不同时期喷施Zn肥抑制水稻Cd吸收转运的效果

靳 磊，胡召华，纪雄辉，魏 维，谢运河

（1.湖南省微生物研究院，湖南 长沙 410009；2.湘潭市农业委员会，湖南 湘潭 411100；3.湖南省农业环境生态研究所，农田土壤重金属污染防控与修复湖南省重点实验室，湖南 长沙 410125；4.南方粮油作物协同创新中心，湖南 长沙 410125；5.农业部长江中游平原农业环境重点实验室，湖南 长沙 410125）

不同时期喷施Zn肥抑制水稻Cd吸收转运的效果

靳 磊1，胡召华2，纪雄辉3,4,5，魏 维3,4,5，谢运河3,4,5

（1.湖南省微生物研究院，湖南 长沙 410009；2.湘潭市农业委员会，湖南 湘潭 411100；3.湖南省农业环境生态研究所，农田土壤重金属污染防控与修复湖南省重点实验室，湖南 长沙 410125；4.南方粮油作物协同创新中心，湖南 长沙 410125；5.农业部长江中游平原农业环境重点实验室，湖南 长沙 410125）

选择湖南典型镉（Cd）污染稻田，分别在苗期、分蘖初期、分蘖盛期和孕穗期喷施锌（Zn）肥，研究Zn对水稻Cd吸收转运的影响。结果表明：喷施Zn肥可显著提高水稻地上部的Zn含量，并显著抑制水稻对Cd的吸收，分蘖盛期和孕穗期喷施Zn肥，稻米中Cd含量分别降低了45.85%（P＜0.05）和47.52%（P＜0.05）。试验结果还表明，水稻米、茎、叶间Zn-Cd交互作用显著，施Zn可显著抑制水稻对Cd的吸收转运，米Cd含量主要由茎Cd含量决定，但受Zn-Cd拮抗作用的调控。

水稻；锌；镉；重金属；叶面肥

重金属镉（Cd）是生物毒性极强的环境污染元素之一，近20 a来，乡镇企业快速发展，尤其是采矿和冶金工业的发展以及城市废弃物（如污泥、污水）等在农业生产中的重新利用，使得农田重金属污染日趋严重。其中，Cd污染尤为突出，在南方红壤区农田镉超标率为48%。资料显示，20世纪80年代至21世纪初的20 a中，农田土壤Cd含量增加了一倍[1]。在各类Cd污染农田中，有5%～10%的面积严重减产[2]。由于南方土壤pH值普遍较低、吸附力弱、阳离子交换量小，Cd离子的活性较高，容易被作物吸收，并通过食物链进入人体，严重危害人们的健康[3-4]，所以治理任务刻不容缓。

在元素周期表中，锌（Zn）与Cd属同族元素，具有相同的核外电子构型，化学性质相似，是土壤Cd吸附位点以及植株Cd吸收与转运过程中的主要竞争者。Zn是生物体必需的重要微量元素，在体内发挥重要的生理作用，被称为人体的智慧元素[5]。目前，对Cd-Zn交互作用的植物效应已经有了比较深入的研究，Cd-Zn交互作用既有协同的一面[6-7]，也有拮抗的一面[8-11]，还存在加和作用[12]。Adiloglul[13]研究表明施Zn可降低谷类作物Cd的积累，而在缺Zn土壤上施Zn使Cd的积累增加；曲荣辉等[14]通过水培试验也证实，在中低剂量的Cd污染条件下，Zn、Cd间存在明显的拮抗作用；索炎炎等[15]研究表明在Cd低浓度（土壤Cd含量2.5 mg/kg）条件下叶面喷施Zn增加了糙米中的Cd含量，而高浓度（土壤Cd含量5.0 mg/kg）条件下叶面喷施Zn却显著降低了稻米中的Cd含量。由此可见，Cd-Zn交互作用因作物品种、Cd含量、Zn含量的不同存在较大差异。因此，笔者针对我国农田污染的实际情况，选择湖南典型Cd污染稻田，通过不同时期喷施Zn肥研究水稻对Cd的吸收转运的影响，明确在不同时期喷施Zn肥后Cd的迁移转运规律，进一步探明Zn、Cd间的转运机理，为利用Zn肥修复农田Cd污染提供依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤：为花岗岩发育的麻砂泥水稻土，地处长沙县北山镇（N：28°26′38″，E：113°03′ 50″），双季稻种植。土壤pH值5.17，土壤全氮（N）2.75 g/kg，全磷（P）1.12 g/kg，全钾（K）30.6 g/kg，有机质30.1 g/kg，碱解氮217 mg/kg，有效磷29.6 mg/kg，速效钾188 mg/kg。土壤全Cd 0.96 mg/kg，土壤有效态（1 mol/L乙酸铵提取）Cd含量0.34 mg/kg；土壤全Zn 77.5 mg/kg，土壤有效态（1 mol/L乙酸铵提取）Zn含量3.44 mg/kg。

