不同形態(tài)硫葉面噴施對水稻鎘積累影響

趙娜娜，彭鷗，劉玉玲，董思俊，陳卓，尹雪斐，黃薪銘，伍德，張樸心，鐵柏清*

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，長沙 410128；2.湖南省灌溉水源水質(zhì)污染凈化工程技術(shù)研究中心，長沙 410128；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南方產(chǎn)地污染防控重點實驗室，長沙 410128）

原環(huán)保部和原國土資源部2014 年聯(lián)合發(fā)布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》數(shù)據(jù)顯示，鎘點位超標(biāo)率為7%，其占比居所有污染物之首。2020 年我國稻谷總產(chǎn)量占糧食總產(chǎn)量的31.64%[1]，與其他農(nóng)作物相比，水稻更容易富集鎘，進(jìn)而轉(zhuǎn)運至籽粒中，影響稻米的品質(zhì)[2]。研究表明市場大米及其制品存在鎘污染現(xiàn)象[3?5]，而鎘在人體內(nèi)的生物半衰期為20～30 a 且排泄率很低[6]，會對人體的多種器官和系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響[7?9]。因此，控制稻米鎘污染是我國水稻安全生產(chǎn)亟需解決的科學(xué)問題。

目前阻控稻米鎘積累的技術(shù)主要有農(nóng)藝調(diào)控、原位鈍化和低鎘積累品種選育3 種途徑，湖南省開展的耕地重金屬污染“VIP+n”修復(fù)技術(shù)[10]，是3 種途徑的綜合應(yīng)用。葉面阻控技術(shù)是降低水稻鎘積累的農(nóng)藝調(diào)控措施之一[11?12]，該技術(shù)主要通過噴施葉面阻控劑，利用阻控劑與鎘競爭葉面細(xì)胞上的結(jié)合位點及螯合作用，降低鎘的生理活性；并通過提高葉面細(xì)胞抗氧化酶的活性、促進(jìn)水稻生長發(fā)育和改善水稻抗逆性，提高水稻抗性，提高阻控能力[13?17]。當(dāng)前，葉面阻控劑主要有：非金屬元素型葉面阻控劑，如硅、磷、硒等；金屬元素型葉面阻控劑，如鐵、鋅、錳等；有機(jī)型葉面阻控劑，如水楊酸、谷氨酸等。葉面阻控，主要是抑制鎘從葉片經(jīng)穗軸向籽粒中轉(zhuǎn)移[18?19]。研究表明，施用硅肥可有效降低水稻籽粒中的鎘含量[20?21]。目前噴施的葉面肥大部分是含硅材料[22?23]。硅對鎘的阻控機(jī)制：從生物學(xué)角度，硅通過參與植株體內(nèi)的生理代謝活動抑制水稻對鎘的吸收及轉(zhuǎn)運，或在水稻體內(nèi)區(qū)隔化鎘；從土壤學(xué)角度，硅通過改變重金屬鎘的存在形態(tài)和土壤理化性質(zhì)來減少水稻對鎘的吸收[24?26]。亦有研究表明，硫能緩解鎘對水稻的毒害，降低水稻籽粒鎘含量[16，27]。水稻體內(nèi)約90%的鎘經(jīng)韌皮部輸送至籽粒當(dāng)中[28]，水稻韌皮部汁液中的金屬離子配體主要是含巰基（—SH）化合物，如谷胱甘肽（GSH）、植物螯合肽（PCs）及煙酰胺（NA），這些金屬離子的配體均能與鎘離子形成毒性低的復(fù)合物，防止鎘與其他活性蛋白質(zhì)結(jié)合而破壞蛋白質(zhì)的活性，這些有毒的復(fù)合物可以加速轉(zhuǎn)運至液泡中隔離，從而影響鎘的轉(zhuǎn)運量及轉(zhuǎn)運速率[29]。硫作為植物生長所需的第四大必需營養(yǎng)物質(zhì)，通常以的形式被植株根部吸收，經(jīng)同化途徑還原成游離態(tài)或結(jié)合態(tài)的S2?，S2?再轉(zhuǎn)化為—SH 形態(tài)的半胱氨酸（Cys），硫的同化主要在葉中進(jìn)行[30]。研究表明，水稻灌漿期葉片中鎘的輸出量是決定稻米中鎘含量的主要因素[31]。亦有研究表明水稻莖基部分蘗節(jié)的鎘含量直接決定上部營養(yǎng)器官及稻米中的鎘含量，根部和莖基部鎘含量與稻米中的鎘含量顯著正相關(guān)[32]。

