冷浸田亞鐵對水稻毒害作用及改良措施

林海波，朱 青，2*，陳正剛，張 欽，崔宏浩

(1.貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，貴州 貴陽 550025;2.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，貴州 貴陽 550006;3.貴州省土壤肥料研究所，貴州 貴陽 550006)

水稻作為世界三大主要糧食作物之一，同時也是我國最主要的糧食作物之一。全國水稻種植面積約占糧食作物面積的30%，產(chǎn)量接近糧食產(chǎn)量的一半。然而隨著耕地面積的大幅度減少，人口急劇增多，人均耕地急劇減少，水稻產(chǎn)量現(xiàn)處于不能實現(xiàn)自給自足的局面。因此提高水稻單產(chǎn)的要求越來越迫切。提高水稻單產(chǎn)需要尋求育種技術(shù)和栽培技術(shù)突破的同時，還要依靠中低產(chǎn)田綜合生產(chǎn)能力的提升。據(jù)統(tǒng)計［1］，冷浸田總面積約為346萬hm2，占全國水稻種植面積的15.07%，占低產(chǎn)稻田面積的44.2%。然而冷浸田水稻年產(chǎn)較正常水稻田600 kg/667 m2以上卻只有200～300 kg/667 m2［2］。其中，地下水位高，冷，爛，酸，毒，瘦以及潛在肥力不能發(fā)揮是冷浸田的重要特征。研究表明，我國冷浸田養(yǎng)分障礙因子與高產(chǎn)田相比，由于冷浸田長期處于地下水浸漬，還原作用較強，易造成還原性物質(zhì)累積而產(chǎn)生毒害，尤其是亞鐵和還原態(tài)硫［3］。亞鐵作為冷浸田的一種主要障礙因子［11］，占土壤還原性物質(zhì)總量的60% ～80%左右［4］。隨著亞鐵在田中不斷累積，對水稻的毒害逐漸加強，嚴重時會爛秧死苗。因此總結(jié)近年來冷浸田亞鐵對水稻的影響具有非常重要的現(xiàn)實意義。

1 冷浸田亞鐵

冷浸田是一種長期處于淹水條件下的強育性中低產(chǎn)水稻田。根據(jù)還原性物質(zhì)對氧化劑的化學(xué)反應(yīng)活性，將土壤還原性物質(zhì)區(qū)分為亞鐵、亞錳、活性有機還原性物質(zhì)和非活性有機還原性物質(zhì)［6］。冷浸田處于低洼地區(qū)，地表水和地下水匯集，土壤長期處于水分飽和狀態(tài)，通氣不良，還原作用較為強烈，易造成土壤中亞鐵等還原物質(zhì)明顯積累。調(diào)查研究我國冷浸田主要分布的省份表明［3］，冷浸田亞鐵含量范圍為160.28 mg/kg～3 786.12 mg/kg，平均含量為1 437.08 mg/kg。高產(chǎn)田亞鐵含量范圍為11.37 mg/kg～3 629.99 mg/kg，平均含量為814.38 mg/kg。冷浸田亞鐵含量明顯高于高產(chǎn)田。由于Fe2+會被植株根系很快吸收并導(dǎo)致細胞內(nèi)的鐵含量過量，誘導(dǎo)植株體內(nèi)細胞發(fā)生代謝紊亂，影響植株正常生長和發(fā)育。

2 冷浸田亞鐵對土壤微生物的影響

土壤中的微生物使土壤變成一個活躍的系統(tǒng)，在土壤形成與發(fā)育、土壤結(jié)構(gòu)與肥力以及高等植物生長等方面起著重要作用。研究表明，亞鐵含量為300 mg/kg為大多數(shù)土壤微生物活性的臨界值。而后隨著亞鐵濃度的增加，土壤微生物量碳、微生物三大基礎(chǔ)菌系總量(細菌、真菌、放線菌)、功能菌系總量(氨化細菌、固氮菌、纖維分解菌)、鐵還原菌總量將出現(xiàn)先快速下降，后逐漸平穩(wěn)降低［9］。可能的原因是低水平亞鐵時，微生物新陳代謝活動加強，土壤中耐受性較弱的微生物顯著減少。而后隨著亞鐵處理水平增加，土壤中耐受性較強的微生物逐漸適應(yīng)土壤內(nèi)部環(huán)境并保持平穩(wěn)減少。

