水溶性有机肥料对水稻产量和镉吸收的影响

刘利杉，黄运湘*，黄楚瑜，满海燕

（1.湖南农业大学资源环境学院，长沙 410128；2.海南省琼海市农业科学研究所，海南琼海 571429）

水溶性有机肥料对水稻产量和镉吸收的影响

刘利杉1，黄运湘1*，黄楚瑜2，满海燕1

（1.湖南农业大学资源环境学院，长沙 410128；2.海南省琼海市农业科学研究所，海南琼海 571429）

采用土壤盆栽试验研究水溶性有机肥料对水稻抗氧化酶活性及镉吸收的影响。结果表明：施用水溶性有机肥料可提高稻谷产量，显著降低水稻孕穗期叶片超氧化物歧化酶（SOD）、灌浆期超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化物酶（POD）活性；降低稻米镉含量，降低率为2.9%～21.5%，提高稻草镉含量，提高率为26.8%～99.1%。以750倍稀释液喷施增产幅度最大，达43.1%，基施（0.16mL· kg-1）配合喷施（750倍稀释液）处理稻米降镉率最高。

镉污染土壤；水溶性有机肥料；水稻产量；抗氧化酶；稻米镉含量

镉是目前备受关注的环境元素之一，已成为我国农田重金属污染元素之首[1]，并对粮食生产及食品安全构成威胁，影响人类健康[2-3]。镉胁迫会诱使植株内的-O-2、-OH-、H2O2等自由基过量累积，引起SOD、POD、CAT等一系列抗活性氧伤害保护酶的应激反应，当抗氧化酶系统的消除速度无法与活性氧自由基的累积速度保持平衡时，将引发细胞膜脂质的过氧化作用，对植株造成不可逆转的伤害和细胞凋亡[4]，从而导致作物正常生长受阻，产量和品质下降。如何修复和治理镉污染已成为当前迫切需要解决的环境问题。土壤镉污染治理和修复方法很多，相比单一的物理[5]、化学[6-8]、生物措施[9-10]，农业生态修复措施具有更长远的生态价值和推广性。农业生态修复包括合理施肥、土地利用转型、合适的耕作制度和低吸收作物品种的推广等[11]。这些措施操作简便，成本低，且基本不改变修复区种植习惯，可以充分发挥农田生态系统的自我修复能力[12]。刘秀珍等[13]通过不同用量的猪粪、鸡粪、羊粪等有机肥降镉试验发现，有机肥可通过腐殖质等对Cd2+的螯合作用来降低土壤中水溶态和交换态镉含量，3种有机肥以中等浓度（0.30 g·kg-1）猪粪效果最好。汤海涛等[14]研究表明，施用有机叶面肥可有效降低稻谷镉含量，减少重金属对水稻可食用部分的污染。广西喷施宝公司生产的水溶性有机肥料富含腐植酸，可显著提高作物产量和品质，增强作物对病虫害的抗性，已在江西[15]、湖南等20多个省（市）进行了大面积推广应用，但在修复镉污染土壤及降低稻米镉含量方面未见报道。本文采用土壤盆栽试验的方法，研究和探讨水溶性有机肥料对水稻镉吸收的影响，以期为镉污染土壤的生态修复提供理论依据和修复材料。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

供试土壤采自湖南省某市，系紫色页岩风化物发育的紫泥田，取样深度0～20 cm，土壤采回后经自然风干、锤碎、过5mm筛，混合均匀，供盆栽试验用。土壤基本理化性质为：pH 6.31，有机质63.4 g·kg-1，全氮2.63 g·kg-1，全磷0.785 g·kg-1，全钾14.4 g·kg-1，碱解氮173mg·kg-1，有效磷16.7mg·kg-1，速效钾103mg· kg-1，全Cd 4.04mg·kg-1，有效态Cd 2.59mg·kg-1。

1.2 供试水稻品种

湘早籼45号，为湖南省益阳市农科所选育的常规中熟早籼品种，全生育期106 d左右。

1.3 水溶性有机肥料

由广西喷施宝股份有限公司提供，主要成分：有机质≥110 g·L-1、N+P2O5+K2O≥170 g·L-1、Mn+Zn+B= 30～50 g·L-1，Cd、Pb未检出。

