施錳對(duì)降低水稻鎘含量的增強(qiáng)效應(yīng)

摘要：為探討錳肥施用對(duì)鎘污染農(nóng)田水稻降鎘的疊加效果，在田間條件下進(jìn)行盆栽試驗(yàn)，即在田間試驗(yàn)前茬對(duì)照、沸石鈍化處理的基礎(chǔ)上設(shè)置了施錳的盆栽試驗(yàn)。通過(guò)早稻+晚稻的田間盆栽試驗(yàn)，分析了不同處理對(duì)水稻生物量、鎘含量和土壤鎘含量的影響。結(jié)果表明：前茬沸石鈍化處理使早、晚稻籽粒鎘含量分別降低了69.1%和90.7%；施錳進(jìn)一步降低了水稻籽粒鎘含量，在前茬沸石鈍化處理的基礎(chǔ)上施加錳肥可以使早、晚稻籽粒鎘含量分別降至0.104 mg·kg-1和0.011 mg·kg-1，降低幅度分別為19.4%和31.3%。盆栽底部無(wú)孔處理水稻鎘含量低于有孔盆栽處理。研究表明，在鈍化的基礎(chǔ)上繼續(xù)施加錳肥是一種進(jìn)一步降低水稻鎘含量的有效措施，田間盆栽試驗(yàn)也為研究多因素影響水稻吸鎘提供了方法。

關(guān)鍵詞：水稻；鎘；錳；沸石；增強(qiáng)效應(yīng)

中圖分類號(hào)：S511；X173 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1672-2043（2024）11-2637-07 doi：10.11654/jaes.2023-0957

鎘是一種有毒重金屬，對(duì)人體健康和生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重危害。水稻是我國(guó)南方人的主要糧食作物，但由于土壤鎘污染的影響，稻米鎘超標(biāo)已成為一個(gè)突出的問(wèn)題。土壤pH是影響土壤中鎘生物有效性和水稻鎘吸收的重要因素，土壤pH值越低，土壤中有效態(tài)鎘含量越高，水稻中鎘含量也越高[1]。因此，提高土壤pH值是降低水稻鎘積累的有效途徑之一[2]。原位鈍化技術(shù)是常用的提高土壤pH值的方法，該方法是通過(guò)向土壤中添加改良劑，如沸石、石灰等[3-5]，來(lái)增加土壤中堿性陽(yáng)離子的含量，從而提高土壤pH值，并促進(jìn)鎘在土壤中的吸附固定。沸石具有高陽(yáng)離子交換能力和堿性多孔結(jié)構(gòu)，適合用于土壤重金屬修復(fù)，沸石溶解產(chǎn)生堿性陽(yáng)離子從而可提高土壤pH，在堿性的環(huán)境下通過(guò)表面絡(luò)合過(guò)程促進(jìn)鎘的吸附，降低有效態(tài)鎘含量[6-7]。近年的研究表明硫酸錳可以降低水稻鎘積累[8-9]。硫酸錳可以降低水稻鎘積累的機(jī)制有：（1）錳、鎘存在較強(qiáng)的拮抗作用，錳可以通過(guò)與鎘競(jìng)爭(zhēng)同一種轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（如OsNRAMP5）來(lái)抑制鎘在水稻中的吸收和運(yùn)輸[10-11]；（2）錳肥可以促進(jìn)水稻根表面鐵膜的形成，鐵膜是根系吸收鎘的屏障[12-13]；（3）施用硫酸錳可以增加植物中錳超氧化物歧化酶和含硫化合物的水平，淹水情況下形成硫化鎘沉淀來(lái)降低鎘的遷移率[14]。添加外源錳提高土壤中錳的生物有效性可用于控制鎘從土壤到地上部運(yùn)輸，并最終通過(guò)鎘、錳拮抗作用減少鎘在稻米中的積累[15-17]。

