葉面噴施鋅離子對水稻各器官鎘積累特性的影響

韓瀟瀟，任興華，王培培，黃永春，張長波，劉仲齊*

（1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測所，天津 300191；2.湖南省湘潭市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，湖南湘潭 411134）

湖南被稱為“有色金屬之鄉(xiāng)”，礦產(chǎn)資源在開采過程中排出的廢氣和廢水，能通過大氣沉降和灌溉過程進(jìn)入到農(nóng)田中，日積月累，使農(nóng)田中的鎘（Cd）含量越來越高[1-2]。由于Cd的生物活性比較強(qiáng)，能被水稻等作物吸收富集，所以很容易通過食物鏈進(jìn)入人體，從而對人體健康造成威脅[3]。

葉面噴施微量元素不僅能夠促進(jìn)水稻籽粒對微量元素的積累，還能降低各部分的Cd含量[4-5]。鋅（Zn）作為植物生長所必需的微量元素，在植物的生長發(fā)育過程中不僅能促進(jìn)作物的生長發(fā)育，還參與了碳水化合物的代謝、蛋白質(zhì)的代謝以及葉綠素的合成等過程[6]。Cd2+與Zn2+作為二價(jià)陽離子，化學(xué)性質(zhì)比較相似，其在植物體內(nèi)的吸收和積累存在一定的相互作用[7]。有研究表明，在水稻葉面噴施ZnSO4能夠提高水稻葉面的光合作用、緩解Cd對植物的生理毒害[8]，甚至降低籽粒對Cd的積累[9-10]；噴施Zn還能提高籽粒中的Zn含量，改善人體缺Zn的狀況[11-12]。

水培試驗(yàn)和盆栽試驗(yàn)結(jié)果表明，Zn對水稻Cd的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)具有明顯的調(diào)節(jié)作用，營養(yǎng)液中添加氯化鋅、葉面噴施Zn肥或者在Cd污染土壤中施加Zn肥都能夠降低水稻的Cd含量[7，13-16]。田間施用鋅肥或土壤鈍化劑中配施ZnSO4肥料，能有效降低小麥、豇豆和煙草等作物對Cd的吸收[17-19]。葉面噴施Zn肥對水稻籽粒中的Cd含量也有明顯的抑制效果[20]。但在田間自然條件下，葉面噴施ZnSO4是否能夠?qū)Σ煌愋退镜厣喜慷鄠€器官的Cd積累特性以及其他必需元素的含量產(chǎn)生影響，尚缺乏系統(tǒng)的研究。因此，本研究以Cd污染農(nóng)田中種植的早稻和晚稻為材料，通過在水稻開花期葉面噴施不同濃度的ZnSO4，對其降Cd效果及其在早稻和晚稻間的差異進(jìn)行了比較，以期為降Cd富Zn葉面肥的研發(fā)提供參考。

1 材料和方法

1.1 供試土壤和作物

在湖南省湘潭市重金屬污染農(nóng)田（28°42′N，112°51′E），分別以早稻品種中早35和晚稻品種華占為試驗(yàn)材料進(jìn)行葉面噴施試驗(yàn)。供試土壤為紅壤性水稻土，表層土壤（0～20 cm）的基本理化性質(zhì)為：pH 5.5，有機(jī)質(zhì)含量41.54 g·kg-1，陽離子交換量（CEC）為19.55 cmol·kg-1，土壤Cd含量為0.69 mg·kg-1。湘潭屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)，降水量較充沛，早稻和晚稻分別在三月份和七月份進(jìn)行播種，六月中旬和九月中旬分別進(jìn)入抽穗開花期。當(dāng)?shù)靥镩g施肥方法依照水稻的測土配方施肥技術(shù)，其中每667 m2施用的氮磷鉀肥總量分別為：尿素27 kg、普鈣40 kg、氯化鉀15 kg，整個生育期各處理無明顯病蟲害發(fā)生，采用化學(xué)除草劑去除雜草。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與處理

