葉面調理劑對浙江東部鎘污染農田水稻主栽品種安全生產的影響

周其耀，倪元君，徐順安，王瓊，詹麗釧，馮英*

（1.浙江大學環(huán)境與資源學院，污染環(huán)境修復與生態(tài)健康教育部重點實驗室，杭州 310058；2.嵊州市農業(yè)技術推廣中心，浙江紹興 310024）

當前，我國受污染耕地面積大、耕地資源短缺問題突出，其中，耕地土壤點位超標率達19.4%，以鎘（Cd）污染面積最大，其次為砷（As）、鉛（Pb）、汞（Hg）等[1]，因此，重金屬污染耕地安全利用是國家的重大需求之一。水稻是易富集Cd 的作物[2]。作為我國水稻主產區(qū)，浙江省土壤大多呈酸性，因此，在Cd 污染農田中易產生稻米Cd 超標問題[3]。大量研究已經證明，不同品種水稻對Cd 吸收富集能力不同。王萍等篩選得到一個適合在Cd 輕度污染土壤上安全生產的水稻品種[4]；陳德等通過田間小區(qū)試驗篩選到低于國家限量標準值的水稻品種12 個[5]。可見，種植低積累品種是實現(xiàn)Cd污染農田水稻安全生產的重要途徑之一。

已有報道表明，施用葉面調理劑是實現(xiàn)污染農田作物安全生產的重要技術措施之一[6]。當前，對葉面調理劑的研究主要集中于新型制劑的開發(fā)、不同類型調理劑的作用效果比較及其作用機制等[7-8]。在水稻上應用較多的是離子拮抗型葉面調理劑，其作用機制是增施硅（Si）、硒（Se）、鋅（Zn）等微量元素和有益元素，通過離子拮抗作用減少作物對Cd的葉面吸收和體內再轉運[7-8]。葉面噴施硅肥，可以調控相關離子吸收和轉運基因[9]，控制Cd在水稻體內的運輸，使其在根、莖滯留，阻止Cd 向稻米中轉運[10]；噴施硒肥可減輕氧化損傷，促進光合作用，降低水稻籽粒Cd 含量[11]；噴施鋅肥能夠提高Zn 離子向水稻籽粒的轉運效率，抑制Cd 向穗軸及籽粒的轉運[12]。并且，葉面噴施硅肥還可以促進根系生長發(fā)育，增強光合作用，刺激抗氧化酶基因表達，緩解水稻在Cd 污染環(huán)境中的氧化脅迫作用，顯著提高產量[9]；噴施鋅肥能夠顯著改善作物生長狀況，有效提高稻谷產量[13-14]。然而，目前大多數(shù)研究尚處于實驗室研究階段，田間大規(guī)模應用較少，特別是特定葉面調理劑在不同區(qū)域、不同污染程度農田中的應用效果不完全一致[15]，因此，有必要針對不同區(qū)域污染狀況和環(huán)境氣候特點，結合當?shù)氐姆N植習慣，篩選出適合當?shù)刂髟缘头e累品種的葉面調理劑來進行大規(guī)模推廣應用。

本研究針對浙江東部農田土壤重金屬污染現(xiàn)狀，采用連續(xù)2年的田間試驗，在篩選和研發(fā)新葉面調理劑的基礎上，明確優(yōu)選的葉面調理劑對不同主栽品種的作用效應，旨在構建經濟有效、易于推廣的Cd污染農田安全生產新技術模式，確保在耕地生產能力不下降的情況下所生產的農產品重金屬含量符合國家食品安全限量標準。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

田間小區(qū)試驗在浙江省紹興市2個不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)同時進行。試驗地具有溫度適宜、濕潤多雨的亞熱帶季風氣候特點，冬夏較長，春秋較短，年平均氣溫可達16.4 ℃，年平均降水量為1 446.8 mm。2 個試驗點A和B的土壤基本理化性質和重金屬污染情況如表1所示。

表1 試驗點耕層土壤基本理化性質和重金屬含量Table 1 Basic physicochemical properties and heavy metal contents of cultivated soil samples in experimental sites

