葉面噴施硅硒聯合水分管理對水稻鎘吸收轉運特征的影響

高 敏 ，周 俊 ，劉海龍 ，胡遠妹 ，徐 磊 ，梁家妮 ，黃貴鳳 ，周 靜

（1.中國科學院南京土壤研究所土壤環境與污染修復重點實驗室，南京 210008；2.中國科學院大學，北京 100049；3.國家紅壤改良工程技術研究中心，中國科學院紅壤生態實驗站，江西 鷹潭 335211；4.江西省重金屬污染生態修復工程技術研究中心，南昌330096；5.貴溪市環境保護局，江西 貴溪 335400）

鎘是人體非必需且生物毒性很強的重金屬元素[1]，也是土壤中重要污染物之一，即使較低的鎘濃度對土壤生物活性、多樣性、植物生長甚至是人體健康都有嚴重威脅[2－3]。水稻是世界主要的糧食產物，土壤鎘污染會造成稻米鎘含量超過糧食安全國家標準（Cd＜0.2 mg·kg－1），食用鎘超標大米是人體鎘積累的主要來源[4－5]，對人體健康造成嚴重危害。土壤鎘污染轉移到食物鏈是一個全球環境問題，近年來稻米鎘超標問題引起了廣泛關注[4，6－7]。

硅是一種常見的類金屬元素，雖然不是植物生長發育所必需的，但其能促進植物生長，提高植物生長的抗逆性[8]，在緩解土壤重金屬鎘對植物的毒害過程中扮演著重要角色[9]。然而，中國南方土壤中由于脫硅富鐵鋁化作用，植物可利用性硅含量較少[9]，適當提高植物可利用硅含量，對植物阻控鎘污染具有一定積極作用[10]。硒是人類和動物的必需微量元素，其可以減輕鎘、砷、汞等多種重金屬的毒性，并且是抗氧化硒酶（谷胱甘肽過氧化物酶和硫氧還蛋白還原酶）的活性中心[11]，可通過改變抗氧化酶的活性和對營養元素的吸收提高植物的抗性[12]。與傳統的土壤施肥相比，葉面施肥是作物吸收營養元素的方式之一，通過向水稻葉面噴施硅和硒是增加水稻硅、硒營養來源的有效途徑。研究表明，噴施葉面肥能顯著降低水稻對鎘的吸收[13]。此外，在水稻的全生育期進行淹水也能夠有效阻控土壤中的有效態鎘向水稻地上部運輸[14]，但葉面阻控技術聯合水分管理對稻米鎘阻控效果的報道不多。本文針對我國南方典型的中輕度鎘污染農田，研究葉面噴施硅硒阻控劑聯合水分管理對稻米鎘吸收及轉運特征的影響，為重金屬污染農田的稻米安全生產技術提供依據。

表1 供試土壤基本理化性質Table1 Characteristics of the tested soil

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗區位于江西省鷹潭市貴溪市江南村（東經117°11′54″，北緯 28°17′27″），該地區為亞熱帶季風氣候，年平均降水量1 881.8 mm，年平均氣溫18.4℃。根據中國土壤分類系統中的系統分類，供試土壤屬于鐵滲水耕人為土，其基本理化性質列于表1，根據中國土壤環境質量標準（GB 15618—2008），屬于鎘中輕度污染。供試晚稻品種為五優華占，是江西省農業廳2016年主推品種，屬于三系雜交遲熟偏早晚稻品種。

