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硒肥在土壤—植物系统中的作用及影响因素

摘要:硒是一种对动植物以及微生物比较重要的一种微量元素,但是硒元素对于植物不是必须的,硒元素对于人类相当重要,因此硒肥是一个当今人们的研究热点。硒肥对于土壤的理化性质有一定的影响,对于改善土壤肥力、提高作物的产量和品质及对作物的抗逆性有一定的影响。本文说明了硒肥的内涵和类型,讨论了硒肥对土壤的培肥作用:包括对土壤养分、土壤有机质和结构、土壤酶活性的作用,以及硒肥对提高作物产量、品质和抗逆性的影响。同时,提出了一些对硒肥的一些问题和对以后的展望。


1 引言

硒是一种对动植物以及微生物比较重要的一种微量元素。虽然硒元素对于植物来说不是必需的,但是对于人类来说,硒元素是很重要的。世界健康组织在1996年给出的成年人每天硒元素的摄入量限额是40到70μɡ。[1]在欧洲,人体硒的来源主要是海鲜和谷类植物,其中谷类植物占多数。对于哺乳动物,硒是一种重要的抗氧化剂、甲状腺调节剂以及大脑和性腺保护剂。而这些作用是通过一些酶和含硒蛋白进行的,有谷胱甘肽过氧化物酶、硫氧化还原蛋白酶等。硒的缺乏会引起人体的一些伤害,比如肌肉萎缩、心血管病,骨头和免疫系统的疾病,以及增加癌症和淋巴瘤的危害。[2]比如,中国有一些地区出现的大骨节病、克山病等。[3]但是,硒元素的过量摄入也会造成硒的中毒,表现为掉头发、指甲脱落等。[4]低Se 土壤通常指Se 含量< 0. 131 mg /kg 的土壤; 当土壤Se 含量> 0. 400 mg /kg 则称其为富Se 土壤,而≥3. 000 mg /kg 则属于Se 过剩土壤或Se 毒土壤。有40多个国家曾报道土壤缺硒(全硒含量低于0.1mg /kg),我国也是其中之一,全国有70%以上区域的土壤含硒量偏低,黄土高原中北部是典型缺硒区,土壤全硒含量仅0.095mg /kg。[5]另外恩施、紫阳是硒中毒区,属于世界级的高硒地区。[6]

有很多研究表明,硒元素对于植物的产量、品质以及抗逆性有一定的影响,之后我们会对这个问题进行说明。同时,植物积累硒的能力也不同,有不易积累硒的植物,硒含量通常吸收少于25μɡ/ɡ(以植物干重计算),指示剂类,通常吸收25-1000μɡ/ɡ,最后是极易积累的植物,可能积累几千μɡ/ɡ。[7]

2 硒肥的基本情况

我国目前大部分地区是缺硒的,而土壤中的硒可以分为元素态的硒、硒化物、硒酸盐、亚硒酸盐、有机态硒以及挥发态硒。[8]而这些形态的硒中元素态的硒以及硒化物是难以被植物利用的,硒酸盐、亚硒酸盐以及有机态硒才有生物有效性。[9]近20年对硒肥的研究都是把硒化物形式的硒肥或者是硒的矿石直接施到土壤里以及喷洒到叶面上,使得植物的硒元素含量增加,人体通过食物链对硒元素进行积累,使得硒元素达到一定的限值。

硒肥没有一定的标准的含义,一些对植物生物有效性高的硒元素都可以作为硒肥施用。多与其它的化肥一起施用,也有的研究会把硒肥与一些有机肥一起施用,广西培元生物科技有限公司生物酶硒肥对水稻、玉米、小麦、大豆等大田作物作用,可以使得作物的品质提高。[10]例如吴其飞等对金桔在茎部施加硒肥,发现施加硒肥的金桔效果很好。[11]还有一些新型的硒肥,比如纳米硒也对植物有积极的作用,席旭东等发现用量低于225 kg/hm2的纳米硒植物营养剂对蒙古黄芪的产量及品质有较好的影响。[12]另外,硒肥中所含的硒元素的浓度不同,也会使得植物的生长有所不同。并不是硒的浓度越高植物的吸收效果越好,一般硒的有效值都有一个限定的范围。郑甲成等对籼稻施用四种不同浓度的硒酸钠,发现作物产量会随着硒肥浓度的增加而增加,可是浓度过高,产量也会下降。[13]国外也有研究表明施用硒的浓度过高会导致生物量的下降。[1]同时,也有研究发现硒的价态不同,可能会对有些植物造成不同的影响。付冬冬等就用四价的硒根六价的硒分别对小白菜作用,发现施用六价硒的小白菜对营养元素的吸收明显优于用四价硒处理的小白菜。[14]

