叶面喷施不同浓度锌对水稻锌镉积累的影响

2018-08-02吕光辉李佰重朱奇宏朱捍华黄道友

农业环境科学学报 2018年7期

吕光辉，许超，王辉，帅红，王帅，李佰重，朱奇宏，朱捍华，黄道友

（1.湖南师范大学资源与环境科学学院，长沙 410081；2.中国科学院亚热带农业生态研究所，亚热带农业生态过程重点实验室，长沙 410125；3.湖南农业大学资源环境学院，长沙 410128）

矿业活动、工业生产、金属和含金属化合物的农用导致重金属释放到土壤环境中，世界多数国家土壤重金属污染问题突出[1]。镉（Cd）是一种毒性高、移动性大的金属元素，土壤中的Cd易被作物吸收，进入食物链危害人体健康[2]。水稻是世界上最主要的粮食作物之一，也是对Cd吸收能力最强的大宗谷类作物[3]，糙米Cd污染问题备受关注。因此，有必要采取高效措施降低稻米Cd含量，减少人体对Cd的摄入。

利用竞争性阳离子与Cd2+的拮抗效应来抑制Cd吸收或转移到作物可食部的农艺调控方法，已逐渐成为Cd污染治理研究的焦点[4-11]。锌（Zn）是植物生长必需的微量元素，由于Zn和Cd两种元素的相似性，使植物对其吸收具有拮抗作用[5，7，9，12-13]。土施和喷施ZnSO4都可降低作物Cd含量，且喷施处理的效果优于土施处理[7，9，14-15]。研究表明，喷施 Zn 肥可通过抑制根部Cd吸收[7，16]和降低作物体内Cd转运而降低其可食部 Cd 含量[5，9，12，17-18]，但两者所起的作用在不同作物中表现并不一致[5，7，18]。

水稻根、第一节和穗轴在Cd吸收和向籽粒转运中起着关键性的作用[19-25]，Huang等[22]研究表明，叶面喷施纳米Si显著降低了根到第一节和第一节到穗轴的Cd转运系数，从而降低稻米Cd含量。近年来研究表明，喷施ZnSO4可有效降低水稻稻米Cd含量、提高其 Zn 含量[14，17-18，26]，然而其作用机制尚不明确，喷施ZnSO4对水稻吸收转运Cd关键节点影响的研究尚未见报道。为此，本研究采用田间试验，研究叶面喷施不同浓度的ZnSO4对水稻产量、籽粒、穗轴和其他营养器官Cd和Zn含量的影响及籽粒Cd含量与Cd转运系数的关系，确定水稻籽粒降Cd增Zn效果最佳的Zn肥施用量，并探讨其作用机制，以期为稻米Cd污染的农艺防治提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

田间试验选址为湖南省长沙市长沙县北山镇（112°56'15″～113°30'00″E，27°54'55″N）某Cd污染稻田。北山镇属于亚热带季风气候，气候温和，降雨充沛，当地年平均气温为16～20℃，年平均降水量为1200～1500 mm。供试稻田土壤基本理化性质见表1。

供试水稻品种为株两优189（两系杂交籼稻，湖南希望种业有限公司）。供试ZnSO4为ZnSO4·7H2O，由国药集团化学试剂有限公司生产。

1.2 试验设计

设置 6个叶面喷施处理：（1）CK，不施 Zn；（2）Zn1，1 g·L-1Zn（ZnSO4）；（3）Zn2，2 g·L-1Zn（ZnSO4）；（4）Zn3，3 g·L-1Zn（ZnSO4）；（5）Zn4，4 g·L-1Zn（ZnSO4）；（6）Zn5，5 g·L-1Zn（ZnSO4）。每个处理5次重复，共30个小区，每个小区面积为6 m2。所有小区随机区组排列，水稻植株间距为20 cm×20 cm，每小区种植126兜水稻（每兜3株）。每公顷基施复合肥（10-5-10）1200 kg（即基施 N 120 kg·hm-2、P2O560 kg·hm-2、K2O 120 kg·hm-2），在水稻移栽前1 d施入。水稻的耕作管理与当地农民的耕作管理保持一致。2017年4月19日进行水稻移栽，6月6日和6月9日（灌浆初期）待叶片水干后进行喷施处理，每次叶面喷施水量为1500 L·hm-2（对照喷施等量清水）。2017年7月18日水稻成熟收获时测产。

