不同生育期葉面阻隔劑對(duì)水稻Cd 含量的影響

劉 力，張傳華*，鄧 煒,2，馮 麗，何于峰

1. 重慶理工大學(xué)管理學(xué)院，重慶 400054

2. 重慶鐵路投資集團(tuán)有限公司，重慶 400025

3. 重慶阜晟信息技術(shù)有限公司，重慶 400054

土壤是農(nóng)作物生長(zhǎng)的載體和母體，只有土壤干凈，才能生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的農(nóng)產(chǎn)品[1-2]. 2005 年4 月—2013 年12 月，我國(guó)開展了首次全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查，結(jié)果表明，全國(guó)土壤環(huán)境狀況總體不容樂觀，從空間分布上來看，南方土壤污染狀況較北方更為顯著，重慶等西南地區(qū)由于工礦企業(yè)、農(nóng)業(yè)活動(dòng)和地質(zhì)背景等多種因素影響，是我國(guó)土壤污染較顯著的地區(qū)之一[3-5].水稻是重慶市的主要糧食作物，約占耕地總面積的30%左右. 余鴻燕等[6]對(duì)重慶稻田土壤重金屬元素的含量及風(fēng)險(xiǎn)特征進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，重慶市稻田土壤的主要超標(biāo)因子為Cd，占比為19.57%，以輕微和輕度超標(biāo)為主. 蒲剛等[7-8]研究發(fā)現(xiàn)，重慶部分地區(qū)受地質(zhì)背景影響，土壤重金屬超標(biāo)問題顯著，以Cd 和As 為主要污染因子，其中Cd 超過農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值的比例超過54.4%. 當(dāng)農(nóng)田土壤存在重金屬污染時(shí)，對(duì)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全、農(nóng)作物生長(zhǎng)均會(huì)造成風(fēng)險(xiǎn)，而采取相應(yīng)的安全利用措施是保障輕微和輕度土壤重金屬超標(biāo)區(qū)農(nóng)產(chǎn)品安全的重要舉措[9].

農(nóng)用地安全利用是指通過源頭控制、農(nóng)藝調(diào)控、土壤改良、植物修復(fù)等措施，減少耕地土壤中污染物的輸入或降低其活性，從而降低農(nóng)產(chǎn)品污染物超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)[10]，其中葉面阻控技術(shù)由于成本較低、農(nóng)產(chǎn)品降Cd 效果明顯、操作簡(jiǎn)單易于推廣等特點(diǎn)，成為目前應(yīng)用最廣泛的農(nóng)用地安全利用技術(shù)之一[11]. 葉面阻隔技術(shù)是指通過葉面噴施Si、Se、Zn 等有益元素，提高作物抗逆性，抑制作物根系向可食用部分轉(zhuǎn)運(yùn)重金屬，降低可食部位重金屬含量，主要選用可溶性Si、可溶性Zn、可溶性Se 等原料[12-14]. 水稻為喜Si 植物，因此，用于水稻的葉面阻隔劑以富Si 型為主[15]. 目前，關(guān)于葉面阻控技術(shù)的研究主要集中在效果驗(yàn)證和機(jī)理研究[16-19]. 例如，梁曉宇等[20]研究發(fā)現(xiàn)，水稻葉面噴施富Si 溶液，可顯著降低水稻籽實(shí)Cd 含量；Gao 等[21]研究表明，水稻葉面施Si 可改善植物光合過程來促進(jìn)作物生長(zhǎng)，并抑制Cd 從莖葉向籽實(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)；Liu 等[22]研究表明，水稻葉面施Si 后，Si 元素會(huì)與植物內(nèi)部Cd 等重金屬發(fā)生反應(yīng)，形成螯合物，從而減少Cd 等重金屬在植物體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn). 但如何開展田間應(yīng)用，尤其關(guān)于葉面阻隔劑噴施時(shí)間節(jié)點(diǎn)的相關(guān)研究較少，章明奎等[23]研究發(fā)現(xiàn)，氣候條件和土壤類型等條件差異可能會(huì)影響安全利用技術(shù)的作用效果. 因此，開展不同土壤類型區(qū)水稻葉面阻隔劑噴施時(shí)間節(jié)點(diǎn)研究是十分必要的. 紫色土和黃壤是重慶市主要的耕地土壤類型，本研究擬選擇主要糧食產(chǎn)地合川區(qū)(紫色土區(qū))和黔江區(qū)(黃壤區(qū))為試驗(yàn)區(qū)開展田間試驗(yàn)，研究不同生育期噴施葉面阻隔劑對(duì)水稻Cd 含量的影響，旨在得出重慶市主要土壤類型區(qū)水稻葉面阻隔劑噴施的最佳時(shí)期，以期為重慶市農(nóng)用地安全利用技術(shù)的推廣應(yīng)用提供技術(shù)支撐.