1.4 土壤盆栽试验

试验共设7个处理，以施用满足水稻正常生长的氮磷钾肥为对照，在施用氮磷钾肥的基础上进行叶面喷施、基施、喷施+基施水溶性有机肥料（WSOF），每处理重复6次。具体试验设计见表1。

土壤盆栽试验于湖南农业大学资源环境学院教学实习基地进行。选择高22 cm、直径22.5 cm的塑料盆，每盆装土6 kg，按每千克土施N 0.10 g、P 0.05 g、K 0.13 g计算，N、P、K分别以尿素、磷酸二氢钾、氯化钾为肥源，全部作基肥施用。2014年4月18日，选择长势一致的秧苗移栽至盆中，每盆移栽3株，根据水稻生长特性进行田间管理。

表1 土壤盆栽试验设计Table 1 The design ofpotted experiment

作基肥施用的水溶性有机肥料在土壤装盆时和N、P、K肥一起施入土壤；叶面喷施的水溶性有机肥料分别于2014年5月18日（始蘖期）、6月17日（始穗期）、7月3日（灌浆期）分3次进行喷施，每处理喷施体积相等，保证正反叶面完全湿润。

1.5 取样与分析测定

分别于水稻孕穗期和灌浆期取水稻剑叶测定叶片超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）活性。7月26日分盆收获稻草和稻谷，同时采集土壤样品。水稻带回室内进行考种和测产，经烘干粉碎后待用。土样自然风干后粉碎过筛。

1.5.1 酶活性测定

SOD活性采用NBT法，POD活性采用愈创木酚比色法，CAT活性采用紫外分光光度法测定[16]。

1.5.2 植株Cd含量的测定

植株Cd含量采用HNO3-HClO4湿法消化，Perkinelmer公司生产的Iptima 8300电感耦合等离子体发射光谱仪测定。标准物质采用中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所提供的绿茶，标准号为GBW10052（GBS-30）。

1.5.3 土壤基本理化性状及全Cd含量的测定

土壤基本理化性状采用文献[17]的方法测定。土壤全量Cd采用HCl-HNO3-HClO4-HF消解，电感耦合等离子体发射光谱仪测定（Iptima 8300），标准物质采用北京市环境保护监测中心提供的污染农田土壤，标准号为GBW 08303。

1.6 数据处理

所有试验数据采用SPSS 13.0进行统计分析，Duncan新复极差法进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同处理对水稻经济性状的影响

从表2可知，基施和喷施水溶性有机肥料均能提高稻谷产量和千粒重，降低草谷比。喷施750倍和500倍稀释液，千粒重显著高于对照，草谷比与对照相比未达显著差异水平；喷施750倍稀释液，谷粒总重显著高于对照，500倍稀释液则未达显著差异水平。基施0.08mL·kg-1和0.16mL·kg-1水溶性有机肥料，谷粒总重和草谷比与对照相比均未达显著差异水平，基施0.16mL·kg-1水溶性有机肥料，千粒重显著高于对照，基施0.08mL·kg-1则未达显著差异水平。基施0.16mL·kg-1配合喷施750倍水溶性有机肥料，千粒重和谷粒总重均显著高于对照，但草谷比未达显著差异水平；基施0.08mL·kg-1配合喷施500倍液，千粒重、谷粒总重和草谷比均未达显著差异水平。

表2 水溶性有机肥料对水稻经济性状的影响Table 2Effectsofwater-soluble organic fertilizeron economic charactersof rice

2.2 不同处理对水稻抗氧化酶活性的影响

通过对水稻孕穗期和灌浆期叶片酶活性的测定表明（图1），施用水溶性有机肥料，水稻孕穗期和灌浆期叶片SOD、POD、CAT活性均低于对照，其中SOD差异显著，CAT差异不显著，POD在孕穗期差异不显著，灌浆期差异显著。

随着水稻的生长发育，从孕穗期到灌浆期，水稻叶片SOD、POD活性升高，上升幅度分别为108%～238%和14.3%～40.0%，CAT活性降低，下降幅度达48.0%～53.2%，表明水稻在生育后期通过提高SOD和POD活性，增强抗氧化能力以抑制其衰老，有利于光合产物的运转和稻谷产量的提高。

图1 水溶性有机肥料对水稻剑叶抗氧化酶活性的影响Figure 1 Effectsofwater-soluble organic fertilizeron antioxidant enzyme activities in flag leavesof rice

