無(wú)機(jī)硅葉面肥及土壤調(diào)理劑對(duì)水稻鉛、鎘吸收的影響

張宇鵬，譚笑瀟，陳曉遠(yuǎn)*，梁嘉慧，馬崇堅(jiān)，郭勇軍，周堅(jiān)兵

1. 韶關(guān)學(xué)院英東生物與農(nóng)業(yè)學(xué)院，廣東 韶關(guān) 512005；2. 韶關(guān)市粵北土壤土地工程技術(shù)研究中心，廣東 韶關(guān) 512005；3. 佛山市植寶生態(tài)科技有限公司，廣東 佛山 528000

重金屬元素對(duì)生物生長(zhǎng)具有明顯毒性，母質(zhì)和巖石中的重金屬單質(zhì)或化合物隨著風(fēng)化作用進(jìn)入土壤中，若超過(guò)安全值則造成土壤及耕地污染。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，耕地土壤重金屬污染形勢(shì)日益嚴(yán)峻。據(jù)調(diào)查，全國(guó)污染耕地土壤點(diǎn)位超標(biāo)率達(dá)19.4%（田發(fā)祥等，2015；程菁靚等，2019）。水稻作為中國(guó)主要糧食作物之一，稻田土壤重金屬特別是鉛鎘污染問題日益突出，嚴(yán)重影響中國(guó)人民身體健康，同時(shí)對(duì)中國(guó)糧食安全造成威脅。因此，降低稻田及稻米重金屬含量不僅關(guān)系到中國(guó)稻米農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全及商品競(jìng)爭(zhēng)力，也是推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)和維護(hù)生態(tài)安全的重要內(nèi)容（湯海濤等，2013）。

目前對(duì)重金屬污染耕地修復(fù)技術(shù)多種多樣，常見的修復(fù)方法包括施用土壤鈍化劑、噴施葉面阻控劑、種植低積累作物品種、水分管理、深耕深翻措施、土壤淋洗技術(shù)、化學(xué)固化修復(fù)技術(shù)、生物修復(fù)技術(shù)等措施或措施組合（Yang et al.，2016；Duan et al.，2017；Wu et al.，2017；Hussain et al.，2017；王宇霞等，2016）。由于大部分技術(shù)造價(jià)較高，因此造價(jià)相對(duì)較低的施用土壤鈍化劑和噴施葉面阻控劑技術(shù)較為常用（Yang et al.，2017；武超等，2016）。硅是水稻生長(zhǎng)不可或缺的微量元素，能夠促進(jìn)水稻的生長(zhǎng)發(fā)育，提高水稻光合作用，同時(shí)眾多研究成果和生產(chǎn)實(shí)踐也表明硅肥在抑制水稻重金屬吸收作用顯著，同時(shí)能提高稻米品質(zhì)（Datnofft et al.，1997；黃秋嬋等，2008；賀禮等，2018），大多研究關(guān)注葉面阻控劑或土壤調(diào)理劑施用量對(duì)稻米重金屬達(dá)標(biāo)率的影響和不同品種表現(xiàn)出的差異性。中國(guó)部分地區(qū)稻田是鉛鎘復(fù)合污染，硅肥對(duì)鉛鎘復(fù)合污染稻田水稻鉛和鎘吸收分布的影響鮮有報(bào)道。鑒于植物主要通過(guò)根系吸收養(yǎng)分，也可以通過(guò)葉片快速吸收部分養(yǎng)分，本研究擬通過(guò)大田試驗(yàn)探討無(wú)機(jī)硅葉面肥及土壤調(diào)理劑對(duì)水稻鉛和鎘吸收的影響，以期為稻田重金屬污染修復(fù)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于韶關(guān)市曲江區(qū)馬壩鎮(zhèn)石堡村委會(huì)官屋小組，距離大寶山礦區(qū)約 6 km，試驗(yàn)田坐標(biāo)24°38.430′N，113°35.074′E，海拔 60 m，地勢(shì)平坦，排灌水方便。供試土壤是由紅壤母質(zhì)發(fā)育的水稻土，常年水作不輪作，pH=5.48，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為42.73 g·kg-1、堿解氮 162.36 mg·kg-1、有效磷 24.41 mg·kg-1、速效鉀 73.52 mg·kg-1、鉛 142.01 mg·kg-1、鎘 2.35 mg·kg-1、鉻 31.05 mg·kg-1、砷 8.10 mg·kg-1、汞 0.42 mg·kg-1。土壤鉛和鎘高于風(fēng)險(xiǎn)篩選值（80 mg·kg-1和 0.3 mg·kg-1），屬鉛鎘復(fù)合污染。鉛污染指數(shù)Pi=Ci/Si= 1.78，屬輕度累積；鎘污染指數(shù)Pi=Ci/Si=7.83，屬重度累積。