1 材料與方法

1.1 供試水稻

本研究供試水稻品種為“恒豐優(yōu)珍絲苗”，育種單位為廣東粵良種業(yè)有限公司和重慶大愛種業(yè)有限公司. 該品種屬中秈遲熟三系雜交水稻，全生育期142～169 d，平均150.8 d. 稻瘟病綜合抗性指數(shù)3.25，抗性病級(jí)3 級(jí)，抗性評(píng)價(jià)中米質(zhì)達(dá)到國(guó)家《優(yōu)質(zhì)稻谷》標(biāo)準(zhǔn)3 級(jí). 采用小拱地膜保溫濕潤(rùn)育秧，待水稻苗生長(zhǎng)至5 片葉時(shí)進(jìn)行人工移栽，按照行距33.3 cm、窩距20 cm 密度進(jìn)行移栽，每窩栽兩粒谷苗.

1.2 供試土壤

試驗(yàn)工作分別在合川區(qū)(紫色土區(qū))和黔江區(qū)(黃壤區(qū))開展，試驗(yàn)田中心坐標(biāo)分別為106.34019°E、30.05413°N 和108.61981°E、29.68145°N，試驗(yàn)時(shí)間為2022 年3—9 月. 試驗(yàn)工作開展前，采用五點(diǎn)采樣法采集子樣點(diǎn)后均勻混合，四分法取樣約1 kg. 土壤樣品自然風(fēng)干，采用坩堝研磨，過2 mm (10 目)尼龍篩. 土壤理化性質(zhì)見表1，土壤粒徑組成見表2. 土壤中Cd 含量先用HCl-HNO3-HF-HClO4溶樣，再采用等離子質(zhì)譜法〔ICP-MS，Agilent 7900 型，安捷倫科技(中國(guó))有限公司〕測(cè)定；土壤pH 測(cè)定采用蒸餾水浸提，pH 計(jì)(VSTAR40B2 型，北京東方信捷科技有限公司)測(cè)定；總鉀(TK)、總磷(TP)和全鐵(TFe2O3)含量采用粉末壓片法，X 熒光光譜儀〔XRF，EDX-720 型，島津(上海) 實(shí)驗(yàn)器材有限公司〕測(cè)定；總氮(TN)含量采用H2SO4溶解，凱氏氮蒸餾酸堿滴定(VOL)測(cè)定；總有機(jī)碳(TOC)含量采用重鉻酸鉀氧化，硫酸亞鐵銨容量法(VOL)測(cè)定. 土壤pH 測(cè)定供試樣品粒徑為2 mm (10 目)，土壤總氮(TN)和總有機(jī)碳(TOC)測(cè)定供試樣品粒徑為0.25 mm (60 目)，其余指標(biāo)測(cè)定供試樣品粒徑均為0.074 mm (200 目)[24]. 測(cè)試樣品和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GSS-7、GSS-8、GSS-9 的處理同步進(jìn)行，以確保測(cè)定的準(zhǔn)確度.

表2 試驗(yàn)田土壤粒徑組成Table 2 Particle size composition of soil in experimental field

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及田間管理

為保障試驗(yàn)的田塊土壤重金屬含量、肥力水平等條件均一，在試驗(yàn)開始前采用灌水(淹水3～5 cm)結(jié)合多次旋耕(2～3 次)的方式，盡可能消除試驗(yàn)田塊內(nèi)部(特別是進(jìn)水口與附近)土壤條件的差異，并保證田面平整(高差盡可能不超過3 cm)，防止水分條件差異過大. 通過拉繩方式確定第1 條直線邊界，應(yīng)用“勾股”畫出直角后確定第2、3、4 條邊界，確保試驗(yàn)區(qū)域方正，并在周邊區(qū)域留足保護(hù)行(>100 cm). 各試驗(yàn)小區(qū)面積為4 m×5 m，小區(qū)之間不設(shè)田埂和排水溝，留工作道60 cm，每個(gè)處理組設(shè)置5 組重復(fù)處理，采取完全隨機(jī)區(qū)組排列. 小區(qū)劃定之后，采取拉秧繩的方式劃定秧苗移栽點(diǎn)位(等間距). 試驗(yàn)處理組分為“僅分蘗期噴施葉面阻隔劑”(T1 處理組)、“僅抽穗期噴施葉面阻隔劑”(T2 處理組)、“分蘗期和抽穗期均噴施葉面阻隔劑”(T3 處理組)，每個(gè)處理組設(shè)置3 組重復(fù)處理. 試驗(yàn)田具體情況如圖1 所示.