試驗(yàn)采用順序排列，每個小區(qū)面積為5.00 m2，長為2.50 m，寬為2.00 m。設(shè)置試驗(yàn)為1個對照組（CK）和2個處理組，處理組1噴施1 L濃度為5 mmol·L-1ZnSO4，處理組 2噴施 1 L 濃度為 10 mmol·L-1Zn-SO4，每個處理組設(shè)置3個重復(fù)。水稻開花期后，分別將配制好的 5 mmol·L-1和 10 mmol·L-1的 ZnSO4溶液倒入容積為1 L的手持式噴壺中，調(diào)整噴壺使其噴出霧狀水霧，進(jìn)而將ZnSO4均勻地噴施在水稻葉面上，對照組噴施1 L自來水（CK）。待水稻成熟后，采集不帶根系的水稻植株。水稻自然晾干后，將水稻植株分為籽粒、穗軸、旗葉、穗下節(jié)間、穗下節(jié)、倒二節(jié)、倒二節(jié)間、倒二葉共八部分，放入烘箱在70℃的條件下烘干。

1.3 水稻各部位Cd含量和其他必需元素含量的測定

參照Liu等[21]的方法，稱取0.5 g植株樣品放入消煮管中，加入7 mL的HNO3浸泡過夜，110℃消煮2.5 h，加入1 mL 30%H2O2之后繼續(xù)110 ℃煮1.5 h，之后升溫趕酸定容。使用ICP-MS（Agilent 7500a，USA）測定土壤和植物各器官中的Cd、K、Ca、Mg、Fe、Mn和Zn的元素含量。

1.4 數(shù)據(jù)的處理和分析

采用Excel和SPSS 19.0軟件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理以及顯著性分析，并用Origin 8.0軟件繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 ZnSO4對水稻各器官Cd含量的影響

Cd含量在早稻和晚稻之間以及水稻各器官間存在明顯的差異，晚稻各部分的Cd含量明顯高于早稻，穗軸中的Cd含量明顯高于籽粒中的Cd含量（圖1A）；穗下節(jié)和倒二節(jié)中富含大量的Cd（圖1B）。晚稻和早稻各處理穗下節(jié)中的Cd含量是旗葉和穗下節(jié)間中Cd含量的10倍左右，倒二節(jié)中的Cd含量是倒二節(jié)間中Cd含量的3倍左右（圖1C、圖1D）。

圖1 ZnSO4濃度（Zn5和Zn10）對晚稻和早稻不同器官中Cd含量的影響Figure 1 Effects of ZnSO4（Zn5和Zn10）on Cd concentrations in different organs of late rice and early rice

開花期葉面噴施 5 mmol·L-1和 10 mmol·L-1的ZnSO4，使成熟期籽粒、穗軸、旗葉、穗下節(jié)間、穗下節(jié)、倒二節(jié)間、倒二節(jié)中的Cd含量顯著下降，且隨著Zn濃度的增加其降Cd效果更為明顯。與對照相比，噴施 5 mmol·L-1和 10 mmol·L-1的 ZnSO4使晚稻籽粒 Cd含量分別下降16.93%和28.52%，穗軸Cd含量分別下降22.30%和31.14%；使早稻籽粒Cd含量分別下降7.81%和32.00%，穗軸中的Cd含量分別下降40.34%和52.79%。此外，與對照相比，噴施5 mmol·L-1和10 mmol·L-1的ZnSO4明顯抑制了早稻穗下節(jié)中Cd向穗下節(jié)間的轉(zhuǎn)運(yùn)，噴施10 mmol·L-1的ZnSO4抑制了晚稻穗軸中的Cd向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)，以及抑制了早稻旗葉中的Cd向穗軸的轉(zhuǎn)運(yùn)。

2.2 水稻不同器官Cd含量的相關(guān)性分析

由表1可以看出，湘潭晚稻籽粒Cd含量和穗軸Cd含量、穗下節(jié)間Cd含量、倒二節(jié)間Cd含量呈極顯著（P＜0.01）正相關(guān)；穗軸和穗下節(jié)間、穗下節(jié)Cd含量呈顯著（P＜0.05）正相關(guān)；穗下節(jié)間和穗下節(jié)、倒二節(jié)間Cd含量呈極顯著（P＜0.01）正相關(guān)（表1）；穗下節(jié)和倒二節(jié)間、倒二節(jié)呈極顯著（P＜0.01）正相關(guān)，倒二節(jié)間和倒二節(jié)呈極顯著（P＜0.01）正相關(guān)，其他器官之間其Cd含量并沒有表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性。

表1 晚稻和早稻不同器官中Cd含量的相關(guān)性Table 1 Correlation between Cd concentrations in different organs of late rice and early rice

