茶樹根際與非根際土壤硒特性及其影響因素分析

史艷芙，宗良綱，張艷萍，沈碧云珠，楊雨菡

（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，南京 210095）

茶樹是一種天然富硒能力較強(qiáng)的植物，在富硒土壤上開發(fā)生產(chǎn)富硒茶葉具有很大潛力。茶樹根際效應(yīng)影響土壤的化學(xué)組成及特性，關(guān)系到土壤中硒素的利用。通常將距離根系幾毫米范圍內(nèi)的土壤視為根際土壤，這是土壤受根系自身新陳代謝活動影響最直接、最強(qiáng)烈的區(qū)域[1]。所謂根際效應(yīng)就是在根際范圍內(nèi)由于土壤微生物種類與數(shù)量、pH及氧化還原條件、根系分泌物等因素使植物根系產(chǎn)生對外界環(huán)境適應(yīng)性的反應(yīng)[2]，由此導(dǎo)致根際與非根際土壤中土壤理化性質(zhì)與元素分布存在一定差異[3]，這種差異又間接影響根際土壤硒的有效性與遷移性。硒的化學(xué)特性與土壤pH、有機(jī)質(zhì)、磷含量等因素的關(guān)系已有報(bào)道[4-5]，但在根際土壤中這些因素對硒的影響研究較少。茶樹是典型的喜酸性聚鋁植物[5]，根際與非根際不同形態(tài)鋁含量的變化對土壤鋁氧化物的吸附能力具有重要意義[6]，而土壤中亞硒酸鹽易受鋁氧化物吸附[7]，鋁的含量與活性很大程度上決定著土壤硒的有效性。此外，活性鋁影響茶樹根系低分子有機(jī)酸的分泌[8]，也可能間接影響硒的有效性。

目前國內(nèi)外對土壤硒特性研究進(jìn)展較快[9-12]，但對于植物尤其是茶樹根際微環(huán)境中的硒特性研究很少。本研究通過對江蘇宜興南部丘陵山區(qū)富硒茶園根際與非根際土壤采樣調(diào)查，比較茶樹根際與非根際土壤硒特性，并探討其與土壤化學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性，分析茶樹根際土壤硒特性的影響因素，旨在為進(jìn)一步研究茶樹根際微環(huán)境中硒的環(huán)境行為及其生物有效性提供基礎(chǔ)，并為生產(chǎn)中提高茶樹對土壤硒素資源利用率提供技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 土壤樣品采集

根據(jù)文獻(xiàn)[13]及本課題組[12]前期對江蘇較大規(guī)模茶場進(jìn)行實(shí)地調(diào)查結(jié)果：江蘇宜興地區(qū)茶園土壤普遍富硒，土壤全硒平均含量為0.88 mg·kg-1，明顯高于江蘇其他地區(qū)平均值0.25 mg·kg-1。因此，本研究供試土壤均采自江蘇宜興境內(nèi)的富硒茶場，包括無錫茶科所、長征茶場、大潮山茶場等8個茶場，選擇茶樹種植年限相對較長（20年左右）的茶園共10個。每個茶園中間選擇周圍較為開闊的茶壟，在離茶壟滴水線30～35 cm處，挖除0～20 cm表層土壤以去除雜草根系，在20～30 cm茶樹根系較為豐富的土層[14]挖取茶樹根系，輕輕抖去大土塊土粒，將剩余在根表幾毫米厚的土體用刷子刷下，收集起來。為凸顯茶樹根際效應(yīng)，在遠(yuǎn)離茶壟樹根部1 m左右挖取20～30 cm相對無根系土壤作為非根際土樣。每個茶園挖取3～5棵茶樹，混合樣品，收集根際與非根際土壤各500 g。將土樣帶回實(shí)驗(yàn)室，風(fēng)干，磨碎，根據(jù)檢測指標(biāo)分別過10目、20目、60目和100目篩，保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 分析測定方法