圖1 試驗(yàn)田示意Fig.1 Schematic diagram of the experimental field

施肥按當(dāng)?shù)卮竺娣e生產(chǎn)確定用肥量，選用水稻專用復(fù)合肥，按底肥70%、追肥30%分兩次施用. 在耙田時(shí)施底肥，移栽后15 d 左右施追肥. 采用淺水栽(1 cm 左右)秧，深水(3 cm 左右)返青，薄水(1～2 cm)分蘗. 每窩分蘗達(dá)到15 苗后，灌5 cm 左右的深水控苗. 孕穗至灌漿期可保持干濕交替灌溉，齊穗后15 d排水. 按照對(duì)比試驗(yàn)設(shè)計(jì)，使用環(huán)保橋(湖南)生態(tài)股份有限公司生產(chǎn)的“楚戈”葉面阻隔劑，用量按7500 mL/hm2計(jì)，產(chǎn)品主要成分指標(biāo)為Si 含量≥100 g/L，Na 含量≤90 g/L，水不溶物含量≤8 g/L，pH 為9.5～11.5. 選擇在16:00 左右將葉面阻控劑原液需兌水稀釋100 倍后，通過人工噴施的方式施用于水稻葉面.

1.4 樣品采集與測(cè)試

試驗(yàn)結(jié)束后，按照“梅花式”取5 個(gè)樣混合(見圖1)，四分法取鮮土1 kg 左右，分別用干凈塑料袋密封. 在90%谷粒成熟時(shí)，與土壤同點(diǎn)位采集水稻根、莖葉和籽實(shí)樣品，每份樣品約0.5 kg. 用自來水小心洗凈根系泥土，后用超純水清洗整個(gè)植株，用吸水紙吸干表面水分，將根、莖、葉和水稻籽粒分離，分別稱鮮質(zhì)量后，樣品在105 ℃殺青30 min，75 ℃烘至恒質(zhì)量，保存各部分樣品待測(cè).

土壤樣品測(cè)定重金屬Cd 含量和pH，測(cè)試及質(zhì)控方法同1.2 節(jié). 水稻根系、莖葉和籽實(shí)測(cè)定Cd 含量采用微波消解法提取，等離子質(zhì)譜法(ICP-MS)測(cè)定[25].

1.5 數(shù)據(jù)處理方法

Cd 從土壤到水稻根系—莖葉—籽粒中的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(TF)計(jì)算公式[26]：

式中：Cx代表水稻根系、莖葉和籽實(shí)中Cd 的含量，mg/kg；Cy代表土壤、水稻根系和莖葉中Cd 的含量，mg/kg.

水稻籽實(shí)對(duì)Cd 的富集系數(shù)用K表示，計(jì)算公式[27]：

式中：Cr表示水稻籽實(shí)中Cd 的含量，mg/kg；Cs表示對(duì)應(yīng)的土壤中Cd 的含量，mg/kg.

試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理利用Excel 2010 軟件，圖件繪制利用Excel 2010、CorelDRAW 18 及ArcGIS 10.2 軟件.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理土壤Cd 含量

不同處理組土壤Cd 的平均含量如圖2 所示. 由圖2 可見：紫色土區(qū)，CK、T1 處理組、T2 處理組和T3 處理組土壤Cd 的平均含量分別為0.36、0.35、0.36 和0.34 mg/kg，對(duì)應(yīng)土壤pH 的中位值分別為5.4、5.5、5.5 和5.6；黃壤區(qū)，CK、T1 處理組、T2 處理組和T3 處理組土壤Cd 的平均含量分別為0.55、0.55、0.54 和0.54 mg/kg，對(duì)應(yīng)土壤pH 的中位值分別為6.29、6.31、6.35 和6.30. 各處理組土壤Cd 含量均超過《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB 15618—2018)中土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值(當(dāng)土壤pH≤5.5、5.5＜pH≤6.5、6.5＜pH≤7.5和pH>7.5時(shí)，Cd 篩選值分別為0.3、0.4、0.6 和0.8 mg/kg)，且紫色土區(qū)土壤酸化程度強(qiáng)于黃壤區(qū).

