劉 力，張傳華*，鄧 煒,2，馮 麗，何于峰

1. 重慶理工大學(xué)管理學(xué)院，重慶 400054

2. 重慶鐵路投資集團(tuán)有限公司，重慶 400025

3. 重慶阜晟信息技術(shù)有限公司，重慶 400054

土壤是農(nóng)作物生長的載體和母體，只有土壤干凈，才能生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的農(nóng)產(chǎn)品[1-2]. 2005 年4 月—2013 年12 月，我國開展了首次全國土壤污染狀況調(diào)查，結(jié)果表明，全國土壤環(huán)境狀況總體不容樂觀，從空間分布上來看，南方土壤污染狀況較北方更為顯著，重慶等西南地區(qū)由于工礦企業(yè)、農(nóng)業(yè)活動和地質(zhì)背景等多種因素影響，是我國土壤污染較顯著的地區(qū)之一[3-5].水稻是重慶市的主要糧食作物，約占耕地總面積的30%左右. 余鴻燕等[6]對重慶稻田土壤重金屬元素的含量及風(fēng)險特征進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，重慶市稻田土壤的主要超標(biāo)因子為Cd，占比為19.57%，以輕微和輕度超標(biāo)為主. 蒲剛等[7-8]研究發(fā)現(xiàn)，重慶部分地區(qū)受地質(zhì)背景影響，土壤重金屬超標(biāo)問題顯著，以Cd 和As 為主要污染因子，其中Cd 超過農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險篩選值的比例超過54.4%. 當(dāng)農(nóng)田土壤存在重金屬污染時，對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全、農(nóng)作物生長均會造成風(fēng)險，而采取相應(yīng)的安全利用措施是保障輕微和輕度土壤重金屬超標(biāo)區(qū)農(nóng)產(chǎn)品安全的重要舉措[9].

農(nóng)用地安全利用是指通過源頭控制、農(nóng)藝調(diào)控、土壤改良、植物修復(fù)等措施，減少耕地土壤中污染物的輸入或降低其活性，從而降低農(nóng)產(chǎn)品污染物超標(biāo)風(fēng)險[10]，其中葉面阻控技術(shù)由于成本較低、農(nóng)產(chǎn)品降Cd 效果明顯、操作簡單易于推廣等特點，成為目前應(yīng)用最廣泛的農(nóng)用地安全利用技術(shù)之一[11]. 葉面阻隔技術(shù)是指通過葉面噴施Si、Se、Zn 等有益元素，提高作物抗逆性，抑制作物根系向可食用部分轉(zhuǎn)運(yùn)重金屬，降低可食部位重金屬含量，主要選用可溶性Si、可溶性Zn、可溶性Se 等原料[12-14]. 水稻為喜Si 植物，因此，用于水稻的葉面阻隔劑以富Si 型為主[15]. 目前，關(guān)于葉面阻控技術(shù)的研究主要集中在效果驗證和機(jī)理研究[16-19]. 例如，梁曉宇等[20]研究發(fā)現(xiàn)，水稻葉面噴施富Si 溶液，可顯著降低水稻籽實Cd 含量；Gao 等[21]研究表明，水稻葉面施Si 可改善植物光合過程來促進(jìn)作物生長，并抑制Cd 從莖葉向籽實轉(zhuǎn)運(yùn)；Liu 等[22]研究表明，水稻葉面施Si 后，Si 元素會與植物內(nèi)部Cd 等重金屬發(fā)生反應(yīng)，形成螯合物，從而減少Cd 等重金屬在植物體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn). 但如何開展田間應(yīng)用，尤其關(guān)于葉面阻隔劑噴施時間節(jié)點的相關(guān)研究較少，章明奎等[23]研究發(fā)現(xiàn)，氣候條件和土壤類型等條件差異可能會影響安全利用技術(shù)的作用效果. 因此，開展不同土壤類型區(qū)水稻葉面阻隔劑噴施時間節(jié)點研究是十分必要的. 紫色土和黃壤是重慶市主要的耕地土壤類型，本研究擬選擇主要糧食產(chǎn)地合川區(qū)(紫色土區(qū))和黔江區(qū)(黃壤區(qū))為試驗區(qū)開展田間試驗，研究不同生育期噴施葉面阻隔劑對水稻Cd 含量的影響，旨在得出重慶市主要土壤類型區(qū)水稻葉面阻隔劑噴施的最佳時期，以期為重慶市農(nóng)用地安全利用技術(shù)的推廣應(yīng)用提供技術(shù)支撐.