1.2.1 土壤常規(guī)化學(xué)指標(biāo)的測定

參照《土壤農(nóng)化分析》[15]，土壤pH值測定采用水浸提電位法（水土比2.5∶1）；有機(jī)質(zhì)含量測定采用濃硫酸-重鉻酸鉀油浴-容量法；速效磷含量測定采用0.05 mol· L-1HCl-0.025 mol· L-1H2SO4（1/2H2SO4）浸提，鉬銻抗比色法；全磷含量測定采用HClO4-H2SO4消煮，鉬銻抗比色法。

1.2.2 土壤硒全量與有效態(tài)含量測定

土壤全硒和有效態(tài)硒的測定參照瞿建國等[16]的氫化物發(fā)生-原子熒光光度法。

全硒：稱取100目土樣0.500g于聚四氟乙烯坩堝中，采用HNO3-HClO4-HF消化，160℃蒸至白煙冒盡，溶液呈淡黃色黏稠狀，用5 mol·L-1HCl轉(zhuǎn)移至比色管中，定容至25 mL，取適量溶液沸水浴30 min，將六價硒還原成四價硒，冷卻后用原子熒光光度計(jì)測定。

有效硒：稱取20目土樣4.000 g于100 mL離心管中，加入 60 mL 0.5 mol·L-1KH2PO4，30 ℃下 210 r·min-1振蕩90 min提取有效態(tài)硒，離心后取10 mL上清液于試管中，加入1 mL 5%K2S2O8沸水浴1 h分解有機(jī)硒，5 mol·L-1HCl條件下沸水浴30 min，將六價硒還原成四價硒，冷卻后定容至25 mL，用原子熒光光度計(jì)測定。

1.2.3 土壤全鋁與活性鋁含量測定

全鋁：參照范麗新等[17]的測定方法并改進(jìn)。稱取100目土樣0.500 g于聚四氟乙烯坩堝中，采用HNO3-H2SO4-HF消化，視情況補(bǔ)加少量水和硝酸，蒸至白煙冒盡，溶液呈灰白色黏稠狀，冷卻后加水溶解，定容至100 mL，用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測定。

活性鋁：參照邵宗臣等[6]推薦的連續(xù)分級提取方法。①交換態(tài)鋁（Ex-Al）：稱取風(fēng)干60目土壤樣品1.0 g于50 mL塑料離心管中，加入10 mL 1 mol·L-1KCl，25 ℃下 210 r·min-1振蕩 30 min，6000 r·min-1離心分離10 min；②無機(jī)態(tài)羥基鋁（Hy-Al）：10 mL 0.2 mol·L-1HCl溶液振蕩30 min，離心分離；③有機(jī)配合態(tài)鋁（Or-Al）：20 mL 0.1 mol·L-1Na4P2O7溶液，振蕩2 h，離心分離。

樣品溶液經(jīng)電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

應(yīng)用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)處理計(jì)算，計(jì)算公式為：

應(yīng)用SPSS軟件對單獨(dú)茶園根際與非根際土壤樣品進(jìn)行單因素方差分析并進(jìn)行t檢驗(yàn)，對土壤硒特性與化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 茶樹根際與非根際土壤硒含量及活化率的差異

由于茶樹根際效應(yīng)，根際與非根際土壤硒特性存在差異，結(jié)果如表1所示。本研究中10個茶園土壤均為天然富硒土壤，茶樹根際土壤全硒含量為0.511～1.029 mg·kg-1，非根際全硒含量為 0.261～1.019 mg·kg-1。10個茶園中，長征茶場1號根際全硒含量顯著低于非根際，新街茶場1號、紅嶺茶場根際全硒含量與非根際無顯著差異，其他茶園根際全硒均顯著高于非根際。茶樹根際土壤有效硒含量為17.46～106.31 μg·kg-1，非根際有效硒含量為4.78～97.37 μg·kg-1。其中，新街茶場1號、林場茶場茶樹根際土壤有效硒含量低于非根際土壤，其他茶園茶樹根際有效硒含量均顯著高于非根際，因此導(dǎo)致新街1號、林場茶場茶樹根際土壤硒活化率也低于非根際，其他茶園根際土壤硒活化率均高于非根際。綜上所述，大部分茶樹根際土壤全硒、有效硒含量及活化率均大于非根際，茶樹根際對土壤硒表現(xiàn)出一定程度的富集與活化效應(yīng)，與秦恩華等[18]的研究結(jié)果相似。

