劉小琴

(慶元縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，浙江 麗水 323800)

土壤是植物生長必要的物質(zhì)基礎(chǔ)。然而，隨著城市工業(yè)化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的持續(xù)發(fā)展，大量的有毒重金屬排放到環(huán)境中造成不同程度的土壤污染[1-2]。根據(jù)2020年生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《2019年全國生態(tài)環(huán)境質(zhì)量簡況》顯示，當(dāng)前影響農(nóng)用地土壤環(huán)境質(zhì)量的主要污染物是重金屬，其中鎘(Cd)為首要污染物[3-4]。Cd是生物毒性最強(qiáng)的重金屬元素，具有化學(xué)活性強(qiáng)、移動性大和毒性持久的特點(diǎn)[5]。農(nóng)田土壤Cd污染會導(dǎo)致農(nóng)作物積累過多的Cd，進(jìn)而影響植物細(xì)胞分裂、生長等多種代謝活動，最終導(dǎo)致農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)下降[6]。在人體中，Cd能夠影響細(xì)胞增殖和分化，導(dǎo)致染色體畸變、皮膚癌、周圍神經(jīng)病變和周圍動脈疾病等[7]。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，我國受Cd污染的土壤面積達(dá)130萬hm2，占總耕地面積的1/6[8]，隨著工業(yè)和農(nóng)業(yè)的發(fā)展，受Cd污染的土壤面積還在不斷增加。水稻作為我國重要的糧食作物之一，據(jù)2019年國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，我國水稻種植面積為3 969萬hm2，占糧食作物播種總面積的25.58%[9]，其總產(chǎn)量為20 961萬t。水稻是一種易吸收Cd的作物，即使在Cd濃度很低的土壤中稻米也會積累Cd[10]，加之Cd具有難降解、易遷移等特點(diǎn)，因此，土壤Cd污染嚴(yán)重影響我國糧食生產(chǎn)安全[11]。2013年5月湖南鎘大米事件報(bào)道后，人們越來越關(guān)注水稻中Cd含量超標(biāo)的問題[12]。

當(dāng)前常用的阻控水稻Cd積累的技術(shù)主要有農(nóng)藝調(diào)控措施、施用土壤調(diào)理劑、葉面阻控劑以及種植結(jié)構(gòu)調(diào)整等[13]。大多數(shù)的葉面阻控技術(shù)因其能提高作物抗逆性、抑制重金屬向作物可食用部位轉(zhuǎn)運(yùn)，被廣泛應(yīng)用于鎘、鉛等污染稻田[14]。此外，相較于施用土壤調(diào)理劑等措施，葉面阻控技術(shù)不易造成土壤二次污染[15]。為了篩選到修復(fù)效果最佳的葉面阻控劑，許多學(xué)者已進(jìn)行了大量的研究。水稻是典型的喜硅作物，葉面噴施硅肥能夠顯著促進(jìn)水稻的生長發(fā)育、改善稻谷品質(zhì)和增強(qiáng)水稻對Cd的抗性[16]。李建國等[17]研究表明，在水稻分蘗盛期和育穗期進(jìn)行葉面噴施硅肥可以使其有效穗增加36萬穗·hm-2，稻米中Cd含量分別下降21.4%、16.3%。賀前鋒等[18]的大田試驗(yàn)研究了葉面噴施硒肥對水稻植株不同部位Cd含量的影響，發(fā)現(xiàn)與對照相比，水稻根、莖和籽粒中Cd含量分別下降0.65～1.00 mg·kg-1、0.35～2.09 mg·kg-1和0.07～0.16 mg·kg-1。因此，葉面噴施硅肥和硒肥均能有效降低水稻鎘吸收積累量。