供试水稻：晚稻品种为湖南省杂交水稻研究中心选育的三系杂交中熟晚籼丰源优299。

供试Zn肥：ZnSO4·7H2O（化学纯），溶水后稀释500倍喷施。

1.2 试验方法

试验设5个处理，分别为：CK，常规施肥+喷施清水；P1，常规施肥+水稻苗期（移栽后15 d）喷施Zn肥（以ZnSO4计，下同）3 kg/hm2；P2，常规施肥+水稻分蘖初期（移栽后30 d）喷施Zn肥3 kg/ hm2；P3，常规施肥+水稻分蘖盛期（移栽后45 d）喷施Zn肥3 kg/hm2；P4，常规施肥+水稻孕穗期（移栽后60 d）喷施Zn肥3 kg/hm2。每个处理3次重复，小区面30 m2，随机排列，外设保护区，小区间田埂采用塑料薄膜铺盖至田面20 cm以下。各小区单灌单排，避免串灌串排。所有处理的N、P2O5、K2O施用量分别为150、120、120 kg/hm2，采用当地习惯进行水分及病虫害管理，Zn肥选择阴天或无风多云天气的上午7:00～10:00喷施。

1.3 检测分析方法

植株Cd、Zn含量测定：准确称取粉碎样0.3 g于消煮管中，采用HNO3-H2O2微波法进行消煮，将消煮后的混合液定容后过滤，稀释20～100倍后用ICPMS测定溶液Cd、Zn浓度。ICP-MS检测采用铑（Rh）做内标，回收率90%～105%。

1.4 数据处理方法

Cd、Zn在水稻地上部各个部位之间的迁移情况用转移系数（TF）表示：

式中：TFx-y代表Cd、Zn从x到y之间的转移系数；x和y分别代表水稻地上部的某一部位，如米、茎、叶；Cx、Cy分别代表两个部位中Cd、Zn的浓度。

Cd、Zn在土壤—水稻系统各个部位的相互作用情况用拮抗系数（AF）表示：

式中：AFZn/Cd代表Cd、Zn在x处的拮抗系数，x代表水稻地上部的米、茎、叶；CZn、CCd分别代表该部位中Cd、Zn的浓度。

采用SPSS 17.0及Microsoft excel 2003软件进行数据的统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同时期喷施Zn肥对水稻产量的影响

从图1中可以看出，喷施Zn肥后水稻产量有所提高，其中常规施肥（CK）处理的水稻产量为5 116.51 kg/hm2，苗期、分蘖初期、分蘖盛期、孕穗期喷施Zn肥的水稻产量分别比对照增产1.03%、2.17%、2.15%和1.82%，但差异皆不显著。

