叶面喷施硅硒联合水分管理对水稻镉吸收转运特征的影响

高 敏 ，周 俊 ，刘海龙 ，胡远妹 ，徐 磊 ，梁家妮 ，黄贵凤 ，周 静

（1.中国科学院南京土壤研究所土壤环境与污染修复重点实验室，南京 210008；2.中国科学院大学，北京 100049；3.国家红壤改良工程技术研究中心，中国科学院红壤生态实验站，江西 鹰潭 335211；4.江西省重金属污染生态修复工程技术研究中心，南昌330096；5.贵溪市环境保护局，江西 贵溪 335400）

镉是人体非必需且生物毒性很强的重金属元素[1]，也是土壤中重要污染物之一，即使较低的镉浓度对土壤生物活性、多样性、植物生长甚至是人体健康都有严重威胁[2－3]。水稻是世界主要的粮食产物，土壤镉污染会造成稻米镉含量超过粮食安全国家标准（Cd＜0.2 mg·kg－1），食用镉超标大米是人体镉积累的主要来源[4－5]，对人体健康造成严重危害。土壤镉污染转移到食物链是一个全球环境问题，近年来稻米镉超标问题引起了广泛关注[4，6－7]。

硅是一种常见的类金属元素，虽然不是植物生长发育所必需的，但其能促进植物生长，提高植物生长的抗逆性[8]，在缓解土壤重金属镉对植物的毒害过程中扮演着重要角色[9]。然而，中国南方土壤中由于脱硅富铁铝化作用，植物可利用性硅含量较少[9]，适当提高植物可利用硅含量，对植物阻控镉污染具有一定积极作用[10]。硒是人类和动物的必需微量元素，其可以减轻镉、砷、汞等多种重金属的毒性，并且是抗氧化硒酶（谷胱甘肽过氧化物酶和硫氧还蛋白还原酶）的活性中心[11]，可通过改变抗氧化酶的活性和对营养元素的吸收提高植物的抗性[12]。与传统的土壤施肥相比，叶面施肥是作物吸收营养元素的方式之一，通过向水稻叶面喷施硅和硒是增加水稻硅、硒营养来源的有效途径。研究表明，喷施叶面肥能显著降低水稻对镉的吸收[13]。此外，在水稻的全生育期进行淹水也能够有效阻控土壤中的有效态镉向水稻地上部运输[14]，但叶面阻控技术联合水分管理对稻米镉阻控效果的报道不多。本文针对我国南方典型的中轻度镉污染农田，研究叶面喷施硅硒阻控剂联合水分管理对稻米镉吸收及转运特征的影响，为重金属污染农田的稻米安全生产技术提供依据。

表1 供试土壤基本理化性质Table1 Characteristics of the tested soil

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验区位于江西省鹰潭市贵溪市江南村（东经117°11′54″，北纬 28°17′27″），该地区为亚热带季风气候，年平均降水量1 881.8 mm，年平均气温18.4℃。根据中国土壤分类系统中的系统分类，供试土壤属于铁渗水耕人为土，其基本理化性质列于表1，根据中国土壤环境质量标准（GB 15618—2008），属于镉中轻度污染。供试晚稻品种为五优华占，是江西省农业厅2016年主推品种，属于三系杂交迟熟偏早晚稻品种。

本试验共设置了8个处理，其操作规程见表2。试验小区面积16 m（24 m×4 m），每个处理3个重复，随机区组排列，四周设保护行。每个小区均单设进、排水口，田埂用6丝的聚乙烯薄膜相互间隔至犁底层，以防止水、肥相互渗透，施肥参照当地水稻的常规施肥，以水稻专用复合肥作基肥，施用量为600 kg·hm－2，分蘖期追施尿素120 kg·hm－2，水稻育苗前用5%次氯酸钠溶液对水稻种子表面消毒15 min，用自来水冲洗后催芽。水稻长至二叶一心时选均匀一致的幼苗进行移栽，移栽时间为2016年7月22日，水稻收获时间为2016年11月4日。叶面喷施硅溶胶阻控剂的制备是通过改进的Liu等[15]的制备方法，即将22.4 mL正硅酸乙酯（TEOS）与22 mL水混合，然后缓慢加入440 mL乙醇和10 mL盐酸，将混合物在室温下搅拌2 h，然后在 40 ℃下搅拌 6 h，定容至 1 L，得到 50 mmol·L－1SiO2溶胶储备液，使用前稀释20倍得到含2.5 mmol·L－1SiO2溶胶。叶面喷施亚硒酸钠溶液的配制为溶解40 mg亚硒酸钠固体于1 L水中。叶面喷施硅硒等体积混合阻控剂的配制是将以上硅溶胶和亚硒酸钠溶液两者等体积混合。硅溶胶、亚硒酸钠溶液、硅硒等体积混合液的pH值分别为2.33、8.27、2.81，其粒径分布由动态光散射仪（DLS，Nanobrook 90 Plus PALS）测定，结果如图1所示。