上述研究多數(shù)只關(guān)注錳的效應(yīng)，但在土壤鈍化處理的基礎(chǔ)上，是否需要施加錳仍需進(jìn)一步探討?；谝陨纤悸?，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了特殊的大田盆栽試驗(yàn)，探討了在沸石鈍化和無(wú)修復(fù)對(duì)照兩種大田前茬處理土壤上添加硫酸錳對(duì)水稻鎘和錳積累的影響，并通過(guò)盆栽底部是否開(kāi)孔來(lái)研究田間底層土壤對(duì)水稻吸收累積鎘的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)場(chǎng)地和供試材料

選取廣東省韶關(guān)市某村的一處水稻田作為試驗(yàn)地點(diǎn)。該地位于大寶山礦區(qū)附近，受到礦區(qū)酸性廢水污染的影響。酸性廢水排入河流灌溉下游稻田，使得稻田土壤pH值降低，鎘等重金屬活性增強(qiáng)，從而被水稻植株吸收積累。

供試材料：水稻品種選用增城長(zhǎng)絲苗（CSM），其為低鎘累積水稻品種。錳肥選用MnSO4·H2O（AR）。

1.2 大田盆栽試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了探討不同土壤條件下施錳對(duì)水稻降鎘的增強(qiáng)效應(yīng)，本研究在大田小區(qū)試驗(yàn)兩種前茬處理[即對(duì)照（CK）、鈍化（添加沸石鈍化劑，用量為1 300 g·m-2）]的基礎(chǔ)上，設(shè)置了田間盆栽試驗(yàn)，田間及盆栽布局如圖1所示，前茬處理后的土壤理化性質(zhì)如表1所示。

盆栽采用黑色塑料薄膜盆，盆內(nèi)徑和高均為35cm，側(cè)面帶孔，底部分為有孔和無(wú)孔兩種型號(hào)（圖1）。從相同前茬處理的3個(gè)田間小區(qū)各采集15 kg土壤，共45 kg，混勻后分裝成9盆，每盆5 kg，而后埋入相應(yīng)小區(qū)約20 cm，每個(gè)小區(qū)3盆，使盆里的土面與田間土面持平。本試驗(yàn)中有兩種不同的前茬土壤，每種土壤都進(jìn)行了3種不同的盆栽處理，共計(jì)6個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次，共有18個(gè)盆栽。具體來(lái)說(shuō)，每個(gè)小區(qū)都設(shè)置了3個(gè)盆栽處理，分別為：①底部有孔對(duì)照處理（HCK）；②底部有孔施錳處理（H+Mn），加入MnSO4·H2O（AR），施錳量為195 mg·kg-1；③底部無(wú)孔且不施錳處理（NHCK）。早稻于2021年3月播種，4月初移栽，7月中旬收獲，生長(zhǎng)周期110 d左右；晚稻于2021年7月下旬移栽，10月下旬收獲，生長(zhǎng)周期80 d左右。

1.3 采樣和測(cè)定方法

1.3.1 采樣及預(yù)處理

水稻樣品分為穗部和地上莖葉部分，各部分洗凈后放入50 ℃干燥箱中烘至恒質(zhì)量，稱量各部位的質(zhì)量以計(jì)算生物量，而后將其粉碎成細(xì)末，備用。將土壤樣品風(fēng)干后分別過(guò)20目和100目網(wǎng)篩，分別用于測(cè)定有效態(tài)鎘、錳含量和全量鎘、錳含量。