2.3 不同处理对水稻Cd吸收和分布的影响

由表3可知，喷施和基施水溶性有机肥料均可降低稻米Cd含量，但均未达显著水平，稻米Cd含量超过国家安全标准（0.2mg·kg-1）。喷施处理（750倍和500倍液）稻米Cd降低率为19.3%和17.8%，基施处理（0.08mL·kg-1和0.16mL·kg-1）稻米Cd降低率为2.9%和15.0%，基施配合喷施处理稻米Cd降低率为10.2%和21.5%，以基施0.16mL·kg-1配合喷施750倍液处理稻米Cd含量降低幅度最大。

喷施和基施水溶性有机肥料，稻草Cd含量均高于对照，提高率为26.8%～99.1%。同一试验处理，稻草Cd含量显著高于稻米，是稻米的7.8～19.7倍。表明施用水溶性有机肥料可提高水稻对Cd的吸收，同时减少Cd向稻米转移。

表3 水溶性有机肥料对稻米和稻草Cd含量的影响Table 3 Effectsofwater-soluble organic fertilizeron cadmium concentration of rice grain and straw

3 讨论

大量研究表明，施用有机肥可有效提高作物产量[18-19]。李先等[20]、Zhao等[21]通过使用有机肥部分替代化肥试验表明，施用有机肥可显著提高水稻产量，有效减少化肥的使用量。本试验采用的水溶性有机肥料，由植物源腐植酸配合大、中量及微量元素浓缩而成，能平衡调节作物生长发育、改善品质并提高产量，多次使用可减少化肥使用量20%～40%，作物增产10%～40%[15]。本研究结果表明，基施或喷施水溶性有机肥料均可提高稻谷产量，喷施以750倍稀释液效果最好。500倍稀释液因有机质浓度偏高，可能对叶面产生一定的伤害作用，故增产效果不明显。基施以0.16mL·kg-1处理稻谷产量最高。本试验供试的水溶性有机肥料，不仅含有一定量的有机质，还含有作物生长发育的必需营养元素，对提高作物产量具有促进作用，故基施数量增加，水稻增产幅度提高。

SOD、POD、CAT是细胞抵御活性氧伤害保护酶系统的主要组成部分。水稻在正常生长条件下，植株内的抗氧化酶与自由基的代谢基本维持平衡，而逆境或者衰老将会打破这种平衡，引起一系列抗氧化酶活性的变化。当植物受到Cd胁迫时，可通过诱导抗氧化酶活性的变化来保护植物免受逆境伤害，但因品种及作物的抗性而异[22-25]。史静等[23]研究表明，当外界Cd浓度达到25mg·kg-1时，不论是低镉品种还是高镉品种均未受到明显的毒害作用，水稻本身仍具备缓解Cd胁迫的功能；周利强等[26]研究表明，施用菜籽饼、猪粪等有机肥可通过增强根系清除超氧自由基的能力来缓解水稻剑叶受到的镉胁迫，与对照相比水稻剑叶SOD活性降低，水稻总生物量增加；周爽等[27]研究表明，施用有机肥可缓解Cd对马铃薯的胁迫，降低SOD、POD的活性；冯圣东等[28]研究表明，在Hg污染土壤中，增施有机肥可有效减少SOD、POD的下降幅度，提高葡萄的抗逆性。本研究供试土壤全量Cd和有效态Cd含量高达4.04mg·kg-1和2.59mg·kg-1，喷施和基施水溶性有机肥料，水稻孕穗期和灌浆期叶片CAT、SOD、POD活性均低于对照，并未启动抗氧化酶系统来应对逆境的胁迫，表明水溶性有机肥料增强了水稻的抗逆能力，减缓了Cd胁迫的伤害，可保证其正常生长发育，从而实现增产。