由于硒对于人类特殊的作用,硒肥的开发最近十几年是研究的热点,陆续有一些可以使植物富硒又不会产生副作用的硒肥被研发出来,广西培元生物科技有限公司前研发团队早在2003年就着手研发了这样的新型化肥。但是由于人们在种植作物的时候大都还是会考虑效益,对其他的一些例如保护土壤的肥力以及如何增加作物的对人类有益的元素这些问题考虑的不够,因此对于硒肥这样的新型的肥料,还没有大范围推广使用。但是硒肥的开发和利用会带来很大的经济效益,是很有前景的一种肥料。早在2001年就有报道称在辽宁省盘山县推广的富硒水稻在上海、福州等地大受欢迎,甚至还可以远销国外,经济价值不可估量。[13]

3 硒肥对土壤的作用及影响因素

3.1  硒肥对土壤养分含量的相互作用及影响因素

关于硒肥对土壤养分含量的相互作用要研究起来时很复杂的,因为土壤-植物是一个关系密切的系统,自然界的生态系统是息息相关的,绝对不可能单独研究一项内容,它们是一定会相互渗透、相互影响的。所以,要研究硒对于土壤的影响,我们要先了解一下土壤对硒的影响。土壤中的有效硒与生态环境、土壤质地、pH、Eh等有关,沉积岩中的硒元素含量高,干旱半干旱地区土壤硒的浓度比较高,而湿润的地区比较低,有机质会吸附硒以及其他元素,有铁锰结核的由于对硒吸附弱,因此土壤中硒元素含量较高,酸性土壤中硒的有效性低,碱性土壤中硒的有效性高,而在还原条件下,硒变为2价,植物较难吸收,氧化条件下,变为硒酸盐,硒的有效性高。[15]

对于硒肥对土壤养分含量的作用这个问题,国内有一些研究。是赵建平等把活性硒施加到油茶林土壤中,进行田间试验,分别在土壤中施加不同浓度不同配比放入活性硒肥,最后测定土壤中的营养元素,发现不同处理的硒肥对土壤的养分元素的含量会有不同的影响。发现用2.475kg•hm-2的硒肥的时候,对油茶成龄林土壤中的K、Ca、Mg、S的含量有较好的增长效果;用3.3kg•hm-2的硒肥的时候,对N素的影响效果最好;用4.125kg•hm-2的硒肥时候,对土壤中P素的影响最好。[16]

3.2  硒肥对土壤有机质及结构的相互作用及影响因素

土壤有机质的含量是土壤肥力的一个重要的指标。土壤有机质不仅可以通过化学的转化为植物提供矿质元素,同时,有机质对土壤的肥力和结构也有一定的积极影响,因为有机质中有很多的胶体和功能基团,可以吸附营养元素,同时增加土壤的保肥公肥能力,另外有机胶体也是团粒结构的重要结构体,会对透气性产生影响,影响水、肥、气、热等的差异。土壤有机质的含量会直接影响到土壤中硒的情况。有机的硒是土壤有效硒的重要来源,有机质会释放硒而增加有效硒,当有机质构成有机-无机复合胶体的黏粒时,会吸附阴离子,从而可能影响硒的循环,而有机质作为阴离子的宿体时,则会对硒产生固定作用,有研究表明后者作用强烈。另外,一般情况下,与生物酶结合的硒更易被植物吸收,而与胡敏酸结合的硒难以被吸收,主要是因为生物酶活性大于胡敏酸,功能基团多,保肥供肥能力更强。培元生物团队的研究也表明了生物酶肥更适合用于制作富硒农产品的专用肥料。[17]

关于硒对于有机质的影响的研究还很少,郭孝等在对苜蓿草地进行硒钴配施时,发现硒肥能够促进0~20cm土层中根系中根瘤菌的生长,改善表层土壤的结构性,促进0~10cm土层中速效氮和有机质含量的提高;硒钴配施不但能够增强硒肥功能,而且有利于提高0~20cm耕作层内速效钾的含量。[18]相信这样的研究一定会在未来大量开展,硒是一种重要的元素,一直以来都受到人们的热捧,这样的研究有很大的价值。

3.3  硒肥对土壤酶活性的相互作用及影响因素

土壤酶是一种复杂的蛋白质分子,是一种生物催化剂,土壤中各种复杂生物生物化学反应无一不由酶来推动,土壤酶活性不仅可以直接表征土壤生物的活性,而且可作为土壤肥力的指标之一。硒对于动物的作用大都是通过酶来实现的,因此,硒与土壤酶的相互作用是值得研究的。[1]土壤酶的来源都有微生物分泌、植物根系分泌、土壤区系释放和动植物残体的释放。影响土壤酶的因素都有物理性质、化学性质甚至是耕作管理。粘土的酶活性就比砂土大,重金属、杀虫剂等会抑制酶的活性、耕翻也会降低酶的活性。土壤酶有很多种类,如氧化还原类、水解酶类,还有胞内酶和胞外酶等。

