叶面喷施硒硅复合溶胶抑制水稻砷积累效应研究

2014-10-22徐向华刘传平唐新莲雷静顾明华李芳柏

生态环境学报 2014年6期

徐向华，刘传平，唐新莲，雷静，顾明华，李芳柏

1.广西大学农学院，广西南宁 530005；2.广东省生态环境与土壤研究所广东省农业环境综合治理重点实验室，广东广州 510650

砷是一种典型的有毒元素，被公认为是最严重的污染物之一（Smedley和Kinniburgh，2002）。砷及其化合物已经被世界卫生组织（WHO）下属的国际癌症研究所（IARC）等权威机构公认为人类已确定的致癌物（孟紫强，2000）。土壤砷污染会影响农作物正常生长发育，影响农产品的产量和质量，而且砷经由食物链进入人体，会威胁到人类的生存与健康。水稻(Oryza sativaL.)是一种易于吸收积累砷的农作物，也是我国第一大粮食作物，全国60%以上的人口以稻米为主食（Liao等，2005）。因此，研究如何缓解水稻砷吸收，抑制砷通过食物链进入人体有着重要的现实意义。

硅作为植物的有益元素，近年来在抑制植物砷吸收积累方面的作用受到了越来越多的关注。有研究表明，向营养液和土壤中施加硅肥可以显著抑制水稻幼苗对砷的吸收和向地上部转运（Guo等，2005，2007；郭伟等，2006）；Bogdan和 Schenk（2008）研究也发现，随着土壤溶液中硅浓度的上升，水稻茎秆和籽粒中砷浓度逐渐下降，这说明硅可以提高水稻对砷的抗性，抑制水稻对其的吸收积累。然而硅肥的溶解性差，易于被土壤胶体吸附固定，直接施用硅肥往往效率很低（高明等，2003），叶面施肥具有利用效率高、吸收快等特点（张瑞富等，2007），有研究表明，喷施硅溶胶对降低水稻 Cd含量的效应优于土施硅肥（黄崇玲等，2013）。此外还有研究显示，向水稻叶面喷施氧化硅溶胶，可以提高水稻对重金属的抗性，抑制Cd、Pb等重金属向籽粒转运（Liu等，2009；王世华等，2007）。因此，研究叶面施硅对水稻砷吸收的影响，必将为砷污染稻田土壤治理提供新的途径。

硒和砷同在第4周期，且分别位于第6和第5相邻的 2个主族，两者在生物体中可能存在一定的拮抗关系。有研究表明在适宜的浓度下，硒能抵抗镉、铅、汞等重金属对植物的毒害，降低植物对重金属元素的吸收积累（He等，2004；吕选忠等，2006；刘燕等，2010，2008；杜式华和于志杰，1987）。在水稻方面的研究也显示，水稻喷施硒肥不仅能抗病、抗旱、抗寒、解霜冻、解药害等，还能抑制水稻吸收重金属，减轻镉、铬、铅等重金属毒害的作用，且植物茎叶及根系吸收重金属的能力随着施硒量的增大而下降（张现伟等，2009）。同时硒还是动物和人体的必需微量元素，是谷胱甘肽过氧化物酶的组成成分，具有抗氧化作用。人体所需要的硒必须从饮食中获取，国际硒学会推荐人体硒日摄入量为60～400 μg，我国营养学会推荐日摄入量为50～200 μg。但是中国营养学会调查表明，我国居民日平均硒摄入量仅为26～32 μg；我国缺硒的省份多达22个，缺硒面积约占国土面积的 72%。通过增加水稻硒营养提高水稻对重金属的抗性，不仅可以降低水稻对重金属的吸收积累，同时可以提高稻米硒富集水平。因此，富硒肥料的研发和施用受到了广泛的关注。

由于硒具有特殊的生理功能，又可以提高农作物对重金属的抗性。因此，制备硒掺杂叶面硅肥，必然将提高硅肥产品抑制农作物重金属吸收性能，同时又可以生产出富硒农产品；既满足了富硒农产品的生成需求，又可为我国农田土壤重金属治理提供新的出路。

