稻田土壤长时间处于淹水的缺氧环境中，铁的氧化物极易被还原为二价铁离子。而水稻根际的二价铁离子会被由通气组织传达到植物根系的氧气和其他氧化性物质所氧化，形成铁氧化物/氢氧化物等物质，以膜胶状包裹在根表，形成红褐色的根表铁膜^[1]。研究表明，水稻根表铁膜是一种两性胶体，它可以作为营养元素的富集库^[2]，当介质中养分缺乏时，将其活化利用；同时，由于植物根表铁膜能够在水稻根际通过吸附和沉淀等方式阻止重金属元素被水稻根系吸收转运^[3]，因此有很多专家认为它具有潜在的降低重金属污染的功能^[4-5]。

水稻是典型的喜硅作物，施硅能够促进水稻生长，促进根系发育，提高根系氧化能力^[6]；同时也能减少水稻对铁、铝、锰等重金属的吸收^[7]。磷、硅在化学性质和结构上具有相似性，施硅能够提高磷的生物有效性并促进水稻对磷的吸收^[8-11]。磷素作为水稻体内重要的元素，参与了水稻体内诸多的生理生化反应；但由于磷易被土壤吸附和固定，磷肥的当季利用率只有10%~25%^[12-13]，使得农业成本提高并带来许多环境污染问题^[14]。因此，水稻对磷的吸收转运和提高磷肥的利用率一直是植物营养学研究的热点。

目前，施硅对水稻的影响大多集中于水稻生长发育和产量方面^[15-16]，同时在重金属如砷、镉吸收方面也有研究^[17-20]。而在铁膜形成条件下，施硅对水稻生长及水稻磷吸收转运方面的研究还比较少。本文选取江苏常见水稻品种，分析铁膜存在条件下，施硅对水稻生长、铁膜变化和磷素吸收转运的影响，并分析了铁膜与水稻磷含量的关系，可为合理施肥、提高磷素利用率提供重要的科学依据。

1 材料与方法 1.1 试验材料

供试水稻品种为镇稻16号。试验中铁以氯化亚铁（FeCl₂）、硅以硅酸钠（Na₂SiO₃）的形式加入。营养液采用1/2强度的Kimura配方^[21]，由（NH₄）₂SO₄、MgSO₄· 7H₂O、KNO₃、KH₂PO₄、Ca（NO₃）₂、Fe - EDTA、MnCl₂ · 4H₂O、H₃BO₃、（NH₄）₆Mo₇O₂₄·4H₂O、ZnSO₄·7H₂O和CuSO₄· 5H₂O配制而成。其中，磷的浓度为12.25 mg·L^-1。

1.2 试验设计

挑选个大、饱满的水稻种子若干粒，用30%的双氧水浸泡15 min，然后用蒸馏水洗净，放至培养箱中进行育苗。待幼苗长至3叶1心时，选取长势、大小一致的水稻秧苗，移栽到塑料盆中，每盆4株，用1/2强度的Kimura营养液培养30 d后，把水稻秧苗移至蒸馏水中浸泡12 h，备用。

试验设4个铁浓度：0、0.5、1、2 mmol·L^-1（分别记作为Fe0、Fe0.5、Fe1、Fe2），3个硅浓度：0、1、4 mmol· L^-1（分别记作为Si0、Si1、Si4），每个处理均重复3次，共36盆。首先将Kimura营养液浸泡后长势一致的水稻秧苗分别移栽到含有4个铁浓度的营养液中，营养液用0.1 mol·L^-1 HCl和NaOH调节pH为5.5。3 d后，把水稻秧苗放入蒸馏水并培养12 h，然后分别置于不同硅浓度的营养液中，用0.1 mol·L^-1 HCl和NaOH调节营养液中的pH为5.5。3 d后，进行收获。

1.3 样品的采集与分析

在水稻收获时采用叶绿素仪（SPAD-502）测定水稻叶片叶绿素相对含量SPAD值，然后测定水稻株高、根长。

水稻分地上部（茎叶）和地下部（根）进行收获，先后用自来水和蒸馏水清洗。洗后一部分鲜根用于浸提根表铁膜，测定根表铁膜中铁、磷和硅含量；一部分放在纸信封中，并置于70 ℃的烘箱中烘48 h至恒质量，烘干后测定根干质量和地上部干质量。

地上部和地下部水稻样品用H₂SO₄-H₂O₂消解，采用钼蓝比色法测定消煮液中的磷含量。根表铁膜采用Dithionite-citrate-bicarbonate（DCB）浸提^[22-23]，用钼蓝比色法测定浸提液中的磷、硅含量，用原子吸收法测定浸提液中的铁含量。

1.4 数据分析

根冠比=根干质量/地上部干质量。

试验所得数据均采用Microsoft Excel 2013进行处理和图表绘制。采用SPSS 20.0软件对数据进行单因素方差分析（One-way ANOVA），采用最小显著差异法（LSD）比较不同处理间的差异性（P < 0.05）。

