錳肥在水稻上的應(yīng)用研究進(jìn)展

尹曉輝　鄒慧玲,　方雅瑜　陳楠　楊登　魏祥東（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，長(zhǎng)沙408；湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)南方稻田重金屬污染防控協(xié)同創(chuàng)新中心，長(zhǎng)沙408；湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)圖書(shū)館，長(zhǎng)沙408；第一作者：69465@qq.com；通訊作者：xiangdongw@6.com）

錳肥在水稻上的應(yīng)用研究進(jìn)展

尹曉輝1,2鄒慧玲1,2,3方雅瑜1,2陳楠1,2楊登1,2魏祥東1,2*
（1湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，長(zhǎng)沙410128；2湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)南方稻田重金屬污染防控協(xié)同創(chuàng)新中心，長(zhǎng)沙410128；3湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)圖書(shū)館，長(zhǎng)沙410128；第一作者：369333465@qq.com；*通訊作者：xiangdongw@126.com）

總結(jié)了國(guó)內(nèi)外錳肥在水稻上的應(yīng)用概況，以及錳在水土中的存在形式、錳對(duì)水稻的生理作用及對(duì)產(chǎn)量的影響，并對(duì)錳肥在水稻上的應(yīng)用研究進(jìn)行了展望。

錳；水稻；研究進(jìn)展

錳是水稻生長(zhǎng)不可缺少的微量營(yíng)養(yǎng)元素，水稻缺錳將導(dǎo)致生長(zhǎng)發(fā)育異常，分蘗數(shù)、成穗率、穗粒數(shù)、千粒重和產(chǎn)量均低于正常水稻［1］。影響土壤中錳含量的因素主要有土壤pH值（pH=6.5為界限）、土壤質(zhì)地、氧化還原電位、濕度、有機(jī)質(zhì)含量、通氣狀況、有機(jī)質(zhì)和粘粒含量［2-3］。在水稻生理功能上，錳還是影響水稻光合作用、影響水的光解和電子的傳遞、調(diào)節(jié)酶的活性、促進(jìn)氮素代謝、調(diào)節(jié)植物體內(nèi)氧化還原狀況、促進(jìn)種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的重要因素［4-5］。筆者對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外錳肥在水稻上的應(yīng)用研究情況進(jìn)行了歸納小結(jié)，并對(duì)未來(lái)的研究方向進(jìn)行了展望。

1　錳肥的發(fā)展歷史

1774年，瑞典的甘恩用軟錳礦和木炭在坩堝中共熱，發(fā)現(xiàn)一紐扣大的錳粒。1922年，錳被確定為植物營(yíng)養(yǎng)所必須的元素。1967年，日本科學(xué)家利用電解二氧化錳的廢渣生產(chǎn)錳肥并應(yīng)用在作物上，改善了植物的生長(zhǎng)，肯定了錳對(duì)作物的重要性。在此之后，鄧建奇等［6］借鑒日本先進(jìn)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)發(fā)并設(shè)計(jì)了年產(chǎn)6萬(wàn)t的錳肥生產(chǎn)裝置，1979年第1次在缺錳嚴(yán)重的小麥上施葉面錳肥，結(jié)果顯示，施錳小麥產(chǎn)量比未施的增產(chǎn)34% ～77%，繼而又在水稻、棉花、玉米、甘薯、青椒、生菜、番茄、大豆、花生、芹菜、四季桂、油菜、夏高粱、柑橘等一系列作物上應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，四川、山西、北京、江蘇、湖南、安徽、陜西、新疆、河南等省對(duì)耕地施用錳肥，施用后作物增產(chǎn)明顯：水稻增8.9%、番茄增6.5%、棉花增15.0%、玉米增13.0%、甘薯增8.0%、生菜增50.0%、花生增20.0%、孜然芹增46.0%、夏高粱增8.3%、大豆增21.5%；施用錳肥不僅可以提高水稻產(chǎn)量，還能夠緩解水稻亞鐵毒害。從經(jīng)濟(jì)效益來(lái)看，錳肥的投入產(chǎn)出比達(dá)到1∶20。

