葉面噴施不同濃度鋅對水稻鋅鎘積累的影響

呂光輝，許 超，王 輝，帥 紅，王 帥，李佰重，朱奇宏，朱捍華，黃道友

（1.湖南師范大學資源與環境科學學院，長沙 410081；2.中國科學院亞熱帶農業生態研究所，亞熱帶農業生態過程重點實驗室，長沙 410125；3.湖南農業大學資源環境學院，長沙 410128）

礦業活動、工業生產、金屬和含金屬化合物的農用導致重金屬釋放到土壤環境中，世界多數國家土壤重金屬污染問題突出[1]。鎘（Cd）是一種毒性高、移動性大的金屬元素，土壤中的Cd易被作物吸收，進入食物鏈危害人體健康[2]。水稻是世界上最主要的糧食作物之一，也是對Cd吸收能力最強的大宗谷類作物[3]，糙米Cd污染問題備受關注。因此，有必要采取高效措施降低稻米Cd含量，減少人體對Cd的攝入。

利用競爭性陽離子與Cd2+的拮抗效應來抑制Cd吸收或轉移到作物可食部的農藝調控方法，已逐漸成為Cd污染治理研究的焦點[4-11]。鋅（Zn）是植物生長必需的微量元素，由于Zn和Cd兩種元素的相似性，使植物對其吸收具有拮抗作用[5，7，9，12-13]。土施和噴施ZnSO4都可降低作物Cd含量，且噴施處理的效果優于土施處理[7，9，14-15]。研究表明，噴施 Zn 肥可通過抑制根部Cd吸收[7，16]和降低作物體內Cd轉運而降低其可食部 Cd 含量[5，9，12，17-18]，但兩者所起的作用在不同作物中表現并不一致[5，7，18]。

水稻根、第一節和穗軸在Cd吸收和向籽粒轉運中起著關鍵性的作用[19-25]，Huang等[22]研究表明，葉面噴施納米Si顯著降低了根到第一節和第一節到穗軸的Cd轉運系數，從而降低稻米Cd含量。近年來研究表明，噴施ZnSO4可有效降低水稻稻米Cd含量、提高其 Zn 含量[14，17-18，26]，然而其作用機制尚不明確，噴施ZnSO4對水稻吸收轉運Cd關鍵節點影響的研究尚未見報道。為此，本研究采用田間試驗，研究葉面噴施不同濃度的ZnSO4對水稻產量、籽粒、穗軸和其他營養器官Cd和Zn含量的影響及籽粒Cd含量與Cd轉運系數的關系，確定水稻籽粒降Cd增Zn效果最佳的Zn肥施用量，并探討其作用機制，以期為稻米Cd污染的農藝防治提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

田間試驗選址為湖南省長沙市長沙縣北山鎮（112°56'15″～113°30'00″E，27°54'55″N）某Cd污染稻田。北山鎮屬于亞熱帶季風氣候，氣候溫和，降雨充沛，當地年平均氣溫為16～20℃，年平均降水量為1200～1500 mm。供試稻田土壤基本理化性質見表1。

供試水稻品種為株兩優189（兩系雜交秈稻，湖南希望種業有限公司）。供試ZnSO4為ZnSO4·7H2O，由國藥集團化學試劑有限公司生產。

1.2 試驗設計

設置 6個葉面噴施處理：（1）CK，不施 Zn；（2）Zn1，1 g·L-1Zn（ZnSO4）；（3）Zn2，2 g·L-1Zn（ZnSO4）；（4）Zn3，3 g·L-1Zn（ZnSO4）；（5）Zn4，4 g·L-1Zn（ZnSO4）；（6）Zn5，5 g·L-1Zn（ZnSO4）。每個處理5次重復，共30個小區，每個小區面積為6 m2。所有小區隨機區組排列，水稻植株間距為20 cm×20 cm，每小區種植126兜水稻（每兜3株）。每公頃基施復合肥（10-5-10）1200 kg（即基施 N 120 kg·hm-2、P2O560 kg·hm-2、K2O 120 kg·hm-2），在水稻移栽前1 d施入。水稻的耕作管理與當地農民的耕作管理保持一致。2017年4月19日進行水稻移栽，6月6日和6月9日（灌漿初期）待葉片水干后進行噴施處理，每次葉面噴施水量為1500 L·hm-2（對照噴施等量清水）。2017年7月18日水稻成熟收獲時測產。