圖2 不同處理組土壤Cd 含量Fig.2 Cd content of soil in different treatment groups

2.2 不同處理對(duì)水稻Cd 含量的影響

不同處理組水稻籽實(shí)Cd 含量統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3所示. 由圖3 可見：紫色土區(qū)水稻籽實(shí)Cd 含量的變化范圍為0.151～0.228 mg/kg，水稻籽實(shí)Cd 含量呈T1 處理組>CK>T3 處理組>T2 處理組的特征，其中僅T2 處理組籽實(shí)Cd 含量(0.151 mg/kg)低于《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》(GB 2762—2022)的安全限值(0.20 mg/kg)[25]. 黃壤區(qū)水稻籽實(shí)Cd 含量變化范圍為0.210～0.245 mg/kg，水稻籽實(shí)Cd 含量呈CK>T2 處理組>T1 處理組>T3 處理組的特征，各處理組水稻籽實(shí)Cd 含量均超過GB 2762—2022 安全限值.

圖3 不同處理組水稻籽實(shí)Cd 含量Fig.3 Cd content of rice seeds in different treatment groups

就紫色土區(qū)而言，T2 處理組能保障水稻籽實(shí)安全，較CK 能顯著降低水稻籽實(shí)Cd 含量. T1 處理組促進(jìn)了水稻籽實(shí)對(duì)Cd 的積累，這與王世華等[28]及Zhang 等[29]等研究結(jié)果不一致，需進(jìn)一步討論.

黃壤區(qū)T3 處理組水稻籽實(shí)Cd 含量最低，這與紫色土區(qū)的結(jié)果存在明顯差異. 黃壤區(qū)噴施葉面阻隔劑后，各處理組水稻籽實(shí)Cd 含量均低于CK，但均超過GB 2762—2022 安全限值(0.20 mg/kg)，說明黃壤區(qū)土壤超標(biāo)問題較紫色土區(qū)更為嚴(yán)重，需采用綜合調(diào)控技術(shù)(VIP+n)來提高水稻籽實(shí)的安全性[30].

不同處理組水稻根系、莖葉Cd 含量統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4所示. 紫色土區(qū)各處理組水稻根系Cd 含量無(wú)顯著差異. 黃壤區(qū)噴施葉面阻隔劑會(huì)顯著增加根系Cd 含量，T1 處理組水稻根系Cd 的富集程度高于T2 處理組，T3 處理組水稻根系Cd 含量高達(dá)2.89 mg/kg，是對(duì)應(yīng)土壤樣品Cd 含量的5.35 倍. 紫色土和黃壤區(qū)水稻根系Cd 的平均含量分別為1.07 和1.34 mg/kg，分別對(duì)應(yīng)土壤Cd 含量的3.12 和3.36 倍. 各處理組水稻莖葉Cd 含量無(wú)顯著差異，紫色土區(qū)和黃壤區(qū)各處理組莖葉Cd 含量的平均含量分別為0.79 和0.86 mg/kg，說明水稻根系、莖葉對(duì)Cd 的富集能力較強(qiáng)，這與胡瑩等[31]和于灝等[32]的研究結(jié)果一致，建議水稻收割后將水稻根系離田，提高農(nóng)田土壤重金屬的輸出通量.

圖4 不同處理組水稻根系、莖葉Cd 含量Fig.4 Cd content in roots, stems and leaves of rice in different treatment groups

2.3 不同處理組Cd 的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)

由圖5(A)可見，紫色土區(qū)與黃壤區(qū)的TF土壤—根系大小規(guī)律一致，均表現(xiàn)為T3 處理組>T1 處理組>T2處理組>CK 的特征，說明噴施葉面阻隔劑能促進(jìn)水稻根系對(duì)土壤Cd 的富集，且分蘗期和抽穗期均噴施葉面阻隔劑(T3 處理組)Cd 的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)高于單次噴施處理組(T2 處理組和T1 處理組). 此外，僅分蘗期噴施葉面阻隔劑(T1 處理組) 的水稻根系對(duì)土壤Cd 的吸收程度高于僅抽穗期噴施葉面阻隔劑(T2 處理組).

圖5 各處理組土壤-根系-莖葉-籽實(shí)Cd 的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)Fig.5 Transport coefficient of Cd in soil, root, stem, leaf and seed of each treatment group

由圖5(B) 可見：黃壤區(qū)TF根系—莖葉大小依次為CK、T2 處理組、T1 處理組、T3 處理組，與TF土壤—根系規(guī)律相反，表現(xiàn)為水稻根系吸收的Cd 越多，其由根系部向莖葉轉(zhuǎn)運(yùn)的Cd 越少；紫色土區(qū)各處理組TF根系—莖葉的大小依次為T3 處理組、T1 處理組、T2 處理組、CK，與TF土壤—根系表現(xiàn)為相同的規(guī)律.