長(zhǎng)期以來(lái)由于大量施用化肥導(dǎo)致土壤中有效錳逐年降低，缺錳問(wèn)題日益突出。補(bǔ)充土壤中的錳有2條途徑：一是在低淹水條件下，氧化還原電位（Eh）降低，土壤中的錳被還原成二價(jià)的錳存在［7］；二是人為施錳肥。劉學(xué)軍等［8］研究表明，在長(zhǎng)期淹水條件下，土壤中的錳被氧化還原，錳會(huì)在土壤層20～70 cm處形成深層淋溶與淀積，而在0～20 cm耕作層的全錳、活性錳和交換態(tài)錳則會(huì)顯著下降，所以施用錳肥成為土壤補(bǔ)充錳的主要方式。

2　水、土壤環(huán)境中的錳

2.1灌溉水中的錳

錳在水中主要以二價(jià)錳離子存在，正常情況下，灌溉水中的錳濃度在20 mg/kg以下對(duì)水稻生長(zhǎng)有促進(jìn)作用，達(dá)到200 mg/kg時(shí)水稻的生長(zhǎng)則會(huì)受到抑制，當(dāng)濃度達(dá)400 mg/kg以上，水稻明顯減產(chǎn)，出現(xiàn)錳中毒現(xiàn)象。池鉅?wèi)c等［9-10］研究表明，在水稻盆栽試驗(yàn)中，水稻各生育期的pH值、土壤中水溶性錳和交換性錳、水稻植株的錳含量以及水稻產(chǎn)量均隨著灌溉水中的錳濃度增加而降低，灌溉水中錳濃度在20～60 mg/kg時(shí)對(duì)水稻增產(chǎn)顯著。

2.2土壤中的錳

土壤中的有效錳因土壤類(lèi)型和土壤深度的不同而變化，但外部條件的改變也會(huì)對(duì)土壤有效錳產(chǎn)生很大影響。氧化還原電位對(duì)土壤錳的影響：在漬水環(huán)境下，氧化還原電位降低，有效錳增加。pH值對(duì)土壤錳的影響：pH值在6.5以下，土壤錳含量大，反之則?。?1-12］，也有研究認(rèn)為，pH值大于6.5時(shí)，土壤有效錳反而增加，分析其原因可能與土壤氧化還原狀態(tài)和淋溶作用有關(guān)。在漬水條件下，土壤內(nèi)部氧氣缺壓，Mn3+被還原成Mn2+，增加了土壤有效錳含量［13-14］。蒲玉琳等研究表明，有效錳與pH值呈極顯著負(fù)相關(guān)，即錳在不同的pH值范圍內(nèi)，其有效錳的含量是不同的，錳在pH值為5.2～6.5時(shí)有效性較高，在6.0時(shí)最高，pH值小于6.0時(shí)，土壤有效錳含量隨pH值的降低而減少，pH值大于6.0時(shí)，土壤有效錳隨pH值的增加而減少。有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤錳的影響：一般土壤有效錳的含量會(huì)隨有機(jī)質(zhì)的增加而增加，呈高度的正相關(guān)［15-16］，因?yàn)橥寥乐械挠袡C(jī)質(zhì)能夠增加交換態(tài)錳的含量，其次絡(luò)合作用能夠增加有機(jī)態(tài)錳的含量，成為酸性土壤有效錳的來(lái)源之一［17］。