目前，含硫多肽、蛋白質(zhì)等對水稻鎘阻控機(jī)理及硫?qū)λ靖课真k的影響方面已有大量研究[28?29，33?34]，但硫元素葉面肥對水稻的鎘阻控效果方面的研究尚不多見。因此，本文以不同形態(tài)的硫元素（—SH形態(tài)的Cys、S2?形態(tài)的K2S及形態(tài)的K2SO4）為葉面肥，通過盆栽及田間對比試驗，明確不同形態(tài)的含硫葉面肥對水稻各部位鎘含量的影響，以期為利用含硫葉面肥的水稻控鎘和為輕度鎘污染土壤安全利用提供技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 水稻品種

供試水稻品種為湘早秈45號（湘審稻2007002），屬常規(guī)中熟早秈，在湖南省作雙季早稻栽培，全生育期106 d左右。水稻種子由湖南永益農(nóng)業(yè)科技發(fā)展有限公司提供。

1.1.2 試驗地及供試土壤

本試驗于2020年4—8月在湖南省邵東市砂石鎮(zhèn)烏龍村（27.246 7°N，111.872 5°E）進(jìn)行。試驗地點屬亞熱帶季風(fēng)區(qū)，氣候溫和，日平均氣溫16.6 ℃，年平均降水量1 150～1 350 mm。試驗地土壤屬潴育水稻土，中等肥力，其土壤理化性質(zhì)見表1。由表1可知，供試土壤pH 值為6.55，屬于弱酸性土壤，土壤中的鎘含量為1.3 mg·kg?1，是《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 15618—2018）中風(fēng)險篩選值的2.17 倍，其余重金屬元素均未超標(biāo)，屬于單一鎘污染稻田土壤。

表1 試驗地土壤理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of soil in tested plot

1.1.3 盆栽試驗裝置

土培容器為聚乙烯材質(zhì)桶，上口徑40 cm，下口徑35 cm，桶高30 cm。稱取25 kg風(fēng)干的土壤裝入盆中，將土壤分層填壓至桶高28 cm 處，保持表面土壤濕潤、平整，土盆放置于室外淹水一個月，待土壤穩(wěn)定堅實，土層約下沉至桶高25 cm 處。土層的表面積約為0.15 m2。

1.1.4 供試葉面肥

供試葉面肥的具體情況見表2。

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1 盆栽試驗

盆栽供試土壤取自供試地塊0～20 cm 耕作層。盆栽試驗共設(shè)置Cys（—SH 形態(tài)硫）、K2S（S2?形態(tài)硫）、K2SO4（形態(tài)硫）、KNO3（探究鉀元素是否有降鎘效果）、速溶硅肥（常用葉面肥）5 種葉面肥及空白對照（施用等量的水）。葉面肥具體噴施方式見表3，共設(shè)置11 個處理，每個處理重復(fù)3 次。水稻移栽前3 d，根據(jù)當(dāng)?shù)卦耘嗾５氖┓始夹g(shù)與盆栽土表面積進(jìn)行換算，每個試驗盆中均勻施加過磷酸鈣13 g、尿素13 g、硫酸鉀2 g。肥料與表層0～5 cm 土壤混勻，淹水3～5 cm。選取長勢均勻一致的秧苗移栽至盆內(nèi)，每盆種植5 蔸，每蔸3 株。每3 d 灌水至與盆口齊平，其他施肥及病蟲害管理措施按當(dāng)?shù)亓?xí)慣進(jìn)行。

表3 盆栽試驗處理及操作規(guī)程Table 3 Treatment and operation procedure of pot experiment

1.2.2 田間小區(qū)試驗

田間小區(qū)試驗共設(shè)置Cys、K2S、K2SO4三種不同硫形態(tài)的葉面肥及對照，具體試驗處理名稱及葉面噴施方式見表4。共設(shè)置7 個處理，每個處理重復(fù)3 次，共21 個小區(qū)，每個小區(qū)面積為30 m2。小區(qū)采用隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)間作埂，埂高30 cm，覆蓋農(nóng)膜，并留30 cm 寬的灌排水溝，單排單灌。全生育期淹水處理，施肥及病蟲害管理參照當(dāng)?shù)亍?/p>

表4 田間小區(qū)試驗處理及操作規(guī)程Table 4 Treatment and operation procedure of field plot experiment

