不同類型土壤對水稻硅同位素分餾的影響

肖 晗 孫 燕 周靜杰 馬慶旭 謝懿楠吳良歡 胡兆平

(1浙江大學環境與資源學院/教育部環境修復與生態健康重點實驗室,浙江 杭州 310058；2金正大生態工程集團股份有限公司/養分資源高效開發與綜合利用國家重點實驗室,山東 臨沂 276000；3西安理工大學水利水電學院/省部共建西北旱區生態水利國家重點實驗室培育基地,陜西西安 710048)

植物通過吸收、轉運、沉淀硅(Si)等過程影響陸地硅的生物地球化學循環。 研究發現當生物體吸收利用硅時,會產生明顯的硅同位素分餾現象[1-2]。 近年來,隨著硅穩定同位素技術的快速發展,利用硅同位素特征值研究生物體與環境之間的硅生物地球化學循環,已成為人們了解自然規律的重要手段之一。 通過研究水稻[3-5]、竹子[6]、香蕉[7-8]、黃瓜[9]、玉米[10]等高等植物硅同位素特征值(δ30Si 值)發現,其體內不同器官δ30Si 值表現出規律性變化,即除根部外,δ30Si 值從基部器官到頂部器官表現出明顯增加的趨勢。 近年來,硅同位素信號與環境因子(尤其是土壤環境)之間的關系開始引起人們的關注。 研究表明,對土壤硅同位素信號而言,當原生礦物發生風化時,輕硅同位素會優先進入次生礦物中,導致土壤溶液相對富集更多的重硅同位素[11-13]；此外,土壤中的鐵、鋁氧化物在吸附硅時同樣會優先吸附輕硅同位素[13-15]。 研究發現對植物硅同位素信號而言,植株δ30Si 值與土壤可溶性硅δ30Si 值、有機質含量均呈正相關關系[6,10],同時還受到土壤風化程度的影響[16]。 上述研究初步揭示了植物體內的硅同位素分餾規律,而關于在硅同位素發生沉淀的過程中,其生長環境中的非生物因素(土壤類型、鐵鋁氧化物含量等)發揮何種作用,以及植物是否與其所生長的外界環境中非生物因子之間存在某些定量關系尚鮮見報道。

水稻(Oryza sativa)是典型的喜硅植物,其體內SiO2含量可達10%～15%[17],根部硅累積量甚至是N、P、K 等大量元素的數倍[18-19],因此常作為研究硅營養機理的模式植物。 此外,水稻是世界上最重要的糧食作物之一,種植面積廣泛,其生長發育對自然界中的硅生物地球化學循環有著重要的影響[3,5]。 本試驗在土培條件下,研究不同類型土壤對水稻體內硅同位素組成及分餾的影響,以期為利用硅穩定同位素技術探索自然界的硅循環模式提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試水稻品種：粳稻嘉58,由嘉興市農業科學研究院提供。

供試土壤：紅壤(red soil,RS)、黑土(black soil,BS)和褐土(cinnamon soil,CS),其中紅壤采自浙江省金華市瑯琊鎮新朱村(29°01′12″ N,119°28′14″ E),黑土采自吉林省長春市城西鄉躍進村(43°57′02″ N,125°12′38″ E),褐土采自山西省長治市郊區老頂山鎮關村(36°13′06″ N,113°08′46″ E),土壤均取自耕作層(0～20 cm)。 土壤采集后去除肉眼可見的石塊、植物根系和土壤動物,置于陰涼、通風處自然風干,過篩(孔徑2 mm)后用于盆栽試驗。 供試土壤基本理化性質見表1。

