不同阻控劑阻控重度Cd污染區(qū)水稻富集Cd的效果

龍思斯宋正國雷鳴*喻理王藝康蔣宏芳

（1湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，長沙410128；2農(nóng)業(yè)部產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/天津市農(nóng)業(yè)環(huán)境與農(nóng)產(chǎn)品安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300191；3湖南安邦新農(nóng)業(yè)科技股份有限公司/湖南省安邦農(nóng)業(yè)研究院，湖南衡陽421200；第一作者：358719093＠qq.com；*通訊作者：leiming8297＠163.com）

不同阻控劑阻控重度Cd污染區(qū)水稻富集Cd的效果

龍思斯1宋正國2雷鳴1*喻理1王藝康1蔣宏芳3

（1湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，長沙410128；2農(nóng)業(yè)部產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/天津市農(nóng)業(yè)環(huán)境與農(nóng)產(chǎn)品安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300191；3湖南安邦新農(nóng)業(yè)科技股份有限公司/湖南省安邦農(nóng)業(yè)研究院，湖南衡陽421200；第一作者：358719093＠qq.com；*通訊作者：leiming8297＠163.com）

在湖南省衡陽縣某重度Cd污染的農(nóng)田上種植早稻品種株兩優(yōu)819，開展石灰、基施硅肥、葉面鋅肥、葉面硅肥和自配阻控劑等5種材料降低水稻鎘含量的效果研究。結(jié)果表明，5種阻控劑對株高的影響不顯著（p＞0.05），但對產(chǎn)量的影響均達(dá)顯著水平（p＜0.05）；與對照相比，5種阻控劑均能降低糙米中Cd的含量，其中葉面鋅肥的降Cd效果最明顯，降Cd效率為46.43%，其次為自配阻控劑和基施硅肥，降Cd效率分別為39.29%和39.28%，均達(dá)到國家糧食安全標(biāo)準(zhǔn)值。

水稻；鎘；阻控劑；土壤；重度污染區(qū)

重金屬鎘（Cd）屬于有害元素之一，自然環(huán)境中含量較少，但由于其活性較強(qiáng)，容易被作物尤其水稻吸收且積累，不僅嚴(yán)重威脅糧食生產(chǎn)安全，而且通過食物鏈危害人體健康，日本的“痛痛病”就是典型案例。研究表明，在重金屬污染區(qū)種植水稻，存在Cd污染風(fēng)險(xiǎn)[1]。據(jù)報(bào)道，2004－2013年我國共發(fā)生19件“鎘污染事件”。雷鳴等[2]調(diào)查研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，礦區(qū)稻米中Cd的含量顯著比其他地區(qū)高。2013年5月“鎘大米事件”經(jīng)過媒體報(bào)道后，湖南省糧食的銷售量急劇下降。因此，有必要采用一些措施降低水稻中鎘的含量，尤其是在重金屬污染區(qū)，以確保湖南的糧食安全生產(chǎn)。本試驗(yàn)在阻控劑對輕度Cd污染區(qū)水稻阻控效果研究的基礎(chǔ)上[3]，在湖南衡陽某工業(yè)區(qū)重度Cd污染農(nóng)田種植水稻，比較研究了石灰、基施硅肥、葉面鋅肥、自配阻控劑和葉面硅肥這5種類型的阻控劑對重度Cd污染區(qū)水稻Cd吸收的抑制效果，以期為有效解決農(nóng)田土壤Cd污染和食品安全問題提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地土壤基本性質(zhì)

試驗(yàn)地點(diǎn)位于湖省衡陽市衡南縣的某農(nóng)田，周圍曾有化工廠、水泥廠和陶瓷廠等，農(nóng)田已受到嚴(yán)重重金屬污染。試驗(yàn)實(shí)施之前，按照“梅花法”采集農(nóng)田土壤樣品，經(jīng)自然風(fēng)干后，磨細(xì)過100目尼龍篩，存儲(chǔ)于密封袋內(nèi)備用。試驗(yàn)農(nóng)田土壤的平均pH值為5.92，屬偏酸性紅壤，總Cd含量1.567±0.03 mg/kg，有效鋅含量1.567±0.03mg/kg，有機(jī)質(zhì)含量1.602±0.53 g/kg，全N含量0.794±0.01 g/kg，有效磷含量26.500±1.21mg/kg，全K含量36.10±1.88mg/kg。