由圖5(C)可見：紫色土區(qū)各處理組TF莖葉—籽實(shí)大小依次為T1 處理組、CK、T3 處理組、T2 處理組，說明僅分蘗期噴施葉面阻隔劑(T1 處理組)促進(jìn)了Cd從莖葉—籽實(shí)的轉(zhuǎn)運(yùn)，而僅抽穗期噴施葉面阻隔劑(T2 處理組)能顯著阻隔Cd 從莖葉到籽實(shí)的轉(zhuǎn)運(yùn)；黃壤區(qū)TF莖葉—籽實(shí)的大小依次為CK、T1 處理組、T2 處理組、T3 處理組，說明噴施葉面阻隔劑后，對(duì)水稻籽實(shí)的降Cd 均表現(xiàn)為正向作用.

水稻籽實(shí)Cd 的富集系數(shù)是各處理組水稻降Cd效率的直接表現(xiàn). 由圖6 可見，紫色土區(qū)和黃壤區(qū)Cd 富集系數(shù)分別為T1 處理組>T3 處理組>CK>T2處理組和CK>T2 處理組>T1 處理組>T3 處理組. 說明紫色土區(qū)僅抽穗期噴施葉面阻隔劑(T2 處理組)的水稻籽實(shí)的降Cd 效率最高，且能將水稻籽實(shí)Cd 含量降至GB 2762—2022 安全限值(0.20 mg/kg)以下.與CK 相比，T1 處理組、T3 處理組均出現(xiàn)水稻籽實(shí)增Cd 效應(yīng). 黃壤區(qū)各處理組均表現(xiàn)為水稻籽實(shí)降Cd 效應(yīng)，且T1 處理組水稻籽實(shí)降Cd 效果優(yōu)于T2處理組. 此外，雖然黃壤區(qū)土壤Cd 含量水平高于紫色土區(qū)，但紫色土區(qū)水稻籽實(shí)對(duì)Cd 的富集能力顯著高于黃壤區(qū).

圖6 各處理組水稻籽實(shí)Cd 的富集系數(shù)Fig.6 Cd enrichment coefficient of rice seeds in each treatment group

2.4 不同處理組水稻產(chǎn)量與構(gòu)成

由于在采樣過程中可能存在隨機(jī)誤差，因此本研究以試驗(yàn)田實(shí)測(cè)產(chǎn)量為準(zhǔn)開展分析. 紫色土區(qū)和黃壤區(qū)不同處理組水稻產(chǎn)量及構(gòu)成如表3 所示. 由表3 可見：紫色土區(qū)不同處理組水稻平均產(chǎn)量的變化范圍為8599.35～9653.25 kg/hm2，噴施葉面阻隔劑的水稻產(chǎn)量顯著高于CK，T1 處理組、T2 處理組、T3 處理組增產(chǎn)率分別為9.90%、9.85%和12.25%，且分蘗期和抽穗期均噴施葉面阻隔劑(T3 處理組) 水稻產(chǎn)量顯著高于單次噴施處理(T1 處理組和T2 處理組)；黃壤區(qū)各處理組水稻平均產(chǎn)量的變化范圍為8847.00～9948.30 kg/hm2，各處理組產(chǎn)量的大小規(guī)律與紫色土區(qū)一致，T1 處理組、T2 處理組和T3 處理組增產(chǎn)率分別為5.06%、5.32%和12.44%. 雖然紫色土區(qū)土壤中養(yǎng)分優(yōu)于黃壤區(qū)(見表1)，但水稻的平均產(chǎn)量略低.

表3 不同處理組水稻產(chǎn)量與構(gòu)成因素Table 3 Rice yield and composition factors in different treatment groups

3 討論

從數(shù)據(jù)分析結(jié)果可得出以下六點(diǎn)規(guī)律：①水稻根系對(duì)Cd 具有極強(qiáng)的富集能力；②噴施葉面阻隔劑能促進(jìn)水稻根系對(duì)Cd 的富集；③Cd 水稻地下部分向地上部分轉(zhuǎn)移時(shí)，黃壤區(qū)水稻根系Cd 含量與TF根系—莖葉成反比，紫色土區(qū)二者成正比，說明存在某種機(jī)制使得黃壤區(qū)水稻根系能將Cd 固定于地下部分，且黃壤區(qū)分蘗期噴施葉面阻隔劑水稻根系對(duì)Cd 的固定能力強(qiáng)于抽穗期噴施；④抽穗期噴施葉面阻隔劑能降低Cd 從莖葉向籽實(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)；⑤紫色土區(qū)水稻籽實(shí)對(duì)Cd的富集能力顯著高于黃壤區(qū)；⑥噴施葉面阻隔劑能顯著提高水稻產(chǎn)量.

