施硅期對砷污染土中水稻體內磷砷含量與分布的影響

李仁英，李蘇霞，謝曉金，徐向華，沈孝輝，王薦，張婍，李君

1. 南京信息工程大學應用氣象學院//江蘇省農業(yè)氣象重點實驗室，江蘇 南京 210044; 2. 土壤與農業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室//中國科學院南京土壤研究所，江蘇 南京 210008；

施硅期對砷污染土中水稻體內磷砷含量與分布的影響

李仁英1, 2*，李蘇霞1，謝曉金1，徐向華1，沈孝輝1，王薦1，張婍1，李君1

1. 南京信息工程大學應用氣象學院//江蘇省農業(yè)氣象重點實驗室，江蘇 南京 210044; 2. 土壤與農業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室//中國科學院南京土壤研究所，江蘇 南京 210008；

摘要：水稻砷污染嚴重威脅著我國的糧食安全，如何降低水稻砷污染是目前迫切需要解決的問題。采用水稻盆栽試驗，在水稻不同生長時期向土壤中施入100 mg·kg-1的硅肥，通過不同時期土壤溶液中的磷、砷和硅的動態(tài)變化以及水稻各部位的磷和砷的含量及分布來研究不同施硅期對水稻砷磷含量和分布的影響。結果表明，不同施硅期影響水稻不同部位的生物量、砷含量和磷含量。分蘗期施硅，水稻飽粒質量和結實率最大，其中水稻飽粒質量比對照高52.4%，其次為開花期和灌漿期施硅。分蘗期施硅，水稻籽粒中的砷含量最低。同時，開花期和灌漿期施硅與幼苗期施硅相比，顯著降低了籽粒中的砷含量（P<0.05）。然而，不同施硅期并未顯著影響莖葉、根和谷殼中的砷含量（P>0.05）。分蘗期施硅顯著增加了水稻谷殼中的磷含量，減少了水稻籽粒和根中的磷含量，但對莖葉的磷含量沒有顯著性影響（P>0.05）。隨著水稻的生長，土壤溶液中的砷含量呈增加趨勢，而土壤溶液中的磷和硅含量呈降低趨勢。除了水稻移栽后146 d外，不同施硅期對其他采樣時期的土壤溶液砷含量沒有顯著影響（P>0.05）；不同施硅期顯著影響了大部分采樣時期的土壤溶液硅含量（P<0.05）。不同施硅期未顯著影響土壤溶液中的磷含量（P>0.05）。綜上可知，在分蘗期施入100 mg·kg-1的硅肥，能最大程度地提高水稻的產量，并降低水稻對砷的積累。

關鍵字：硅；砷；水稻；磷；分布

引用格式：李仁英，李蘇霞，謝曉金，徐向華，沈孝輝，王薦，張婍，李君. 施硅期對砷污染土中水稻體內磷砷含量與分布的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境學報, 2015, 24(6): 1050-1056.

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水稻是東南亞地區(qū)的主要糧食作物，該地區(qū)約一半以上的人口以稻米為主食。水稻特殊的淹水栽培模式，使得水稻對砷具有較強的富集。在東南亞地區(qū)，特殊的地理環(huán)境和工農業(yè)活動，使得土壤和地下水中的砷含量明顯高于其他地區(qū)，導致該地區(qū)水稻砷污染較為嚴重（Brammer和Ravenscroft，2009；徐紅寧和許嘉琳，1996）。調查我國湖南地區(qū)34個基因型水稻籽粒無機砷含量發(fā)現，若以這些水稻為主食，成人每天砷攝入量為0.1～0.21 mg，未成年人為0.075～0.15 mg，超過了世界衛(wèi)生組織每天砷攝入量的推薦值（Lei等，2013）。Rakesh等（2010）調查90個水稻品種，其中有20個水稻品種砷含量較低，在79～285 μg·kg-1之間，適宜作為主食；69個品種砷含量較高，長期食用，存在一定健康風險。此外，砷還通過食物鏈在人體中富集，如秸稈中砷通過動物飼料等方式傳遞（Rahman等，2008），所以水稻砷污染引起了廣泛的關注。