3　錳對(duì)水稻生理作用的影響

3.1錳對(duì)水稻葉片的影響

錳不但是構(gòu)成葉綠體的一部分，而且還直接參與光合作用釋放氧氣，使葉片出現(xiàn)枯黃。有研究表明，水稻施用錳肥后，錳直接參與光合作用中水裂解放氧過(guò)程，在光合系統(tǒng)Ⅱ的水氧化放氧系統(tǒng)中參與水的分解，錳充當(dāng)了氧化還原作用，自身被光合水解酶氧化成Mn3+，提高了細(xì)胞內(nèi)的氧化還原電位，部分細(xì)胞成分被氧化，使每2個(gè)H2O裂解生成一分子的O2和4個(gè)電子［18-19］。水稻對(duì)錳的吸收受外界因素影響很大，以pH值6.5為界，大于這個(gè)值則吸收受到抑制，反之則促進(jìn)。石塚等研究表明，當(dāng)水稻葉片中的錳濃度達(dá)到1 000 mg/ kg以上時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致水稻錳過(guò)剩；而鐮田等研究表明，葉片中錳濃度在3 000～4 000 mg/kg時(shí)，對(duì)水稻產(chǎn)量沒(méi)有影響；但劉儉等［20］研究表明，葉片中錳濃度達(dá)到1500 mg/kg時(shí)，水稻產(chǎn)量降低。出現(xiàn)上述三種結(jié)果，可能是因水稻品種、外界氣溫、土壤性質(zhì)和日照等不同而導(dǎo)致。

3.2錳對(duì)水稻根系的影響

水稻之所以會(huì)出現(xiàn)“黃化病”，與水稻根系密切相關(guān)，其原因是因?yàn)橥寥乐需F、錳營(yíng)養(yǎng)平衡失調(diào)，無(wú)法在根系表面形成保護(hù)膜，導(dǎo)致水稻發(fā)育受阻，產(chǎn)量降低。研究表明，水稻根部在泌氧作用下土壤中大量還原性物質(zhì)Fe2+、Mn2+被氧化，在根表和質(zhì)外體被氧化而形成一層清晰可見(jiàn)的鐵錳氧化物膠膜［21］，由于這層鐵錳氧化膠膜有特殊的電化學(xué)性質(zhì)，它對(duì)土壤中Cd2+、Zn2+、Hg2+、Pb2+等重金屬離子具有強(qiáng)烈的吸附解析作用［22-24］，因此，對(duì)阻擋重金屬離子進(jìn)入水稻起著至關(guān)重要的作用［25］。

3.3豐缺錳對(duì)水稻的影響

水稻之所以會(huì)出現(xiàn)錳中毒現(xiàn)象，是因?yàn)樗旧L(zhǎng)介質(zhì)中錳過(guò)多，這直接導(dǎo)致鐵錳膜的比值下降［26］，鐵錳平衡被打破，光氧化過(guò)程會(huì)使Mn2+加快向Mn3+轉(zhuǎn)化，減少了葉綠素a和葉綠素b的含量和組成，導(dǎo)致光合作用活性中心和光能傳導(dǎo)受到抑制，使得水稻葉片光合作用不足而出現(xiàn)葉片失綠癥狀［27］。過(guò)量的錳會(huì)抑制光合作用活性中心和光能傳導(dǎo)，降低蛋白質(zhì)和葉綠體蛋白的合成［28］。

水稻缺錳多發(fā)生在堿性環(huán)境下，施用石灰、鉀肥等會(huì)使土壤中有效錳降低，最終出現(xiàn)缺錳癥狀。缺錳最直觀的現(xiàn)象是葉片失綠并伴有褐色斑點(diǎn)，葉片比正常水稻要薄，生長(zhǎng)發(fā)育緩慢，植株矮小，分蘗數(shù)減少，得病幾率升高，最終導(dǎo)致減產(chǎn)［29］。幼苗期缺錳則植株生長(zhǎng)差，干物質(zhì)量輕，容易誘發(fā)水稻畸形，抽穗期不能正常抽穗，成熟期干癟率增加。何永梅［30］研究表明，水稻葉片中錳含量低于20 mg/kg時(shí)，容易發(fā)生缺錳癥狀。

3.4錳的酶活性對(duì)水稻的影響

在酶活性方面，錳主要作為活化劑和參與酶催化系統(tǒng)，據(jù)數(shù)據(jù)顯示，錳是36種酶的活化劑和3種酶的成分［31］，可直接參與CAT、POD酶體系中的活動(dòng)，并防止水稻葉片衰老黃化，參與一系列的酶觸反應(yīng)，如磷酸化作用、脫羧基作用、還原反應(yīng)和水解反應(yīng)等。同時(shí)，酶還是輔因子，對(duì)水稻的呼吸作用、氨基酸和木質(zhì)素的合成至關(guān)重要。錳在水稻育種期，刺激生長(zhǎng)素的合成，不僅可以促進(jìn)種子的發(fā)芽，還能在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中使秧苗變得更加粗壯。