那么,有研究称硒也会对一些土壤酶产生一定的影响。杨兰芳等使用从野外挖回的红壤土样,经过一系列处理,分别用不同浓度的硒来培养土样,在培养10d、20d、30d时,对土样中的酶进行分析。发现硒对土壤酶的影响随着硒浓度的不同以及酶的种类而发生变化,土壤过氧化氢酶和脲酶对硒的反应比较敏感,而淀粉酶则反应不敏感。[19]

4 硒肥对植物的作用及影响因素

4.1  硒肥对植物产量的作用及影响因素

由于土壤中存在有机硒和无机硒两种形态,因此植物中也主要有无机硒和有机硒两种。植物体内的无机硒含量很少,主要是有机硒,包括一些含硒蛋白、硒多糖、硒核酸、含硒RNA、硒多酚等,其中硒蛋白又是最多的。[20]由于人们传统的施肥形式,都是想要使得作物增产以获得更高的经济效益,因此硒肥如果既能增产又能使得缺硒地区的人通过使用蔬菜谷物获得足够的硒,就会达到双赢的效果。

最近十几年有很多研究都着眼于硒肥能否增加作物的产量上。殷金岩等通过对马铃薯施用不同种类不同浓度的硒肥,发现生物酶硒肥、保水缓释硒肥对马铃薯的增产效果比硒酸钠硒肥和亚硒酸钠硒肥要好。[21]赵京等对紫花苜蓿施用硒肥,发现适量施硒可以促进紫花苜蓿的生长,提高苜蓿产量、株高、叶茎比等。[22]而周勋波等在对大豆喷施硒肥时,发现有限荚习性的大豆品种的产量随硒肥浓度增加而增加,但是亚有限荚习性的大豆品种的产量随硒肥浓度的增加产量下降。[23]

4.2  硒肥对植物品质的影响

在研究硒对作物的影响时,除了产量,作物的品质也是研究的一个热点,有很多研究表明了硒元素对于作物的品质也有积极的影响。有研究表明施用硒肥可以改善梨叶片的质量,增强树体营养生长。盛花期和果实发育期叶面喷施硒肥可显著减少果实石细胞含量,提高梨果实的品质。[24]殷金岩等发现,适量的硒肥会使得马铃薯的产量增高,品质变化,但是过高浓度的硒肥又会产生消极的作用。[20]尤铁学等对玉米、水稻、大豆等施用含硒的生物酶肥,发现对作物的产量和品质均有积极的影响。[25]

4.3  硒肥对植物抗逆性的作用

   很多研究都表明硒与硫、氮、汞、钙等元素有重要的关系。硒与硫有着相似的化学性质,几乎所有的硫化合物都有相应的硒化合物,所以在植物的代谢作用中,二者也会相互作用,关于硒和硫之间的相互作用虽然有不同的试验结果,但大部分试验结果表明硫对硒有拮抗作用。张翠翠等通过对西瓜施用不同浓度的硒肥发现,质量浓度为2.0 ~ 4.0 mg /L 的亚硒酸钠,不仅能提高西瓜的硒含量,还能降低果实内铅和镉的含量。[26]官恩响等在对稻米做研究时也发现了类似的结论。[27]有人在研究小麦毒害时,发现加硒可以减少植物干重和籽粒产量,同时也减少氮素以及蛋白质的含量。[28]许珂等对水稻施用硒肥,发现施用这些肥料可以抑制水稻对镉的吸收。[29]张颖等通过对农作物施用硒肥,结果表明硒能有效地降低汞的蓄积。[30]

5 结论与展望

硒作为一个微量元素,不仅是动物的必需元素,也对植物和微生物有很重要的作用。根据之前对硒肥的研究,发现硒肥不仅可以改善土壤的肥力状况,而且可以使得作物增产以及对作物中的有毒金属元素以及其他一些元素产生一定的抗逆性。而且硒肥的种类也多种多样,不同的植物适合不同的硒肥种类以及施肥的方式也会影响植物对硒的吸收。对于硒的研究最早的是在上世纪七十年代左右,直到现在,已经取得了比较显著的成果,广西地区已经研发出富硒大米、富硒绿茶以及其他的一些富硒的瓜果,并且取得了一定的经济效益。

对于将来对硒的研究,我们认为应该着重于在作物增产以及抗逆性的方面,同时,对土壤肥力的影响也比较重要。如果硒肥既可以增产又可以调节土壤的肥力,将给人类带来巨大的益处。另外,现在大多数人施用肥料只着眼于作物产量,一般只施一些常规的化肥,硒肥的施用还不具产业化的规模。今后应该着力于使硒肥大规模的施用,为人类创造更多的收益。


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