1.2 參試水稻品種和阻控劑

供試水稻品種為株兩優(yōu)819（雜交稻，全生育期114 d），秧苗由衡陽安邦農(nóng)業(yè)科技有限公司試驗(yàn)基地提供。供試的石灰、硅肥、自配阻控劑、葉面鋅肥和葉面硅肥的基本情況見表1，其中，石灰、基施硅肥和葉面鋅肥曾運(yùn)用在輕度Cd污染區(qū)阻控不同品種水稻富集Cd的影響試驗(yàn)[3]。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和樣品采集處理

試驗(yàn)時(shí)間為2015年4－7月。試驗(yàn)設(shè)6個(gè)處理，具體試驗(yàn)處理方案見表2。每個(gè)處理重復(fù)3次，隨機(jī)分布，共18個(gè)小區(qū)。每個(gè)小區(qū)面積20.0 m2，小區(qū)之間用田埂隔開。每667m2土壤重量按照1.5×105kg計(jì)算。石灰、基施硅肥和自配阻控劑在水稻秧苗種植前3 d撒施于土表，并與表層土壤混勻；葉面鋅肥和葉面硅肥分別于水稻分蘗期、孕穗期和抽穗期進(jìn)行同一種濃度的噴施，噴液量以作物葉片正背面沾滿霧滴為宜。農(nóng)田基肥為摻混肥料（N、P2O5、K2O含量分別為25%、12%和14%），共施50 kg/667 m2；同當(dāng)?shù)氐牡咎锕芾泶胧┻M(jìn)行管理。植株樣品于水稻分蘗期、孕穗期和成熟期進(jìn)行采集，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)取3株，采集后，用自來水洗凈泥土，分為根、莖、葉和谷粒。將谷粒樣品置于室外陽光下曬干，記錄質(zhì)量，并用礱谷機(jī)將其分為谷殼和糙米。其他部位樣品皆裝入信封袋編號后置于102℃烘箱內(nèi)2 h，調(diào)至65℃烘至恒質(zhì)量。所有水稻樣品（根、莖、葉、籽實(shí)）均用植物粉碎機(jī)粉碎后裝入密封袋保存，待用。

表1 5種阻控劑的基本情況

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.4 分析測定

采用電位法（水土比為2.5∶1）測定土壤pH值，采用王水（HNO3∶HCl=1∶3）+高氯酸（HClO4）消化法消煮土壤，并同時(shí)用土壤國家標(biāo)準(zhǔn)參比物質(zhì)（GSS-5）和空白樣進(jìn)行分析質(zhì)量控制測定。土壤有機(jī)質(zhì)、有效磷、全氮和全鉀含量按照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析》方法進(jìn)行分析[4]。

水稻樣品（根、莖、葉、谷殼和糙米）采用混合酸硝酸-高氯酸（體積比為4∶1）消化法消煮，同時(shí)用植物國家標(biāo)準(zhǔn)參比物質(zhì)[灌木枝葉GBW07603（GSV-2）]、大米植物國家標(biāo)準(zhǔn)參比物質(zhì)[GBW10010（GSB-1）]和空白樣進(jìn)行分析質(zhì)量控制。

土壤和水稻（植株和稻米）中Cd的含量用原子吸收分光光度計(jì)-石墨爐法（GTA120，美國Varian）測定。

所用化學(xué)試劑為優(yōu)質(zhì)純。

1.5 數(shù)據(jù)處理方法

本研究利用Microsoft Excel 2003進(jìn)行均值、標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算和作圖，利用SPSS 18.0的ANOVA模塊（LSD法，α=0.05）進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤和阻控劑中Cd的含量

土壤中Cd的含量為1.567±0.03 mg/kg，根據(jù)我國土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB15618-1995，2類，0.3 mg/kg）和單因子指數(shù)評價(jià)（5.22），可見，試驗(yàn)區(qū)稻田土壤屬于重度Cd污染區(qū)。此外，由表1可知，供試硅肥中總Cd含量為0.571±0.02 mg/kg，GB/T 23349-2009中重金屬Cd的指標(biāo)為≤0.0010%，本供試硅肥中總Cd含量符合國家農(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)，但它的長期施用是否會(huì)對農(nóng)田土壤和水稻富集Cd存在風(fēng)險(xiǎn)有待商榷。

