高大林，葉文玲，馬友華，魯洪娟,2

(1 農(nóng)田生態(tài)保育與污染防控安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，安徽 合肥 230036； 2 天津市農(nóng)業(yè)環(huán)境與農(nóng)產(chǎn)品安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部 環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測所，天津 300191)

水稻Oryzasativa是人類主要的糧食作物，養(yǎng)活了世界近50%的人口，其產(chǎn)量和品質(zhì)備受關(guān)注。目前，稻米中微量元素缺乏現(xiàn)象非常嚴(yán)重，以至于嚴(yán)重影響到人類對微量元素的攝取，并引發(fā)一系列人體微量元素缺乏病癥。鋅(Zn)和銅(Cu)是植物生長發(fā)育所必需的微量營養(yǎng)元素，其對植物正常的生理代謝及生長發(fā)育、產(chǎn)量和品質(zhì)的提高都有著極其重要的影響[1-3]。Zn、Cu元素含量過低不僅關(guān)系著農(nóng)作物的生長發(fā)育，同時(shí)也影響著其可食部分的營養(yǎng)價(jià)值[4-6]。目前，糧食作物中由于缺乏Zn、Cu元素尤其是Zn元素引起的營養(yǎng)失衡問題較為普遍[7-8]，因此本文將選擇Zn、Cu這2種微量元素作為研究對象。硅(Si)被視為水稻的第4元素，施用硅肥可以提高水稻產(chǎn)量、改善稻米品質(zhì)、增強(qiáng)水稻自身的抗逆性[9-10]。水稻體內(nèi)的含Si量占總干物質(zhì)量的11%～20%，高產(chǎn)的水稻含Si量則更高[11]。大量研究表明，Si能抑制Zn、Cu向植株地上部的轉(zhuǎn)移，緩解過量Zn、Cu對植物的毒害作用[12-14]，相關(guān)研究大多為土壤中Zn、Cu或者其他重金屬元素過量情況下施用Si肥的結(jié)果[15-16]，而在正常范圍內(nèi)Si、Zn、Cu交互作用的研究尚不多見，Si對水稻不同器官中Zn、Cu吸收和分配的影響尚不可知。所謂“秧好半年禾”，幼苗質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響水稻最終的產(chǎn)量和質(zhì)量。本試驗(yàn)以‘皖稻71號’為材料，研究不同Si肥水平對水稻幼苗生長及吸收Zn、Cu的影響，為稻田施Si打下理論基礎(chǔ)，具有實(shí)踐意義。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試水稻品種為‘皖稻71號’。試驗(yàn)所用Si肥為九水偏硅酸鈉(Na2SiO3·9H2O，相對分子質(zhì)量為284.20，分析純)。

1.2 試驗(yàn)方法

挑選顆粒飽滿、大小均勻的水稻種子，用體積分?jǐn)?shù)為5%的次氯酸鈉溶液浸泡30 min，去離子水洗凈后，無菌水浸種24 h，均勻排在鋪有2層濾紙的培養(yǎng)皿中。待長至一葉一心時(shí)，選取長勢一致的幼苗進(jìn)行水培試驗(yàn)。每盆種植5株水稻苗。

營養(yǎng)液使用Hoagland營養(yǎng)液配方，共設(shè)6個(gè)Si肥(以SiO2計(jì))處理，SiO2質(zhì)量濃度分別為0(對照，CK)、30、60、90、120 和 150 mg·L?1，每個(gè)處理重復(fù)3次。營養(yǎng)液配好(包括加入不同質(zhì)量濃度的Si)后，使用稀HNO3和NaOH溶液調(diào)節(jié)營養(yǎng)液的pH，使pH維持在5.5左右。每周更換1次營養(yǎng)液，并調(diào)至相應(yīng)Si濃度水平，保證營養(yǎng)液中除陪伴離子Na+濃度不同外，其他離子濃度均與原營養(yǎng)液相同。

培養(yǎng)1個(gè)月后，用去離子水將水稻苗完全洗凈，將地上部和根部分開，測定其生長指標(biāo)和植株不同部位的Zn、Cu含量。

1.3 測定方法

1.3.1 葉片數(shù)、株高、根長、鮮質(zhì)量和干質(zhì)量的測定 采集新鮮水稻樣品，記錄葉片數(shù)。用游標(biāo)卡尺測量株高(幼苗莖基部至幼苗頂端葉尖的長度)和根長(幼苗莖基部到根尖的長度)。用去離子水沖洗水稻幼苗地上部和根部，吸水紙吸干表面的水分，稱其質(zhì)量即為鮮質(zhì)量。隨后在105 ℃條件下殺青30 min，75 ℃條件下烘干至恒質(zhì)量，稱其質(zhì)量即為干質(zhì)量。

