有所降低；T2、T4、T6處理殘渣態硒占比有所提升，而T3、T5處理有所降低。與單獨施硒（T2）處理相比，T3、T4、T5、T6處理水溶態硒、交換態硒占比均有所提升；T3、T4、T5處理鐵錳氧化物結合態硒占比有不同程度提升；T3處理有機物/硫化物結合態硒占比有所提升，而T6處理則有所降低；T3、T4、T5、T6處理殘渣態硒占比有不同程度的降低，其中T3、T5處理有較大的降幅。

3 討 論

硒是有益元素，低濃度硒可以促進種子發芽、增強植物抗氧化能力、提升作物產量以及緩解重金屬脅迫[15-17]。本試驗中，施硒對水稻各組織中硒的含量均有顯著提升作用，對水稻單株產量無顯著提升作用。華南地區酸性土壤中硒的有效性較低，大多轉化為植物難以吸收利用的鐵錳氧化物結合態、有機物/硫化物結合態、殘渣態硒，而易被植物吸收利用的水溶態及交換態硒占比則相對偏低[18]。在生產富硒稻米時非常有必要通過外源手段提升酸性土壤中硒的有效性，促進水稻對硒的吸收。

土壤pH值是硒有效性的決定性因素，對土壤pH進行調節，是提升土壤硒有效性的重要手段[19]。土壤中的水溶態、交換態硒通常是由呈四價或者六價的無機硒構成[20]，不同價態硒的溶解性差異明顯，硒的價態越低溶解性越差；當土壤呈堿性時，六價硒是土壤中的主要硒形態，隨著pH值下降，土壤中硒會逐步轉變成低價態硒，溶解性也隨之下降[21]。在本試驗的酸性土壤環境中，土壤中的水溶態硒及交換態硒總體占比較低，二者合計占比不足25%，植物難以吸收利用形態的硒占比高達75%以上。土壤pH能改變硒在土壤中與其他離子的競爭吸附能力。酸性環境中硒易被鐵鋁氧化物吸附或與有機質絡合導致有效性降低[22]，pH值逐漸升高時土壤中與硒競爭吸附的離子增多，競爭離子代替硒被吸附，減少硒的固定[23]。同時土壤表面官能團發生質子分離而帶負電，與土壤中帶負電的硒酸根、亞硒酸根離子相互排斥，土壤中自由的硒含量增多，從而提高土壤有效硒。土壤pH還能通過改變具有可變電荷的土壤表面的凈電荷量來調控硒的有效性[24]。本研究中，施用石灰處理的土壤pH值均有提升，有效態硒含量及相應占比也得到提高，水稻根系、莖葉、糙米及谷殼硒含量均大幅增加。

亞硒酸鹽和磷酸鹽在土壤環境中存在著較為復雜的化學關系，在土壤中競爭相同的吸附位點，土壤對磷酸鹽的吸附作用大于亞硒酸鹽[25]。磷酸鹽可能會優先占據吸附位點，適量添加磷酸鹽可能會提升土壤硒的生物有效性；在植物吸收層面，植物通過磷酸鹽轉運蛋白吸收亞硒酸鹽，兩者擁有相同的轉運通道，因此在植物營養元素吸收上又存在競爭關系[26]。本試驗結果與之相符，添加磷酸鹽的處理顯著提高了土壤有效硒的含量，同時也增加了水稻根系中硒的含量，表明在本試驗中磷酸鹽促進水稻吸收硒的作用占主導地位。

土壤中硅酸鹽與亞硒酸鹽之間也存在著競爭吸附的關系，在吸附能力上硅酸鹽強于亞硒酸鹽，硅酸鹽與堿性土壤中的金屬氧化物的結合優先于亞硒酸鹽與鐵氧化物的結合，且能解除鐵氧化物對亞硒酸鹽的吸附，硅酸鹽能夠將被固定的硒重新析出[11]。但是，在本研究中硅酸鹽對土壤有效硒提升效果不顯著，可能硅酸鹽與硒酸鹽之間的競爭關系轉化與土壤理化性質有關，本試驗中供試土壤為華南地區脫硅富鋁化的酸性土壤。0.25 mg/kg硒+1.00 g/kg硅酸鈉的處理對水稻根系、莖葉、稻米及谷殼硒含量均有不同程度提升，表明硅酸鹽能通過其他路徑促進水稻對硒的吸收。水稻中的硅是通過運輸蛋白OsNIP2;1進入植物內部的，有研究者指出亞硒酸鹽也能夠通過此運輸蛋白進入水稻體內，或許對硒的吸收轉運具有促進作用，本研究中水稻組織硒含量有所提升可能與該過程有關[27]。值得注意的是，石灰、硅酸鹽及磷酸鹽配合施用處理在對土壤硒有效性提升方面以及水稻吸收硒方面均發揮一定的作用，但并未實現三者效應的疊加放大。

4 結 論

硒與石灰、硅酸鈉、磷酸氫二鈉及其3種土壤改良物質配施對水稻根、莖葉、谷殼及大米的硒含量均有提升作用，其中硒與石灰及3種土壤改良物質配施對稻米硒含量提升效果較好；石灰以及磷酸氫二鈉均可有效提升土壤硒的有效性，并促進水稻對硒的吸收，硅酸鹽對土壤硒有效性影響不大，但能促進水稻對硒的累積。綜合水稻栽培試驗和不栽培水稻土壤培養試驗結果得出以下結論：磷酸鹽類物質增加水稻對硒的累積可能是源于促進土壤硒有效性的提升，而硅酸鹽類物質增加水稻對硒的累積可能是源于在代謝過程中促進水稻對硒的吸收轉運。

參考文獻：

[1] ?熊詠民，楊曉莉，張丹丹，等. 硒的生物學效應與環境相關性疾病的研究進展[J]. 土壤，2018，50（6）：1105-1112.