早稻籽粒Cd含量和穗軸、旗葉、穗下節(jié)間、穗下節(jié)、倒二葉、倒二節(jié)都呈極顯著（P＜0.01）正相關(guān)；穗軸Cd含量與旗葉和穗下節(jié)間Cd含量呈極顯著（P＜0.01）正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.843**、0.809**（表1）；旗葉和穗下節(jié)間、倒二葉、倒二節(jié)呈極顯著（P＜0.01）正相關(guān)；穗下節(jié)間Cd含量和穗下節(jié)、倒二葉、倒二節(jié)Cd含量呈極顯著（P＜0.01）正相關(guān)；此外，除穗軸外，其余各部分Cd含量與倒二節(jié)間中Cd含量并沒有表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性，這表明籽粒對Cd的吸收積累與穗軸以及穗下節(jié)間和穗下節(jié)關(guān)系密切。

2.3 Zn離子對水稻籽粒和穗軸其他必需元素含量的影響

K是水稻各部位中含量最豐富的離子，晚稻穗軸K含量明顯高于籽粒，這說明只有一小部分K轉(zhuǎn)移到了籽粒中，葉面噴施ZnSO4使籽粒和穗軸中的K含量略有降低。Mg是稻米中第二大豐富的元素，葉面噴施ZnSO4使晚稻穗軸中的Mg含量略有增加，但對早稻和晚稻籽粒中的Mg含量無顯著影響。籽粒和穗軸中的Ca和Mn元素含量都隨著Zn的噴施而降低，噴施10 mmol·L-1的Zn能顯著降低稻米中的Ca和Mn含量。噴施ZnSO4增加了籽粒和穗軸中的Fe元素含量，并顯著提升了籽粒中的Zn含量，噴施5 mmol·L-1和10 mmol·L-1的Zn肥使晚稻籽粒中的Zn含量分別增加13.81%和44.60%（表2）。

表2 ZnSO4（Zn5和Zn10）對晚稻和早稻籽粒及穗軸K、Mg、Ca、Mn、Fe、Zn含量的影響Table 2 Effects of ZnSO4（Zn5和Zn10）on concentrations of K，Mg，Ca，Mn，F(xiàn)e，Zn in grains and rachises of late rice and early rice

對于早稻而言，籽粒中的K含量高于晚稻籽粒，而穗軸中K元素含量明顯低于晚稻穗軸中的K含量，其他元素早稻和晚稻差距不大。噴施5 mmol·L-1的ZnSO4使籽粒和穗軸中的Mg、Ca、Mn、Fe略有下降，但是籽粒Mg、Mn、Fe差異未達(dá)到顯著水平，穗軸的Ca和Fe未達(dá)到顯著水平。噴施10 mmol·L-1的ZnSO4使籽粒K、Ca和Mn的含量顯著下降。噴施5 mmol·L-1和10 mmol·L-1的鋅肥使早稻籽粒中的Zn含量分別增加39.02%、47.88%，穗軸中的Zn含量分別增加26.93%和105.00%。

Mn、Zn兩種元素在水稻各器官中呈現(xiàn)出不同的分布特征，噴施Zn肥影響了其在水稻體內(nèi)的分布。在晚稻Cd污染農(nóng)田中，Mn、Zn兩種元素都表現(xiàn)為穗下節(jié)和倒二節(jié)中含量最高，與對照相比，葉面噴施Zn肥使除旗葉和倒二葉外的其他部分的Mn含量呈現(xiàn)降低的趨勢（表3），同時各部分Cd和Mn表現(xiàn)為正相關(guān)。Zn在籽粒、旗葉、穗下節(jié)、倒二葉、倒二節(jié)中的含量都隨著Zn含量的增加呈增加的趨勢。K元素表現(xiàn)為穗下節(jié)間和倒二節(jié)間含量最高，為50～72 g·kg-1（圖2A），其余各器官中K元素在不同處理間差異不顯著。Ca和Fe元素都是在旗葉和倒二葉中的含量比較高（圖2B、圖2D），但是各器官中Ca、Fe和Mg元素也沒有隨著處理的變化產(chǎn)生明顯的差異性。

