硅肥與硒肥施用對水稻吸收積累Cd的影響規(guī)律研究

許 珂，鐵柏清，陳 喆，楊 洋，袁 嘯，劉妍妍，雷 鳴

（湖南農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院，湖南 長沙 410128）

目前，我國受鎘Cd、砷As、鉻Cr、鉛Pb 等重金屬污染的耕地面積近2 000 萬hm2，約占總耕地面積的1/5，其中約有1.3 萬hm2耕地受到Cd 的污染[1]。Cd 作為植物生長的非必需元素，在較低濃度下便能經(jīng)由土壤到達植物根部進而遷移至植物地上部[2]。土壤重金屬Cd，尤其是冶煉廠周邊土壤Cd 的污染防治是土壤環(huán)境保護工作的重中之重[3]。我國是世界上最大的稻谷生產(chǎn)國，年均生產(chǎn)稻谷1.87 億t，約占世界稻谷產(chǎn)量的35%。但是，近年來我國水稻田土壤和稻米重金屬污染問題日益嚴重[4]。Cd 污染問題成為威脅土壤生態(tài)安全和制約農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。Cd 易為植物所吸收，不僅對植物的生長和發(fā)育有不良影響，而且會通過食物鏈傳遞，對人類健康構(gòu)成威脅[5-7]。

趙穎等[8]研究發(fā)現(xiàn)，在一定污染范圍內(nèi)，施硅能夠緩解Cd 對水稻的毒害作用，提高Cd 污染條件下水稻的生物量和籽粒產(chǎn)量；蔡德龍等[9]研究發(fā)現(xiàn)，向Cd 污染土壤施用熔渣硅肥能夠抑制水稻對Cd吸收，降低稻米中Cd 的含量。目前，許多研究主要針對向土壤中添加外源Cd，而本試驗的供試土壤直接從污染礦區(qū)采集，通過設計盆栽試驗，對已受污染的冶煉區(qū)土壤施加硅肥和硒肥，種植湖南地區(qū)常見品種早晚稻，分析其不同生長期各器官內(nèi)Cd含量，對頗受公眾關(guān)注的稻米Cd 污染問題作出科學分析，探索硅肥和硒肥作改良劑施用對水稻吸收積累Cd 影響的規(guī)律，以期為降低稻米Cd 污染提供有效的理論依據(jù)與技術(shù)方法。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試作物為水稻，早稻品種為金優(yōu)974（雜交稻）和湘早143（常規(guī)稻），移栽自湖南農(nóng)業(yè)大學長安基地；晚稻品種為金優(yōu)297（雜交稻）和沁香2 號（常規(guī)稻），移栽自湖南農(nóng)業(yè)大學永安基地。

供試土壤采自株洲霞灣冶煉廠周邊荒廢的、受重金屬污染的農(nóng)田，土壤類型為紅壤，田間無水。土壤樣品采自耕作層0～20 cm，梅花點法采集，每個混合樣均由5 個以上分點樣品組成。采回土樣后，將土塊壓碎，除去殘根、雜物，鋪成薄層，經(jīng)常翻動。在陰涼、潔凈、無污染處自然風干，將風干后土樣裝填在試驗盆中。土壤中Cd 含量為202.342 mg/kg，土壤pH 值范圍為6.50～6.83。

供試肥料：硅肥為富力邦牌粉狀硅鉀鈣肥（山西富邦肥業(yè)有限公司生產(chǎn)，有效硅SiO2≥30%，氧化鈣CaO≥30%，有效鉀K2O≥4%，有效鎂MgO≥3%），正常施入量為30 kg/667m2；硒肥為隆農(nóng)牌富硒康（長沙隆農(nóng)農(nóng)業(yè)科技開發(fā)有限公司生產(chǎn)，有效成分：硒元素、活化劑、硼、鋅、微量元素等，其中亞硒酸鈉含量在18%～22%之間，硼、鋅≥10%），正常施入量為100 g/667m2。