图1不同时期喷施Zn肥的水稻产量

2.2 不同时期喷施Zn肥对水稻Cd、Zn含量的影响

由图2可知，喷施Zn肥可降低稻米和茎中的Cd含量，且不同时期喷施处理间差异显著，其降Cd效果随喷施时间的后移而加强；而喷施Zn肥对叶的Cd含量无明显影响。与对照相比，苗期、分蘖初期、分蘖盛期、孕穗期喷施Zn肥，其米中的Cd含量分别降低了3.79%、19.85%（P＜0.05）、45.84%（P＜0.05）和47.51%（P＜0.05），其茎中的Cd含量分别降低了15.45%、18.22%、35.88%（P＜0.05）和41.62%（P＜0.05）。苗期喷施Zn肥对水稻米、茎Cd含量皆无显著影响，表明苗期喷施Zn肥对水稻Cd吸收的影响不明显；分蘖初期喷施Zn肥可显著降低米Cd含量，其降低效果低于分蘖盛期和孕穗期喷施，且其降低茎Cd含量的效果不明显；分蘖盛期和孕穗期喷施Zn肥可显著降低米、茎Cd含量，两个时期喷施Zn肥降低水稻Cd含量的差异不明显。由此可见，从降低水稻对Cd的吸收积累看，分蘖盛期和孕穗期是喷施Zn肥的适宜时期。

图2不同时期喷施Zn肥的水稻Cd含量

测定水稻成熟期米、茎、叶中的Zn含量，结果如图3所示，喷施Zn肥可显著增加米、茎、叶中的Zn含量，不同器官间Zn含量高低表现为叶＞茎＞米，且Zn肥喷施时间越晚，米、茎、叶中的Zn含量增加越多。与对照相比，苗期、分蘖初期、分蘖盛期、孕穗期喷施Zn肥，其米中的Zn含量分别增加了5.47%、25.61%、49.27%（P＜0.05）和34.79%（P＜0.05），其茎中的Zn含量分别增加了41.64%（P＜0.05）、65.22%（P＜0.05）、95.24%（P＜0.05）和108.33%（P＜0.05），其叶中的Zn含量分别增加了20.11%、104.72%（P＜0.05）、129.37%（P＜0.05）和266.41%（P＜0.05）。由此可见，除苗期喷施Zn肥对水稻米、叶Zn含量无显著影响外，其余时期喷施Zn肥皆可显著提高水稻米、茎、叶的Zn含量，且随着Zn肥喷施时间的后移，水稻对Zn的吸收积累越多。

图3不同时期喷施Zn肥的水稻Zn含量

2.3 喷施Zn肥对水稻转运Cd、Zn及Zn-Cd拮抗作用的影响

以米、叶Cd、Zn含量与茎Cd、Zn含量的比值计算Cd、Zn的转运系数（TF茎-米、TF茎-叶）结果如表1所示，喷施Zn肥对Cd的TF茎-米系数无显著影响，而Cd的TF茎-叶系数则随Zn肥喷施时期的后移逐渐增大。这表明水稻从茎向米转运Cd的能力相对稳定，米中的Cd含量主要受茎Cd含量的影响；叶对Cd的吸收与叶Zn向茎的转运呈现出协同效应，随着Zn肥喷施时间的后移，Cd从茎向叶转运的能力逐渐增强，但由于转运时间缩短，叶Cd含量并没有明显的增加。

表1不同时期喷施Zn肥水稻Cd、Zn转运系数及拮抗系数

喷施Zn肥降低了Zn的TF茎-米系数，但增加了其TF茎-叶系数，不同喷施时期Zn的TF茎-米系数无明显差异，但Zn的TF茎-叶系数随喷施时期的推迟呈增加趋势。这可能是喷施的Zn主要靠叶吸收，并通过叶片逐渐向茎、米转移，而随时间的后移，水稻生长加快，吸收能力增强，但叶Zn向茎、米转运时间缩短，转运量占叶片吸收量的比重逐渐降低，叶向茎转运的Zn量高于茎向米转运的Zn量，从而出现Zn的TF茎-米系数与TF茎-叶系数随Zn肥喷施时期后移呈现不同的变化趋势。

