微納米硅微生物菌劑對水稻的降鎘和增產效應

康 權，康 健，顏合洪，張春波

（1. 湖南省頓豐硅鈦能科技開發有限公司，湖南 長沙 410016；2. 湖南農業大學農學院，湖南 長沙 410125；3. 湘西土家族苗族自治州農業農村局，湖南 吉首 416000）

鎘、鉻、汞、砷、鉛5 種元素在自然界普遍存在，當這些元素累積在農產品中，食用后對人體產生嚴重傷害，人們稱其為“五毒”元素，尤以鎘元素對人體的危害性最強[1]。鎘是一種稀有元素，并不是植物和人體所必需的元素，毒性極大。鎘在環境中遷移性差，殘留時間長，降解難度大，極易通過吞食和皮膚接觸而進入到人體內，是一種致畸、致癌性極強的物質[2]。農田鎘污染最早是20 世紀初期由日本富山縣的“鎘米事件”為眾人所知。最初只是該地區的水稻生長發育不良；到1931 年該地區的婦女開始先后患病，癥狀表現為腰、手、腳等關節疼痛難忍；后調查發現，這是由于神通川上游神岡礦山的廢水引起的鎘中毒癥狀[3]；到21 世紀初，我國也有大米鎘含量超標的報道，進而引發人們對農產品食用安全的擔憂，同時也引起了各級政府和農業科技工作者的高度關注，由此在鎘污染調查和治理方面開展了大量工作，但效果不盡人意，一些稻田已被列為鎘污染嚴控區，不能種植水稻，這是一個急需解決的問題[4]。

微納米硅微生物菌劑是一種以蛋白頁巖為基礎材料而研發的新型土壤調節劑，蛋白頁巖是稀有的天然納米材料，它的平均孔徑為7～8 nm，比表面積為100 m2/g，同時帶有遠紅外能量和太赫茲能量；在pH 值為2.5 時，它的表面電荷為0，當pH 值上升后，帶有負電荷，pH 值上升到弱堿性（8.0～8.5）時，它的表面負電荷很大，具有很強的吸附性，能大量地吸附重金屬離子[5]。筆者通過研究微納米硅微生物菌劑對稻米的降鎘和增產效應，為該微生物菌劑在水稻生產上的推廣應用提供依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試材料為“頓豐圭”微納米硅微生物菌劑，由湖南省頓豐硅鈦能科技開發有限公司提供。田間小區試驗的供試水稻品種：2018 年和2020 年為株兩優819，2019 年為一晚品種雨母香，均由衡南縣三塘鎮當地種子公司提供。

1.2 試驗方法

1.2.1 田間小區試驗試驗在衡南縣三塘鎮大廣村進行，當地氣候為亞熱帶季風氣候，屬于典型的雙季稻區。試驗田地勢平坦，3 a 內未做過肥料試驗，中等肥力，肥力均勻，供試土壤為紅壤，排灌條件好，無“三廢”污染源，其土壤鎘含量和基礎養分含量如表1 所示。試驗時間為2018 年3 月至2020 年11 月。2018和2019 年試驗設計如下：處理1，常規施肥+基施“頓豐圭”微納米硅微生物菌劑1 kg/667m2；處理2，常規施肥+基施“頓豐圭”微納米硅微生物菌劑2 kg/667m2；處理3（CK），常規施肥（采用當地農業農村局推薦的最佳施肥方案）。2020 年試驗設計如下：處理1，有機肥+“頓豐圭”微納米硅微生物菌劑0.75 kg/667m2作基肥，孕穗后期追施“頓豐圭”微納米硅微生物菌劑0.25 kg/667m2；處理2，化肥+“頓豐圭”微納米硅微生物菌劑0.75 kg/667m2作基肥，孕穗后期追施“頓豐圭”微納米硅微生物菌劑0.25 kg/667m2；處理3（CK），常規施肥；有機肥和化肥均為當地常用市售產品，按當地生產習慣施用。每個處理設3 次重復，隨機區組排列，小區面積為20 m2，小區間均設隔離行，并用塑料薄膜與田泥作埂高于耕作層20 cm，形成各小區單排單灌，無水肥串灌。各處理其他肥水管理、插秧密度及病蟲害防治等均按當地農業主管部門頒布的規范技術實施。

表1 供試土壤的鎘和基礎養分含量

1.2.2 “頓豐圭”微納米硅微生物菌劑的應用（示范）2018—2020年先后在湖南、湖北、浙江、廣東、江西等9 個省（市、區）開展了“頓豐圭”微納米硅微生物菌劑對水稻降鎘、增產提質等方面的應用示范工作[數據來源于湖南省科技廳成果登記（湘科成登字第9430000Y20220016 號）]，菌劑施用量1～2 kg/667m2。其中，選擇有代表性的安仁縣承平鎮、汨羅市白塘鎮和桃源縣木塘垸這3 個示范大田進行降鎘分析，湖南花垣、湖北咸寧、廣東增城、江西石城和浙江衢州這5 個示范大田進行稻谷增產分析，除“頓豐圭”微納米硅微生物菌劑外，其他水肥管理適應當地生產習慣。

