施硅期对砷污染土中水稻体内磷砷含量与分布的影响

李仁英，李苏霞，谢晓金，徐向华，沈孝辉，王荐，张婍，李君

1. 南京信息工程大学应用气象学院//江苏省农业气象重点实验室，江苏 南京 210044; 2. 土壤与农业可持续发展国家重点实验室//中国科学院南京土壤研究所，江苏 南京 210008；

施硅期对砷污染土中水稻体内磷砷含量与分布的影响

李仁英1, 2*，李苏霞1，谢晓金1，徐向华1，沈孝辉1，王荐1，张婍1，李君1

1. 南京信息工程大学应用气象学院//江苏省农业气象重点实验室，江苏 南京 210044; 2. 土壤与农业可持续发展国家重点实验室//中国科学院南京土壤研究所，江苏 南京 210008；

摘要：水稻砷污染严重威胁着我国的粮食安全，如何降低水稻砷污染是目前迫切需要解决的问题。采用水稻盆栽试验，在水稻不同生长时期向土壤中施入100 mg·kg-1的硅肥，通过不同时期土壤溶液中的磷、砷和硅的动态变化以及水稻各部位的磷和砷的含量及分布来研究不同施硅期对水稻砷磷含量和分布的影响。结果表明，不同施硅期影响水稻不同部位的生物量、砷含量和磷含量。分蘖期施硅，水稻饱粒质量和结实率最大，其中水稻饱粒质量比对照高52.4%，其次为开花期和灌浆期施硅。分蘖期施硅，水稻籽粒中的砷含量最低。同时，开花期和灌浆期施硅与幼苗期施硅相比，显著降低了籽粒中的砷含量（P<0.05）。然而，不同施硅期并未显著影响茎叶、根和谷壳中的砷含量（P>0.05）。分蘖期施硅显著增加了水稻谷壳中的磷含量，减少了水稻籽粒和根中的磷含量，但对茎叶的磷含量没有显著性影响（P>0.05）。随着水稻的生长，土壤溶液中的砷含量呈增加趋势，而土壤溶液中的磷和硅含量呈降低趋势。除了水稻移栽后146 d外，不同施硅期对其他采样时期的土壤溶液砷含量没有显著影响（P>0.05）；不同施硅期显著影响了大部分采样时期的土壤溶液硅含量（P<0.05）。不同施硅期未显著影响土壤溶液中的磷含量（P>0.05）。综上可知，在分蘖期施入100 mg·kg-1的硅肥，能最大程度地提高水稻的产量，并降低水稻对砷的积累。

关键字：硅；砷；水稻；磷；分布

引用格式：李仁英，李苏霞，谢晓金，徐向华，沈孝辉，王荐，张婍，李君. 施硅期对砷污染土中水稻体内磷砷含量与分布的影响[J]. 生态环境学报, 2015, 24(6): 1050-1056.

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水稻是东南亚地区的主要粮食作物，该地区约一半以上的人口以稻米为主食。水稻特殊的淹水栽培模式，使得水稻对砷具有较强的富集。在东南亚地区，特殊的地理环境和工农业活动，使得土壤和地下水中的砷含量明显高于其他地区，导致该地区水稻砷污染较为严重（Brammer和Ravenscroft，2009；徐红宁和许嘉琳，1996）。调查我国湖南地区34个基因型水稻籽粒无机砷含量发现，若以这些水稻为主食，成人每天砷摄入量为0.1～0.21 mg，未成年人为0.075～0.15 mg，超过了世界卫生组织每天砷摄入量的推荐值（Lei等，2013）。Rakesh等（2010）调查90个水稻品种，其中有20个水稻品种砷含量较低，在79～285 μg·kg-1之间，适宜作为主食；69个品种砷含量较高，长期食用，存在一定健康风险。此外，砷还通过食物链在人体中富集，如秸秆中砷通过动物饲料等方式传递（Rahman等，2008），所以水稻砷污染引起了广泛的关注。

