施硅時期對輕度污染土壤中水稻累積砷的影響

樊利敏，孫立永，孫 宇，耿麗平，趙全利，薛培英，劉文菊

（1.河北農(nóng)業(yè)大學 資源與環(huán)境科學學院/河北省農(nóng)田生態(tài)環(huán)境重點實驗室，河北 保定 071000； 2.河北省協(xié)同創(chuàng)新中心，河北 石家莊 050000；3.河北農(nóng)業(yè)大學 教學試驗場，河北 保定 071001）

砷（As）是一種類金屬元素，廣泛存在于自然界中，我國土壤中砷的背景值平均為11.2 mg/kg［1］，但近年來農(nóng)田土壤砷污染也是不容忽視的重要環(huán)境問題之一。土壤中的砷來源于自然因素和人為因素，其中自然因素主要為土壤的地球化學過程［2］，而人為來源主要包括含砷礦物的開采和冶煉，噴施含有機砷的農(nóng)藥、含砷污水灌溉等。土壤砷可通過植物性食品經(jīng)食物鏈進入人體，對人體健康構成威脅［3］。水稻作為世界第一主糧作物，全球約60%的人口以大米為主食［4］，然而，由于水稻長期生長在淹水條件下，淹水環(huán)境使土壤中砷的生物有效性顯著增加，進而增強了其對砷的轉運和富集能力［5-6］，造成水稻可食部位砷超標或者水稻植株砷毒害［7］，因此解決稻米砷污染迫在眉睫。

硅是水稻生長的有益元素［8］。在淹水的稻田土壤中，砷主要以亞砷酸形式存在（AsIII），由于硅酸和亞砷酸具有相似的解離常數(shù)和分子大小，AsIII可以通過硅酸的轉運通道蛋白Lsi1 進入水稻根系進而通過Lsi2 在根中進行橫向運輸進入木質(zhì)部，因此，施硅可調(diào)控水稻對砷的吸收以及地上部對砷的富 集［9-10］。已有的水培試驗表明，外源硅能顯著降低水稻根系對As 的吸收、砷在體內(nèi)的轉運以及地上部對As 的累積［11-13］。然而，在水稻實際種植中，砷污染的土壤環(huán)境較為復雜，如土壤砷的污染程度、土壤的理化性質(zhì)均存在差異。對重度砷污染土壤而言，硅施入土壤后會將土壤固相吸附的砷解吸到土壤溶液中，增加了土壤中砷的有效性，當硅對土壤固相砷的解吸作用大于硅對水稻吸收砷的抑制作用，施硅就會促進水稻中砷的累積［14］；但是，在土壤砷污染較輕的情況下，施硅增加砷植物有效性的風險較小，由此可見，土壤溶液的硅/砷摩爾比在一定程度上調(diào)控著水稻對砷的吸收和累積［15-17］。此外，施硅作為水稻生長過程中一個重要農(nóng)藝措施，硅的施用時期與水稻的生長關系密切。那么對于土壤輕度砷污染的水稻種植區(qū)來說，硅的施用時期是否同樣會影響水稻的生長，且影響著水稻體內(nèi)砷的累積？基于此，本試驗采用水稻種植區(qū)輕度砷污染土壤，研究在移栽前基施硅（Bf）、以及分別在分蘗期（Ts）、拔節(jié)期（Js）、揚花期（Fs）追施硅對水稻生長和砷累積的影響，并通過分析施硅后土壤溶液中硅、砷含量的動態(tài)影響，進一步探討不同施硅期對水稻不同組織中砷含量的調(diào)控機制。為糧食安全提供可靠的理論及可行的技術支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試水稻品種選用‘Italica carolina’（一種生育期 較短的品種，來源于英國洛桑研究所）

供試土壤選用輕度砷污染土壤（采自我國某水稻種植區(qū)），將輕度砷污染土壤磨碎后過篩（5 mm），自然風干后保存，備用。該土壤的基本理化性質(zhì)：pH 7.98，有機質(zhì) 21.3 g/kg，堿解氮65.8 mg/kg，速效磷44.8 mg/kg，速效鉀219 mg/kg，有效硅含量247 mg/kg，有效砷含量14.3 mg/kg，總砷含量為 60 mg/kg。