有机质含大量官能团和较大的比表面积，可强力吸附土壤中的Cd，腐植酸等大分子物质可与土壤中Cd形成螯合物，限制Cd的移动性[29]，富里酸等小分子物质可与土壤中Cd形成溶解度较大的络合物，增加土壤Cd的有效性[30-31]。张丽娜等[32]研究表明，施用有机肥可通过降低土壤中有效态Cd含量来减少植株对Cd的吸收，从而降低水稻茎叶和糙米中Cd含量。但也有报道指出施用有机肥可提高土壤Cd的有效性[33-34]。本研究表明，施用水溶性有机肥料增加了水稻对土壤Cd的吸收，稻草Cd含量较对照提高了26.8%～99.1%，可能是施用水溶性有机肥料，提高了水稻的生理活性，增强了水稻的吸收能力，从而增加了对Cd的吸收量。此外，可能与水溶性有机肥中含有一定浓度的Zn2+和有机质等有关，Zn是Cd的同族元素，是土壤中Cd吸附位点的主要竞争者，Zn2+进入土壤溶液会与Cd2+竞争土壤的吸附位点，促进吸附态Cd的解析，增加土壤溶液中有效态Cd含量。水溶性有机肥料与普通有机肥料相比，有机质含量较低，且以小分子的富里酸为主，对养分元素和重金属均有一定的活化能力。

水稻根系吸收的Cd会随着生育期的延长部分转移至茎叶，并最终进入籽粒中，糙米Cd含量主要取决于水稻植株吸Cd量和茎叶Cd向籽粒转移的效率[35]。索炎炎等[36]研究表明，在2.5mg·kg-1Cd处理下，施用锌肥增加了茎杆、叶片和糙米Cd含量，而在5.0 mg·kg-1Cd处理下，施用锌肥增加了茎杆和叶片Cd含量，却减少了糙米Cd含量。本研究表明，基施和喷施水溶性有机肥料，稻米Cd含量较对照降低2.9%～21.5%，其原因可能是植株吸收的Zn2+阻碍了稻草中的Cd向稻米转移。这与索炎炎等[36]的试验结果一致，其机理更值得深入探讨和研究。

4 结论

（1）供试土壤条件下，基施和喷施水溶性有机肥料均能提高稻谷产量和千粒重，降低草谷比。由于基施用量远大于喷施，从经济效益角度出发，最适宜的喷施浓度为750倍稀释液。

（2）供试土壤条件下，喷施和基施水溶性有机肥料可降低水稻孕穗期和灌浆期叶片SOD、POD、CAT活性，增强水稻的抗逆能力，阻止镉胁迫的伤害。

（3）喷施和基施水溶性有机肥料会促进水稻对Cd的吸收，提高了稻草Cd含量，却阻止Cd向籽粒中转移，降低了稻米Cd含量。

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Effects of water-soluble organic fertilizer on yield of rice grain and cadm ium absorption in rice grain and straw

LIU Li-shan1,HUANGYun-xiang1*,HUANGChu-yu2,MANHai-yan1
（1.College of Resources and Environment,Hunan Agricultural University,Changsha 410128,China;2.Agricultural Science Research Institute ofQionghai,Hainan Province,Qionghai571429,China）

A pot experimentwas conducted to study the effects of water-soluble organic fertilizer on antioxidant enzyme activities in flag leavesand the absorption of cadmium（Cd）in rice grain and straw.The results showed that the yield of rice grain was increased,and the activity of SOD at the early booting stage（BBCH 41）and SOD,POD at the earlymilk stage（BBCH 73）were decreased significantly after applyingwater-soluble organic fertilizer.The Cd concentration in rice grain reduced by 2.9%～21.5%,while the Cd concentration in straw enhanced by 26.8%～99.1%.The treatmentof foliar application 750 times diluted water-soluble organic fertilizer caused the highest increase of rice grain yield up to 43.1%,and the Cd content in rice grain decreased to lowest concentration after the same foliarapplication combined with basal0.16mL·kg-1water-soluble organic fertilizer.

cadmium contaminated soil;water-soluble organic fertilizer;yield of rice grain;antioxidant enzyme;cadmium concentration in rice grain

S511

A

1672-2043（2017）05-0826-06

10.11654/jaes.2016-1509

2016-11-27

刘利杉（1992—），女，湖南宁乡人，硕士研究生，主要从事土壤肥力与土壤环境污染控制研究。E-mail：632386510@qq.com

*通信作者：黄运湘E-mail：yxhuang63@163.com

刘利杉，黄运湘，黄楚瑜，等.水溶性有机肥料对水稻产量和镉吸收的影响[J].农业环境科学学报,2017,36（5）：826-831.

LIU Li-shan,HUANGYun-xiang,HUANGChu-yu,etal.Effectsofwater-solubleorganic fertilizeron yield of ricegrain and cadmium absorption in ricegrain and straw[J].JournalofAgro-EnvironmentScience,2017,36（5）：826-831.