在早稻中，Mn元素在倒二葉和倒二節(jié)中的含量比較高，其次是旗葉和穗下節(jié)中含量。Zn元素同晚稻一致，表現(xiàn)為穗下節(jié)和倒二節(jié)中含量最高，在籽粒、穗軸、旗葉中的含量都隨著Zn含量的增加呈增加的趨勢（表4）。K元素同樣表現(xiàn)為穗下節(jié)間和倒二節(jié)間中的含量最高，為39～62 g·kg-1（圖3A），并且隨著Zn濃度的增加呈現(xiàn)增加的趨勢，其余各器官中K元素在不同處理間并沒有表現(xiàn)出明顯的差異性。Ca元素與晚稻趨勢一致，表現(xiàn)為旗葉和倒二葉中含量最高（圖3B），但是各器官中Ca和Mg元素也沒有隨著處理的變化產(chǎn)生明顯的差異性。

表3 ZnSO4（Zn5和Zn10）對晚稻各器官M(fèi)n和Zn分布的影響Table 3 Effects of ZnSO4（Zn5和Zn10）on Mn and Zn concentrations in different organs of late rice

圖2 噴施ZnSO4（Zn5和Zn10）對晚稻各器官中K、Ca、Mg和Fe分布的影響Figure 2 Effects of ZnSO4（Zn5和Zn10）on the distribution of K，Ca，Mg and Fe indifferent organs of late rice

表4 ZnSO4（Zn5和Zn10）對早稻各器官M(fèi)n和Zn分布的影響Table 4 Effects of ZnSO4（Zn5和Zn10）on Mn and Zn concentrations in different organs of early rice

圖3 ZnSO4（Zn5和Zn10）對早稻各器官中K、Ca、Mg和Fe分布的影響Figure 3 Effects of ZnSO4（Zn5和Zn10）on the distribution of K，Ca，Mg and Fe in different organs of early rice

表5 早稻和晚稻籽粒中Cd含量與其他元素含量的相關(guān)系數(shù)Table 5 Correlation coefficients between Cd content of other elements in rice grains

早稻和晚稻籽粒中的Cd元素與其他元素間的相關(guān)性不同（表5）。晚稻籽粒中的Fe元素與籽粒中的Cd呈負(fù)相關(guān)，但不顯著；Zn與Cd呈極顯著負(fù)相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)為-0.833**；K和Mg與Cd呈顯著正相關(guān)，Mn與Cd呈正相關(guān)，但是相關(guān)性不顯著。早稻籽粒中的Mn與Cd呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.908**，籽粒中的Zn與Cd呈負(fù)相關(guān)，其他各元素與Cd的相關(guān)性不顯著。

3 討論

水稻籽粒中的Cd含量通常與土壤中有效態(tài)Cd含量呈正相關(guān)，然而，降雨量對土壤中有效態(tài)Cd含量有顯著影響[22-23]。本研究發(fā)現(xiàn)，晚稻各器官的Cd含量明顯高于早稻，這可能是由于湖南地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均降水量在1500 mm左右，一半以上的降水量集中在3月到7月之間。早稻根系土壤周圍的Cd離子在降水量較高時可能更容易沉降到深層土壤中[24-25]，同時，降水量的增加還會降低植物的蒸騰作用，減少通過蒸騰拉力向旗葉和穗部轉(zhuǎn)運(yùn)的Cd離子數(shù)量，從而減少了早稻籽粒中Cd的積累。相反，晚稻灌漿期間氣候干燥，蒸騰作用比較強(qiáng)，這可能會促進(jìn)Cd由土壤深層向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)[26-28]。因此，灌漿期間降水量的差異可能是致使晚稻和早稻之間各部位中Cd含量不同的主要環(huán)境因素。