水稻砷污染嚴重威脅人類健康，因此，如何降低水稻砷積累成為目前研究的熱點。結合降砷的經濟效益和可行性，現在的研究主要集中在通過灌溉方式（Sarkar等，2012）、施肥（林志華等，2010）、基因工程（趙會，2014）以及化學法（魯洪娟等，2014）等措施來降低水稻中的砷積累。Li等（2009）研究發(fā)現施硅降低了水稻秸稈和籽粒中的無機砷含量。Liu等（2013）的研究也表明，硅肥能夠降低水稻砷的積累。李劍睿等（2014）也發(fā)現施硅會促使土壤形成重金屬硅酸鹽沉淀，降低土壤重金屬的遷移性和生物有效性，從而降低植物對砷的吸收。Ma等（2008）研究發(fā)現，硅的吸收通道Lsi1 和Lsi2突變體水稻對As(Ⅲ)的吸收明顯減少，這說明As（Ⅲ）和硅共用吸收通道。Ma等（2006）認為硅通道基因表達下調是降低水稻砷積累的原因之一。Preeti等（2013）研究發(fā)現，施硅能夠增強水稻抗氧化能力，降低超氧自由基（O2·-）、過氧化氫含量（H2O2）和脂質過氧化作用（MDA），同時增強抗氧化酶活性、半胱氨酸和谷胱甘肽（GSH）含量。所以施硅是一種有效的降砷措施。磷、硅在化學性質和結構上具有相似性，有研究表明施硅能促進水稻對磷的吸收（胡克偉等，2004；郭偉等，2010；Ma和Takahashi，1990）。胡克偉等（2003）研究發(fā)現施磷降低了土壤中硅的吸附量，同時增加了土壤硅的解吸量。

水稻在不同生育期對砷的吸收存在顯著差異（Wang等，2006；Ma等，1989），那么在不同生育期施硅是否會影響水稻對磷砷的吸收呢？本研究在水稻不同生育期施入硅肥，分析施硅對土壤溶液中磷砷的影響，進而探討不同施硅期對水稻不同部位中磷砷含量的影響，從而為硅肥的合理施用提供重要的理論依據。

1　材料與方法

1.1供試土壤

供試土壤為浙江省上虞市尾礦區(qū)表層紅壤性水稻土（0～20 cm）。土壤風干，揀去枯枝落葉后，過5 mm篩備用。土壤pH、有機質、全氮、全磷、有效磷、速效鉀、總砷、全硅、有效硅、全鐵、全錳及土壤機械組成按照常規(guī)方法測定（魯如坤，2000），其結果見表1。供試土壤中的砷含量達到240 mg·kg-1，遠遠超過了土壤環(huán)境質量三級標準（GB15618─1995）。

前期研究得知，土壤中施入400 mg N·kg-1、125 mg P·kg-1和250 mg K·kg-1能滿足水稻生長階段水稻對N、P和K養(yǎng)分的需求，因此，本研究按照此量施入N、P和K養(yǎng)分，此時土壤的N屬于第三級別的養(yǎng)分水平，而P和K屬于第一級別的養(yǎng)分水平。稱取2 kg土壤放入PVC盆中，向土壤中施入含N、P和K分別為40、12.5和25 g·L-1的NH4H2PO4、CO(NH2)2和KCl混合溶液20 mL，充分混勻后，把土壤溶液采集器埋入土壤中央以便采集土壤溶液。

表1　供試土壤的基本理化性質Table 1 Selected physicochemical properties of the soil used in the pot experiment

1.2水稻栽培及試驗設計

供試水稻品種為鎮(zhèn)稻10號。水稻種子用30% 的H2O2浸泡消毒15 min，用蒸餾水洗凈后浸泡在蒸餾水中，并在30 ℃的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)過夜。然后將種子轉移至吸水紙上，期間不斷補充水分。待發(fā)芽5 d后，將長勢一致的水稻秧苗轉移至PVC盆中，每盆移栽3棵。26 d后間苗，使每盆保留兩棵長勢一致的水稻秧苗。水稻生長在溫室中，期間不斷補充水分，使水稻在整個生長過程均保持2～3 cm淹水層。

