葉面噴施硒硅復(fù)合溶膠抑制水稻砷積累效應(yīng)研究

徐向華，劉傳平 ，唐新蓮，雷靜，顧明華，李芳柏

1.廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院，廣西 南寧 530005；2.廣東省生態(tài)環(huán)境與土壤研究所 廣東省農(nóng)業(yè)環(huán)境綜合治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510650

砷是一種典型的有毒元素，被公認(rèn)為是最嚴(yán)重的污染物之一（Smedley和Kinniburgh，2002）。砷及其化合物已經(jīng)被世界衛(wèi)生組織（WHO）下屬的國(guó)際癌癥研究所（IARC）等權(quán)威機(jī)構(gòu)公認(rèn)為人類已確定的致癌物（孟紫強(qiáng)，2000）。土壤砷污染會(huì)影響農(nóng)作物正常生長(zhǎng)發(fā)育，影響農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，而且砷經(jīng)由食物鏈進(jìn)入人體，會(huì)威脅到人類的生存與健康。水稻(Oryza sativaL.)是一種易于吸收積累砷的農(nóng)作物，也是我國(guó)第一大糧食作物，全國(guó)60%以上的人口以稻米為主食（Liao等，2005）。因此，研究如何緩解水稻砷吸收，抑制砷通過食物鏈進(jìn)入人體有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

硅作為植物的有益元素，近年來在抑制植物砷吸收積累方面的作用受到了越來越多的關(guān)注。有研究表明，向營(yíng)養(yǎng)液和土壤中施加硅肥可以顯著抑制水稻幼苗對(duì)砷的吸收和向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)（Guo等，2005，2007；郭偉等，2006）；Bogdan和 Schenk（2008）研究也發(fā)現(xiàn)，隨著土壤溶液中硅濃度的上升，水稻莖稈和籽粒中砷濃度逐漸下降，這說明硅可以提高水稻對(duì)砷的抗性，抑制水稻對(duì)其的吸收積累。然而硅肥的溶解性差，易于被土壤膠體吸附固定，直接施用硅肥往往效率很低（高明等，2003），葉面施肥具有利用效率高、吸收快等特點(diǎn)（張瑞富等，2007），有研究表明，噴施硅溶膠對(duì)降低水稻 Cd含量的效應(yīng)優(yōu)于土施硅肥（黃崇玲等，2013）。此外還有研究顯示，向水稻葉面噴施氧化硅溶膠，可以提高水稻對(duì)重金屬的抗性，抑制Cd、Pb等重金屬向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)（Liu等，2009；王世華等，2007）。因此，研究葉面施硅對(duì)水稻砷吸收的影響，必將為砷污染稻田土壤治理提供新的途徑。

硒和砷同在第4周期，且分別位于第6和第5相鄰的 2個(gè)主族，兩者在生物體中可能存在一定的拮抗關(guān)系。有研究表明在適宜的濃度下，硒能抵抗鎘、鉛、汞等重金屬對(duì)植物的毒害，降低植物對(duì)重金屬元素的吸收積累（He等，2004；呂選忠等，2006；劉燕等，2010，2008；杜式華和于志杰，1987）。在水稻方面的研究也顯示，水稻噴施硒肥不僅能抗病、抗旱、抗寒、解霜凍、解藥害等，還能抑制水稻吸收重金屬，減輕鎘、鉻、鉛等重金屬毒害的作用，且植物莖葉及根系吸收重金屬的能力隨著施硒量的增大而下降（張現(xiàn)偉等，2009）。同時(shí)硒還是動(dòng)物和人體的必需微量元素，是谷胱甘肽過氧化物酶的組成成分，具有抗氧化作用。人體所需要的硒必須從飲食中獲取，國(guó)際硒學(xué)會(huì)推薦人體硒日攝入量為60～400 μg，我國(guó)營(yíng)養(yǎng)學(xué)會(huì)推薦日攝入量為50～200 μg。但是中國(guó)營(yíng)養(yǎng)學(xué)會(huì)調(diào)查表明，我國(guó)居民日平均硒攝入量?jī)H為26～32 μg；我國(guó)缺硒的省份多達(dá)22個(gè)，缺硒面積約占國(guó)土面積的 72%。通過增加水稻硒營(yíng)養(yǎng)提高水稻對(duì)重金屬的抗性，不僅可以降低水稻對(duì)重金屬的吸收積累，同時(shí)可以提高稻米硒富集水平。因此，富硒肥料的研發(fā)和施用受到了廣泛的關(guān)注。