本試驗共設置了8個處理，其操作規程見表2。試驗小區面積16 m（24 m×4 m），每個處理3個重復，隨機區組排列，四周設保護行。每個小區均單設進、排水口，田埂用6絲的聚乙烯薄膜相互間隔至犁底層，以防止水、肥相互滲透，施肥參照當地水稻的常規施肥，以水稻專用復合肥作基肥，施用量為600 kg·hm－2，分蘗期追施尿素120 kg·hm－2，水稻育苗前用5%次氯酸鈉溶液對水稻種子表面消毒15 min，用自來水沖洗后催芽。水稻長至二葉一心時選均勻一致的幼苗進行移栽，移栽時間為2016年7月22日，水稻收獲時間為2016年11月4日。葉面噴施硅溶膠阻控劑的制備是通過改進的Liu等[15]的制備方法，即將22.4 mL正硅酸乙酯（TEOS）與22 mL水混合，然后緩慢加入440 mL乙醇和10 mL鹽酸，將混合物在室溫下攪拌2 h，然后在 40 ℃下攪拌 6 h，定容至 1 L，得到 50 mmol·L－1SiO2溶膠儲備液，使用前稀釋20倍得到含2.5 mmol·L－1SiO2溶膠。葉面噴施亞硒酸鈉溶液的配制為溶解40 mg亞硒酸鈉固體于1 L水中。葉面噴施硅硒等體積混合阻控劑的配制是將以上硅溶膠和亞硒酸鈉溶液兩者等體積混合。硅溶膠、亞硒酸鈉溶液、硅硒等體積混合液的pH值分別為2.33、8.27、2.81，其粒徑分布由動態光散射儀（DLS，Nanobrook 90 Plus PALS）測定，結果如圖1所示。

表2 試驗處理及操作規程Table2 Treatments and experimental design

圖1 三種葉面噴施溶液的粒徑Figure1 Particle size of the three foliar spray solutions

所有處理的葉面噴施量均為100 mL·m－2，并于噴施前每升加入1 mL吐溫80，以便于被植物附著。葉面噴施時期為水稻分蘗盛期2016年8月31日和齊穗期2016年9月23日，根據當地葉面肥噴施習慣，選擇下午4時左右進行噴施。

1.2 樣品采集與分析

水稻樣品于成熟期采集，每小區隨機取6株，考察有效分蘗數、有效穗數、穗粒數、千粒重和結實率等產量構成因素。植株分為根、莖、葉和籽粒，樣品用去離子水沖洗后，在105℃下殺青30 min，然后在75℃下烘干至恒重，稱重、粉碎過60目篩。植物樣品中的鎘含量通過HNO3－HClO4（V∶V=4∶1）消解后，使用電感耦合等離子體發射光譜儀（Optima 8000，USA）測定。實驗中使用購于北京物理與地球化學研究所的分析標準物質菠菜（GBW10015）以及空白樣對實驗誤差進行校正。

1.3 相關參數計算

不同處理組的統計分析及方差分析（Turkey HSD）由 IBM SPSSRStatistics 22.0（SPSS，USA）軟件計算。使用Origin 9.0作圖，R語言ade4程序包進行主成分分析。

轉運系數（TF根到莖）=水稻莖中鎘濃度（mg·kg－1）/水稻根中鎘濃度（mg·kg－1）

轉運系數（TF莖到糙米）=水稻糙米中鎘濃度（mg·kg－1）/水稻莖中鎘濃度（mg·kg－1）

轉運系數（TF莖到葉）=水稻葉中鎘濃度（mg·kg－1）/水稻莖中鎘濃度（mg·kg－1）

2 結果與分析

2.1 葉面噴施硅硒溶液聯合水分管理對水稻產量及其構成要素的影響

由表3可知，常規水分管理下，與對照W1CK處理相比，葉面噴施處理W1Se、W1Si、W1SS顯著提高水稻穗粒數16.0%～18.6%（P＜0.05），而對水稻產量、有效穗數、結實率及千粒重等要素均沒有顯著影響（P＞0.05）；孕穗后期持續淹水管理下，與對照W1CK處理相比，W2CK、W2Si和W2Se處理顯著提高水稻穗粒數21.1%～29.5%（P＜0.05）。兩種水分管理條件下，葉面噴施處理對其他產量構成要素如水稻有效穗數、結實率以及千粒重等均有一定提高，但結果并不顯著（P＞0.05）。綜上所述，與對照W1CK相比，除了W2SS處理的各處理均能顯著提高水稻穗粒數，而其他水稻產量構成要素在各處理間則沒有顯著差異（P＞0.05）。