1.2 試驗設計

1.2.1 水稻植株培養(yǎng) 選擇均勻且飽滿的水稻種子，將其在30%過氧化氫溶液中消毒15 min 后，用自來水、蒸餾水和超純水分別沖洗3 ～4 次，在黑暗條件下催芽。水稻育苗期間的生長條件：28 ℃，14 h 光照和 20 ℃，10 h 黑暗，光照強度為260 ～ 350 μmol/m2·s，相對濕度為60%～70%。水稻幼苗生長2 周后移入水稻專用營養(yǎng)液中（Kimura 配方），培養(yǎng)至 6 ～7 葉時移栽至土壤中，水稻幼苗移栽后，在分蘗期—拔節(jié)期灌水保持在2 ～3 cm，抽穗—揚花期灌水保持在3 ～5 cm，之后進行干濕交替，直至臘熟期后停止灌溉，整個生育期均在日光溫室中培養(yǎng)。1.2.2 試驗處理 本試驗采用土壤—根袋聯(lián)合培養(yǎng)方法，將已過篩的輕度砷污染土分別裝入4 個根袋（用30 μm 孔徑的尼龍網(wǎng)制成）中，將根袋均勻立于培養(yǎng)缽（直徑20 cm，高40 cm）中，然后裝入同樣的砷污染土填充根袋之間、根袋和培養(yǎng)缽內(nèi)壁之間的間隙，并保證根袋內(nèi)外土壤高度一致，每盆裝10 kg 土壤。在每個培養(yǎng)缽中埋設土壤溶液提取器（Rhizo-sampler，Netherlands）［18-19］，以監(jiān)測土壤溶液中硅、砷濃度的變化。

試驗共設不施硅對照（CK），移栽前基施硅肥（Bf）、移栽后第13 天分蘗期（Ts）、第31 天拔節(jié)期（JS）和第40 天揚花期（Fs）等5 個處理時期，分別在每個處理時期將液體硅肥（河北省中科啟潤生物有機肥料廠，含水溶硅（以SiO2計）142 g/L） 按照試驗處理稀釋到灌溉水中，以沖施的方式進行1 次試驗處理，保證每個時期硅用量均為100 mg SiO2/kg，每個處理設4 個重復。土壤裝盆前每10 kg 土壤均勻混入氮肥［以(NH2)2CO 形式］4.29 g，磷 肥［以Ca(H2PO4)2·H2O 形式］2.66 g，鉀肥（以KCl 形式）3.17 g 作為底肥［20］。

1.3 樣品的采集和測定

試驗于2017 年6 月進行，整個生育期持續(xù)70 d。

1.3.1 土壤溶液的采集和測定 分別在水稻移栽前（在后面的圖表中用0 d 表示）和移栽后的第16、33、44、58 天采集土壤溶液。經(jīng)0.45 μm 濾膜過濾后，樣品置于-80 ℃超低溫冰箱冷凍保存?zhèn)溆?。采用硅鉬藍比色法用紫外分光光度計測定土壤溶液中硅濃度。采用原子熒光分光光度計（AFS-9600，北京海光分析儀器公司）測定土壤溶液中砷濃度。

1.3.2 植物樣品的采集和測定 成熟后，將整株水稻自莖基部淹水2 ～3 cm 以上用不銹鋼剪刀剪下，裝入寫好標簽的尼龍袋中，放置于干燥通風處自然晾干（這部分秸稈主要用于砷的測定），同樣也將剩余的2 ～3 cm 秸稈剪下分開晾干。將風干的地上部分為秸稈（以上兩部分之和）、穎殼、糙米三部分，分別記錄干重。稱重后，將近莖基部2 ～3 cm 秸稈丟棄，其他樣品用自來水、蒸餾水和超純水分別清洗3 遍，于鼓風干燥箱60 ～70 ℃烘至恒重。烘干后的秸稈、穎殼、糙米用高速萬能粉碎機（FW100，天津市泰斯特儀器有限公司）粉碎，將樣品置于-20 ℃冰箱中保存待消解。

水稻秸稈、穎殼和籽粒采用高壓密閉消解法進行樣品前期處理［21-22］，同時秸稈和穎殼消解時添加標準物質(zhì)（GBW07603 灌木枝葉）和空白，籽粒消解時采用大米的標準物質(zhì)（GBW10010），以保證消煮過程及測定的準確度，最后用原子熒光分光光度計（AFS-9600，北京海光分析儀器公司）測定水稻不同組織消解液中的砷含量。

1.4 統(tǒng)計分析

采用Microsoft Oきce Excel 2019 對試驗數(shù)據(jù)進行作圖整理和數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析軟件SPSS19. 0 對試驗數(shù)據(jù)不同施硅時期各處理之間進行方差分析、顯著性檢驗以及多重比較，其中多重比較采用LSD 法分析不同施硅時期的各項指標在P=0.05 水平上的差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 施硅時期對水稻生物量的影響

