摻雜硒·硫的硅基葉面阻控劑對(duì)水稻富集鎘的影響

唐守寅 胡露 熊琪 田一君 甘露 林煒 任準(zhǔn) 王詩(shī)龍 袁海偉

摘要 [目的]研究摻雜硒、硫的硅基葉面阻控劑對(duì)水稻富集鎘（Cd）的影響。[方法]在中度Cd污染區(qū)開展水稻噴施不同用量摻雜硒、硫（7 500、9 000 mL/hm2）的硅基葉面阻控劑的田間小區(qū)試驗(yàn)。[結(jié)果]施用摻雜硒、硫的硅基葉面阻控劑，可使稻谷產(chǎn)量增加1.87%～8.97%;稻米Cd含量降低25.93%～46.67%;莖中Cd含量增加14.38%～37.89%，對(duì)根、葉中Cd含量的影響不大;Cd從莖到籽實(shí)的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)顯著降低，降幅達(dá)34.48%～62.50%。[結(jié)論]采用硅、硒、硫耦合原理抑制Cd在水稻植株內(nèi)的遷移是可行有效的;抑制Cd從莖到籽實(shí)的轉(zhuǎn)運(yùn)是能夠顯著降低稻米Cd含量的主要原因。

關(guān)鍵詞 葉面阻控劑;水稻;鎘;硅;硒;硫

中圖分類號(hào) X53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2021）17-0061-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.17.017

Abstract [Objective]To study the effect of silicon-based foliar inhibitor doped with selenium and sulfur on cadmium enrichment in rice.[Method]Field plot experiments were carried out in moderate cadmium contaminated areas by spraying different amounts of silicon-based foliar inhibitor （7 500 and 9 000 mL/hm2） doped with selenium and sulfur. [Result]The yield of rice increased by 1.87%-8.97% by applying silicon-based foliar inhibitor doped with selenium and sulfur;cadmium content of rice was reduced by 25.93%-46.67% by applying silicon-based foliar inhibitor doped with selenium and sulfur;cadmium content in rice stem was increased by 14.38%-37.89% by applying silicon-based foliar inhibitor doped with selenium and sulfur， which had little effect on cadmium content in rice root and leaf;The transfer factor from stem to seed decreased significantly by 34.48%-62.50% by applying silicon-based foliar inhibitor doped with selenium and sulfur. [Conclusion]It was feasible and effective to inhibit the migration of cadmium in rice plants by the coupling principle of silicon， selenium and sulfur， and the main reason for the significant reduction of cadmium content in rice was the inhibition of cadmium transport from stem to seed.

Key words Foliar resistance control agent;Rice;Cadmium;Cilicon;Selenium;Sulfur

近年來，我國(guó)土壤重金屬污染問題日趨嚴(yán)重，對(duì)人們的身體健康產(chǎn)生很大威脅。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)受污染的耕地面積近0.1億hm2，污水灌溉污染耕地216.67萬hm2，固體廢棄物堆存占地和毀田13.33萬hm2，合計(jì)約占耕地總面積的10%以上，其中多數(shù)集中在經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)地區(qū)。每年因土壤污染而減少的糧食產(chǎn)量高達(dá)1 200萬t，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)200余億元。水稻對(duì)重金屬具有較強(qiáng)的富集能力，其體內(nèi)累積的重金屬通過食物鏈進(jìn)入人體后，會(huì)給人類身體健康帶來潛在的危害。我國(guó)人口眾多，在污染的耕地上種出安全的農(nóng)作物是當(dāng)前農(nóng)業(yè)環(huán)境領(lǐng)域迫切需要解決的重大問題。

目前針對(duì)耕地重金屬污染的修復(fù)方法主要是通過改造土壤-植物系統(tǒng)的土壤端，降低土壤中重金屬有效性和稀釋土壤中重金屬濃度來減少農(nóng)作物對(duì)重金屬的吸收。這些方法包括化學(xué)鈍化法（施用石灰、土壤調(diào)理劑等鈍化劑）、植物修復(fù)法（栽種超積累植物）、物理混合法、微生物修復(fù)法。但是，這些方法還存在修復(fù)效率低、費(fèi)用高、操作煩瑣、效果不穩(wěn)定等問題。