1.3 樣品采集與處理

成熟期取水稻植株樣品，用自來水洗凈后再用去離子水清洗，清洗后的水稻植株分為稻谷、穗軸（包括小穗軸和穗節）、旗葉（包括葉片和葉鞘）、第一節間、第一節、其他葉（除旗葉外的其他葉片和葉鞘）、其他節和節間（除第一節外的其他節和節間）和根，于105℃下殺青30 min，70℃烘干至恒質量。稻谷烘干后利用脫殼機（JLGJ 4.5，Taizhou Grain Meter Factor，Zhejiang，China）分為糙米和稻殼。水稻各器官樣品粉碎后備用。

1.4 植株樣品測定

植株各器官Cd、Zn含量采用HNO3-HClO4（VHNO3∶VHClO4為5∶1）消解，濾液用電感耦合等離子光譜發生儀（ICP-OES，720ES）測定。

表1 供試土壤基本理化性質Table 1 Basic physical and chemical properties of the tested soil

1.5 數據處理

轉運系數（TF）（Transfer Factor）是指植物上部某元素的質量分數與植物下部某元素質量分數之比，用來評價植物將重金屬從下部向上部運輸的能力[27]。用Excel 2010軟件進行試驗數據的處理及表格制作，SPSS 19.0軟件進行統計分析，Tukey's HSD（Honest Significant Difference）法做多重比較和差異顯著性檢驗，Person法進行相關性分析。

2 結果與分析

2.1 稻谷產量

隨著葉面噴施Zn濃度的提高稻谷產量呈降低趨勢，但各處理間水稻產量無顯著差異（P＞0.05）（圖1）。

2.2 各器官Cd含量

水稻不同器官Cd含量表現為根＞第一節＞旗葉＞其他葉＞其他節和節間＞穗軸＞稻殼＞第一節間＞糙米（圖2）。隨著噴Zn濃度的增加，各器官Cd含量呈現先降低后增加的變化趨勢。與CK處理相比，葉面噴Zn使糙米、稻殼、穗軸、第一節間、第一節、旗葉、其他葉、其他節和節間、根Cd含量分別降低9.0%～47.8%、10.7%～27.5%、3.7%～29.4%、5.5%～47.0%、9.5%～53.6%、7.6%～44.1%、5.7%～45.4%、16.1%～62.7% 和4.2%～18.9%，表明葉面噴施1～5 g·L-1ZnSO4可在一定程度上降低水稻各器官Cd含量，其中噴施4 g·L-1ZnSO4糙米Cd含量降低最大，達47.8%。糙米Cd與稻殼Cd、穗軸Cd、旗葉Cd、第一節間Cd、第一節Cd、其他葉Cd、其他節和節間Cd、根Cd均呈顯著正相關關系（P＜0.01），相關系數分別為 0.653、0.856、0.878、0.857、0.853、0.876、0.861和0.745（圖3）。

圖1 葉面噴施不同濃度Zn對水稻產量的影響Figure 1 Effect of foliar application different concentrations of zinc on rice yield

2.3 各器官Zn含量

水稻不同器官Zn含量表現為：第一節＞其他葉＞旗葉＞其他節和節間＞根＞第一節間＞穗軸＞稻殼＞糙米（圖2）。隨著噴Zn濃度的增加，水稻各器官Zn含量呈逐漸升高的變化趨勢。與CK處理相比，葉面噴Zn使糙米、稻殼、穗軸、第一節間、第一節、旗葉、其他葉、其他節和節間、根Zn含量分別顯著提高31.7%～55.6%、68.3%～188.0%、81.7%～150.8%、100.7%～172.7%、144.7%～214.7%、588.6%～1571.3%、1035.7%～2068.4%、92.6%～149.8%和63.1%～205.5%（P＜0.05），表明葉面噴施1～5 g·L-1ZnSO4顯著提高水稻各器官Zn含量。

2.4 Cd轉運系數

旗葉到第一節Cd轉運系數（TF第一節/旗葉）＞穗軸到糙米Cd轉運系數（TF糙米/穗軸）＞根到第一節Cd轉運系數（TF第一節/根）＞第一節到穗軸Cd轉運系數（TF穗軸/第一節）（圖4）。葉面噴Zn處理TF第一節/旗葉降低1.0%～30.3%、TF第一節/根降 低 5.8%～43.7%、TF糙米/穗軸降 低 4.7%～26.7%、而TF穗軸/第一節提高5.0%～47.1%。葉面噴Zn降低了Cd從旗葉和根向第一節及穗軸向糙米的轉運、促進了Cd從第一節向穗軸的轉運，噴施3～5 g·L-1ZnSO4時尤為明顯。