水稻在其成熟的過程中，存儲于各營養(yǎng)器官中的部分營養(yǎng)元素會被遷移轉(zhuǎn)運(yùn)到籽粒中[29-30]。穗下節(jié)和倒二節(jié)對Cd從木質(zhì)部到韌皮部的轉(zhuǎn)運(yùn)起主要的調(diào)節(jié)作用[31]，節(jié)中的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白對某些礦質(zhì)營養(yǎng)元素的轉(zhuǎn)運(yùn)也起著重要的調(diào)節(jié)作用[32-34]。穗軸是連接水稻莖稈和籽粒的部位，根系和葉片中的營養(yǎng)元素都會通過穗軸轉(zhuǎn)運(yùn)到籽粒中，水稻籽粒中的Cd含量與穗軸中的Cd含量呈極顯著正相關(guān)[14]。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，籽粒中的Cd含量與穗軸、節(jié)以及節(jié)間中的Cd含量相關(guān)性比較高，通過穗下節(jié)的固定，穗下節(jié)間、旗葉和穗軸中的Cd含量明顯降低。此外，無論是雨水充沛的早稻灌漿期，還是秋高氣爽的晚稻灌漿期，開花期噴施Zn離子后，都能顯著降低稻米中的Cd含量。這可能是由于Zn與Cd為同族元素，它們的化學(xué)性質(zhì)相似，當(dāng)Zn2+與Cd2+同時競爭相同的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白時，膜蛋白會優(yōu)先結(jié)合水稻生長發(fā)育所必需的Zn2+，從而抑制了Cd2+從旗葉向穗軸和籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)。此外，噴施Zn還可能抑制了水稻的蒸騰作用，從而對Cd的吸收、運(yùn)輸和再分配產(chǎn)生影響[20，35-36]；同時，細(xì)胞壁中的[Si-半纖維素-Zn]絡(luò)合物能和Cd產(chǎn)生共沉淀，將Cd固定在節(jié)、莖稈和葉片等器官的細(xì)胞壁中，從而抑制了Cd在細(xì)胞間的轉(zhuǎn)運(yùn)[37-38]。

水稻體內(nèi)Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)與其他營養(yǎng)元素的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)有著密切的關(guān)系。細(xì)胞膜上的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白以及離子通道不僅能夠轉(zhuǎn)運(yùn)多種植物所需的必需元素例如K+、Zn2+、Ca2+、Mg2+、Mn2+，還能轉(zhuǎn)運(yùn)一些非必需元素，如Cd2+[39-40]。Cd不僅能夠抑制植物的生長，還能夠抑制其他必需元素的吸收積累從而造成植物細(xì)胞的死亡。本研究發(fā)現(xiàn)，水稻開花期噴施5～10 mmol·L-1的ZnSO4不僅增加了晚稻和早稻籽粒中的Zn含量；還增加了晚稻籽粒和穗軸中的Fe含量，這可能是因?yàn)檫M(jìn)入葉片的Zn加強(qiáng)了鋅鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（ZIP）的活性，促進(jìn)了其對Zn和Fe的親和力，提高了其轉(zhuǎn)運(yùn)率[41-42]。此外，晚稻籽粒中的Cd含量與籽粒中的K和Ca正相關(guān)，早稻籽粒中的Cd含量與Ca和Mn顯著正相關(guān)，這說明大多數(shù)的Cd都能通過Mn、K、Ca離子通道或者轉(zhuǎn)運(yùn)通道進(jìn)入水稻籽粒中，并伴隨著這些元素的降低而減少。因此，葉面噴施ZnSO4，既可以通過增加籽粒中Zn2+濃度，與Cd2+競爭離子通道，從而直接抑制Cd的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)，也可以通過影響籽粒和穗軸中其他必需元素的積累，間接地抑制水稻籽粒對Cd的吸收和積累。

4 結(jié)論

（1）晚稻籽粒和穗軸中的Cd含量都顯著高于早稻，水稻開花期噴施ZnSO4能顯著降低晚稻和早稻籽粒中的Cd含量。與對照相比，噴施5 mmol·L-1和10 mmol·L-1的ZnSO4使晚稻籽粒Cd含量分別下降16.93%和28.52%；使早稻籽粒Cd含量分別下降7.81%和32.00%。

（2）穗下節(jié)是Cd含量最高的地上部器官，對穗軸和籽粒中的Cd含量有顯著影響。噴施5 mmol·L-1和10 mmol·L-1Zn能使晚稻穗下節(jié)Cd含量（40.32 mg·kg-1）分別下降29.00%和44.44%，早稻穗下節(jié)Cd含量（10.53 mg·kg-1）分別下降4.89%和20.66%。通過穗下節(jié)的固定，穗下節(jié)以上的節(jié)間、穗軸和籽粒中的Cd含量大幅度下降。

（3）葉面噴施ZnSO4，既能增加籽粒中Zn2+濃度，也能影響籽粒和穗軸中Fe、Ca、Mn等必需元素的含量。