為進(jìn)一步探究不同葉面阻控劑對水稻Cd積累量的影響。本試驗(yàn)通過在水稻葉面噴施硅肥、黃腐酸鉀、硒肥和海中鈣來研究對水稻各個組織中Cd含量的影響，并計(jì)算Cd在水稻中的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)和富集系數(shù)。篩選出對水稻Cd污染修復(fù)高效可廣泛推廣的葉面阻控材料。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試水稻為甬優(yōu)1540。供試硅肥為正大水溶硅肥，登記證號農(nóng)肥準(zhǔn)字2002，標(biāo)準(zhǔn)證號NY 1428—2010；供試黃腐酸鉀為綠隴礦源黃腐酸鉀，標(biāo)準(zhǔn)證號HG/T 5334—2018；供試硒肥為綠隴水溶硒肥，標(biāo)準(zhǔn)證號NY 1428—2010；供試海中鈣為含氨基酸水溶肥料(鈣≥30 g·L-1，氨基酸≥100 g·L-1)，標(biāo)準(zhǔn)證號NY 1429—2010。

1.2 處理設(shè)計(jì)

試驗(yàn)區(qū)域位于浙江省某農(nóng)田土壤重金屬污染修復(fù)試點(diǎn)，土壤全Cd含量1.03 mg·kg-1。試驗(yàn)共設(shè)置5個處理，不施葉面阻控劑的對照處理、硅肥處理、黃腐酸鉀處理、硒肥處理和海中鈣處理，每個處理3個重復(fù)，隨機(jī)分布，共15個小區(qū)(每個小區(qū)面積20 m2)，每個小區(qū)之間修筑田埂并覆膜進(jìn)行隔開。具體試驗(yàn)方案：對照，不噴施阻控劑，與當(dāng)?shù)匾恢碌某Ｒ?guī)施肥；硅肥，1 500 g·hm-2，其他措施同對照；黃腐酸鉀，300 g·hm-2，其他措施同對照；硒肥，1 500 mL·hm-2，其他措施同對照；海中鈣，1 500 mL·hm-2，其他措施同對照。于2020年5月3日移栽秧苗，栽種規(guī)格為每個小區(qū)13行，每行25窩，行距30.5 cm，窩距20 cm。分別在水稻抽穗期與灌漿初期采用小型噴霧器進(jìn)行噴施，噴液量以作物葉片正背面沾滿霧滴為宜，所有處理田間管理方法與當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)種植保持一致。

1.3 樣品采集與分析

水稻植株樣品于收獲前1～3 d進(jìn)行采集，采取五點(diǎn)混合法進(jìn)行布點(diǎn)采樣。將水稻整個植株用去離子水清洗干凈，之后用吸水紙吸干樣品表面水分，將植株分成根、莖、葉、穗(籽粒)4個部分。于烘箱中105 ℃殺青30 min，70 ℃烘至恒重，然后將籽粒用出糙機(jī)(OHYA-25，日本)脫殼獲得糙米，所有樣品經(jīng)高速粉碎機(jī)粉碎后過100目(0.149 mm)篩，裝入自封袋中備用。

Cd含量測定：按農(nóng)業(yè)部頒布標(biāo)準(zhǔn)《米質(zhì)測定方法》(NY 147—1988)，稱取0.200 0 g樣品于50 mL錐形瓶中，加入HNO3-HClO4(V∶V=4∶1)消解后用石墨爐原子吸收儀測定Cd含量，同時(shí)用植物國家標(biāo)準(zhǔn)參比物質(zhì)[灌木枝葉GBW07603(GSV-2)]和空白樣進(jìn)行質(zhì)量控制。

1.4 數(shù)據(jù)處理分析

富集系數(shù)(BCF)=植株各組織Cd含量/土壤全Cd含量。

轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(TF)=兩個植物轉(zhuǎn)運(yùn)組織(或土壤)中后者Cd含量/前者Cd含量。

本研究利用Microsoft Excel 2010進(jìn)行均值、標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算和作圖，利用SPSS(statistical product and service solutions，22.0)的ANOVA模塊(LSD法，P<0.05)進(jìn)行方差分析和顯著性檢驗(yàn)，并用Origin 2017軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同葉面阻控劑噴施對水稻各組織Cd含量的影響