1 材料与方法

1.1 溶胶的制备

量取200 mL水，加入1 g氢氧化钠，在55 ℃水浴中搅拌均匀，再加入250 g Na2SiO3，充分溶解后冷却至室温；将上述溶液以 5 mL·min-1的速度，匀速通过100 mL（湿体积）氢型强酸性阳离子多级树脂交换柱，控制柱出口收集液pH值在2～3之间，得到酸性硅溶胶前驱物，备用。分别称取 0、0.5、2.5、5、10 g亚硒酸钠，溶解在50 mL 0.01 mol·L-1的稀盐酸中；在 55 ℃水浴中缓慢加入聚乙烯吡咯烷酮1 g左右；边加边搅拌，制得乳化硒掺杂液。将上述乳化硒掺杂液在 55 ℃水浴中，逐滴加到酸性硅溶胶前驱物中，边加边搅拌；再缓慢加入20 mL质量分数为 25%～28%的氨水，制得硒掺杂硅溶胶前体。在水浴 50 ℃条件下，将该硒掺杂硅溶胶前体液缓慢加入到50 mL 0.1 mol·L-1抗坏血酸（Vc）中，逐滴滴加，至溶胶淡红色不再加深，硒充分还原后，继续搅拌2 h以上，得到溶胶，所制备的溶胶经过2次渗析，并蒸发浓缩至200 mL即得到均一稳定且半透明的高纯的硒掺杂纳米硅溶胶，所制得的高纯硒掺杂纳米硅溶胶中二氧化硅质量分数为20%，硒质量分数分别为0%、0.1%、0.5%、1%和2%。

1.2 试验材料

盆栽试验土壤采自大田试验稻田表层。该试验田位于广东省汕头市澄海区盐鸿镇，土壤取水稻田表层耕作土（0～10 cm），风干后过筛，称10 kg土装入桶内，土壤基本理化性质如下：pH 6.12，有机质 2.73%，全氮 1.5 g·kg-1，全磷 1.02 g·kg-1，全钾11.3 g·kg-1，CEC 8.75 cmol·kg-1，总砷 93.6 mg·kg-1，总硒 0.879 mg·kg-1。

试验供试植物为水稻，品种为优优128。

1.3 盆栽试验和处理

以 5%次氯酸钠溶液对水稻种子表面消毒 15 min，用自来水冲洗后催芽、育苗，选均匀一致的幼苗进行移栽。每盆2株，在分蘖期（60～70 d）时，按以下方案进行处理：1）叶面喷施硒掺杂纳米硅溶胶（含 SiO2质量分数为 20%，含 Se质量分数为1%），用去离子水稀释100倍后，进行叶面喷施，喷到叶面出现水珠但是不滴下为止（该处理记为1%Se-Si）；2）叶面喷施硅溶胶（含SiO2质量分数为20%），用去离子水稀释100倍后，进行叶面喷施，喷到叶面出现水珠但是不滴下为止（该处理记为Si）；3）叶面喷施用市售亚硒酸钠配制的溶液（含Se质量分数为1%），用去离子水稀释 100倍后，进行叶面喷施，喷到叶面出现水珠但是不滴下为止（该处理记为1%Se）；4）以喷施等量的去离子水为对照（记为 CK）。每个处理重复4次，水稻成熟后收获。称取每盆稻谷干质量、分析稻米中砷和硒含量。

1.4 大田试验和处理

在水稻生长到分蘖盛期（60 d左右），使用系列浓度梯度的硒掺杂纳米硅溶胶，其硅质量分数为20%，硒质量分数分别为 0.1%、0.5%、1%和 2%，1 hm2用量约15 L，兑水1500 L进行叶面喷施；以喷施等量的清水为对照；分别记为 0.1%Se-Si、0.5%Se-Si、1%Se-Si、2%Se-Si、CK。每个处理为4个小区，随机区组排列。田间管理：和普通水稻田间管理一样。水稻成熟后收获，分析每个小区稻米砷和硒含量。

1.5 分析测试方法

样品的消煮参照鲁如坤（2000）的方法，水稻籽粒粉碎后称取0.5000 g至消煮管中、土壤称取0.3000 g至消煮管中，加入5 mL HNO3-HClO4（V/V=87:13），经130 ℃消煮，冷却后转移并定容到25 mL容量瓶中，砷、硒含量用AFS-820型双道原子荧光光度计（北京吉大小天鹅仪器有限公司）测定。