近年來相關(guān)研究表明，硅可以提高植物對(duì)重金屬毒害的抗性，利用方便且廉價(jià)，已引起人們的高度重視。施硅能將地上部的鎘（Cd）沉積于莖部和葉部的細(xì)胞壁中，形成Si-Cd的復(fù)合物，進(jìn)而減輕Cd向果穗部的遷移及其在穗部的積累，增強(qiáng)水稻的抗逆性，明顯緩解水稻重金屬毒害。在Cd污染土壤上施用富含硅的高爐渣對(duì)水稻的生物學(xué)產(chǎn)量和稻米產(chǎn)量并無顯著影響，但稻米中Cd含量顯著下降[1]。作為植物有益元素，硅可以緩解植物鋁毒在高粱、大麥和大豆等作物上的表現(xiàn)也已得到證實(shí)。此外，一些研究還表明，通過給水稻葉面噴施含硒制劑或者含硫制劑也可以在一定程度上降低稻米中Cd的積累[2-3]。通過給農(nóng)作物葉面噴施阻控劑，從土壤-植物系統(tǒng)的植物端抑制重金屬在可食部位的積累正成為耕地重金屬修復(fù)的新思路。但是，目前的研究大都集中于單一硅、硒、硫制劑對(duì)抑制Cd的研究，鮮有硅、硒、硫復(fù)合制劑抑Cd效果的報(bào)道。筆者試圖通過田間小區(qū)試驗(yàn)，探討在實(shí)際大田種植條件下，摻雜硒、硫的硅基葉面阻控劑對(duì)水稻富集Cd的影響，以期為Cd污染耕地高效葉面阻控技術(shù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地分2個(gè)區(qū)域：①益陽(yáng)市桃江縣石牛江鎮(zhèn)增塘村;②益陽(yáng)市赫山區(qū)泥江口鎮(zhèn)大壩塘村。2個(gè)區(qū)域均屬于雙季稻產(chǎn)區(qū)，稻田灌溉水分別來源于水庫(kù)、河流，水資源充足，灌溉設(shè)施好。試驗(yàn)田土壤基本理化性質(zhì)見表1。

1.2 供試材料

供試葉面阻控劑為環(huán)保橋（湖南）生態(tài)環(huán)境工程股份有限公司生產(chǎn)的摻雜硒、硫的硅基葉面阻控劑，液體，pH 10.49，含硅（Si）101.6 g/L、鈉（Na）66.05 g/L、硒（Se）0.31 g/L、水不溶物2.16 g/L、砷（As）0.418 mg/L、鎘（Cd）0.05 mg/L、鉛（Pb）0.212 mg/L、汞（Hg）0.032 mg/L、鉻（Cr）21.7 mg/L。供試品種為湘早秈45，購(gòu)置于湖南永益農(nóng)業(yè)科技發(fā)展有限公司，是湖南省普遍栽種的秈稻常規(guī)稻品種。

1.3 小區(qū)試驗(yàn)

設(shè)3個(gè)處理，每處理3次重復(fù)，每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)共9個(gè)小區(qū)。隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)面積21 m2，試驗(yàn)地周圍設(shè)置2.5 m寬的保護(hù)行。

CK：常規(guī)施肥+噴施清水450 kg/hm2;

F1：常規(guī)施肥+分別在分蘗期和孕穗期噴施楚戈牌葉面阻控劑，每次用3 750 mL/hm2兌水450 kg葉面噴施，合計(jì)用葉面阻控劑7 500 mL/hm2;

F2：常規(guī)施肥+分別在分蘗期和孕穗期噴施楚戈牌葉面阻控劑，每次用4 500 mL/hm2兌水450 kg葉面噴施，合計(jì)用葉面阻控劑9 000 mL/hm2。

供試早稻于2019年3月26日播種，濕潤(rùn)育秧，4月18日移栽，移栽密度273 465蔸/hm2。移栽前人工翻耕2遍，各小區(qū)作田埂，并用地膜覆蓋，單排單灌。于4月17日結(jié)合整地，施用尿素300 kg/hm2、鈣鎂磷肥750 kg/hm2、氯化鉀300 kg/hm2作基肥，4月27日施尿素150 kg/hm2、氯化鉀150 kg/hm2作分蘗肥。5月9日F1、F2處理噴施分蘗期葉面阻控劑，6月6日F1、F2處理噴施孕穗末期葉面阻控劑。各處理中耕除草、病蟲害防治和灌溉等栽培措施完全一致。供試早稻于7月11日分小區(qū)分別取植株樣，并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性狀分析，7月15日收獲。每小區(qū)單打單收單曬計(jì)算產(chǎn)量。