2.2 阻控劑對水稻株高和產(chǎn)量的影響

如表3所示，與CK相比，施用阻控劑后水稻株高都有不同程度的提高，其增幅為0.83%~3.75%，但這5種阻控劑處理對株高的影響不存在顯著性差異（p＞0.05）。本研究所用水稻品種株兩優(yōu)819屬兩系雜交早稻，其鑒定產(chǎn)量一般為400.0 kg/667m2以上，但是沒有施用阻控劑的（CK）條件下，水稻產(chǎn)量僅為257.1 kg/ 667m2，與鑒定產(chǎn)量相比，其產(chǎn)量下降了35.75%?？梢?，種植在重金屬重度污染區(qū)的水稻減產(chǎn)幅度較大。施用不同類型的阻控劑后，水稻產(chǎn)量都有不同程度的增產(chǎn)，其增幅為2.21%~24.25%，對水稻產(chǎn)量貢獻(xiàn)大小依次為ZP＞GF＞SH、YX、YG，但仍低于水稻品種產(chǎn)量鑒定值（400.0 kg/667m2），其原因一方面是本研究中僅施加了農(nóng)田基肥，沒有追肥，造成肥力不足，水稻產(chǎn)量下降；另一方面就是土壤重金屬污染導(dǎo)致水稻產(chǎn)量下降。與CK相比，5種阻控劑處理下水稻產(chǎn)量均存在顯著性差異（p<0.05），其中產(chǎn)量最高的是ZP處理，增產(chǎn)24.25%，其次為GF處理，增產(chǎn)20.88%。由于所用的硅肥、石灰和自配阻控劑本身偏堿性，能有效調(diào)節(jié)土壤酸堿性，使pH值從5.92上升到7.54~8.01。研究表明，施硅肥可以有效提高水稻的產(chǎn)量，且有效硅的含量隨土壤pH值的升高而增加，土壤中的有效硅含量直接影響水稻對硅元素的吸收利用[5]。硅肥的主要作用是提高了水稻的產(chǎn)量，而對水稻莖葉中硅元素沒有顯著影響[6]，施加葉面硅肥，可以使硅元素直接被水稻葉片吸收，從而提高產(chǎn)量。自配阻控劑中含有一定比例的有效磷，也促進(jìn)了水稻產(chǎn)量提高[7]；葉面鋅肥的施用，改善了單施入土壤的鋅的低利用率，提高了水稻對鋅元素的吸收以及鋅元素的增產(chǎn)作用。

表3 5種阻控劑對水稻株高和產(chǎn)量的影響

圖1 水稻不同生育期各器官中Cd含量的變化

2.3 水稻不同生育期各器官中Cd含量的變化

在水稻整個(gè)生育期內(nèi)，分別取分蘗期、孕穗期和收獲期的植株樣品進(jìn)行Cd含量的測定。如圖1所示，隨著生育期的延長，根系、莖稈和葉片中Cd含量均表現(xiàn)不同的變化規(guī)律，但根系是富集Cd最多的部位，即根＞葉＞莖。Cd在雜交稻莖葉中的分配比例相差很大[8]，有研究表明，葉片繁茂的植物葉部對營養(yǎng)物質(zhì)的積累更強(qiáng)[9]。在重度Cd污染水平下，株兩優(yōu)819在進(jìn)入分蘗期之初受到Cd脅迫可誘發(fā)植株大量進(jìn)行無效分蘗，促使葉片非正常生長，由于葉片通過蒸騰作用使Cd往上遷移積累，也是導(dǎo)致整株水稻葉片富集Cd的原因之一[10]。

圖1（A）所示，根系Cd含量在3個(gè)生育期中呈先升高后降低的趨勢，Cd含量的最大值出現(xiàn)在孕穗期，說明在分蘗期-孕穗期是根系生長的旺盛階段，根系主動(dòng)吸收營養(yǎng)物質(zhì)的同時(shí)伴隨著對Cd的吸收。隨著地上部分營養(yǎng)器官和生殖器官的生長，進(jìn)入根部的Cd會(huì)不斷向地上遷移，且在長期受到Cd脅迫下根系活力會(huì)明顯降低[11]，從而在乳熟期—成熟期對Cd的吸收積累呈下降趨勢。與CK相比，除了YX和YG之外，其他阻控劑能顯著降低根系的Cd含量（p<0.05），以GF處理的效果最佳，其次為ZP和SH處理。