硅是水稻生長的有益元素，本試驗的結果顯示，在輕度砷污染土壤上施硅促進了水稻的生長（圖1）。與不施硅CK 相比，不同時期施硅水稻籽粒的產(chǎn)量均呈增加的趨勢，其中拔節(jié)期（Js）追施硅籽粒干重顯著高于對照（P＜0.05），增幅為42.9%，且籽粒干重最高（圖1A）；對于水稻秸稈而言，不同時期施硅均可以增加水稻生物量，其中拔節(jié)期（Js）施硅的水稻秸稈與對照和其他處理相比差異顯著（P＜0.05），達到最高，增幅分別為103.3%（CK）、80.8%（基施硅肥Bf）、47.5%（分蘗期施硅Ts）以及78.9%（揚花期施硅Fs）（圖1B）。因此，拔節(jié)期施硅能夠促進水稻生長，且顯著提高了水稻的秸稈和籽粒生物量。

圖1 施硅時期對水稻籽粒(A)和秸稈(B)生物量的影響Fig.1 Effects of Si application stages on biomass of rice grain (A) and straw (B)

2.2 施硅時期對土壤溶液硅、砷濃度動態(tài)變化的影響

土壤溶液中硅和砷濃度直接關系著水稻根系對二者的吸收，因此，本研究監(jiān)測了水稻整個生育期，施硅時期對土壤溶液硅、砷濃度動態(tài)變化的影響（圖2、圖3）。由土壤溶液中硅濃度的動態(tài)變化可知（圖2），土壤溶液中硅濃度的動態(tài)變化大致呈現(xiàn)出先降低后升高又降低的趨勢，但是無論對照還是施硅處理，在移栽后第16、33、58 天土壤溶液中硅濃度變化不明顯。這里值得一提的是，水稻移栽后，拔節(jié)期（Js）和揚花期（Fs）兩個施硅處理的土壤溶液中硅濃度在第44 天時達到最大值，分別為 60 mg/L 和40 mg/L，顯著高于對照和其他處理，并且土壤溶液中較高濃度硅的存在勢必會促進水稻的生長和發(fā)育，在一定程度上降低水稻對砷的吸收和累積。

圖2 施硅時期對土壤溶液硅濃度動態(tài)變化的影響Fig.2 Effects of Si application stages on dynamic change of Si concentration in soil solution

由水稻施硅不同時期對土壤溶液砷濃度的動態(tài)變化影響（圖3）可知，4 個施硅時期處理中土壤溶液中砷含量變化趨勢基本一致，均呈現(xiàn)先降低后趨于平穩(wěn)至砷濃度小于0.07 mg/L。不施硅的對照，在水稻移栽初期（0 ～8 d）土壤溶液中砷的濃度維持在較高水平（0.20 ～0.35 mg/L），隨著移栽時間的繼續(xù)延長，土壤溶液中砷濃度呈直線下降趨勢，第16 天后趨于穩(wěn)定（0.03 ～0.05 mg/L）；基施硅肥（Bf）處理，土壤溶液砷濃度的變化趨勢與對照相似，移栽初期砷濃度范圍0.25 ～0.33 mg/L，而后土壤溶液中砷含量逐漸下降，與對照相比，在第16 ～33 天 之間，均高于對照，33 d 之后與對照的平穩(wěn)趨勢基本一致；同樣分蘗期（Ts）施硅處理在水稻移栽初期土壤溶液砷濃度與基施硅肥（Bf）處理基本一致，之后短暫出現(xiàn)降低后迅速升高，在第33 天時達到0.17 mg/L，表明在分蘗期（Ts）追施硅后，硅將土壤固相的砷解吸下來進入土壤溶液，使土壤溶液中砷濃度迅速升高。由于水稻對硅、砷的吸收以及硅對土壤固相砷的解吸使硅、砷在土壤溶液中存在平衡，因而隨著水稻移栽時間的延長，土壤溶液中的砷濃度逐漸下降呈現(xiàn)平穩(wěn)趨勢；但是，水稻移栽初期，拔節(jié)期（Js）和揚花期（Fs）施硅處理土壤溶液中砷濃度處于較低的水平（0.09 ～0.17 mg/L），在移栽第16 天后趨于平穩(wěn)，維持在0.02 ～0.05 mg/L。由此可見，整個生育期內(nèi)，拔節(jié)期（Js）和揚花期（Fs）施硅處理土壤溶液中砷濃度保持在較低水平的時間最長，這與兩個處理在水稻生長期出現(xiàn)較高的硅濃度有關，并且這也勢必會影響水稻植株對砷的累積。

圖3 施硅時期對土壤溶液砷濃度的動態(tài)變化影響Fig.3 Effects of Si application stages on dynamic change of As concentration in soil solution

