硒肥对水稻生长及其重金属累积的影响①

管文文，戴其根，张洪程，尹雪斌



硒肥对水稻生长及其重金属累积的影响①

管文文1,2，戴其根1*，张洪程1，尹雪斌2*

(1 扬州大学农学院，江苏扬州 225009；2 中国科学技术大学苏州研究院功能农业重点实验室，江苏苏州 215123)

以大田水稻作为研究对象，分析了不同硒肥量对水稻生长特性及重金属(砷、铬、镉、铅)累积的影响，探讨了通过施硒降低重金属在水稻可食部分含量的可行性。结果发现：施用不同量硒肥(30、60 和120 kg/hm2)对水稻分蘖数、株高、单株干物重和产量有促进作用，但差异不显著。施用120 kg/hm2硒肥显著增加了大米中的总硒、无机硒及有机硒的含量，并使有机硒比例增加了16.6%。施用120 kg/hm2硒肥有效抑制了水稻穗部铬和镉的累积量(53% 和45%)，而对铅无明显抑制作用。施用硒肥促进了硒向精米、糠中转移，同时有效降低了精米中镉、铬、铅的累积量。

硒；肥料；水稻；重金属

随着工业化、城市化、农业集约化的快速发展，大量未经处理的废弃物向土壤系统转移，并在自然因素的作用下汇集、残留于土壤环境中，造成农田土壤环境污染。自然界重金属可以通过矿区、冶炼、工业“三废”等途径进入农田生态系统，从而对生态系统和人体健康产生严重威胁[1]。据统计，我国总的土壤点位超标率为16.1%，其中以重金属污染为代表的无机型污染占全部超标点位的82.8%[2]。近年来，重金属(铜、锌、铅、镉、铬、砷等)污染日益受到公众的广泛关注。

硒是人体所必需的微量营养元素之一，是体内抗氧化酶的重要组成部分，具有增强人体免疫力、预防心血管疾病、抗衰老以及抗癌等作用[3]。近年来，有研究发现硒能够与重金属(如镉、砷、汞等)产生拮抗效应，减轻其对植物的毒害作用，降低植物的重金属积累[4]。贺前锋等[5]研究了不同富硒肥料对镉污染稻田稻米降镉富硒的效果，认为喷施富硒肥可使稻米达到增硒降镉的作用，但不同肥料的效果不同，且相同肥料在不同地点施用其结果也存在差异。有研究表明，在适宜的浓度下硒能抵抗镉、铅、汞等重金属对植物的毒害，降低植物对重金属元素的吸收积累[6]。

为了进一步探讨硒对重金属的调控作用，本研究选取大田种植的水稻作为对象，分析硒肥对水稻生长特性及穗部重金属(砷、铬、镉、铅)累积的影响，为生物强化生产富硒农产品及调控硒的安全水平提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验于苏州市横泾街道水稻示范区进行。供试水稻品种为南粳46号，供试土壤为黄泥土，其基本理化性质见表1。含硒肥料由苏州硒谷科技有限公司提供，总硒含量为5 000 mg/kg。

表1 试验土壤的理化性质

1.2 试验设计

田间试验采取完全随机设计，设置1个对照(CK，不施硒肥)和3个硒肥水平(以单质硒计)(Se30：30 kg/hm2；Se60：60 kg/hm2；Se120：120 kg/hm2)，每个小区面积为667 m2，每处理重复3次。根据GB/T 22499—2008[7]，本研究谨慎地选择了硒肥量，以确保稻米硒含量小于0.300 mg/kg。水稻于2015年5月23日播种，6月11日移栽。于水稻苗期(2015年6月17日)，将含硒肥料通过与尿素混合施入稻田。其他栽培管理措施统一按常规栽培要求实施。

1.3 水稻生物学数据采集

分别在水稻分蘖前期、分蘖后期、孕穗期、灌浆期和成熟期观察茎蘖生长动态。每块试验田取3 ~ 5株水稻重复测量株高、干物质量等。水稻收获后测定实际产量，并将水稻穗分为精米、糠、颖壳和枝梗等部分分别测定。

1.4 硒和其他重金属的测定

取0.2 g左右的样品，置于三角瓶中，用浓硝酸和高氯酸混合酸(4∶1，/)消解。在AFS-9230型原子荧光分光光度计(吉天，北京)上测定硒和砷的含量[8]。用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)测定铬、镉及铅含量。每批样品用空白和标准物质(GBW 07603-GSV-2)控制数据质量。

1.5 精米中无机硒和有机硒的测定

称取粉碎后样品2.0 g于锥形瓶中，加水超声30 min，再加热微沸20 min，转移至离心管10 000 r/min离心1 h。取上清液用环己烷萃取后，按照总硒测定步骤测定样品中无机硒含量，同时测定样品总硒含量，差减后得到有机硒含量[8]。