由圖1（B）可知，莖稈作為連結(jié)水稻根部和葉片的通道，其Cd的來源主要是根部的向上遷移。不同時(shí)期水稻莖稈中Cd含量的總體變化表現(xiàn)為先下降后回落或穩(wěn)定或下降，在沒有添加阻控劑的條件下其規(guī)律與唐非等[12]研究結(jié)果相似，說明在分蘗期水稻葉片進(jìn)行營養(yǎng)生長時(shí)，利用蒸騰作用促使根系與莖稈中的Cd往上遷移，以后進(jìn)入孕穗期的生殖生長時(shí)則主要向穗部輸入，使得莖稈孕穗期之后Cd含量無較大變化。添加阻控劑的小區(qū)，莖稈中Cd含量在收獲期較生育前期表現(xiàn)下降的趨勢，說明阻控劑有效抑制了莖稈的Cd積累。與CK相比，GF處理在孕穗期和收獲期顯著降低了莖稈中Cd的含量（p<0.05），而ZP處理在收獲期顯著降低了莖稈中Cd的含量（p<0.05）。

由圖1（C）可知，在分蘗期-孕穗期-成熟期，水稻葉片中Cd含量呈先下降后上升趨勢。劉昭兵等[7]研究表明，水稻在分蘗期和成熟期是吸收Cd的主要階段。葉片Cd含量在孕穗期最低，說明葉片通過分蘗期的旺盛生長后，生物量增加，從根部遷移上來的Cd在葉片間均衡分布，減少了葉片整體上Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)。在孕穗期到收獲期，水稻由于長期受Cd脅迫，中下部葉片表現(xiàn)枯黃，干物質(zhì)下降，枯黃的葉片中Cd物質(zhì)與營養(yǎng)物質(zhì)共同轉(zhuǎn)運(yùn)到生命力旺盛的新葉中。隨著穗粒的形成，自根傳輸?shù)腃d在水稻地上部分進(jìn)行重新分配，葉片中Cd一部分積累，一部分向穗部輸入，到成熟期后，根系遷移上來的Cd在葉中逐漸富集到最大。與CK相比，YX處理對水稻分蘗期葉片Cd含量有顯著影響（p< 0.05），在孕穗期抑制效果最佳；在孕穗期至收獲期，ZP和YX處理對葉片吸收Cd有促進(jìn)作用，這可能是由于該時(shí)期水稻對營養(yǎng)物質(zhì)需求旺盛而有害物質(zhì)Cd被協(xié)同吸收。胡坤等[13]研究表明，一定量的中量元素肥料（Ca、Mg、S）的施用能顯著促進(jìn)水稻秸稈對Cd的吸收積累，阻止Cd向籽實(shí)中遷移。因此，在葉片中的Zn/Cd的拮抗作用以及自配阻控劑中多種元素與Cd作用阻控了Cd向上遷移而積累在葉片中。GF和SH處理在孕穗期至收獲期對葉片吸收Cd有一定的抑制效果。

表4 收獲期水稻不同部位Cd的含量

綜上所述，不同阻控劑在不同時(shí)期對水稻器官的作用效果不盡相同，基施硅肥在水稻分蘗期和孕穗期可以明顯抑制根系和莖稈對Cd的吸收積累；石灰和自配阻控劑在收獲期對水稻根系有顯著抑制效果；葉面鋅肥和葉面硅肥在孕穗期對水稻葉片Cd積累有明顯的抑制效果。因此，在水稻生育前期施加土壤阻控劑能發(fā)揮最佳效果，而葉面噴施阻控劑在孕穗期使用能起到最佳抑制效果。

