不同阻控剂阻控重度Cd污染区水稻富集Cd的效果

2017-07-18龙思斯宋正国雷鸣喻理王艺康蒋宏芳

中国稻米 2017年3期

龙思斯宋正国雷鸣*喻理王艺康蒋宏芳

（1湖南农业大学资源环境学院，长沙410128；2农业部产地环境质量重点实验室/天津市农业环境与农产品安全重点实验室，天津300191；3湖南安邦新农业科技股份有限公司/湖南省安邦农业研究院，湖南衡阳421200；第一作者：358719093＠qq.com；*通讯作者：leiming8297＠163.com）

龙思斯1宋正国2雷鸣1*喻理1王艺康1蒋宏芳3

在湖南省衡阳县某重度Cd污染的农田上种植早稻品种株两优819，开展石灰、基施硅肥、叶面锌肥、叶面硅肥和自配阻控剂等5种材料降低水稻镉含量的效果研究。结果表明，5种阻控剂对株高的影响不显著（p＞0.05），但对产量的影响均达显著水平（p＜0.05）；与对照相比，5种阻控剂均能降低糙米中Cd的含量，其中叶面锌肥的降Cd效果最明显，降Cd效率为46.43%，其次为自配阻控剂和基施硅肥，降Cd效率分别为39.29%和39.28%，均达到国家粮食安全标准值。

水稻；镉；阻控剂；土壤；重度污染区

重金属镉（Cd）属于有害元素之一，自然环境中含量较少，但由于其活性较强，容易被作物尤其水稻吸收且积累，不仅严重威胁粮食生产安全，而且通过食物链危害人体健康，日本的“痛痛病”就是典型案例。研究表明，在重金属污染区种植水稻，存在Cd污染风险[1]。据报道，2004－2013年我国共发生19件“镉污染事件”。雷鸣等[2]调查研究结果发现，矿区稻米中Cd的含量显著比其他地区高。2013年5月“镉大米事件”经过媒体报道后，湖南省粮食的销售量急剧下降。因此，有必要采用一些措施降低水稻中镉的含量，尤其是在重金属污染区，以确保湖南的粮食安全生产。本试验在阻控剂对轻度Cd污染区水稻阻控效果研究的基础上[3]，在湖南衡阳某工业区重度Cd污染农田种植水稻，比较研究了石灰、基施硅肥、叶面锌肥、自配阻控剂和叶面硅肥这5种类型的阻控剂对重度Cd污染区水稻Cd吸收的抑制效果，以期为有效解决农田土壤Cd污染和食品安全问题提供科学依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验地土壤基本性质

试验地点位于湖省衡阳市衡南县的某农田，周围曾有化工厂、水泥厂和陶瓷厂等，农田已受到严重重金属污染。试验实施之前，按照“梅花法”采集农田土壤样品，经自然风干后，磨细过100目尼龙筛，存储于密封袋内备用。试验农田土壤的平均pH值为5.92，属偏酸性红壤，总Cd含量1.567±0.03 mg/kg，有效锌含量1.567±0.03mg/kg，有机质含量1.602±0.53 g/kg，全N含量0.794±0.01 g/kg，有效磷含量26.500±1.21mg/kg，全K含量36.10±1.88mg/kg。

1.2 参试水稻品种和阻控剂

供试水稻品种为株两优819（杂交稻，全生育期114 d），秧苗由衡阳安邦农业科技有限公司试验基地提供。供试的石灰、硅肥、自配阻控剂、叶面锌肥和叶面硅肥的基本情况见表1，其中，石灰、基施硅肥和叶面锌肥曾运用在轻度Cd污染区阻控不同品种水稻富集Cd的影响试验[3]。

1.3 试验设计和样品采集处理

试验时间为2015年4－7月。试验设6个处理，具体试验处理方案见表2。每个处理重复3次，随机分布，共18个小区。每个小区面积20.0 m2，小区之间用田埂隔开。每667m2土壤重量按照1.5×105kg计算。石灰、基施硅肥和自配阻控剂在水稻秧苗种植前3 d撒施于土表，并与表层土壤混匀；叶面锌肥和叶面硅肥分别于水稻分蘖期、孕穗期和抽穗期进行同一种浓度的喷施，喷液量以作物叶片正背面沾满雾滴为宜。农田基肥为掺混肥料（N、P2O5、K2O含量分别为25%、12%和14%），共施50 kg/667 m2；同当地的稻田管理措施进行管理。植株样品于水稻分蘖期、孕穗期和成熟期进行采集，每个小区随机取3株，采集后，用自来水洗净泥土，分为根、茎、叶和谷粒。将谷粒样品置于室外阳光下晒干，记录质量，并用砻谷机将其分为谷壳和糙米。其他部位样品皆装入信封袋编号后置于102℃烘箱内2 h，调至65℃烘至恒质量。所有水稻样品（根、茎、叶、籽实）均用植物粉碎机粉碎后装入密封袋保存，待用。