以米、茎、叶中Zn/Cd含量的比值计算水稻地上部器官中的Zn-Cd拮抗系数（AFZn/Cd），由表1可知，米、茎、叶的AFZn/Cd系数皆随Zn肥喷施时间的延迟逐渐增加，且叶＞米＞茎。叶是吸收积累Zn的最主要器官，其Zn-Cd拮抗系数随Zn肥喷施时间的后移逐渐增加主要是叶对Zn的吸收积累能力增强所致；而米、茎的AFZn/Cd系数随Zn肥喷施逐渐增大的主要原因是Zn通过叶转运至水稻茎、米甚至根部，与Cd产生拮抗作用，抑制了水稻对Cd的吸收，其抑制能力随Zn肥喷施时期的推后而增强，且Zn对米吸收Cd的拮抗能力高于茎。

2.4 水稻Cd、Zn吸收与水稻Cd、Zn转运及拮抗作用间的关联

从表2中可以看出，米Cd含量与茎Cd含量极显著正相关，叶Cd含量与米、茎Cd含量皆相关不明显；米Cd含量、茎Cd含量皆与米、茎、叶Zn含量呈极显著负相关，而叶Cd含量与米、茎、叶Zn含量皆相关性不显著；这表明米、茎Cd含量与Zn含量存在显著的拮抗作用，水稻对Zn的吸收可显著降低茎、米中的Cd含量。

分析水稻Cd含量与Cd、Zn转运系数及拮抗系数间的相关性，结果如表3所示，水稻米、茎、叶中的Cd含量与Cd的TF茎-米系数相关性无明显规律，但与Zn的TF茎-米系数皆呈正相关关系，表明水稻对Cd、Zn的转运能力成正比，即水稻吸收Cd能力增强的同时吸收Zn的能力也随之增强；而米、茎Cd含量与Cd、Zn的TF茎-叶系数皆呈显著或极显著负相关关系，而叶Cd含量与Cd、Zn的TF茎-叶系数皆呈正相关关系，但相关性不显著，表明茎向米、叶中转运Cd、Zn的能力越强，水稻茎、米中的Cd含量越低，而叶Cd含量则受其影响不明显；米、茎Cd含量与米、茎、叶AFZn/Cd系数皆呈极显著负相关，而叶Cd含量与之相关性不显著，表明Zn/Cd比值越大，Cd、Zn拮抗作用越大，水稻对Cd的吸收积累越少，水稻茎、米中Cd含量越低。

表2不同时期喷施Zn肥水稻Cd、Zn含量间的相关系数

表3不同时期喷施Zn肥水稻Cd含量与Cd、Zn转运系数及拮抗系数间的相关系数

3 讨 论

水稻生长呈先慢后快再慢的“S”型曲线，其在苗期生长较为缓慢，对营养的需求较少，吸收能力较弱[16]，苗期喷施Zn肥对水稻Cd、Zn含量的影响不明显，而随水稻生长的加快，水稻生物量增加，吸收能力增强，水稻叶片对喷施的Zn吸收能力和转运能力增强，显著提高了水稻叶、茎、米的Zn含量，但由于叶是吸收Zn的主要器官，其吸收的Zn向茎、米甚至根部转移，满足了水稻对Zn的需求，水稻从土壤中吸收Zn的量减少，而根系运输Zn和运输Cd的载体和离子通道基本相同[17]，水稻对Zn吸收减少的同时也会降低水稻对Cd的吸收。而在水稻体内，Zn由叶向茎中转移，Cd则由茎向叶中转运，两者方向相反，表现为协同作用；随着Zn肥喷施时间的后移，叶Zn向茎转运能力随之增强，同时也促使茎Cd向叶的转运能力增强，但由于转运时间缩短，叶Cd含量并没有明显的增加；而Zn、Cd在水稻茎、米中表现出显著拮抗作用，随着Zn向茎、米转运量的增加，茎、米中的Cd含量显著下降。