表2 试验处理及操作规程Table2 Treatments and experimental design

图1 三种叶面喷施溶液的粒径Figure1 Particle size of the three foliar spray solutions

所有处理的叶面喷施量均为100 mL·m－2，并于喷施前每升加入1 mL吐温80，以便于被植物附着。叶面喷施时期为水稻分蘖盛期2016年8月31日和齐穗期2016年9月23日，根据当地叶面肥喷施习惯，选择下午4时左右进行喷施。

1.2 样品采集与分析

水稻样品于成熟期采集，每小区随机取6株，考察有效分蘖数、有效穗数、穗粒数、千粒重和结实率等产量构成因素。植株分为根、茎、叶和籽粒，样品用去离子水冲洗后，在105℃下杀青30 min，然后在75℃下烘干至恒重，称重、粉碎过60目筛。植物样品中的镉含量通过HNO3－HClO4（V∶V=4∶1）消解后，使用电感耦合等离子体发射光谱仪（Optima 8000，USA）测定。实验中使用购于北京物理与地球化学研究所的分析标准物质菠菜（GBW10015）以及空白样对实验误差进行校正。

1.3 相关参数计算

不同处理组的统计分析及方差分析（Turkey HSD）由 IBM SPSSRStatistics 22.0（SPSS，USA）软件计算。使用Origin 9.0作图，R语言ade4程序包进行主成分分析。

转运系数（TF根到茎）=水稻茎中镉浓度（mg·kg－1）/水稻根中镉浓度（mg·kg－1）

转运系数（TF茎到糙米）=水稻糙米中镉浓度（mg·kg－1）/水稻茎中镉浓度（mg·kg－1）

转运系数（TF茎到叶）=水稻叶中镉浓度（mg·kg－1）/水稻茎中镉浓度（mg·kg－1）

2 结果与分析

2.1 叶面喷施硅硒溶液联合水分管理对水稻产量及其构成要素的影响

由表3可知，常规水分管理下，与对照W1CK处理相比，叶面喷施处理W1Se、W1Si、W1SS显著提高水稻穗粒数16.0%～18.6%（P＜0.05），而对水稻产量、有效穗数、结实率及千粒重等要素均没有显著影响（P＞0.05）；孕穗后期持续淹水管理下，与对照W1CK处理相比，W2CK、W2Si和W2Se处理显著提高水稻穗粒数21.1%～29.5%（P＜0.05）。两种水分管理条件下，叶面喷施处理对其他产量构成要素如水稻有效穗数、结实率以及千粒重等均有一定提高，但结果并不显著（P＞0.05）。综上所述，与对照W1CK相比，除了W2SS处理的各处理均能显著提高水稻穗粒数，而其他水稻产量构成要素在各处理间则没有显著差异（P＞0.05）。

2.2 叶面喷施硅硒溶液联合水分管理对水稻各器官镉含量的影响

由图2可知，常规水分处理下，与W1CK对照处理相比，W1Si处理水稻糙米镉含量显著降低71.7%（P＜0.01），W1Se处理糙米镉含量显著降低61.9%（P＜0.05），W1SS处理稻米镉含量显著降低 36.9%（P＜0.05）（图 2A），同时 W1Si、W1Se、W1SS 处理分别降低水稻根系镉含量 45.8%、26.8%、25.3%（P＜0.05）（图2B），分别降低水稻茎镉含量59.7%、51.0%、24.7%（P＜0.05）（图 2D），W1Si处理显著降低水稻叶片镉含量37.9%，W1Se处理和W1SS处理对水稻叶片镉含量没有显著影响（P＞0.05）（图2C）。孕穗后期持续淹水处理下，W2CK与W1CK对照处理相比水稻糙米中镉含量降低57.5%（P＜0.05），同时根镉含量也显著降低（P＜0.05），茎和叶中镉含量则没有显著差异（P＞0.05）；W2Si、W2Se处理与W2CK处理相比，水稻茎中镉含量显著降低，根、叶片、糙米中镉含量均没有显著差异（P＞0.05），W2SS处理与W2CK处理相比水稻糙米和茎中镉的含量显著提高（P＜0.05），水稻茎中镉含量也提高27.4%，但两者差异不显著。综上所述，常规水分管理下，叶面喷施硅溶胶和亚硒酸钠溶液能够有效降低水稻对镉的吸收；稻田孕穗后期持续淹水处理也是能够有效降低水稻镉吸收的另外一种方式；叶面喷施硅溶胶和亚硒酸钠溶液联合稻田孕穗后期持续淹水管理显著降低水稻对镉的吸收，但是其降低的效果与两种措施单独使用效果一致，未见协同效应。

