利用阻控技術的水稻鎘、砷安全種植研究

藍淯琛，丁浩男，潘榮慶，呂浩能，張強，班國富，何燁，凌華榮，黃智剛

(廣西大學，廣西 南寧 530004)

隨著社會經濟的高速發(fā)展，土壤環(huán)境污染問題越來越嚴重，我國是全球土壤重金屬污染最嚴重的國家之一[1-2]。2014年生態(tài)環(huán)境部和國土資源部聯(lián)合發(fā)布的《全國土壤污染狀況公報》指出，我國耕地土壤重金屬的總超標率為19.4%，其中土壤重金屬鎘(Cd)的超標最為嚴重，達到7.0%，砷(As)的超標率為2.7%[3]，且從分布范圍來看，高鎘污染區(qū)域在廣西[4]。土壤重金屬的污染來源主要分為自然來源和人為來源，來賓市忻城縣農田土壤重金屬污染主要來源于成土母質[5]。水稻作為世界三大糧食作物之一和半數(shù)以上人口的主糧，對鎘具有很強的富集作用。我國是農業(yè)大國，耕地土壤質量直接關系到糧食的產量與安全，因此，解決耕地重金屬污染是目前國人最關心的問題之一。目前已開展的針對水稻、小麥和玉米等糧食作物低積累品種篩選和通過噴施葉面阻控劑來降低作物鎘吸收含量的研究已初見成效[6-7]。Tang等[8]通過CRISPR/Cas9基因編輯技術將隆兩優(yōu)華占水稻雙親的OsNRAMP5基因剔除，培育出了稻米鎘積累量比野生型隆兩優(yōu)華占低98%的兩優(yōu)低鎘1號水稻品種。在水稻分蘗盛期后段以及灌漿期前段噴灑主要成分為硅酸鹽、亞硒酸鹽和鋅肥的葉面肥料可以提高作物的抗逆性，抑制鎘從地下部分向籽粒中運轉[9]。前人已有研究[10-11]發(fā)現(xiàn)，在重金屬污染嚴重的水稻田施用葉面阻控劑可以有效地防控水稻Cd污染，其中在水稻葉面噴施含硅類、硒類阻控劑均可有效降低Cd對水稻植株的毒害作用，減少重金屬向水稻籽粒轉移，從而有效降低稻米Cd含量。陳喆等[12]的研究還表明，淹水處理也能夠降低水稻對Cd的吸收積累，將淹水處理與葉面噴施阻控劑相結合可以有效降低重度Cd污染水稻田的水稻稻米Cd含量。但僅通過基因篩選或室內種植無法篩選出最適宜當?shù)丨h(huán)境的Cd低積累水稻品種，葉面阻控劑產品的選用和具體用量也必須通過大田試驗來進行驗證。基于此，本試驗在廣西來賓市忻城縣選取重金屬污染較嚴重的農田，進行重金屬低積累水稻品種和2種葉面阻控劑結合的實驗，開展對重金屬污染高背景值農田土壤安全利用技術的研究，為安全利用重金屬污染高背景值稻田提供研究基礎。

1 材料與方法

1.1 供試區(qū)概況

供試試驗田位于紅水河下游的來賓市忻城縣(108°24′～109°7′E，23°40′～24°23′N)，地處北回歸線上。忻城縣屬南亞熱帶氣候，雨量充沛，氣候溫和，縣境中南地區(qū)夏長，秋春相連，雨季長，霜期短，光照充足，太陽輻射強。忻城縣屬巖溶地貌，以峰叢石山為主，地勢自西北向東南傾斜，西北部多高山，南部多丘陵[13]。

由表1可知，供試地塊土壤的pH值為6.51～6.69，是弱酸性土壤。GB 15618-2018規(guī)定，當6.5

表1 供試土壤基本性質Table 1 Basic properties of the tested soil

根據GB 2762-2017要求(Cd、Pb、As≤0.2 mg·kg-1，Hg≤0.02 mg·kg-1，Cr≤1.0 mg·kg-1)，結合表2可知，試驗田稻米主要存在Cd和As超標現(xiàn)象，因此，本試驗主要分析不同處理對水稻Cd和As含量的影響。

表2 試驗田稻米重金屬含量Table 2 Heavy metal content of rice grown in experimental fields 單位：mg·kg-1