2 结果与分析

2.1 施硒对水稻茎蘖动态及株高的影响

如表2所示，在不同的生育期3个施硒处理(Se30、Se60和Se120)的水稻分蘖数均高于对照(CK)。随着施硒量的增加，水稻分蘖数也呈现增高的趋势，在孕穗期和灌浆期，Se120处理与CK差异显著。

表2 硒肥用量与水稻群体分蘖数的关系

注：同列不同字母表示各处理在<0.05水平差异显著，下同。

由表3可见，水稻株高随着生长时间的增加而不断增高，在灌浆期达到最高，到成熟期有所下降，3个施硒处理之间无显著差异。在孕穗期，Se120处理的株高比CK显著增加5.3 cm。

表3 硒肥用量与水稻株高的关系

2.2 施硒对水稻干物质重及产量的影响

由表4可见，随着水稻的生长，水稻干物质量逐渐上升，并随施硒量的增加而增加。在分蘖期，Se120处理较CK显著增加50.4 kg/667m2。在孕穗期、灌浆期和成熟期，3个施硒肥处理的水稻干物质量均高于CK，但相互之间差异不显著。CK处理水稻的产量为545.4 kg/667m2，Se30、Se60、Se120处理的产量分别为570.1、572.4 kg和584.6 kg/667m2，施用硒肥对水稻有一定的增产效果，但无显著差异。

表4 硒肥用量对水稻干物质量及产量的影响

2.3 大米中硒的组成

由表5可见，CK处理大米的总硒含量为42.0 μg/kg，Se120处理大米的总硒含量为171.1 μg/kg，比CK处理提高了300%，说明施用硒肥能够显著提高稻米中总硒含量。施用硒肥使大米里的无机硒从13.1 μg/kg增加到25.4 μg/kg，增加了94%。同时，有机硒含量从28.9 μg/kg增加到145.7 μg/kg，提高了400%。CK处理中稻米有机硒占总硒的68.6%，而Se120处理中则达到85.2%。

2.4 水稻穗部硒、砷、铬、镉、铅的累积量

由表6可见，Se120处理水稻穗部精米、糠、颖壳、枝梗中硒累积量均高于CK，分别是CK的4.6倍、6.9倍、2.6倍和2.5倍。在所有部位中，精米中的硒累积量比例最大，CK和Se120处理分别为45.8% 和52.6%；枝梗中硒累积量的比例最小，CK和Se120处理分别为9.0% 和5.5%。

表5 稻米中不同形态硒的含量(μg/kg)

表6 水稻穗部硒、砷、铬、镉、铅的累积量

与硒的分布不同，砷大多聚集在水稻颖壳中(CK和Se120处理分别为72.7% 和70.3%)，而在精米中未检出。虽然Se120处理使糠和颖壳含砷的百分比有所降低，而枝梗中砷的比例增加，但CK和Se120处理在水稻穗部的砷累积量没有显著差异。

CK处理中，精米、糠中铬的累积分别为38.8% 和10.6%，而在Se120处理中，精米、糠中均检测不到铬的累积。枝梗中铬累积百分比变化不大，而颖壳中铬累积百分比从46.6% 增加到96.9%。

镉在精米中累积百分比最高，分别为35.0%(CK)和47.2%(Se120)。施用硒肥后，硒抑制穗部镉的吸收累积由0.207 μg/株下降到0.114 μg/株，总量比CK下降了45%，精米中镉的累积下降25%。但是精米、糠中的镉累积百分比分别增加12.2% 和6.3%，而颖壳和枝梗镉占百分比降低了14.1% 和4.0%。

硒肥处理对穗部铅的累积没有抑制作用，铅累积量反而略微增加(0.05%)。铅主要累积在颖壳中，分别为77.1%(CK)和74.5%(Se120)。施用硒肥后，精米、颖壳、枝梗中的铅累积百分比都有所下降，而糠中铅累积百分比上升了10.1%。

3 讨论

3.1 硒肥对水稻产量和生物学指标的影响

关于施用外源硒对作物产量和生物量的影响方面有两种不同的观点：一种观点认为，适量施用外源硒可以增加作物产量或提高其生物量，原因是适量施硒能增加土壤有效硒含量，有利于土壤有效磷、钾含量的提高，改善土壤肥力，从而影响作物对养分的吸收利用[9]；另一种观点认为，施硒对作物产量和生物量无显著影响[10]。本研究结果显示，土壤施用硒肥使水稻产量、生物量、分蘖数和株高都有所增加，且与施硒量呈现较稳定的同步增加趋势，但处理之间的差异不显著，这与刘庆等[11]在玉米上的研究结果相似。可能是由于本研究施硒方式为土壤基施富硒肥料，有效态硒含量较低，加之土壤的固持作用，所以即使施硒量较高，但施硒并未对水稻的产量和生物量产生显著影响。