本試驗共設5個處理，即分別在苗期（移栽后1 d）、分蘗期（移栽后73 d）、抽穗期（移栽后120 d）、開花期（移栽后138 d）和灌漿期（移栽后147 d）這5個水稻生育期施入5000 mg·L-1的硅酸鈉溶液40 mL，使土壤中的施硅量為100 mg·kg-1，每個處理設4個重復，同時設沒有施硅的對照處理。在水稻生長期間的各項管理措施均一致。

1.3樣品的采集和測定

水稻移栽后的32、80、104、146、182 d采集土壤溶液，分別測定溶液中的硅、砷和磷的含量。

水稻成熟后，分為根、秸稈、谷殼和籽粒收獲植株樣品，經自來水、蒸餾水洗凈后，用吸水紙吸干，在70 ℃的溫度下烘48 h，測定干質量。然后將植物各部位樣品研磨，用HNO3/HClO4消煮，消煮液待測。

用原子熒光光譜儀測定土壤溶液和植物樣品消煮液中的砷含量，用鉬藍比色法測定土壤溶液和植物樣品消煮液中的磷、硅含量（魯如坤，2000）。

1.4統(tǒng)計分析

使用統(tǒng)計軟件SPSS 14.0進行各處理間的顯著性檢驗（P<0.05）和多重比較。

2　試驗結果與分析

2.1不同施硅期對水稻生物量的影響

不同時期施硅，對水稻不同部位的生物量和產量存在一定影響（表2）。水稻飽粒質量即水稻有效粒質量在分蘗期施硅達到最大值，較對照組高出52.4%，其次為開花期和灌漿期。對照組中的穗質量最小，說明在水稻生長的任何時期施硅都會增加穗質量，而在開花期施硅能最大限度的增加水稻穗質量，在幼苗期施硅穗質量增加最少。根生物量最小值分別為灌漿期和分蘗期施硅，最大值出現在抽穗期施硅，不同施硅期之間的根質量存在顯著性差異（P<0.05）。不同施硅期處理的莖質量在20.86～26.37 g之間，各施硅期間未達到顯著差異（P>0.05）。分蘗期施硅結實率最高，達到54.25%，高于其它施硅期。

2.2土壤溶液砷、磷和硅含量的動態(tài)變化

表3是不同采樣時期的土壤溶液中砷含量。從表3可知，所有施硅處理的土壤溶液中砷動態(tài)變化趨勢相似，都是隨著水稻的生長，土壤溶液中的砷含量增加。在水稻移栽32 d，砷含量最小，在0.06～0.08 mg·L-1之間，在成熟期（182 d），土壤溶液中砷含量最大，在0.13～0.19 mg·L-1之間。然而對于幼苗期和開花期施硅處理，移栽后104 d的土壤溶液砷含量高于146 d的砷含量。比較不同施硅處理的土壤溶液中砷含量得知，除了146 d外，施硅處理未顯著影響土壤溶液中的砷含量（P>0.05）。

表2　不同施硅期的生物量Table 2 Effect of application period of silicon fertilizer on biomass of rice

表3　水稻不同生長階段土壤溶液中砷質量濃度Table 3 Arsenic concentrations in soil solution at different growth stages of rice mg·L-1

表4　水稻不同生長階段土壤溶液中硅質量濃度Table 4 Silicon concentrations in soil solution at different growth stages of rice mg·L-1