由于硒具有特殊的生理功能，又可以提高農(nóng)作物對(duì)重金屬的抗性。因此，制備硒摻雜葉面硅肥，必然將提高硅肥產(chǎn)品抑制農(nóng)作物重金屬吸收性能，同時(shí)又可以生產(chǎn)出富硒農(nóng)產(chǎn)品；既滿足了富硒農(nóng)產(chǎn)品的生成需求，又可為我國(guó)農(nóng)田土壤重金屬治理提供新的出路。

1 材料與方法

1.1 溶膠的制備

量取200 mL水，加入1 g氫氧化鈉，在55 ℃水浴中攪拌均勻，再加入250 g Na2SiO3，充分溶解后冷卻至室溫；將上述溶液以 5 mL·min-1的速度，勻速通過100 mL（濕體積）氫型強(qiáng)酸性陽離子多級(jí)樹脂交換柱，控制柱出口收集液pH值在2～3之間，得到酸性硅溶膠前驅(qū)物，備用。分別稱取 0、0.5、2.5、5、10 g亞硒酸鈉，溶解在50 mL 0.01 mol·L-1的稀鹽酸中；在 55 ℃水浴中緩慢加入聚乙烯吡咯烷酮1 g左右；邊加邊攪拌，制得乳化硒摻雜液。將上述乳化硒摻雜液在 55 ℃水浴中，逐滴加到酸性硅溶膠前驅(qū)物中，邊加邊攪拌；再緩慢加入20 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 25%～28%的氨水，制得硒摻雜硅溶膠前體。在水浴 50 ℃條件下，將該硒摻雜硅溶膠前體液緩慢加入到50 mL 0.1 mol·L-1抗壞血酸（Vc）中，逐滴滴加，至溶膠淡紅色不再加深，硒充分還原后，繼續(xù)攪拌2 h以上，得到溶膠，所制備的溶膠經(jīng)過2次滲析，并蒸發(fā)濃縮至200 mL即得到均一穩(wěn)定且半透明的高純的硒摻雜納米硅溶膠，所制得的高純硒摻雜納米硅溶膠中二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%，硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%、0.1%、0.5%、1%和2%。

1.2 試驗(yàn)材料

盆栽試驗(yàn)土壤采自大田試驗(yàn)稻田表層。該試驗(yàn)田位于廣東省汕頭市澄海區(qū)鹽鴻鎮(zhèn)，土壤取水稻田表層耕作土（0～10 cm），風(fēng)干后過篩，稱10 kg土裝入桶內(nèi)，土壤基本理化性質(zhì)如下：pH 6.12，有機(jī)質(zhì) 2.73%，全氮 1.5 g·kg-1，全磷 1.02 g·kg-1，全鉀11.3 g·kg-1，CEC 8.75 cmol·kg-1，總砷 93.6 mg·kg-1，總硒 0.879 mg·kg-1。