1.2 供試材料

1.2.1 水稻品種

田間小區(qū)試驗：試驗點A為甬粳2號A，試驗點B為甬優(yōu)9號。

田間大區(qū)試驗：7 個紹興地區(qū)主栽品種，如表2所示。

表2 水稻品種Table 2 Rice varieties

1.2.2 葉面調理劑

選用的葉面調理劑的具體信息如表3 所示，其中納米硅肥為從市場上購買的成品，用作陽性對照，其他4種葉面調理劑均為自配。

表3 供試葉面調理劑的制備與處理Table 3 Preparation and treatment of tested foliar conditioners

1.3 試驗設計

田間小區(qū)試驗：在A 和B 2 個試驗點分別選擇地塊平整、地力均勻、污染程度相對一致的地塊進行小區(qū)試驗，采取完全隨機區(qū)組設計，每個處理設3次重復，每個試驗點共計18 個小區(qū)，每個小區(qū)面積40 m2（4 m×10 m）。水稻種植日期為2018年6月18日，收獲日期為10月9日，分別在分蘗期、拔節(jié)期與抽穗期將不同葉面調理劑均勻噴施在葉片上，現(xiàn)配現(xiàn)用，其他的農藝管理措施與常規(guī)稻田保持一致，在水稻成熟期進行采樣分析。

田間大區(qū)試驗：采取完全隨機區(qū)組排列，每個品種設置噴施清水和多元復合調理劑2 個處理，每個處理設3次重復，每個重復大區(qū)面積為667 m2，共2.8 hm2。水稻種植日期為2019年6月15日，收獲日期為10月16日，分別在分蘗期、拔節(jié)期與抽穗期均勻噴施3次清水或者多元復合調理劑，現(xiàn)配現(xiàn)用，其他的農藝管理措施與常規(guī)種植保持一致，在水稻成熟期收獲并進行分析測試。

1.4 樣品采集與測試分析

土壤樣品的采集：試驗前采集A、B 2 個試驗點的土壤樣品，用于土壤基本理化性狀測定。采用“S”布點法采樣，每個小區(qū)取5 點，混合后用四分法留取樣品，剔除土樣中的雜物，自然風干后碾碎，分別過20目和100目篩后用密封袋分裝，于干燥陰涼處保存，待測。

植物樣品的采集：在小區(qū)試驗中每個重復隨機采集3 株樣品，在大區(qū)試驗中每個重復隨機采集10株樣品，用干凈鐮刀于近土壤10～15 cm 處的水稻莖部位置切分，采集地上部，用不銹鋼剪刀分離各部分，裝入尼龍網袋并帶回實驗室，清洗干凈后吸干水分，裝入干凈信封，105 ℃殺青30 min，65 ℃烘干至恒量，稱量并記錄各部分干物質量。將稻谷脫殼，并將秸稈、穗軸、谷殼、糙米等分別粉碎后保存在自封袋中，備用。

土壤理化性質測定：土壤pH采用pH計法測定；有機質含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定；總氮含量采用凱氏定氮法測定；有效磷含量采用鉬銻抗比色法測定[16]。

土壤重金屬含量測定：As 含量參照GB/T 22105.2—2008測定；Hg含量參照GB/T 22105.1—2008測定；鉻（Cr）含量參照HJ 491—2019測定[16]。Cd 和Pb 含量測定的具體步驟如下：稱取0.2 g 土壤樣品于聚四氟乙烯管中，加入5.0 mL 硝酸、1.0 mL高氯酸和1.0 mL氟化氫，于180 ℃消煮10 h，用去離子水稀釋后過濾膜，用電感耦合等離子體質譜儀[inductively coupled plasma-mass spectrometry（ICPMS），德國Analytik Jena公司]測定。采用土壤標準物質（GBW07429）進行質量控制[17]。

水稻樣品Cd 含量測定：稱取0.2 g 植物樣品至消煮管中，加入5.0 mL 硝酸和1.0 mL 高氯酸，160 ℃消煮至清透，用去離子水稀釋后過濾膜，用ICP-MS 測定。采用大米標準物質[GBW（E）100360]進行質量控制[17]。

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

使用Excel 2016 進行數(shù)據(jù)處理和作圖，結果表示為平均值±標準差；使用SPSS 24.0軟件中的鄧肯法對數(shù)據(jù)進行多重比較，以P＜0.05 表示差異有統(tǒng)計學意義。

