矿物硅肥与微生物菌剂对水稻吸收积累镉的影响

张淼，叶长城，喻理，彭鸥，张燕，许蒙，陈喆，铁柏清

（湖南农业大学资源环境学院，长沙　410128）

矿物硅肥与微生物菌剂对水稻吸收积累镉的影响

张淼，叶长城，喻理，彭鸥，张燕，许蒙，陈喆，铁柏清*

（湖南农业大学资源环境学院，长沙410128）

采用室外盆栽试验和田间随机区组试验相结合的方法，研究基施矿物硅肥、微生物菌剂、矿物硅肥与微生物菌剂组配施用，对湖南地区晚稻成熟期内各部位中Cd的含量及产量的影响。结果表明，在盆栽试验中，与CK相比，微生物菌剂处理对水稻根部、茎鞘、谷壳和糙米中Cd含量的抑制效果最佳，降低幅度分别为46.19%、52.46%、38.39%和55.31%，而矿物硅肥处理对叶片中Cd含量的抑制效果最佳，降低幅度为54.39%；在田间随机区组试验中，与CK相比，矿物硅肥处理对水稻根部、茎鞘和叶片中Cd含量的抑制效果最佳，降低幅度分别为73.91%、71.28%和76.77%，而微生物菌剂处理对谷壳和糙米中Cd含量的抑制效果最佳，降低幅度分别为65.52%和69.57%。对于轻度污染土壤，施用三种改良剂后，糙米中Cd含量明显降低，分别为0.09、0.07、0.12 mg·kg-1，均能达到国家食品卫生标准（Cd＜0.2 mg·kg-1）；水稻产量方面，施用改良剂均能使水稻增产，其中以矿物硅肥+微生物菌剂组配处理的效果最为显著，在盆栽试验和田间随机区组试验中，分别比对照增产28.06%和31.1%。

镉污染；水稻；硅肥；微生物菌剂；配施

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Cd是生物生长发育过程的非必需元素，是自然界中对动植物和人体危害性最大的重金属种类之一，也是生物毒性最强的重金属元素［1-2］。Cd在较低浓度下便能经由土壤到达植物根部进而迁移至植物地上部［3］，大量积累后会对植物体造成危害，而由于镉的隐蔽性，植物在不影响生长的情况下往往会积累较高浓度的镉，并且通过食物链的富集作用进入人体，危害人体健康［4］，对人体具有三致（致病、致癌、致突变）作用，能诱发肾衰变、关节炎、痛痛病、癌症等病［5-7］。近用来，随着大气沉降、工业废渣堆积、农田污灌、城市垃圾和污泥的农业化利用及化肥、农药和农膜的大量使用等，使农用土壤受到多种重金属不同程度的污染，尤其是Cd在环境中的化学活性强，移动性大，毒性持久，对土壤及农田造成的污染日趋严重［8-9］。据统计，我国受镉（Cd）污染的耕地面积近130万hm2，涉及11个省市的25个地区［10］，可见对Cd污染的治理迫在眉睫。

水稻是世界上最重要的粮食作物之一，世界上一半以上的人口以稻米为主食，我国60%以上人口以稻米为主食［11］。近用来，镉污染稻米事件层出不穷，尤其地处有色重金属之乡的湖南，稻米产业面临着前所未有的挑战［12］。因此，寻找降低Cd含量效果更好的改良剂，开展对稻米Cd的阻控效果研究，进一步筛选出最佳稻米阻镉配套技术，对湖南稻米Cd污染阻控技术具有十分重要的现实意义和应用价值。

在Cd污染的农田土壤上，施用改良剂来达到降低作物可食部中Cd积累量的目标，从而保障粮食生产安全是较为有效的技术手段之一［13］。石灰、海泡石、磷酸盐类等常用改良剂［14］一直是国内外学者的研究热点，近用来探索新型有效改良剂（硅肥、生物碳、微肥类物质等）［15-17］也成为研究趋势。因此，通过盆栽试验和田间随机区组试验，开展单一施用进口矿物硅、微生物菌剂及其组配施用方式，对稻米Cd的阻控效果进行研究，为探索矿物硅肥及微生物菌剂对阻控稻米Cd污染的机理提供科学依据并为稻米Cd污染控制技术提供科学依据和技术储备。