1.3 樣品采集與分析

1.3.1 水稻主要農(nóng)藝性狀測定

株高：盆栽試驗隨機(jī)選取3 蔸水稻；田間小區(qū)試驗采用五點采樣法，每點采3蔸，用直尺測量株高。

有效分蘗數(shù)：成熟期盆栽試驗選取3 蔸水稻；田間小區(qū)試驗采用五點采樣法，每點采3 兜，統(tǒng)計有效分蘗枝數(shù)。

水稻千粒重：收取稻谷曬干至恒質(zhì)量后隨機(jī)取1 000顆籽粒稱質(zhì)量。

水稻產(chǎn)量：脫粒所有盆內(nèi)/小區(qū)內(nèi)稻谷，曬干至恒質(zhì)量后稱質(zhì)量。

1.3.2 水稻樣品取樣時間、樣品處理及各部位鎘含量測定方法

分別于水稻移栽后第25 d，葉面肥噴施前（第1次取樣——分蘗期）；葉面肥第1 次噴施后第7 d（第2次取樣——分蘗盛期）；葉面肥第2 次噴施后第7 d（第3 次取樣——孕穗期）及水稻收獲時（第4 次取樣——收獲期）采集試驗樣品。試驗樣品采集后，先用自來水小心洗凈根系雜物，然后用超純水清洗整個植株。分離根、莖、葉，再將莖分成莖基部（與水稻根系相連的7～13 個節(jié)間不伸長的蘗節(jié)）和莖稈部（莖的上部4～7 個明顯伸長的節(jié)間）。稻谷曬干后按原農(nóng)業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)《米質(zhì)測定方法》（NY 147—1988）出糙，分離出糙米和谷殼。根、莖基、莖稈和葉樣品放于烘箱中，先在105 ℃條件下殺青60 min，然后于65 ℃條件下烘至恒質(zhì)量，稱量各部位干質(zhì)量。樣品粉碎后過100目篩，全部裝入封口袋內(nèi)密封保存?zhèn)溆谩Ｋ兴緲悠方?jīng)混合酸（HNO3∶HClO4=4∶1）濕法消解、定容后采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP?MS）直接測定鎘的含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

圖表制作采用Microsoft Excel 軟件；數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析及雙因素方差分析采用IMB SPSS 22.0軟件。

轉(zhuǎn)運系數(shù)=B 器官中鎘分配占比/A 器官中鎘分配占比[35]

水稻A器官鎘分配占比=A器官中鎘總量/水稻植株鎘總量×100%

A器官中鎘總量=A器官中鎘含量×A器官干質(zhì)量

水稻植株鎘總量=水稻各器官鎘總量之和

2 結(jié)果

2.1 噴施不同形態(tài)的硫?qū)λ巨r(nóng)藝性狀的影響

由表5 和表6 可知，與CK 相比，噴施一次及噴施兩次不同的葉面肥對盆栽及田間水稻農(nóng)藝性狀的影響均無顯著差異。

表5 噴施不同葉面肥對盆栽水稻農(nóng)藝性狀的影響Table 5 Effects of different foliar application on the agronomic traits of rice in pot experiment

表6 噴施不同形態(tài)硫葉面肥對田間小區(qū)水稻農(nóng)藝性狀影響Table 6 Effects of different forms of sulfur foliar application on the agronomic traits of rice in field experiment

2.2 噴施不同形態(tài)的硫?qū)λ娟P(guān)鍵生育期各部位鎘含量的影響

2.2.1 葉面肥噴施前水稻各部位的鎘含量

水稻移栽后第25 d，分蘗盛期噴施葉面肥前，處于分蘗期的盆栽及田間小區(qū)水稻各部位鎘含量見表7。由表7 可知，水稻各部位鎘含量從高到低為根、莖基、莖稈、葉，且各部位鎘含量差異顯著。水稻整個生育期各部位的鎘含量均符合此規(guī)律。盆栽水稻各部位鎘含量均比田間小區(qū)試驗的水稻鎘含量高，鎘含量增高幅度依次為葉、根、莖基和莖稈，分別高出59.1%、55.4%、40.0%和38.7%。

表7 噴施葉面肥前分蘗期水稻各部位的鎘含量（mg·kg?1）Table 7 Cadmium content in various parts of rice plant at tillering stage before foliar application（mg·kg?1）