水稻砷污染严重威胁人类健康，因此，如何降低水稻砷积累成为目前研究的热点。结合降砷的经济效益和可行性，现在的研究主要集中在通过灌溉方式（Sarkar等，2012）、施肥（林志华等，2010）、基因工程（赵会，2014）以及化学法（鲁洪娟等，2014）等措施来降低水稻中的砷积累。Li等（2009）研究发现施硅降低了水稻秸秆和籽粒中的无机砷含量。Liu等（2013）的研究也表明，硅肥能够降低水稻砷的积累。李剑睿等（2014）也发现施硅会促使土壤形成重金属硅酸盐沉淀，降低土壤重金属的迁移性和生物有效性，从而降低植物对砷的吸收。Ma等（2008）研究发现，硅的吸收通道Lsi1 和Lsi2突变体水稻对As(Ⅲ)的吸收明显减少，这说明As（Ⅲ）和硅共用吸收通道。Ma等（2006）认为硅通道基因表达下调是降低水稻砷积累的原因之一。Preeti等（2013）研究发现，施硅能够增强水稻抗氧化能力，降低超氧自由基（O2·-）、过氧化氢含量（H2O2）和脂质过氧化作用（MDA），同时增强抗氧化酶活性、半胱氨酸和谷胱甘肽（GSH）含量。所以施硅是一种有效的降砷措施。磷、硅在化学性质和结构上具有相似性，有研究表明施硅能促进水稻对磷的吸收（胡克伟等，2004；郭伟等，2010；Ma和Takahashi，1990）。胡克伟等（2003）研究发现施磷降低了土壤中硅的吸附量，同时增加了土壤硅的解吸量。

水稻在不同生育期对砷的吸收存在显著差异（Wang等，2006；Ma等，1989），那么在不同生育期施硅是否会影响水稻对磷砷的吸收呢？本研究在水稻不同生育期施入硅肥，分析施硅对土壤溶液中磷砷的影响，进而探讨不同施硅期对水稻不同部位中磷砷含量的影响，从而为硅肥的合理施用提供重要的理论依据。

1　材料与方法

1.1供试土壤

供试土壤为浙江省上虞市尾矿区表层红壤性水稻土（0～20 cm）。土壤风干，拣去枯枝落叶后，过5 mm筛备用。土壤pH、有机质、全氮、全磷、有效磷、速效钾、总砷、全硅、有效硅、全铁、全锰及土壤机械组成按照常规方法测定（鲁如坤，2000），其结果见表1。供试土壤中的砷含量达到240 mg·kg-1，远远超过了土壤环境质量三级标准（GB15618─1995）。

前期研究得知，土壤中施入400 mg N·kg-1、125 mg P·kg-1和250 mg K·kg-1能满足水稻生长阶段水稻对N、P和K养分的需求，因此，本研究按照此量施入N、P和K养分，此时土壤的N属于第三级别的养分水平，而P和K属于第一级别的养分水平。称取2 kg土壤放入PVC盆中，向土壤中施入含N、P和K分别为40、12.5和25 g·L-1的NH4H2PO4、CO(NH2)2和KCl混合溶液20 mL，充分混匀后，把土壤溶液采集器埋入土壤中央以便采集土壤溶液。

表1　供试土壤的基本理化性质Table 1 Selected physicochemical properties of the soil used in the pot experiment

1.2水稻栽培及试验设计

供试水稻品种为镇稻10号。水稻种子用30% 的H2O2浸泡消毒15 min，用蒸馏水洗净后浸泡在蒸馏水中，并在30 ℃的培养箱中培养过夜。然后将种子转移至吸水纸上，期间不断补充水分。待发芽5 d后，将长势一致的水稻秧苗转移至PVC盆中，每盆移栽3棵。26 d后间苗，使每盆保留两棵长势一致的水稻秧苗。水稻生长在温室中，期间不断补充水分，使水稻在整个生长过程均保持2～3 cm淹水层。

本试验共设5个处理，即分别在苗期（移栽后1 d）、分蘖期（移栽后73 d）、抽穗期（移栽后120 d）、开花期（移栽后138 d）和灌浆期（移栽后147 d）这5个水稻生育期施入5000 mg·L-1的硅酸钠溶液40 mL，使土壤中的施硅量为100 mg·kg-1，每个处理设4个重复，同时设没有施硅的对照处理。在水稻生长期间的各项管理措施均一致。

1.3样品的采集和测定

水稻移栽后的32、80、104、146、182 d采集土壤溶液，分别测定溶液中的硅、砷和磷的含量。

水稻成熟后，分为根、秸秆、谷壳和籽粒收获植株样品，经自来水、蒸馏水洗净后，用吸水纸吸干，在70 ℃的温度下烘48 h，测定干质量。然后将植物各部位样品研磨，用HNO3/HClO4消煮，消煮液待测。