表1 不同類型土壤基本理化性質Table1 Basic chemical properties of different soil types

1.2 試驗設計

試驗于2017年在浙江大學紫金港校區日光網室中進行。 盆栽試驗采用無蓋圓形膠質盆(上口徑28 cm,下口徑19 cm,高22 cm),每個盆缽裝土6.0 kg,按照N 0.15 g·kg-1(尿素)、P2O50.1 g·kg-1(過磷酸鈣)、K2O 0.15 g·kg-1(硫酸鉀)施入土壤。 其中,磷、鉀肥全部作為基肥一次性施入,氮肥50%作為基肥施入,另外50%作為穗肥以溶液形式在幼穗分化后期施入土壤。 大田育秧后將水稻幼苗移栽至盆缽,每盆3 穴,每穴3 株,重復3 次,一盆作為一個重復,采用隨機區組排列。 在水稻成熟期時采集水稻樣品,每盆隨機選擇一穴,將水稻按照根、莖、葉、稻殼和糙米分為5 部分,一穴水稻相同器官混為一個樣品,自來水洗凈后,用去離子水洗滌3～4 次,105℃殺青30 min,65℃烘干后稱重,磨細過篩(100 目)后備用,用于元素測定分析。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 植物硅含量測定 稱取0.3 g 植物樣品于瓷坩堝中,550℃灰化3 h,然后用50 mL 0.08 mol·L-1H2SO4溶液將灰分全部洗入100 mL 塑料瓶中,加入2 mL 40%氫氟酸(HF),振蕩1 h 后靜置過夜。 吸取懸液1 mL 于50 mL 離心管中,用0.32% H3BO3溶液定容至50 mL,取1.5 mL 樣品溶液于10 mL 離心管中,加入1.5 mL 顯色劑(0.08 mol·L-1H2SO4和2%鉬酸銨溶液組成的1 ∶1 混合液),搖勻后靜止5 min,加入1.5 mL 3.3%酒石酸和1.5 mL 0.4%抗壞血酸,搖勻,10 min 后利用TU-1810 紫外可見分光光度計(北京普儀公司)在811 nm 波長下測定吸光值[20],按照公式計算樣品硅含量(%)：

式中,ρ：從工作曲線上查得SiO2的質量濃度,mg·L-1；V：樣品總體積,L；10：換算系數；m：烘干后樣品質量,g。

1.3.2 植物二氧化硅提取 稱取5 mg 樣品與60 ～70 mg NaOH·H2O 混勻,置于7 mL 四氟乙烯—全氟烷氧基乙烯基醚共聚物(PFA)溶樣杯(南京瑞尼克公司)中,200℃高溫熔融3 d。 冷卻后,向PFA 溶樣杯中加入2 mL 超純水置于DB-3 恒溫電熱板(常州普儀公司)上加熱1 ～2 h 使樣品溶解。 若產生褐色沉淀物,將上述溶液及沉淀全部轉移至10 mL 離心管中,11 000 r·min-1離心4 min,分離上清液和沉淀物,將沉淀物轉移至PFA 溶樣杯中,加入200 μL 7 mol·L-1HNO3,在恒溫電熱板上加熱5～6 h 使其溶解。 選用聚丙乙烯柱作為淋洗柱,填充物為AG50-X8 樹脂(Bio-Rad 公司,USA)。 首先對樹脂進行淋洗：依次加入1 mL 8% HF 淋洗1 次,1.5 mL 超純水淋洗3 次,1.5 mL 6～7 mol·L-1HCl 淋洗3 次,1.5 mL 超純水淋洗3 次,重復HCl-H2O 淋洗過程3 次。 將上述已消解完全的樣品溶液轉移至淋洗柱中,加入超純水,液體收集至15 mL離心管中,用超純水進行稀釋使溶液中SiO2的含量約為2 ppm[21-22]。

1.3.3 植物硅同位素組成測定 將上述提取的水稻SiO2硅同位素組成采用Neptune Plus 多接受等離子體質譜儀(Thermo Fisher,Germany)進行檢測,檢測結果用δ30Si(‰)相對于石英砂標準物質NBS-28 表示。