1.4 采樣與分析方法

水稻植株樣品于收獲前1～3 d采集，單個(gè)小區(qū)內(nèi)采用五點(diǎn)取樣法連根采集整根植株。每個(gè)分點(diǎn)取植株2株，裝入網(wǎng)袋中保存并編號(hào)。采集的水稻植株樣品帶回實(shí)驗(yàn)室用去離子水洗凈，分離成根、莖、葉、稻谷幾個(gè)部分，根、莖、葉烘干（70 ℃）至恒重后用不銹鋼粉碎機(jī)粉碎，稻谷經(jīng)小型脫殼機(jī)將稻殼和糙米分開后粉碎。根、莖、葉及糙米中的Cd含量采用混酸消煮，原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定[4]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)為3次重復(fù)平均值，采用Excel 2010和SPSS 19.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同葉面阻控劑用量對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

從圖1可見，在桃江試驗(yàn)區(qū)，相比于CK，噴施葉面阻控劑7 500、9 000 mL/hm2后（F1、F2處理），水稻產(chǎn)量分別增加1.87%、6.63%，其中F2較CK有顯著差異。在赫山試驗(yàn)區(qū)，相比于CK，F(xiàn)1、F2處理的水稻產(chǎn)量分別增加5.32%、8.97%，均較CK有顯著差異。赫山試驗(yàn)區(qū)的水稻產(chǎn)量普遍低于桃江試驗(yàn)區(qū)。這說明噴施葉面阻控劑可在一定程度上提高水稻產(chǎn)量，當(dāng)用量較大時(shí)增產(chǎn)效果顯著。

2.2 不同葉面阻控劑用量對(duì)水稻稻米Cd含量的影響

從圖2可見，在桃江試驗(yàn)區(qū)，CK稻米Cd含量為0.30 mg/kg，超過《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》（GB 2762—2017）中規(guī)定的限值（0.20 mg/kg）0.5倍，F(xiàn)1、F2處理可使稻米Cd含量較CK分別降低26.67%、46.67%，其中F2降低到0.16 mg/kg（符合國(guó)標(biāo)），且相對(duì)于CK有顯著差異。在赫山試驗(yàn)區(qū)，CK稻米Cd含量為0.45 mg/kg，超過《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》（GB 2762—2017）中規(guī)定的限值（0.20 mg/kg）1.25倍，處理F1、F2可使稻米Cd含量較CK分別降低25.93%、37.04%，相對(duì)于CK均具有顯著差異。這說明水稻噴施葉面阻控劑可有效降低稻米中Cd含量。

2個(gè)試驗(yàn)地具有相當(dāng)?shù)腃d含量水平，且采用了同樣的水稻品種。在同一葉面阻控劑噴施水平下，赫山區(qū)稻米Cd含量顯著高于桃江縣，這可能主要是由于赫山區(qū)的土壤pH較低所致。因?yàn)樵谝欢ǚ秶鷥?nèi)，土壤Cd的植物有效性會(huì)隨著土壤pH的降低而升高，進(jìn)而導(dǎo)致植物對(duì)其富集能力的增強(qiáng)。

