不同阻控劑對水稻鎘和砷的阻控效應(yīng)及水稻產(chǎn)量的影響

潘榮慶，藍(lán)淯琛，李站峰，何卿姮，蔣代華，黃智剛

(廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院/農(nóng)業(yè)面源污染與生態(tài)治理廣西高校重點實驗室，南寧 530004)

【研究意義】我國是全球土壤重金屬污染最嚴(yán)重的國家之一，2016年5月國務(wù)院印發(fā)《土壤污染防治行動計劃》要求2030年被污染耕地的安全利用率在95.0%以上[1]。全國土壤污染狀況調(diào)查公報顯示，2013年全國耕地土壤點位重金屬超標(biāo)率達(dá)19.4%，其中鎘(Cd)污染點位超標(biāo)率達(dá)7.0%，砷(As)、汞(Hg)、鉛(Pb)和鉻(Cr)的超標(biāo)率分別為2.7%、1.6%、1.5%和1.1%[2-4]。水稻是易富集重金屬的農(nóng)作物之一，對土壤重金屬有很強(qiáng)的富集吸附能力[5]，在重金屬高風(fēng)險污染地區(qū)種植水稻，其稻米的重金屬含量對食品安全存在嚴(yán)重威脅[6]。通過阻控劑阻控土壤重金屬向水稻植株遷移可有效降低水稻籽粒的重金屬含量，該技術(shù)已在水稻生產(chǎn)上得到廣泛應(yīng)用[7-10]。廣西的Cd污染高風(fēng)險地區(qū)主要分布在西部和北部[11-12]，其中，田東縣是廣西西部重要的糧食生產(chǎn)區(qū)，主要種植兩季稻，年種植面積約1.33萬hm2[13]，2019年檢測其土壤Cd平均超標(biāo)率為3.9%[14]，而迄今鮮見有關(guān)田東縣解決土壤重金屬污染風(fēng)險的研究報道。因此，通過篩選低累積重金屬水稻品種和采用阻控技術(shù)組合措施緩解重金屬污染對水稻的脅迫作用，對降低重金屬進(jìn)入食物鏈危害人體健康風(fēng)險具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】大田作物葉面噴施適量硒(Se)肥可提高其抗性、抗氧化能力和抵御惡劣環(huán)境能力，促進(jìn)植株生長，發(fā)揮增產(chǎn)作用[15-18]。滕世輝等[19]研究發(fā)現(xiàn)，在水稻揚(yáng)花后期葉面噴施硒肥可在一定程度上提高水稻產(chǎn)量。許佳瑩等[20]研究表明，施用硅(Si)肥可使水稻根系保持良好的生長環(huán)境，提高根系活力，增強(qiáng)水稻的抗旱性、抗倒伏和抗病蟲害能力。施用適量硅肥可促進(jìn)水稻對營養(yǎng)元素的吸收，提高水稻葉片轉(zhuǎn)氨酶和籽粒分支酶活性，進(jìn)而促進(jìn)水稻對氮素的吸收，提高水稻產(chǎn)量[21]，但不同水稻品種施用硅肥的增產(chǎn)效應(yīng)存在差異[22]。植物的基因型決定植物對重金屬的吸附能力，不同種類植物對重金屬的吸附能力不同[23]，水稻品種不同其稻米的Cd、As和Pb含量也存在差異[6-8]。周鴻凱[24]研究發(fā)現(xiàn)，不同水稻品種對Cd的吸收富集能力存在顯著差異。在重金屬污染低風(fēng)險地區(qū)，低累積重金屬水稻品種能有效降低其籽粒的Cd和As含量，但在重金屬高風(fēng)險污染地區(qū)的低累積重金屬水稻品種對降低其籽粒重金屬含量能力有限，無法達(dá)到水稻安全生產(chǎn)目的[9]。已有研究表明，葉面阻控劑種類和水稻品種不同對稻米累積Cd和As的影響也不同[25]，水稻植株葉面噴施硅肥是防控稻米Cd污染的有效措施[26]，在重金屬污染的水稻田，葉面施用硅肥后水稻籽粒的Cd吸收量顯著降低[27]。水稻葉面施用硒肥也可降低Cd對水稻植株的毒害作用，減少水稻籽粒對重金屬的吸收[28]，噴施硅肥也可顯著降低稻米的Cd含量[29]。利用土壤重金屬污染阻控技術(shù)控制土壤重金屬污染，是實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的有效途徑[30-31]?！颈狙芯壳腥朦c】廣西百色市右江河谷地區(qū)土壤樣品Cd的單因子污染評價結(jié)果為輕度污染占比67.61%、中度污染占比23.94%、重度污染占比5.63%[32]，其中，田東縣的土壤重金屬污染嚴(yán)重[14]，但目前針對其土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)和篩選低累積重金屬水稻品種的研究鮮見報道。【擬解決的關(guān)鍵問題】在廣西百色市田東縣重金屬污染高風(fēng)險稻田種植16個廣西主栽晚稻品種，開展硒類阻控劑和硅類阻控劑阻控重金屬試驗，測定各品種稻米樣品的Cd和As含量，對比分析不同阻控劑對Cd和As的阻控效果及不同品種水稻的產(chǎn)量，為開展重金屬污染高風(fēng)險土壤安全利用技術(shù)研究、篩選低累積重金屬水稻品種及生產(chǎn)食用稻米提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2020年7—12月在廣西田東縣某重金屬污染水稻田進(jìn)行。試驗田地處北回歸線上，熱量豐足，光照充沛，屬于南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)。年均氣溫20.0～22.0 ℃，日最高溫38.0～40.0 ℃，日最低溫3.8 ℃，年輻射總量約477.2 kJ/cm3，全年無霜期在300 d以上，年均降水量約1000 mm。在試驗前對試驗田種植的水稻進(jìn)行檢測發(fā)現(xiàn)，稻米重金屬Cd、As和Cr含量分別為0.252、0.241和0.022 mg/kg，未檢出Hg和Pb。其中，稻米Cd含量超過GB/T 5009.15—2014《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中鎘的測定》的標(biāo)準(zhǔn)(Cd含量≤0.200 mg/kg)，稻米As含量超過GB/T 5009.11—2014《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中總砷及無機(jī)砷的測定》的標(biāo)準(zhǔn)(As含量≤0.200 mg/kg)。因此，本研究選擇稻米中含量超標(biāo)的重金屬Cd和As作為研究內(nèi)容。供試稻田4個重復(fù)區(qū)組土壤pH在6.10～6.50，差異較小，其平均值為6.35，屬于酸性土；土壤總Cd含量在2.49～2.62 mg/kg，平均值為2.58 mg/kg；土壤總As含量在20.13～20.44 mg/kg，平均值為20.30 mg/kg(表1)。

