水稻降镉剂JGLY-2的施用方法及应用效果初探

熊海蓉，张先文，熊远福，刘祺文，邹应斌

（1.湖南农业大学分析测试中心，湖南 长沙　410128；2.湖南农业大学生物科技学院，湖南 长沙　410128；3.湖南农业大学理学院，湖南 长沙　4101282；4.湖南农业大学农学院，湖南 长沙　410128）

水稻降镉剂JGLY-2的施用方法及应用效果初探

熊海蓉1，张先文2，熊远福3，刘祺文3，邹应斌4

（1.湖南农业大学分析测试中心，湖南 长沙410128；2.湖南农业大学生物科技学院，湖南 长沙410128；3.湖南农业大学理学院，湖南 长沙4101282；4.湖南农业大学农学院，湖南 长沙410128）

为了探明水稻降镉剂的施用方法及应用效果，通过包衣、浸种、叶喷3种施用方式的发芽试验，测定了降镉剂JGLY-2处理种子或秧苗后水稻的发芽率、苗素质及苗体镉、锌、锰、铁含量。结果显示：降镉剂3种施用方式的最佳用量分别为包衣比1∶20、浸种比1∶20、叶喷5 g。与对照相比，用降镉剂3种施用方式处理后，秧苗镉、锰含量分别降低30.30%～49.57%、7.46%～19.18%；秧苗干重、锌含量分别提高0.62%～8.62%、0.20%～15.94%。表明水稻降镉剂能显著降低水稻镉含量，减轻镉胁迫对水稻的危害，是一种降低水稻镉污染的有效药剂。

水稻；镉污染；水稻降镉剂；施用方法；应用效果

熊海蓉，张先文，熊远福，等. 水稻降镉剂JGLY-2的施用方法及应用效果初探［J］.广东农业科学，2016，43（9）：82-89.

水稻是我国第一大粮食作物，同时也是易吸收、积累镉的农作物之一；而镉是一种分布广泛、毒性较强的重金属元素，对作物生长、人类健康危害较大［1］。近年来，由于工矿业“三废”排放、污灌以及大量施用含镉农用物质等［2-3］原因，我国稻田正面临严重的重金属污染问题。据统计，我国受镉污染的农田面积约27.86万hm2［4］，且有逐渐加重的趋势。根据国家标准《食品中污染物限量》（GB 2762—2012）表明，我国稻米镉含量的最高限量标准为0.2 mg/kg，然而因为农田镉污染导致的稻米镉含量超标现象也呈上升趋势，文献表明［5］，我国南方多省份如广东、广西、湖南、福建、浙江等地大米镉超标严重，样本超标率约在5%～15%。水稻镉污染正在威胁着人类健康，其治理迫在眉睫。

国内外目前治理土壤镉污染的方法，主要有改土法和化学钝化法、植物修复法等，改土法虽然能使土壤迅速降低污染，但存在客土来源和污土去向这一难以解决的问题［6］。植物修复法是利用植物从土壤中清除污染重金属的一类环境治理技术［7］，虽然经济、环保，但其治理周期漫长、稻田会暂时丧失生产能力，不适合目前我国人多地少的国情，难以大面积推广。通过土壤施用石灰［8］及硅［9］、硫［10-11］、硒盐类［12］等方法调节土壤pH或Eh等途径降低土壤重金属的生物有效性，控制稻米镉积累的化学钝化法，虽然见效快、效果明显，但其用量大、成本高。研发降镉效果明显、见效快、用量少、成本低，对稻田土壤无负面影响的水稻降镉新方法与技术，是目前我国粮食安全生产急需解决的关键问题之一。

本课题组基于离子拮抗理论，以新型镉离子拮抗剂为主成分，与粘合剂、乳化剂、渗透剂、防腐剂、溶剂等配制，研发出一种水稻降镉剂（JGLY-2），既可以用于水稻种子包衣或浸种，又可以用于叶面喷施。本研究就该水稻降镉剂的施用方法及效果进行初步探讨，为下一步水稻降镉剂应用于大田作准备，以期为镉污染稻田的治理提供参考。

