硅肥耦合水分管理對(duì)土壤As形態(tài)及水稻As累積的影響

中圖分類(lèi)號(hào)：S156 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-060X（2025）05-0027-06

引用格式：，等.硅肥耦合水分管理對(duì)土壤As形態(tài)及水稻As累積的影響[J.湖南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2025（5）：27-32

DOI：10.16498/j.cnki.hnnykx.2025.005.006

Abstract：Pot experiments were conducted with diferent water management practices combined with silicon application to investigate theeffects of water managementcombined with siliconapplicationonarsenic （As）accumulation inriceand the bioavailabilityofAsinpaddysoil.TheresultsshowedthattheAscontentinbrownriceunderalternatingdryingandwettig（IF） and alternating drying and weting combined with silicon application （IF⁺Si） ）decreased by 54.6% （Plt;0.05） ）and 54.5% （Plt;0.05） ， respectively，compared withconventional water management （CK）andconventional watermanagementcombined with silicon application （ CK+Si） . Compared with CK，IF increased the content of available silicon and reduced the content of available As in soil. ThesilicoaplcationincreasedthepHandavailablesiliconcontentbutdecreasedthecontentofavailableAs insoil.Comparedwith CK，IFreducedthecontentofexchangeableAs （Exc-As），carbonate-boundAs （Carb-As），andiro-manganeseoxide-boundAs FeMnOx-As）insoil.Under thesame water management，thecontentofExc-As and Carb-Asdecreased aftersiliconaplication.The As contentinricestemsandleavesandthecontentofweakacidextractableAs （Acid-As）andCarb-Asinsoildirectlyafectedthe As uptake bybrowice.Soil pHandExc-AscontentdiretlyafectedtheabsoptionofAsbyricerots.Alteatingdryingandweting combined with silicon application can effectively reduce the uptake ofAs by brown rice in production.

Keywords：rice;arsenic contamination; silicon;water management; bioavailability

砷（As）作為強(qiáng)毒性類(lèi)金屬元素，在水稻中有較強(qiáng)的富集能力[。稻米中的As通過(guò)食物鏈進(jìn)人人體積累后，可引發(fā)癌變并增加心血管疾病、呼吸系統(tǒng)疾病及糖尿病的風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重威脅人類(lèi)健康。在我國(guó)耕地?zé)o機(jī)物污染中，As污染程度高且分布廣泛。因此，在A(yíng)s污染農(nóng)田探索降低稻米As吸收的農(nóng)藝措施，對(duì)保障水稻安全生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

硅是水稻的有益元素，但其對(duì)As吸收的影響存在爭(zhēng)議。部分研究表明，施硅肥可降低水稻根、莖葉和籽粒的As含量[2-4]。也有研究發(fā)現(xiàn)，硅肥可增加水稻植株地上部和根系對(duì)As 的吸收[5-]。同時(shí)，水分管理也會(huì)顯著影響土壤As的生物有效性[以及稻米對(duì)As的積累[8]。 Hu 等[認(rèn)為，采用傳統(tǒng)水分管理模式（分蘗前淹水 + 分藥后間歇灌溉）種植的稻米As含量低于長(zhǎng)期淹水或干濕交替模式種出的稻米As含量；而Islam等[證實(shí)干濕交替處理后稻米As含量較長(zhǎng)期淹水處理的降低了 23% 。這表明水分管理對(duì)水稻As吸收的影響同樣存在分歧。鑒于水分管理是調(diào)控水稻As吸收轉(zhuǎn)運(yùn)的環(huán)境友好型措施，且硅肥與水分管理存在強(qiáng)烈交互作用[]，本研究在長(zhǎng)期淹水、干濕交替和常規(guī)水分管理3種模式下添加硅肥，以探索不同水分管理模式配合施用硅肥對(duì)土壤As的生物有效性和水稻As積累規(guī)律的影響，為生產(chǎn)中農(nóng)藝阻控As吸收提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1供試土壤和試驗(yàn)材料

盆栽試驗(yàn)土壤取自湖南省瀏陽(yáng)市永和鎮(zhèn)佳成村（ 113^°89^′4^′′E ， 28^°29^′49^′′N ）的水稻田，為第四紀(jì)紅壤發(fā)育的紅黃泥水稻土，土壤基本理化性狀如下：pH值6.73，土壤有機(jī)質(zhì) 30.0g/kg ，全氮 ，有效磷 3.55mg/kg ，速效鉀 55.0mg/kg ，堿解氮 144.0mg/kg As 61.5mg/kg 。