1.3.2 土壤pH及土壤、水稻中鎘錳含量的測(cè)定

用分析天平稱?。?0.0±0.1）g 過(guò)20 目篩土樣，置于50 mL 塑料瓶中，加入25 mL 蒸餾水，搖勻后在振蕩儀上以200 r·min-1 的速度振蕩30 min，靜置30min 后用pH 酸度計(jì)測(cè)定上清液的pH 值。取約0.4 g干燥土壤和植物樣品，分別置于100 mL PTFE 消解管中。土壤樣品加入6 mL HNO3、2 mL HCl、2 mLHF 進(jìn)行消解；植物樣品加入10 mL HNO3、2.5 mLH2O2 進(jìn)行消解。消解后的樣品在趕酸器上加熱至190 ℃，趕酸至清澈無(wú)色。將消解液轉(zhuǎn)移至比色管中，并用1% HNO3定容至25 mL，過(guò)濾后用火焰原子吸收光譜儀測(cè)定鎘、錳含量。有效態(tài)含量測(cè)定參考GB/T 23739—2009，提取劑配制為0.005 mol · L-1DTPA（二乙三胺五乙酸）、0.01 mol·L-1 CaCl2、0.1mol·L-1 TEA（三乙醇胺），用6 mol·L-1 HCl 將溶液pH 調(diào)節(jié)至7.3。提取步驟如下：稱?。?.00±0.01）g風(fēng)干土壤樣品置于塑料瓶中，加入25 mL DTPA 提取劑（水∶土=5∶1），在（20±2）℃條件下，以200 r·min-1 的振蕩頻率振蕩2 h，然后離心過(guò)濾，濾液上機(jī)測(cè)定鎘、錳含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

本研究采用SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，所有數(shù)據(jù)均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差呈現(xiàn)。對(duì)前茬處理和盆栽處理進(jìn)行雙因素方差分析，處理間差異采用Duncan多重檢驗(yàn)。

鎘、錳生物富集系數(shù)（BCF）的計(jì)算公式如下：

2 結(jié)果與討論

2.1 前茬處理及施錳對(duì)水稻生物量的影響

不同處理的水稻籽粒生物量見(jiàn)圖2，分析可知，前茬鈍化處理的晚稻籽粒生物量高于前茬對(duì)照處理。在前茬鈍化處理?xiàng)l件下，施錳提高了早稻和晚稻的籽粒生物量，比HCK處理提高了9%以上。對(duì)于水稻莖葉，前茬鈍化土壤上施加錳肥處理的生物量最高，說(shuō)明沸石鈍化和施加錳肥，有利于水稻的生長(zhǎng)。在前茬鈍化處理的土壤上，NHCK處理的晚稻籽粒生物量最高，達(dá)到20.81 g·盆-1，而NHCK處理的早稻生物量較低。

2.2 前茬處理及施錳對(duì)水稻籽粒和莖葉鎘、錳含量的影響

雙因素方差分析結(jié)果（表2）顯示，前茬處理對(duì)水稻籽粒和莖葉鎘含量影響顯著，而前茬處理和盆栽處理兩者之間交互作用的影響不顯著。

在HCK、H+Mn、NHCK 3 個(gè)處理中，前茬鈍化處理的早、晚稻籽粒和莖葉的鎘含量均低于前茬對(duì)照處理的（表2），添加沸石降低了水稻對(duì)鎘的吸收。在HCK處理中，前茬鈍化處理使早、晚稻籽粒鎘含量分別降低了69.1%、90.7%。在前茬對(duì)照處理的土壤上施加硫酸錳，降低了早、晚稻籽粒鎘含量，降低幅度分別為56.4%、12.1%；在前茬鈍化處理的土壤上施加硫酸錳使早、晚稻籽粒鎘含量分別降低了19.4%、31.3%。結(jié)果表明，在前茬處理的兩種土壤上施用硫酸錳可進(jìn)一步降低早稻和晚稻的籽粒鎘含量，使其均降至國(guó)家食品安全限量標(biāo)準(zhǔn)以下（0.2 mg·kg-1），其中沸石鈍化處理的土壤施錳處理早、晚稻籽粒鎘含量分別為0.104 mg·kg-1和0.011 mg·kg-1。已有研究表明施加錳肥能降低水稻鎘含量[18-20]，本試驗(yàn)在兩種不同處理的土壤上也都達(dá)到了相同的效果，錳的添加增強(qiáng)了錳與鎘的競(jìng)爭(zhēng)效果，使水稻籽粒對(duì)鎘的吸收減少。分析前茬為對(duì)照處理的HCK、H+Mn處理可知，施加錳降低了早、晚稻莖葉鎘含量，降低幅度范圍為58.6%～63.9%。但在前茬為鈍化處理的土壤上，施加錳肥對(duì)莖葉錳含量的影響卻不一樣，具體原因待進(jìn)一步分析，有文獻(xiàn)分析了外加錳的35個(gè)實(shí)驗(yàn)案例，發(fā)現(xiàn)有13.5%的實(shí)驗(yàn)中莖葉鎘含量沒(méi)有降低[18]。