1　材料与方法

1.1试验材料

水稻种子：中嘉早17，中国水稻研究所、浙江省嘉兴市农业科学研究院选育。试验于2015年4～11月在湖南农业大学温室进行。

水稻降镉剂：JGLY-2，由镉离子拮抗剂、粘合剂、乳化剂、渗透剂、防腐剂、溶剂配制，浓度（W/V）10%，湖南农业大学研制。使用前用超纯水稀释至2%用于包衣、浸种；稀释至0.1%用于叶面喷施。

供试土壤：采自湖南省株洲县周坪乡洪垅村镉污染稻田。采样后自然风干，除杂、粉粹、过5 mm试验筛后充分均匀，备用。

主要仪器：BY300A型小型包衣机，上海黄海药检仪器有限公司；pHS-3C型精密pH计，上海安亭雷磁仪器厂；Thermo M6原子吸收分光光度计，美国热电公司；AL204电子天平，上海梅特勒-托利多仪器有限公司；DHG-9246B型电热恒温鼓风干燥箱，上海精宏实验设备有限公司。

1.2试验方法

1.2.1种子处理方法 种子包衣：准确称取一定量的水稻种子，放入包衣机内。开启包衣机，按照设定的包衣比（2%降镉剂∶种子，质量比），准确移取适量的2%降镉剂JGLY-2，缓慢加入包衣机内，至包衣均匀为止。将包衣种子置于孔径0.85 mm试样筛中平展开，置于40℃烘箱内烘干。

浸种：准确称取一定量的水稻种子，放入烧杯内，加超纯水至刚好浸没种子，按照设定的包衣比（2%降镉剂∶种子，质量比），准确移取适量的2%降镉剂JGLY-2放入该烧杯内，用玻璃棒搅匀，烧杯用保鲜膜密封后置于28℃培养箱，浸种12 h。

1.2.2发芽试验及苗素质测定方法 采用泥床发芽法，每个大型发芽盒内准确放入400.0 g供试土壤，用量筒加入一定量的超纯水、将土壤调成泥状。试验设包衣、浸种、叶喷和空白对照4个处理，每个处理3次重复。每个重复取100粒种子置于发芽盒内，发芽试验在湖南农业大学温室进行，发芽试验所用水均采超纯水、以避免水中所含元素对试验产生影响。参照颜启传等［13］的方法，播种后4 d测定发芽势，播种后7 d测发芽率，2片叶时测定成苗率、同时采样测定苗高、茎基宽、总根数、茎叶/根系干重。采样时，用超纯水清洗整个秧苗至表面干净无泥，用吸水纸吸干表面水分，将秧苗茎叶分和根系分离、烘干、称重。将烘干称重后的茎叶和根系粉碎备用，用于测定元素含量。

1.2.3水稻降镉剂施用方式及用量试验 水稻降镉剂施用方式设计3种：包衣、浸种、叶喷。包衣方式的用量试验设计为包衣比（2%降镉剂∶种子，质量比）1∶10、1∶20、1∶30。浸种方式的用量试验设计为浸种比（2%降镉剂∶种子，质量比）1∶10、1∶20、1∶30。叶喷方式的用量试验：种子不进行任何处理，当秧苗生长至0.5叶期、1.0叶期时分别用0.1%降镉剂JGLY-2进行叶面喷施，每次每个重复的叶喷用量设计为1.0、3.0、5.0 g。

1.2.4水稻降镉剂各施用方式的综合效果比较试验 根据试验“2.3”筛选出的3种施用方式的最佳用量，以最佳包衣比、浸种比及最佳叶喷用量以及对照进行降镉剂应用效果试验，综合考察降镉剂处理后对水稻秧苗素质的影响和降镉能力。