供試水稻品種為 I 優(yōu)845。試驗(yàn)所用硅肥（山東天科生物科技有限公司）中有效硅（ SiO₂ ）含量為 12% ，總鎘、總汞、總砷、總鉛和總鉻含量均低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB38400—2019）中該類(lèi)肥料的含量限值。培養(yǎng)試驗(yàn)中硅肥（ SiO₂ ）的添加量為大田試驗(yàn)用量的3倍，折合大田試驗(yàn)用量為 675kg/hm² 0常規(guī)肥料為尿素（含 N46% ）、過(guò)磷酸鈣（含 P₂O₅ 12% ）氯化鉀（含 K₂O60% ），均購(gòu)于市場(chǎng)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與田間管理

水稻盆栽試驗(yàn)在直徑 30cm 、高 50cm 的塑料桶中進(jìn)行，稱(chēng)取 15kg 過(guò)篩土放入塑料桶中，將基肥與土壤混勻。在水稻生長(zhǎng)期間設(shè)置3種水分管理和2種硅肥施用模式，共6個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)置5個(gè)平行，各處理隨機(jī)排列。6個(gè)處理分別為： ① 常規(guī)水分管理（CK）：從水稻移栽至分蘗盛期淹水處理，保持土壤表面水層厚度 5cm ，分蘗盛期排干水分，再次加水至 5cm ，干濕交替直到水稻成熟； ② 干濕交替水分管理（IF）：保持土壤表面水層厚度 5cm ，待自然落干后再次加水至 5cm ，干濕交替直到水稻成熟； ③ 長(zhǎng)期淹水管理（CF）：從水稻移栽到收獲，土壤表面水層厚度始終保持在 5cm ; ④ 常規(guī)水分管理 + 硅肥（ CK⁺Si ）：在CK基礎(chǔ)上添加硅肥； ⑤ 干濕交替水分管理 + 硅肥（ IF⁺Si ）：在IF基礎(chǔ)上添加硅肥；⑥ 長(zhǎng)期淹水管理 + 硅肥（ CF⁺Si ）：在CF基礎(chǔ)上添加硅肥?；┓柿嫌昧浚ㄒ燥L(fēng)干土計(jì)）為 N0.24g/kg P₂O₅0.12g/kg 和 K₂O 0.16g/kg ，添加硅肥的3個(gè)處理 SiO₂ 用量（以風(fēng)干土計(jì)）為 0.30g/kg 。肥料與土壤混合均勻后加水保持田間持水量的 60% ，穩(wěn)定 7～10d 之后，于2019年6月16日選取長(zhǎng)勢(shì)一致的水稻秧苗移栽至塑料桶中，每桶2穴，每穴2株，于10月12日收獲。

1.3樣品采集與測(cè)定

于水稻成熟期采集土壤和水稻樣品。土壤采樣深度為 0～20cm ，經(jīng)自然風(fēng)干剔除雜物后研磨，分別過(guò)2和 0.149mm 尼龍篩，混勻備用。水稻樣品經(jīng)105°C 殺青 30min ！ 80^°C 烘干，分離根、莖葉和糙米，粉碎后混勻備用。

土壤pH值采用電位法測(cè)定[]。土壤有效硅用檸檬酸浸提，硅鉬藍(lán)比色法測(cè)定[]。土壤有效態(tài) As用 0.1mol/L 的鹽酸浸提[8，土壤總As采用王水微波消解[]；土壤中不同形態(tài)的As分別采用BCR逐步提取法[13]和Tessier法[14]提??；消解和提取的溶液均采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ThermoFisher有限公司）進(jìn)行測(cè)定。水稻樣品采用硝酸-雙氧水微波消解[15]，采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀測(cè)定As含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用MicrosoftExcel2010和SPSS13.0軟件進(jìn)行處理和統(tǒng)計(jì)分析，采用LSD法進(jìn)行多重比較的顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1水稻根系、莖葉和糙米As含量