用原子荧光光谱仪测定土壤溶液和植物样品消煮液中的砷含量，用钼蓝比色法测定土壤溶液和植物样品消煮液中的磷、硅含量（鲁如坤，2000）。

1.4统计分析

使用统计软件SPSS 14.0进行各处理间的显著性检验（P<0.05）和多重比较。

2　试验结果与分析

2.1不同施硅期对水稻生物量的影响

不同时期施硅，对水稻不同部位的生物量和产量存在一定影响（表2）。水稻饱粒质量即水稻有效粒质量在分蘖期施硅达到最大值，较对照组高出52.4%，其次为开花期和灌浆期。对照组中的穗质量最小，说明在水稻生长的任何时期施硅都会增加穗质量，而在开花期施硅能最大限度的增加水稻穗质量，在幼苗期施硅穗质量增加最少。根生物量最小值分别为灌浆期和分蘖期施硅，最大值出现在抽穗期施硅，不同施硅期之间的根质量存在显著性差异（P<0.05）。不同施硅期处理的茎质量在20.86～26.37 g之间，各施硅期间未达到显著差异（P>0.05）。分蘖期施硅结实率最高，达到54.25%，高于其它施硅期。

2.2土壤溶液砷、磷和硅含量的动态变化

表3是不同采样时期的土壤溶液中砷含量。从表3可知，所有施硅处理的土壤溶液中砷动态变化趋势相似，都是随着水稻的生长，土壤溶液中的砷含量增加。在水稻移栽32 d，砷含量最小，在0.06～0.08 mg·L-1之间，在成熟期（182 d），土壤溶液中砷含量最大，在0.13～0.19 mg·L-1之间。然而对于幼苗期和开花期施硅处理，移栽后104 d的土壤溶液砷含量高于146 d的砷含量。比较不同施硅处理的土壤溶液中砷含量得知，除了146 d外，施硅处理未显著影响土壤溶液中的砷含量（P>0.05）。

表2　不同施硅期的生物量Table 2 Effect of application period of silicon fertilizer on biomass of rice

表3　水稻不同生长阶段土壤溶液中砷质量浓度Table 3 Arsenic concentrations in soil solution at different growth stages of rice mg·L-1

表4　水稻不同生长阶段土壤溶液中硅质量浓度Table 4 Silicon concentrations in soil solution at different growth stages of rice mg·L-1

土壤溶液中硅和磷的动态变化趋势和砷相反，整体呈现出减少的趋势（表4，表5）。通过表4可知，土壤溶液中的硅含量在不同采样时期之间存在显著差异（P<0.05）。除了分蘖期施硅，对于其他施硅处理，都是在32 d时，土壤溶液中的硅含量最大，随着水稻生育期的进行，土壤溶液中的硅含量减少。不同施硅期也显著影响土壤溶液中的硅含量（P<0.05）。通过表5可知，与水稻移栽后32 d相比，其他采样期土壤溶液中的磷含量显著降低（P<0.05），但在水稻移栽146 d时，土壤溶液中的磷含量最低。但不同施硅期之间土壤溶液中的磷含量差异不显著（P>0.05）。

表5　水稻不同生长阶段土壤溶液中磷质量浓度Table 5 Phosphorus concentrations in soil solution at different growth stages of rice mg·L-1

在同一施硅期，分析不同采样时间土壤溶液磷和砷、硅之间相关性可知，在对照、幼苗期施硅、抽穗期施硅和灌浆期施硅的处理中，土壤溶液中的磷和硅呈显著相关（P<0.05）；在抽穗期和开花期中，土壤溶液中的硅和砷呈显著相关；而在其他施硅期中，土壤溶液磷和硅、硅和砷未呈现相关性。土壤溶液中的磷和砷在任何施硅处理中都未呈现显著相关性。

2.3不同施硅期对水稻各部位砷含量的影响

不同施硅期影响水稻不同部位的砷含量（图1）。通过图1可知，施硅期显著影响了水稻籽粒中的砷含量（P<0.05），苗期施硅增加了籽粒中的砷含量，而分蘖期、开花期及灌浆期施硅均降低了水稻籽粒中的砷含量。虽然不同施硅期对水稻秸秆、根和谷壳中的砷含量没有显著影响，但苗期施硅减少了水稻茎叶中的砷含量，分蘖期，开花期和灌浆期施硅减少了水稻根中的砷含量，分蘖期施硅使谷壳中的砷含量最低。砷在水稻不同部位的含量顺序为：根>茎叶>谷壳>籽粒。

图1　水稻不同部位砷质量分数Fig. 1 Arsenic concentrations in various tissues of rice

2.4不同施硅期对水稻各部位磷含量的影响

不同施硅期显著影响了水稻籽粒，根和谷壳中的磷含量（P<0.05，图2）。籽粒中的磷含量在对照组中最小，其次为分蘖期和开花期施硅而在灌浆期施硅时达到最高水平，施硅增加了籽粒中磷的含量。水稻籽粒中的磷含量在灌浆期施硅比对照显著高31.7%（P<0.05）。根在幼苗期和抽穗期施硅时磷含量显著高于其他施硅期（P<0.05）。根在分蘖期施硅时磷含量最小，比幼苗期施硅时的磷含量低23.2%。在不同的施硅期，谷壳中磷含量与籽粒中磷含量存在相反的变化趋势，分蘖期施硅谷壳中的磷含量最高，其他处理的磷含量在1442～1742mg·kg-1之间。比较不同部位的磷含量得知，籽粒中的磷含量最大，其他部位的磷含量相似。