1.3 样品采集与处理

成熟期取水稻植株样品，用自来水洗净后再用去离子水清洗，清洗后的水稻植株分为稻谷、穗轴（包括小穗轴和穗节）、旗叶（包括叶片和叶鞘）、第一节间、第一节、其他叶（除旗叶外的其他叶片和叶鞘）、其他节和节间（除第一节外的其他节和节间）和根，于105℃下杀青30 min，70℃烘干至恒质量。稻谷烘干后利用脱壳机（JLGJ 4.5，Taizhou Grain Meter Factor，Zhejiang，China）分为糙米和稻壳。水稻各器官样品粉碎后备用。

1.4 植株样品测定

植株各器官Cd、Zn含量采用HNO3-HClO4（VHNO3∶VHClO4为5∶1）消解，滤液用电感耦合等离子光谱发生仪（ICP-OES，720ES）测定。

表1 供试土壤基本理化性质Table 1 Basic physical and chemical properties of the tested soil

1.5 数据处理

转运系数（TF）（Transfer Factor）是指植物上部某元素的质量分数与植物下部某元素质量分数之比，用来评价植物将重金属从下部向上部运输的能力[27]。用Excel 2010软件进行试验数据的处理及表格制作，SPSS 19.0软件进行统计分析，Tukey's HSD（Honest Significant Difference）法做多重比较和差异显著性检验，Person法进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 稻谷产量

随着叶面喷施Zn浓度的提高稻谷产量呈降低趋势，但各处理间水稻产量无显著差异（P＞0.05）（图1）。

2.2 各器官Cd含量

水稻不同器官Cd含量表现为根＞第一节＞旗叶＞其他叶＞其他节和节间＞穗轴＞稻壳＞第一节间＞糙米（图2）。随着喷Zn浓度的增加，各器官Cd含量呈现先降低后增加的变化趋势。与CK处理相比，叶面喷Zn使糙米、稻壳、穗轴、第一节间、第一节、旗叶、其他叶、其他节和节间、根Cd含量分别降低9.0%～47.8%、10.7%～27.5%、3.7%～29.4%、5.5%～47.0%、9.5%～53.6%、7.6%～44.1%、5.7%～45.4%、16.1%～62.7% 和4.2%～18.9%，表明叶面喷施1～5 g·L-1ZnSO4可在一定程度上降低水稻各器官Cd含量，其中喷施4 g·L-1ZnSO4糙米Cd含量降低最大，达47.8%。糙米Cd与稻壳Cd、穗轴Cd、旗叶Cd、第一节间Cd、第一节Cd、其他叶Cd、其他节和节间Cd、根Cd均呈显著正相关关系（P＜0.01），相关系数分别为 0.653、0.856、0.878、0.857、0.853、0.876、0.861和0.745（图3）。

图1 叶面喷施不同浓度Zn对水稻产量的影响Figure 1 Effect of foliar application different concentrations of zinc on rice yield

2.3 各器官Zn含量

水稻不同器官Zn含量表现为：第一节＞其他叶＞旗叶＞其他节和节间＞根＞第一节间＞穗轴＞稻壳＞糙米（图2）。随着喷Zn浓度的增加，水稻各器官Zn含量呈逐渐升高的变化趋势。与CK处理相比，叶面喷Zn使糙米、稻壳、穗轴、第一节间、第一节、旗叶、其他叶、其他节和节间、根Zn含量分别显著提高31.7%～55.6%、68.3%～188.0%、81.7%～150.8%、100.7%～172.7%、144.7%～214.7%、588.6%～1571.3%、1035.7%～2068.4%、92.6%～149.8%和63.1%～205.5%（P＜0.05），表明叶面喷施1～5 g·L-1ZnSO4显著提高水稻各器官Zn含量。