1.2 供試材料

供試水稻品種為馬壩銀粘。

供試肥料為尿素（廣西河池化肥有限公司，N質(zhì)量分?jǐn)?shù)為46%）、過(guò)磷酸鈣（浙江中農(nóng)化肥有限公司，P2O5質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%）、氯化鉀（黑龍江倍豐農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料集團(tuán)有限公司，K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%）。葉面肥及土壤調(diào)理劑自主研發(fā)配制，其中葉面肥為濃縮液體，技術(shù)指標(biāo)：Si 120.00 g·L-1，K2O 156.00 g·L-1，Na 6.00 g·L-1，水不溶物 2.00 g·L-1，濃縮液稀釋200倍后pH為10.86；土壤調(diào)理劑為混合粉劑，技術(shù)指標(biāo)：SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11.70%，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18.30%，pH=11.50（調(diào)理劑與超純水質(zhì)量比1∶5測(cè)定）。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)期為晚稻，2019年7月10日插秧，10月16日收獲。試驗(yàn)設(shè)3個(gè)處理，分別為處理1（CK）：常規(guī)施肥；處理2（L-Si）：常規(guī)施肥+噴施葉面肥；處理3（S-Si）：常規(guī)施肥+施用土壤調(diào)理劑。人工起壟每小區(qū)5 m×5 m，每個(gè)處理3次重復(fù)，隨機(jī)排列。每處理化肥施用量相同，均為N 211.50 kg·hm-2，P2O560.00 kg·hm-2，K2O 187.50 kg·hm-2，分 3 次施用，分別為第 1次播種時(shí)施用 N 33.33%，P2O550.00%，K2O 26.00%；第2次分蘗期滅蟲后2—3 d施用N 33.33%；第3次灌漿期施用N 33.33%，P2O550.00%，K2O 74.00%。處理2葉面肥原液兌水稀釋200倍后進(jìn)行葉面噴施，在水稻分蘗、孕穗、灌漿期各噴施1次，每次噴施量為37.50 L·hm-2；處理3土壤調(diào)理劑在稻田翻耕時(shí)一次性施入，施用量為1500.00 kg·hm-2。其余田間管理方式相同。

1.4 研究方法

1.4.1 樣品采集

土壤樣品：水稻種植前采集基礎(chǔ)土樣，水稻收獲后每處理采集試驗(yàn)土樣，采用“S”布點(diǎn)法采樣，取5點(diǎn)混合成1個(gè)土樣并用四分法留取樣品，剔除土樣雜物，自然風(fēng)干后碾碎，過(guò)0.1 mm篩子后用密封袋于干燥陰涼處保存待測(cè)。

水稻樣品：水稻收獲時(shí)，每處理小區(qū)采集水稻植株樣品，分為根、莖、葉、稻殼、稻米等5部分，經(jīng)殺青、烘干及粉碎后用密封袋于干燥陰涼處保存待測(cè)。

1.4.2 樣品測(cè)試

土壤pH采用pH計(jì)法測(cè)定（土壤與超純水質(zhì)量比1:5）；土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀油浴外加熱容量法測(cè)定；土壤速效氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；土壤速效磷采用鉬銻抗比色法測(cè)定；土壤速效鉀采用火焰光度法測(cè)定（鮑士旦，1999）。土壤鉛參照GB/T 17141—1997測(cè)定；土壤鉻參照HJ 491—2009測(cè)定；土壤鎘參照 GB/T 17141—1997測(cè)定；土壤砷參照GB/T 22105.2—2008測(cè)定；土壤汞參照 GB/T 22105.1—2008測(cè)定。水稻植株鉛、鉻、鎘、砷、汞采用ICP-MS法測(cè)定。