2.2 硒的根際效應(yīng)與土壤化學(xué)性質(zhì)的關(guān)系

茶樹根際與非根際土壤化學(xué)性質(zhì)差異可能是影響根際土壤硒富集與活化的重要因素（部分化學(xué)性質(zhì)測定結(jié)果見圖1）。由于茶樹的泌酸特性，有7個茶園茶樹根際土壤pH顯著低于非根際土壤，pH低于4.5的茶園中茶樹根際與非根際土壤pH無明顯差異，如紅嶺茶場和林場茶場。本研究所調(diào)查區(qū)域茶園土壤酸化較為嚴(yán)重[19]，根際土壤pH的變化是茶園土壤酸化的內(nèi)因表現(xiàn)。除長征茶場1號，其他茶園中茶樹根際土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于非根際，這是由于茶樹根系分解、根系分泌物以及根際微生物的作用[20]。除了靈谷茶場，大部分茶場的茶樹根際全磷含量顯著高于非根際，且除了林場茶場，速效磷含量也符合這一規(guī)律，與周牮君[21]的研究結(jié)果相似?？傮w來說，本研究中茶樹根際土壤pH低于非根際，根際土壤有機(jī)質(zhì)、全磷、速效磷含量高于非根際。

通過對茶樹根際與非根際土壤全硒、有效硒與化學(xué)性質(zhì)的相關(guān)分析，探究土壤化學(xué)性質(zhì)對茶樹根際與非根際硒特性的影響，結(jié)果見表2。無論茶樹根際還是非根際土壤，有效硒與pH均呈正相關(guān)但未達(dá)到顯著水平，說明隨著pH的降低土壤有效硒含量具有降低的趨勢，與戴慧敏等[22]的研究結(jié)果一致。本研究所選擇的供試茶園土壤本體pH值較低，一定程度上削弱了這種效應(yīng)，在pH較高的土壤中，pH的降低對有效硒的抑制更為明顯[23]。根際土壤全硒與pH呈現(xiàn)弱正相關(guān)，有研究者[5，23]從吸附解吸的角度分析，pH 4.5～6.0范圍內(nèi)，隨pH降低，SeO2-3與吸附質(zhì)間的親和力越強(qiáng)，硒的遷移性越易受黏粒礦物與有機(jī)質(zhì)固定的影響而降低，由此可能導(dǎo)致土壤硒由非根際向根際遷移積累呈現(xiàn)減少趨勢。在本研究條件下，pH未表現(xiàn)出對硒根際效應(yīng)的主導(dǎo)作用，但茶園土壤酸化具有降低茶樹根際土壤全硒、有效硒含量的趨勢，導(dǎo)致根際土壤富集率降低，應(yīng)予以重視。

表1 茶樹根際與非根際土壤全硒、有效硒含量及活化率Table 1 Total selenium，available selenium content and activation rate in rhizosphere and bulk soil of tea garden

圖1 茶樹根際與非根際土壤化學(xué)性質(zhì)差異Figure 1 Chemical properties in rhizosphere and bulk soil of tea garden

表2 茶樹根際與非根際土壤全硒、有效硒與土壤性質(zhì)相關(guān)性分析Table 2 Correlation analysis of total selenium，available selenium and soil properties in rhizosphere and bulk soil of tea garden

茶樹非根際土壤全硒與有機(jī)質(zhì)呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.636，而在根際土壤中二者未呈現(xiàn)相關(guān)性，可能是由于有機(jī)質(zhì)組分不同所致。有機(jī)質(zhì)對硒的作用具有二重性，一方面通過吸附和絡(luò)合作用表現(xiàn)出對硒的固定，另一方面，土壤有機(jī)質(zhì)可促進(jìn)有機(jī)硒的形成，增加硒的有效性[24]。本研究中茶樹根際與非根際土壤有效硒與有機(jī)質(zhì)幾乎沒有相關(guān)性，有機(jī)質(zhì)主要表現(xiàn)出對非根際土壤硒的固持作用，長征茶場1號非根際土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于根際，或許這正是其非根際全硒高于根際的原因之一。