2.2 葉面噴施硅硒溶液聯合水分管理對水稻各器官鎘含量的影響

由圖2可知，常規水分處理下，與W1CK對照處理相比，W1Si處理水稻糙米鎘含量顯著降低71.7%（P＜0.01），W1Se處理糙米鎘含量顯著降低61.9%（P＜0.05），W1SS處理稻米鎘含量顯著降低 36.9%（P＜0.05）（圖 2A），同時 W1Si、W1Se、W1SS 處理分別降低水稻根系鎘含量 45.8%、26.8%、25.3%（P＜0.05）（圖2B），分別降低水稻莖鎘含量59.7%、51.0%、24.7%（P＜0.05）（圖 2D），W1Si處理顯著降低水稻葉片鎘含量37.9%，W1Se處理和W1SS處理對水稻葉片鎘含量沒有顯著影響（P＞0.05）（圖2C）。孕穗后期持續淹水處理下，W2CK與W1CK對照處理相比水稻糙米中鎘含量降低57.5%（P＜0.05），同時根鎘含量也顯著降低（P＜0.05），莖和葉中鎘含量則沒有顯著差異（P＞0.05）；W2Si、W2Se處理與W2CK處理相比，水稻莖中鎘含量顯著降低，根、葉片、糙米中鎘含量均沒有顯著差異（P＞0.05），W2SS處理與W2CK處理相比水稻糙米和莖中鎘的含量顯著提高（P＜0.05），水稻莖中鎘含量也提高27.4%，但兩者差異不顯著。綜上所述，常規水分管理下，葉面噴施硅溶膠和亞硒酸鈉溶液能夠有效降低水稻對鎘的吸收；稻田孕穗后期持續淹水處理也是能夠有效降低水稻鎘吸收的另外一種方式；葉面噴施硅溶膠和亞硒酸鈉溶液聯合稻田孕穗后期持續淹水管理顯著降低水稻對鎘的吸收，但是其降低的效果與兩種措施單獨使用效果一致，未見協同效應。

表3 不同處理對水稻產量及其構成要素的影響Table3 Effects of foliar treatment and water management on the grain yield of rice

2.3 葉面噴施硅硒溶液聯合水分管理對水稻鎘轉運系數的影響

重金屬轉運系數（TF）反映重金屬在植物體內的轉運，是判斷植物吸收、分配與轉運重金屬的一個重要指標。由圖3可知，水稻重金屬鎘轉運系數大小排序為TF根到莖＞TF莖到葉＞TF莖到糙米。與對照 W1CK處理相比，W1Se、W2Si和 W2Se處理均能顯著降低 TF根到莖，分別降低 34.5%、31.4%和 34.0%（P＜0.05），其他處理對TF根到莖沒有顯著影響。葉面噴施硅溶膠和亞硒酸鈉溶液在稻田兩種水分管理方式下均能提高TF莖到葉，其中葉面噴施硅溶膠達到顯著水平，即與對照W1CK處理相比，W1Si處理和W2Si處理分別提高TF莖到葉55.3%和55.9%（P＜0.05），其他處理對TF莖到葉沒有顯著影響。W2CK處理與W1CK處理相比，TF莖到糙米顯著降低47.3%（P＜0.05），而其他處理對 TF莖到糙米沒有顯著影響（P＞0.05）。

2.4 不同處理與水稻鎘含量及轉運系數的主成分分析（PCA）

為進一步表明不同處理水稻吸收鎘的影響，對8個處理下水稻各部分鎘含量、轉運系數以及產量要素的結果進行了主成分分析（圖4）。將360個數據基于維度簡化方法進行主成分分析，結果顯示前兩個主要成分（PC1和PC2）可以解釋的累積貢獻率為63.3%，分別占變異的50.1%和13.2%。由圖4可知，W2CK處理與W1CK處理（圖中實線圈部分）分布在不同的區域，說明孕穗后期持續淹水處理與常規水分處理有較大的差異；W1Si處理與W1Se處理（圖中虛線圈部分）與W1CK處理分布在不同區域，說明常規水分管理下，葉面噴施硅溶膠和亞硒酸鈉溶液與對照相比有較大差異；另外，W2Si處理及W2Se處理與W2CK處理并沒有分離，由此進一步說明，孕穗后期持續淹水管理下葉面噴施硅硒溶液與噴施去離子水相比對水稻吸收鎘沒有較大差異。