表1 5种阻控剂的基本情况

表2 试验设计

1.4 分析测定

采用电位法（水土比为2.5∶1）测定土壤pH值，采用王水（HNO3∶HCl=1∶3）+高氯酸（HClO4）消化法消煮土壤，并同时用土壤国家标准参比物质（GSS-5）和空白样进行分析质量控制测定。土壤有机质、有效磷、全氮和全钾含量按照《土壤农业化学分析》方法进行分析[4]。

水稻样品（根、茎、叶、谷壳和糙米）采用混合酸硝酸-高氯酸（体积比为4∶1）消化法消煮，同时用植物国家标准参比物质[灌木枝叶GBW07603（GSV-2）]、大米植物国家标准参比物质[GBW10010（GSB-1）]和空白样进行分析质量控制。

土壤和水稻（植株和稻米）中Cd的含量用原子吸收分光光度计-石墨炉法（GTA120，美国Varian）测定。

所用化学试剂为优质纯。

1.5 数据处理方法

本研究利用Microsoft Excel 2003进行均值、标准差计算和作图，利用SPSS 18.0的ANOVA模块（LSD法，α=0.05）进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 土壤和阻控剂中Cd的含量

土壤中Cd的含量为1.567±0.03 mg/kg，根据我国土壤环境质量标准（GB15618-1995，2类，0.3 mg/kg）和单因子指数评价（5.22），可见，试验区稻田土壤属于重度Cd污染区。此外，由表1可知，供试硅肥中总Cd含量为0.571±0.02 mg/kg，GB/T 23349-2009中重金属Cd的指标为≤0.0010%，本供试硅肥中总Cd含量符合国家农用标准，但它的长期施用是否会对农田土壤和水稻富集Cd存在风险有待商榷。

2.2 阻控剂对水稻株高和产量的影响

如表3所示，与CK相比，施用阻控剂后水稻株高都有不同程度的提高，其增幅为0.83%~3.75%，但这5种阻控剂处理对株高的影响不存在显著性差异（p＞0.05）。本研究所用水稻品种株两优819属两系杂交早稻，其鉴定产量一般为400.0 kg/667m2以上，但是没有施用阻控剂的（CK）条件下，水稻产量仅为257.1 kg/ 667m2，与鉴定产量相比，其产量下降了35.75%。可见，种植在重金属重度污染区的水稻减产幅度较大。施用不同类型的阻控剂后，水稻产量都有不同程度的增产，其增幅为2.21%~24.25%，对水稻产量贡献大小依次为ZP＞GF＞SH、YX、YG，但仍低于水稻品种产量鉴定值（400.0 kg/667m2），其原因一方面是本研究中仅施加了农田基肥，没有追肥，造成肥力不足，水稻产量下降；另一方面就是土壤重金属污染导致水稻产量下降。与CK相比，5种阻控剂处理下水稻产量均存在显著性差异（p<0.05），其中产量最高的是ZP处理，增产24.25%，其次为GF处理，增产20.88%。由于所用的硅肥、石灰和自配阻控剂本身偏碱性，能有效调节土壤酸碱性，使pH值从5.92上升到7.54~8.01。研究表明，施硅肥可以有效提高水稻的产量，且有效硅的含量随土壤pH值的升高而增加，土壤中的有效硅含量直接影响水稻对硅元素的吸收利用[5]。硅肥的主要作用是提高了水稻的产量，而对水稻茎叶中硅元素没有显著影响[6]，施加叶面硅肥，可以使硅元素直接被水稻叶片吸收，从而提高产量。自配阻控剂中含有一定比例的有效磷，也促进了水稻产量提高[7]；叶面锌肥的施用，改善了单施入土壤的锌的低利用率，提高了水稻对锌元素的吸收以及锌元素的增产作用。