2.4 Cd转运系数

旗叶到第一节Cd转运系数（TF第一节/旗叶）＞穗轴到糙米Cd转运系数（TF糙米/穗轴）＞根到第一节Cd转运系数（TF第一节/根）＞第一节到穗轴Cd转运系数（TF穗轴/第一节）（图4）。叶面喷Zn处理TF第一节/旗叶降低1.0%～30.3%、TF第一节/根降低 5.8%～43.7%、TF糙米/穗轴降低 4.7%～26.7%、而TF穗轴/第一节提高5.0%～47.1%。叶面喷Zn降低了Cd从旗叶和根向第一节及穗轴向糙米的转运、促进了Cd从第一节向穗轴的转运，喷施3～5 g·L-1ZnSO4时尤为明显。

糙米Cd含量与第一节/根和糙米/穗轴Cd转移系数显著正相关，与穗轴/第一节Cd转运系数显著负相关（图5）。

3 讨论

本研究结果表明，Cd污染土壤上叶面喷施不同浓度的ZnSO4对水稻产量无显著影响，这与前人的研究结果类似[9，16，18]，这可能是由于供试土壤有效Zn含量较高，不属于缺Zn土壤，不能通过提高作物Zn营养来促进作物生长。

叶面喷施1～5 g·L-1ZnSO4显著提高水稻各器官Zn含量，且随着喷Zn浓度的提高各器官Zn含量逐渐上升（图2）。这可能是由于叶片中的Zn能够通过韧皮部运到其他器官进行再分配[28-29]，随着喷Zn浓度的增加，叶片对Zn的吸收量增加，其他器官的Zn含量会增加；喷施过程中有雾滴落入土壤中导致根部土壤Zn含量及有效性增加，植株对Zn的吸收量增加，Zn由根到地上部的转运增加，进而水稻各个器官的Zn含量增加[30]；喷施Zn增加了叶片上Zn的附着吸附量。与对照相比，叶面喷Zn糙米Zn含量提高31.7%～55.6%（图2），因此，叶面喷Zn是生物强化稻谷Zn含量的一种有效措施。

图2 喷施不同浓度Zn对水稻植株Cd和Zn含量的影响Figure 2 Effect of foliar application of different concentrations of zinc on cadmium and zinc concentrations in rice plants

叶面喷施1～5 g·L-1ZnSO4在一定程度上降低水稻各器官Cd含量，叶面喷施Zn后水稻器官中Cd浓度的降低部分归因于水稻器官中Zn浓度的显著增加，水稻各器官（稻壳除外）Cd与Zn含量之间显著负相关（糙米、穗轴、第一节间、第一节、旗叶、其他叶、其他节和节间、根中Cd与Zn之间相关系数分别为-0.435*、-0.375*、-0.456*、-0.654**、-0.651**、-0.701**、-0.741**和-0.430*）；水稻各器官中Cd与Zn之间表现为拮抗作用。有研究结果表明喷Zn能降低作物Cd含量、Cd与Zn之间表现为拮抗效应[7，12，31-33]。Zn、Cd 之间的拮抗作用会抑制根系对镉的吸收及Cd从根到地上部的转运[26]：一方面Zn与Cd竞争水稻细胞膜表面的吸收位点，Zn吸收量增加，Cd吸收量减少[31]；另一方面Zn与Cd在植物体运输中可以利用相同的转运蛋白，当植物体内Zn含量增加时就会与Cd竞争这些转运蛋白上的重金属结合位点，最终导致植物体内的Cd含量减少[7]。水稻用同一转运蛋白吸收和转运Cd和Zn，如转运蛋白OsZNT1[33]和金属ATPase 2（OsHMA2）转运蛋白[34-35]。本研究结果表明，糙米Cd含量与根Cd含量、第一节/根和糙米/穗轴Cd转移系数显著正相关，与穗轴/第一节Cd转运系数显著负相关，表明叶面喷Zn降低糙米Cd含量主要是由于降低根Cd吸收和根与旗叶向第一节及穗轴向糙米Cd的转运引起的。代晶晶等[16]研究同样表明喷施Zn肥主要是通过减少根部Cd吸收和向地上部Cd转运来降低油菜华俊地上部Cd含量。然而，叶面喷施Zn调控水稻Cd吸收与转运的分子机制需要进一步探讨。