圖2 不同處理對水稻根、莖、葉和糙米鎘含量的影響Figure2 Effect of water management and different foliar spray treatments on the uptake of cadmium by different parts of rice plants

圖4 主成分分析圖Figure4 Principal component analysis results from Cd concentration，translocation factors，and yield of rice of 8 treatments

3 討論

常規水分管理下，葉面噴施硅溶膠能夠分別降低水稻糙米、莖及葉中鎘含量71.7%、59.7%、37.9%，主要是由于噴施的硅能夠迅速以單硅酸的形式被水稻吸收[16]，并在水稻表皮、莖、葉鞘以及維管組織中形成硅化細胞[17]，與細胞壁上的半纖維素形成帶負電的螯合物，從而增加對鎘的吸附和阻隔[18]，進而緩解鎘對水稻的毒害[19]。Wang等[20]的研究表明，葉面噴施硅溶膠能夠通過降低水稻體內MDA含量，增加水稻抗氧化能力來緩解水稻鎘的毒害。Liu等[15]研究表明當土壤中添加 10 mg·kg－1CdCl2時，葉面噴施 2.5 mmol·L－1硅溶膠，糙米中鎘的濃度降低62%。劉傳平等[21]和王世華[22]的研究進一步表明，土壤鎘濃度為2.0 mg·kg－1時，葉面噴施有機硅溶膠使稻米中鎘含量從對照的0.827 mg·kg－1下降到 0.134 mg·kg－1。本研究葉面噴施硅溶膠使中輕度鎘污染水稻田中水稻糙米鎘含量由1.13 mg·kg－1降低到 0.32 mg·kg－1，雖未達到食品安全國家標準/食品中污染物限量（Cd＜0.2 mg·kg－1），但其降低糙米鎘含量的效果達到極顯著水平（P＜0.01）。

硒作為植物生長的有益元素[23]，近年來發現，它在緩解水稻重金屬污染方面也有重要應用。研究表明，水稻外源施加低濃度的硒可以減輕鎘對水稻幼苗的毒害[24]。Wan等[19]研究表明外源添加亞硒酸鈉能夠顯著降低水稻對鎘的吸收，本試驗采用亞硒酸鈉溶液進行葉面噴施，使中輕度鎘污染水稻田中水稻糙米鎘含量由 1.13 mg·kg－1降低到 0.48 mg·kg－1，其降低糙米鎘含量的效果低于噴施硅溶膠但高于噴施硅硒等體積混合液。葉面噴施亞硒酸鈉溶液能夠降低水稻對鎘的吸收，可能是由于其能夠調節植物體內活性氧（ROS）和抗氧化酶活性[25]，誘導由褪黑素參與的鎘耐受機制[26]。徐向華等[27]研究表明，葉面噴施質量分數為1%的硒摻雜納米硅溶膠，可以有效緩解水稻砷毒害，水稻籽粒砷含量下降46%。

本試驗所配制的硅硒等體積混合液，其對水稻糙米鎘含量的降低效果與單獨噴施硅溶膠、亞硒酸鈉溶液相比較低，推測與等體積混合后膠體粒徑增大有關。如圖1所示，各溶液粒徑大小順序為硅溶膠＜亞硒酸鈉溶液＜硅硒等體積混合液。硅溶膠平均粒徑為59.1 nm，其降低水稻糙米鎘含量的能力最強，硅硒混合液的平均粒徑為161.0 nm，大于硅溶膠和亞硒酸鈉溶液，其降低水稻糙米鎘含量的能力最弱。我們的結果與Cui等[28]研究結果一致，即粒徑越小，抑制鎘吸收效果越強。