1 材料與方法

1.1 供試水稻

本研究供試水稻品種為“恒豐優(yōu)珍絲苗”，育種單位為廣東粵良種業(yè)有限公司和重慶大愛種業(yè)有限公司. 該品種屬中秈遲熟三系雜交水稻，全生育期142～169 d，平均150.8 d. 稻瘟病綜合抗性指數(shù)3.25，抗性病級3 級，抗性評價中米質(zhì)達(dá)到國家《優(yōu)質(zhì)稻谷》標(biāo)準(zhǔn)3 級. 采用小拱地膜保溫濕潤育秧，待水稻苗生長至5 片葉時進(jìn)行人工移栽，按照行距33.3 cm、窩距20 cm 密度進(jìn)行移栽，每窩栽兩粒谷苗.

1.2 供試土壤

試驗工作分別在合川區(qū)(紫色土區(qū))和黔江區(qū)(黃壤區(qū))開展，試驗田中心坐標(biāo)分別為106.34019°E、30.05413°N 和108.61981°E、29.68145°N，試驗時間為2022 年3—9 月. 試驗工作開展前，采用五點采樣法采集子樣點后均勻混合，四分法取樣約1 kg. 土壤樣品自然風(fēng)干，采用坩堝研磨，過2 mm (10 目)尼龍篩. 土壤理化性質(zhì)見表1，土壤粒徑組成見表2. 土壤中Cd 含量先用HCl-HNO3-HF-HClO4溶樣，再采用等離子質(zhì)譜法〔ICP-MS，Agilent 7900 型，安捷倫科技(中國)有限公司〕測定；土壤pH 測定采用蒸餾水浸提，pH 計(VSTAR40B2 型，北京東方信捷科技有限公司)測定；總鉀(TK)、總磷(TP)和全鐵(TFe2O3)含量采用粉末壓片法，X 熒光光譜儀〔XRF，EDX-720 型，島津(上海) 實驗器材有限公司〕測定；總氮(TN)含量采用H2SO4溶解，凱氏氮蒸餾酸堿滴定(VOL)測定；總有機(jī)碳(TOC)含量采用重鉻酸鉀氧化，硫酸亞鐵銨容量法(VOL)測定. 土壤pH 測定供試樣品粒徑為2 mm (10 目)，土壤總氮(TN)和總有機(jī)碳(TOC)測定供試樣品粒徑為0.25 mm (60 目)，其余指標(biāo)測定供試樣品粒徑均為0.074 mm (200 目)[24]. 測試樣品和國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GSS-7、GSS-8、GSS-9 的處理同步進(jìn)行，以確保測定的準(zhǔn)確度.

表2 試驗田土壤粒徑組成Table 2 Particle size composition of soil in experimental field

1.3 試驗設(shè)計及田間管理

為保障試驗的田塊土壤重金屬含量、肥力水平等條件均一，在試驗開始前采用灌水(淹水3～5 cm)結(jié)合多次旋耕(2～3 次)的方式，盡可能消除試驗田塊內(nèi)部(特別是進(jìn)水口與附近)土壤條件的差異，并保證田面平整(高差盡可能不超過3 cm)，防止水分條件差異過大. 通過拉繩方式確定第1 條直線邊界，應(yīng)用“勾股”畫出直角后確定第2、3、4 條邊界，確保試驗區(qū)域方正，并在周邊區(qū)域留足保護(hù)行(>100 cm). 各試驗小區(qū)面積為4 m×5 m，小區(qū)之間不設(shè)田埂和排水溝，留工作道60 cm，每個處理組設(shè)置5 組重復(fù)處理，采取完全隨機(jī)區(qū)組排列. 小區(qū)劃定之后，采取拉秧繩的方式劃定秧苗移栽點位(等間距). 試驗處理組分為“僅分蘗期噴施葉面阻隔劑”(T1 處理組)、“僅抽穗期噴施葉面阻隔劑”(T2 處理組)、“分蘗期和抽穗期均噴施葉面阻隔劑”(T3 處理組)，每個處理組設(shè)置3 組重復(fù)處理. 試驗田具體情況如圖1 所示.