数据统计分析采用SPSS 13.0软件；结果表达方式均为平均数±标准差。

2 结果与分析

2.1 硒掺杂纳米硅溶胶性能分析

图1是硒质量分数1%的硒掺杂纳米硅溶胶扫描电镜照片，图2是硒质量分数1%的硒掺杂纳米硅溶胶的粒径分布。由图可以看出，该溶胶硒以纳米颗粒分散于二氧化硅胶体中间，胶体颗粒均匀，粒径小于50 nm，且颗粒主要分布在30～40 nm。

2.2 叶面喷施硒掺杂硅溶胶对砷污染盆栽水稻的影响

如图3所示，叶面喷施硅溶胶或者1%质量分数硒掺杂纳米硅溶胶后均可以显著促进水稻生长，水稻籽粒干质量分别比对照增加了20.2%和43.8%；与叶面喷施硅溶胶相比，叶面喷施 1%质量分数硒掺杂纳米硅溶胶后对水稻生长的促进作用更显著。而叶面喷施 1%质量分数亚硒酸钠制备的水溶液后，对水稻生长具有抑制效应；水稻籽粒干质量比对照下降了 13.1%，但是差异并不显著（P>0.05）。用1%Se-Si处理后，水稻籽粒干质量分别比1%Se处理增加了65.4%、比Si处理增加了19.6%。

叶面喷施硒掺杂纳米硅溶胶不仅可以促进水稻生长，而且可以抑制稻米中砷的积累，增加稻米硒含量。与对照相比，叶面喷施质量分数 1%硒掺杂纳米硅溶胶后稻米砷含量下降了46%；而喷施纯硅溶胶后稻米砷含量下降了28%，喷施质量分数1%亚硒酸钠制备的水溶液后稻米砷含量下降了 19%；1%Se-Si处理对稻米（图 4）硒质量分数由对照的0.050 mg·kg-1增加到 0.272 mg·kg-1；达到了富硒大米标准（GB/T 22499—2008）。而叶面喷施1%亚硒酸钠制备的水溶液后稻米硒质量分数为 0.180 mg·kg-1；仅为叶面喷施 1%硒掺杂纳米硅溶胶稻米的66%（图5）。

2.3 叶面喷施硒掺杂硅溶胶对砷污染大田水稻的影响

如图6和图7所示，通过在盐鸿镇的大田试验证实，叶面喷施不同浓度硒掺杂纳米硅溶胶后，均可以显著抑制稻米对砷的吸收积累，且增加稻米硒含量；随着硒掺杂量的增加，稻米硒含量显著增加，而稻米砷含量则显著下降。与对照相比，叶面分别喷施质量分数为0.1%、0.5%、1%和2%的硒掺杂纳米硅溶胶后，稻米砷含量分别下降了19.1%、45.9%、59.4%和63.7%；而稻米硒含量则分别增加了67.5%、265%、443%和631%。其中当硒掺杂质量分数达到0.5%时，稻米总砷质量分数由对照的 0.25 mg·kg-1下降到 0.14 mg·kg-1（GB 2762—2012 国家食品卫生标准，稻米无机砷<0.2 mg·kg-1）；而当硒掺杂量质量分数为0.1%和0.5%时，稻米中硒的质量分数分别为 0.12和 0.26 mg·kg-1，符合富硒大米标准（GB/T 22499—2008）。但是当硒掺杂量质量分数为1%和 2%时，稻米中硒的质量分数为 0.38和 0.51 mg·kg-1，超过了富硒大米硒含量标准（GB/T 22499—2008）因此，在盐鸿镇通过叶面喷施含0.5%硒掺杂纳米硅溶胶，可以在砷污染农田上生产出砷含量达标的富硒大米。

3 讨论

硅是高等植物特别是禾本科植物的有益元素，在水稻的生长发育过程中硅起着极其重要的作用，甚至被认为是其生长发育的必需元素之一（廖红和严小龙，2003）。有研究表明，叶面施硅可以显著缓解重金属对水稻的毒害作用，可以降解重金属复合污染条件下水稻籽实中重金属吸收系数和积累量降低重金属向食物链输出的风险（王世华等，2007）。郭伟等（2006）研究显示，在砷污染土壤中施加外源硅可以显著地抑制水稻对砷吸收的积累。本试验的盆栽结果，也证实了叶面喷施纯硅溶胶可以显著缓解水稻砷的毒害，与对照相比，稻米干质量增加了20%，砷含量下降了28%。