2.2.2 噴施不同葉面肥對水稻分蘗盛期各部位鎘含量的影響

由圖1及圖2可知，分蘗盛期噴施一次葉面肥后，除KNO3處理外，其他處理與CK 相比，根部與莖基部鎘含量有不同程度的升高，葉部鎘含量有不同程度的降低，莖稈部沒有顯著差異。盆栽試驗中，根部K2S處理、莖基部Cys處理、葉部Cys和K2S處理與CK相比達(dá)到顯著差異水平（P<0.05）。田間小區(qū)試驗中，根部和葉部的Cys、K2S 處理，莖基部K2S 處理與CK 相比差異顯著。不同形態(tài)硫葉面肥（Cys、K2S、K2SO4）處理與Si處理間在水稻分蘗盛期各部位均無顯著差異。Cys與K2S 對水稻根部、莖基部及葉部鎘含量的影響大于K2SO4，但差異不顯著。

2.2.3 噴施不同葉面肥對水稻孕穗期各部位鎘含量的影響

由表8 可知，除KNO3處理外，其他處理與CK 相比，盆栽試驗中，葉面肥噴施一次時，水稻根部、莖基部鎘含量分別增加8.0%～18.9%、10.1%～25.4%，葉部鎘含量減少12.2%～31.1%；葉面肥噴施兩次時，水稻根部、莖基部鎘含量分別增加11.4%～23.7%、10.1%～33.3%，葉部鎘含量減少27.0%～44.6%。由表9 可知，田間小區(qū)試驗中，葉面肥噴施一次時，水稻根部、莖基部鎘含量分別增加11.6%～20.0%、11.9%～20.0%，葉部鎘含量減少20.9%～34.9%；葉面肥噴施兩次時，水稻根部、莖基部鎘含量分別增加19.8%～34.2%、17.0%～25.9%，葉部鎘含量減少34.9%～44.2%。盆栽及田間小區(qū)試驗各部位鎘含量變化呈相同趨勢，葉部鎘含量的減少幅度均大于根、莖基中鎘含量的增加幅度，噴施兩次葉面肥比噴施一次葉面肥鎘含量變化幅度更大。

表8 噴施不同葉面肥盆栽水稻孕穗期各部位的鎘含量（mg·kg?1）Table 8 Cadmium content in various parts of rice plant at booting stage by foliar application in pot experiment（mg·kg?1）

表9 噴施不同葉面肥田間小區(qū)水稻孕穗期各部位的鎘含量（mg·kg?1）Table 9 Cadmium content in various parts of rice plant at booting stage by foliar application in field experiment（mg·kg?1）

盆栽試驗中，根部和莖稈部葉面肥噴施一次時，K2S處理與CK差異顯著；葉面肥噴施兩次時，Cys、K2S和Si處理均與CK差異顯著。莖基部葉面肥噴施兩次時，Si處理與CK 差異顯著。葉部鎘含量除噴施KNO3處理和噴施一次K2SO4處理外，其余處理均與CK 差異顯著。田間小區(qū)試驗中，根部葉面肥噴施兩次時，Cys、K2S 處理與CK 差異顯著。莖基部葉面肥噴施兩次時，K2S 處理與CK 差異顯著。葉部葉面肥噴施一次時，Cys、K2S 處理與CK 差異顯著；葉面肥噴施兩次時，3 種不同形態(tài)的硫（Cys、K2S、K2SO4）處理均與CK差異顯著。

雙因素方差分析表明，不同次數(shù)處理僅盆栽試驗葉部達(dá)顯著差異，其余處理均未達(dá)顯著差異。不同種類處理盆栽試驗中，根部、莖稈部及葉部鎘含量達(dá)極顯著差異，莖基部鎘含量達(dá)顯著差異；田間小區(qū)試驗中，根部、莖基部和葉部鎘含量達(dá)極顯著差異。不同次數(shù)處理和不同種類處理無交互作用。

2.2.4 噴施不同葉面肥對水稻成熟期各部位鎘含量的影響

由表10 可知，盆栽試驗中，葉面肥一次噴施時，Cys 和K2S 處理的糙米鎘含量分別為0.17 mg·kg?1和0.19 mg·kg?1，葉面肥兩次噴施時，Cys、K2S、Si 和K2SO4處理糙米鎘含量分別為0.13、0.15、0.17 mg·kg?1和0.20 mg·kg?1，均符合《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》（GB 2752—2017）中糙米鎘含量限量要求（Cd含量≤0.2 mg·kg?1）。由表11可知，田間小區(qū)試驗中，CK 鎘含量為0.2 mg·kg?1，已達(dá)國家食品安全限量要求，3 種不同形態(tài)硫處理與CK 相比均進(jìn)一步降低了糙米中的鎘含量。