种子处理、发芽试验及各指标的测定均参照方法1.2.1、1.2.2进行。

1.3测定项目及方法

土壤元素含量测定：准确称取0.2 g（精确至0.0001 g）供试土壤，置于微波消解罐中，加入4 mL硝酸、1 mL氢氟酸，盖紧，置微波消解仪中消化30分钟，待冷却后转移消化液至50mL容量瓶中，用超纯水定容。锌、铁、锰含量测定采用火焰原子吸收分光光度法［14］，镉、铅含量采用石墨炉原子吸收分光光度法［15］。

秧苗元素含量测定：准确称取0.5g（精确至0.0001 g）已粉粹的茎叶（或根），置于微波消解罐中，加入5 mL硝酸，盖紧，置微波消解仪中消化30 min，待冷却后转移消化液至50mL容量瓶中，用超纯水定容。测定方法与土壤元素含量测定相同。

土壤pH测定：按照《GB15618—1995土壤环境质量标准》［16］规定的方法，将土样按土∶水= 1∶2.5配制成土壤水溶液，在25（±1）℃下用pH计测定。

降镉率的计算：

降镉率Y（%）=（X1- X2）/ X1×100

式中，X1为未使用降镉剂处理的秧苗茎叶（或根系）镉含量（mg/kg），X2为使用降镉剂处理的秧苗茎叶（或根系）镉含量（mg/kg）。

试验数据运用DPS V3.01软件进行统计分析。

2　结果与分析

2.1供试土壤分析

国标GB15618-1995［16］根据土壤的应用功能和保护目标，将土壤分为3类：Ⅰ类为国家规定的自然保护区，Ⅱ类为一般农田、蔬菜地、茶园果园等，Ⅲ类为适用于林地土壤及污染物容量大的高背景值土壤和矿产附近等地的农田土壤。本试验所用土壤是稻田土壤，属于Ⅱ类。Ⅱ类土壤环境质量标准值为：当pH＜6.5时，镉≤0.30 mg/kg、铅≤250 mg/kg、锌≤200 mg/kg；当pH在6.5～7.5时，镉≤0.30 mg/kg、铅≤300 mg/kg、锌≤250 mg/kg；当pH＞7.5时，镉≤0.60 mg/kg、铅≤350 mg/kg、锌≤300 mg/kg。本试验供试土壤的pH 5.93为酸性土壤，且镉含量为1.61 mg/kg，超出标准值5.4倍；其他元素如铅为66.50 mg/kg、锌为95.42 mg/kg，均未超标，所以本试验供试土壤为镉污染较严重的稻田土壤。

2.2不同施用方式水稻降镉剂用量对降镉效果的影响

2.2.1降镉剂包衣用量（包衣比）对降镉效果的影响由表1可知，与CK相比，降镉剂3种包衣比处理的茎叶降镉率达到50.40%～58.40%，根系降镉率达18.88%～32.02%。其中，包衣比1∶20处理分别比包衣比1∶10、1∶30处理的茎叶吸镉量降低1.89%和16.13%，根系吸镉量分别降低11.31%和28.35%；包衣比1∶20处理的降镉率最高。可见，降镉剂JGLY-2处理后能有效抑制根系对镉的吸收，并降低由根系转运至茎叶。根系因直接与污染土壤接触，且为镉进入水稻植株的第一道屏障，其镉含量远高于茎叶。周鸿凯等［17］的研究表明，水稻根系是吸收和积累镉最高的部位。从发芽率来看，包衣比1∶20、1∶30处理的发芽率略低于CK，但差异不明显，而包衣比1∶10处理的发芽率最低，与CK差异显著。由此可见，降镉剂包衣水稻种子，在合适的用量范围内不会对种子萌发产生二次伤害。综合考虑对种子萌发和降镉能力的影响，降镉剂JGLY-2包衣方式的最佳用量为包衣比1∶20。用降镉剂JGLY-2包衣处理水稻种子，来改变播种后水稻根际微环境，从而减少水稻对镉的吸收，是一种用量少、操作较方便、有效的降低水稻镉污染的措施之一。