4　施用錳肥對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

施用錳肥主要是通過(guò)水稻的株高、有效穗數(shù)、穎花數(shù)和結(jié)實(shí)率來(lái)實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)，使水稻植株粗壯，提高水稻產(chǎn)量，其中株高增加最為顯著［32］。全國(guó)土壤錳平均值為710 mg/kg，不同的土壤類(lèi)型錳含量差別很大，其中，河流沖積土、酸性土含錳量相對(duì)較高，石灰性土、紫色砂巖土全錳含量較低。祁明等［33］研究表明，在黃土母質(zhì)、山河沖積土、第四紀(jì)紅色粘土上施用錳肥，對(duì)水稻產(chǎn)量的增幅有明顯效果，其中增幅最大的是黃土母質(zhì)，平均增產(chǎn)14.6%，另外山河沖積土平均增產(chǎn)10.1%，第四紀(jì)紅色粘土平均增產(chǎn)4.9%。水稻分蘗盛期、孕穗期、灌漿期噴施葉面錳肥，水稻的吸錳效果最好。林志榮［35］研究表明，在pH值為4.1～5.0條件下噴施葉面硫酸錳肥，比相對(duì)缺錳的水稻田有10.8%的增產(chǎn)效果。

5　小結(jié)與展望

水稻吸收錳跟土壤中的有效錳有著直接的關(guān)系，土壤中的有效錳含量直接決定了植物中錳的吸收量，但在耕作層，全錳、有效錳含量不穩(wěn)定，容易流失。因此，人為施錳也是補(bǔ)充土壤中錳含量的重要因素。除了以上兩種主要方式，灌溉水中的錳雖然不多，但也是為水稻提供錳的一種途徑。土壤中的錳環(huán)境十分復(fù)雜，影響土壤中錳的因素主要是pH值、Eh、有機(jī)質(zhì)等，這些因素受外界條件影響很大，因此具有不穩(wěn)定性。往往土壤中出現(xiàn)過(guò)多或過(guò)少的錳時(shí)，會(huì)導(dǎo)致水稻根系平衡被打破，其次影響葉片中的光合效率以及水稻的生長(zhǎng)發(fā)育，導(dǎo)致病害發(fā)生。雖然研究錳肥對(duì)植物影響的報(bào)道已經(jīng)比較深入了，但在水稻上的應(yīng)用研究還比較欠缺。如何更好的將錳肥用于水稻，提高水稻的產(chǎn)量和品質(zhì)，降低水稻對(duì)鎘的吸收積累等方面還有待進(jìn)一步的研究與探討。

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Research Progress of Manganese Fertilizer on Rice

YIN Xiaohui1,2,ZOU Huiling1,2,3,FANG Yayu1,2,CHEN Nan1,2,YANG Deng1,2,WEI Xiangdong1,2
（1College of Resources and Environment,Hunan Agricultural University,Changsha 410128,China；2South Regional Collaborative Innovation Center for Heavy Metals Control in Rice Fields,Hunan Agricultural University,Changsha 410128,China；3Library of Hunan Agricultural University,Changsha 410128,China；1st author:369333465@qq.com；*Corresponding author:xiangdongw@126.com）

The application of manganese fertilizer on rice at home and abroad,the form of manganese in water and soil,physiological effects and the influence of manganese on rice yield were summarized in this paper.Besides,the developing prospect of manganese fertilizer was proposed.

manganese；rice；research progress

S511

A

1006-8082（2016）04-0039-04

2016-02-25

國(guó)家自然科學(xué)基金（4121511）；湖南省自然科學(xué)基金（08JJ6018）；湖南省教育廳青年基金（12B059）；湖南省農(nóng)業(yè)廳項(xiàng)目（2014137）