2 結果與分析

2.1 葉面調理劑的篩選

2.1.1 不同葉面調理劑對水稻產量性狀的影響

由表4 可知：1）試驗點A 各處理水稻單株平均生物量在202.93～236.21 g 之間，單株穗平均質量為21.97～26.06 g。稻谷平均產量達177.7～192.4 kg/667 m2，其中，施用納米硅肥調理劑產量最高，對照產量最低。相較空白對照處理，噴施葉面調理劑均能增加水稻產量，其中噴施納米硅肥和多元復合調理劑的增產效果顯著（P＜0.05），分別增產約8.3%和6.4%。2）試驗點B各處理水稻單株平均生物量為312.13～381.52 g，單株穗平均質量為52.72～66.01 g，稻谷平均產量達613.4～676.2 kg/667 m2。其中，強化硅鋅調理劑處理的單株穗質量最高，空白對照處理的單株穗質量最低，其他處理較對照穗質量增加2.6%～25.2%。納米硅肥調理劑、強化硅鋅調理劑、多元復合調理劑均能顯著提高單株生物量和單株穗質量（P＜0.05），其中納米硅肥處理產量最高，空白對照處理產量最低。噴施多元復合調理劑后產量提高7.8%，增產效果顯著（P＜0.05）。

表4 不同葉面調理劑處理下水稻產量性狀Table 4 Yield characters of rice treated with different foliar conditioners

2.1.2 不同葉面調理劑對水稻各部位Cd 含量的影響

試驗點A 糙米平均含Cd 量為0.067～0.077 mg/kg，谷殼平均含Cd 量為0.114～0.129 mg/kg，穗軸平均含Cd 量為0.141～0.161 mg/kg，秸稈平均含Cd量為0.151～0.187 mg/kg（表5）。與對照相比，施用硫酸鋅調理劑處理的穗軸以及納米硅肥調理劑處理的秸稈Cd含量提高，其他葉面調理劑處理的各部位Cd 含量均低于對照。多元復合調理劑處理的糙米和秸稈Cd 含量最低，分別比對照低13.0%和17.9%；納米硅肥調理劑處理的谷殼和穗軸Cd 含量最低，分別比對照低11.6%和7.2%。根據(jù)《國家食品安全標準 食品中污染物限量》（GB 2762—2017）的規(guī)定，糙米含Cd 量的限量標準為0.2 mg/kg，因此，本研究各處理糙米Cd含量均符合國家標準。

試驗點B 水稻各部位的平均含Cd 量分別為糙米0.065～0.076 mg/kg，穗軸0.118～0.136 mg/kg，谷殼0.105～0.129 mg/kg，秸稈0.155～0.172 mg/kg（表5）。施用葉面調理劑后，各部位Cd 含量均低于對照。噴施多元復合調理劑處理的糙米、秸稈Cd含量最低，分別比對照低14.5%和9.9%；施用納米硅肥調理劑的谷殼Cd 含量最低，比對照低18.6%；施用強化硅鋅調理劑的穗軸Cd 含量最低，比對照低13.2%。可見，試驗點B 糙米Cd 含量同樣均低于國家食品安全標準。

2.2 葉面調理劑在不同水稻品種中的作用效果

對照處理水稻單株生物量為262.30～427.70 g，產量為409.4～579.9 kg/667 m2，噴施葉面調理劑處理的單株生物量為323.27～441.48 g，產量提高至455.0～633.4 kg/667 m2（圖1A～B）。葉面調理劑對各品種水稻單株生物量均無顯著影響，但顯著提高了除N84 外其他6 個品種的產量（圖1B），增產8.2%～10.8%。其中YY1540 產量最高，噴施調理劑后增產10.1%。

圖1 葉面調理劑對不同水稻品種單株生物量（A）和產量（B）的影響Fig.1 Effects of the foliar conditioners on biomass per plant(A)and yield(B)of different rice varieties

所有處理組中糙米含Cd 量均在0.20 mg/kg 以下（圖2A），對照組糙米含Cd量為0.059～0.111 mg/kg，施用葉面調理劑后降至0.047～0.093 mg/kg，降幅為15.7%～20.3%，其中YY17的糙米Cd含量在對照和處理條件下均最低，分別為0.059 和0.047 mg/kg。葉面調理劑對不同品種谷殼、穗軸和秸稈中的Cd 含量影響不大（圖2B～D），不同部位Cd 含量總體趨勢為秸稈＞穗軸＞谷殼＞糙米（圖2），其中YY17各部位Cd含量均為7個品種中最低。