表1　包衣用量对降镉效果的影响

2.2.2降镉剂浸种用量（浸种比）对降镉效果的影响 从表2可以看出，与CK相比，用降镉剂JGLY-2按照浸种比1∶10、1∶20、1∶30处理后，秧苗茎叶镉含量分别降低48.80%、61.60%、52.80%，根系镉含量分别降低28.89%、38.13%、32.41%，差异显著。3种浸种比处理的茎叶降镉率达48.67%～61.60%，根系降镉率达20.94%～38.10%，表明浸种方式降镉效果明显，其中浸种比1∶20处理的降镉率最高。从发芽率来看，3种浸种比处理的发芽率与CK无显著差异，说明降镉剂浸种不会对种子萌发产生二次伤害。综合考虑对种子萌发和降镉能力的影响，降镉剂JGLY-2浸种方式的最佳用量为浸种比1∶20。降镉剂JGLY-2浸种处理水稻种子是一种用量少、操作方便、有效的降低水稻镉污染的措施之一。

表2　浸种用量对降镉效果的影响

2.2.3降镉剂叶喷用量对降镉效果的影响 由表3可知，与CK相比，降镉剂JGLY-2叶面喷施处理后秧苗茎叶、根系的镉含量显著降低，其中，叶喷1 g、3 g、5 g处理后秧苗茎叶镉含量分别降低37.96%、39.81%、48.15%，根系镉含量分别降低18.49%、29.98%、32.85%。叶喷处理茎叶降镉率达37.96%～47.79%，根系降镉率达18.49%～32.85%，其中叶喷5 g处理的降镉率最高。可见，降镉剂JGLY-2的最佳叶喷用量为叶喷5 g。降镉剂叶面喷施方式只作用于水稻植株，对种子萌发无影响；在水稻生长过程中叶面喷施降镉剂，降镉剂的活性成分可以通过叶片吸收进入水稻植株体内，能有效阻控水稻对镉的吸收。

表3　叶喷用量对降镉效果的影响

2.3水稻降镉剂不同施用方式的综合效果比较

根据降镉剂JGLY-2上述3种施用方式各自的最佳用量，以最佳包衣比1∶20、最佳浸种比1∶20、最佳叶喷用量5 g以及CK进行综合效果比较试验，综合比较降镉剂不同施用方式对种子萌发、苗素质、苗体元素含量和降镉能力的影响，为降镉剂的大田应用提供可靠参考。

2.3.1不同施用方式对种子萌发和降镉效果的影响 从表4可以看出，与CK相比，降镉剂包衣、浸种处理的发芽率和成苗率略有降低，降幅为2.05%～3.61%，但差异不显著；降镉剂3种施用方式处理的根系、茎叶镉含量与CK相比显著降低，茎叶的降镉率达46.09%～49.57%，根系的降镉率达30.30%～32.55%；3种施用方式之间无显著差异。表明水稻降镉剂JGLY-2的3种施用方式对种子萌发和秧苗的生长无不良影响，且降镉效果显著。

表4　不同施用方式对种子萌发和降镉效果的影响

表5　不同施用方式对秧苗素质的影响

2.3.2不同施用方式对秧苗素质的影响 由表5可知，从苗高来看，降镉剂包衣、叶喷方式处理的苗高均略低于CK，而浸种的苗高略高于CK，均与CK无显著差异。包衣、浸种方式处理的茎基宽比CK略高，叶喷方式的茎基宽比CK略低，方差分析无显著差异。就总根数而言，包衣、浸种、叶喷处理的总根数分别比CK提高25.64%、19.66%、19.66%，差异极显著。与CK相比，包衣、浸种、叶喷方式处理的茎叶干重分别提高4.11%、8.62%、1.30%，根干重分别提高7.14%、9.56%、0.62%，但差异不显著。综合苗素质来看，水稻降镉剂JGLY-2的3种施用方式均能通过阻控根系吸收的镉离子向茎叶转运，有效降低镉胁迫对水稻生长的危害，促进秧苗根系生长，获得较好的苗素质。