由表3可知，前茬處理、盆栽處理對(duì)水稻籽粒和莖葉錳含量均有顯著影響，但兩者之間交互作用的影響不顯著。在HCK、H+Mn、NHCK 3個(gè)處理中，與前茬對(duì)照處理相比，前茬鈍化處理降低了水稻籽粒和莖葉的錳含量，表明沸石鈍化抑制了水稻對(duì)錳的吸收。這是因?yàn)榉惺哂休^大的比表面積和較高的陽(yáng)離子交換能力，能有效吸附土壤中的錳，降低其生物可利用性。施加錳后，前茬處理（對(duì)照、鈍化）下的早、晚稻籽粒錳含量得到了顯著提高，提高幅度在18%以上；莖葉錳含量提高幅度更大，最低為38%。錳含量的提高加強(qiáng)了錳對(duì)鎘的拮抗作用[19]，計(jì)算也發(fā)現(xiàn)，加錳后莖葉和籽粒錳、鎘含量比大幅度提高。

為了明確田間土壤對(duì)盆栽水稻吸收鎘的影響，田間盆栽試驗(yàn)設(shè)置NHCK 處理。NHCK 處理的水稻籽粒鎘含量在兩種土壤條件下均低于HCK處理，前茬對(duì)照處理土壤的NHCK處理的莖葉鎘含量低于HCK處理，說(shuō)明田間土壤對(duì)盆栽存在一定的影響，盆栽底部無(wú)孔可能會(huì)限制水稻根系生長(zhǎng)，導(dǎo)致其根系無(wú)法扎根到大田，減少了水稻對(duì)鎘的吸收。

2.3 前茬處理及施錳對(duì)水稻鎘、錳的BCF 的影響

鎘從土壤到水稻籽粒的運(yùn)輸過(guò)程為土壤-根-莖-籽粒[19]，BCF 能有效評(píng)估水稻中重金屬積累狀況。表4顯示了不同處理水稻鎘的BCF，雙因素方差分析結(jié)果顯示，前茬處理對(duì)早、晚稻BCF 的影響顯著。

在HCK、H+Mn、NHCK 3 個(gè)處理中，前茬鈍化降低了水稻籽粒鎘的BCF。與HCK處理的前茬對(duì)照相比，施錳后水稻鎘的BCF 進(jìn)一步降低。在前茬對(duì)照處理的土壤上，施加錳使早稻鎘的BCF 降低了57.6%，晚稻的BCF 降低了5.6%；在前茬鈍化處理的土壤上，施加錳使早稻鎘的BCF 降低了18.8%，晚稻鎘的BCF 降低了36.7%。鈍化后施加錳，水稻鎘的BCF 最低（表4），說(shuō)明鈍化處理聯(lián)合施錳肥能有效降低水稻對(duì)鎘的富集。

雙因素方差分析結(jié)果顯示，前茬處理和盆栽處理對(duì)水稻錳的BCF 影響顯著（表4）。從表4可知，與前茬對(duì)照處理相比，前茬鈍化處理降低了水稻籽粒錳的BCF。與HCK 處理相比，施加錳沒(méi)有提高籽粒錳的BCF。