相关分析结果显示，水稻对Cd、Zn的转运能力成正比，即水稻吸收Cd能力增强的同时吸收Zn的能力也随之增强；稻米Cd含量与茎Cd含量呈极显著正相关，表明只有从源头控制了水稻对Cd的吸收才能真正实现稻米中Cd含量的安全；分析结果还表明，米、茎Cd含量与米、茎、叶AFZn/Cd系数皆呈极显著负相关，表明Zn/Cd比值越大，Cd、Zn拮抗作用越大，水稻对Cd的吸收积累越少，水稻茎、米中Cd含量越低。由此可见，稻米Cd含量与茎Cd含量直接相关，但同时受Zn-Cd拮抗作用的调节，茎Cd含量决定了米中Cd含量的容量，而Zn-Cd拮抗作用则对米Cd含量起调控作用，这与Christensen[18]、Bunluesin[19]、宋正国[20]等的研究结果一致，Cd-Zn交互作用主要受Zn/Cd比（质量比）的影响，Zn/Cd比与水稻Cd吸收呈显著负相关。

该试验结果还表明，分蘖盛期和孕穗期喷施Zn肥降低水稻Cd吸收的效果较理想，苗期喷施的效果较差。但由于叶面喷施Zn肥受天气、水稻品种、土壤Zn/Cd含量水平、喷施均匀度等多因素的影响，喷施效果存在较大差异，该研究仅对水稻孕穗期之前不同时期进行了喷施试验，不同时间段的组合喷施、孕穗期以后喷施、外界环境对水稻降Cd效果的影响均有待系统研究。

4 结 论

喷施Zn肥可显著提高水稻叶、茎、米Zn含量，降低水稻对Cd的吸收，其效果皆随喷施时间的后移而增强，分蘖盛期和孕穗期喷施Zn肥降低稻米Cd含量的效果最明显；喷施Zn肥条件下，水稻米、茎、叶的对Cd、Zn的吸收存在显著的拮抗作用，米Cd含量主要由茎Cd含量决定，但受Zn-Cd拮抗作用的调控。

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（责任编辑：成 平）

Effects of Zinc Foliar Application at Different Growth Stages on Cadmium Absorption and Transport in Rice

JIN Lei1，HU Zhao-hua2，JI Xiong-hui3,4,5，WEI Wei3,4,5，XIE Yun-he3,4,5
（1. Hunan Academy of Microbiology, Changsha 410000, PRC; 2. Agricultural Committee of Xiangtan, Xiangtan 411100, PRC; 3. Hunan Agro-Environment and Ecology Institute , Hunan Key Lab of Prevention, Control and Remediation of Agro-Soil Heavy Metal Pollution, Changsha 410125, PRC; 4. Southern-China Collaborative Innovation Center for Grain and Oil Crops, Changsha 410125, PRC; 5. Key Laboratory of Agro-Environment in Plain of Middle Reaches of Yangtze River, Minister of Agriculture, Changsha 410125, PRC）

In this study, a field experiment was conducted in the Hunan typical Cd-contaminated paddy soil to investigate the influence of Zn fertilizer foliar spraying at different growth stages on Cd uptake and translocation in rice. The result showed that the Zn foliar application significantly increased the Zn content in the aboveground parts of rice and obviously inhibited the Cd absorption by rice. The Cd content in rice grain reduced by about 45.85% (P＜0.05) and 47.52% (P＜0.05) under the Zn foliar spraying at active tillering stage and booting stage, respectively. Zn-Cd interactions in rice grain, stems and leaves were remarkable, Zn application significantly inhibited the Cd absorption and translocation in rice, and the grain Cd content was mainly determined by the stem Cd content and regulated by the antagonistic action of Cd-Zn in rice.

rice; Zn; Cd; heavy metal; foliage fertilizer

S143.7+2

：A

：1006-060X（2017）08-0037-04

10.16498/j.cnki.hnnykx.2017.008.010

2017-06-08

水利部公益性行业专项经费项目（201501019）；湖南省重点研发计划-农业领域技术创新项目（2016NK2190）

靳 磊（1984-），男，湖南长沙市人，助理研究员，主要从事农田重金属污染修复治理研究。

谢运河