硒是动物和人体的必需微量元素。我国的地方病，如克山病、大骨节病等都与环境中缺硒密切相关，很多调查研究结果表明，硒具有防癌、抗肿瘤和抗衰老的作用。人体所需的硒必须通过饮食获得，而稻米是我国主要的粮食作物。因此，近年来富硒肥料在水稻上的应用研究受到了广泛的关注。与传统的土壤施肥相比，叶面肥具有施用量小、高效、经济易于被植物吸收等优点（张静，2007）。如张晶等（2011）的报道，叶面喷施硒肥，可以使稻米中硒质量分数从对照的 0.03 mg·kg-1增加到 0.17 mg·kg-1。但是前人的研究大多数是将亚硒酸钠直接喷施于水稻叶面（叶斌等，2013；耿建梅等，2011；李向阳等，2009），高剂量的亚硒酸钠具有生物毒性，会对植物造成伤害。如方勇等（2013）报道，高剂量（100 g·hm-2）叶面施硒后，水稻籽粒千粒质量由对照的27.05 g下降到26.37 g；产量由对照的8.563 kg·hm-2下降到 8.356 kg·hm-2。本研究盆栽试验结果也表明，叶面喷施质量分数为 1%亚硒酸钠化学试剂配制的100倍稀释液后（处理1%Se），水稻籽粒干质量下降了13.1%。但是叶面喷施质量分数为 1%硒掺杂硅溶胶（稀释 100倍）后（处理1%Se-Si），水稻籽粒干质量增加了43.8%。这一结果表明，与化学试剂相比硒掺杂硅溶胶在水稻叶面上喷施更为安全。

近年来发现硒也是许多植物乃至高等植物的有益元素（Zhu等，2009）。例如有文献显示，水稻补施低浓度的硒可降低大米中铅、镉、铬等重金属的含量，施硒可减轻镉对水稻幼苗的毒害（谭周磁等，2000；陈平等，2002）。本研究结果也表明，叶面喷施硒可以显著抑制稻米砷的积累；盆栽试验中1%Se处理，可以使稻米砷含量降低19%。这可能与砷和硒存在竞争吸收机制有关；砷多数以阴离子形式存在（AsO33-、AsO42-），硒也以阴离子形式存在（SeO32-、SeO42-），砷、硒在结构上相似，可能有一致的植物吸收机制(Zhu等，2009)。与喷施纯硒相比，叶面喷施硒硅复合溶胶对抑制水稻重金属砷吸收效率的更高；其抑制率达到46%（图4）。大田试验结果也表明，叶面喷施硒硅复合溶胶可以显著抑制稻米砷积累，且随着硒掺杂量的增加，稻米砷含量也显著下降（图6）。其中当硒掺杂质量分数达到 0.5%时，稻米总砷质量分数由对照的 0.25 mg·kg-1下降到 0.14 mg·kg-1；稻米中硒的质量分数为0.26 mg·kg-1，符合富硒大米标准（GB/T 22499—2008）。但是当硒掺杂量进一步增加时，稻米中硒的含量会超过富硒大米硒含量标准，结合经济成本和安全因素考虑，该掺杂剂量为最佳剂量。

4 结论

综上所述，在砷污染土壤上，叶面喷施硒掺杂纳米硅溶胶可以减缓水稻砷毒害，提高水稻籽粒的生物量，降低水稻籽粒对砷的吸收积累。与喷施亚硒酸钠相比，喷施硒掺杂纳米硅溶胶更有利于水稻生长，也有利于增加水稻对硒的吸收、抑制稻米砷积累。大田试验中，当硒掺杂质量分数为0.5%时，稻米砷含量可以下降到国家食品卫生标准限值以下，同时稻米硒含量达到富硒大米标准。因此，用本试验所使用的硒掺杂纳米硅溶胶对水稻进行叶面喷施后，可以进一步提升叶面硅肥抑制水稻砷吸收的效果；同时可以生产出富硒大米，比直接喷施亚硒酸钠安全、高效。叶面喷施硒掺杂纳米硅溶胶在控制作物砷污染上的应用，将会是缓解目前严重的粮食砷污染问题的新出路。

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