2.3 不同葉面阻控用量對(duì)水稻各部位Cd含量的影響

由表2可知，在桃江試驗(yàn)區(qū)，噴施葉面阻控劑會(huì)增加水稻根、莖中Cd含量，但是會(huì)降低葉中Cd含量。相比于CK，F(xiàn)1、F2根中Cd含量分別增加3.54%、12.63%，但較CK均無顯著差異。相比于CK，F(xiàn)1、F2莖中Cd含量分別增加22.11%、37.89%，其中F2較CK有顯著差異。相比于CK，F(xiàn)1、F2葉中Cd含量分別降低8.70%、15.22%，但較CK均無顯著差異。與桃江試驗(yàn)區(qū)不同，在赫山試驗(yàn)區(qū)，噴施葉面阻控劑會(huì)降低水稻根中Cd含量，但是會(huì)增加水稻莖、葉中Cd含量。相比于CK，F(xiàn)1、F2根中Cd含量分別降低1.58%、9.09%，但較CK均無顯著差異。相比于CK，F(xiàn)1、F2莖中Cd含量分別增加14.38%、18.30%，與CK均無顯著差異。相比于CK，F(xiàn)1、F2葉中Cd含量分別增加9.80%、0，與CK均無顯著差異。上述結(jié)果說明，施用摻雜硒、硫硅基葉面阻控劑主要可增加水稻莖中Cd含量，對(duì)水稻根、葉中Cd含量影響不大。

2.4 不同葉面阻控劑用量對(duì)Cd在水稻植株內(nèi)遷移的影響

由表3可知，在桃江試驗(yàn)區(qū)，F(xiàn)1、F2的TF根—莖較CK分別增加16.33%、20.41%，但與CK相比均無顯著差異。F1、F2的TF莖—葉較CK分別降低26.53%、40.82%，但與CK相比均無顯著差異。F1、F2的TF莖—籽實(shí)較CK分別降低40.63%、62.50%，與CK相比顯著差異。F1、F2的TF葉—籽實(shí)較CK均降低15.00%，較CK均無顯著差異。赫山區(qū)試驗(yàn)結(jié)果與桃江區(qū)類似。F1、F2的TF根—莖較CK分別增加14.75%、29.51%，但與CK無顯著差異。F1、F2的TF莖—葉較CK分別降低5.88%、17.65%，但與CK均無顯著差異。F1、F2的TF莖—籽實(shí)較CK分別降低34.48%、44.83%，與CK相比均有顯著差異。F1、F2的TF葉—籽實(shí)較CK分別降低35.11%、37.23%，但與CK相比均無顯著差異。這表明施用摻雜硒、硫硅基葉面阻控劑主要可抑制Cd在莖—葉、莖—籽實(shí)、葉—籽實(shí)過程中的轉(zhuǎn)運(yùn)，特別是在莖—籽實(shí)中的轉(zhuǎn)運(yùn)。

3 討論

（1）該研究結(jié)果表明，噴施摻雜硒、硫的硅基葉面阻控劑對(duì)水稻增產(chǎn)效果較為明顯，這主要由于硅是水稻的“第四元素”，可有效促進(jìn)水稻的生長(zhǎng)發(fā)育。沉積于植株體內(nèi)的硅在提高細(xì)胞壁強(qiáng)度的同時(shí)增強(qiáng)了水稻抗病蟲和抗倒伏的抗逆性能，改善了群體的受光度，降低了水稻的蒸騰作用，減輕了水分脅迫等作用[5]。