表3 不同处理对水稻产量及其构成要素的影响Table3 Effects of foliar treatment and water management on the grain yield of rice

2.3 叶面喷施硅硒溶液联合水分管理对水稻镉转运系数的影响

重金属转运系数（TF）反映重金属在植物体内的转运，是判断植物吸收、分配与转运重金属的一个重要指标。由图3可知，水稻重金属镉转运系数大小排序为TF根到茎＞TF茎到叶＞TF茎到糙米。与对照 W1CK处理相比，W1Se、W2Si和 W2Se处理均能显著降低 TF根到茎，分别降低 34.5%、31.4%和 34.0%（P＜0.05），其他处理对TF根到茎没有显著影响。叶面喷施硅溶胶和亚硒酸钠溶液在稻田两种水分管理方式下均能提高TF茎到叶，其中叶面喷施硅溶胶达到显著水平，即与对照W1CK处理相比，W1Si处理和W2Si处理分别提高TF茎到叶55.3%和55.9%（P＜0.05），其他处理对TF茎到叶没有显著影响。W2CK处理与W1CK处理相比，TF茎到糙米显著降低47.3%（P＜0.05），而其他处理对 TF茎到糙米没有显著影响（P＞0.05）。

2.4 不同处理与水稻镉含量及转运系数的主成分分析（PCA）

为进一步表明不同处理水稻吸收镉的影响，对8个处理下水稻各部分镉含量、转运系数以及产量要素的结果进行了主成分分析（图4）。将360个数据基于维度简化方法进行主成分分析，结果显示前两个主要成分（PC1和PC2）可以解释的累积贡献率为63.3%，分别占变异的50.1%和13.2%。由图4可知，W2CK处理与W1CK处理（图中实线圈部分）分布在不同的区域，说明孕穗后期持续淹水处理与常规水分处理有较大的差异；W1Si处理与W1Se处理（图中虚线圈部分）与W1CK处理分布在不同区域，说明常规水分管理下，叶面喷施硅溶胶和亚硒酸钠溶液与对照相比有较大差异；另外，W2Si处理及W2Se处理与W2CK处理并没有分离，由此进一步说明，孕穗后期持续淹水管理下叶面喷施硅硒溶液与喷施去离子水相比对水稻吸收镉没有较大差异。

图2 不同处理对水稻根、茎、叶和糙米镉含量的影响Figure2 Effect of water management and different foliar spray treatments on the uptake of cadmium by different parts of rice plants

图4 主成分分析图Figure4 Principal component analysis results from Cd concentration，translocation factors，and yield of rice of 8 treatments

3 讨论

常规水分管理下，叶面喷施硅溶胶能够分别降低水稻糙米、茎及叶中镉含量71.7%、59.7%、37.9%，主要是由于喷施的硅能够迅速以单硅酸的形式被水稻吸收[16]，并在水稻表皮、茎、叶鞘以及维管组织中形成硅化细胞[17]，与细胞壁上的半纤维素形成带负电的螯合物，从而增加对镉的吸附和阻隔[18]，进而缓解镉对水稻的毒害[19]。Wang等[20]的研究表明，叶面喷施硅溶胶能够通过降低水稻体内MDA含量，增加水稻抗氧化能力来缓解水稻镉的毒害。Liu等[15]研究表明当土壤中添加 10 mg·kg－1CdCl2时，叶面喷施 2.5 mmol·L－1硅溶胶，糙米中镉的浓度降低62%。刘传平等[21]和王世华[22]的研究进一步表明，土壤镉浓度为2.0 mg·kg－1时，叶面喷施有机硅溶胶使稻米中镉含量从对照的0.827 mg·kg－1下降到 0.134 mg·kg－1。本研究叶面喷施硅溶胶使中轻度镉污染水稻田中水稻糙米镉含量由1.13 mg·kg－1降低到 0.32 mg·kg－1，虽未达到食品安全国家标准/食品中污染物限量（Cd＜0.2 mg·kg－1），但其降低糙米镉含量的效果达到极显著水平（P＜0.01）。

硒作为植物生长的有益元素[23]，近年来发现，它在缓解水稻重金属污染方面也有重要应用。研究表明，水稻外源施加低浓度的硒可以减轻镉对水稻幼苗的毒害[24]。Wan等[19]研究表明外源添加亚硒酸钠能够显著降低水稻对镉的吸收，本试验采用亚硒酸钠溶液进行叶面喷施，使中轻度镉污染水稻田中水稻糙米镉含量由 1.13 mg·kg－1降低到 0.48 mg·kg－1，其降低糙米镉含量的效果低于喷施硅溶胶但高于喷施硅硒等体积混合液。叶面喷施亚硒酸钠溶液能够降低水稻对镉的吸收，可能是由于其能够调节植物体内活性氧（ROS）和抗氧化酶活性[25]，诱导由褪黑素参与的镉耐受机制[26]。徐向华等[27]研究表明，叶面喷施质量分数为1%的硒掺杂纳米硅溶胶，可以有效缓解水稻砷毒害，水稻籽粒砷含量下降46%。