與對照組相比，在水稻葉面噴施4種葉面阻控劑后水稻根、莖、葉、籽粒中的Cd含量均明顯下降(圖1)，說明4種葉面阻控劑均能降低水稻中的Cd含量。由于水稻根系直接接觸土壤，根部是水稻Cd吸收和積累的主要場所[19]。在本試驗(yàn)5個處理中海中鈣對根部Cd含量的降低效果最為明顯，與對照相比降低了0.961 mg·kg-1。海中鈣的主要成分為蝦蟹殼以及多種氨基酸組成，富含鈣、鎂、硅、鐵、鋅、銅、錳、硒等元素，而鐵、鋅等元素在水稻吸收Cd時(shí)能與其產(chǎn)生拮抗作用[20]，從而阻控水稻根系對Cd的吸收和積累[21]。

柱上無相同英文字母表示不同處理間植物Cd含量的差異達(dá)顯著性水平(P<0.05)。

莖起著連通植物地上部與地下部的重要作用，向上運(yùn)輸根部所吸收和積累的物質(zhì)，向下運(yùn)送葉片光合作用所形成的產(chǎn)物。在水稻葉面噴施4種阻控劑后，水稻莖中的Cd含量降低效果最為明顯，依次為黃腐酸鉀>硅肥>海中鈣>硒肥。與對照相比，葉面噴施黃腐酸鉀后水稻莖中Cd含量降低了0.796 mg·kg-1，這在以往的研究中未見報(bào)道。黃腐酸鉀是一種純天然礦物質(zhì)肥料，其對水稻莖Cd含量的影響可能是由于黃腐酸鉀的絡(luò)合能力強(qiáng)，能夠提高植物體內(nèi)微量元素的吸收與運(yùn)轉(zhuǎn)[22]。

葉片是水稻在生長過程中進(jìn)行光合作用和蒸騰作用的主要組織，同時(shí)也是籽粒營養(yǎng)的主要輸送來源，其與水稻籽粒中Cd含量有著密切的關(guān)系[23]。本試驗(yàn)中水稻葉片中的Cd含量變化范圍為0.141～0.415 mg·kg-1，與對照組相比，4個處理均能顯著降低水稻葉片中Cd含量。其中黃腐酸鉀處理的降低效果最好。

在水稻葉面噴施4種阻控劑后，與對照組相比，黃腐酸鉀和硒肥處理顯著降低了水稻籽粒的Cd含量，修復(fù)效果最好。籽粒是水稻中人類可食用的部分，因此，籽粒中的重金屬含量直接影響人體健康。陳麗芬等[24]在水稻葉面噴施黃腐酸鉀后，發(fā)現(xiàn)水稻籽粒Cd含量顯著上升，與本試驗(yàn)中噴施黃腐酸鉀降低水稻籽粒Cd含量的結(jié)果不一致，這可能是由于黃腐酸鉀的施用量以及施用時(shí)間不同。硒之所以能夠降低水稻中重金屬含量可能是因?yàn)槠渑c土壤中的Cd相結(jié)合形成難溶的CdSeO3，從而使Cd難以被植物所吸收。此外，硒能使細(xì)胞點(diǎn)位上的重金屬發(fā)生移動或改變細(xì)胞膜對Cd的通透性，進(jìn)而抑制Cd在水稻體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)[25]。