2 结果与分析 2.1 硅铁施用对水稻生长的影响

由表 1可知，与不施铁的处理相比，施用铁降低了水稻的SPAD、株高、根长和地上部干质量，在2 mmol · L^-1 Fe浓度处理下，达到显著降低水平（P < 0.05）。而施用铁对根干质量无显著影响。在中低浓度的铁处理下，施硅虽然在一定程度上增加了水稻株高、根长和地上部干质量，但与对照相比未达到显著水平。根冠比是植物地下部分与地上部分的鲜质量或干质量的比值，它能够反映植物地下部分与地上部分的相关性。由图 1可知，施用铁增加了水稻的根冠比，其中0.5 mmol·L^-1 Fe处理根冠比最大，但施硅却减少了水稻的根冠比，随着硅浓度的增加，水稻的根冠比呈下降趋势。

2.2 硅铁施用对水稻根表铁膜中铁、硅、磷含量的影响

图 2是硅铁施用后，水稻根表铁膜中的铁、硅和磷含量的变化。通常情况下，根表铁膜的量是以单位干质量根系表面铁膜中的铁含量来衡量的^[24]。由图 2A可知，施用铁显著增加了水稻根表铁膜的量（P < 0.05）。对于相同的铁处理，施用硅降低了根表铁膜的量。对于0.5 mmol·L^-1的铁处理，达到了显著降低的水平（P < 0.05）。

施用铁增加了水稻根表铁膜吸持固定的硅含量，在较低浓度铁处理下，根表铁膜吸持固定的硅含量无显著差异，而在2 mmol·L^-1铁处理下，施用硅显著增加了根表铁膜吸持固定的硅含量（P < 0.05，图 2B）。

施用铁显著增加了水稻根表铁膜吸持固定的磷含量，其中0.5 mmol·L^-1的铁处理增幅大，与不施铁处理相比增加224.13%。施用硅对根表铁膜中磷含量的影响因施用铁浓度不同而具有一定差异。在0.5 mmol·L^-1和1 mmol·L^-1铁预处理下，施用硅降低了根表铁膜中的磷含量，而在2 mmol·L^-1铁预处理下，施用硅增加了铁膜中的磷含量（图 2C）

2.3 硅铁施用对水稻各部位磷含量的影响

图 3是硅铁施用下水稻各部位磷含量的变化。由图 3A可知，施用铁显著降低了水稻地上部的磷含量（P < 0.05）。与对照相比，2 mmol·L^-1的铁处理使地上部磷含量显著降低20%。而不同铁处理之间无显著差异。施用硅对水稻地上部磷含量无显著影响。由图 3B可知，施用铁增加了水稻根部的磷含量，施用硅对根部的磷含量无显著影响（P>0.05）。

2.4 水稻磷含量与根表铁膜磷含量的关系

由图 4A可知，铁膜铁与铁膜磷两者之间可用多项式拟合，其R2在施硅的情况下接近1（P < 0.01），表明两者之间拟合度极好。随铁膜厚度的增加，铁膜磷含量表现出先增加后减少的趋势，最高约为1.85 g·kg^-1。施硅降低了铁膜磷的含量，说明硅处理能够降低铁膜对磷的固持，1 mmol·L^-1的硅处理较4 mmol·L^-1的硅处理降幅大。由图 4B、图 4C可知，随着铁膜磷含量的增加，根部磷含量增加，而地上部磷含量减少。施硅在一定程度上减少了地上部和根部的磷含量。

3 讨论

水稻吸收土壤或溶液中的二价铁离子过多时，会产生铁毒害，表现为植株生长受到强烈抑制、叶片出现黄褐色斑点、产量大幅减少，甚至会出现绝收现象^[25]，而且水稻在受到不同浓度铁胁迫时表现不同。蔡妙珍等^[26]研究发现，低浓度铁胁迫能够提高酶活性，是水稻抵御二价铁毒害的一种机制，但较高浓度铁胁迫明显抑制水稻地上部和根系的生长，降低叶片叶绿素含量和酶活性。本研究中，低浓度铁处理没有显著影响水稻SPAD、株高、根长和根干质量，而在高浓度铁处理下，这些指标显著降低（P < 0.05），表明较高浓度的铁处理对水稻生长产生了毒害作用。

铁处理后，再施用硅肥是否会缓解铁对水稻造成的负影响呢？本研究发现，在中低浓度的铁处理下，施用硅肥虽然没有显著影响水稻的生长，但在一定程度上增加了水稻SPAD、株高、根长及根干质量。有研究表明，施硅能够提高根系氧化力、促进地上部分的生长并降低水稻根冠比^[27]，还能缓解铁对水稻根系的毒害^[28-30]。高浓度铁锰胁迫下施硅对水稻生理特性、生长发育和产量有明显正效应，高浓度铁锰和低浓度硅组合下水稻根系活力、SOD（超氧化物歧化酶）、CAT（过氧化氢酶）活性最差，MDA（丙二醛）的含量最高，而低浓度铁锰和高浓度硅处理下水稻相应的生理指标均较高^[31]。Fu等^[30]研究发现，0.1 mmol·L^-1的铁诱导产生铁膜并且对水稻根表产生毒害；加入1 mmol·L^-1的硅能够明显减轻铁对根部的毒害作用，其原理在于硅与三价铁结合使根细胞壁加厚，因此减少了铁在根表的量。本研究中施硅没有显著影响水稻生长，一方面可能是由于水稻尚处于幼苗期，对硅的吸收能力弱，加之水培时间较短等。另一方面，可能由于本研究是在铁预处理下根表铁膜形成后施入硅肥，根表铁膜对硅元素吸收起到屏蔽作用，减弱了硅对水稻生长的改善作用。张国良等^[32]研究也证实，不同生育期水稻对硅吸收能力不同，施硅对分蘖初期的干物质积累影响不大。