圖1 試驗田示意Fig.1 Schematic diagram of the experimental field

施肥按當(dāng)?shù)卮竺娣e生產(chǎn)確定用肥量，選用水稻專用復(fù)合肥，按底肥70%、追肥30%分兩次施用. 在耙田時施底肥，移栽后15 d 左右施追肥. 采用淺水栽(1 cm 左右)秧，深水(3 cm 左右)返青，薄水(1～2 cm)分蘗. 每窩分蘗達(dá)到15 苗后，灌5 cm 左右的深水控苗. 孕穗至灌漿期可保持干濕交替灌溉，齊穗后15 d排水. 按照對比試驗設(shè)計，使用環(huán)保橋(湖南)生態(tài)股份有限公司生產(chǎn)的“楚戈”葉面阻隔劑，用量按7500 mL/hm2計，產(chǎn)品主要成分指標(biāo)為Si 含量≥100 g/L，Na 含量≤90 g/L，水不溶物含量≤8 g/L，pH 為9.5～11.5. 選擇在16:00 左右將葉面阻控劑原液需兌水稀釋100 倍后，通過人工噴施的方式施用于水稻葉面.

1.4 樣品采集與測試

試驗結(jié)束后，按照“梅花式”取5 個樣混合(見圖1)，四分法取鮮土1 kg 左右，分別用干凈塑料袋密封. 在90%谷粒成熟時，與土壤同點位采集水稻根、莖葉和籽實樣品，每份樣品約0.5 kg. 用自來水小心洗凈根系泥土，后用超純水清洗整個植株，用吸水紙吸干表面水分，將根、莖、葉和水稻籽粒分離，分別稱鮮質(zhì)量后，樣品在105 ℃殺青30 min，75 ℃烘至恒質(zhì)量，保存各部分樣品待測.

土壤樣品測定重金屬Cd 含量和pH，測試及質(zhì)控方法同1.2 節(jié). 水稻根系、莖葉和籽實測定Cd 含量采用微波消解法提取，等離子質(zhì)譜法(ICP-MS)測定[25].

1.5 數(shù)據(jù)處理方法

Cd 從土壤到水稻根系—莖葉—籽粒中的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(TF)計算公式[26]：

式中：Cx代表水稻根系、莖葉和籽實中Cd 的含量，mg/kg；Cy代表土壤、水稻根系和莖葉中Cd 的含量，mg/kg.

水稻籽實對Cd 的富集系數(shù)用K表示，計算公式[27]：

式中：Cr表示水稻籽實中Cd 的含量，mg/kg；Cs表示對應(yīng)的土壤中Cd 的含量，mg/kg.

試驗數(shù)據(jù)整理利用Excel 2010 軟件，圖件繪制利用Excel 2010、CorelDRAW 18 及ArcGIS 10.2 軟件.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理土壤Cd 含量

不同處理組土壤Cd 的平均含量如圖2 所示. 由圖2 可見：紫色土區(qū)，CK、T1 處理組、T2 處理組和T3 處理組土壤Cd 的平均含量分別為0.36、0.35、0.36 和0.34 mg/kg，對應(yīng)土壤pH 的中位值分別為5.4、5.5、5.5 和5.6；黃壤區(qū)，CK、T1 處理組、T2 處理組和T3 處理組土壤Cd 的平均含量分別為0.55、0.55、0.54 和0.54 mg/kg，對應(yīng)土壤pH 的中位值分別為6.29、6.31、6.35 和6.30. 各處理組土壤Cd 含量均超過《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB 15618—2018)中土壤污染風(fēng)險篩選值(當(dāng)土壤pH≤5.5、5.5＜pH≤6.5、6.5＜pH≤7.5和pH>7.5時，Cd 篩選值分別為0.3、0.4、0.6 和0.8 mg/kg)，且紫色土區(qū)土壤酸化程度強(qiáng)于黃壤區(qū).