图2　水稻不同部位磷质量分数Fig. 2 Phosphorus concentrations in various tissues of rice

3　讨论

大量研究表明，硅肥能够显著增加水稻干物质的积累，提高水稻产量，其中分蘖肥对水稻群体质量和产量具有明显的增加和提高作用（张国良等，2004）；本研究发现分蘖期施硅增加了水稻饱粒质量，穗质量和结实率，有利于水稻产量的提高，这与前人的研究结果相同。本研究还得知，除了分蘖期施硅外，开花期和灌浆期施硅也使水稻饱粒质量、穗质量和结实率高于其他施硅处理。Ma等（1989）研究表明，水稻生殖生长阶段施用硅肥，籽粒干质量增加30%。硅主要在水稻生殖生长阶段被吸收，因此在开花期和灌浆期施硅有助于水稻产量的提高。

比较不同时期土壤溶液硅含量发现，不同施硅期显著影响土壤溶液中的硅含量，本研究使用的硅酸钠是一种水溶性硅肥，施入土壤后，被水稻快速吸收（魏海燕等，2010；吴季荣和龚俊义，2010）。Liu等（2013）和Li等（2009）通过施硅降砷研究发现，硅增加了土壤溶液中的砷含量，而本研究未发现这种现象。施硅增加土壤溶液中砷含量的原因可能为：土壤溶液中硅与砷通常以硅酸根与砷酸根的形式存在，它们带有相同电荷，因此，竞争相同的吸附位点，从而增加了土壤溶液中砷的含量。Li等（2009）施用的是缓溶性硅胶，随着水稻的生长，硅不断地释放到土壤溶液中，并与砷竞争吸附位点，因此，砷不断地解吸到土壤溶液中。而本研究使用的是水溶性硅酸钠，进入土壤后，被水稻大量吸收，而与砷竞争吸附位点的作用相对较弱，因此，没有显著增加土壤溶液中的砷含量。

Wang等（2006）研究表明，水稻根、茎和叶中的砷在分蘖期增加较快，成熟期达到最大值；穗中砷含量在孕穗期达到最高，灌浆期迅速减少。Zheng等（2011）研究发现，随着水稻生长，水稻叶和茎中的砷含量在开花后达到最大值，之后出现下降；籽粒和谷壳中的砷变化相似，在开花后13 d达到最大值。在本研究中，分蘖期、开花期和灌浆期施硅降低水稻籽粒中的砷含量，尤其在分蘖期施硅，籽粒中砷含量最低（图1）。在开花期和灌浆期施硅降低水稻砷吸收的原因可能为：硅主要在水稻生殖阶段被吸收，施入硅肥后，硅被水稻大量吸收，而硅的转运通道Lis2也是木质部砷向籽粒转运的关键通道，由于硅与砷竞争相同的转运通道，从而减少水稻对砷的吸收（Ma等，2008）。所以在水稻开花到灌浆期之间施硅有利于降低砷向穗部转运，是降低水稻砷吸收的重要施硅时期。Yamaji和Ma （2011）的研究也证实，分蘖期和灌浆期施硅，使得整个植株砷含量最低，而幼苗期和抽穗期施硅，砷含量最高。分蘖期，水稻生长最为旺盛，硅需求量大，缺硅会导致硅吸收转运基因Lis1和Lis2表达增强，使砷吸收转运增加，所以分蘖期是水稻吸收硅的另一个关键时期，因此，也是降低水稻砷吸收的关键施硅时期。