2.4 前茬處理施錳對(duì)土壤有效態(tài)鎘、錳含量的影響

雙因素方差分析結(jié)果（表5）顯示，前茬處理對(duì)土壤有效態(tài)鎘和有效態(tài)錳含量影響顯著，前茬處理和盆栽處理兩者之間的交互作用對(duì)土壤有效態(tài)錳含量影響顯著（Plt;0.05）。在HCK處理中，與前茬對(duì)照處理比較，前茬鈍化處理降低了土壤有效態(tài)鎘含量，添加沸石促進(jìn)了鎘的鈍化[1]，也使土壤中錳的有效性降低。前茬鈍化土壤施加錳可以顯著提高有效態(tài)錳含量，這樣可以補(bǔ)充錳有效性的不足，提高錳與鎘的拮抗作用[21-22]。在前茬鈍化土壤，H+Mn處理的土壤有效態(tài)錳含量是HCK處理的2.9倍以上，有效態(tài)錳的提高有助于進(jìn)一步降低水稻籽粒鎘含量（表2）。計(jì)算土壤有效態(tài)錳含量與有效態(tài)鎘含量的比值（錳鎘比）發(fā)現(xiàn)，施加錳大幅度提高了錳鎘比。晚稻籽粒鎘含量低于早稻，與晚稻的土壤有效態(tài)錳、錳鎘比大于早稻的土壤有關(guān)，錳鎘比的提高一定程度上增強(qiáng)了錳、鎘的拮抗作用。

2.5 不同處理對(duì)土壤pH值的影響

雙因素方差分析結(jié)果（表6）顯示，前茬處理對(duì)土壤pH值的影響顯著，前茬處理與盆栽處理對(duì)早稻種植后的土壤pH影響顯著（Plt;0.05）。與前茬對(duì)照處理相比，前茬鈍化處理能夠顯著提高土壤pH值，土壤有效態(tài)鎘含量隨著pH值的升高而降低，有助于降低稻米鎘含量[4]。在前茬鈍化處理的土壤上施用錳肥后，早稻的土壤pH比未施錳肥的提高了1.39個(gè)單位，這可能是由于硫酸根對(duì)pH值的影響[8]。

對(duì)于同一土壤（前茬鈍化或?qū)φ眨?，土壤有效態(tài)鎘和有效態(tài)錳含量在NHCK處理和HCK處理間沒(méi)有顯著差異，說(shuō)明是否開(kāi)孔沒(méi)有影響土壤有效態(tài)鎘、錳含量（表5）。對(duì)于前茬鈍化的土壤，NHCK處理的早稻土壤pH 顯著高于HCK 處理，晚稻時(shí)沒(méi)有顯著差異（表6）。對(duì)于同一土壤（前茬對(duì)照或鈍化），NHCK處理的籽粒和莖葉鎘含量均低于HCK處理，但兩處理間差異不顯著（表2），這也與種植環(huán)境有關(guān)，有研究表明種植環(huán)境對(duì)水稻鎘含量的變化貢獻(xiàn)可達(dá)58%[23]。本試驗(yàn)未能證實(shí)田間底層土壤對(duì)盆栽水稻吸收累積鎘的貢獻(xiàn)和影響，此內(nèi)容還需要進(jìn)一步研究。

3 結(jié)論

（1）前茬沸石鈍化處理能有效提高土壤pH值，并降低土壤有效態(tài)鎘含量，這一處理方式對(duì)早稻和晚稻的籽粒鎘含量產(chǎn)生了顯著的降低效果，降幅分別達(dá)到了69.1%和90.7%。

（2）在前茬沸石處理的基礎(chǔ)上施加錳肥，進(jìn)一步降低了早稻、晚稻籽粒鎘含量，降低幅度分別為19.4%、31.3%，說(shuō)明在鈍化的基礎(chǔ)上繼續(xù)施加錳肥是進(jìn)一步降低水稻鎘含量的有效措施。

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