表1 供試稻田土壤的pH及Cd和As含量

1.2 試驗材料

供試晚稻品種16個，其中1個(桂香12)為當(dāng)?shù)刂饕N植品種，8個(桂香18、廣8優(yōu)金占、廣8優(yōu)169、恒豐優(yōu)666、特優(yōu)5058、深兩優(yōu)8386、桂育11號和深兩優(yōu)31)為重金屬Cd低累積品種，7個(廣8優(yōu)香絲苗、豐田優(yōu)553、野香優(yōu)703、晶兩優(yōu)1212、野香優(yōu)油絲、昌兩優(yōu)油絲和野香優(yōu)明月絲)為當(dāng)?shù)赝练收就扑]的本地品種。硒類阻控劑購自佛山市鐵人環(huán)保科技有限公司，主要成分為：有機(jī)硒含量≤85.00 g/L，其他組分為水不溶物(≤10.00 g/L)和Na(≤10.00 g/L)；硅類阻控劑購自佛山市植寶生態(tài)科技有限公司，主要成分為：有機(jī)硅含量≥120.00 g/L，其他組分為N+P2O5+K2O≥170.00 g/L，Cu+Mn+Zn+B+Mo含量為30.00～50.00 g/L。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗設(shè)計 采用人工播種方式進(jìn)行種植，每品種設(shè)4個重復(fù)，以桂香12為對照品種。每品種設(shè)葉面噴施硒類阻控劑(A)、葉面噴施硅類阻控劑(B)和不噴施阻控劑(對照，CK)3個處理，每處理4個重復(fù)，小區(qū)隨機(jī)排列，共48個處理，192個小區(qū)，每小區(qū)面積20.0 m2，總面積0.6 hm2。在試驗地周圍均種植保護(hù)行，小區(qū)間鋪設(shè)地膜。2020年9月21日，在水稻分蘗期第1次噴施阻控劑，每個區(qū)組用藥量均為3.0 mL，稀釋100倍后進(jìn)行人工噴施，20 d后進(jìn)行第2次噴施。按照當(dāng)?shù)氐氖┓柿?xí)慣(在耕地時施用357.0 kg/hm2復(fù)合肥，分蘗期施用尿素112.5 kg/hm2和氯化鉀60.0 kg/hm2)和用藥習(xí)慣(由當(dāng)?shù)赝练收竟ぷ魅藛T針對水稻出現(xiàn)的病蟲害情況進(jìn)行針對性施用農(nóng)藥)對試驗田進(jìn)行管護(hù)。