2.3.3不同施用方式对秧苗体内元素含量的影响 水稻生长过程中受到镉离子胁迫不仅引起根系生长受阻，同时根系吸收的镉离子传导至茎叶，使叶片失绿、植株矮小，呼吸作用和光合作用等生理代谢紊乱，从而抑制水稻营养生长［18］；有研究表明，在镉胁迫时，外源的Zn2+［19］、Mn2+［20］、Fe2+［21］等金属离子，能够与Cd2+竞争生物位点，阻抑生物分子与Cd2+的结合，从而拮抗水稻对镉的吸收［22-23］。研究发现，受镉胁迫时，水稻体内的微量元素如Fe、Mn、Cu、Zn、Si等的含量与镉离子呈显著相关。本试验所用水稻降镉剂是基于离子拮抗原理制备而成，通过研究降镉剂JGLY-2的3种施用方式处理后水稻体内微量元素的变化，探讨降镉剂是否具有调控微量元素吸收而缓解镉毒害的功能。

表6　不同施用方式对秧苗体内元素含量的影响

由表6可知，用降镉剂JGLY-2的3种施用方式处理后，不仅抑制了水稻对镉的吸收，同时还引起了水稻体内微量元素的变化。受镉胁迫（CK）时，水稻茎叶的Cd含量显著高于降镉剂的3种方式处理达30%以上；降镉剂包衣、浸种、叶喷3种方式处理后，水稻体内的Zn含量比CK增加0.20%～15.94%；Mn含量比CK降低7.46%～19.18%；包衣、浸种、叶喷3种方式处理对苗体Fe含量的影响不同，其中包衣处理的Fe 含量显著高于CK、浸种和叶喷，分别提高29.48%、35.52%和32.90%；而浸种、叶喷2种方式的Fe含量比CK降低4.46%和2.58%。包衣处理的Fe含量增加，可能是因为降镉剂包衣不仅作用于种子使其萌发后促进根际分泌物的产生，同时也影响了水稻根际微环境，增加了土壤中有效Fe含量，从而促进了水稻对Fe的吸收。有研究表明［24］，水稻根系可分泌麦根酸类物质，并与土壤中的Fe3+形成螯合物从而促进水稻对Fe的吸收。降镉剂JGLY-2作为包衣方式施用后确实显著提高了水稻对Fe的吸收，但是否促进了麦根酸等类物质的分泌，还需进一步验证。

3　结论与讨论

通过试验确定了水稻降镉剂3种施用方式为包衣、浸种和叶喷，其最佳用量分别为包衣比1∶20、浸种比1∶20、叶喷5 g。与对照（镉污染条件下）相比，降镉剂3种施用方式对水稻种子的萌发无不良影响，能显著促进水稻新根的发生与生长；显著降低水稻根系和茎叶镉含量，其中根系降镉率达30.30%～32.55%，茎叶降镉率达46.09%～49.57%；减轻镉胁迫对水稻生长的危害，促进水稻秧苗生长，水稻根系干重增加0.62%～9.56%、茎叶干重增加1.30%～8.62%。水稻降镉剂通过调控水稻体内微量元素的含量来应对镉胁迫对水稻的伤害，降镉剂处理后增加了水稻体内的Zn含量，增幅为0.20%～15.94%，Mn含量比CK降低7.46%～19.18%；而降镉剂3种方式对水稻苗体内Fe元素的影响不一，有待进一步实验解析。