1.4.3 數(shù)據(jù)分析

運(yùn)用Excel軟件整理數(shù)據(jù)、制作圖表，運(yùn)用SPSS（IBM SPSS Statiatics 20）軟件Duncan法進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 葉面肥及土壤調(diào)理劑對(duì)土壤pH的影響

無(wú)機(jī)硅葉面肥及土壤調(diào)理劑pH呈堿性，施用土壤調(diào)理劑后土壤pH為 (6.24±0.08)，較對(duì)照處理(5.51±0.06) 提高0.73個(gè)單位（圖1），可顯著提高土壤pH。而噴施葉面肥土壤pH為 (5.63±0.18)，與對(duì)照處理差異不顯著。

2.2 葉面肥及土壤調(diào)理劑對(duì)土壤鉛和鎘含量的影響

噴施無(wú)機(jī)硅葉面肥后土壤中鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)為(138.00±5.56) mg·kg-1，施用無(wú)機(jī)硅土壤調(diào)理劑后土壤中鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 (130.00±4.35) mg·kg-1，分別比對(duì)照處理土壤中鉛(116.00±4.35) mg·kg-1高出22.00 mg·kg-1和 14.00 mg·kg-1（圖 2）。噴施無(wú)機(jī)硅葉面肥后土壤中鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)為(1.87±0.08)mg·kg-1，與對(duì)照處理土壤中鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)(1.89±0.03)mg·kg-1差異不顯著，而施用無(wú)機(jī)硅土壤調(diào)理劑后土壤中鎘為 (2.17±0.05) mg·kg-1，顯著高于對(duì)照處理14.81%（圖3）。

圖1 不同處理土壤pHFig. 1 pH in different treatments

圖2 不同處理土壤鉛含量Fig. 2 Contents of soil Pb in different treatments

2.3 葉面肥及土壤調(diào)理劑對(duì)水稻不同部位鉛和鎘吸收影響

圖3 不同處理土壤鎘含量Fig. 3 Contents of soil Cd in different treatments

由表1可見，鉛在水稻根部富集最多，其次是葉，在莖和稻殼中富集程度相近，在稻米中最少。噴施無(wú)機(jī)硅葉面肥和施用無(wú)機(jī)硅土壤調(diào)理劑都能顯著減少鉛在根部的富集，分別較對(duì)照處理(236.67±6.43) mg·kg-1減少 11.69%和 59.59%。噴施無(wú)機(jī)硅葉面肥顯著增加了鉛在水稻莖和稻殼中的富集，分別達(dá)到 (5.33±0.19) mg·kg-1和 (3.36±0.08)mg·kg-1， 較 對(duì) 照 處 理 (4.36±0.23) mg·kg-1和(2.94±0.17) mg·kg-1增加了 22.25%和 14.29%；而鉛在葉片和稻米中的富集均顯著降低，分別較對(duì)照(18.87±0.76) mg·kg-1和 (0.39±0.06) mg·kg-1降低了12.40%和38.46%。施用無(wú)機(jī)硅土壤調(diào)理劑均能顯著減少鉛在水稻莖、葉、稻殼和稻米中的富集，分別減少了36.93%、15.16%、23.47%和51.28%。噴施無(wú)機(jī)硅葉面肥及施用無(wú)機(jī)硅土壤調(diào)理劑鉛在水稻葉和稻米中的富集差異不顯著。

鎘在水稻根部富集最多，其次是莖和葉，在稻殼和稻米中最少。噴施無(wú)機(jī)硅葉面肥顯著增加了鎘在水稻根和莖中的富集，富集量分別達(dá)到(23.43±1.25) mg·kg-1和 (10.31±0.43) mg·kg-1，分別較對(duì)照 (20.57±0.20) mg·kg-1和 (6.79±0.54) mg·kg-1增加了 13.90%和 51.84%；而鎘在葉、稻殼和稻米中富集均有所減少，分別較對(duì)照 (6.85±0.85)、(1.37±0.08)、(1.91±0.12) mg·kg-1減少了 18.10%、5.84%和40.84%，在稻殼中富集差異性不顯著。施用無(wú)機(jī)硅土壤調(diào)理劑均能顯著減少鎘在水稻根、莖、葉、稻殼和稻米中的富集，較對(duì)照處理分別減少了12.93%、42.28%、61.75%、59.85%和49.21%。而噴施無(wú)機(jī)硅葉面肥及施用無(wú)機(jī)硅土壤調(diào)理劑鎘在水稻稻米中富集未達(dá)到顯著差異水平。