1.3.2 水稻幼苗 Zn、Cu 含量測定 稱取過 0.5 mm篩孔的烘干樣品0.5～1.0 g，置于瓷坩堝中，在電爐上加熱炭化，再移入馬弗爐500 ℃條件下灰化2～3 h，冷卻，準(zhǔn)確加入體積比為1∶1的硝酸溶液5 mL溶解灰分，用蒸餾水定容至50 mL容量瓶，干濾紙過濾，電感耦合等離子光譜發(fā)生儀(ICP-OES，720ES)測定Zn、Cu含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

根據(jù)以下公式計(jì)算元素凈吸收量和元素轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)：

元素凈吸收量=元素的總積累量/根部干質(zhì)量；

元素轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)=水稻地上部元素含量/根系元素含量×100%。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用SPSS 19軟件進(jìn)行單因素方差分析(One-way ANOVA)和LSD多重比較檢驗(yàn)，用Excel 2007程序進(jìn)行數(shù)據(jù)的圖表處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同硅肥水平下水稻幼苗生長指標(biāo)變化

從表 1 可以看出，90 mg·L?1SiO2處理的水稻幼苗平均葉片數(shù)和根長均達(dá)到最高值(P<0.05)，不同處理間水稻幼苗的株高差異不顯著。水稻的葉片數(shù)、株高和根長受Si濃度增加的影響趨勢基本一致，均先隨著 Si濃度的增加而增加，至 90 mg·L?1SiO2處理達(dá)到最高值，之后隨Si濃度的繼續(xù)增加而呈現(xiàn)降低的趨勢。

表 1 施硅處理對水稻幼苗葉片數(shù)、株高和根長的影響1)Table 1 Effects of silicon application on leaf number, plant height, and root length of rice seedlings

2.2 不同硅肥水平下水稻幼苗生物量

從圖1可以看出，水稻幼苗地上部鮮質(zhì)量和根部鮮質(zhì)量隨Si肥用量的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，不同Si濃度水平下水稻幼苗地上部生物量和根系生物量的變化沒有呈現(xiàn)顯著的一致性，其中地上部鮮質(zhì)量在 90 mg·L?1SiO2處理達(dá)到最大值，且與 120 和 150 mg·L?1SiO2處理間呈現(xiàn)顯著差異(P<0.05)，而根部鮮質(zhì)量在 60 mg·L?1SiO2處理達(dá)到最大值。

圖 1 施硅處理對水稻幼苗單株生物量(鮮質(zhì)量)的影響Fig.1 Effects of silicon application on plant biomass (fresh weight) of rice seedlings

2.3 不同硅肥水平下水稻幼苗Zn、Cu含量

從圖2A可以看出，不同Si肥水平處理下的水稻幼苗Zn含量均表現(xiàn)為地上部低于根部，各處理的水稻幼苗地上部Zn含量隨Si肥水平的增加而先增加后降低，根部 Zn 含量則持續(xù)增加。90 mg·L?1SiO2處理的水稻地上部Zn含量顯著高于CK和30、120、150 mg·L?1SiO2處理，120 和 150 mg·L?1SiO2處理的水稻根部Zn含量顯著高于CK(P<0.05)。

從圖2B可以看出，隨著Si肥濃度的增加，水稻幼苗地上部分Cu含量先增加后降低，其中90 mg·L?1SiO2處理的水稻地上部分 Cu 含量顯著高于 150 mg·L?1SiO2處理 (P<0.05)。水稻根部 Cu 含量各處理間沒有顯著差異。

圖 2 施硅處理對水稻幼苗不同部位Zn、Cu含量的影響Fig.2 Response of Zn and Cu contents in different rice seedling parts to silicon application

Zn和Cu是植物的必需微量營養(yǎng)元素，本試驗(yàn)中，0～150 mg·L?1SiO2各處理水稻植株的 Zn、Cu 含量均在植物生長的正常范圍內(nèi)[14]。

2.4 不同硅肥水平下水稻幼苗Zn、Cu積累量

由表2可以看出，水稻幼苗對Zn的積累量明顯高于對Cu的積累量，幼苗地上部分的Zn積累量明顯高于根部的 Zn 積累量，90 mg·L?1SiO2處理水稻幼苗地上部分的Zn積累量顯著高于CK和30、120、150 mg·L?1SiO2處理，60 和 90 mg·L?1SiO2處理水稻幼苗根部的Zn積累量顯著高于CK和30 mg·L?1SiO2處理 (P<0.05)。水稻幼苗地上部 Cu 積累量和根部 Cu積累量相差不大，60和 90 mg·L?1SiO2處理水稻幼苗地上部分的Cu積累量顯著高于 CK 和 150 mg·L?1SiO2處理 (P<0.05)，不同處理間水稻幼苗根部Cu積累量無顯著差異。與60和90 mg·L?1SiO2處理相比，120 和 150 mg·L?1SiO2處理水稻幼苗地上部分Zn、Cu積累量有下降的趨勢。