表10 噴施不同葉面肥盆栽水稻成熟期各部位的鎘含量（mg·kg?1）Table 10 Cadmium content in various parts of rice plant at mature stage by foliar application in pot experiment（mg·kg?1）

表11 噴施不同葉面肥田間小區(qū)水稻成熟期各部位的鎘含量（mg·kg?1）Table 11 Cadmium content in various parts of rice plant at mature stage by foliar application in field experiment（mg·kg?1）

水稻谷殼鎘含量的變化與糙米有相同規(guī)律，與CK 相比，除KNO3外，各處理谷殼鎘含量降低幅度較糙米小，盆栽試驗水稻谷殼鎘含量噴施一次及兩次葉面肥分別降低18.4%～31.6%和32.6%～39.5%。田間小區(qū)試驗水稻谷殼鎘含量噴施一次及兩次葉面肥分別降低13.3%～23.3%和16.7%～36.7%。盆栽試驗中，葉面肥噴施一次時，谷殼鎘含量Cys、K2S 處理與CK差異顯著；葉面肥噴施兩次時，谷殼鎘含量除KNO3處理外，3 種形態(tài)的硫及Si 處理均與CK 差異顯著。田間小區(qū)試驗中，3 種形態(tài)的硫處理與CK 相比谷殼鎘含量均有不同程度的下降，葉面肥噴施一次時，Cys處理和CK 差異顯著；葉面肥噴施兩次時，Cys、K2S 處理與CK差異顯著。

水稻根部、莖基部和葉部鎘含量整體規(guī)律與孕穗期同，除KNO3外，3 種形態(tài)的硫及Si 處理與CK 相比，根部和莖基部鎘含量有不同程度升高，葉部鎘含量有不同程度下降，噴施兩次葉面肥比噴施一次葉面肥根部、莖基部和葉部鎘含量變化幅度更大。莖稈部鎘含量各處理間無顯著差異。

雙因素方差分析表明，盆栽試驗中，不同次數(shù)處理水稻各部位鎘含量無顯著差異；不同種類處理水稻根、葉、谷殼及糙米鎘含量差異極顯著。田間小區(qū)試驗中，不同次數(shù)處理水稻莖基與葉鎘含量差異顯著，糙米鎘含量差異極顯著；不同種類處理下，谷殼鎘含量差異顯著，根、莖基、葉和糙米鎘含量差異極顯著。不同次數(shù)處理和不同種類處理無交互作用。

由表12 和圖3 可知，盆栽試驗中，葉面肥噴施一次時，KNO3處理和CK 相比糙米鎘含量略有上升，其余處理和CK 相比糙米鎘含量均有所下降，且差異顯著，Cys 和K2SO4處理間差異顯著。葉面肥噴施兩次時，所有處理與CK 相比差異均顯著，其中施用KNO3水稻糙米鎘含量顯著上升，3 種形態(tài)的硫及Si 處理與CK相比鎘含量顯著下降，Cys與K2SO4處理差異顯著。盆栽試驗噴施兩次葉面肥比噴施一次葉面肥降鎘效果更顯著。各處理對糙米的降鎘效果由高到低為Cys、K2S、Si、K2SO4。

表12 噴施不同葉面肥水稻與對照相比糙米鎘含量升降幅度（%）Table 12 Cadmium content in various parts of rice plant at mature stage by foliar application in plot experiment（%）

田間試驗中，3 種不同形態(tài)的硫處理與CK 相比，糙米鎘含量均有顯著差異。不同處理間，Cys 與K2SO4處理差異顯著。不同次數(shù)處理糙米鎘含量差異顯著。3 種不同形態(tài)硫處理對糙米降鎘效果由高到低為Cys、K2S、K2SO4。