施铁能够使水稻根表铁膜中铁含量明显增加、铁膜增厚。随着铁膜厚度的增加，铁膜磷含量大量增加，表明根表铁膜对磷的固持作用随着铁膜厚度增加而增强，但铁膜过厚对磷的吸附会有所减少；同时，根部磷含量随着铁膜磷的增加而增加，但地上部磷含量却随着铁膜磷的增加而减少。表明在本研究的施铁浓度下，铁膜对水稻磷的吸收转运情况表现为铁膜越厚、吸附固定的磷越多，使得转移到地上部的磷含量明显减少，表现出水稻地上部磷含量的减少。根表铁膜中的磷通常是在根表铁膜形成过程中，二价铁被氧化成三价铁后，形成难溶性磷酸铁沉积在铁膜中^[24]。有研究表明，根表铁膜的数量与铁膜富集的磷呈显著正相关^[33-34]。在铁膜对磷吸收影响方面，有观点认为铁膜吸附固定了磷，从而抑制了植物对其吸收；也有观点认为铁膜存在动态平衡，不阻碍植物对磷的吸收^[35]。张西科等^[36]研究发现，水稻根表铁膜在一定程度上就是磷的富集库，对水稻磷的吸收起促进作用，但铁膜太薄或者较厚会降低对磷的吸收，只有铁膜厚度适中时水稻吸收的磷元素才能达到最大值。吕世华等^[37]研究也得出当根表铁膜的量超过10 g·kg^-1时，铁膜对水稻磷的吸收反而会起到抑制作用。曾祥忠等^[38]研究发现根表铁膜对水稻磷元素的吸收起抑制作用。本研究结果也表明根表铁膜抑制了水稻地上部磷的吸收。

有研究表明，在土培条件下施硅使得水稻根表铁膜的数量明显降低，这可能是因为施硅改变了水稻根际的氧化能力^[13]。Fu等^[30]在水培条件下用显微镜观察到施硅减少了表皮细胞和根毛表面的红色铁斑沉淀，同时诱导了根细胞壁变厚，认为施硅是通过减少根表铁膜的量和增强铁从地下部到地上部的转运来缓解亚铁在水稻根部的毒害作用。本研究也得出类似的结果，即施硅显著减少了根表铁膜的量。在本研究中，施硅虽然在一定程度上降低了水稻磷的含量，但并未达显著水平。有研究表明，施硅会显著降低地上部磷含量^[10]，并且在高磷情况下，硅对磷元素的抑制更加明显，减少了水稻对磷的吸收和转运^[39]。水稻施硅后，吸收的硅大部分快速转运到地上部，而大部分磷仍然留在根中^[40]。施硅使得地上部磷含量减少的原因可能是施硅减少了根冠比，使得地上部质量增加，磷含量相对减少。本试验是水培试验，而在土培试验中，施硅对水稻磷吸收的影响将更为复杂。有研究表明，正是因为硅和磷的化学性质相似，施硅不但减少了土壤对磷的吸附总量，还降低了土壤对磷的结合力，使得磷更容易被解吸，从而增加了土壤磷的有效性^{[8, 41]}，所以，在土培的情况下，当施硅对根表铁膜的降低作用小于施硅对土壤磷有效性的提升作用时，也会使得水稻对磷的吸收增加^[13]。总的来说，施硅对水稻磷吸收的影响可以部分反映在对根表铁膜的影响上，施硅可以使根表铁膜厚度降低到适宜的程度，使得铁膜表面的磷解吸及跨越铁膜过程加快，从而进入根系，再从根系转移到地上部。因此施硅的浓度是影响这一过程的关键，施硅的量影响根表铁膜厚度，从而决定对磷的转运是促进或者抑制。

4 结论

（1）施铁浓度较低时对水稻影响较小，但施铁浓度高至2 mmol·L^-1时显著降低水稻的SPAD、株高、根长和地上部干质量；施硅能够缓解铁毒害现象，使水稻株高、根长和地上部干质量有所增加。

（2）施铁处理会明显诱导根表铁膜的出现，但铁膜厚度并不与施铁浓度成正比；铁处理显著增加了根表铁膜中的磷含量，并且铁膜中磷含量与铁膜厚度成正比。

（3）施硅显著减少了0.5 mmol·L^-1和1 mmol·L^-1铁预处理的水稻根表铁膜的厚度。铁预处理对水稻根部的磷含量无显著影响，但显著降低了地上部磷的含量；施硅对水稻根和地上部的磷含量无显著影响。