2.1.1水稻根系A(chǔ)s含量單純水分管理和水分管理 + 硅肥處理的根系A(chǔ)s平均含量分別為401.5和 248.9mg/kg （圖1）。單純水分管理處理中，根系A(chǔ)s含量為 CFgt; CKgt;IF ；水分管理 + 硅肥處理中， CF⁺Si 根系A(chǔ)s含量最高， CK⁺Si 處理次之， IF⁺Si 處理最低；與CK、IF和CF相比， CK⁺Si 、 IF⁺Si 和 CF⁺Si 處理的根系A(chǔ)s含量分別降低了 33.5% （ Plt;0.05 ） 69.2% （ Plt;0.05 ）和 18.1% 。

2.1.2莖葉As含量單純水分管理和水分管理 + 硅肥處理的莖葉As平均含量分別為19.8和 17.0mg/kg （圖1）。單純水分管理處理中，CF處理莖葉As含量最高，顯著高于CK處理（ Plt;0.05 ）；水分管理 + 硅肥處理中， CF⁺Si 最高，顯著高于 CK⁺Si 處理（ Plt; 0.05）；與CK、IF和CF相比， CK+Si 、 IF⁺Si 和 CF⁺Si 處理的莖葉As含量分別降低了 15.5% 21.2% （ Plt; 0.05）和 7.9% 。

2.1.3糙米As含量單純水分管理和水分管理 + 硅肥處理的糙米As平均含量分別為0.67和 0.58mg/kg （圖1）。單純水分管理處理中，IF處理的水稻糙米As含量分別比CK和CF處理降低了 54.6% （ Plt; 0.05）和 65.0% （ Plt;0.05 ）；水分管理 + 硅肥處理中，IF⁺Si 處理的水稻糙米As含量分別比 CK+Si 和 CF⁺ Si處理降低了 和 68.4% Plt;0.05 ）；與CK、IF和CF相比， CK⁺Si 、 IF⁺Si 和 CF⁺Si 處理的糙米As含量降低了 9.4%～18.1% 。

2.2土壤 pH 值、土壤有效硅、有效態(tài)As含量和水稻產(chǎn)量

土壤pH值方面，單純水分管理處理中，CF處理的土壤pH值最低（表1），比CK和IF處理降低了3.78% （ Plt;0.05 ）；水分管理 + 硅肥處理中，不同處理間無(wú)顯著性差異；相同水分管理，施用硅肥后王壤pH 值均有所提升， IF⁺Si 和 CF⁺Si 處理分別比IF和CF處理高 4.17% （ Plt;0.05 ）和 4.55% （ Plt;0.05 ），CK和 CK⁺Si 處理之間的 pH 值無(wú)顯著性差異。

土壤有效Si方面，單純水分管理處理中，CF處理的土壤有效Si含量最低；水分管理 + 硅肥處理中， IF⁺Si 處理的土壤有效Si含量最低；單純水分管理和水分管理 + 硅肥處理的土壤有效Si平均含量分別為97.17和 106.45mg/kg （表1）；不同處理間，土壤有效Si含量無(wú)顯著差異。

土壤有效態(tài)As方面，各處理的土壤有效態(tài)As含量在 0.63～0.71mg/kg 之間，處理間無(wú)顯著性差異（表1）。單純水分管理處理中，CF處理的土壤有效態(tài)As含量最高（ 0.71mgkg ），IF處理最低（ 0.65mg/kg ）與CK、IF和CF相比， CK⁺Si 、 IF⁺Si 和 CF⁺Si 處理的土壤有效態(tài)As含量降低了 1.41%～3.08% 。

各處理水稻產(chǎn)量在 6253～6562kg/hm² 之間，施用硅肥的處理水稻產(chǎn)量有所增加，但增幅未達(dá)顯著水平。

2.3 土壤As的賦存形態(tài)

通過(guò)Tessier法提取不同形態(tài)的As，其結(jié)果如圖2a所示，不同處理各形態(tài)As占總As含量的比例不同，各處理土壤可交換態(tài)As（Exc-As）、碳酸鹽結(jié)合態(tài)As（Carb-As）、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)（Fe-MnOx-As）、有機(jī)物結(jié)合態(tài)（OM-As）和殘?jiān)鼞B(tài)As（Res-As ① ）的平均含量分別占土壤總As含量的0.1%0，0.5%，20.3%，1.0% 和 78.1% 。與CK處理相比，IF處理的Exc-As、Carb-As和Fe-MnOx-As含量有所下降，OM-As和Res-As ① 含量有所增加；CF處理的Exc-As和Fe-MnOx-As含量有所增加，Carb-As、OM-As和Res-As ① 含量有所下降。與不施硅肥的處理相比，施用硅肥處理的Exc-As和Carb-As含量均有所下降。