盆栽及田間小區(qū)試驗，3 種不同形態(tài)硫處理對糙米鎘含量的降低幅度均表現(xiàn)為Cys>K2S>K2SO4，其中Cys和K2S處理效果明顯。

2.3 噴施不同葉面肥對水稻各部位鎘積累、分配及轉(zhuǎn)運的影響

2.3.1 噴施不同葉面肥對水稻鎘積累及各部位鎘分配的影響

田間小區(qū)試驗水稻植株鎘積累總量少于盆栽試驗，其中水稻根部鎘積累量最大，為植株總鎘積累量的70.99%～81.50%（表13 和表14）。干質(zhì)量較少的情況下莖基部比莖稈部鎘積累量大，這主要與莖基部與莖稈部有明顯的鎘離子濃度梯度有關(guān)。分蘗期到孕穗期，莖基部的鎘分配占比明顯上升，分蘗期到成熟期，莖稈部和葉部的鎘分配占比持續(xù)下降。說明不同生育期鎘在水稻體內(nèi)不同部位的分配占比會發(fā)生變化。3 種不同形態(tài)硫和Si 處理的葉部鎘分配占比顯著少于CK，莖稈部鎘積累占比略少于CK，根部及莖基部鎘積累量略大于CK，可知噴施葉面肥主要通過調(diào)控鎘在水稻各部位的分配，降低葉部鎘積累量，從而降低籽粒的鎘含量。谷殼鎘占比為整個植株的1.08%～2.33%，糙米鎘占比為整個植株的1.09%～2.81%，水稻籽粒鎘占比小于3%。

表13 盆栽試驗不同處理對水稻鎘積累及各部位鎘分配占比的影響Table 13 Effects of different treatments on cadmium accumulation and distribution in different parts of rice in pot experiment

表14 田間試驗不同處理對水稻鎘積累及各部位鎘分配占比的影響Table 14 Effects of different treatments on cadmium accumulation and distribution in different parts of rice in field experiment

2.3.2 噴施不同葉面肥對水稻各部位間鎘轉(zhuǎn)運的影響

由表15 和表16 可知，盆栽及田間小區(qū)試驗噴施3 種不同形態(tài)硫和Si 葉面肥均能降低莖部向葉部的轉(zhuǎn)運系數(shù)，其轉(zhuǎn)運系數(shù)均與CK 及KNO3處理差異顯著，所有處理根部向莖部及葉部向谷殼的轉(zhuǎn)運系數(shù)均與CK 無顯著差異。盆栽試驗中，Cys、K2S 處理與K2SO4處理莖部向葉部的轉(zhuǎn)運差異顯著。田間小區(qū)試驗中，噴施葉面肥Cys 和K2S 使葉部向糙米的轉(zhuǎn)運系數(shù)降低，且Cys 處理與CK 差異顯著?？梢姡瑖娛┎煌螒B(tài)硫及Si葉面肥主要是降低莖部向葉部轉(zhuǎn)運鎘，進(jìn)而阻控鎘離子向糙米轉(zhuǎn)移。水稻各部位間的轉(zhuǎn)運系數(shù)依次為糙米/葉>谷殼/葉>莖/根>葉/莖。

表15 盆栽試驗噴施不同葉面肥水稻成熟期各部位間鎘轉(zhuǎn)運系數(shù)Table 15 Effects of different foliar fertilizers on cadmium transport coefficient of different parts of rice at maturity in pot experiment

表16 田間試驗噴施不同葉面肥水稻成熟期各部位間鎘轉(zhuǎn)運系數(shù)Table 16 Effects of different foliar fertilizers on cadmium transport coefficient of different parts of rice at maturity in field experiment

3 討論

3.1 盆栽及田間水稻各部位鎘含量的變化

隨著水稻的生長發(fā)育，根部、莖基部和莖稈部的鎘含量持續(xù)增加，葉部鎘含量先增加后基本保持穩(wěn)定，水稻各部位的鎘含量在成熟期達(dá)到最大。水稻各部位對鎘的富集能力有顯著差異，根部、莖基部、莖稈部、葉部、谷殼及糙米的鎘含量依次降低，這與水稻體內(nèi)養(yǎng)分差異及鎘移動速率差異有關(guān)，水分和必需元素在水稻體內(nèi)的移動速度很快，如氮的移動速度為520 cm·h?1，而鎘的移動速度卻只有2.4 cm·h?1[36]。同時，鎘離子在向上運輸?shù)倪^程中表現(xiàn)出明顯的濃度梯度規(guī)律，即越往上運輸，鎘的濃度越低[37]。在不同的種植條件下，水稻各部分鎘含量也有較大差異。本試驗中，田間種植條件下，水稻各部分的鎘含量均低于盆栽試驗，這與早稻拔節(jié)期后溫度較高，盆栽試驗土溫升溫快，盆栽試驗的蒸騰與蒸發(fā)作用強(qiáng)于田間試驗有關(guān)；同時，已有研究證明水稻濕潤?淹水處理根、莖、葉及籽粒中的鎘含量較全生育期淹水處理顯著增加[38?40]。本試驗中，受盆體積限制，盆栽土壤水分損失較快，試驗開展時3 d澆灌一次，盆栽試驗中出現(xiàn)濕潤與淹水兩種水分狀態(tài)，而田間水稻全生育期淹水處理。不同種植條件下土溫及土壤水分變化影響了水稻的蒸騰作用強(qiáng)度，進(jìn)而影響了水稻中鎘的含量。