表 2 施硅處理對水稻幼苗Zn、Cu積累量的影響1)Table 2 Effects of silicon application on Zn, Cu accumulation amounts of rice seedling

2.5 不同硅肥水平下水稻幼苗根部Zn、Cu凈吸收量和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)

由表 3 可知，硅肥 90 mg·L?1SiO2處理的水稻幼苗根部Zn凈吸收量和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)顯著高于CK和 120、150 mg·L?1SiO2處理 (P<0.05)。不同處理間水稻幼苗根部Cu凈吸收量無顯著性差異，60和90 mg·L?1SiO2處理水稻幼苗 Cu 轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)較高(P<0.05)。

表 3 施硅處理對水稻根部Zn、Cu凈吸收量和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的影響1)Table 3 Effects of silicon application on Zn and Cu net uptake amounts and transport coefficient of rice root

3 討論與結(jié)論

3.1 施硅對水稻農(nóng)藝性狀的影響

不少研究已經(jīng)證實(shí)Si在增強(qiáng)水稻抗倒伏性、提升水稻產(chǎn)量和品質(zhì)方面的作用[17-19]。我國安徽、河南、浙江、湖北等省施用Si肥后，水稻的增產(chǎn)幅度可以達(dá)到10%～20%。適宜濃度的Si可以增進(jìn)雜交水稻葉片葉綠素和類胡蘿卜素的含量，提高葉片的光合速率，增強(qiáng)根系的活力及根氧化力，改善水稻的農(nóng)藝性狀[20-21]。本研究結(jié)果證明，施用Si肥后，水稻的葉片數(shù)和根長均有不同程度的增加，分別最高增加31.39%和38.81%。但Si肥在水稻株高方面的增進(jìn)作用并不顯著，說明施Si不會(huì)引起水稻幼苗的徒長，有利于培育出粗壯、葉寬的幼苗。生長指標(biāo)的變化帶動(dòng)了水稻生物量的變化，在施用Si肥后，水稻地上部和根部生物量(鮮質(zhì)量)分別增加5.44%～52.81%和4.83%～42.49%。隨著Si肥施用量的增加，水稻的生長指標(biāo)和生物量均表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢，各處理中以 90 mg·L?1SiO2處理表現(xiàn)為最佳，證實(shí)了適度增施Si肥在水稻生長發(fā)育及生物量形成中的促進(jìn)作用，施用過量反而不利于水稻的生長。魏賓紜等[22]和曹庭悅等[23]研究發(fā)現(xiàn)，葉面施Si后水稻糙米生物量最高增加近30%。李清芳等[24]則發(fā)現(xiàn) Si在一定濃度范圍內(nèi) (0～2.5 mmol·L?1)可促進(jìn)小麥幼苗生長，而高濃度 (3.5 mmol·L?1)則對小麥幼苗產(chǎn)生危害，均和本研究結(jié)果相似。

3.2 施硅和水稻吸收Zn、Cu之間的關(guān)系分析

我國土壤平均 Zn 含量 (w)為100 μg·g?1，隨著復(fù)種指數(shù)的提高以及氮、磷、鉀肥用量的增加，耕地缺Zn現(xiàn)象日益明顯[25]，全球約50%的谷物產(chǎn)區(qū)出現(xiàn)土壤有效Zn缺乏現(xiàn)象[26]。作為植物生長必需的微量營養(yǎng)元素，Zn、Cu含量的高低不僅關(guān)系著水稻的生長發(fā)育，也影響著其可食部分的營養(yǎng)價(jià)值[4-6]，微量營養(yǎng)元素缺乏成為目前谷類最常見的礦質(zhì)成分障礙之一[27-28]。本試驗(yàn)采用水培方式進(jìn)行，與土培試驗(yàn)相比，不存在Zn、Cu在土壤中的固定作用，也避免了Si、Zn、Cu之間交互作用的干擾，試驗(yàn)結(jié)果可以比較準(zhǔn)確地反映不同濃度Si對水稻吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)Zn、Cu的影響[29]。從結(jié)果看，水稻幼苗根部Zn含量隨著營養(yǎng)液中Si濃度的增加而增加，可解釋為施用Si肥有利于提高水稻根系的活力，同時(shí)增強(qiáng)其對Ca、K、P等營養(yǎng)元素的吸收，進(jìn)而促進(jìn)了水稻的生長發(fā)育，增加其對營養(yǎng)元素Zn、Cu的吸收和利用。但是在營養(yǎng)液中Si濃度太高的情況下，水稻的Zn、Cu含量下降，分析其原因是高濃度Si通過增加水稻地上部生物量稀釋了水稻中Zn、Cu的含量，致使水稻幼苗地上部Zn含量隨Si濃度的增加而先增加后降低。因此，本研究結(jié)果僅適用于水稻正常Zn、Cu含量范圍內(nèi)的生長狀況。Zn、Cu是植物生長的微量營養(yǎng)元素，同時(shí)也是重金屬元素，濃度太高的情況下會(huì)對作物生長產(chǎn)生副作用。高濃度Zn、Cu情況下，Si與Zn形成Si-Zn復(fù)合物的沉淀阻止Zn2+進(jìn)入細(xì)胞膜，同時(shí)提高水稻抗氧化系統(tǒng)的活性，抑制Zn從根系向地上部的運(yùn)輸，顯著降低植株中Zn的含量[30-32]。Si也通過促進(jìn)Cu在水稻根部的積累或者減少土壤有效態(tài)Cu的含量，減少其在地上部的積累，這些均與本結(jié)果相反[33-34]。對此Mehrabanjoubani等[35]曾經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，在低濃度Zn情況下，Si有利于水稻地上部和根部對Zn的吸收，然而高濃度情況下，抑制了水稻地上部和根部對Zn的吸收。