式中,R待測樣品：待測樣品中重硅同位素與輕硅同位素之間的豐度比,即30Si/28Si；R標準樣品：標準樣品中重硅同位素與輕硅同位素之間的豐度比,標準樣品采用美國國家標準局石英砂硅同位素標準物質NBS-28。 當δ30Si 值為正,說明樣品中的重硅同位素含量高于標準物質；當δ30Si 值為負,說明樣品中重硅同位素含量低于標準物質。 對于同一體系2 種物質A、B 而言,若δA30Si 值在數值上大于δB30Si 值,表明物質A 相對于物質B 重。本試驗中測試所得δ30Si 精度優于±0.01%(2σ)。

樣品中的硅同位素組成測定在北京科薈測試技術有限公司進行。

1.4 數據分析

采用SPSS 20.0 軟件進行數據統計分析,差異顯著性檢驗采用Duncan 新復極差法(P＜0.05)；相關性分析采用Pearson 相關分析；采用Orgin 8.0 軟件進行作圖。

2 結果與分析

2.1 不同類型土壤水稻硅積累

由表2可知,紅壤、黑土、褐土上種植的水稻體內各器官硅含量的變化范圍分別為0.18% ～7.61%、0.12%～12.81%、0.13%～19.06%,變化幅度表現為褐土＞黑土＞紅壤,3 種土壤均以稻殼硅含量為最高,葉片次之,其中褐土種植的水稻的硅含量明顯高于黑土和紅壤。 3 種土壤上種植的水稻硅分配比例均以葉片最高,葉片硅分配比例超過整株的50%,其中褐土種植的水稻葉片的硅分配比例明顯高于黑土和紅壤。

表2 水稻不同器官干重，硅含量、累積量和分配比例Table2 Dry weight， Si concentration， Si accumulation， Si distribution in different organs of rice

2.2 不同土壤類型水稻硅同位素組成

由表3可知,紅壤、黑土、褐土種植的水稻地上部各器官中,δ30Si 值從基部器官到頂部器官呈現出明顯增加的趨勢,糙米最高,莖部最低。 紅壤、黑土和褐土上種植的水稻的各器官之間δ30Si 值的變化幅度不同,變化范圍分別為-2.04‰～0.31‰、-2.21‰～0.96‰、-1.94‰ ～2.14‰,其中褐土最大,變化幅度為4.08‰；黑土次之,變化幅度為3.17‰；紅壤最小,變化幅度僅為2.35‰,表明水稻體內硅同位素分餾潛力依次為褐土＞黑土＞紅壤。 3 種土壤種植的水稻整株δ30Si 值存在顯著差異,依次表現為褐土＞黑土＞紅壤。

表3 不同類型土壤水稻不同器官δ30Si 值Table3 The δ30Si value of different organs of rice under different types of soil /‰

2.3 不同類型土壤水稻硅同位素分餾系數

由圖1可知,紅壤、黑土、褐土種植的水稻體內硅同位素分餾系數αPre-Dsi分別為0.998 8、0.997 8、0.997 5,表明3 種土壤類型中,褐土種植的水稻硅同位素分餾程度最大,黑土次之,紅壤最小。

圖1 SiO2 在水稻各器官沉淀時Si 同位素分餾曲線Fig.1 A plot displaying the Si isotope fractionation among Si precipitated of different rice organs

2.4 土壤有效硅、水稻硅同位素特征值與土壤理化性質之間的相關性分析

由表4可知,水稻葉片δ30Si 值和整株δ30Si 值與土壤pH 值、有機質及有效硅含量均呈極顯著正相關,與土壤游離氧化鐵、游離氧化鋁含量均呈極顯著負相關。 水稻整株δ30Si 值與土壤全氮含量呈顯著正相關；而水稻葉片δ30Si 值與土壤全氮呈極顯著正相關,與速效鉀含量呈顯著正相關。 土壤有效硅含量與土壤pH值、有機質、全氮及速效鉀含量呈極顯著正相關,與堿解氮含量呈顯著正相關,與土壤游離氧化鐵、游離氧化鋁含量呈極顯著負相關。