1.3.2 測定項目及方法 在水稻進(jìn)入成熟期后，采用五點取樣法采集稻谷樣品，每小區(qū)取混合樣置于網(wǎng)袋中帶回，自然晾干，脫殼成糙米并粉碎，送至廣西西大檢測有限公司檢測Cd和As含量。試驗通過使用面積為1.0 m2的正方形工具劃定區(qū)域采集稻谷，在稻谷自然晾干后，測量小區(qū)稻谷產(chǎn)量。

1.4 統(tǒng)計分析

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2016進(jìn)行圖表制作，以SPSS 19.0進(jìn)行統(tǒng)計，以Duncan’s新復(fù)極差法進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水稻品種稻米的重金屬含量

由表2可知，16個水稻品種稻米的Cd含量在0.143～0.243 mg/kg，平均為0.189 mg/kg，最低值與最高值相差約1.7倍。其中，有10個品種稻米的Cd含量低于國標(biāo)(Cd含量≤0.200 mg/kg)要求，達(dá)標(biāo)率為62.5%(本地品種達(dá)標(biāo)率為43.0%，低Cd累積品種達(dá)標(biāo)率為75.0%)；低Cd累積品種桂香18和特優(yōu)5058稻米的Cd含量高于國標(biāo)要求，未達(dá)標(biāo)；有11個品種稻米的Cd含量高于當(dāng)?shù)刂饕N植品種桂香12；對Cd富集能力最強(qiáng)的是野香優(yōu)703，富集能力最弱的是深兩優(yōu)8386；桂香18、特優(yōu)5058和野香優(yōu)703的稻米Cd含量顯著高于深兩優(yōu)8386、廣8優(yōu)金占、豐田優(yōu)553、桂香12和廣8優(yōu)169(P<0.05，下同)。說明不同水稻品種稻米對重金屬Cd的吸附能力存在較大差異，而低Cd累積品種桂香18和特優(yōu)5058在當(dāng)?shù)胤N植后，稻米Cd含量超標(biāo)。

表2 不同水稻品種稻米的Cd和As含量比較

16個水稻品種稻米的As含量在0.100～0.322 mg/kg，平均為0.186 mg/kg，最低值與最高值相差約3.2倍；在16個水稻品種中，有8個品種稻米的As含量低于國標(biāo)(As含量≤0.200 mg/kg)要求，達(dá)標(biāo)率為50.0%，但有7個品種稻米的As含量高于當(dāng)?shù)刂饕N植品種桂香12；對As富集能力最強(qiáng)的是廣8優(yōu)香絲苗，且富集的As含量顯著高于其他品種，而富集能力最弱的是野香優(yōu)703；野香優(yōu)703、恒豐優(yōu)666、廣8優(yōu)金占和野香優(yōu)莉絲稻米的As含量顯著低于桂香12、廣8優(yōu)169、深兩優(yōu)31、晶兩優(yōu)1212、特優(yōu)5058、昌兩優(yōu)絲苗、桂育11號和廣8優(yōu)香絲苗。說明不同水稻品種間稻米的重金屬As含量存在較大差異。

2.2 噴施不同阻控劑對水稻產(chǎn)量的影響

由表3可知，經(jīng)過A和B阻控劑處理后，16個水稻品種稻谷的平均產(chǎn)量分別為5866.5和5808.8 kg/hm2，均顯著高于CK稻谷的平均產(chǎn)量(5510.2 kg/hm2)；A和B處理桂香12的產(chǎn)量分別為6336.3和6229.8 kg/hm2，均高于其他品種及其CK；在A處理中，各品種的產(chǎn)量為5434.6～6336.3 kg/hm2，平均增產(chǎn)356.3 kg/hm2，平均增產(chǎn)率為6.5%，以恒豐優(yōu)666的增產(chǎn)量最大(597.0 kg/hm2)，較其CK增產(chǎn)10.7%，增產(chǎn)率最高的是野香優(yōu)油絲，為11.0%；各品種的產(chǎn)量均顯著高于其相應(yīng)的CK，其中，廣8優(yōu)金占和野香優(yōu)莉絲2個品種顯著高于B處理；在B處理中，各品種的產(chǎn)量為5524.8～6229.8 kg/hm2，平均增產(chǎn)298.6 kg/hm2，平均增長率為5.4%，其中均以野香優(yōu)油絲的增產(chǎn)量(564.3 kg/hm2)和增產(chǎn)率(10.7%)最高。可見，不同阻控劑對水稻產(chǎn)量的增產(chǎn)效果不同，但噴施硒類和硅類阻控劑后16個水稻品種的產(chǎn)量均顯著高于其相應(yīng)CK。