圖2 不同處理組土壤Cd 含量Fig.2 Cd content of soil in different treatment groups

2.2 不同處理對水稻Cd 含量的影響

不同處理組水稻籽實Cd 含量統(tǒng)計結(jié)果如圖3所示. 由圖3 可見：紫色土區(qū)水稻籽實Cd 含量的變化范圍為0.151～0.228 mg/kg，水稻籽實Cd 含量呈T1 處理組>CK>T3 處理組>T2 處理組的特征，其中僅T2 處理組籽實Cd 含量(0.151 mg/kg)低于《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》(GB 2762—2022)的安全限值(0.20 mg/kg)[25]. 黃壤區(qū)水稻籽實Cd 含量變化范圍為0.210～0.245 mg/kg，水稻籽實Cd 含量呈CK>T2 處理組>T1 處理組>T3 處理組的特征，各處理組水稻籽實Cd 含量均超過GB 2762—2022 安全限值.

圖3 不同處理組水稻籽實Cd 含量Fig.3 Cd content of rice seeds in different treatment groups

就紫色土區(qū)而言，T2 處理組能保障水稻籽實安全，較CK 能顯著降低水稻籽實Cd 含量. T1 處理組促進(jìn)了水稻籽實對Cd 的積累，這與王世華等[28]及Zhang 等[29]等研究結(jié)果不一致，需進(jìn)一步討論.

黃壤區(qū)T3 處理組水稻籽實Cd 含量最低，這與紫色土區(qū)的結(jié)果存在明顯差異. 黃壤區(qū)噴施葉面阻隔劑后，各處理組水稻籽實Cd 含量均低于CK，但均超過GB 2762—2022 安全限值(0.20 mg/kg)，說明黃壤區(qū)土壤超標(biāo)問題較紫色土區(qū)更為嚴(yán)重，需采用綜合調(diào)控技術(shù)(VIP+n)來提高水稻籽實的安全性[30].

不同處理組水稻根系、莖葉Cd 含量統(tǒng)計結(jié)果如圖4所示. 紫色土區(qū)各處理組水稻根系Cd 含量無顯著差異. 黃壤區(qū)噴施葉面阻隔劑會顯著增加根系Cd 含量，T1 處理組水稻根系Cd 的富集程度高于T2 處理組，T3 處理組水稻根系Cd 含量高達(dá)2.89 mg/kg，是對應(yīng)土壤樣品Cd 含量的5.35 倍. 紫色土和黃壤區(qū)水稻根系Cd 的平均含量分別為1.07 和1.34 mg/kg，分別對應(yīng)土壤Cd 含量的3.12 和3.36 倍. 各處理組水稻莖葉Cd 含量無顯著差異，紫色土區(qū)和黃壤區(qū)各處理組莖葉Cd 含量的平均含量分別為0.79 和0.86 mg/kg，說明水稻根系、莖葉對Cd 的富集能力較強(qiáng)，這與胡瑩等[31]和于灝等[32]的研究結(jié)果一致，建議水稻收割后將水稻根系離田，提高農(nóng)田土壤重金屬的輸出通量.

圖4 不同處理組水稻根系、莖葉Cd 含量Fig.4 Cd content in roots, stems and leaves of rice in different treatment groups

2.3 不同處理組Cd 的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)

由圖5(A)可見，紫色土區(qū)與黃壤區(qū)的TF土壤—根系大小規(guī)律一致，均表現(xiàn)為T3 處理組>T1 處理組>T2處理組>CK 的特征，說明噴施葉面阻隔劑能促進(jìn)水稻根系對土壤Cd 的富集，且分蘗期和抽穗期均噴施葉面阻隔劑(T3 處理組)Cd 的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)高于單次噴施處理組(T2 處理組和T1 處理組). 此外，僅分蘗期噴施葉面阻隔劑(T1 處理組) 的水稻根系對土壤Cd 的吸收程度高于僅抽穗期噴施葉面阻隔劑(T2 處理組).

圖5 各處理組土壤-根系-莖葉-籽實Cd 的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)Fig.5 Transport coefficient of Cd in soil, root, stem, leaf and seed of each treatment group

由圖5(B) 可見：黃壤區(qū)TF根系—莖葉大小依次為CK、T2 處理組、T1 處理組、T3 處理組，與TF土壤—根系規(guī)律相反，表現(xiàn)為水稻根系吸收的Cd 越多，其由根系部向莖葉轉(zhuǎn)運(yùn)的Cd 越少；紫色土區(qū)各處理組TF根系—莖葉的大小依次為T3 處理組、T1 處理組、T2 處理組、CK，與TF土壤—根系表現(xiàn)為相同的規(guī)律.