3 冷浸田亞鐵對水稻農(nóng)藝性狀的影響

當(dāng)水稻發(fā)生亞鐵毒害時，水稻葉片和根系上的癥狀最為明顯。研究發(fā)現(xiàn)亞鐵毒害主要發(fā)生在水稻苗期或者是早期營養(yǎng)生長階段。發(fā)生鐵毒時葉脈間出現(xiàn)小褐斑，斑點從尖端向基部蔓延，葉色暗綠;嚴重時葉色呈紫褐色或褐黃色，根發(fā)黑或腐爛。葉片上的癥狀如青銅病，赤枯病等，不利于水稻在生長時期進行光合作用合成自身物質(zhì)，降低了灌漿時期籽粒的形成，導(dǎo)致減產(chǎn)。而根系上大量的鐵在根系表面形成鐵氧化物膠膜，使根系生長受到抑制，不利于作物生長發(fā)育。通常認為土壤中亞鐵含量達到300 mg/kg時，植株就會發(fā)生毒害作用，而達到500 mg/kg時，則可發(fā)生嚴重的鐵毒害。通過土培模擬冷浸田試驗，研究表明水稻亞鐵脅迫臨界濃度約為300 mg/kg。過量Fe2+抑制了水稻地上部和根系的生長。分蘗期植株株高和干物質(zhì)積累量隨亞鐵的增加而顯著降低［9］。通過水培模擬試驗發(fā)現(xiàn)［10］，當(dāng)亞鐵濃度為40 ppm時，對生長具有一定的促進作用。而后隨著亞鐵濃度(40 ppm～240 ppm)的增加，株高，根系生長量和干物質(zhì)產(chǎn)量逐漸降低。通過田間試驗研究發(fā)現(xiàn)［12］，當(dāng)土壤中亞鐵含量大于744 kg/hm2時，水稻分蘗期株高和根系受到明顯抑制。

4 冷浸田亞鐵對水稻生理生化的影響

鐵毒致病的生理機理是植物體內(nèi)積累過量的鐵以及鐵化合物從而誘發(fā)多種活性自由基，攻擊膜脂，損傷脂膜［41］。植物為了防御活性自由基的損傷而調(diào)控自身的抗氧化酶系統(tǒng)來降低傷害。當(dāng)亞鐵毒害過強時，抗氧化酶活性也將降低或消失。水稻植株MDA和CAT含量反應(yīng)機體脂質(zhì)過氧化的程度，間接地反應(yīng)出細胞的損傷程度。研究發(fā)現(xiàn)，低濃度亞鐵時水稻葉片SPAD值隨Fe2+濃度提高顯著增加，葉色也隨之加深。當(dāng)亞鐵脅迫時，抗氧化酶系統(tǒng)活性降低，SPAD值下降，不利于光合作用和物質(zhì)量累積。超氧化物歧化酶(SOD)，過氧化氫酶(CAT)活性隨亞鐵濃度增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。過氧化物酶(POD)活性與脯氨酸含量隨 Fe2+增加而逐漸上升［13，14］。研究表明 Fe2+對水稻生理活性的影響主要集中在分蘗期和抽穗期，其中水稻葉片和根系的POD活性和MDA含量隨Fe2+濃度的增加而提高［15］。龍應(yīng)霞等研究表明，當(dāng)亞鐵濃度大于200 mg/L時，植株體內(nèi)過多自由基產(chǎn)生，損傷蛋白質(zhì)。通過水培模擬試驗發(fā)現(xiàn)隨著亞鐵濃度(50～350 mg/L)的增加，水稻氣孔導(dǎo)度(Gs)，胞間CO2濃度(Ci)，凈光合作用速率(Pn)呈現(xiàn)降低的趨勢。同時植株中氮、磷、鉀的含量也逐漸降低，鐵含量顯著增加［45］。

5 冷浸田亞鐵對水稻產(chǎn)量的影響

前人通過水培試驗?zāi)M冷浸田亞鐵對水稻的影響發(fā)現(xiàn)，水稻的穗數(shù)、粒數(shù)、千粒重和理論產(chǎn)量都會隨著亞鐵含量的增加而降低。當(dāng)亞鐵濃度超過160 ppm時，植株未抽穗而枯萎死亡［8］。通過土培模擬田間試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤中亞鐵含量超過300 mg/kg時，水稻生長和土壤微生物活性將會受到影響［9］。通過田間試驗發(fā)現(xiàn)爛泥田添加Fe2+濃度為100 mg/L時，水稻產(chǎn)量達到最高。超過此濃度產(chǎn)量下降［15］。

6 改良措施

6.1 降低地下水位

冷浸田長期處于地下水浸漬，建立良好的排水系統(tǒng)是改良冷浸田的重要措施［25，29］。研究表明建立良好的排水系統(tǒng)可以降低地下水位，改善土壤通氣狀況，提高氧化還原電位，明顯改善土壤的理化性質(zhì)，有利于產(chǎn)量的提高［27］。