[2] 印遇龍，顏送貴，王鵬祖，等. 富硒土壤生物轉硒技術的研究進展[J]. 土壤，2018，50（6）：1072-1079.

[3] 宋曉珂，李宗仁，王金貴. 青海東部農田土壤硒分布特征及其影響因素[J]. 土壤，2018，50（4）：755-761.

[4] 王加冕. 施硒對小麥農藝性狀、產量和硒、鎘、鉛累積效應[D]. 荊州：長江大學，2018.

[5] 謝邦廷，賀 靈，江官軍，等. 中國南方典型富硒區土壤硒有效性調控與評價[J]. 巖礦測試，2017，36（3）：273-281.

[6] 祝姣姣，聶兆君，趙 鵬，等. 磷硒配施對鄭麥9023硒吸收及土壤硒形態轉化的影響[J]. 麥類作物學報，2020，40（6）：722-729.

[7] 梁若玉，和 嬌，史雅娟，等. 典型富硒農業基地土壤硒的生物有效性與剖面分布分析[J]. 環境化學，2017，36（7）：1588-1595.

[8] 梁東麗，彭 琴，崔澤瑋，等. 土壤中硒的形態轉化及其對有效性的影響研究進展[J]. 生物技術進展，2017，7（5）：374-380.

[9] 王 銳，余 濤，楊忠芳，等. 富硒土壤硒生物有效性及影響因素研究[J]. 長江流域資源與環境，2018，27（7）：1647-1654.

[10] 馬 迅，諸旭東，宗良綱，等. 不同調控措施對酸性富硒土壤硒有效性及水稻產量性狀的影響[J]. 土壤，2018，50（2）：284-290.

[11] TIAN Q Z， BAI Y C， PAN Y H， et al. Influence of aluminate and silicate on selenate immobilization using alkaline-earth metal oxides and ferrous salt[J]. Science of the Total Environment，2022，851：158126.

[12] 中國國家標準化管理委員會. GB/T 21729-2008茶葉中硒含量的檢測方法[S]. 北京：中國標準出版社，2008.

[13] 鮑士旦. 土壤農化分析[M]. 3版. 北京： 中國農業出版社，2000：25-106.

[14] 劉秀金，楊 柯，成杭新，等. 四川省瀘州市頁巖和碳酸鹽巖區水稻根系土Se含量和生物有效性的控制因素[J]. 地質通報，2020，39（12）：1919-1931.

[15] SHEKARI L， AROIEE H， MIRSHEKARI A， et al. Protective role of selenium on cucumber （Cucumis sativus L.） exposed to cadmium and lead stress during reproductive stage role of selenium on heavy metals stress[J]. Journal of Plant Nutrition，2019，42（10）：1-14.

[16] 趙劍敏. 外源硒肥對小麥產量、品質形成及硒元素積累的影響[D]. 晉中：山西農業大學，2020.

[17] ALEKSANDRA， SENTKOWSKA， KRYSTYNA， et al. Investigation of antioxidant activity of selenium compounds and their mixtures with tea polyphenols[J]. Molecular Biology Reports，2019，46（3）：3019-3024.

[18] 陳東平，張金鵬，聶合飛，等. 粵北山區連州市土壤硒含量分布特征及影響因素研究[J]. 環境科學學報，2021，41（7）：2838-2848.

[19] 王志強，楊建鋒，魏麗馨，等. 石嘴山地區堿性土壤硒地球化學特征及生物有效性[J]. 物探與化探，2022，46（1）：229-237.

[20] 秦海波， 朱建明， 李社紅，等. 環境中硒形態分析方法的研究進展[J]. 礦物巖石地球化學通報，2008（2）：180-187.

[21] TOAN D Q. 有機肥施用對土壤-植物體系中硒生物有效性的影響及其機理[D]. 楊凌：西北農林科技大學，2019.

[22] 李玉超，王誠煜，于成廣. 遼寧丹東地區土壤Se元素地球化學特征及其影響因素[J]. 吉林大學學報（地球科學版），2020，50（6）：1766-1775.

[23] 周鑫斌，于淑慧，謝德體. pH和三種陰離子對紫色土亞硒酸鹽吸附-解吸的影響[J]. 土壤學報，2015，52（5）：1069-1077.

[24] 王 丹. 秸稈還田對土壤硒生物有效性的影響及作用機制[D]. 楊凌：西北農林科技大學，2019.

[25] 邢 穎，劉永賢，梁潘霞，等. 磷對富硒赤紅壤與紅壤上小白菜硒吸收及土壤硒形態的影響[J]. 土壤，2018，50（6）：1770-1775.

[26] ZHANG L H， HU B， LI W， et al. OsPT2， a phosphate transporter， is involved in the active uptake of selenite in rice[J]. The New Phytologist，2014，201（4）：1183-1191.

[27] ZHAO X Q， MITANI N， YAMAJI N， et al. Involvement of silicon influx transporter OsNIP2：1 in selenite uptake in rice[J]. Plant Physiology，2010，153（4）：1871-1877.

（責任編輯：黃克玲）