試驗(yàn)供試植物為水稻，品種為優(yōu)優(yōu)128。

1.3 盆栽試驗(yàn)和處理

以 5%次氯酸鈉溶液對(duì)水稻種子表面消毒 15 min，用自來水沖洗后催芽、育苗，選均勻一致的幼苗進(jìn)行移栽。每盆2株，在分蘗期（60～70 d）時(shí)，按以下方案進(jìn)行處理：1）葉面噴施硒摻雜納米硅溶膠（含 SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 20%，含 Se質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%），用去離子水稀釋100倍后，進(jìn)行葉面噴施，噴到葉面出現(xiàn)水珠但是不滴下為止（該處理記為1%Se-Si）；2）葉面噴施硅溶膠（含SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%），用去離子水稀釋100倍后，進(jìn)行葉面噴施，噴到葉面出現(xiàn)水珠但是不滴下為止（該處理記為Si）；3）葉面噴施用市售亞硒酸鈉配制的溶液（含Se質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%），用去離子水稀釋 100倍后，進(jìn)行葉面噴施，噴到葉面出現(xiàn)水珠但是不滴下為止（該處理記為1%Se）；4）以噴施等量的去離子水為對(duì)照（記為 CK）。每個(gè)處理重復(fù)4次，水稻成熟后收獲。稱取每盆稻谷干質(zhì)量、分析稻米中砷和硒含量。

1.4 大田試驗(yàn)和處理

在水稻生長(zhǎng)到分蘗盛期（60 d左右），使用系列濃度梯度的硒摻雜納米硅溶膠，其硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%，硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 0.1%、0.5%、1%和 2%，1 hm2用量約15 L，兌水1500 L進(jìn)行葉面噴施；以噴施等量的清水為對(duì)照；分別記為 0.1%Se-Si、0.5%Se-Si、1%Se-Si、2%Se-Si、CK。每個(gè)處理為4個(gè)小區(qū)，隨機(jī)區(qū)組排列。田間管理：和普通水稻田間管理一樣。水稻成熟后收獲，分析每個(gè)小區(qū)稻米砷和硒含量。

1.5 分析測(cè)試方法

樣品的消煮參照魯如坤（2000）的方法，水稻籽粒粉碎后稱取0.5000 g至消煮管中、土壤稱取0.3000 g至消煮管中，加入5 mL HNO3-HClO4（V/V=87:13），經(jīng)130 ℃消煮，冷卻后轉(zhuǎn)移并定容到25 mL容量瓶中，砷、硒含量用AFS-820型雙道原子熒光光度計(jì)（北京吉大小天鵝儀器有限公司）測(cè)定。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 13.0軟件；結(jié)果表達(dá)方式均為平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 硒摻雜納米硅溶膠性能分析

圖1是硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的硒摻雜納米硅溶膠掃描電鏡照片，圖2是硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的硒摻雜納米硅溶膠的粒徑分布。由圖可以看出，該溶膠硒以納米顆粒分散于二氧化硅膠體中間，膠體顆粒均勻，粒徑小于50 nm，且顆粒主要分布在30～40 nm。

2.2 葉面噴施硒摻雜硅溶膠對(duì)砷污染盆栽水稻的影響

如圖3所示，葉面噴施硅溶膠或者1%質(zhì)量分?jǐn)?shù)硒摻雜納米硅溶膠后均可以顯著促進(jìn)水稻生長(zhǎng)，水稻籽粒干質(zhì)量分別比對(duì)照增加了20.2%和43.8%；與葉面噴施硅溶膠相比，葉面噴施 1%質(zhì)量分?jǐn)?shù)硒摻雜納米硅溶膠后對(duì)水稻生長(zhǎng)的促進(jìn)作用更顯著。而葉面噴施 1%質(zhì)量分?jǐn)?shù)亞硒酸鈉制備的水溶液后，對(duì)水稻生長(zhǎng)具有抑制效應(yīng)；水稻籽粒干質(zhì)量比對(duì)照下降了 13.1%，但是差異并不顯著（P>0.05）。用1%Se-Si處理后，水稻籽粒干質(zhì)量分別比1%Se處理增加了65.4%、比Si處理增加了19.6%。

葉面噴施硒摻雜納米硅溶膠不僅可以促進(jìn)水稻生長(zhǎng)，而且可以抑制稻米中砷的積累，增加稻米硒含量。與對(duì)照相比，葉面噴施質(zhì)量分?jǐn)?shù) 1%硒摻雜納米硅溶膠后稻米砷含量下降了46%；而噴施純硅溶膠后稻米砷含量下降了28%，噴施質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%亞硒酸鈉制備的水溶液后稻米砷含量下降了 19%；1%Se-Si處理對(duì)稻米（圖 4）硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)由對(duì)照的0.050 mg·kg-1增加到 0.272 mg·kg-1；達(dá)到了富硒大米標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 22499—2008）。而葉面噴施1%亞硒酸鈉制備的水溶液后稻米硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.180 mg·kg-1；僅為葉面噴施 1%硒摻雜納米硅溶膠稻米的66%（圖5）。