1　材料与方法

1.1供试样品

1.1.1供试水稻品种

采用湖南省筛选的相对低镉积累品种，盆栽试验及田间随机区组试验的晚稻品种均为湘晚籼13号，常规晚稻，全生育期124 d。

1.1.2试验土壤性质

（1）盆栽试验土壤土壤类型为第四纪红壤，采自株洲市马家河镇新马村。供试土壤pH和重金属含量见表1。

表1　土壤理化性质（mg·kg-1）Table 1　Physical and chemical properties of soil（mg·kg-1）

从表1可知，土壤pH＜5.0，属于偏酸性红壤，土壤中Pb、Cu和Zn的含量没有超过国家土壤环境质量域级标准，但土壤中Cd的含量已超过域级标准的28.8倍，故属于单一重度Cd污染稻田土壤（一般认为土壤总Cd＞2 mg·kg-1归类为重度Cd污染土壤）。

（2）田间随机区组试验选择湖南省茶陵县马江镇为试验点，土壤中Cd含量为0.36 mg·kg-1，属于轻度污染区。

1.1.3供试盆栽装置

盆栽装置为PE材质40桶，上口径为40 cm，下口径为35 cm，桶高为30 cm。每盆装土壤25 kg，保持表土平整、湿润，于室外淹水等待土壤稳定紧实后备用。

1.1.4供试肥料

基施硅肥：俄罗斯进口矿物硅肥，奥斯科海外有限公司提供，主要成分是古微生物化石（硅藻、原始海绵体、海龙），富含70%以上二氧化硅和植物可用的氮、磷、钙、镁等微量元素，正常施用量75～150kg·hm-2。

微生物菌剂：CJY微生物菌剂，主要含有多种±势菌群及微量元素，可作底肥，也可作追肥使用，正常施用量1200 mL·hm-2。

1.2试验设计

室外盆栽试验及田间区组试验均采用完全随机方案设计，详见表2和表3。试验共设计了4个处理水平：空白对照（CK），基施进口矿物硅肥（Si），基施微生物菌剂（F），进口矿物硅肥+微生物菌剂（Si+F），每个处理水平重复3次。在水稻盆栽试验开展前，采集盆栽土壤样品，测定土壤理化性质，并于移栽前一周基施氮肥、磷肥及钾肥，移栽后正常水分管理。田间随机区组试验小区面积30 m2（5 m×6 m），各处理设独立灌溉沟渠，采用单一随机种植模式，移栽前施磷肥和氮钾复合肥作基肥，田间管理按大田常规操作进行。

表2　盆栽试验来理及操作规程Table 2　Design for pot experiment

表3　田间随机区组试验来理及操作规程Table 3　Design for field experiment

1.3分析测定

1.3.1土壤性质测定

在试验前，按梅花采样法采集试验田土壤样品，自然风干后，采用电位法（水土比为2.5颐1）［18］测定土壤pH。经HCl-HNO3-HClO4［19］微波法消解土壤样品，用ICP-OES（美国PE8300）检测土样中Cd的含量。

1.3.2水稻样品预处理

水稻样品采集后，用自来水清洗根部泥土，再手工拆解为根、茎、叶、穗、谷粒等部位，将谷粒样品置于室外阳光下晒干，晒干后称取记录其干重，其他部位样品皆装入编号信封置于103益烘箱内杀青1 h，调至65益烘至恒重后，用植物粉碎机粉碎植物样品，装入密封袋保存。

1.3.3水稻样品中Cd的测定方法

按混合酸湿法消解［18］，取水稻样品用消解仪进行消解：称取0.500 0依0.000 2 g水稻粉末样品放入50 mL高温消煮管中，加10 mL混合酸（GR级HNO3颐GR级HClO4=4颐1），盖上弯颈小漏斗后插入消解孔中放置过夜；次日，开通风橱，先将消解仪温度设置为95益，缓慢解热使样品起泡，保持95益恒温10 min，升温到120益使酸回流并保持30 min，再次升温到170益并保持60 min，彻底消解样品，如果溶液不透明，冷却后补加5 mL混合酸，或滴加H2O2，升温并保持温度，至溶液透明；最后升温至190益，赶酸至溶液3～5 mL左右消解完毕，待消解液冷却后，用去离子水定容至25 mL，过滤至干净50型PE瓶中即完成消解。

用ICP-OES（美国PE8300）测定Cd浓度在0.1 mg·kg-1以上的水稻样品，用原子吸收分光光度计-石墨炉法（GTA120，美国Varian）测定Cd浓度在0.1 mg·kg-1以下的水稻样品。未能及时测定的消解液放入冰柜冷藏保存。