表3 噴施不同阻控劑水稻品種的稻谷產(chǎn)量比較

續(xù)表3 Continued table 3

2.3 噴施不同阻控劑水稻品種的稻米Cd和As含量差異

由表4可知，在16個水稻品種中，A處理9個品種昌兩優(yōu)絲苗、桂香12、豐田優(yōu)553、恒豐優(yōu)666、野香優(yōu)703、深兩優(yōu)31、野香優(yōu)油絲、桂育11號和桂香18稻米的Cd含量顯著低于其相應(yīng)的CK，其中野香優(yōu)703和昌兩優(yōu)絲苗2個品種稻米的Cd含量較其CK降低超過50.0%，分別為57.6%和53.7%，說明噴施硒類阻控劑對降低野香優(yōu)703和昌兩優(yōu)絲苗稻米Cd含量的效果較佳；B處理6個品種恒豐優(yōu)666、特優(yōu)5058、桂育11號、深兩優(yōu)31、野香優(yōu)703和野香優(yōu)油絲稻米的Cd含量顯著低于其相應(yīng)的CK，其中野香優(yōu)703和恒豐優(yōu)666 2個品種稻米的Cd含量較其相應(yīng)的CK降低超過50.0%，分別為53.9%和52.1%，說明噴施硅類阻控劑對降低野香優(yōu)703和恒豐優(yōu)666稻米Cd含量的效果較佳；在A和B 處理中，廣8優(yōu)金占、廣8優(yōu)169、深兩優(yōu)8386、廣8優(yōu)香絲苗、晶兩優(yōu)1212和野香優(yōu)莉絲6個品種稻米的Cd含量與其相應(yīng)的CK相比無顯著差異(P>0.05，下同)，說明噴施硒類和硅類阻控劑對這6個水稻品種稻米的Cd累積作用效果不明顯。

表4 噴施不同阻控劑對稻米Cd含量的影響

由表5可知，在A處理水稻品種中，稻米As含量低于其相應(yīng)CK的品種有5個，高于其相應(yīng)CK的品種有11個，16個品種稻米的As含量與其相應(yīng)CK均無顯著差異，說明噴施硒類阻控劑對16個水稻品種稻米的As含量作用效果不明顯；在B處理水稻品種中，稻米As含量低于其相應(yīng)CK的品種有8個，高于其相應(yīng)CK的品種有8個，除恒豐優(yōu)666和野香優(yōu)703稻米的As含量顯著高于其相應(yīng)的CK外，其他品種稻米的As含量與其相應(yīng)的CK均無顯著差異。說明除恒豐優(yōu)666和野香優(yōu)703外，噴施硅類阻控劑對其他水稻品種稻米的As累積無明顯作用。

表5 噴施不同阻控劑對稻米As含量的影響

從表4還可看出，A處理16個水稻品種稻米的Cd含量在0.103～0.180 mg/kg，平均為0.119 mg/kg，B處理稻米的Cd含量在0.090～0.162 mg/kg，平均為0.126 mg/kg，二者均顯著低于CK的均值(0.189 mg/kg)，但二者間差異不顯著。從表5可看出，A處理16個水稻品種稻米的As含量在0.122～0.267 mg/kg，平均為0.197 mg/kg，B處理稻米的As含量在0.013～0.217 mg/kg，平均為0.185 mg/kg，二者與CK的均值(0.186 mg/kg)均無顯著差異。說明噴施硒類和硅類2種阻控劑均可顯著降低稻米的Cd含量，且各品種稻米的Cd含量均低于國標(biāo)(Cd含量≤0.200 mg/kg)要求，但二者對稻米Cd含量的降低效果差異不明顯，而2種阻控劑對稻米As含量雖無顯著影響，但稻米的As含量均低于國標(biāo)(As含量≤0.200 mg/kg)要求。

3 討 論

施用硒肥可生產(chǎn)富硒玉米和紅薯，并提高其產(chǎn)量[18]。施用硅肥也可提高水稻產(chǎn)量，但不同水稻品種的增產(chǎn)效果存在差異[22]。本研究結(jié)果與上述研究結(jié)果相似，噴施硒類和硅類阻控劑后16個水稻品種的產(chǎn)量均顯著提高，其中噴施硒類阻控劑平均增產(chǎn)6.5%，噴施硅類阻控劑平均增產(chǎn)5.4%。