1.2 試驗設計

試驗設置噴灑硒類葉面阻控劑(A)、噴灑硅類葉面阻控劑(B)和空白對照(CK)3個處理，每個處理采用隨機區(qū)組設計種植6個當?shù)刂髟酝淼酒贩N。每個處理設置4個重復，總共192個小區(qū)，每個小區(qū)面積為20 m2，試驗田總面積為0.6 hm2，在試驗地周圍均種植有保護行，每個小區(qū)之間鋪設地膜。在水稻分蘗期噴灑第1次葉面阻控劑，每個區(qū)組的用量為3 mL，將其稀釋100倍后進行人工噴灑，于20 d后噴灑第2次葉面阻控劑。其余施肥、用藥和水分管理等均依照當?shù)剞r民習慣進行管護。

1.3 樣品采集與分析

試驗開始前按照五點采樣法采集4個區(qū)組的土壤樣品，采集0～20 cm耕層土壤，混合均勻后按照四分法取部分混合土樣，每個樣品采500 g鮮質量，每個區(qū)組采集5個土壤混合樣品。將采集的土壤樣品混合后自然風干，研磨過100目篩備用。土壤pH值采用電位法(水土比為2.5∶1.0)測定，土壤總Cd和總As含量交由廣西大學檢測有限公司測定。在水稻進入成熟期后，采用五點采樣法取水稻樣品，每個小區(qū)取混合樣，將水稻樣品置于透氣的漁網袋中帶回，自然晾干后將水稻各個部位分開，稻谷脫殼成糙米并粉碎后交由廣西大學檢測有限公司檢測。測定方法為：將樣品經過體積比為4∶1的HNO3-HClO4溶液消化后，通過熒光光譜法測定水稻莖和葉的Cd、As含量，稻米的Cd和As含量則通過ICP-OES儀器測定。

1.4 數(shù)據處理

試驗數(shù)據用SPSS 19.0系統(tǒng)軟件和Excel 2016進行處理和分析。

2 結果與分析

2.1 不同水稻品種的重金屬含量

2.1.1 不同處理下各組織重金屬含量

由圖1可知，在CK中6個水稻品種對重金屬的吸附能力存在較大差異。泰豐優(yōu)208莖的Cd含量顯著高于野香優(yōu)糖絲、野香優(yōu)明月絲苗和又香優(yōu)龍絲苗，泰豐優(yōu)208葉的Cd含量顯著高于其他品種；泰豐優(yōu)208的莖部As含量顯著高于除絲香1號外的其他品種。泰豐優(yōu)208的稻米Cd含量最低，絲香1號的稻米As含量最低，6個水稻品種中絲香1號稻米Cd含量最高。

相同組織柱上無相同小寫字母表示品種間差異顯著(P<0.05)。圖1 不同水稻品種的各組織重金屬含量Fig.1 Different rice varieties′ heavy metal contents in various tissues

2.1.2 不同處理下稻米重金屬含量

在水稻的關鍵生育期噴施具有拮抗或生理調控作用的葉面阻控劑，能夠有效地阻控重金屬向籽粒轉運，最終降低籽粒重金屬超標的風險[14]。由圖2可以看出，噴灑硒類阻控劑后，絲香1號的稻米Cd含量顯著低于CK。噴灑硅類阻控劑后，野香優(yōu)明月絲苗、又香優(yōu)龍絲苗和絲香1號稻米Cd含量均顯著低于CK。噴灑硒類阻控劑后，野香優(yōu)明月絲苗稻米As含量顯著低于CK。噴灑硅類阻控劑后，除又香優(yōu)龍絲苗和絲香1號外，其他品種稻米的As含量均顯著均低于CK。由表3可以看出，噴灑硒類、硅類阻控劑后，稻米Cd含量平均值分別為0.178、0.174 mg·kg-1，均顯著低于CK；噴灑硒類、硅類阻控劑后，稻米As含量平均值分別為0.185、0.154 mg·kg-1，噴灑硅類阻控劑后稻米As含量顯著低于CK。

相同品種無相同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。圖3、4同。圖2 不同處理對稻米重金屬含量的影響Fig.2 Effects of different treatments on the heavy metal content in rice

表3 不同處理對水稻重金屬含量的影響Table 3 Effects of different treatments on the heavy metal content in rice tissues

2.2 不同處理下水稻葉重金屬含量

由圖3可以看出，噴灑硒類阻控劑后，泰豐優(yōu)208和又香優(yōu)龍絲苗的葉Cd含量均顯著低于CK。噴灑硅類阻控劑后，除野香優(yōu)糖絲和野香優(yōu)明月絲苗外，其他品種葉的Cd含量均顯著低于CK。噴灑硒類阻控劑后，6個水稻品種葉部的As含量均差異不顯著。噴灑硅類阻控劑后，野香優(yōu)糖絲和又香優(yōu)龍絲苗的葉As含量均顯著低于CK。由表3可以看出，噴灑硒類、硅類阻控劑后，水稻葉Cd含量平均值分別為0.220、0.217 mg·kg-1，均顯著低于CK；噴灑硒類、硅類阻控劑后，水稻葉的As含量平均值分別為0.450、0.399 mg·kg-1，僅噴灑硅類阻控劑后葉的As含量顯著低于CK。