1.3.4数据处理方法

本文数据图表处理采用Microsoft Excel 2013，多重差异显著性分析采用SPSS（Statistical Product and Service Solutions，19.0）进行。

2　结果与分析

2.1矿物硅肥与微生物菌剂对晚稻植株各部位吸收积累Cd的影响

2.1.1盆栽试验

湘晚籼13从移栽到收割的时间为2014用7月至10月，表4为不同改良剂对晚稻各部位中Cd含量的影响。

表4　盆栽试验不同来理对水稻植株各部位Cd含量的影响Table 4　Effects of different treatments on Cd concentrations in different parts of rice in pot experiment

从表4可知，在盆栽试验中，各处理水稻植株不同部位中Cd含量大小依次为根部＞茎鞘＞叶片，且施用不同改良剂对水稻吸收积累Cd含量呈一定的降低趋势。水稻根部的Cd含量大小依次为CK＞Si+F＞Si抑F（“抑”表示处理间Cd含量差异不显著，“＞”表示处理间差异显著，下同），与CK相比，施用改良剂处理均能显著降低水稻根部Cd的含量，其中以Si和F单独施用处理对根部Cd含量的抑制效果较好，降Cd幅度分别为45.67%和46.19%；水稻茎鞘的Cd含量大小依次为CK＞Si+F抑Si＞F，与CK相比，施用改良剂处理均能显著降低水稻茎鞘中Cd的含量，其中以F处理对茎鞘Cd含量的抑制效果最佳，降Cd幅度为52.46%；水稻叶片的Cd含量大小依次为CK抑Si+F＞F抑Si，与CK相比，F和Si处理均能显著降低水稻叶片中Cd的含量，降Cd幅度分别为45.36%和54.39%，但是Si+F对叶片中Cd含量的降低效果不显著。

2.1.2田间随机区组试验

由表5可知，田间随机区组试验中，各处理水稻植株不同部位中Cd含量大小依次为根部＞茎鞘＞叶片，与盆栽实验的结果一致。水稻根部的Cd含量大小依次为CK＞Si+F抑F＞Si，与CK相比，施用改良剂处理均能显著降低水稻根部中Cd的含量，其中以Si单独施用处理对根部Cd含量的抑制效果最佳，降Cd幅度分别为73.91%；水稻茎鞘的Cd含量大小依次为CK＞Si+F抑F抑Si，与CK相比，施用改良剂处理均能显著降低水稻茎鞘中Cd的含量，其中以F和Si处理对茎鞘Cd含量的抑制效果较好，降Cd幅度分别为63.08%和71.28%；水稻叶片的Cd含量大小依次为CK＞Si+F抑F抑Si，与CK相比，施用改良剂处理均能显著降低水稻叶片中Cd的含量，且F和Si单独施用对叶片Cd含量的抑制效果最佳，降Cd幅度分别为74.75%和76.77%。

综上所述，施用单一改良剂及其组配施用对晚稻植株各部位Cd含量有一定的抑制作用，且单一施用矿物硅肥和微生物菌剂处理的效果较好，其中单一施用矿物硅肥的效果最佳，能有效降低根部、茎鞘和叶片中Cd的含量，与盆栽实验结果呈一致趋势。

表5　田间试验不同来理对水稻植株各部位Cd含量的影响Table 5　Effects of different treatments on Cd concentrations in different parts of rice in field experiment

2.2矿物硅肥与微生物菌剂对晚稻成熟期稻谷Cd含量及产量的影响

2.2.1盆栽试验

从表6可知，晚稻稻谷中谷壳和糙米的Cd含量大小依次为谷壳＞糙米；水稻谷壳的Cd含量大小依次为CK＞Si+F抑Si＞F，与CK相比，施用改良剂处理措施均能显著降低水稻谷壳中Cd的含量，其中Si和F处理对谷壳Cd含量的抑制效果较好，降Cd幅度分别为27.20%和38.39%；水稻糙米的Cd含量大小依次为CK＞Si+F抑Si抑F，与CK相比，施用改良剂处理措施均能显著降低糙米中Cd的含量，以F处理对糙米Cd含量的抑制效果最佳，降Cd幅度达到55.31%。结果说明，施用单一改良剂及其组配施用对晚稻稻谷Cd含量有一定的抑制作用，以单一施用微生物菌剂处理的效果最佳，能有效降低谷壳和糙米中Cd的含量，明显抑制Cd向糙米中的吸收转运过程。