由圖5(C)可見：紫色土區(qū)各處理組TF莖葉—籽實大小依次為T1 處理組、CK、T3 處理組、T2 處理組，說明僅分蘗期噴施葉面阻隔劑(T1 處理組)促進(jìn)了Cd從莖葉—籽實的轉(zhuǎn)運(yùn)，而僅抽穗期噴施葉面阻隔劑(T2 處理組)能顯著阻隔Cd 從莖葉到籽實的轉(zhuǎn)運(yùn)；黃壤區(qū)TF莖葉—籽實的大小依次為CK、T1 處理組、T2 處理組、T3 處理組，說明噴施葉面阻隔劑后，對水稻籽實的降Cd 均表現(xiàn)為正向作用.

水稻籽實Cd 的富集系數(shù)是各處理組水稻降Cd效率的直接表現(xiàn). 由圖6 可見，紫色土區(qū)和黃壤區(qū)Cd 富集系數(shù)分別為T1 處理組>T3 處理組>CK>T2處理組和CK>T2 處理組>T1 處理組>T3 處理組. 說明紫色土區(qū)僅抽穗期噴施葉面阻隔劑(T2 處理組)的水稻籽實的降Cd 效率最高，且能將水稻籽實Cd 含量降至GB 2762—2022 安全限值(0.20 mg/kg)以下.與CK 相比，T1 處理組、T3 處理組均出現(xiàn)水稻籽實增Cd 效應(yīng). 黃壤區(qū)各處理組均表現(xiàn)為水稻籽實降Cd 效應(yīng)，且T1 處理組水稻籽實降Cd 效果優(yōu)于T2處理組. 此外，雖然黃壤區(qū)土壤Cd 含量水平高于紫色土區(qū)，但紫色土區(qū)水稻籽實對Cd 的富集能力顯著高于黃壤區(qū).

圖6 各處理組水稻籽實Cd 的富集系數(shù)Fig.6 Cd enrichment coefficient of rice seeds in each treatment group

2.4 不同處理組水稻產(chǎn)量與構(gòu)成

由于在采樣過程中可能存在隨機(jī)誤差，因此本研究以試驗田實測產(chǎn)量為準(zhǔn)開展分析. 紫色土區(qū)和黃壤區(qū)不同處理組水稻產(chǎn)量及構(gòu)成如表3 所示. 由表3 可見：紫色土區(qū)不同處理組水稻平均產(chǎn)量的變化范圍為8599.35～9653.25 kg/hm2，噴施葉面阻隔劑的水稻產(chǎn)量顯著高于CK，T1 處理組、T2 處理組、T3 處理組增產(chǎn)率分別為9.90%、9.85%和12.25%，且分蘗期和抽穗期均噴施葉面阻隔劑(T3 處理組) 水稻產(chǎn)量顯著高于單次噴施處理(T1 處理組和T2 處理組)；黃壤區(qū)各處理組水稻平均產(chǎn)量的變化范圍為8847.00～9948.30 kg/hm2，各處理組產(chǎn)量的大小規(guī)律與紫色土區(qū)一致，T1 處理組、T2 處理組和T3 處理組增產(chǎn)率分別為5.06%、5.32%和12.44%. 雖然紫色土區(qū)土壤中養(yǎng)分優(yōu)于黃壤區(qū)(見表1)，但水稻的平均產(chǎn)量略低.

表3 不同處理組水稻產(chǎn)量與構(gòu)成因素Table 3 Rice yield and composition factors in different treatment groups

3 討論

從數(shù)據(jù)分析結(jié)果可得出以下六點規(guī)律：①水稻根系對Cd 具有極強(qiáng)的富集能力；②噴施葉面阻隔劑能促進(jìn)水稻根系對Cd 的富集；③Cd 水稻地下部分向地上部分轉(zhuǎn)移時，黃壤區(qū)水稻根系Cd 含量與TF根系—莖葉成反比，紫色土區(qū)二者成正比，說明存在某種機(jī)制使得黃壤區(qū)水稻根系能將Cd 固定于地下部分，且黃壤區(qū)分蘗期噴施葉面阻隔劑水稻根系對Cd 的固定能力強(qiáng)于抽穗期噴施；④抽穗期噴施葉面阻隔劑能降低Cd 從莖葉向籽實轉(zhuǎn)運(yùn)；⑤紫色土區(qū)水稻籽實對Cd的富集能力顯著高于黃壤區(qū)；⑥噴施葉面阻隔劑能顯著提高水稻產(chǎn)量.