6.2 合理的耕作措施

壟作能提高土壤溫度，抑制水稻分蘗期后土壤亞鐵含量的上升，降低土壤亞錳含量，減輕亞鐵等還原性物質(zhì)對水稻根系的毒害作用［19，33］。壟作和壟作+土壤調(diào)理劑處理，還原性物質(zhì)總量顯著降低，產(chǎn)量提高［31］。研究還發(fā)現(xiàn)起壟栽培結(jié)合濕潤灌溉較農(nóng)民習(xí)慣土壤排水通氣性增強，有利于降低土壤中還原物質(zhì)總量，活性還原性物質(zhì)總量和亞鐵量，有利于水稻生長，提高產(chǎn)量［20，32］。采用壟畦栽培有利于降低土壤亞鐵，硫化氫等有毒氣體［21，22］。研究表明壟廂，免耕和壟畦栽培較傳統(tǒng)栽培，水稻產(chǎn)量均有所提高［23］。采用免耕方式對水稻產(chǎn)量盡管增產(chǎn)不明顯，但較傳統(tǒng)翻耕有所提高［24］。同時也可采取耘田和擱田等措施改善土壤通氣狀況和排出土壤中的毒害氣體。

6.3 合理的施肥技術(shù)

通過合理的施肥可以降低還原性物質(zhì)，實現(xiàn)水稻的增產(chǎn)［34，35，36，37］。如鄂東南地區(qū)冷浸田中的速效磷、速效鉀含量偏低，通過長期加大磷、鉀肥施用量，同時配施鋅肥和硅肥，可以改善土壤養(yǎng)分，實現(xiàn)增產(chǎn)［30］。研究還發(fā)現(xiàn)，增施有機肥，如堆肥、廄肥等，不僅能改良土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤養(yǎng)分含量，而且還能改善土壤溫度狀況，增強土壤微生物的活力。

6.4 篩選土壤改良劑

施用生物炭能夠明顯的改善土壤的通氣狀況，減少土壤中還原性物質(zhì)對水稻的毒害，有利于水稻增產(chǎn)［29，40］。通過施用生物質(zhì)焦能夠提高水稻生育前期土壤溫度，促進水稻干物質(zhì)積累，產(chǎn)量增加［38］。研究表明石灰和秸稈混合施用可以提高土壤Eh，降低土壤活性還原性物質(zhì)和Fe2+含量，增產(chǎn)顯著［35］。研究還發(fā)現(xiàn)Mg(OH)2改良效果較好，增產(chǎn)顯著的同時也提高了籽粒品質(zhì)［39］。

7 展望

通過近年來的研究表明，冷浸田亞鐵對水稻的毒害已成為約束冷浸田增產(chǎn)的一個重要障礙因子。冷浸田中過高的亞鐵含量對水稻農(nóng)藝性狀，生理生化和產(chǎn)量等方面都產(chǎn)生了一定的毒害作用。前人通過水培和土培等盆栽試驗都得出了亞鐵對水稻毒害的臨界濃度。然而前人對冷浸田的研究大部分集中在水培和土培等盆栽試驗來模擬田間環(huán)境。然而模擬試驗與田間環(huán)境相差懸殊，無法模擬土壤中的復(fù)雜環(huán)境狀況，從而難以將試驗結(jié)果廣泛應(yīng)用于實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。今后的側(cè)重點在于在田間試驗中摸索亞鐵對水稻的毒害臨界值，為后期的冷浸田的改良提供的一定理論基礎(chǔ)。還有對冷浸田亞鐵的研究大部分集中在前期對水稻農(nóng)藝性狀的影響，而對后期水稻生長發(fā)育(如產(chǎn)量)和土壤結(jié)構(gòu)的影響研究較少。土壤作為水稻生長的直接媒介，對水稻的生長發(fā)育起到了關(guān)鍵作用。因此，研究亞鐵對土壤結(jié)構(gòu)的影響非常重要，了解其對土壤有效養(yǎng)分，土壤微生物活性，土壤酶活性，土壤團聚體等方面的影響，進一步明確亞鐵毒害的機制，為今后改良提供理論依據(jù)。