糙米Cd含量與第一節/根和糙米/穗軸Cd轉移系數顯著正相關，與穗軸/第一節Cd轉運系數顯著負相關（圖5）。

3 討論

本研究結果表明，Cd污染土壤上葉面噴施不同濃度的ZnSO4對水稻產量無顯著影響，這與前人的研究結果類似[9，16，18]，這可能是由于供試土壤有效Zn含量較高，不屬于缺Zn土壤，不能通過提高作物Zn營養來促進作物生長。

葉面噴施1～5 g·L-1ZnSO4顯著提高水稻各器官Zn含量，且隨著噴Zn濃度的提高各器官Zn含量逐漸上升（圖2）。這可能是由于葉片中的Zn能夠通過韌皮部運到其他器官進行再分配[28-29]，隨著噴Zn濃度的增加，葉片對Zn的吸收量增加，其他器官的Zn含量會增加；噴施過程中有霧滴落入土壤中導致根部土壤Zn含量及有效性增加，植株對Zn的吸收量增加，Zn由根到地上部的轉運增加，進而水稻各個器官的Zn含量增加[30]；噴施Zn增加了葉片上Zn的附著吸附量。與對照相比，葉面噴Zn糙米Zn含量提高31.7%～55.6%（圖2），因此，葉面噴Zn是生物強化稻谷Zn含量的一種有效措施。

圖2 噴施不同濃度Zn對水稻植株Cd和Zn含量的影響Figure 2 Effect of foliar application of different concentrations of zinc on cadmium and zinc concentrations in rice plants

葉面噴施1～5 g·L-1ZnSO4在一定程度上降低水稻各器官Cd含量，葉面噴施Zn后水稻器官中Cd濃度的降低部分歸因于水稻器官中Zn濃度的顯著增加，水稻各器官（稻殼除外）Cd與Zn含量之間顯著負相關（糙米、穗軸、第一節間、第一節、旗葉、其他葉、其他節和節間、根中Cd與Zn之間相關系數分別為-0.435*、-0.375*、-0.456*、-0.654**、-0.651**、-0.701**、-0.741**和-0.430*）；水稻各器官中Cd與Zn之間表現為拮抗作用。有研究結果表明噴Zn能降低作物Cd含量、Cd與Zn之間表現為拮抗效應[7，12，31-33]。Zn、Cd 之間的拮抗作用會抑制根系對鎘的吸收及Cd從根到地上部的轉運[26]：一方面Zn與Cd競爭水稻細胞膜表面的吸收位點，Zn吸收量增加，Cd吸收量減少[31]；另一方面Zn與Cd在植物體運輸中可以利用相同的轉運蛋白，當植物體內Zn含量增加時就會與Cd競爭這些轉運蛋白上的重金屬結合位點，最終導致植物體內的Cd含量減少[7]。水稻用同一轉運蛋白吸收和轉運Cd和Zn，如轉運蛋白OsZNT1[33]和金屬ATPase 2（OsHMA2）轉運蛋白[34-35]。本研究結果表明，糙米Cd含量與根Cd含量、第一節/根和糙米/穗軸Cd轉移系數顯著正相關，與穗軸/第一節Cd轉運系數顯著負相關，表明葉面噴Zn降低糙米Cd含量主要是由于降低根Cd吸收和根與旗葉向第一節及穗軸向糙米Cd的轉運引起的。代晶晶等[16]研究同樣表明噴施Zn肥主要是通過減少根部Cd吸收和向地上部Cd轉運來降低油菜華俊地上部Cd含量。然而，葉面噴施Zn調控水稻Cd吸收與轉運的分子機制需要進一步探討。

圖3 糙米Cd與其他器官Cd含量的關系Figure 3 Relationship between brown rice Cd and Cd in other organs

圖5 糙米Cd含量與水稻Cd轉運系數的關系Figure 5 Relationship between cadmium concentrations in brown rice and translocation factors of cadmium in rice

4 結論

（1）噴施1～5 g·L-1ZnSO4對水稻產量無顯著影響。

（2）噴施 3～5 g·L-1ZnSO4顯著降低糙米 Cd含量，同時顯著提高稻米Zn含量，是葉面調控稻米Cd含量積累的適宜用量。

圖4 噴施不同濃度Zn對水稻Cd轉運系數的影響Figure 4 Effect of foliar application of different concentrations of zinc on the translocation factors of cadmium in rice

（3）葉面噴Zn降低糙米Cd含量主要是由于根Cd吸收和降低根和旗葉向第一節及穗軸向糙米的轉運引起的。