非根際土壤硒與磷未呈現(xiàn)相關(guān)關(guān)系，而根際土壤有效硒與全磷、速效磷含量呈負(fù)相關(guān)但未達(dá)到顯著水平。研究表明[25]，土壤中PO3-4可以通過與Se（Ⅳ）競爭土壤膠體表面的吸附位點(diǎn)而減少對Se（Ⅳ）的吸附，增加硒的有效性，但本研究中茶樹根際磷與硒的相互關(guān)系具有相反趨勢，相關(guān)系數(shù)未通過顯著性檢驗(yàn)，其原因有待進(jìn)一步探究。新街茶場1號根際與非根際全磷、速效磷含量差異均最大，可能這是導(dǎo)致其根際有效硒低于非根際的原因。

土壤有效硒與全硒呈極顯著正相關(guān)，并在根際土壤中達(dá)到極顯著水平，相關(guān)系數(shù)為0.938，說明茶樹根際土壤有效硒含量主要取決于全硒含量。這與王玉榮等[26]的結(jié)果一致，土壤全硒是有效硒的來源和基礎(chǔ)。研究表明[27]根際土壤營養(yǎng)元素含量取決于非根際土壤溶液中離子濃度以及向根遷移速率，而土壤溶液中離子濃度又很大程度上受元素全量的影響。實(shí)際上，本研究中茶樹根際土壤全硒與非根際全硒也具有極顯著的正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.919。

2.3 硒的根際效應(yīng)與土壤鋁特性的關(guān)系

圖2為茶樹根際與非根際土壤活性鋁、全鋁含量差異。除長征1號茶園根際Hy-Al和Or-Al顯著低于非根際，林場茶場根際Or-Al顯著低于非根際，其他茶園根際活性鋁和全鋁含量均明顯高于非根際或無顯著差異，與苗宵霖[28]的研究結(jié)果相似。土壤pH影響土壤溶液中鋁的形態(tài)，隨著pH降低，Ex-Al的比例增加，而羥基態(tài)鋁和腐植酸鋁所占比例減少[29]，其中Ex-Al決定著土壤的交換性酸度，同時制約土壤pH值。除此之外，土壤有機(jī)質(zhì)的增加也會增加Or-Al的含量[30]，根際土壤中根系分泌物可促進(jìn)土壤中鋁向腐植酸態(tài)鋁轉(zhuǎn)化[28]，由此導(dǎo)致茶樹根際土壤鋁的富集，Ex-Al、Hy-Al、Or-Al三種活性鋁含量也具有一定程度的增加。

通過分析茶樹根際與非根際土壤全硒、有效硒與土壤鋁的相關(guān)關(guān)系，探究土壤活性鋁形態(tài)及含量對根際土壤硒特性的影響，結(jié)果見表3。茶樹根際和非根際全硒與Ex-Al均呈負(fù)相關(guān)，在根際土壤中達(dá)到顯著水平，相關(guān)系數(shù)為-0.646，有效硒同樣與Ex-Al呈負(fù)相關(guān)，并且在根際土壤中達(dá)到顯著水平，相關(guān)系數(shù)為-0.659。這說明隨Ex-Al的增加，土壤全硒、有效硒含量均具有下降趨勢，并且在根際土壤中這種關(guān)系更為顯著。有研究表明[6]土壤中Ex-Al與黏土礦物存在負(fù)相關(guān)性，土壤Ex-Al的增加可能減少黏土礦物組分，導(dǎo)致土壤對硒的吸附能力減弱，從而造成全硒含量的下降。Ex-Al與土壤pH密切相關(guān)，其對土壤硒的影響與前文pH對土壤硒的影響一致，茶樹根際Ex-Al的增加相應(yīng)加劇了這一影響。此外，研究表明[31]Al3+可能與 SeO2-3生成 Al2（SeO3）3難溶物，影響硒的有效性。與pH一樣，在酸性茶園土壤環(huán)境中Ex-Al未表現(xiàn)出對硒根際效應(yīng)的主導(dǎo)作用，但具有降低根際土壤全硒與有效硒含量的趨勢。