2.2 不同阻控劑對水稻各組織中Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的影響

不同處理下Cd在水稻中轉(zhuǎn)移的普遍規(guī)律為TF莖-葉>TF葉-籽粒>TF根-莖，其中根-莖轉(zhuǎn)移系數(shù)范圍為0.032～0.443，說明水稻地下部向地上部輸送Cd的能力非常弱；莖-葉轉(zhuǎn)移系數(shù)為0.501～4.359，說明Cd極易積累在水稻葉部(表1)。有研究表明，水稻中的Cd主要積累在根部和葉部[26]，其中在某些特定情況下葉部的Cd含量顯著大于根部[27]。葉-籽粒轉(zhuǎn)移系數(shù)范圍為0.309～0.838，Cd在葉-籽粒中的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)越小表明積累在葉部的Cd僅有少量運(yùn)輸?shù)剿咀蚜Ｖ?。葉面噴施黃腐酸鉀后根-莖的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)最小，說明黃腐酸鉀能夠抑制根部吸收和積累的Cd向莖的轉(zhuǎn)運(yùn)。而黃腐酸鉀處理下的莖-葉轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)高達(dá)4.359，表明莖中大量的Cd轉(zhuǎn)向葉，這可能與黃腐酸鉀增強(qiáng)葉片新陳代謝和光合作用進(jìn)而影響無機(jī)元素運(yùn)輸有關(guān)[28]。葉面噴硒后Cd在葉-籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)最小，這主要是由于硒參與水稻能量代謝和蛋白質(zhì)代謝活動，同時(shí)能與其他元素發(fā)生相互作用，從而抑制水稻葉部累積的Cd向籽粒遷移[29]，這與黃青青等[30]的研究一致。

表1 水稻中各組織Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)

2.3 不同阻控劑對水稻各組織Cd富集系數(shù)的影響

Cd在水稻中的積累呈根>莖>葉>籽粒的規(guī)律，與對照相比4種葉面阻控劑均能降低水稻各組織中Cd的富集系數(shù)(表2)。水稻根部Cd富集系數(shù)為0.891～1.834，其中海中鈣處理降低水稻根部Cd積累作用最為顯著，這與宋安軍等[31]研究一致。海中鈣是利用氨基酸螯合微量元素所制備成的水溶性肥料，葉面噴施后氨基酸能夠與土壤中的重金屬發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，從而減少Cd在水稻根部的富集。水稻莖部和葉部Cd富集系數(shù)分別為0.032～0.812、0.138～0.407，與其他處理相比，葉面噴施黃腐酸鉀后莖部和葉部Cd的富集系數(shù)均顯著下降，表明黃腐酸鉀通過抑制Cd在水稻莖部和葉部含量來降低水稻鎘積累量。葉面噴施硒肥后水稻籽粒中Cd的富集系數(shù)下降最為明顯，Se和Cd都能與蛋白質(zhì)中半胱氨酸的巰基結(jié)合，外源供硒可使水稻體內(nèi)谷胱甘肽過氧化物酶底物中的谷胱甘肽含量增加，從而減少水稻對Cd的吸收[32]，這與Hu等[33]的研究結(jié)果相一致。

表2 水稻中各組織Cd富集系數(shù)

3 小結(jié)

4種葉面阻控劑均能有效降低水稻各組織中的Cd含量，其中黃腐酸鉀處理對植株莖、葉中Cd的阻控效果最好。硒肥處理對水稻籽粒中Cd的阻控效果最好，與對照相比Cd含量下降。

Cd在水稻各組織中的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)為0.032～4.359，其中黃腐酸鉀處理中根-莖Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)最小莖-葉Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)最大，說明黃腐酸鉀在抑制Cd從根部向莖轉(zhuǎn)運(yùn)的同時(shí)，促進(jìn)了其從莖向葉部的轉(zhuǎn)運(yùn)。葉面噴施硒肥后葉-籽粒Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)最低，說明硒肥對水稻籽粒中Cd的影響主要是抑制Cd從葉部向籽粒中的運(yùn)輸。

Cd在水稻各組織中的富集呈現(xiàn)出根>莖>葉>籽粒的規(guī)律，其中黃腐酸鉀處理對水稻莖、葉的Cd富集系數(shù)降低效果最為明顯，葉面噴施硒肥對籽粒中Cd的富集系數(shù)降低效果最好。