水稻對(duì)土壤重金屬的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)順序?yàn)橥寥馈怠o—葉—籽實(shí). 土壤溶液中的Cd 離子通過自由擴(kuò)散的方式到根系細(xì)胞壁和細(xì)胞質(zhì)之間后，一部分Cd 沉積在細(xì)胞壁上，另一部分Cd 穿過細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)中，其中少部分Cd 繼續(xù)進(jìn)行跨膜運(yùn)輸，進(jìn)入液泡和其他細(xì)胞器中儲(chǔ)存起來，其余的Cd 向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)[33-34]. 因此，被水稻根系吸收的Cd 僅極少部分向地上部分轉(zhuǎn)運(yùn)，更多的Cd 被固定在根系組織中[35].此外，水稻在淹水條件下，根際土壤中的Fe2+和Mn2+等被水稻根部通氣組織分泌的氧氣氧化，導(dǎo)致鐵錳氧化物在根表沉積而形成紅棕色鐵膜，對(duì)土壤中Cd 等重金屬具有較強(qiáng)的吸附能力[36-37]. 因此，水稻根系是土壤Cd 等重金屬富集程度最強(qiáng)的部分.

水稻是喜Si 植物，葉面阻隔劑施主要成分是Si等營(yíng)養(yǎng)元素，能促進(jìn)水稻生長(zhǎng)發(fā)育[38]. 水稻噴施葉面阻隔劑，尤其在關(guān)鍵生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期，能提高水稻生長(zhǎng)速率，進(jìn)而提高水稻根系的泌氧量，促進(jìn)了水稻根際土壤中Fe2+、Mn2+等陽(yáng)離子轉(zhuǎn)化為鐵膜附著于水稻根系表面，而鐵膜對(duì)土壤中Cd 等重金屬有著強(qiáng)烈的吸附作用，導(dǎo)致Cd 在根表不斷積累[39-40].

研究[41-42]發(fā)現(xiàn)，水稻根系形成的根表鐵膜越厚，根部吸附的Cd 含量越多，但是被吸附的Cd 能否進(jìn)入水稻根系內(nèi)部組織，或進(jìn)入水稻根系內(nèi)部組織的量與鐵膜的厚度有關(guān). Wang 等[43]研究表明：當(dāng)鐵膜厚度低于20 mg/kg 時(shí)，由于鐵膜的厚度較薄，水稻根系表面吸附的Cd 大量穿透鐵膜進(jìn)入水稻根內(nèi)部組織，提高了水稻根內(nèi)部組織Cd 的含量，進(jìn)而提高了Cd向地上部分的轉(zhuǎn)運(yùn)量；當(dāng)鐵膜厚度大于20 mg/kg 時(shí)，雖然水稻根系依然能吸附大量的Cd，但由于鐵膜厚度較大，吸附的Cd 難以穿透鐵膜進(jìn)入水稻根系內(nèi)部，抑制了Cd 從根部向地上部分的轉(zhuǎn)移.

為了充分研究上述規(guī)律，在2 個(gè)試驗(yàn)區(qū)周邊500 m范圍內(nèi)，采用網(wǎng)格化布點(diǎn)的方式，分別補(bǔ)充采集10 套土壤—水稻根系—水稻莖葉—水稻籽實(shí)樣品，分析了土壤pH、土壤中全鐵(TFe2O3)、土壤—根系—莖葉—籽實(shí)Cd 的含量.