水稻對土壤重金屬的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)順序為土壤—根系—莖—葉—籽實. 土壤溶液中的Cd 離子通過自由擴(kuò)散的方式到根系細(xì)胞壁和細(xì)胞質(zhì)之間后，一部分Cd 沉積在細(xì)胞壁上，另一部分Cd 穿過細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)中，其中少部分Cd 繼續(xù)進(jìn)行跨膜運(yùn)輸，進(jìn)入液泡和其他細(xì)胞器中儲存起來，其余的Cd 向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)[33-34]. 因此，被水稻根系吸收的Cd 僅極少部分向地上部分轉(zhuǎn)運(yùn)，更多的Cd 被固定在根系組織中[35].此外，水稻在淹水條件下，根際土壤中的Fe2+和Mn2+等被水稻根部通氣組織分泌的氧氣氧化，導(dǎo)致鐵錳氧化物在根表沉積而形成紅棕色鐵膜，對土壤中Cd 等重金屬具有較強(qiáng)的吸附能力[36-37]. 因此，水稻根系是土壤Cd 等重金屬富集程度最強(qiáng)的部分.

水稻是喜Si 植物，葉面阻隔劑施主要成分是Si等營養(yǎng)元素，能促進(jìn)水稻生長發(fā)育[38]. 水稻噴施葉面阻隔劑，尤其在關(guān)鍵生長發(fā)育時期，能提高水稻生長速率，進(jìn)而提高水稻根系的泌氧量，促進(jìn)了水稻根際土壤中Fe2+、Mn2+等陽離子轉(zhuǎn)化為鐵膜附著于水稻根系表面，而鐵膜對土壤中Cd 等重金屬有著強(qiáng)烈的吸附作用，導(dǎo)致Cd 在根表不斷積累[39-40].

研究[41-42]發(fā)現(xiàn)，水稻根系形成的根表鐵膜越厚，根部吸附的Cd 含量越多，但是被吸附的Cd 能否進(jìn)入水稻根系內(nèi)部組織，或進(jìn)入水稻根系內(nèi)部組織的量與鐵膜的厚度有關(guān). Wang 等[43]研究表明：當(dāng)鐵膜厚度低于20 mg/kg 時，由于鐵膜的厚度較薄，水稻根系表面吸附的Cd 大量穿透鐵膜進(jìn)入水稻根內(nèi)部組織，提高了水稻根內(nèi)部組織Cd 的含量，進(jìn)而提高了Cd向地上部分的轉(zhuǎn)運(yùn)量；當(dāng)鐵膜厚度大于20 mg/kg 時，雖然水稻根系依然能吸附大量的Cd，但由于鐵膜厚度較大，吸附的Cd 難以穿透鐵膜進(jìn)入水稻根系內(nèi)部，抑制了Cd 從根部向地上部分的轉(zhuǎn)移.

為了充分研究上述規(guī)律，在2 個試驗區(qū)周邊500 m范圍內(nèi)，采用網(wǎng)格化布點的方式，分別補(bǔ)充采集10 套土壤—水稻根系—水稻莖葉—水稻籽實樣品，分析了土壤pH、土壤中全鐵(TFe2O3)、土壤—根系—莖葉—籽實Cd 的含量.