表6　盆栽试验不同来理对稻谷Cd含量及水稻产量的影响Table 6　Effects of different treatments on grain Cd concentrations and yields of rice in pot experiment

在水稻产量（以稻谷干重计）方面，与CK相比，单一施用俄罗斯进口矿物硅肥、微生物菌剂及其组配施用处理措施均能使水稻产量有一定的增加，但单一施用硅肥的效果并不显著，只有Si+F处理的效果最佳，使水稻增产28.06%。

2.2.2田间随机区组试验

从表7可知，田间随机区组试验晚稻稻谷中谷壳和糙米的Cd含量大小依次为谷壳＞糙米。水稻谷壳的Cd含量大小依次为CK＞Si+F抑Si抑F，与CK相比，施用改良剂处理措施均能显著降低水稻谷壳中Cd的含量，以Si和F处理对谷壳Cd含量的抑制效果较好，降Cd幅度分别达到62.07%和65.52%；水稻糙米的Cd含量大小依次为CK＞Si+F抑Si抑F，与CK相比，施用改良剂处理措施均能显著降低水稻糙米中Cd的含量，且都达到国家食品卫生安全标准，其中Si和F处理对糙米Cd含量的抑制效果较好，降Cd幅度分别达到60.87%和69.57%。综上所述，田间随机区组实验与盆栽实验结果一致，说明施用单一改良剂及其组配施用能有效抑制晚稻稻谷Cd含量，以单一施用微生物菌剂处理的效果最佳，能明显抑制Cd向糙米中的吸收转运过程。

在水稻产量（以稻谷干重计）方面，与CK相比，单一施用俄罗斯进口矿物硅肥，微生物菌剂及其组配施用处理措施均能使水稻产量有一定的增加，其中Si+F处理的效果最佳，使水稻增产31.10%，与盆栽试验结果一致。

表7　不同来理对稻谷Cd含量及水稻产量的影响Table 7　Effects of different treatments on grain Cd concentrations and yields of rice in field experiment

3　讨论

硅（Si）是土壤中丰度最高的元素，是对植物生长有益的元素，能促进茎鞘壁加厚，有利于抗倒伏，增强植物对生物胁迫和非生物胁迫的抗性，研究已证实它能够帮助植物克服各种环境胁迫［19］。富硅材料一般呈碱性，施入土壤中不仅能提高土壤的pH，降低土壤中重金属的植物有效性，起到钝化镉的作用，并且减少重金属向地上部的转运量，从而达到了区室化阻隔之目的［20-21］。水稻是一种典型的硅富集作物，硅的高积累对水稻的丰产和可持续农耕作业尤为重要，史新慧等［22］通过水稻水培试验结果证实：施硅能显著抑制Cd向水稻地上部的运输，加硅也降低了质外体内不同形态Cd的含量，特别是结合态的Cd，施硅显著降低了Cd毒害所诱导的过氧化物酶活性，说明加硅缓解了高浓度Cd对水稻的毒害作用；陈喆等［23］通过室外盆栽试验得出，施用含硅肥料能有效控制水稻植株各部位Cd含量的迁移，并能明显降低水稻各部位及糙米中Cd的含量；黄道友等［24］研究发现，向镉污染土壤施用熔渣硅肥能够抑制水稻对镉吸收，降低稻米中的镉含量；龚光明等［25］研究结果表明，施用俄罗斯硅肥能抑制水稻对土壤中镉的吸收，降低镉对水稻的毒害作用，降低稻米的镉含量，提高水稻的产量。

微生物菌剂是由一种或数种有益微生物、经工业化培养发酵而成的生物性肥料，是以微生物生命活动产生肥力效应的制品，有研究表明施用生物菌肥能够明显增强土壤生化作用强度，提高土壤酶活性、呼吸强度、氨化作用强度［26］。微生物菌肥配施一定数量的化学肥料可以提高水稻产量，有利于提高土壤供肥能力，增强根系活力，改善植物的营养，促进矿质营养释放，协助养分吸收，刺激植株生长，减少病虫害，使作物增产，对水稻各项生育指标有较好影响［27-28］。就生物菌肥本身而言，在细胞壁及周围区域形成大量颗粒状镉沉积物，在菌体表面形成附着的沉淀物，利用胞内外沉积作用可能是对镉的抗性和富集作用的重要途径，从而减少土壤中可溶态镉含量［29］。秦礼宝等［30］研究表明，微生物肥可以改善土壤的松散性，土壤个体的生长环境得到了改善，有利于提高水稻的成穗率、结实率、千粒重，对产量的提高有一定的帮助，并且具有良好的减肥稳产效果，在改良土壤、保护农业生态环境方面也有积极意义。