1.3 考察指標及方法

1.3.1 土樣采集及分析試驗開始前隨機多點采集耕作層剖面基礎土樣，混合均勻后用四分法收取待測土樣1 kg，風干備用。在水稻試驗完成后按同樣方法分處理獲取待測土樣。然后樣品送中國農科院衡陽紅壤觀測站按國家標準方法檢測土樣養分含量及鎘含量。

1.3.2 稻米鎘含量的檢測每個小區采10 株成熟的稻谷脫粒曬干至含水量為13%后，作為鎘含量的待測樣品，然后送糧食主管部門稻米定點檢測單位按國家標準方法檢測稻米鎘含量（國際和國家規定的標準限量分別為0.4 和0.2 mg/kg）。

1.3.3 稻谷產量的測定水稻成熟后，各試驗小區和示范區單收、脫粒、曬干后測產（稱重）。

2 結果與分析

2.1 不同處理對水稻降鎘效果分析

2.1.1 小區試驗結果從表2 可以看出，2018 年處理1 和處理2 的降鎘效果分別為45.80%和58.73%，2019 年分別為48.46%和54.63%，2020 年分別為88.52%和83.33%。除2018 年處理1 外，其他微納米硅微生物菌劑處理的稻米鎘含量均降至國家標準以下，由此可知，在鎘污染管控區，施用“頓豐圭”微納米硅微生物菌劑，稻米鎘含量下降明顯，可以達到安全生產的標準。多重比較結果顯示，處理1 和處理2 的稻米鎘含量極顯著低于對照，且連續施用3 a后降鎘效果更為明顯。同時2020 年的試驗結果顯示，不管是專施化肥還是有機肥，微納米硅微生物菌劑對稻米的降鎘效果均極顯著。

表2 田間試驗結果的水稻降鎘效果

2.1.2 大田示范結果表3 的結果顯示，施用1～2 kg/667m2“頓豐圭”微納米硅微生物菌劑后，稻米的降鎘效果十分明顯，稻米中的鎘含量在0.086～0.150 mg/kg，均低于國家限量標準，與空白對照（未施用微納米硅微生物菌劑）相比，降鎘效果為63.09%～75.00%。而空白對照處理，稻米中鎘含量為0.233～0.600 mg/kg，均超出國家限量標準。由此可見，在鎘污染的稻田土壤中，施用“頓豐圭”微納米硅微生物菌劑可以生產鎘達標的稻米。

表3 大田示范結果的水稻降鎘效果

2.2 不同處理對水稻產量的影響

2.2.1 小區試驗結果由表4 可知，與對照相比，2018 年處理1 和處理2 的增產率分別為6.81%和11.79%，2019 年分別為7.06%和8.97%，而2020 年的增產率更為明顯，分別為16.64%和22.41%。與對照相比，2018 和2019 年微納米硅微生物菌劑處理的稻谷增產達到顯著水平，2020 年達到極顯著水平。

表4 田間試驗的稻谷產量結果

2.2.2 大田示范結果在湖南、湖北、廣東、江西和浙江5 個省份將“頓豐圭”微納米硅微生物菌劑應用于水稻大田生產，示范面積約460 hm2，施用1.5～2 kg/667m2微納米硅微生物菌劑的前提下，增產幅度為12.0%～16.8%，結果說明“頓豐圭”微納米硅微生物菌劑能明顯提高水稻產量。

3 小結與討論

從田間小區試驗和在南方稻區的應用結果表明，在稻田鎘污染區，施用1.5～2 kg/667m2“頓豐圭”微納米硅微生物菌劑，可基本實現土壤鎘含量1.0 mg/kg以下的酸性稻田種植口糧的達標生產；同時，“頓豐圭”微納米硅微生物菌劑對水稻具有明顯的增產作用。小區試驗2018 年增產率為6.81%、11.79%，2019 年增產率為7.06%、8.97%，2020 年增產率為16.64%、22.41%；與對照相比，2018—2019 年增產效果達顯著水平，2020 年增產效果達極顯著水平。湖南、湖北、廣東、浙江、江西5 省的大田示范混合應用效果顯示，稻谷增產率為12%～16.8%。

“頓豐圭”微納米硅微生物菌劑配方的基礎材料是天然的蛋白頁巖，屬于不定型硅，具有較大的活性。在鎘污染的稻田土壤中，施用1～2 kg/667m2“頓豐圭”微納米硅微生物菌劑后，能將鎘吸附在帶有負電荷的硅離子表面，將鎘由有效態轉化為固化態，阻鎘于土壤中，而不會被水稻吸收到植株體內，從而降低稻米鎘含量，使稻米鎘含量達標。這一研究結果與其他學者的結論一致[5-8]，但降鎘效果更為明顯。

硅元素是水稻莖稈的組成物質，增施硅肥能增強水稻抗倒性和抗病蟲害的能力，調節光合作用和促進生長的作用[9-10]。至于“頓豐圭”微納米硅微生物菌劑增產的機理尚不完全明了，目前筆者所在團隊正在深入研究。