2.4 阻控劑對水稻收獲期各器官中Cd含量的影響

由表4可知，在收獲期，水稻各部位中Cd的含量是根＞葉＞莖＞糙米。與CK相比，各阻控劑對水稻根部的降Cd幅度為5.71%~21.18%，對水稻莖部的降Cd幅度為10.76%~25.01%，對水稻葉片的降Cd幅度為3.74%~31.78%，對水稻糙米的降Cd幅度為23.57%~ 46.43%，除了石灰和葉面硅肥處理，其他處理糙米中Cd含量均低于國家大米的標(biāo)準(zhǔn)限值（0.20 mg/kg），其中，葉面鋅肥處理的降Cd效果最明顯，降Cd效率為46.43%，其次是自配阻控劑和基施硅肥處理，降Cd效率分別為39.29%和39.28%。研究表明，施硅肥和葉面噴施硅肥對水稻均有不同程度的降Cd作用，基施硅肥的主要作用是在水稻根系吸收Cd之前降低土壤中有效Cd的含量，促進(jìn)其轉(zhuǎn)化為鐵錳氧化物等生物利用性低的結(jié)合物[14]；對水稻體內(nèi)已存有的Cd具有阻控其質(zhì)外體運(yùn)輸途徑固化在周圍的細(xì)胞中的作用。葉面硅肥的作用除了與基施硅肥有相同的阻控效果之外，還能通過提高葉片對Cd脅迫的抵抗能力來抑制Cd的富集[15]。但胡坤等[13]認(rèn)為，土壤添加硅肥對水稻吸收Cd有抑制作用，而葉面噴施硅肥對水稻吸收Cd無顯著影響。石灰對水稻富集Cd的阻控效果已有大量研究，但是在重度Cd污染區(qū)阻控水稻富集Cd的效果不是很理想，還需要結(jié)合其他措施[16]。葉面鋅肥對供試水稻葉片的拮抗作用表現(xiàn)為促進(jìn)葉片對Cd的富集，抑制Cd向籽實(shí)遷移。自配阻控劑除了含有相關(guān)鈣元素與石灰的作用相似外，其富含多種其他元素也是其具有較好阻控Cd效果的部分原因[15，17]。

3 結(jié)論

在整個(gè)生育期內(nèi)（分蘗期、孕穗期和收獲期），株兩優(yōu)819根部Cd積累量呈先上升后下降的趨勢，莖部Cd積累量呈下降至平穩(wěn)狀態(tài)，葉部Cd積累量先下降后上升趨勢。與對照相比，5種阻控劑均能顯著提高水稻產(chǎn)量，增幅為2.21%~24.25%，且對水稻各部位的Cd積累均有一定抑制作用，其中基施硅肥在分蘗期-孕穗期抑制效果明顯，石灰和自配阻控劑在收獲期抑制效果明顯，葉面鋅肥和葉面硅肥在孕穗期抑制效果明顯。在重度Cd污染區(qū)，5種阻控劑均能顯著阻控水稻富集Cd，其中，基施硅肥、自配阻控劑和葉面鋅肥能夠顯著降低糙米中Cd的含量，降幅為39.28%~46.43%，處理后其糙米Cd的含量低于國家食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)限值。

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Effects of Different Inhibitor on Reducing Cadm ium Content of Rice

LONG Sisi1,SONG Zhengguo2,LEIMing1*,YU Li1,WANG Yikang1,JIANG Hongfang3
（1College of Resources and Environment,Hunan Agricultural University,Changsha 410128,China;2Key Laboratory of Production Environment and Agro-product Safety of Ministry of Agriculture/Tianjin Key Laboratory of Agro-environment and Food Safety,Tianjin 300191,China;3Hunan Anbang New Agricultural Science and Technology Corp/Hunan Anbang Academy of Agricultural,Hengyang,Hunan 421200,China;1st author: 358719093@qq.com;*Corresponding author:leiming8297@163.com）

The effects of lime,silicon fertilizer,silicon foliar fertilizer,zinc foliar fertilizer and mixed fertilizer（our own product）on reducing Cd contents in brown rice were studied,using Zhuliangyou 819 asmaterial which was planted in serious Cd-contaminated field.The results showed that compared with the control,there was no significant effects on the heights of rice with the five inhibitors treatment,but the yield significantly increased,especially with the mixed fertilizer treatment,which increased rice yield by 24.25%. Compared with the control,the five inhibitors all had the effects of reducing the Cd contents in brown rice,the effects of the zinc foliar fertilizer treatmentwas the best,the Cd contents in brown rice was decreased by 46.43%,followed by themixed fertilizer and silicon foliar fertilizer treatment.The Cd contents in brown rice was lower than the value of the national standard after dealing with zinc foliar fertilizer,mixed fertilizer and silicon foliar fertilizer.

rice;cadmium;inhibitor;soil;heavy pollution area

S511.062

：A

：1006－8082（2017）03－0030－05

2017－01－21

農(nóng)業(yè)部、財(cái)政部農(nóng)辦財(cái)函〔2015〕38號；湖南省農(nóng)委、財(cái)政廳湘農(nóng)聯(lián)〔2015〕112號；湖南省安邦農(nóng)業(yè)研究院資助項(xiàng)目