圖2 葉面調理劑對不同水稻品種糙米（A）、谷殼（B）、穗軸（C）和秸稈（D）Cd含量的影響Fig.2 Effects of the foliar conditioners on Cd contents in brown rice (A), rice husk (B), rachis (C), straw (D) of different rice varieties

3 討論

3.1 葉面調理劑的增產效應

本研究中的葉面調理劑含鋅、鐵、硅、硼等營養(yǎng)元素，噴施后對水稻具有一定的增產效果。硫酸鋅調理劑、強化鋅調理劑、強化硅鋅調理劑以及多元復合調理劑均以鋅（ZnSO4）作為主要成分。鋅在植物體內參與了多種代謝途徑，如光合作用、蛋白質合成、植物生長素代謝以及花粉形成等。在外源添加鋅的情況下，水稻整體鋅水平提高，從而激活植株內多種酶的活性，促進新陳代謝[18]。索炎炎等[13]研究表明，在外源Cd 處理下，施用葉面鋅肥能夠顯著改善水稻的生長狀況，其鮮質量和干質量各增加了11.9%和13.8%；DESHPANDE 等[14]發(fā)現(xiàn)，施用葉面鋅肥有效提高了稻米生物量。4種不同的含鋅葉面調理劑雖然均有增產作用，但僅有多元復合調理劑的增產效果達到統(tǒng)計學顯著水平，這與郭九信等[19]的研究結果一致，可能與外源鋅處理濃度和成分有關。

納米硅肥調理劑與強化硅鋅調理劑均以硅作為主要成分，強化鋅調理劑與多元復合調理劑添加了有機硅表面活性劑，這4 個處理的水稻產量都有一定程度的提高。硅在角質層與表皮細胞中均有分布，是植物細胞壁的組成元素之一，可促進根系生長與發(fā)育，提高葉片葉綠素含量，從而增強水稻光合作用[20]，并且硅可以改變Cd 在葉片中的亞細胞分布，刺激抗氧化酶基因的表達，降低Cd 產生的氧化脅迫[21]，因此，硅在提高水稻產量的同時，還提高稻米的精米率和蛋白質含量，使堊白粒率降低，促進籽粒飽滿[11]，增加稻穗中的氮含量，促進植物對磷的吸收，并增強作物對病蟲害的抵御能力。劉奇華等[22]研究指出，施用葉面硅肥可顯著提高水稻的結實率和產量，本研究結果與此相符。

多元復合調理劑處理的增產作用除與鋅、有機硅表面活性劑有關外，還與鐵、硼有關。鐵主要存在于稻米糊粉層和胚芽中，是代謝相關重要酶的激活劑，并且承擔著葉綠素組成元素、電子傳遞等工作，關系著呼吸作用、光合作用等過程的正常運作。通過施用含鐵葉面肥能夠有效提高稻米中的鐵含量和總氨基酸含量[23]。外源鐵的施用會促進植物血紅素、鐵硫蛋白以及葉綠素的合成，從而促進光合作用，提高產量[24]，故施用鐵肥不僅可以增加產量，還能提高稻米的品質。硼在植物體中不以酶的形式參與生長過程，但可以促進碳水化合物的運輸、細胞伸長與分裂以及生殖器官的形成和發(fā)育等系列過程。胡燕燕等[25]研究表明，噴施硼肥具有一定的增產效果，尤其在水稻分蘗期和拔節(jié)期噴施，可增加水稻產量及品質。UR-REHMAN 等[26]研究表明，葉面施用硼肥改善了水稻的含水量、葉綠素含量、產量以及品質特性，并可通過降低穗部不育性來提高產量和品質。故施用含鋅、硅、鐵、硼的葉面調理劑對水稻產量性狀具有正效應，可顯著提高產量。

3.2 葉面調理劑對水稻Cd 含量的影響

施用葉面調理劑后，所含的鋅、硅、鐵、硼等元素通過表皮角質層的滲透或者通過氣孔和表皮細胞進入到植物葉片中[27]，在運輸過程中和相應部位發(fā)生吸收和螯合，不僅減少作物葉片對大氣中重金屬污染物的吸收，還與植物從土壤中吸收的Cd進行點位競爭，從而減少植物體對Cd的吸收與富集。因此，葉面調理劑表現(xiàn)出很好地降低稻米Cd 含量的作用。