3 討論

3.1 不同土壤類型對水稻硅同位素分餾的影響

研究發現植物從土壤中吸收硅元素時,硅在植物體內以植硅體的形式存在；而當植物凋亡后,會以枯枝落葉的形式返還到土壤中,其中92.5%的植硅體可以再次被植物吸收利用[23],且植硅體的溶解速率大于土壤中其他硅酸鹽礦物,是土壤中土壤有效硅的主要來源[24-25],這與本研究結果相同。 本研究中,整株水稻的δ30Si 值與土壤有效硅之間存在極顯著正相關關系,證實了植硅體可能是植物吸收硅的主要來源。

表4 土壤有效硅、水稻δ30Si 值與土壤理化性質的相關性Table4 Correlations between available Si of soils， δ30Si values of rice and soil chemical properties

研究表明,水稻體內的硅同位素組成變化屬于類似瑞利(Rayleigh)分餾行為[3]。 瑞利分餾模型是指溶液中的H428SiO4優先聚合發生沉淀,沉淀硅的δ30Si 值低于溶液中剩余溶解硅的δ30Si 值,導致反應體系中沉淀硅和溶解硅的同位素組成均呈現指數形式升高的過程[26-27]。 沉淀硅與溶解硅之間的硅同位素分餾系數用αPre-Dsi表示,用來指示沉淀硅同位素比值(RPre)與溶解硅同位素比值(RDSi)之商。 |αPre-Dsi-1|值越大,說明沉淀硅同位素與溶解硅同位素之間的質量差異越大,硅同位素分餾程度越大。 依據上述理論,將本試驗中紅壤、黑土、褐土上種植的水稻體內各器官中δ30Si 值與水稻體內沉積硅所占比例進行作圖(圖1),結果表明,紅壤、黑土、褐土種植的水稻體內硅同位素分餾程度表現為褐土＞黑土＞紅壤,表明種植于褐土上的水稻體內硅同位素分餾效應最強,黑土次之,紅壤最弱。 本研究還發現水稻δ30Si 值(整株和葉片)、土壤有效硅含量與土壤有機質含量存在極顯著正相關關系,由此推測,褐土種植的水稻體內硅同位素分餾程度最大的原因可能與褐土有機質含量較高有關。 有機質含量越高,表明土壤中植硅體含量可能越高,導致水稻體內硅含量越高,水稻體內硅同位素分餾效應越強。 研究發現成熟期水稻體內硅同位素分餾程度大于開花期,推測可能是由于成熟期水稻個體更大[28]。 然而,比較竹子和水稻體內硅同位素分餾系數αPre-Dsi時發現,竹子的個體雖然遠大于水稻,但其體內的硅同位素分餾程度卻與成熟期水稻接近,表明植物體內硅同位素分餾效應強弱可能不僅與植株個體大小有關[6,28]。 本研究結果表明,種植于3 種土壤上的水稻干重依次為黑土＞紅壤＞褐土,硅同位素分餾程度依次表現為褐土＞黑土＞紅壤。 由此推測,造成該現象的可能原因是一方面種植于黑土上的水稻干重大于紅壤,表明相對紅壤,種植于黑土上的水稻植株個體更大,硅同位素分餾效應更強；另一方面褐土有效硅含量高于黑土,且中性土可能比酸性土具有更強的供硅能力[29],導致種植于褐土上的水稻體內硅含量高于黑土,進而導致種植于褐土上的水稻體內硅同位素分餾效應強于黑土。 本研究結果表明,紅壤種植的水稻體內硅同位素的分餾程度最小,可能是由于紅壤采自南方,土壤風化程度較高,一方面土壤有機質含量較低[30-31],使得土壤中植硅體的含量可能較少；另一方面脫硅富鐵鋁化作用強烈,降低了土壤溶液中硅含量,導致土壤有效硅含量低,不利于硅同位素在水稻體內的分餾。