3.2 不同形態(tài)硫?qū)λ局仓攴亲蚜２课绘k含量的影響

噴施葉面肥Cys、K2S、Si及K2SO4使水稻各關(guān)鍵生育期根部和莖基部的鎘含量有不同程度的增加，葉部、稻殼及糙米鎘含量均有不同程度的降低，對莖稈部鎘含量無明顯影響，噴施兩次葉面肥比噴施一次葉面肥水稻各部位鎘含量變化更顯著。說明噴施不同形態(tài)的硫和硅均能有效阻止鎘從根部、莖基部向莖稈部、莖稈部向葉部轉(zhuǎn)移，進(jìn)而阻止鎘向谷殼和糙米轉(zhuǎn)移。水稻根系中的鎘大部分沉積在細(xì)胞壁上或區(qū)隔化封存于液泡中[37]，其余的鎘向上運輸至水稻莖葉部。水稻莖基部（7～13 個不伸長的節(jié)間組成）的鎘含量明顯大于莖稈部（4～7 個伸長明顯的節(jié)間組成）[32]，莖中鎘主要分布在節(jié)間和節(jié)維管束組織的細(xì)胞壁上，其余鎘向葉部轉(zhuǎn)移。水稻最頂端的3 片生殖生長葉對中上部位的節(jié)間發(fā)育、籽粒發(fā)育和灌漿起作用。硫在植物體內(nèi)的轉(zhuǎn)運取決于葉部位細(xì)胞組織中的硫供應(yīng)水平及其他部位對硫的需求[41]。的還原可在葉或根中進(jìn)行，但主要在葉中進(jìn)行，葉中的硫還原比根要高好幾倍[42]。葉中硫含量充足時會將硫向其他有需要的部位轉(zhuǎn)移。噴施含硫葉面肥時，葉中的硫含量增多，根和莖基中的硫會減少向莖、葉部轉(zhuǎn)移，根、莖基中的硫通過同化作用產(chǎn)生含巰基的物質(zhì)與鎘結(jié)合并將鎘隔離于液泡中，根與莖基中的鎘含量增加，莖稈與葉中鎘含量減少；同時，若葉中的硫充足，部分由葉轉(zhuǎn)移至莖稈的硫與莖稈中的鎘離子結(jié)合，減少鎘離子向葉部轉(zhuǎn)運。

籽粒灌漿期，最上部的生殖生長葉片中儲存的部分鎘和其他營養(yǎng)元素一起通過穗軸轉(zhuǎn)運到籽粒中，葉片鎘的輸出量決定稻米中的鎘含量，葉片中鎘輸出量的降低直接降低稻米中的鎘含量[31]。

3.3 不同形態(tài)硫?qū)λ静诿祖k含量的影響

噴施KNO3葉面肥，與CK相比，糙米鎘含量增加，說明KNO3中的鉀元素對水稻糙米無降鎘效果。同時，含有鉀元素與硫元素的葉面肥K2S 和K2SO4對水稻各生育期各部位鎘含量的影響，可能主要來自于硫元素，而不是鉀元素。施用不含鉀元素的肥料，如在二巰基丁二酸（C4H6O4S2，DMSA）的試驗中，DMSA 能顯著降低水稻地上部鎘含量，提高GSH 含量和抗氧化酶（SOD、CAT）的活性，顯著緩解水稻幼苗鎘脅迫[16]。劉家豪[17]通過葉面噴施Na2S 使水稻籽粒中鎘含量最高降低69%，葉面噴施Na2S 通過增加葉片非蛋白巰基化合物（NPT）和GSH 的含量，增加葉片捕光能力和電子傳遞速率，參與生化過程中特定光合作用及蛋白質(zhì)合成的調(diào)節(jié)，從而減輕水稻鎘脅迫。ADHI?KARIT 等[43]發(fā)現(xiàn)通過GSH 途徑減輕鎘對玉米的毒害作用，降低籽粒鎘的積累。本試驗噴施3 種不同形態(tài)的硫及硅對水稻重金屬鎘均具有阻控效果，各處理對糙米的降鎘量依次為Cys、K2S、Si、K2SO4。噴施3種不同形態(tài)的硫及硅處理，糙米鎘含量均與CK 差異顯著。KNO3處理與CK 相比，糙米中的鎘含量不降反升，這可能是由于通過Fe 轉(zhuǎn)運系統(tǒng)或NO 間接調(diào)控鎘離子的吸收和積累，刺激根系分泌檸檬酸，增加了可溶態(tài)鎘的含量[44?46]。Cys 及K2S 處理對糙米的降鎘效果好于Si，但處理間無顯著差異。K2SO4對糙米有一定的降鎘效果，但與Cys處理間差異顯著。