1.2 試驗設計與方法

采用盆栽試驗，盆栽容器為聚乙烯材質(zhì)，上口徑80 cm，桶高50 cm，每盆裝土85 kg，統(tǒng)一將土填壓至桶高約24 cm 處，保持土面平整，將盆中灌水淹沒土壤，土壤淹水一周，使其更趨近于水稻土，用于種植水稻。根據(jù)氮磷鉀肥的正常施肥量和盆表面積進行換算，每盆施過磷酸鈣13 g，尿素13 g，硫酸鉀4 g。根據(jù)硅肥和硒肥正常施入量換算，每盆施硅肥22.6 g，施硒肥0.08 g。施肥時將肥料均勻撒施，與土壤充分混勻，施后覆土、澆水。早稻收割后晚稻移栽前再次施用氮磷鉀肥和硅肥硒肥，施用方法和施用量均與早稻相同。

早稻（金優(yōu)974、湘早143）于2011年5月8日移栽，7月20日收獲；晚稻（金優(yōu)297、沁香2 號）于2011年7月22日移栽，10月17日收獲。每盆種植水稻20 穴，分5 行定植，每穴2 株，大約株距8～10 cm 間隔，此密度與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的種植密度相當。早稻和晚稻都設計單施硅肥（B1）、單施硒肥（B2）和不施硅肥硒肥（B3，即對照組）3 個處理，每個處理重復3 次。全生育期定時定量澆水，土面保持3～5 cm 水層，按常規(guī)方式管理。

種植過程中按照水稻秧苗期、分蘗期、抽穗期和成熟期采集植物和土壤樣品。水稻在供試盆中直接采樣，苗期因水稻個體較小，生物量少，挖取4 穴（即8 株）左右，分蘗期和抽穗期都挖取2 穴（即4株），成熟期將供試盆中所剩水稻全部挖出。測定根、莖、葉（成熟期還包括糙米）中的Cd 含量。

1.3 分析測定項目和方法

水稻植株樣品采集后，分成根、莖、葉片部分，經(jīng)洗凈、烘干、粉碎后放入自封袋保存，水稻籽粒采集后洗凈曬干，脫殼后粉碎保存，采用濕法消解（HNO3∶HClO4=4∶1），原子火焰法測定Cd 含量；土壤pH 值按水土比1∶2.5，酸度計測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Microsoft Excel 處理試驗數(shù)據(jù)，SPSS 統(tǒng)計軟件進行試驗數(shù)據(jù)的方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 施用硅肥和硒肥對早晚稻不同生育期各部位Cd 含量的影響

從表1 可知，兩品種早稻中Cd 含量表現(xiàn)出根系＞莖稈＞葉片部分的規(guī)律。相關(guān)研究也表明，水稻不同器官對重金屬元素的吸收蓄積能力存在很大差異，其中以根富集重金屬元素的能力最強，Cd在水稻植株各器官中的濃度大小順序為根＞莖＞葉＞穗[10]。

表1 早稻金優(yōu)974 和湘早143 不同生育期各部位Cd 含量 （mg/kg）

與對照組相比，施用硅肥和硒肥的兩早稻品 種，全生育期中各部位的Cd 含量皆顯著降低。這說明施硅肥和硒肥對水稻Cd 的吸收具有抑制作用。而從整體Cd 含量趨勢也可以看出，施加了硅肥的早稻各部位Cd 含量略低于施加硒肥組，初步顯現(xiàn)出硅肥抑制Cd 吸收作用強于硒肥的規(guī)律。

與早稻結(jié)果類似（表2），試驗組晚稻在全生育期中各部位Cd 含量都低于對照組，這也再次說明了硅肥和硒肥的施用對水稻吸收積累Cd 起到了抑制作用。同時，硅肥的抑制效應仍明顯高于硒肥。與早稻相比，金優(yōu)297 根系Cd 含量明顯增加，這可能主要是品種原因。

表2 晚稻金優(yōu)297 和沁香2 號不同生育期各部位Cd 含量 （mg/kg）

2.2 施用硅肥和硒肥對水稻生物轉(zhuǎn)運系數(shù)的影響

轉(zhuǎn)運系數(shù)是指地上部某元素質(zhì)量分數(shù)與地下部某元素質(zhì)量分數(shù)之比，用來評價植物將重金屬從地下部向地上部的運輸和富集能力[11]。圖1 為早晚稻各試驗組不同生育期的轉(zhuǎn)運系數(shù)變化，由圖可知對照組和處理組的轉(zhuǎn)運系數(shù)均小于1，說明水稻對Cd 的吸收主要集中在根系，并且根系向地上部的轉(zhuǎn)運系數(shù)總體上隨著水稻的生長而增加。從轉(zhuǎn)運系數(shù)還可以看出，施用硅肥和硒肥減少了根系吸收積累的Cd 向莖葉部分遷移和轉(zhuǎn)運，特別是施用硅肥效果顯著。這說明，施硅肥不但可以顯著抑制水稻根系吸收土壤中的Cd，同時還可以強烈抑制根系吸收積累的Cd 向地上部轉(zhuǎn)移。