圖7 為土壤鐵含量與土壤—根系—莖葉Cd 轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的相關(guān)性. 由圖7 可見，土壤中全鐵(TFe2O3)含量與TF土壤—根系在紫色土區(qū)和黃壤區(qū)均表現(xiàn)為顯著正相關(guān)，說明土壤中的鐵能促進(jìn)水稻根系對土壤Cd 的吸附. 在紫色土區(qū)，土壤中全鐵(TFe2O3) 含量與TF根系—莖葉成正比，在黃壤區(qū)二者成反比，可能與土壤中全鐵(TFe2O3)含量有關(guān). 黃壤和紫色土是重慶市主要的土壤類型，黃壤腐殖質(zhì)少，土性較黏，因發(fā)育時間較長，淋溶作用強(qiáng)，故鉀、鈉、鈣、鎂積存少，脫硅富鋁鐵程度較高，土壤中鐵含量豐富[44]. 紫色土的成土母質(zhì)主要是白堊系至侏羅系的砂巖、粉砂巖[45-46]，屬于幼年土，風(fēng)化程度不深，處于脫鈣和積鈣階段，土壤的脫硅富鋁鐵程度低，土壤中鐵含量較低[47-48].基于上述分析可知，黃壤區(qū)土壤中鐵含量較高，水稻根系表形成的鐵膜較厚，能提高水稻根系表面對Cd的富集程度，但能阻隔Cd 向水稻根系內(nèi)部組織的轉(zhuǎn)運(yùn)，進(jìn)而減少了Cd 向水稻地上部分的轉(zhuǎn)移. 紫色土區(qū)土壤鐵含量較少，水稻根系表面形成的鐵膜較薄，難以阻隔Cd 向水稻根系內(nèi)部組織的轉(zhuǎn)運(yùn).

圖7 土壤鐵含量與土壤-根系-莖葉Cd 轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的相關(guān)性Fig.7 Correlation between soil iron content and soil-root-stem-leaf Cd transport coefficient

分蘗期是水稻根系發(fā)育最旺盛的時期，泌氧量最高，是水稻根表鐵膜形成的主要時期[49]，這也是黃壤區(qū)僅分蘗期噴施葉面阻隔劑(T1 處理組) 水稻根系對Cd 的富集能力強(qiáng)于僅抽穗期噴施(T2 處理組)的主要原因.

水稻莖葉的Cd 輸出量是決定稻米中Cd 含量的主要因素，抽穗灌漿期是Cd 從莖葉向籽實轉(zhuǎn)運(yùn)的關(guān)鍵時期，在該階段噴施富含Si 等離子通道抑制劑的葉面肥，能影響水稻葉片Cd 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、谷胱甘肽和細(xì)胞壁的代謝，提高葉片對Cd 的固定，而減少葉片—籽實Cd 的轉(zhuǎn)運(yùn)量[50]. 由圖5(c)可知，紫色土區(qū)和黃壤區(qū)T2 處理組和T3 處理組TF莖葉—籽實Cd 的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)顯著低于CK. 因此，水稻抽穗期是葉面阻隔劑噴施的關(guān)鍵時間節(jié)點.

王銳等[51]對重慶市主要農(nóng)耕區(qū)土壤Cd 的生物有效性進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示，土壤pH 能顯著影響水稻籽實對土壤Cd 的富集，酸性條件下土壤中Cd的生物活性更高，易于被農(nóng)產(chǎn)品吸收. 筆者分析了2 個試驗區(qū)周邊500 m 范圍內(nèi)土壤pH 與水稻籽實Cd 富集系數(shù)(K)的相關(guān)性，結(jié)果如圖8 所示. 由圖8 可見，土壤pH 與水稻籽實Cd 的富集系數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān).主要原因為在酸性條件下，土壤溶液中H+含量增加，吸附于土壤膠體表面的Cd2+被置換，以游離態(tài)的形式進(jìn)入土壤溶液中，易于被農(nóng)產(chǎn)品吸收[52-53]. 紫色土和黃壤區(qū)試驗田周邊采集的土壤pH 的變化范圍分別為5.0～5.2、5.9～6.4，紫色土區(qū)酸化程度更高. 因此，雖然紫色土區(qū)土壤Cd 含量低于黃壤區(qū)，但水稻籽實對Cd 的富集程度強(qiáng)于黃壤區(qū)，土壤潛在生態(tài)風(fēng)險更高.