磷和砷是同族元素，化学性质极为相似。随着水稻的生长，土壤溶液中的磷含量逐步减少，这主要与水稻的逐渐吸收有关。本研究中水稻组织中磷和砷含量表现出相似的变化趋势（图1，图2），在分蘖期施硅籽粒和根中磷含量较低，而谷壳和茎叶中的磷含量相对较大；Guo等（2007）通过水培试验得出相似的结果，并认为施硅抑制了水稻对磷的吸收，且高磷环境下，硅对磷抑制作用更为明显；Guo等（2005）的研究也证实施硅降低了磷吸收和转运速度。施硅抑制了水稻磷的吸收，部分原因可能是由于硅和磷之间存在竞争吸收的关系，从而降低水稻磷吸收。但郭伟等（2010）通过土壤盆栽试验发现，在高砷污染的土壤上施硅，能够增加水稻地上部分的磷含量，显著降低水稻砷积累；低砷污染土壤上，对水稻地上磷含量影响不大。土壤中施硅增加水稻对磷的吸收，一方面可能与硅肥种类和施硅期不同有关。另一方面，也可能由于硅和磷竞争土壤中吸附位点，施硅增加了土壤中磷的有效性（胡克伟等，2004；李仁英等，2013a），从而增加了水稻对磷的吸收。此假设被李仁英等（2013a；2013b）研究所证实，即土壤施硅后，减少了土壤对磷的吸附能力，增加了磷的解吸量并增加了穗和籽粒中的磷积累量。

4　结论

施硅期对水稻磷砷的吸收有重要的影响。分蘖期、开花期和灌浆期施硅能够增加水稻饱粒质量和结实率，而在分蘖期、开花期和灌浆期施硅能显著降低籽粒中的砷含量，灌浆期施硅能够显著增加籽粒中的磷含量。所以，综合来讲，在分蘖期、开花期和灌浆期施入100 mg·kg-1硅肥会增加水稻的产量，并降低水稻籽粒中的砷含量，从而较少砷污染区水稻的健康风险。但是由于盆栽试验存在局限性，在大田中的广泛应用还存在不确定性，因此，还需要开展大田试验，深入探讨施硅期对水稻砷吸收的影响及其机理。

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Effect of Application Periods of Silicon on Concentrations and Distributions of Arsenic and Phosphorus in Rice Plants

LI Renying1, 2, LI Suxia1, XIE Xiaojin1, XU Xianghua1, SHEN Xiaohui1, WANG Jian1, ZHANG Qi1, LI Jun1
1. Jiangsu Key Laboratory of Agricultural Meteorology//College of Applied Meteorology, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China; 2. State Key Lab of Soil and Sustainable Agriculture//Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China

Abstract:Arsenic accumulation in rice is a serious threat to food safety in our country. How to reduce arsenic accumulation in rice is urgent. Effect of application period of silicon fertilizer on concentrations and distributions of phosphorus and arsenic in rice plants and dynamic concentration of arsenic, phosphorus and silicon in soil solution were studied under the condition of application amounts of 100 mg kg-1silicon fertilizer by pot experiment. The results showed that biomasses, arsenic concentrations and phosphorus concentrations in different rice tissues were affected by application period of silicon fertilizer. Under condition of silicon fertilizer application in tillering stage, fulfilled grain weight and seed setting rate were highest, followed by silicon fertilizer application in flowering stage and filling stage, and fulfilled grain weight increased by 52.4%, compared with the control. Silicon fertilizer application in tillering stage decreased arsenic concentrations in the grain. Compared with silicon fertilizer application in seedling stage, silicon fertilizer application in flowering stage and filling stage significantly decreased arsenic concentration. However, application period of silicon fertilizer hadn’t significant effect on arsenic concentrations in the straw, root and husk (P>0.05). Silicon fertilizer application in tillering stage significantly increased phosphorus concentrations in rice husk (P<0.05), reduced phosphorus concentrations in grain and root, but hadn’t significant effect on phosphorus concentrations in rice straw (P>0.05). Arsenic concentrations increased and phosphorus and silicon concentrations decreased in soil solution with the growth of rice. Except for 146 days of rice transplanting, application period of silicon fertilizer hadn’t significant effects on the concentrations of arsenic in soil solution. Application period of silicon fertilizer had significant effects on the concentrations of silicon in soil solution for most sampling times, while hadn’t significant effects on the concentrations of phosphorus in soil solution. From the above, we concluded that application amount of 100 mg·kg-1silicon fertilizer in tillering stage could furthest increase product of rice and decrease accumulation of arsenic in rice plants.

Key words:silicon; arsenic; rice; phosphorus; distribution

收稿日期：2015-03-31

*通信作者。

作者简介：李仁英（1975年生），女，副教授，博士，主要从事土壤重金属的行为及其环境效应研究。E-mail: ryli75@163.com

基金项目：江苏省自然科学基金项目（BK20141479）；国家自然科学基金项目（41001190）；江苏省农业气象重点实验室项目（KYQ1402）；土壤与农业可持续发展国家重点实验室项目（Y052010018）；中国科学院土壤环境与污染修复重点实验室项目；江苏省政府留学奖学金项目和南京信息工程大学大学生实践创新训练项目（201410300111；201510300153）

中图分类号：X592

文献标志码：A

文章编号：1674-5906（2015）06-1050-07

DOI:10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.06.021