表1 不同處理水稻不同部位重金屬含量Table 1 Contents of heavy metal in different parts of Rice treated with different treatments

2.4 葉面肥及土壤調(diào)理劑對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

噴施無(wú)機(jī)硅葉面肥及施用無(wú)機(jī)硅土壤調(diào)理劑后水稻產(chǎn)量分別達(dá)到 (7280.68±53.86) kg·hm-2和(7340.76±59.26) kg·hm-2， 較 對(duì) 照 處 理 產(chǎn) 量(7052.27±95.07) kg·hm-2分別增加3.24%和4.09%，增產(chǎn)效果顯著，但噴施葉面肥和施用土壤調(diào)理劑處理水稻產(chǎn)量差異不顯著（圖4）。

圖4 不同處理水稻產(chǎn)量Fig. 4 Yield of rice in different treatments

3 討論

中國(guó)南方酸性水稻土區(qū)土壤重金屬活性高、遷移性強(qiáng)，易于在水稻植株和稻米中累積，造成稻米重金屬含量超標(biāo)（李心等，2018）。重金屬?gòu)?fù)合污染條件下，葉面施用納米硅肥后水稻籽實(shí)中Cd、Pb、Cu、Zn的吸收量顯著降低（王世華等，2007）。在本研究中，噴施無(wú)機(jī)硅葉面肥后，稻米中鉛和鎘含量較對(duì)照分別降低了 38.46%和 40.84%，同時(shí)稻米產(chǎn)量增加了3.24%；鉛在根部、葉片富集顯著減少了 11.69%和 12.40%；鎘在葉片和稻殼中富集顯著減少了 18.10%和 5.84%，與噴施 0.2%無(wú)機(jī)硅溶膠效果不同，可能是由于無(wú)機(jī)硅形態(tài)不同所致。葉面施用硅肥可以降低水稻Cd、Pb、Zn和Cu可能主要是由于硅可以提高水稻葉片葉綠素含量，同時(shí)降低細(xì)胞膜的透性，從而提高了水稻的抵抗能力；也可能是由于硅在植物地上部的沉淀而阻止了 Cd向地上部的遷移（Galvez et al.，1987；秦淑琴等，1996）。在本研究中，噴施無(wú)機(jī)硅葉面肥后鉛在莖和稻殼中富集量顯著增加 22.25%和 14.29%；鎘在根和莖中富集顯著增加了13.90%和51.84%。土壤pH和土壤鎘與對(duì)照差異不顯著，而土壤鉛含量較對(duì)照含量高18.97%。說(shuō)明無(wú)機(jī)硅葉面肥對(duì)水稻鉛和鎘的阻隔部位及作用機(jī)理有所不同，無(wú)機(jī)硅經(jīng)葉面吸收后，在減少葉片中鉛富集的同時(shí)減少了根系對(duì)土壤鉛的吸收，將經(jīng)根系吸收的鉛富集于莖和稻殼中；而在減少葉片中鎘富集的同時(shí)并未減少根系對(duì)鎘吸收，將經(jīng)根系吸收的鎘富集于根和莖中。在污染紅壤及水稻土中，鉛主要積累在鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)，鎘主要以交換態(tài)存在（楊欣等，2010），噴施無(wú)機(jī)硅葉面肥后土壤pH并未變化，根系減少了對(duì)鉛的活化與吸收，而根系對(duì)鎘的活化與吸收并未減少，因此土壤中鉛含量較對(duì)照高，而土壤鎘含量較對(duì)照差異不顯著。