土壤溶液中硅和磷的動態(tài)變化趨勢和砷相反，整體呈現出減少的趨勢（表4，表5）。通過表4可知，土壤溶液中的硅含量在不同采樣時期之間存在顯著差異（P<0.05）。除了分蘗期施硅，對于其他施硅處理，都是在32 d時，土壤溶液中的硅含量最大，隨著水稻生育期的進行，土壤溶液中的硅含量減少。不同施硅期也顯著影響土壤溶液中的硅含量（P<0.05）。通過表5可知，與水稻移栽后32 d相比，其他采樣期土壤溶液中的磷含量顯著降低（P<0.05），但在水稻移栽146 d時，土壤溶液中的磷含量最低。但不同施硅期之間土壤溶液中的磷含量差異不顯著（P>0.05）。

表5　水稻不同生長階段土壤溶液中磷質量濃度Table 5 Phosphorus concentrations in soil solution at different growth stages of rice mg·L-1

在同一施硅期，分析不同采樣時間土壤溶液磷和砷、硅之間相關性可知，在對照、幼苗期施硅、抽穗期施硅和灌漿期施硅的處理中，土壤溶液中的磷和硅呈顯著相關（P<0.05）；在抽穗期和開花期中，土壤溶液中的硅和砷呈顯著相關；而在其他施硅期中，土壤溶液磷和硅、硅和砷未呈現相關性。土壤溶液中的磷和砷在任何施硅處理中都未呈現顯著相關性。

2.3不同施硅期對水稻各部位砷含量的影響

不同施硅期影響水稻不同部位的砷含量（圖1）。通過圖1可知，施硅期顯著影響了水稻籽粒中的砷含量（P<0.05），苗期施硅增加了籽粒中的砷含量，而分蘗期、開花期及灌漿期施硅均降低了水稻籽粒中的砷含量。雖然不同施硅期對水稻秸稈、根和谷殼中的砷含量沒有顯著影響，但苗期施硅減少了水稻莖葉中的砷含量，分蘗期，開花期和灌漿期施硅減少了水稻根中的砷含量，分蘗期施硅使谷殼中的砷含量最低。砷在水稻不同部位的含量順序為：根>莖葉>谷殼>籽粒。

圖1　水稻不同部位砷質量分數Fig. 1 Arsenic concentrations in various tissues of rice

2.4不同施硅期對水稻各部位磷含量的影響

不同施硅期顯著影響了水稻籽粒，根和谷殼中的磷含量（P<0.05，圖2）。籽粒中的磷含量在對照組中最小，其次為分蘗期和開花期施硅而在灌漿期施硅時達到最高水平，施硅增加了籽粒中磷的含量。水稻籽粒中的磷含量在灌漿期施硅比對照顯著高31.7%（P<0.05）。根在幼苗期和抽穗期施硅時磷含量顯著高于其他施硅期（P<0.05）。根在分蘗期施硅時磷含量最小，比幼苗期施硅時的磷含量低23.2%。在不同的施硅期，谷殼中磷含量與籽粒中磷含量存在相反的變化趨勢，分蘗期施硅谷殼中的磷含量最高，其他處理的磷含量在1442～1742mg·kg-1之間。比較不同部位的磷含量得知，籽粒中的磷含量最大，其他部位的磷含量相似。

圖2　水稻不同部位磷質量分數Fig. 2 Phosphorus concentrations in various tissues of rice

3　討論

大量研究表明，硅肥能夠顯著增加水稻干物質的積累，提高水稻產量，其中分蘗肥對水稻群體質量和產量具有明顯的增加和提高作用（張國良等，2004）；本研究發(fā)現分蘗期施硅增加了水稻飽粒質量，穗質量和結實率，有利于水稻產量的提高，這與前人的研究結果相同。本研究還得知，除了分蘗期施硅外，開花期和灌漿期施硅也使水稻飽粒質量、穗質量和結實率高于其他施硅處理。Ma等（1989）研究表明，水稻生殖生長階段施用硅肥，籽粒干質量增加30%。硅主要在水稻生殖生長階段被吸收，因此在開花期和灌漿期施硅有助于水稻產量的提高。