2.3 葉面噴施硒摻雜硅溶膠對(duì)砷污染大田水稻的影響

如圖6和圖7所示，通過在鹽鴻鎮(zhèn)的大田試驗(yàn)證實(shí)，葉面噴施不同濃度硒摻雜納米硅溶膠后，均可以顯著抑制稻米對(duì)砷的吸收積累，且增加稻米硒含量；隨著硒摻雜量的增加，稻米硒含量顯著增加，而稻米砷含量則顯著下降。與對(duì)照相比，葉面分別噴施質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%、0.5%、1%和2%的硒摻雜納米硅溶膠后，稻米砷含量分別下降了19.1%、45.9%、59.4%和63.7%；而稻米硒含量則分別增加了67.5%、265%、443%和631%。其中當(dāng)硒摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.5%時(shí)，稻米總砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)由對(duì)照的 0.25 mg·kg-1下降到 0.14 mg·kg-1（GB 2762—2012 國(guó)家食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，稻米無機(jī)砷<0.2 mg·kg-1）；而當(dāng)硒摻雜量質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%和0.5%時(shí)，稻米中硒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 0.12和 0.26 mg·kg-1，符合富硒大米標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 22499—2008）。但是當(dāng)硒摻雜量質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%和 2%時(shí)，稻米中硒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.38和 0.51 mg·kg-1，超過了富硒大米硒含量標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 22499—2008）因此，在鹽鴻鎮(zhèn)通過葉面噴施含0.5%硒摻雜納米硅溶膠，可以在砷污染農(nóng)田上生產(chǎn)出砷含量達(dá)標(biāo)的富硒大米。

3 討論

硅是高等植物特別是禾本科植物的有益元素，在水稻的生長(zhǎng)發(fā)育過程中硅起著極其重要的作用，甚至被認(rèn)為是其生長(zhǎng)發(fā)育的必需元素之一（廖紅和嚴(yán)小龍，2003）。有研究表明，葉面施硅可以顯著緩解重金屬對(duì)水稻的毒害作用，可以降解重金屬?gòu)?fù)合污染條件下水稻籽實(shí)中重金屬吸收系數(shù)和積累量降低重金屬向食物鏈輸出的風(fēng)險(xiǎn)（王世華等，2007）。郭偉等（2006）研究顯示，在砷污染土壤中施加外源硅可以顯著地抑制水稻對(duì)砷吸收的積累。本試驗(yàn)的盆栽結(jié)果，也證實(shí)了葉面噴施純硅溶膠可以顯著緩解水稻砷的毒害，與對(duì)照相比，稻米干質(zhì)量增加了20%，砷含量下降了28%。

硒是動(dòng)物和人體的必需微量元素。我國(guó)的地方病，如克山病、大骨節(jié)病等都與環(huán)境中缺硒密切相關(guān)，很多調(diào)查研究結(jié)果表明，硒具有防癌、抗腫瘤和抗衰老的作用。人體所需的硒必須通過飲食獲得，而稻米是我國(guó)主要的糧食作物。因此，近年來富硒肥料在水稻上的應(yīng)用研究受到了廣泛的關(guān)注。與傳統(tǒng)的土壤施肥相比，葉面肥具有施用量小、高效、經(jīng)濟(jì)易于被植物吸收等優(yōu)點(diǎn)（張靜，2007）。如張晶等（2011）的報(bào)道，葉面噴施硒肥，可以使稻米中硒質(zhì)量分?jǐn)?shù)從對(duì)照的 0.03 mg·kg-1增加到 0.17 mg·kg-1。但是前人的研究大多數(shù)是將亞硒酸鈉直接噴施于水稻葉面（葉斌等，2013；耿建梅等，2011；李向陽等，2009），高劑量的亞硒酸鈉具有生物毒性，會(huì)對(duì)植物造成傷害。如方勇等（2013）報(bào)道，高劑量（100 g·hm-2）葉面施硒后，水稻籽粒千粒質(zhì)量由對(duì)照的27.05 g下降到26.37 g；產(chǎn)量由對(duì)照的8.563 kg·hm-2下降到 8.356 kg·hm-2。本研究盆栽試驗(yàn)結(jié)果也表明，葉面噴施質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 1%亞硒酸鈉化學(xué)試劑配制的100倍稀釋液后（處理1%Se），水稻籽粒干質(zhì)量下降了13.1%。但是葉面噴施質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 1%硒摻雜硅溶膠（稀釋 100倍）后（處理1%Se-Si），水稻籽粒干質(zhì)量增加了43.8%。這一結(jié)果表明，與化學(xué)試劑相比硒摻雜硅溶膠在水稻葉面上噴施更為安全。