表3 5种阻控剂对水稻株高和产量的影响

图1 水稻不同生育期各器官中Cd含量的变化

2.3 水稻不同生育期各器官中Cd含量的变化

在水稻整个生育期内，分别取分蘖期、孕穗期和收获期的植株样品进行Cd含量的测定。如图1所示，随着生育期的延长，根系、茎秆和叶片中Cd含量均表现不同的变化规律，但根系是富集Cd最多的部位，即根＞叶＞茎。Cd在杂交稻茎叶中的分配比例相差很大[8]，有研究表明，叶片繁茂的植物叶部对营养物质的积累更强[9]。在重度Cd污染水平下，株两优819在进入分蘖期之初受到Cd胁迫可诱发植株大量进行无效分蘖，促使叶片非正常生长，由于叶片通过蒸腾作用使Cd往上迁移积累，也是导致整株水稻叶片富集Cd的原因之一[10]。

图1（A）所示，根系Cd含量在3个生育期中呈先升高后降低的趋势，Cd含量的最大值出现在孕穗期，说明在分蘖期-孕穗期是根系生长的旺盛阶段，根系主动吸收营养物质的同时伴随着对Cd的吸收。随着地上部分营养器官和生殖器官的生长，进入根部的Cd会不断向地上迁移，且在长期受到Cd胁迫下根系活力会明显降低[11]，从而在乳熟期—成熟期对Cd的吸收积累呈下降趋势。与CK相比，除了YX和YG之外，其他阻控剂能显著降低根系的Cd含量（p<0.05），以GF处理的效果最佳，其次为ZP和SH处理。

由图1（B）可知，茎秆作为连结水稻根部和叶片的通道，其Cd的来源主要是根部的向上迁移。不同时期水稻茎秆中Cd含量的总体变化表现为先下降后回落或稳定或下降，在没有添加阻控剂的条件下其规律与唐非等[12]研究结果相似，说明在分蘖期水稻叶片进行营养生长时，利用蒸腾作用促使根系与茎秆中的Cd往上迁移，以后进入孕穗期的生殖生长时则主要向穗部输入，使得茎秆孕穗期之后Cd含量无较大变化。添加阻控剂的小区，茎秆中Cd含量在收获期较生育前期表现下降的趋势，说明阻控剂有效抑制了茎秆的Cd积累。与CK相比，GF处理在孕穗期和收获期显著降低了茎秆中Cd的含量（p<0.05），而ZP处理在收获期显著降低了茎秆中Cd的含量（p<0.05）。

由图1（C）可知，在分蘖期-孕穗期-成熟期，水稻叶片中Cd含量呈先下降后上升趋势。刘昭兵等[7]研究表明，水稻在分蘖期和成熟期是吸收Cd的主要阶段。叶片Cd含量在孕穗期最低，说明叶片通过分蘖期的旺盛生长后，生物量增加，从根部迁移上来的Cd在叶片间均衡分布，减少了叶片整体上Cd质量分数。在孕穗期到收获期，水稻由于长期受Cd胁迫，中下部叶片表现枯黄，干物质下降，枯黄的叶片中Cd物质与营养物质共同转运到生命力旺盛的新叶中。随着穗粒的形成，自根传输的Cd在水稻地上部分进行重新分配，叶片中Cd一部分积累，一部分向穗部输入，到成熟期后，根系迁移上来的Cd在叶中逐渐富集到最大。与CK相比，YX处理对水稻分蘖期叶片Cd含量有显著影响（p< 0.05），在孕穗期抑制效果最佳；在孕穗期至收获期，ZP和YX处理对叶片吸收Cd有促进作用，这可能是由于该时期水稻对营养物质需求旺盛而有害物质Cd被协同吸收。胡坤等[13]研究表明，一定量的中量元素肥料（Ca、Mg、S）的施用能显著促进水稻秸秆对Cd的吸收积累，阻止Cd向籽实中迁移。因此，在叶片中的Zn/Cd的拮抗作用以及自配阻控剂中多种元素与Cd作用阻控了Cd向上迁移而积累在叶片中。GF和SH处理在孕穗期至收获期对叶片吸收Cd有一定的抑制效果。

表4 收获期水稻不同部位Cd的含量

综上所述，不同阻控剂在不同时期对水稻器官的作用效果不尽相同，基施硅肥在水稻分蘖期和孕穗期可以明显抑制根系和茎秆对Cd的吸收积累；石灰和自配阻控剂在收获期对水稻根系有显著抑制效果；叶面锌肥和叶面硅肥在孕穗期对水稻叶片Cd积累有明显的抑制效果。因此，在水稻生育前期施加土壤阻控剂能发挥最佳效果，而叶面喷施阻控剂在孕穗期使用能起到最佳抑制效果。