圖8 土壤pH 與水稻籽實Cd 富集系數(shù)的相關(guān)性Fig.8 Correlation between soil pH and Cd enrichment coefficient of rice seeds

研究[54]表明，有效穗數(shù)、千粒重、平均穗粒數(shù)和結(jié)實率是水稻產(chǎn)量組成的主要變量. 陳愛晶等[55]研究表明，在水稻關(guān)鍵生育期葉面噴施中量元素肥料，可促進(jìn)水稻生長，增強(qiáng)水稻光合作用，促進(jìn)水稻吸收養(yǎng)分，提高有效分蘗，增加千粒重和穗粒數(shù)，進(jìn)而提高產(chǎn)量. 郝建勛等[56]研究發(fā)現(xiàn)，在葉面噴施鎂肥的情況下，能顯著提高水稻籽粒中蛋白質(zhì)含量，此外水稻株高、有效分蘗、穗粒質(zhì)量和千粒重等均有所提高，與對照組相比，噴施葉面鎂肥的水稻產(chǎn)量提高了17.8%. 由表2 可見，噴施葉面阻隔劑后，水稻產(chǎn)量的重要組成因素分蘗數(shù)、有效分蘗數(shù)、千粒重和平均穗粒數(shù)均顯著提高，且分蘗期和抽穗期均噴施葉面阻隔劑(T3 處理組) 水稻產(chǎn)量高于單次噴施(T1 處理組和T2 處理組). 紫色土區(qū)水稻的平均產(chǎn)量略低于黃壤區(qū)，主要原因可能與土壤pH 有關(guān). 研究表明，中性土壤環(huán)境更適宜于農(nóng)產(chǎn)品生長[57]，且土壤pH 能顯著影響土壤養(yǎng)分元素的有效性及土壤的保肥能力，進(jìn)而影響農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量[58].

4 結(jié)論

a)紫色土區(qū)各處理組水稻籽實的降Cd 效率表現(xiàn)為T1 處理組>T3 處理組>CK>T2 處理組，僅抽穗期噴施葉面阻隔劑(T2 處理組)的水稻籽實的降Cd效率最高，且能將水稻籽實Cd 含量降至GB 2762—2022 安全限值(0.20 mg/kg)以下. 與CK 相比，僅分蘗期噴施葉面阻隔劑(T1 處理組)、分蘗期和抽穗期均噴施葉面阻隔劑(T3 處理組) 均出現(xiàn)水稻籽實增Cd 效應(yīng).

b)黃壤區(qū)各處理組水稻籽實的降Cd 效率表現(xiàn)為CK>T2 處理組>T1 處理組>T3 處理組，黃壤區(qū)各處理組均表現(xiàn)為水稻籽實降Cd 效應(yīng)，僅分蘗期噴施葉面阻隔劑(T1 處理組)的降Cd 效果優(yōu)于僅抽穗期噴施(T2 處理組)，但各處理組均難以保障水稻籽實安全.

c)土壤鐵含量是影響葉面阻隔劑對水稻籽實降Cd 效果的關(guān)鍵. 黃壤區(qū)土壤鐵含量豐富，水稻根表形成的鐵膜較厚，能阻隔Cd 向水稻根系內(nèi)部組織的轉(zhuǎn)運(yùn)；紫色土區(qū)土壤鐵含量較少，難以阻隔Cd 向水稻根系內(nèi)部組織的轉(zhuǎn)運(yùn). 因此，紫色土區(qū)分蘗期噴施葉面阻隔劑促進(jìn)了水稻籽實對Cd 的富集.

d)水稻根、莖葉對Cd 的富集能力均較強(qiáng). 紫色土區(qū)和黃壤區(qū)水稻根Cd 的平均含量分別為1.07 和1.34 mg/kg，分別為對應(yīng)土壤Cd 含量的3.12 和3.36倍. 不同土壤區(qū)水稻莖葉Cd 的平均含量遠(yuǎn)高于土壤Cd 的平均含量，建議水稻收割后將水稻根系離田，提高農(nóng)田土壤重金屬的輸出通量.

e)噴施葉面阻隔劑能顯著提高水稻分蘗數(shù)、有效分蘗數(shù)、千粒重和平均穗粒數(shù)，進(jìn)而提高水稻產(chǎn)量.與CK 相比，紫色土區(qū)T1 處理組、T2 處理組和T3 處理組分別增產(chǎn)9.90%、9.85% 和12.25%，黃壤區(qū)T1處理組、T2 處理組和T3 處理組分別增產(chǎn)5.06%、5.32%和12.44%. 分蘗期和抽穗期均噴施葉面阻隔劑(T3 處理組) 的水稻產(chǎn)量高于單次噴施葉面阻隔劑(T1 處理組和T2 處理組).