圖1 水稻不同生長時期各部分轉(zhuǎn)運系數(shù)變化圖

就不同水稻品種而言，轉(zhuǎn)運系數(shù)之間的差異不顯著。

2.3 施用硅肥和硒肥對稻米中Cd 含量的影響

對于成熟期早稻和晚稻糙米中Cd 含量進行方差分析，結(jié)果表明不論是早稻品種間、施肥處理間，還是品種和施肥組合間都存在顯著差異。

表3 表明，施用硅肥和硒肥后，早稻和晚稻糙米中Cd 含量都降低，施硅肥效果要好于施硒肥。在早稻試驗中，在施加硅肥后，金優(yōu)974 糙米中的Cd含量明顯降低，僅為0.114 mg/kg，低于0.2 mg/kg 的國家糧食衛(wèi)生標準，達到了試驗預期；而湘早143的糙米Cd 含量為0.231 mg/kg，雖比對照處理極顯著降低，但仍高于0.2 mg/kg 的國家標準。施硒肥也有一定的降低糙米中Cd 含量的作用，其中對金優(yōu)974 糙米Cd 的含量降低也達到極顯著水平。試驗結(jié)果初步表明，硅肥和硒肥在降低水稻Cd 污染中起到了改良劑的作用。

表3 水稻品種與施肥對糙米中Cd 含量的影響

在晚稻試驗中，施硅肥極顯著的降低了金優(yōu)297 糙米Cd 含量，其糙米Cd 含量0.166 mg/kg，低于國家標準0.2 mg/kg。硅肥的施用對稻米Cd 污染控制起到改良作用。與硅肥相比，硒肥的處理效果欠佳，可能與施入量少有關(guān)，其施用量有待繼續(xù)研究。

3 小結(jié)與討論

本次試驗也對水稻不同生育期土壤樣品進行了采集，測定了土壤有效態(tài)Cd 和總Cd 含量，但表現(xiàn)的規(guī)律并不明顯，主要變化體現(xiàn)在抽穗期過程，尤其是施加硅肥后土壤有效態(tài)Cd 含量降低，說明硅本身也能降低土壤和植物Cd 的活性。同時，伴隨著水稻生長，施硅肥和施硒肥根系土壤的pH 值從6.5 增至7.8～8.2，對照組pH 值仍為6.5 左右。除了改變Cd 活性之外，pH 值的改變也是影響水稻吸收Cd 的原因之一[12]。

試驗所選兩個品種早稻、兩個品種晚稻與硅肥硒肥施用相結(jié)合的處理組合中，早稻金優(yōu)974 和晚稻金優(yōu)297 施加硅肥后糙米中Cd 含量低于國家標準，稻米中Cd 含量得到理想控制。這一方面說明硅肥可作為土壤改良劑，對稻米Cd 污染起到控制作用；另一方面由于金優(yōu)974 和金優(yōu)297 兩個品種水稻皆為雜交稻，也可初步推測在本試驗中，雜交稻表現(xiàn)更佳，但在實際生產(chǎn)中是否具有可行性仍須進一步試驗驗證。

早晚稻試驗均表明，水稻中Cd 含量吸收積累規(guī)律表現(xiàn)為根＞莖＞葉＞籽粒（或糙米），本試驗加入硅肥后，水稻根系和莖葉中的Cd 含量相比對照組減少，同時糙米中的Cd 含量也下降。施硅后抑制水稻吸收Cd 的原因可能是硅提高了水稻根系氧化能力，使其抗性提高，也可能是Cd2+活性在硅的存在下降低，從而抑制了Cd 向水稻植株體遷移。硅鉀鈣肥降低水稻吸收Cd 和糙米Cd 含量的作用機理可能主要是提高土壤的pH 值，降低Cd 的活動性，其次是硅-鎘拮抗、鈣-鎘拮抗問題。

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