3.2 硒肥与精米中硒形态

天然植物中硒主要以无机硒和有机态硒存在，无机硒在体内的吸收、利用率低且毒性较大，中毒剂量与人体需要量非常接近，因而其使用量被严格限制。与无机硒相比，有机硒的最大特点是人体吸收、利用率高，生物活性强，副作用小[12]。因此有机硒含量是补硒产品的主要评价指标。陈历程等[13]研究发现，外源硒能显著提高大米的含硒量和有机硒含量及比例。本研究也发现，土壤施用硒肥不但提高了稻米中总硒的含量，还显著提高了有机硒的含量，说明施用硒肥能促进植株对硒的吸收利用。

陈金等[14]研究发现，在高硒土壤上高硒和低硒大豆品种的籽粒中有机硒含量都高达95%，但是在低硒土壤上高硒和低硒大豆品种都分别下降73% 和30%。与此相似，本研究结果发现，不施硒肥(低硒)处理中稻米有机硒含量占总硒的68.6%，而高硒(120 kg/hm2)处理中稻米有机硒百分比为85.2%，表明高硒土壤有利于稻米中有机硒的合成。

3.3 硒与砷、铬、镉、铅之间的互相作用

硒在提高植物抗逆性、缓解重金属胁迫以及阻碍植物对重金属吸收等方面有着重要作用，但其机制尚不明确。Van和Clijsters[15]认为重金属离子抑制原叶绿素酸酯还原酶活性，最终严重影响植物光合作用。加硒培养，铬毒害水稻幼苗的病症减轻，这可能是硒与重金属等污染元素之间多表现为拮抗关系，硒能增强植物对重金属、环境污染物和生理逆境的抵抗力[16]。

本研究结果显示，硒肥的施用能有效降低穗部铬和镉的累积量，分别降低了53% 和45%。而对铅无明显抑制作用。硒可以减轻镉胁迫对水稻幼苗生长的抑制作用，提高叶片叶绿素含量，增加叶片干物质积累，且有效保护酶活性[17-18]。高硒能够明显降低植株内镉的含量[19]。周大寨等[20]研究表明适量的硒对水稻幼苗生长发育有促进作用，且有拮抗重金属铅伤害的作用。谭周磁等[21]研究结果表明，施硒后稻米中铅、镉、铬含量均有不同程度的降低(10.98% ~ 42.56%)。

本研究施用硒肥能显著增加水稻穗部硒和砷的累积量，分别增加了260% 和85%。由于硒、砷之间较大的化学亲合力，它们在植物体内可能生成一种较稳定、毒性低的硒-砷复合物，从而减轻砷对抗氧化酶活性的抑制作用，减轻活性氧自由基对植物的损伤[5]。

4 结论

1) 施用硒肥对水稻分蘖、株高、干物质量有一定的促进作用，且有一定的增产效应，但差异不显著。硒肥能够显著提高大米的总硒、无机硒及有机硒含量，且使有机硒占总硒比例增加。

2) 土壤施用硒肥能有效抑制精米中铬、镉等重金属的含量，提高稻米品质。

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Effect of Selenium Fertilization on Rice Growth and Accumulation of Heavy Metals in Rice ()

GUAN Wenwen1,2, DAI Qigen1*, ZHANG Hongcheng1, YIN Xuebin2*

(1 College of Agricultural Science, Yangzhou University, Yangzhou, Jiangsu 225009, China; 2 Key Laboratory of Functional Agriculture, Suzhou Institute for Advanced Study, University of Science and Technology of China, Suzhou, Jiangsu 215123, China)

A filed experiment was conducted to explore the effects of different Se fertilization rates on rice growth and the accumulation of heavy metals (As, Cr, Cd, Pb) in rice and to disclose the feasibility to reduce the contents of heavy metals in the edible part of rice by Se fertilization. The results showed that selenium fertilization increased rice plant tillering, height and dry matter weight, but no significant differences existed in different Se fertilization treatments (30, 60, 120 kg/hm2). Selenium fertilization had certain stimulation effect on rice yield. Selenium fertilization significantly improved the contents of total selenium, and inorganic and organic selenium in rice, which were increased by 300%, 94% and 400%, respectively, among of which, the proportion of organic selenium increased from 68.6% to 85.2%. Selenium fertilization significantly increased the accumulation of Se and As in rice panicle by 260% and 85%, respectively, and significantly inhibited the accumulation of Cr an Cd by 53% and 45%, respectively. But there was no significant inhibitory effect on Pb (0.05%). So Se fertilization can promote Se be transported to millde rice and bran, and can inhibit As be transferred from the branches to husk and bran. At the same time, selenium fertilization can effectively inhibit the accumulation of Cr, Cd and Pb in milled rice.

Selenium (Se); Fertilizer; Rice; Heavy metal

广西创新驱动发展专项资金项目(桂科AA17202026-7，桂科AA17202044-1，桂科AA17202026-6，桂科AA17202027-3，桂科AA17202019-2，桂科AA17202010，桂科AA17202038-1)资助。

(qgdai2000@126.com；xbyin@ustc.edu.cn)

管文文(1983—)，女，江苏连云港人，博士研究生，主要从事功能水稻栽培研究。E-mail: guanww007@163.com

10.13758/j.cnki.tr.2018.06.017

S511

A