（2）該研究結(jié)果表明，施用摻雜硒、硫的硅基葉面阻控劑主要增加了水稻莖中Cd含量，顯著降低了稻米Cd含量，這與硅、硒、硫的聯(lián)合作用緊密相關(guān)。葉面噴施的硅能夠迅速被水稻吸收[1]，并在水稻表皮、莖、葉鞘以及維管組織中形成硅化細(xì)胞[6]，與細(xì)胞壁上的半纖維素形成帶負(fù)電的螯合物，從而增加對(duì)Cd的吸附和阻隔[7]，進(jìn)而緩解Cd對(duì)水稻的毒害。Wang等[8]研究表明，葉面噴施硅溶膠能夠通過降低水稻體內(nèi)MDA含量，增加水稻抗氧化能力來緩解水稻Cd的毒害。劉傳平等[9]和王世華[10]的研究進(jìn)一步表明，土壤Cd濃度為2.0 mg/kg時(shí)，葉面噴施有機(jī)硅溶膠使稻米中Cd含量從CK的0.827 mg/kg 下降到0.134 mg/kg。作為植物生長(zhǎng)的有益元素[11]，硒在緩解水稻重金屬污染方面也有重要應(yīng)用。研究表明，水稻外源施加低濃度的硒可以減輕Cd對(duì)水稻幼苗的毒害[12]。Wan等[2]研究表明，外源添加亞硒酸鈉能夠顯著降低水稻對(duì)Cd的吸收，采用亞硒酸鈉溶液進(jìn)行葉面噴施可使中輕度Cd污染水稻田中水稻糙米Cd含量由1.13 mg/kg 降低到0.48 mg/kg。葉面噴施亞硒酸鈉溶液能夠降低水稻對(duì)Cd的吸收，這可能是由于其能夠調(diào)節(jié)植物體內(nèi)活性氧（ROS）和抗氧化酶活性[13]，誘導(dǎo)由褪黑素參與Cd耐受機(jī)制[14]。適當(dāng)?shù)牧蚩梢源龠M(jìn)水稻的生長(zhǎng)，同時(shí)可以降低Cd對(duì)植株的毒害作用。硫素同化和谷胱甘肽代謝增強(qiáng)可降低Cd易位[3]，清除過量Cd引發(fā)的活性氧，同時(shí)促進(jìn)植物體內(nèi)非蛋白巰基（NPT）、GSH和PCs等含硫化合物合成[15]。Cd與PCs結(jié)合后，被運(yùn)輸至液泡，形成高分子量的復(fù)合物，從而使細(xì)胞處于無毒化狀態(tài)[16]，抑制Cd向其他細(xì)胞器中轉(zhuǎn)運(yùn)，保證細(xì)胞器功能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。該研究所采用的摻雜硒、硫的硅基葉面阻控劑將硅、硒、硫三大非金屬元素抑制水稻富集重金屬的原理結(jié)合起來，在土壤理化性質(zhì)不同的2個(gè)試驗(yàn)地均表現(xiàn)出較好的降Cd效果，說明采用硅、硒、硫耦合原理抑制Cd在水稻植株內(nèi)的遷移是可行有效的。

（3）Cd在水稻植株的轉(zhuǎn)移基本遵循根→莖→葉→糙米或者根→莖→糙米的順序[17-18]。Cd在水稻植株相鄰部位之間的轉(zhuǎn)移是其從根到糙米轉(zhuǎn)運(yùn)過程中的組成環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)運(yùn)能力都會(huì)影響糙米中Cd的富集。該研究中，施用摻雜硒、硫的硅基葉面阻控劑主要可抑制Cd在莖到葉、莖到籽實(shí)、葉到籽實(shí)過程中的轉(zhuǎn)運(yùn)，特別是從莖到籽實(shí)的轉(zhuǎn)運(yùn)。水稻莖中的Cd極易遷移到葉[19]，水稻葉片中含有一種能參與控制水稻內(nèi)部硅沉積的結(jié)合蛋白，沉積的硅能與Cd發(fā)生沉淀反應(yīng)，最終將Cd滯留在運(yùn)輸途徑中，降低其向上的轉(zhuǎn)運(yùn)能力[20]。另外，水稻莖中的節(jié)點(diǎn)部位是Cd由木質(zhì)部向韌皮部轉(zhuǎn)運(yùn)的中心器官[21]，尤其是水稻從上往下第1個(gè)節(jié)點(diǎn)，表現(xiàn)出最強(qiáng)的Cd攔截能力[22]。與此同時(shí)，該研究中莖—籽實(shí)的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)實(shí)際上涵蓋了莖到葉、葉到籽實(shí)的累積作用，這3個(gè)過程之間的關(guān)系以及硅、硒、硫交互作用下對(duì)Cd從莖到籽實(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)過程的抑制原理仍有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

（1）噴施摻雜硒、硫的硅基葉面阻控劑可在一定程度上提高水稻產(chǎn)量，當(dāng)用量較大時(shí)對(duì)水稻的增產(chǎn)效果顯著。

（2）噴施摻雜硒、硫的硅基葉面阻控劑可有效降低稻米中Cd含量，增加水稻莖中Cd含量，對(duì)水稻根、葉中Cd含量影響不大。采用硅、硒、硫耦合原理抑制Cd在水稻植株內(nèi)的遷移是可行有效的。

（3）噴施摻雜硒、硫的硅基葉面阻控劑后，稻米Cd含量能有效降低的主要原因是在硒、硫、硅耦合作用下，水稻植株內(nèi)莖—籽實(shí)的轉(zhuǎn)運(yùn)受到了較大程度的抑制。

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