結合以上水稻不同施硅時期土壤溶液中硅、砷濃度的動態(tài)變化，本研究計算了土壤溶液中Si/As摩爾比，由其動態(tài)變化表明（表1），4 個施硅時期處理的土壤溶液中Si/As 均呈現(xiàn)升高趨勢，在第44 天達到最大值，其中基施硅肥（Bf）和分蘗期（Ts）兩種處理施硅大約在100：1 ～450：1，然而拔節(jié)期（Js）和揚花期（Fs）兩種施硅時期Si/As 竟然高達300：1 ～1 400：1。總之，拔節(jié)期（Js）和揚花期（Fs）施硅的水稻在整個生育期Si/As 一直處于較高水平。

表1 施硅時期對土壤溶液中硅/砷摩爾比動態(tài)變化影響Table 1 Effects of Si application stages on the dynamic change of Si/As molar ratios in soil solution

2.3 施硅時期對水稻不同組織中砷含量的影響

施硅時期不同對水稻秸稈、穎殼和糙米中砷含量產(chǎn)生了不同的影響（圖4）。對照和各處理的秸稈砷含量范圍7.01 ～15.2 mg/kg，其中對照的秸稈砷含量最高，對照＞基施硅肥＞其他3 個時期。與不施硅CK 相比，4 個時期施硅均顯著降低了水稻秸稈中砷含量（P＜0.05），基施硅肥（Bf）、分蘗期（Ts）、拔節(jié)期（Js）和揚花期（Fs）追施硅的降幅分別為25.6%、53.9%、46.3%、52.6%，且后3 個時期施硅秸稈中砷含量也顯著低于基施硅肥，但是后3 個施硅時期之間秸稈砷含量沒有明顯差異（圖4A）。水稻秸稈一般用于飼料或者有機肥料，只有分蘗期（Ts）、拔節(jié)期（Js）和揚花期（Fs）追施硅處理的秸稈砷含量沒有超過我國飼料衛(wèi)生標準安全限值（GB13078—2001，As≤10 mg/kg）和有機肥料中重金屬限量標準（NY525—2012，As≤15 mg/kg）， 可以安全使用。

圖4 施硅時期對水稻秸稈(A)、穎殼(B)和糙米(C)中砷含量變化的影響Fig. 4 Effects of Si application stages on As accumulation in rice straw (A), husk (B) and grain (C)

對于水稻穎殼來說，施硅時期對其中砷含量的影響趨勢與秸稈基本一致（圖4B）。與不施硅CK相比，基施硅肥（Bf）、分蘗期（Ts）、拔節(jié)期（Js）和揚花期（Fs）追施硅顯著降低了水稻穎殼中砷含量（P＜0.05），降幅分別為26.1%、40.3%、30.6%、53.7%，其中揚花期（Fs）追施硅水稻穎殼中砷含量最低（圖4B）；同樣，對于水稻糙米而言，砷含量范圍0.17 ～0.52 mg/kg，其中對照的糙米砷含量最高，對照（CK）＞基施硅肥（Bf）＞分蘗期（Ts）、拔節(jié)期（Js）＞揚花期（Fs）。與不施硅CK 相比，不同施硅時期均顯著降低了水稻糙米中砷含量（P＜0.05），基施硅肥（Bf）、分蘗期（Ts）、拔節(jié)期（Js）和揚花期（Fs）施硅處理降幅分別為31.4%、50.0%、45.1%、67.5%，其中分蘗期（Ts）、拔節(jié)期（Js）追施硅水稻糙米砷含量顯著低于基施硅（Bf），揚花期追施硅水稻糙米中砷含量最低，顯著低于分蘗期（Ts）、拔節(jié)期（Js）2 個施硅時期，分別降低了34.9%和40.7%（圖4C）。綜上，揚花期（Fs）追施硅效果最佳，其次為分蘗期（Ts）、拔節(jié)期（Js）施硅，均能顯著降低水稻糙米中砷含量，降低糧食食用風險。