植物體內(nèi)微量元素含量主要受生態(tài)環(huán)境和遺傳因素的影響，其中生態(tài)環(huán)境的影響大于遺傳因素。Zn和Cu相比較，Cu含量受環(huán)境條件影響更大[36]。水稻幼苗時(shí)期，不同處理中Zn、Cu在水稻不同器官中的含量為根>莖葉，這表明水稻從土壤中吸收的Zn、Cu大部分停留在根部，少量向地上部分遷移。根部Zn、Cu凈吸收量反映了水稻幼苗根系對Zn、Cu的吸收能力，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)反映了Zn、Cu在水稻幼苗中由根部向地上部遷移的難易程度。本試驗(yàn)中，在介質(zhì)Zn、Cu含量正常范圍內(nèi)施用Si肥后，根部Zn凈吸收量提高了5.79%～77.43%，Cu凈吸收量提高了6.51%～44.96%，同時(shí)Zn、Cu轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)也有不同程度的提高，60 和 90 mg·L?1SiO2處理的 Zn 轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)較對照分別提高10.91%和38.18%；60和90 mg·L?1SiO2處理的 Cu 轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)較對照分別提高8.70%和26.09%。由此可見，Si肥增加了水稻根系對Zn和Cu的吸收，同時(shí)促進(jìn)了Zn和Cu由根部向水稻地上部的遷移和運(yùn)輸，進(jìn)而增加了水稻地上部的Zn、Cu含量，滿足作物對Zn、Cu的需求。與60 和 90 mg·L?1SiO2處理相比，120 和 150 mg·L?1SiO2處理水稻幼苗地上部分Zn、Cu積累量出現(xiàn)下降，分析原因：一是水稻生長受到抑制，導(dǎo)致生物量下降，進(jìn)而影響了地上部Zn、Cu的積累；另外一個(gè)原因是水稻對Zn、Cu的吸收基本達(dá)到飽和。

從本研究結(jié)果看，90 mg·L?1SiO2處理是有利于水稻生長發(fā)育并促進(jìn)微量營養(yǎng)元素Zn、Cu吸收的最佳Si肥水平。而我國稻田生態(tài)系統(tǒng)中，很多地區(qū)土壤Si含量(以SiO2計(jì))低于此水平，因此，在我國稻田增施Si肥可以改善水稻成長指標(biāo)和生物量，促進(jìn)水稻對微量營養(yǎng)元素的吸收，為后期的水稻產(chǎn)量提高打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3.3 結(jié)論

不同Si濃度下，水稻幼苗生長狀況具有明顯的差異性，水稻幼苗葉片數(shù)、株高、根長以及地上部分鮮質(zhì)量均在 90 mg·L?1SiO2處理達(dá)到最大值。Si肥的施用增加了水稻根系對Zn、Cu的吸收，同時(shí)促進(jìn)了Zn、Cu由根部向水稻地上部的遷移和運(yùn)輸，進(jìn)而增加了水稻幼苗地上部分和根部的Zn、Cu含量和積累量，水稻幼苗地上部Zn、Cu含量在60、90 mg·L?1SiO2處理達(dá)到最高值，且位于作物生長的正常濃度范圍內(nèi)。綜合考慮水稻生長指標(biāo)、生物量和對 Zn、Cu 的吸收等因素，90 mg·L?1SiO2處理的用量可作為常規(guī)稻田的硅肥用量，將有利于稻田生態(tài)系統(tǒng)微量營養(yǎng)元素Zn、Cu的吸收。