近年來發(fā)現(xiàn)硒也是許多植物乃至高等植物的有益元素（Zhu等，2009）。例如有文獻(xiàn)顯示，水稻補(bǔ)施低濃度的硒可降低大米中鉛、鎘、鉻等重金屬的含量，施硒可減輕鎘對(duì)水稻幼苗的毒害（譚周磁等，2000；陳平等，2002）。本研究結(jié)果也表明，葉面噴施硒可以顯著抑制稻米砷的積累；盆栽試驗(yàn)中1%Se處理，可以使稻米砷含量降低19%。這可能與砷和硒存在競(jìng)爭(zhēng)吸收機(jī)制有關(guān)；砷多數(shù)以陰離子形式存在（AsO33-、AsO42-），硒也以陰離子形式存在（SeO32-、SeO42-），砷、硒在結(jié)構(gòu)上相似，可能有一致的植物吸收機(jī)制(Zhu等，2009)。與噴施純硒相比，葉面噴施硒硅復(fù)合溶膠對(duì)抑制水稻重金屬砷吸收效率的更高；其抑制率達(dá)到46%（圖4）。大田試驗(yàn)結(jié)果也表明，葉面噴施硒硅復(fù)合溶膠可以顯著抑制稻米砷積累，且隨著硒摻雜量的增加，稻米砷含量也顯著下降（圖6）。其中當(dāng)硒摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到 0.5%時(shí)，稻米總砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)由對(duì)照的 0.25 mg·kg-1下降到 0.14 mg·kg-1；稻米中硒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.26 mg·kg-1，符合富硒大米標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 22499—2008）。但是當(dāng)硒摻雜量進(jìn)一步增加時(shí)，稻米中硒的含量會(huì)超過富硒大米硒含量標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合經(jīng)濟(jì)成本和安全因素考慮，該摻雜劑量為最佳劑量。

4 結(jié)論

綜上所述，在砷污染土壤上，葉面噴施硒摻雜納米硅溶膠可以減緩水稻砷毒害，提高水稻籽粒的生物量，降低水稻籽粒對(duì)砷的吸收積累。與噴施亞硒酸鈉相比，噴施硒摻雜納米硅溶膠更有利于水稻生長(zhǎng)，也有利于增加水稻對(duì)硒的吸收、抑制稻米砷積累。大田試驗(yàn)中，當(dāng)硒摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)，稻米砷含量可以下降到國(guó)家食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)限值以下，同時(shí)稻米硒含量達(dá)到富硒大米標(biāo)準(zhǔn)。因此，用本試驗(yàn)所使用的硒摻雜納米硅溶膠對(duì)水稻進(jìn)行葉面噴施后，可以進(jìn)一步提升葉面硅肥抑制水稻砷吸收的效果；同時(shí)可以生產(chǎn)出富硒大米，比直接噴施亞硒酸鈉安全、高效。葉面噴施硒摻雜納米硅溶膠在控制作物砷污染上的應(yīng)用，將會(huì)是緩解目前嚴(yán)重的糧食砷污染問題的新出路。

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