圖7 為土壤鐵含量與土壤—根系—莖葉Cd 轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的相關(guān)性. 由圖7 可見，土壤中全鐵(TFe2O3)含量與TF土壤—根系在紫色土區(qū)和黃壤區(qū)均表現(xiàn)為顯著正相關(guān)，說明土壤中的鐵能促進(jìn)水稻根系對(duì)土壤Cd 的吸附. 在紫色土區(qū)，土壤中全鐵(TFe2O3) 含量與TF根系—莖葉成正比，在黃壤區(qū)二者成反比，可能與土壤中全鐵(TFe2O3)含量有關(guān). 黃壤和紫色土是重慶市主要的土壤類型，黃壤腐殖質(zhì)少，土性較黏，因發(fā)育時(shí)間較長(zhǎng)，淋溶作用強(qiáng)，故鉀、鈉、鈣、鎂積存少，脫硅富鋁鐵程度較高，土壤中鐵含量豐富[44]. 紫色土的成土母質(zhì)主要是白堊系至侏羅系的砂巖、粉砂巖[45-46]，屬于幼年土，風(fēng)化程度不深，處于脫鈣和積鈣階段，土壤的脫硅富鋁鐵程度低，土壤中鐵含量較低[47-48].基于上述分析可知，黃壤區(qū)土壤中鐵含量較高，水稻根系表形成的鐵膜較厚，能提高水稻根系表面對(duì)Cd的富集程度，但能阻隔Cd 向水稻根系內(nèi)部組織的轉(zhuǎn)運(yùn)，進(jìn)而減少了Cd 向水稻地上部分的轉(zhuǎn)移. 紫色土區(qū)土壤鐵含量較少，水稻根系表面形成的鐵膜較薄，難以阻隔Cd 向水稻根系內(nèi)部組織的轉(zhuǎn)運(yùn).

圖7 土壤鐵含量與土壤-根系-莖葉Cd 轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的相關(guān)性Fig.7 Correlation between soil iron content and soil-root-stem-leaf Cd transport coefficient

分蘗期是水稻根系發(fā)育最旺盛的時(shí)期，泌氧量最高，是水稻根表鐵膜形成的主要時(shí)期[49]，這也是黃壤區(qū)僅分蘗期噴施葉面阻隔劑(T1 處理組) 水稻根系對(duì)Cd 的富集能力強(qiáng)于僅抽穗期噴施(T2 處理組)的主要原因.

水稻莖葉的Cd 輸出量是決定稻米中Cd 含量的主要因素，抽穗灌漿期是Cd 從莖葉向籽實(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)的關(guān)鍵時(shí)期，在該階段噴施富含Si 等離子通道抑制劑的葉面肥，能影響水稻葉片Cd 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、谷胱甘肽和細(xì)胞壁的代謝，提高葉片對(duì)Cd 的固定，而減少葉片—籽實(shí)Cd 的轉(zhuǎn)運(yùn)量[50]. 由圖5(c)可知，紫色土區(qū)和黃壤區(qū)T2 處理組和T3 處理組TF莖葉—籽實(shí)Cd 的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)顯著低于CK. 因此，水稻抽穗期是葉面阻隔劑噴施的關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn).

王銳等[51]對(duì)重慶市主要農(nóng)耕區(qū)土壤Cd 的生物有效性進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示，土壤pH 能顯著影響水稻籽實(shí)對(duì)土壤Cd 的富集，酸性條件下土壤中Cd的生物活性更高，易于被農(nóng)產(chǎn)品吸收. 筆者分析了2 個(gè)試驗(yàn)區(qū)周邊500 m 范圍內(nèi)土壤pH 與水稻籽實(shí)Cd 富集系數(shù)(K)的相關(guān)性，結(jié)果如圖8 所示. 由圖8 可見，土壤pH 與水稻籽實(shí)Cd 的富集系數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān).主要原因?yàn)樵谒嵝詶l件下，土壤溶液中H+含量增加，吸附于土壤膠體表面的Cd2+被置換，以游離態(tài)的形式進(jìn)入土壤溶液中，易于被農(nóng)產(chǎn)品吸收[52-53]. 紫色土和黃壤區(qū)試驗(yàn)田周邊采集的土壤pH 的變化范圍分別為5.0～5.2、5.9～6.4，紫色土區(qū)酸化程度更高. 因此，雖然紫色土區(qū)土壤Cd 含量低于黃壤區(qū)，但水稻籽實(shí)對(duì)Cd 的富集程度強(qiáng)于黃壤區(qū)，土壤潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)更高.