3.2 不同土壤類型對水稻硅同位素組成的影響

土壤有效硅是指土壤中可供當季作物吸收利用的硅,通常作為土壤供硅能力的重要指標[32]。 葉片是水稻主要的硅累積器官。 本研究中,葉片SiO2累積量超過水稻整株的50%,故將土壤有效硅、水稻δ30Si 值(整株和葉片)與土壤理化性質進行相關性分析,以研究不同類型土壤對水稻硅同位素特征值的影響。 本研究發現土壤有效硅、水稻δ30Si 值(整株和葉片)與土壤pH 值呈極顯著正相關,可能是由于在酸性、中性和微堿性環境下,土壤有效硅含量與pH 值呈正相關[33],且中性水田土壤的供硅能力強于酸性土[30]。本研究結果表明,水稻δ30Si 值(整株和葉片)與土壤有機質含量呈極顯著正相關關系,這可能是由于土壤有機質含量越高,土壤中植硅體含量越高[6]。 本研究中,在采集野外土壤前,黑土和褐土中種植的作物均為玉米,一方面,玉米從土壤溶液中吸收硅時會優先選擇輕硅同位素,使土壤溶液相對富集重硅同位素[10]；另一方面,在我國玉米生產中,玉米被收獲后,秸稈大多數會被移走,直接還田的比例較少。 據報道,2010年我國玉米秸稈產量約22 156 萬t,而直接還田的比例僅占玉米秸稈資源總量的17.6%[34],使得土壤中被玉米吸收所消耗掉的輕硅同位素無法完全得到補充,導致土壤溶液中的δ30Si 值進一步升高,而土壤溶液中的硅又是植物吸收硅的主要來源,因此導致植株δ30Si 值升高[35]。 此外,本研究還發現,黑土中游離氧化鐵和游離氧化鋁的含量均低于褐土,黑土栽培的水稻δ30Si值(整株和葉片)亦低于褐土,原因可能是在一定范圍內,土壤風化程度越高,土壤中鐵、鋁氧化物的含量越高,吸附土壤中的有效硅含量就越多[16],且會優先吸附輕硅同位素,導致土壤溶液相對富集重硅同位素[13],最終導致水稻體內δ30Si 值的升高。 但也有研究表明,土壤溶液中的硅酸可以從鐵、鋁氧化物表面被解吸后得到補充。 Ding 等[36-37]研究發現黃河水和長江水硅同位素組成存在差異的原因之一可能是長江流域紅壤中鐵氧化物對硅酸的吸附—解吸作用更強烈。本研究中,土壤有效硅含量、水稻δ30Si 值(葉片和整株)與土壤游離氧化鐵、游離氧化鋁含量均存在顯著負相關,推測原因主要有：一是,紅壤風化程度高,脫硅富鐵鋁化作用強,導致大量硅損失,土壤有效硅含量較低；二是,紅壤排水性能較差,含水量較高,土壤溶液中的鐵、鋁氧化物對硅酸的吸附—解吸作用強烈；三是,紅壤此前從未種植過任何作物,有機質含量相對較低,但紅壤游離氧化鐵、氧化鋁含量一般較高。 然而,關于土壤中游離鐵、鋁氧化物對硅的吸附—解吸過程具體機理仍缺乏明確的認識,且本研究僅選取了3 種土壤,土壤類型偏少,今后還需選取更多類型的土壤進行深入研究。

4 結論

本研究結果表明,紅壤、黑土和褐土栽培的水稻體內硅同位素分餾潛力和分餾程度均表現為褐土＞黑土＞紅壤,水稻硅同位素信號主要受土壤pH 值、有機質、有效硅、游離氧化鐵和游離氧化鋁含量的影響。 本研究初步探明了水稻體內硅同位素組成及分餾與紅壤、黑土及褐土之間的關系,為進一步研究植物體內硅同位素信號與土壤環境之間的關系奠定了良好基礎。 今后可集中于土壤類型和植物類型選擇的多樣化、植物與土壤之間的硅同位素分餾機理等方面深入研究,進一步尋找植物與不同生長環境之間硅同位素分餾的定量關系,構建植物-土壤硅同位素分餾模型,為研究區域性和全球性的硅生物地球化學循環提供試驗證據。