葉面噴施鋅后，一方面，植物體內鋅含量提高引發(fā)與Cd的離子拮抗作用，并增強了光合產物向稻米的轉運；另一方面，提高了可溶性蛋白質的濃度，增加了可溶性蛋白質對活性氧（reactive oxygen species,ROS）的清除作用以及對Cd的螯合作用，增強了膜的穩(wěn)定性，減少了Cd 向籽粒的轉運[28]。因此，含鋅調理劑可以降低糙米的Cd含量。

施用含硅的葉面調理劑也可以降低水稻對Cd的吸收，并且與鋅同時施用效果更佳。硅可以與Cd 在質外體形成沉淀，被分隔在液泡中或被吸附固定在節(jié)間，降低Cd 在水稻體內的轉運。硅在運輸過程中，會在質外體通道內大量積累，限制了Cd在質外體的運輸，且能降低水稻質外體運輸路徑的通透性，減少對Cd 的吸收[11]。此外，硅可以調節(jié)水稻特定的吸收和轉運基因來減少對Cd 的吸收[9]。施用有機硅表面活性劑具有更好地降低稻米Cd 含量的效果，可能是因為表面活性劑改善了葉面肥料的濕鋪展性能，提高了硅在葉面的滲透作用，更好地發(fā)揮了硅對Cd 的拮抗作用，降低了植物對Cd 運輸途徑的通透性，使得Cd 在莖部的轉運也大大降低。

多元復合調理劑對稻米Cd 含量良好的降低效果可能與其含有鐵和硼有關。Cd 可以通過鐵轉運蛋白如OsIRT1 和OsIRT2 進入植物體內，鐵的增加降低了植物對Cd的轉運和吸收[29]。同時，與鋅的作用相近，適當濃度的鐵能夠減少植物在脅迫條件下的ROS 生成，降低Cd 對植株的氧化脅迫[30]。因此，葉面施用鐵肥可以降低糙米中的Cd 含量[29]。硼對生殖器官的生長發(fā)育有重要作用，并且對細胞膜具有直接作用，可減少植物對Cd 的吸收與轉運；噴施硼肥后葉片多酚氧化酶（polyphenol oxidase,PPO）、超氧化物歧化酶（superoxide dismutase, SOD）以及過氧化物酶（peroxidase,POD）活性顯著提高，可清除ROS[31]，因而，硼能夠通過增強保護酶的活性來降低Cd對水稻的損害。

3.3 葉面調理劑與低積累品種聯(lián)用效應

本研究發(fā)現(xiàn)，無論葉面噴施調理劑與否，YY17各部位的Cd含量均低于其他品種，說明YY17是一個Cd 相對低積累品種。在Cd 輕度污染條件下，YY17 比相對高積累品種YY538 的糙米Cd 含量低46.8%；施用多元復合調理劑后，YY17的糙米Cd含量進一步下降了20.3%，表明多元復合葉面調理劑與低積累品種YY17聯(lián)用是本研究條件下的最佳安全生產技術。

4 結論

1）通過2 個地點的小區(qū)試驗，發(fā)現(xiàn)施用葉面調理劑能顯著提高水稻產量，并在一定程度上降低糙米中Cd含量。與對照相比，施用多元復合葉面調理劑可使糙米Cd 含量降低13.0%～14.5%，同時增產6.4%～7.8%。在5 種配方調理劑中，多元復合葉面調理劑在2個地點的表現(xiàn)相對穩(wěn)定，為優(yōu)選調理劑。

2）田間大區(qū)試驗表明，施用多元復合葉面調理劑對不同品種水稻均具有增產效果，平均增產10%左右。噴施多元復合調理劑可降低不同品種糙米Cd含量，降幅15.7%～20.3%，說明多元復合調理劑可以在Cd污染農田中安全利用。

3）在所比較的7 個品種中，YY17 各部位的Cd含量最低；噴施多元復合調理劑進一步降低了YY17 糙米中的Cd 含量，同時具有顯著的增產作用。說明在本試驗條件下，YY17 配合施用多元復合葉面調理劑是適合浙江東部輕度污染農田的安全生產技術模式。