比較不同時期土壤溶液硅含量發(fā)現，不同施硅期顯著影響土壤溶液中的硅含量，本研究使用的硅酸鈉是一種水溶性硅肥，施入土壤后，被水稻快速吸收（魏海燕等，2010；吳季榮和龔俊義，2010）。Liu等（2013）和Li等（2009）通過施硅降砷研究發(fā)現，硅增加了土壤溶液中的砷含量，而本研究未發(fā)現這種現象。施硅增加土壤溶液中砷含量的原因可能為：土壤溶液中硅與砷通常以硅酸根與砷酸根的形式存在，它們帶有相同電荷，因此，競爭相同的吸附位點，從而增加了土壤溶液中砷的含量。Li等（2009）施用的是緩溶性硅膠，隨著水稻的生長，硅不斷地釋放到土壤溶液中，并與砷競爭吸附位點，因此，砷不斷地解吸到土壤溶液中。而本研究使用的是水溶性硅酸鈉，進入土壤后，被水稻大量吸收，而與砷競爭吸附位點的作用相對較弱，因此，沒有顯著增加土壤溶液中的砷含量。

Wang等（2006）研究表明，水稻根、莖和葉中的砷在分蘗期增加較快，成熟期達到最大值；穗中砷含量在孕穗期達到最高，灌漿期迅速減少。Zheng等（2011）研究發(fā)現，隨著水稻生長，水稻葉和莖中的砷含量在開花后達到最大值，之后出現下降；籽粒和谷殼中的砷變化相似，在開花后13 d達到最大值。在本研究中，分蘗期、開花期和灌漿期施硅降低水稻籽粒中的砷含量，尤其在分蘗期施硅，籽粒中砷含量最低（圖1）。在開花期和灌漿期施硅降低水稻砷吸收的原因可能為：硅主要在水稻生殖階段被吸收，施入硅肥后，硅被水稻大量吸收，而硅的轉運通道Lis2也是木質部砷向籽粒轉運的關鍵通道，由于硅與砷競爭相同的轉運通道，從而減少水稻對砷的吸收（Ma等，2008）。所以在水稻開花到灌漿期之間施硅有利于降低砷向穗部轉運，是降低水稻砷吸收的重要施硅時期。Yamaji和Ma （2011）的研究也證實，分蘗期和灌漿期施硅，使得整個植株砷含量最低，而幼苗期和抽穗期施硅，砷含量最高。分蘗期，水稻生長最為旺盛，硅需求量大，缺硅會導致硅吸收轉運基因Lis1和Lis2表達增強，使砷吸收轉運增加，所以分蘗期是水稻吸收硅的另一個關鍵時期，因此，也是降低水稻砷吸收的關鍵施硅時期。

磷和砷是同族元素，化學性質極為相似。隨著水稻的生長，土壤溶液中的磷含量逐步減少，這主要與水稻的逐漸吸收有關。本研究中水稻組織中磷和砷含量表現出相似的變化趨勢（圖1，圖2），在分蘗期施硅籽粒和根中磷含量較低，而谷殼和莖葉中的磷含量相對較大；Guo等（2007）通過水培試驗得出相似的結果，并認為施硅抑制了水稻對磷的吸收，且高磷環(huán)境下，硅對磷抑制作用更為明顯；Guo等（2005）的研究也證實施硅降低了磷吸收和轉運速度。施硅抑制了水稻磷的吸收，部分原因可能是由于硅和磷之間存在競爭吸收的關系，從而降低水稻磷吸收。但郭偉等（2010）通過土壤盆栽試驗發(fā)現，在高砷污染的土壤上施硅，能夠增加水稻地上部分的磷含量，顯著降低水稻砷積累；低砷污染土壤上，對水稻地上磷含量影響不大。土壤中施硅增加水稻對磷的吸收，一方面可能與硅肥種類和施硅期不同有關。另一方面，也可能由于硅和磷競爭土壤中吸附位點，施硅增加了土壤中磷的有效性（胡克偉等，2004；李仁英等，2013a），從而增加了水稻對磷的吸收。此假設被李仁英等（2013a；2013b）研究所證實，即土壤施硅后，減少了土壤對磷的吸附能力，增加了磷的解吸量并增加了穗和籽粒中的磷積累量。