本试验研究结果表明，施用单一矿物硅肥、微生物菌剂及其组配方式均能降低水稻各部位Cd含量，但单一施用改良剂方式效果±于组配施用效果，说明这两组改良剂组配施用并没有起到协同作用，可能是由于两种改良剂产生了拮抗作用的原因，具体原因还有待进一步的研究与探索。对于水稻稻谷，施用改良剂处理方式均可使糙米含量明显降低，尤其是对轻度污染农田的稻米，均能达到国家食品卫生标准，也能提高水稻产量。因此，矿物硅肥与微生物菌在米镉污染治理与控制方面使用简单、效果良好，具有较好的应用前景。

4　结论

（1）通过分析盆栽试验和田间随机区组试验晚稻植株各部位中Cd的含量变化情况，发现水稻各部位间Cd含量大小规律为根部＞茎鞘＞叶片＞谷壳＞糙米。

（2）研究表明，无论是盆栽试验还是田间随机区组试验，改良剂单一施用及组配施用均能降低晚稻植株各部位Cd含量，其中单一施用硅肥与微生物菌剂对降低根部、茎鞘和叶片的效果要±于组配施用的效果。

（3）在盆栽试验中，单一施用改良剂及其配施都能对稻米Cd的含量起到阻控效果，显著降低了水稻稻谷中Cd的含量，其中以微生物菌剂处理的效果最佳。在轻度污染区的田间随机区组试验中，根据各种改良剂对糙米阻控潜力来看，与CK相比，所有处理措施都能显著降低水稻糙米中Cd的含量，且均可达到国家食品卫生标准，其中以微生物菌剂处理的效果最为显著，与盆栽实验结果一致。

（4）在两组实验中，水稻产量与CK相比，单一施用改良剂及其组配施用均能使水稻有一定程度的增产作用，其中以矿物硅肥+微生物菌剂组配处理的效果最佳。

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Effects of mineral silicon fertilizer and microbial agent on uptake and accumulation of cadmium by rice

ZHANG Miao，YE Chang-cheng，YU Li，PENG Ou，ZHANG Yan，XU Meng，CHEN Zhe，TIE Bai-qing*
（College of Resources and Environment，Hunan Agricultural University，Changsha 410128，China）

In pot and field experiments，the effects of base mineral silicon fertilizer and microbial agent alone and in combination on the concentrations of Cd in different parts and the yield of late rice were investigated during maturation period in Hunan region.Results showed that the microbial agent was more effective in reducing Cd accumulation in rice than mineral silicon fertilizer was.The Cd content in roots，leaves，sheaths and chaffs was 46.19%，52.46%，38.39%and 52.46%lower in microbial agent treatment than in CK，respectively.The mineral silicon fertilizer was more useful for reducing Cd content in the leaves，with 54.39%Cd reduction compared with CK in the pot experiment.In the field experiment，the mineral silicon fertilizer was the most effective in inhibiting Cd accumulation in roots，leaf sheaths and blades of rice among the three treatments，with a 73.91%，71.28%，and 76.77%reduction in Cd content as compared with CK，respectively，while in microbial agent treatment the Cd content in chaff and brown rice reduced by 65.52%and 69.57%，respectively，compared with CK. In slightly contaminated soil，three treatments significantly reduced Cd content in brown rice，which was 0.09 mg·kg-1，0.07 mg·kg-1，and 0.12 mg·kg-1in silicon fertilizer，microbial agent and their combination，respectively，meeting the national food health standards（Cd＜0.2 mg·kg-1）.The yields of the rice were significantly increased by three treatments，with greatest yield increase found in combined silicon fertilizer and microbial agent treatment，in which there were 31.1%and 28.06%yield increases in the pot and field experiments，respectively，as compared with the CK.

Cd pollution；rice；silicon fertilizers；microbial agents；combined application

X171.5

A

1672-2043（2016）04-0627-07

10.11654/jaes.2016.04.003

2015-11-15

张淼（1990—），女，硕士研究生，研究方向为环境污染治理与修复。E-mail：402310980@qq.com

铁柏清E-mail：tiebq@qq.com