圖3 不同處理對葉重金屬含量的影響Fig.3 Effects of different treatments on the heavy metal content in leaves

2.3 不同處理下水稻莖重金屬含量

由圖4可以看出，噴灑硒類阻控劑后，6個水稻品種莖部的Cd、As含量較CK差異均不顯著。由表3可以看出，噴灑硒類、硅類阻控劑后，水稻莖的Cd含量平均值分別為0.477、0.495 mg·kg-1，較CK平均值差異均不顯著；噴灑硒類、硅類阻控劑后，水稻莖的As含量平均值分別為0.360、0.364 mg·kg-1，較CK平均值差異均不顯著。

圖4 不同處理對莖重金屬含量的影響Fig.4 Effects of different treatments on the heavy metal content in stems

3 結論與討論

目前，減少水稻吸收重金屬最簡單有效并且經濟持久的辦法就是在不減少產量的情況下，篩選出籽粒中重金屬積累量較低的水稻品種。根據研究[15-17]顯示，不同基因型的水稻品種對重金屬的吸收轉運能力不同。本研究發(fā)現(xiàn)，6個水稻品種對重金屬的吸附能力存在較大差異。泰豐優(yōu)208莖、葉的Cd、As含量均高于其他品種，6個品種中野香優(yōu)明月絲苗莖、葉的Cd、As含量均低于其他品種。絲香1號稻米Cd含量最高，As含量最低。有研究[18]表明，不同品種水稻的重金屬含量存在差異的主要原因是水稻的形態(tài)結構和生理特性之間存在一定差異，不同水稻品種對重金屬的富集能力也表現(xiàn)出明顯的差異，導致水稻對重金屬元素的吸收和分配存在很大不同。

前人[19-21]認為，通過肥料的施用可以改善植物的狀況進而影響植物對Cd的吸收，同時肥料進入土壤后與土壤膠體發(fā)生反應，從而影響Cd在土壤中的形態(tài)和有效性，與基肥相比，葉面肥料能夠在用量更少的情況下達到減少作物Cd積累的效果。葉面調控主要是通過葉面噴施硒、硅和鋅等有益元素來提高作物的抗逆性，從而抑制重金屬由作物根系轉運至可食用部位[22]。有研究[23-25]表明，含硅、硒成分的葉面阻控劑對重金屬Cd在水稻體內的遷移有很大的抑制作用，能夠顯著降低稻米中Cd的積累，緩解重金屬Cd的毒害作用。與上述研究結果相同，本研究發(fā)現(xiàn)，在葉面施用硒類阻控劑、硅類阻控劑后，均可以降低水稻稻米Cd含量，較CK分別下降了15.2%、17.1%；也可以有效抑制水稻葉的Cd含量積累，較CK分別下降了12.7%、13.9%。水稻葉面施用硅類阻控劑后可以降低稻米Cd含量的主要原因是硅可以提高水稻葉片中的葉綠素含量，降低細胞膜的透性，從而提高水稻的抵抗能力；同時硅在植物地上部的沉淀也會阻止Cd向地上部的遷移[25-28]。水稻葉面噴施含有機硒試劑的溶液能夠降低稻米Cd含量的主要原因是硒能夠調節(jié)水稻體內活性氧(ROS)和抗氧化酶活性，誘導褪黑素參與抑制Cd的吸收[26-27]。

本研究發(fā)現(xiàn)，葉面施用硒類阻控劑、硅類阻控劑均可以有效降低水稻稻米的As含量，較CK分別下降了15.9%、30.0%；葉面施用硅類阻控劑后有效降低水稻葉的As含量，水稻葉砷含量較CK下降了11.9%。徐向華等[25]的研究也表明，在As污染稻田上噴施硒硅復合溶膠不僅能夠使稻米As含量達標，而且可以生產出富硒大米。因此，葉面噴施硒硅復合溶膠可能是治理稻米As污染的新途徑。

另外，本研究發(fā)現(xiàn)葉面施用硒類阻控劑、硅類阻控劑后，對水稻莖的Cd、As含量未產生明顯作用。前人研究[26，28]認為，硅、硒經葉面吸收后，減少葉片中Cd富集的同時并未減少根系對Cd吸收，而是經根系吸收的Cd主要富集于根和莖中，因此，水稻莖中鎘的含量均未顯著降低。