Hy-Al主要是羥基鋁和氫氧化鋁，具有極強(qiáng)的吸附能力，非根際土壤中，Hy-Al與全硒含量呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.635，而根際土壤中未呈現(xiàn)這一規(guī)律，可能是由于根系分泌物的影響，這一效應(yīng)與前文中有機(jī)質(zhì)對非根際硒的固持作用類似。Or-Al與土壤有機(jī)質(zhì)含量密切相關(guān)，其與土壤硒的關(guān)系可看作是有機(jī)質(zhì)的影響結(jié)果。實(shí)際生產(chǎn)中，茶園管理施用有機(jī)肥以及土壤酸化調(diào)控，以降低Ex-Al含量，促進(jìn)鋁形態(tài)向Hy-Al和Or-Al轉(zhuǎn)化，將有助于提高茶園土壤對硒的固持作用，增加根際土壤全硒和有效硒含量，并緩解鋁毒。茶樹根際和非根際土壤全硒、有效硒與土壤全鋁未呈現(xiàn)相關(guān)性。這與童建川[24]對重慶紫色土壤硒的研究結(jié)果相似，土壤中金屬氧化物對硒的吸附受活性態(tài)金屬制約，而與金屬全量幾乎沒有相關(guān)性。

表3 茶樹根際與非根際土壤全硒、有效硒與鋁形態(tài)的相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis of total selenium，available selenium and forms of aluminum in rhizosphere and bulk soil of tea garden

圖2 茶樹根際與非根際土壤活性鋁、全鋁含量差異Figure 2 Content difference of aluminum in rhizosphere and bulk soil of tea garden

以全硒含量R/S值和硒活化率R/S值分別表征茶樹根際對硒的富集和活化效應(yīng)，其與土壤鋁的相關(guān)分析見表4。其中，以非根際Hy-Al對硒根際效應(yīng)的影響最為明顯，與根際富集效應(yīng)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，與活化效應(yīng)呈現(xiàn)正相關(guān)，但均未達(dá)到顯著水平，非根際Hy-Al可能是通過影響非根際全硒含量而使根際表現(xiàn)出對硒的富集趨勢，同時具有降低活化效應(yīng)的趨勢。由于研究樣本較少，相關(guān)系數(shù)未通過顯著性檢驗(yàn)，存在不確定性，有待進(jìn)一步探究。

3 結(jié)論

（1）茶樹根際土壤全硒、有效硒含量及硒的活化率高于非根際土壤，茶樹根際表現(xiàn)出對硒一定程度的富集與活化效應(yīng)。

（2）根際土壤全硒含量與非根際土壤全硒含量有關(guān)，而茶樹非根際土壤有機(jī)質(zhì)對土壤硒有一定的固持作用，所固持的硒可作為根際土壤硒的來源，有利于根際硒的積累。根際有效硒含量主要取決于根際全硒含量，但根際pH降低時，有效硒含量也有降低趨勢。

（3）土壤Ex-Al抑制土壤全硒與有效硒含量，根際Ex-Al的增加使這一影響更為顯著。Hy-Al、Or-Al主要與非根際全硒含量有關(guān)，間接影響土壤硒在根際的富集。增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，同時調(diào)控土壤pH，降低Ex-Al含量，促進(jìn)土壤鋁向Hy-Al、Or-Al轉(zhuǎn)化，將有利于增加根際土壤全硒、有效硒含量，并緩解鋁毒。

表4 茶園土壤全硒含量R/S值、硒活化率R/S值與鋁形態(tài)的相關(guān)性分析Table 4 Correlation analysis of R/S value and forms of aluminum in rhizosphere and bulk soil of tea garden