我國南方酸性土壤水稻田的重金屬活性較高，Cd和As等重金屬易在水稻籽粒中累積，造成稻米重金屬含量超標(biāo)[24]。植物種類是影響土壤重金屬生物有效性的因素之一，植物對重金屬的吸附能力取決于其基因型，相同種類植物對不同種類重金屬的吸附能力各不相同[23]，不同水稻品種對Cd的吸收富集能力也存在差異[33]。本研究結(jié)果與上述研究結(jié)果相符，不同水稻品種稻米對重金屬Cd和As的吸附能力存在較大差異，其中，深兩優(yōu)8386、廣8優(yōu)金占、豐田優(yōu)553、桂香12和廣8優(yōu)169 5個品種稻米的Cd含量顯著低于桂香18、特優(yōu)5058和野香優(yōu)703；低Cd累積品種深兩優(yōu)8386稻米的Cd含量最低，但低Cd累積品種桂香18和特優(yōu)5058在當(dāng)?shù)胤N植后，稻米Cd含量超標(biāo)，在當(dāng)?shù)夭贿m合作為低Cd累積品種推廣種植；野香優(yōu)703、恒豐優(yōu)666、廣8優(yōu)金占和野香優(yōu)莉絲4個品種的As含量顯著低于桂香12、廣8優(yōu)169、深兩優(yōu)31、晶兩優(yōu)1212、特優(yōu)5058、昌兩優(yōu)絲苗、桂育11號和廣8優(yōu)香絲苗，尤其野香優(yōu)703稻米As含量僅為國標(biāo)要求(As含量≤0.200 mg/kg)的50.0%，表明該品種在當(dāng)?shù)胤N植后，可很好地起到降低稻米As含量的效果。

已有研究表明，不同葉面阻控劑對同一水稻品種、同種葉面阻控劑對不同水稻品種稻米累積Cd和As的作用存在顯著差異[25]，水稻田土壤直接施用硅肥和水稻植株葉面噴施硅肥均是防控稻米Cd污染的有效措施[26]，施用硒肥可降低Cd對水稻植株的毒害作用，減少水稻籽粒對重金屬的吸收[28]，而在重金屬污染水稻田條件下葉面施用硅肥后，水稻籽粒的Cd吸收量顯著降低[27]。本研究結(jié)果與上述研究結(jié)果相似，噴施硒類和硅類2種阻控劑均可顯著降低16個水稻品種稻米的Cd含量，其中噴施硒類和硅類阻控劑稻米的Cd平均含量分別為0.119和0.126 mg/kg，相較于CK稻米的平均Cd含量分別下降37.03%和33.33%，且均低于相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)；噴施硒類和硅類阻控劑后，廣8優(yōu)金占、廣8優(yōu)169、深兩優(yōu)8386、廣8優(yōu)香絲苗、晶兩優(yōu)1212和野香優(yōu)莉絲6個品種稻米的Cd含量較其相應(yīng)的CK有所降低，但差異不顯著，作用效果不明顯；噴施硒類和硅類阻控劑后16個水稻品種及其CK的稻米平均As含量分別為0.197、0.185和0.186 mg/kg，三者間差異不顯著，表明水稻葉面噴施硒類和硅類阻控劑對稻米As含量影響均較小。本研究還發(fā)現(xiàn)，恒豐優(yōu)666和野香優(yōu)703葉面噴施硅類的阻控劑后，不僅不會降低其稻米的As含量，還出現(xiàn)稻米As含量顯著增加的情況，具體原因有待探究。

4 結(jié) 論

不同晚稻品種稻米對重金屬Cd和As的吸附能力存在明顯差異。在Cd和As污染稻田葉面噴施硒類和硅類阻控劑既可顯著提高水稻產(chǎn)量，也可顯著降低稻米的Cd含量，但對降低稻米As含量無明顯作用。深兩優(yōu)8386、廣8優(yōu)金占、豐田優(yōu)553、桂香12和廣8優(yōu)169 5個低Cd累積水稻品種可在當(dāng)?shù)谻d污染稻田推廣種植，野香優(yōu)703、恒豐優(yōu)666、廣8優(yōu)金占和野香優(yōu)莉絲4個低As累積水稻品種可在當(dāng)?shù)谹s污染稻田推廣種植。