圖8 土壤pH 與水稻籽實(shí)Cd 富集系數(shù)的相關(guān)性Fig.8 Correlation between soil pH and Cd enrichment coefficient of rice seeds

研究[54]表明，有效穗數(shù)、千粒重、平均穗粒數(shù)和結(jié)實(shí)率是水稻產(chǎn)量組成的主要變量. 陳愛晶等[55]研究表明，在水稻關(guān)鍵生育期葉面噴施中量元素肥料，可促進(jìn)水稻生長(zhǎng)，增強(qiáng)水稻光合作用，促進(jìn)水稻吸收養(yǎng)分，提高有效分蘗，增加千粒重和穗粒數(shù)，進(jìn)而提高產(chǎn)量. 郝建勛等[56]研究發(fā)現(xiàn)，在葉面噴施鎂肥的情況下，能顯著提高水稻籽粒中蛋白質(zhì)含量，此外水稻株高、有效分蘗、穗粒質(zhì)量和千粒重等均有所提高，與對(duì)照組相比，噴施葉面鎂肥的水稻產(chǎn)量提高了17.8%. 由表2 可見，噴施葉面阻隔劑后，水稻產(chǎn)量的重要組成因素分蘗數(shù)、有效分蘗數(shù)、千粒重和平均穗粒數(shù)均顯著提高，且分蘗期和抽穗期均噴施葉面阻隔劑(T3 處理組) 水稻產(chǎn)量高于單次噴施(T1 處理組和T2 處理組). 紫色土區(qū)水稻的平均產(chǎn)量略低于黃壤區(qū)，主要原因可能與土壤pH 有關(guān). 研究表明，中性土壤環(huán)境更適宜于農(nóng)產(chǎn)品生長(zhǎng)[57]，且土壤pH 能顯著影響土壤養(yǎng)分元素的有效性及土壤的保肥能力，進(jìn)而影響農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量[58].

4 結(jié)論

a)紫色土區(qū)各處理組水稻籽實(shí)的降Cd 效率表現(xiàn)為T1 處理組>T3 處理組>CK>T2 處理組，僅抽穗期噴施葉面阻隔劑(T2 處理組)的水稻籽實(shí)的降Cd效率最高，且能將水稻籽實(shí)Cd 含量降至GB 2762—2022 安全限值(0.20 mg/kg)以下. 與CK 相比，僅分蘗期噴施葉面阻隔劑(T1 處理組)、分蘗期和抽穗期均噴施葉面阻隔劑(T3 處理組) 均出現(xiàn)水稻籽實(shí)增Cd 效應(yīng).

b)黃壤區(qū)各處理組水稻籽實(shí)的降Cd 效率表現(xiàn)為CK>T2 處理組>T1 處理組>T3 處理組，黃壤區(qū)各處理組均表現(xiàn)為水稻籽實(shí)降Cd 效應(yīng)，僅分蘗期噴施葉面阻隔劑(T1 處理組)的降Cd 效果優(yōu)于僅抽穗期噴施(T2 處理組)，但各處理組均難以保障水稻籽實(shí)安全.

c)土壤鐵含量是影響葉面阻隔劑對(duì)水稻籽實(shí)降Cd 效果的關(guān)鍵. 黃壤區(qū)土壤鐵含量豐富，水稻根表形成的鐵膜較厚，能阻隔Cd 向水稻根系內(nèi)部組織的轉(zhuǎn)運(yùn)；紫色土區(qū)土壤鐵含量較少，難以阻隔Cd 向水稻根系內(nèi)部組織的轉(zhuǎn)運(yùn). 因此，紫色土區(qū)分蘗期噴施葉面阻隔劑促進(jìn)了水稻籽實(shí)對(duì)Cd 的富集.

d)水稻根、莖葉對(duì)Cd 的富集能力均較強(qiáng). 紫色土區(qū)和黃壤區(qū)水稻根Cd 的平均含量分別為1.07 和1.34 mg/kg，分別為對(duì)應(yīng)土壤Cd 含量的3.12 和3.36倍. 不同土壤區(qū)水稻莖葉Cd 的平均含量遠(yuǎn)高于土壤Cd 的平均含量，建議水稻收割后將水稻根系離田，提高農(nóng)田土壤重金屬的輸出通量.

e)噴施葉面阻隔劑能顯著提高水稻分蘗數(shù)、有效分蘗數(shù)、千粒重和平均穗粒數(shù)，進(jìn)而提高水稻產(chǎn)量.與CK 相比，紫色土區(qū)T1 處理組、T2 處理組和T3 處理組分別增產(chǎn)9.90%、9.85% 和12.25%，黃壤區(qū)T1處理組、T2 處理組和T3 處理組分別增產(chǎn)5.06%、5.32%和12.44%. 分蘗期和抽穗期均噴施葉面阻隔劑(T3 處理組) 的水稻產(chǎn)量高于單次噴施葉面阻隔劑(T1 處理組和T2 處理組).