對于冷浸田的改良是今后提升我國冷浸田潛在生產(chǎn)力重點方向。先前對于冷浸田改良措施的研究表明，對于冷浸田的改良已經(jīng)取得了一定的效果。通過大量試驗表明壟作對于冷浸田改良效果明顯。然而像壟作等大部分改良措施都是需要消耗大量的人力和物力，而且對水稻雖有增產(chǎn)但效果不顯著。對于今后改良措施的研究方向應(yīng)該側(cè)重于小投資大回報上。即不需要消耗過多的人力和物力的同時，還可以取得顯著增產(chǎn)。土壤作為水稻汲取養(yǎng)分的直接介質(zhì)，改善土壤有效養(yǎng)分結(jié)構(gòu)應(yīng)該成為今后改良的重中之重。改良研究方向偏向于在降低冷浸田中亞鐵含量的同時，又可以改善土壤養(yǎng)分結(jié)構(gòu)。雖然研究表明土壤改良劑可以短期在一定程度上改善土壤結(jié)構(gòu)，降低亞鐵含量，但是長期添加可能會造成二次毒害。因此，對于冷浸田改良應(yīng)該結(jié)合相關(guān)的措施，通過更多的試驗尋求最佳的改良方法。

［1］全國土壤普查辦公室.中國土壤［M］.北京:中國農(nóng)業(yè)出版社.1998:37-98.

［2］李慶奎.中國水稻土［M］.北京:科學(xué)出版社，1992.

［3］柴娟娟，廖 敏，徐培智，等.我國主要低產(chǎn)水稻冷浸田養(yǎng)分障礙因子特征分析［J］.水土保持學(xué)報，2012，26(2):284-288.

［4］于天仁，劉婉蘭.水稻土中氧化還原過程的研究(Ⅲ):氧化還原條件對水稻生長的影響［J］.土壤學(xué)報，1957，5(4):292-304.

［5］于天仁，劉志光.水稻土的氧化還原過程及其與水稻生長的關(guān)系［J］.土壤學(xué)報，1964，12(04):380-389.

［6］劉志光，于天仁.水稻土中氧化還原過程的研究(Ⅴ)還原性物質(zhì)的測定［J］.土壤學(xué)報，1962，10(01):13-28.

［7］熊明彪，舒 芬，宋光煜，等.南方丘陵區(qū)土壤潛育化的發(fā)生與生態(tài)環(huán)境建設(shè)［J］.土壤與環(huán)境，2002，11(02):197-201.

［8］劉芷宇，唐永良，羅質(zhì)超.主要作物營養(yǎng)失調(diào)癥狀圖譜［M］.北京:農(nóng)業(yè)出版社出版，1982:47-48.

［9］陳 娜，廖 敏，張 楠，等.Fe2+對水稻生長和土壤微生物活性的影響［J］.植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報.2014，20(3):651-660.

［10］李達模，唐建軍，蘇以榮，等.湘中、湘北地區(qū)早秈稻耐土壤潛育性評價［J］.武漢植物學(xué)研究，1992，10(2):139-151.

［11］胡 彬，吳 平，廖春燕，等.水稻依賴抗壞血酸H2O2清除系統(tǒng)在抗鐵毒中的作用［J］.植物生理學(xué)報，1999，25(1):43-48.

［12］崔宏浩，陳正剛，朱 青，等.亞鐵對水稻分蘗期植株性狀變化分析［J］.耕作與栽培，2014，01:1-3.

［13］王貴民，陳國祥，楊艷華，等.亞鐵對雜交水稻幼苗生長和部分生理生化特性的影響［J］.南京師大學(xué)報(自然科學(xué)版)，2003，26(02):56-60.

［14］蔡妙珍，林咸永，羅安程，等.過量Fe2+對水稻生長和某些生理性狀的影響［J］.植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報，2002，8(01):96-99.

［15］陳正剛，徐昌旭，朱 青，等.不同類型冷浸田Fe2+對水稻生理酶活性的影響［J］.中國農(nóng)學(xué)通報，2014，30(12):63-70.

［16］林增泉，徐 朋，彭加桂，等.冷浸田類型與改良研究［J］.土壤學(xué)報，1986，23(02):157-162.

［17］李清華，王 飛，何春梅，等.福建省冷浸田形成、障礙特性及治理利用技術(shù)研究進展［J］.福建農(nóng)業(yè)學(xué)報，2011，26(4):681-685.

［18］徐祥玉，張志毅，王 娟，等.起壟和施肥對冷浸田土壤氧化還原狀況的影響［J］.中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報，2013，21(06):666-673.

［19］王思潮，曹湊貴，李成芳，等.耕作模式對冷浸田水稻產(chǎn)量和土壤特性的影響［J］.中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報，2014，22(10):1 165-1 173.

［20］劉 杰，羅尊長，肖小平，等.不同栽培和灌溉方式對冷浸稻田還原性物質(zhì)及水稻生長的影響［J］.作物研究，2014，28(05):451-454.