3 討論與結論

硅是水稻生長的有益元素，施硅能顯著促進水稻的生長和發(fā)育［23］，但是不同時期施硅效果差異不同，本試驗結果表明在拔節(jié)期和揚花期追施硅肥均可以提高水稻生物量和產(chǎn)量，龔金龍等研究在水稻生長的各個時期施用硅肥顯著提高了水稻產(chǎn)量，且拔節(jié)期施硅效果最顯著［24］，這與本試驗結果相似。研究表明［25］水稻生長發(fā)育過程中吸硅能力依次為：分蘗—孕穗期＞抽穗—成熟期＞移栽—分蘗期，而本試驗中當水稻生長第44 天時，拔節(jié)期和揚花期兩個處理的土壤溶液中硅含量達到最高，因此，土壤溶液中有大量的硅，用于水稻關鍵生育期的生長以及干物質(zhì)的形成，并且在這兩個施硅時期的處理中土壤溶液中砷含量較其他處理相比處于較低水平 （圖2），因此，拔節(jié)期和揚花期兩個施硅處理受砷脅迫較少。但是，李仁英等研究發(fā)現(xiàn)分蘗期施硅水稻籽粒產(chǎn)量最高，顯著高于其它施硅期［26］，這與本試驗結果不符，原因可能是本試驗的供試土壤為輕度砷污染土，其本身土壤中的有效態(tài)硅含量要遠高于李仁英等人所用的供試土壤，當分蘗期施硅后，土壤中硅含量過多，促進了土壤固相砷的釋放，此時硅對土壤固相砷釋放作用要遠大于硅對水稻根系抑制砷吸收的作用，進而抑制了水稻的生長［16］。同樣，這也是在本試驗中基施硅肥和分蘗期兩個施硅處理效果不顯著的原因，由于土壤自身的有效硅含量較高，加之過早的施入硅肥，使得土壤中大量的硅代換掉土壤固相表面的砷，造成土壤中砷含量增多，因而水稻在第16 ～44 天之間土壤溶液中砷含量呈現(xiàn)較高狀態(tài)（圖3），此時水稻正處于生長的旺盛時期，營養(yǎng)需求較高，土壤釋放的砷含量過高造成水稻毒害。水稻對硅、砷的吸收以及硅對土壤固相砷的解吸使硅、砷在土壤溶液中存在一定的平衡，Zhang 和Guo 等研究表明當土壤溶液中Si/As比為100 和250 時均可以降低苗期水稻根系和地上部砷的含量［22,27］。而在本試驗中，基施硅肥和分蘗期施硅處理在水稻苗期砷含量一直處于較高水平，且Si/As 小于100；已有研究顯示當施入硅肥的土壤溶液中Si/As 較低（3.8 ～60）時，施入的硅并不能降低水稻秸稈、穎殼和籽粒中砷含量，在一定程度上還會增大砷對水稻的毒性［14-15］，進一步驗證本試驗結果。反觀拔節(jié)期和揚花期施硅處理中，苗期Si/As 大于100，且在水稻整個生育期Si/As 一直處于較高水平，因此，拔節(jié)期和揚花期施硅效果更好。

不同時期施硅對水稻不同組織累積砷的影響也大不相同，本試驗發(fā)現(xiàn)，在分蘗期、拔節(jié)期、揚花期施硅均能顯著降低水稻秸稈和糙米中砷含量，李仁英等的試驗結果也證實在分蘗期和揚花期施硅可顯著降低籽粒中的砷含量［26］，與本試驗結果相似 （圖4）。Seyfferth 研究表明在砷含量較高的土壤中，添加硅使土壤溶液中Si/As 維持在300 ～1 600也能起到減少砷吸收和累積的效果［14］，在本試驗中抑制砷累積的最佳施硅時期拔節(jié)期和揚花期兩種處理Si/As 高達300：1 ～1 400：1，與本試驗結果相似，表明在拔節(jié)期和揚花期兩個時期土壤—植物體系中施硅抑制根系吸收的作用要遠大于施硅促進土壤固相砷解析作用，因此，土壤溶液的Si/As 在一定程度上調(diào)控著水稻對砷的吸收和累積。此外，Yamaji等研究水稻從孕穗期開始到成熟期這一過程中能夠吸收67%的硅，表明水稻在此階段需要吸收大量硅，且Yamaji 等的研究顯示根系的Lsi1和Lsi22 個基因在揚花期高表達［28-29］，其中位于水稻根系細胞膜向外的一側的硅酸轉運通道蛋白Lsi1，負責將外部介質(zhì)中AsIII 吸收進入細胞內(nèi)［10,30］，水稻在揚花期對硅的需求量增大，此時施入硅肥，土壤中硅含量增多，進而抑制根系對AsIII 的吸收，同樣硅也可以調(diào)控位于水稻根系的外皮層和內(nèi)皮層細胞面向中柱方向的細胞膜上的硅酸轉運通道蛋白，調(diào)控AsIII 向木質(zhì)部的運輸，硅的施入使得Lsi2表達降低，從而降低水稻對砷的轉運以及籽粒中砷的累積。綜上，在輕度砷污染土中，拔節(jié)期和揚花期追施硅肥效果最佳。