本试验所配制的硅硒等体积混合液，其对水稻糙米镉含量的降低效果与单独喷施硅溶胶、亚硒酸钠溶液相比较低，推测与等体积混合后胶体粒径增大有关。如图1所示，各溶液粒径大小顺序为硅溶胶＜亚硒酸钠溶液＜硅硒等体积混合液。硅溶胶平均粒径为59.1 nm，其降低水稻糙米镉含量的能力最强，硅硒混合液的平均粒径为161.0 nm，大于硅溶胶和亚硒酸钠溶液，其降低水稻糙米镉含量的能力最弱。我们的结果与Cui等[28]研究结果一致，即粒径越小，抑制镉吸收效果越强。

据报道，调节土壤水分状况，可以改变土壤中的有效态镉含量，进而影响植物对镉的吸收累积[29]。纪雄辉等[30]认为，随着土壤淹水程度的提高，水稻根系、茎叶和糙米各部分的镉含量均显著下降，主要是由于淹水降低了土壤氧化还原电位，增加根际土壤有效硫含量，与土壤中有效态镉形成沉淀，从而降低土壤中有效态镉的含量；李剑睿等[32]的结果表明，淹水后根表Fe2+的含量比常规处理增加了1.2倍，根表镉含量则是常规处理的82.6%，Cd2+与Fe2+对根表吸附点位的竞争作用导致根表镉含量下降，进而影响植物根系对镉的吸收累积。另外，研究发现水稻吸收和积累镉的关键时期是扬花期后[31]，这个关键时期采用淹水措施能够显著降低糙米对镉的积累。本试验孕穗后期持续淹水处理，与常规水分管理相比糙米镉的含量由1.13 mg·kg－1降低到 0.43 mg·kg－1，降低效果显著（P＜0.05）。

由此可见，水稻生长孕穗后期淹水是一种既能保证水稻产量（表3），同时又能有效降低糙米镉含量的农艺措施。本试验中孕穗后期持续淹水联合叶面喷施硅溶胶和亚硒酸钠对糙米镉含量的降低效果与对照相比不显著，其原因可能是淹水后土壤镉的生物有效性低[32]，水稻各部分吸收的镉减少，叶面喷施可阻控的镉含量减少，故而没有显著降低糙米镉的含量。另外，水稻叶面喷施硅溶胶等阻控剂有降低水稻叶片表面蒸腾强度的作用，也降低了水稻对镉的吸收及向地上部分的转运[22]，因而叶面喷施硅硒溶液对水稻吸收和转运镉的效果有可能在一定程度上掩盖了淹水管理对水稻吸收镉的影响，故而本试验中叶面喷施硅硒溶液处理联合孕穗后期持续淹水管理的降镉效果未见协同效应。

两种水分管理下，叶面喷施硅溶胶、亚硒酸钠溶液降低了TF根到茎，提高了TF茎到叶，主要是由于喷施后由根向茎转运的镉减少[33]，使水稻茎中镉的浓度显著降低（P＜0.05）。水稻茎中的镉极易迁移到叶[34]，史新慧等[35]研究表明水稻叶片中含有一种能参与控制水稻内部硅沉积的结合蛋白，沉积的硅能与镉发生沉淀反应或发生分解与有机酸结合在液泡中，最终将镉滞留在运输途径中，降低其向上的转运系数。另外，水稻茎中的节点部位是镉由木质部向韧皮部转运的中心器官[36]，尤其是水稻从上往下第一个节点，表现出最强的镉富集能力[37]，而本试验叶面喷施硅硒溶液可能通过降低节点的镉富集能力，从而降低水稻茎中镉的含量，进而降低TF根到茎，提高TF茎到叶。孕穗后期持续淹水管理下，叶面喷施去离子水处理与常规水分管理相比TF茎到糙米显著下降，说明孕穗后期持续淹水措施能降低镉从茎转运到糙米，从而降低水稻糙米对镉的积累。

4 结论

（1）常规水分管理下，叶面喷施硅溶胶和亚硒酸钠溶液能显著降低水稻根、茎和糙米中镉的含量，降低镉从根到茎和从茎到糙米的转运，增加镉从茎到叶的转运。

（2）未喷施叶面阻控剂时，稻田孕穗后期持续淹水处理降低了镉从水稻茎向糙米的转运系数，显著降低水稻糙米对镉的积累。

（3）叶面喷施硅溶胶、亚硒酸钠溶液和硅硒等体积混合液，与稻田孕穗后期淹水管理两项措施联合，水稻糙米降镉效果未见协同效应。

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