［21］鄭九滿，董 益，潘月琴.冷浸田水稻壟畦栽培［J］.溫州農(nóng)業(yè)科技，2004，04:11-13.

［22］潘振剛，劉夢熊.浙西南山區(qū)冷浸田水稻壟畦法栽培技術(shù)調(diào)查［J］.浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，1991，06:282-284+295.

［23］曹芬芳，曾 燕，夏 冰，等.冷浸田雙季稻品種和栽培方式比較研究［J］.作物研究，2014，28(01):1-6.

［24］董愛玲，馮躍華，趙田徑，等.免耕對移栽雜交水稻生長特性及產(chǎn)量的影響［J］.山地農(nóng)業(yè)生物學(xué)報，2008，27(06):471-475.

［25］羅林鐘，莫昌壽.冷浸田的改良方法［J］.河北農(nóng)業(yè)科技，1998，05:20.

［26］王思潮，曹湊貴，李成芳，等.鄂東南冷浸田不同中稻品種產(chǎn)量及生理研究［J］.湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，53(16):3 736-3 740.

［27］林增泉，徐 朋，彭加桂，等.冷浸田類型與改良研究［J］.土壤學(xué)報，1986，23(02):157-162.

［28］董穩(wěn)軍，張仁陟，黃 旭，等.明溝排水對冷浸田土壤理化性質(zhì)及產(chǎn)量的影響［J］.灌溉排水學(xué)報，2014，33(02):114-116.

［29］吳新德，戴延壽.安徽池州地區(qū)冷浸田的綜合改良［J］.土壤，1996，(02):62-63.

［30］徐祥玉，張敏敏，劉 曄，等.磷鉀調(diào)控對冷浸田水稻產(chǎn)量和養(yǎng)分吸收的影響［J］.植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報，2014，20(05):1 076-1 083.

［31］李 志.宣州區(qū)冷浸田綜合治理集成技術(shù)研究與示范初報［J］.安徽農(nóng)學(xué)通報，2014，20(07):82-83+104.

［32］劉 杰，羅尊長，肖小平，等.不同栽培和灌溉方式對冷浸田障礙因子及水稻產(chǎn)量的影響［J］.中國農(nóng)學(xué)通報，2014，30(30):147-151.

［33］熊又升，徐祥玉，張志毅，等.壟作免耕影響冷浸田水稻產(chǎn)量及土壤溫度和團聚體分布［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2014，15:157-164.

［34］蘇金平，管珊紅，袁福生，等.不同化肥施用量對冷浸田水稻產(chǎn)量效應(yīng)的研究［J］.江西農(nóng)業(yè)學(xué)報，2014，26(05):19-24.

［35］張 賡，李小坤，魯劍巍，等.不同措施對冷浸田土壤還原性物質(zhì)含量及水稻產(chǎn)量的影響［J］.中國農(nóng)學(xué)通報，2014，30(27):153-157.

［36］劉 杰，羅尊長，肖小平，等.不同施磷方式對冷浸田磷素養(yǎng)分及水稻產(chǎn)量的影響［J］.湖南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，04:37-39+42.

［37］覃建政.冷浸田測土配方施肥對水稻產(chǎn)量的影響［J］.中國農(nóng)業(yè)信息，2014，03:124.

［38］王文軍，張祥明，凌國宏.生物質(zhì)焦對冷浸田水稻生長·產(chǎn)量的影響［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，41(14):6 220-6 221+6 243.

［39］劉啟鵬，林麗紅，王 飛.閩北山區(qū)冷浸田土壤改良劑篩選試驗［J］.福建農(nóng)業(yè)科技，2013，03:59-60.

［40］董穩(wěn)軍，鄭華平，黃 旭，等.土壤改良劑對冷浸田水稻根系活力及產(chǎn)量的影響［J］.中國農(nóng)學(xué)通報，2013，29(6):182-187.

［41］Sarita S，Manisha S，Prakash C.Oxidative stress induced by iron in Hydrilla verticillata(L.f.)royle:response of antioxidants［J］.Ecotoxicology and Environmental Safety，1997(38):289-291.

［42］Diacono M，Montemurro F.Long-term effects of organic amendments on soil fertility:A review［J］.Agronomy for Sustainable Development，2010，30(2):401-422.

［43］陳 娜.冷浸田亞鐵和還原態(tài)硫障礙因子致毒機理及治理初探［D］.浙江大學(xué)，2014.

［44］王思潮.物料添加對冷浸田土壤特性及水稻生育特性影響［D］.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，2014.

［45］張 賡.還原性鐵、錳對水稻生長影響及其在冷浸田中毒害的消減措施研究［D］.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013.