2.4 阻控剂对水稻收获期各器官中Cd含量的影响

由表4可知，在收获期，水稻各部位中Cd的含量是根＞叶＞茎＞糙米。与CK相比，各阻控剂对水稻根部的降Cd幅度为5.71%~21.18%，对水稻茎部的降Cd幅度为10.76%~25.01%，对水稻叶片的降Cd幅度为3.74%~31.78%，对水稻糙米的降Cd幅度为23.57%~ 46.43%，除了石灰和叶面硅肥处理，其他处理糙米中Cd含量均低于国家大米的标准限值（0.20 mg/kg），其中，叶面锌肥处理的降Cd效果最明显，降Cd效率为46.43%，其次是自配阻控剂和基施硅肥处理，降Cd效率分别为39.29%和39.28%。研究表明，施硅肥和叶面喷施硅肥对水稻均有不同程度的降Cd作用，基施硅肥的主要作用是在水稻根系吸收Cd之前降低土壤中有效Cd的含量，促进其转化为铁锰氧化物等生物利用性低的结合物[14]；对水稻体内已存有的Cd具有阻控其质外体运输途径固化在周围的细胞中的作用。叶面硅肥的作用除了与基施硅肥有相同的阻控效果之外，还能通过提高叶片对Cd胁迫的抵抗能力来抑制Cd的富集[15]。但胡坤等[13]认为，土壤添加硅肥对水稻吸收Cd有抑制作用，而叶面喷施硅肥对水稻吸收Cd无显著影响。石灰对水稻富集Cd的阻控效果已有大量研究，但是在重度Cd污染区阻控水稻富集Cd的效果不是很理想，还需要结合其他措施[16]。叶面锌肥对供试水稻叶片的拮抗作用表现为促进叶片对Cd的富集，抑制Cd向籽实迁移。自配阻控剂除了含有相关钙元素与石灰的作用相似外，其富含多种其他元素也是其具有较好阻控Cd效果的部分原因[15，17]。

3 结论

在整个生育期内（分蘖期、孕穗期和收获期），株两优819根部Cd积累量呈先上升后下降的趋势，茎部Cd积累量呈下降至平稳状态，叶部Cd积累量先下降后上升趋势。与对照相比，5种阻控剂均能显著提高水稻产量，增幅为2.21%~24.25%，且对水稻各部位的Cd积累均有一定抑制作用，其中基施硅肥在分蘖期-孕穗期抑制效果明显，石灰和自配阻控剂在收获期抑制效果明显，叶面锌肥和叶面硅肥在孕穗期抑制效果明显。在重度Cd污染区，5种阻控剂均能显著阻控水稻富集Cd，其中，基施硅肥、自配阻控剂和叶面锌肥能够显著降低糙米中Cd的含量，降幅为39.28%~46.43%，处理后其糙米Cd的含量低于国家食品卫生标准限值。

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Effects of Different Inhibitor on Reducing Cadm ium Content of Rice

LONG Sisi1,SONG Zhengguo2,LEIMing1*,YU Li1,WANG Yikang1,JIANG Hongfang3
（1College of Resources and Environment,Hunan Agricultural University,Changsha 410128,China;2Key Laboratory of Production Environment and Agro-product Safety of Ministry of Agriculture/Tianjin Key Laboratory of Agro-environment and Food Safety,Tianjin 300191,China;3Hunan Anbang New Agricultural Science and Technology Corp/Hunan Anbang Academy of Agricultural,Hengyang,Hunan 421200,China;1st author: 358719093@qq.com;*Corresponding author:leiming8297@163.com）

The effects of lime,silicon fertilizer,silicon foliar fertilizer,zinc foliar fertilizer and mixed fertilizer（our own product）on reducing Cd contents in brown rice were studied,using Zhuliangyou 819 asmaterial which was planted in serious Cd-contaminated field.The results showed that compared with the control,there was no significant effects on the heights of rice with the five inhibitors treatment,but the yield significantly increased,especially with the mixed fertilizer treatment,which increased rice yield by 24.25%. Compared with the control,the five inhibitors all had the effects of reducing the Cd contents in brown rice,the effects of the zinc foliar fertilizer treatmentwas the best,the Cd contents in brown rice was decreased by 46.43%,followed by themixed fertilizer and silicon foliar fertilizer treatment.The Cd contents in brown rice was lower than the value of the national standard after dealing with zinc foliar fertilizer,mixed fertilizer and silicon foliar fertilizer.

rice;cadmium;inhibitor;soil;heavy pollution area

S511.062

：A

：1006－8082（2017）03－0030－05

2017－01－21

农业部、财政部农办财函〔2015〕38号；湖南省农委、财政厅湘农联〔2015〕112号；湖南省安邦农业研究院资助项目