通過(guò)BCR逐步提取法提取不同形態(tài)的As，其結(jié)果如圖2b所示，各處理土壤弱酸提取態(tài)As（Acid-As）、可還原態(tài)As（Redu-As）、可氧化態(tài)As（Oxi-As）和殘?jiān)鼞B(tài)As（Res-As ② ）的平均含量分別占土壤總As含量的 1.3% 、 12.6% 、 0.3% 和 85.7% 。與CK相比，IF和CF處理的Redu-As含量有所降低，Res-As ② 含量有所增加；與CK相比， CK+Si 處理的Acid-As和Res-As ② 含量有所增加，Redu-As和Oxi-As含量有所下降；與IF相比， IF⁺Si 處理的Acid-As、Redu-As和Oxi-As含量均有所增加，Res-As ② 含量有所下降；與CF相比， CF⁺Si 處理的Acid-As、Oxi-As和Res-As ② 含量有所下降，Redu-As含量有所上升。

2.4土壤As含量與水稻As含量的關(guān)系

由表2可知，水稻根系A(chǔ)s含量與Exc-As含量 呈極顯著正相關(guān)，與Carb-As含量呈顯著正相關(guān)， 與pH值和OM-As含量呈極顯著負(fù)相關(guān)；水稻莖葉 As含量與根系A(chǔ)s含量和Exc-As含量呈顯著正相關(guān)， 與pH值和OM-As含量呈極顯著負(fù)相關(guān)；糙米As 含量與根系A(chǔ)s、Exc-As、Acid-As含量呈極顯著正 相關(guān)，與OM-As和Redu-As含量呈極顯著負(fù)相關(guān)， 與Res-As ① 含量和pH值呈顯著負(fù)相關(guān)。

采用逐步回歸方法篩選對(duì)糙米As含量有顯著影響的水稻和土壤As成分，獲得多元線(xiàn)性回歸方程 （其中， y₁ 為稻米As含量， x₁ 為Acid-As含量， x₂ 為水稻莖葉As含量， x₃ 為Carb-As含量），由此可知，土壤Acid-As含量、Carb-As含量和水稻莖葉As含量直接影響稻米對(duì)As的吸收。

采用逐步回歸方法篩選對(duì)根系A(chǔ)s含量有顯著影響的水稻和土壤As成分，獲得多元線(xiàn)性回歸方程y₂=1921.746+3633.636x₄-349.417x₅ （其中， y₂ 為根系A(chǔ)s含量， x₄ 為Exc-As含量， x₅ 為土壤 pH 值），由此可知，土壤 pH 值和Exc-As含量直接影響水稻根系對(duì)As的吸收。

3 討論

3.1水分管理與施用硅肥對(duì)水稻As吸收的影響

大量研究證實(shí)，施用硅肥能使水稻根系、莖、葉和籽粒中的As 含量下降[3.7，0.6-17]，本研究也取得了類(lèi)似的研究結(jié)果。但也有研究證實(shí)，施用硅肥后水稻莖稈和葉片中As 含量有所增加[5.8]。例如：Li等[證實(shí)，在高硅水平下，水稻品種Nanjing44的根系和莖葉As含量顯著升高。這可能與水稻品種類(lèi)型、施硅量及施用時(shí)期和土壤砷的污染狀況有一定的關(guān)系[6.17，19-20] 。

有研究表明，水分管理對(duì)水稻As含量的影響不同。例如：Hu等[發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的水分管理能確保水稻高產(chǎn)且稻米中As含量最低；姚保民等[21]研究顯示，淹水或排水處理均未降低早、晚稻稻米As含量。而本研究結(jié)果表明，在3種水分管理中，干濕交替處理的水稻糙米As含量分別比常規(guī)水分和長(zhǎng)期淹水處理降低了 54.6% （ Plt;0.05 ）和 65.0% （ Plt; 0.05）。水稻營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)向生殖生長(zhǎng)階段是稻米砷積累的關(guān)鍵時(shí)期，此時(shí)期莖葉積累的As在灌漿成熟期通過(guò)再轉(zhuǎn)運(yùn)貢作用獻(xiàn)了籽粒As總量的 95% ，在水稻分蘗至抽穗期，通過(guò)多排水或間歇式灌排水，能有效降低籽粒中As積累[22]