施用土壤調(diào)理劑是中國(guó)目前修復(fù)重金屬污染土壤的最主要措施（代允超等，2014）。施用鉀硅土壤調(diào)理劑顯著降低了水稻莖、葉和籽粒中鉛和鎘的含量（賈倩等，2015）。施用硅鈣土壤調(diào)理劑顯著降低水稻莖稈、葉片、籽粒中鉛含量和莖稈、籽粒中鎘含量（賈倩等，2017）。在本研究中，施用無(wú)機(jī)硅土壤調(diào)理劑，水稻根、莖、葉、稻殼、稻米中鉛含量顯著降低11.69%、36.93%、15.16%、23.47%和51.28%；鎘含量顯著降低12.93%、42.28%、61.75%、59.85%和49.21%。硅肥土壤調(diào)理劑能夠降低水稻中重金屬含量，主要可能是由于土壤調(diào)理劑能夠增大作物根際pH，增加植物根際氧化還原能力，改變重金屬離子形態(tài)；硅與一些重金屬離子形成不易被植物吸收的新物質(zhì)而被固定的同時(shí)，水稻吸收的硅也能改善水稻的抗逆性。而在本研究中，無(wú)機(jī)硅土壤調(diào)理劑顯著提高土壤pH=0.73個(gè)單位，土壤中鉛和鎘含量較對(duì)照顯著提高了12.07%和14.81%，土壤調(diào)理劑具有一定的吸附性，無(wú)機(jī)硅土壤調(diào)理劑在將土壤中鉛和鎘吸附固定于土壤中的同時(shí)阻隔了水稻根系對(duì)鉛和鎘下吸收，因此水稻根、莖、葉、稻殼、稻米中鉛和鎘的含量均顯著降低。

4 結(jié)論

通過(guò)田間試驗(yàn)探究噴施無(wú)機(jī)硅葉面肥和施用無(wú)機(jī)硅土壤調(diào)理劑對(duì)水稻吸收鉛和鎘的影響，為鉛鎘復(fù)合污染稻田修復(fù)提供參考。初步得到以下結(jié)果：

（1）無(wú)機(jī)硅葉面肥及土壤調(diào)理劑均呈堿性，施用無(wú)機(jī)硅土壤調(diào)理劑較對(duì)照 (5.51±0.06) 能夠顯著提高稻田土壤pH值0.73個(gè)單位，而噴施無(wú)機(jī)硅對(duì)土壤pH作用不顯著；噴施無(wú)機(jī)硅葉面肥后土壤中鉛 質(zhì) 量 分 數(shù) 較 對(duì) 照 (116.00±4.35) mg·kg-1高18.97%，施用無(wú)機(jī)硅土壤調(diào)理土壤中鉛和鎘分別較對(duì)照 (116.00±4.35)、(1.89±0.03) mg·kg-1高 12.07%和14.81%。

（2）噴施無(wú)機(jī)硅葉面肥后，水稻鉛在根、葉片、稻米中富集較對(duì)照分別減少 11.69%、12.40%和38.46%，在莖和稻殼中富集量顯著增加 22.25%和14.29%；水稻鎘在葉片、稻殼、稻米中較對(duì)照顯著減少了18.10%、5.84%和40.84%，在根和莖中富集顯著增加了13.90%和51.84%。

（3）施用無(wú)機(jī)硅土壤調(diào)理劑后，水稻中鉛在根、莖、葉、稻殼、稻米中富集量較對(duì)照顯著減少11.69%、36.93%、15.16%、23.47%和51.28%；水稻中鎘在根、莖、葉、稻殼、稻米中富集量顯著降低12.93%、42.28%、61.75%、59.85%和49.21%。

（4）噴施無(wú)機(jī)硅葉面肥及施用無(wú)機(jī)硅土壤調(diào)理劑均能夠顯著提高水稻產(chǎn)量，產(chǎn)量較對(duì)照(7052.27±95.07) kg·hm-2分別提高 3.24%和 4.09%。

綜上所述，無(wú)機(jī)硅葉面肥與土壤調(diào)理劑對(duì)復(fù)合污染稻田水稻吸收鉛和鎘的影響不同。無(wú)機(jī)硅經(jīng)葉面吸收后，在減少葉片中鉛富集的同時(shí)減少了根系對(duì)土壤鉛的吸收，將經(jīng)根系吸收的鉛富集于莖和稻殼中；而在減少葉片中鎘富集的同時(shí)并未減少根系對(duì)鎘吸收，將經(jīng)根系吸收的鎘富集于根和莖中。無(wú)機(jī)硅土壤調(diào)理劑在將土壤中鉛和鎘固定于土壤中的同時(shí)阻隔了水稻根系對(duì)鉛和鎘下吸收，因此水稻根、莖、葉、稻殼、稻米中鉛和鎘的含量均顯著降低。