4　結論

施硅期對水稻磷砷的吸收有重要的影響。分蘗期、開花期和灌漿期施硅能夠增加水稻飽粒質量和結實率，而在分蘗期、開花期和灌漿期施硅能顯著降低籽粒中的砷含量，灌漿期施硅能夠顯著增加籽粒中的磷含量。所以，綜合來講，在分蘗期、開花期和灌漿期施入100 mg·kg-1硅肥會增加水稻的產量，并降低水稻籽粒中的砷含量，從而較少砷污染區(qū)水稻的健康風險。但是由于盆栽試驗存在局限性，在大田中的廣泛應用還存在不確定性，因此，還需要開展大田試驗，深入探討施硅期對水稻砷吸收的影響及其機理。

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Effect of Application Periods of Silicon on Concentrations and Distributions of Arsenic and Phosphorus in Rice Plants

LI Renying1, 2, LI Suxia1, XIE Xiaojin1, XU Xianghua1, SHEN Xiaohui1, WANG Jian1, ZHANG Qi1, LI Jun1
1. Jiangsu Key Laboratory of Agricultural Meteorology//College of Applied Meteorology, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China; 2. State Key Lab of Soil and Sustainable Agriculture//Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China

Abstract:Arsenic accumulation in rice is a serious threat to food safety in our country. How to reduce arsenic accumulation in rice is urgent. Effect of application period of silicon fertilizer on concentrations and distributions of phosphorus and arsenic in rice plants and dynamic concentration of arsenic, phosphorus and silicon in soil solution were studied under the condition of application amounts of 100 mg kg-1silicon fertilizer by pot experiment. The results showed that biomasses, arsenic concentrations and phosphorus concentrations in different rice tissues were affected by application period of silicon fertilizer. Under condition of silicon fertilizer application in tillering stage, fulfilled grain weight and seed setting rate were highest, followed by silicon fertilizer application in flowering stage and filling stage, and fulfilled grain weight increased by 52.4%, compared with the control. Silicon fertilizer application in tillering stage decreased arsenic concentrations in the grain. Compared with silicon fertilizer application in seedling stage, silicon fertilizer application in flowering stage and filling stage significantly decreased arsenic concentration. However, application period of silicon fertilizer hadn’t significant effect on arsenic concentrations in the straw, root and husk (P>0.05). Silicon fertilizer application in tillering stage significantly increased phosphorus concentrations in rice husk (P<0.05), reduced phosphorus concentrations in grain and root, but hadn’t significant effect on phosphorus concentrations in rice straw (P>0.05). Arsenic concentrations increased and phosphorus and silicon concentrations decreased in soil solution with the growth of rice. Except for 146 days of rice transplanting, application period of silicon fertilizer hadn’t significant effects on the concentrations of arsenic in soil solution. Application period of silicon fertilizer had significant effects on the concentrations of silicon in soil solution for most sampling times, while hadn’t significant effects on the concentrations of phosphorus in soil solution. From the above, we concluded that application amount of 100 mg·kg-1silicon fertilizer in tillering stage could furthest increase product of rice and decrease accumulation of arsenic in rice plants.

Key words:silicon; arsenic; rice; phosphorus; distribution

收稿日期：2015-03-31

*通信作者。

作者簡介：李仁英（1975年生），女，副教授，博士，主要從事土壤重金屬的行為及其環(huán)境效應研究。E-mail: ryli75@163.com

基金項目：江蘇省自然科學基金項目（BK20141479）；國家自然科學基金項目（41001190）；江蘇省農業(yè)氣象重點實驗室項目（KYQ1402）；土壤與農業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室項目（Y052010018）；中國科學院土壤環(huán)境與污染修復重點實驗室項目；江蘇省政府留學獎學金項目和南京信息工程大學大學生實踐創(chuàng)新訓練項目（201410300111；201510300153）

中圖分類號：X592

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5906（2015）06-1050-07

DOI:10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.06.021