Cys 是硫同化的最初產(chǎn)物，植物體內(nèi)的硫主要是以甲硫氨酸和半胱氨酸形式存在于蛋白質(zhì)中[47]。Cys在植物體內(nèi)除進(jìn)入蛋白質(zhì)外，亦經(jīng)同化途徑形成NPT（非蛋白含巰基類物質(zhì)的總稱，富含巰基，主要包括半胱氨酸、谷胱甘肽、植物螯合肽等[48]），NPT 及含巰基蛋白質(zhì)通過與鎘離子結(jié)合形成新的化合物，新的化合物被隔離到胞外和細(xì)胞器內(nèi)，減少細(xì)胞內(nèi)游離態(tài)鎘，從而達(dá)到降低鎘對水稻毒害的目的[49]。NPT 含量的多少可作為植物鎘耐受程度的一項指標(biāo)。硫?qū)︽k的解毒機(jī)制主要有兩個方面：一是使NPT 含量提高，促進(jìn)鎘向細(xì)胞可溶部分轉(zhuǎn)移[50]；二是GSH通過其自身的氧化還原作用及抗壞血酸?谷胱甘肽循環(huán)清除ROS（活性氧）并維持谷胱甘肽的平衡，提高植物對重金屬的耐性[41，51]。鎘脅迫下，植物需要大量的GSH 來維持代謝平衡，故硫的供應(yīng)及植株對硫的吸收尤為重要。提高硫的供應(yīng)水平可合成更多富含巰基的蛋白質(zhì)和NPT 與重金屬絡(luò)合，減少鎘向上轉(zhuǎn)運?！猄H 形態(tài)的Cys 可直接與鎘離子形成配位鍵，從而將鎘離子固定下來，同時，—SH 形態(tài)的Cys 在光合作用中可以增加水稻葉片的電子傳遞速率和捕光能力[52]。施用Cys對鎘的阻控效果大于S2?形態(tài)的K2S 和形態(tài)的K2SO4。

通過噴施S2?形態(tài)的H2S，JIN 等[53]發(fā)現(xiàn)H2S對含有S—H 鍵的半胱氨酸殘基有直接作用，能有效抵消GSH 的消耗，抑制鎘離子的內(nèi)流，對鎘離子進(jìn)行液泡區(qū)式化調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)運，可逆地調(diào)節(jié)植物蛋白質(zhì)的功能。在硫的同化過程中，S2?形態(tài)的H2S 除進(jìn)入半胱氨酸外，亦可合成其他的含硫（不含巰基）物質(zhì)，如甲硫氨酸、硫脂、鐵氧還原蛋白、二酯磺酰甘油等，故S2?形態(tài)的K2S 對水稻糙米降鎘效果低于—SH 形態(tài)的Cys。但Cys和K2S處理并沒有顯著差異，這可能是因為Cys不穩(wěn)定，在噴施的過程中被空氣部分氧化；同時，在鎘脅迫下，S2?形態(tài)的硫素大部分被轉(zhuǎn)化為富含巰基的硫化物。

4 結(jié)論

（1）噴施3 種不同形態(tài)的硫葉面肥（Cys、K2S、K2SO4）和硅肥對水稻農(nóng)藝性狀無顯著影響。

（2）噴施葉面肥Cys、K2S、Si、K2SO4對水稻糙米及谷殼鎘含量均有不同程度的降低，噴施兩次葉面肥比噴施一次葉面肥效果更顯著。

（3）葉面噴施3 種形態(tài)的硫及硅均能降低糙米中鎘含量，3 種形態(tài)的硫及硅對糙米降鎘效果為Cys>K2S>Si>K2SO4，其中Cys對糙米降鎘效果最好。

（4）葉面噴施不同形態(tài)硫及硅能降低莖部向葉部的鎘轉(zhuǎn)運系數(shù)，進(jìn)而降低糙米鎘含量。