有研究表明，濕潤(rùn)灌溉或干濕交替的水分管理配施硅肥可有效降低水稻對(duì)As 的吸收[4.7.10]，本研究結(jié)果與之類(lèi)似，研究中干濕交替管理 + 硅肥處理的水稻糙米As含量分別比常規(guī)水分管理 + 硅肥和長(zhǎng)期淹水管理 + 硅肥處理降低了 54.5% （ Plt;0.05 ）和68.4% （ Plt;0.05 ）。

3.2土壤 ΔpH 值、As形態(tài)對(duì)水稻吸收As的影響

酸性土壤淹水后土壤pH值會(huì)提升，但在本研究中干濕交替和常規(guī)水分處理的土壤 pH 值高于淹水處理，原因可能是水稻生長(zhǎng)過(guò)程中，根系會(huì)分泌酸性物質(zhì)從而降低土壤pH值，干濕交替和常規(guī)水分處理水稻根系分泌的酸性物質(zhì)可能少于淹水處理[23]，從而造成淹水處理的土壤pH值低于其他處理

土壤重金屬形態(tài)的變化能改變土壤的生物有效性[24]。Feng等[2]研究表明，添加含硅材料可使土壤有效態(tài)As降低 37.9%～69.9% ；易軒韜等[25]研究證實(shí)，施用谷殼灰硅肥后的土壤有效態(tài)As含量能降低16.0%～24.9% ；Chi等[19]研究表明，施用含硅的粉煤灰和鋼渣對(duì)土壤有效態(tài)As無(wú)明顯影響。本研究中，長(zhǎng)期淹水和常規(guī)水分管理的土壤有效態(tài)As高于干濕交替處理，而添加硅肥能降低土壤有效態(tài)As含量，但不同處理間土壤有效態(tài)As含量無(wú)顯著差異。可見(jiàn)施用硅肥和不同水分管理對(duì)土壤有效態(tài)As的影響不同，可能與硅肥施用量、土壤pH值和土壤類(lèi)型有關(guān)。

重金屬對(duì)環(huán)境的影響和潛在風(fēng)險(xiǎn)取決于其在土壤溶液中的化學(xué)形態(tài)[26]。彭鷗等[27]研究發(fā)現(xiàn)，施用含硅的材料能使土壤中的殘?jiān)鼞B(tài)As含量增加 4.7%～ 14.0% ；吳家梅等[28]研究證實(shí)，施用硅肥后土壤非專(zhuān)性吸附態(tài)As、結(jié)合態(tài)As和殘?jiān)鼞B(tài)As的含量分別降低了 15.8% 、 9.8% 和 10.2% ?？梢?jiàn)不用研究對(duì)于土壤中As的賦存形態(tài)的變化暫無(wú)定論。本研究表明，相同的水分管理添加硅肥后，各處理的Exc-As和Carb-As含量下降，Res-As ① 含量增加，可能是硅與As的競(jìng)爭(zhēng)作用造成土壤中能被水稻吸收的As含量下降（Exc-As和Carb-As），使土壤中的As向殘?jiān)鼞B(tài)轉(zhuǎn)變[4.29]，故形成了更加穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

稻米中As與Exc-As含量呈極顯著正相關(guān)，原因可能是供試的紅黃泥水稻土富含鐵鋁氧化物，能將土壤中的As（V）還原成As（ⅢI），再次被鐵氧化物吸附[30]，從而降低As的釋放量，使土壤活性As含量減少，而土壤Exc-As屬于土壤活性As，容易被作物所吸收。

4結(jié)論

試驗(yàn)以施硅肥耦合水分管理，研究其對(duì)土壤As形態(tài)及水稻As累積的影響，得到以下結(jié)論

（1）不同水分管理中，干濕交替處理顯著降低水稻籽粒對(duì)As的吸收。IF和 IF⁺Si 處理的糙米As含量分別比CK和 CK⁺Si 處理降低 54.6% （ Plt;0.05 ）和 54.5% （ Plt;0.05 ）。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，干濕交替的水分管理配合施用硅肥，能更有效降低水稻對(duì)As的吸收。

（2）在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，通過(guò)降低土壤中Acid-As和Carb-As含量，能有效降低水稻As的吸收。

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（責(zé)任編輯：肖彥資）