據報道，調節土壤水分狀況，可以改變土壤中的有效態鎘含量，進而影響植物對鎘的吸收累積[29]。紀雄輝等[30]認為，隨著土壤淹水程度的提高，水稻根系、莖葉和糙米各部分的鎘含量均顯著下降，主要是由于淹水降低了土壤氧化還原電位，增加根際土壤有效硫含量，與土壤中有效態鎘形成沉淀，從而降低土壤中有效態鎘的含量；李劍睿等[32]的結果表明，淹水后根表Fe2+的含量比常規處理增加了1.2倍，根表鎘含量則是常規處理的82.6%，Cd2+與Fe2+對根表吸附點位的競爭作用導致根表鎘含量下降，進而影響植物根系對鎘的吸收累積。另外，研究發現水稻吸收和積累鎘的關鍵時期是揚花期后[31]，這個關鍵時期采用淹水措施能夠顯著降低糙米對鎘的積累。本試驗孕穗后期持續淹水處理，與常規水分管理相比糙米鎘的含量由1.13 mg·kg－1降低到 0.43 mg·kg－1，降低效果顯著（P＜0.05）。

由此可見，水稻生長孕穗后期淹水是一種既能保證水稻產量（表3），同時又能有效降低糙米鎘含量的農藝措施。本試驗中孕穗后期持續淹水聯合葉面噴施硅溶膠和亞硒酸鈉對糙米鎘含量的降低效果與對照相比不顯著，其原因可能是淹水后土壤鎘的生物有效性低[32]，水稻各部分吸收的鎘減少，葉面噴施可阻控的鎘含量減少，故而沒有顯著降低糙米鎘的含量。另外，水稻葉面噴施硅溶膠等阻控劑有降低水稻葉片表面蒸騰強度的作用，也降低了水稻對鎘的吸收及向地上部分的轉運[22]，因而葉面噴施硅硒溶液對水稻吸收和轉運鎘的效果有可能在一定程度上掩蓋了淹水管理對水稻吸收鎘的影響，故而本試驗中葉面噴施硅硒溶液處理聯合孕穗后期持續淹水管理的降鎘效果未見協同效應。

兩種水分管理下，葉面噴施硅溶膠、亞硒酸鈉溶液降低了TF根到莖，提高了TF莖到葉，主要是由于噴施后由根向莖轉運的鎘減少[33]，使水稻莖中鎘的濃度顯著降低（P＜0.05）。水稻莖中的鎘極易遷移到葉[34]，史新慧等[35]研究表明水稻葉片中含有一種能參與控制水稻內部硅沉積的結合蛋白，沉積的硅能與鎘發生沉淀反應或發生分解與有機酸結合在液泡中，最終將鎘滯留在運輸途徑中，降低其向上的轉運系數。另外，水稻莖中的節點部位是鎘由木質部向韌皮部轉運的中心器官[36]，尤其是水稻從上往下第一個節點，表現出最強的鎘富集能力[37]，而本試驗葉面噴施硅硒溶液可能通過降低節點的鎘富集能力，從而降低水稻莖中鎘的含量，進而降低TF根到莖，提高TF莖到葉。孕穗后期持續淹水管理下，葉面噴施去離子水處理與常規水分管理相比TF莖到糙米顯著下降，說明孕穗后期持續淹水措施能降低鎘從莖轉運到糙米，從而降低水稻糙米對鎘的積累。

4 結論

（1）常規水分管理下，葉面噴施硅溶膠和亞硒酸鈉溶液能顯著降低水稻根、莖和糙米中鎘的含量，降低鎘從根到莖和從莖到糙米的轉運，增加鎘從莖到葉的轉運。

（2）未噴施葉面阻控劑時，稻田孕穗后期持續淹水處理降低了鎘從水稻莖向糙米的轉運系數，顯著降低水稻糙米對鎘的積累。

（3）葉面噴施硅溶膠、亞硒酸鈉溶液和硅硒等體積混合液，與稻田孕穗后期淹水管理兩項措施聯合，水稻糙米降鎘效果未見協同效應。

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