综上表明，水稻降镉剂采用包衣、浸种、叶喷3种方式处理水稻种子或秧苗，能有效降低水稻根系和体内的镉含量，减轻镉胁迫对水稻的危害，是一种有效降低水稻镉污染的药剂。

在水稻种子萌发初期，镉离子能通过抑制蛋白酶和肽酶等酶的活性，从而抑制水稻种子萌发［3］；水稻生长时受镉胁迫，则在体内会产生过量的氧自由基，导致水稻体内抗氧化酶活性降低、破坏质膜系统，进一步影响蛋白质、核酸等生物大分子的合成或表达，从而抑制植株生长［25］。鄂志国等［26］指出，水稻中已克隆出多种与镉相关的基因，它们的表达调控均与微量元素有关，如锌铁转运蛋白基因，它在转运Zn2+、Fe2+的同时对Cd2+也具有高度亲和力；如重金属ATP酶基因，它是一种跨膜的重金属离子泵，其OsHMA2基因的表达被抑制时则能降低叶片中的锌、镉含量，而当其表达过量时，则能降低转基因水稻种子的镉含量而锌含量不变；此外，其OsHMA9基因的表达量会随着铜、锌、镉离子浓度的增加而提高；还有天然抗性巨噬细胞蛋白基因，是生物体内参与多种二价金属离子转运的蛋白，在水稻中参与Fe2+、Cd2+的吸收和转运等，以上研究表明，微量元素通过与蛋白质或其他有机基团结合，形成了酶、蛋白、激素等生物大分子从而在水稻的生长过程中发挥着重要的生理生化功能，本试验所用降镉剂JGLY-2是基与离子拮抗理论研制而成的，本试验结果亦初步验证了降镉剂通过调控水稻体内的铁、锰、锌等微量元素的含量，从而抑制水稻对镉的吸收及镉向茎叶的转移。下一步拟将对降镉剂处理后的根际土壤环境、根系分泌物及相关微量元素的调控蛋白等分子机理方面进行探索。

本试验只初步探讨了降镉剂JGLY-2的3种施用方式在水稻苗期施用对降低水稻镉含量的效果，初步验证其降镉效果显著，至于在水稻生育中、后期，降镉剂3种施用方式单一使用或组合使用，能否进一步控制水稻体内的镉由茎叶向穗和籽粒转运，最终达到降低稻米中的镉含量的目的，还有待大田试验验证。

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（责任编辑 杨贤智）

Study on using methods and application effects of rice reducing-cadmium agent JGLY-2

XIONG Hai-rong1，ZHANG Xian-wen2，XIONG Yuan-fu3，LIU Qi-wen3，ZOU Ying-bin4
（1. Center of Analysis and Testing，Hunan Agricultural University，Changsha 410128，China；2. College of Biological Science and Technology，Hunan Agricultural University，Changsha 410128，China；3. College of Science，Hunan Agricultural University，Changsha 410282，China；4. College of Agronomy，Hunan Agricultural University，Changsha 410128，China）

In order to research the using methods and application effects of rice reducing-cadmium agent，the germination rate，seedling quality and contents of Cd，Zn，Mn and Fe of rice were determined by means of germination experiments of seed-coating，seed-soaking and foliar spray with rice reducing-cadmium agent JGLY-2. Results showed that the best usages of seed coating，seed soaking and foliar spray of JGLY-2 were as follows：coating ratio 1∶20，seed soaking ratio 1∶20 and foliar spray 5 g. Compared with untreated controls，the contents of Cd and Mn in rice seedling treated with the 3 methods using JGLY-2 decreased by 30.30%-49.57% and 7.46%-19.18%，respectively. The dry weight and Zn content of rice seedling increased by 0.62%-8.62% and 0.20%-15.94%，respectively. This rice reducing-cadmium agent could significantly reduce cadmium content in seedling and prevent harm of rice under cadmium stress，it was an effective medicament for reducing cadmium pollution of rice.

rice；cadmium pollution；rice reducing-cadmium agent；using method；application effect

S511.06；X503.231

A

1004-874X（2016）09-0082-08

2016-05-26

农业部、财政部湖南耕地重金属污染修复专项（农办财函［2015］38号，湘农联［2015］112号）；农业部现代农业技术体系建设专项（CARS-01-30）

熊海蓉（1979-），女，硕士，副教授，E-mail：hairong791122@sina.com

邹应斌（1954-），男，教授，E-mail：ybzou123@126.com