蘖肥运筹对水稻镉吸收的影响

吴勇俊,张玉盛,杨小粉,郑海飘,汪泽钱,肖 欢,敖和军

(湖南农业大学 农学院/南方粮油作物协同创新中心，湖南 长沙 410128)

近年来，随着我国工业的快速发展以及化石燃料的大量使用，环境污染问题日益严重[1]。镉(Cd)等重金属由于其较强的毒害性[2]，以及在农作物中较高的积累量[3]，使得农产品降Cd技术受到社会各界人士的广泛关注。水稻是我国主要的粮食作物之一，同样也是Cd吸收、富集能力最强的大宗谷类作物[4]。因此，稻米生产的安全性直接影响到人们的生活以及饮食安全[5]，如何解决稻米中Cd污染问题也是未来一段时间内相关领域专家重点研究的课题[6]。

目前，降低水稻Cd污染的途径主要有2种，一是直接降低农田土壤Cd的生物有效性[7-8]，或者采用其他Cd高富集植物来降低农田土壤Cd含量[9-10]；二是作用于水稻本身，筛选、培育低Cd品种[11-13]，或采用叶面喷施阻控剂等措施降低稻米中的Cd含量[14-16]。这些方法均存在一定的弊端，例如：直接降低土壤Cd生物有效性所采用的化学法、吸附法以及施用叶面阻控剂等均会造成土壤结构破坏、微量元素损失以及土壤复合污染，而种植Cd高富集植物以及筛选低Cd品种治理周期长、效果慢[17]。

水稻等长期生长于淹水条件下的水生植物在进化中获得了抵抗重金属污染的自我保护结构根表铁锰氧化物膜，而根系形成铁猛氧化物膜的条件除了与植物种类以及品种特性有关以外，还与土壤中的Fe2+含量、Mn2+含量、温度、Eh(氧化-还原电位)、pH值等因素相关[18]。施用氮肥作为水稻生产中常用的农艺措施，对水稻产量等有极其重要的影响[19-21]。而不同氮肥形态、氮肥种类、氮磷钾配比对农田土壤的pH值、铁锰形态以及Eh值等均存在显著影响[22-25]。目前，关于肥料对水稻Cd污染的影响研究多集中于不同肥料类型对土壤Cd形态[26-27]、氮肥用量对水稻植株Cd积累的影响等方面[28]，关于氮肥运筹对水稻Cd吸收的影响研究较少。目前，仅聂凌利[29]研究发现，不同氮肥比例对水稻重金属吸收与积累影响显著，且在氮肥施用比例(基肥∶蘖肥∶穗肥)为6∶2∶2、4∶3∶3的情况下成熟期糙米Cd含量均较不施肥以及一次性基施处理显著降低，但并未对水稻某一生育时期氮肥运筹对水稻Cd吸收的影响及其机制进行进一步探究。为此，从Cd含量、Cd的亚细胞分布以及铁锰氧化物膜形成量等方面探究蘖肥运筹对水稻Cd吸收的影响及其机制，以期寻找到最佳的蘖肥施用时间，以有效降低水稻生育期内Cd的吸收与转运。

1 材料和方法

1.1 试验地概况及试验材料

试验于2018年在湖南省浏阳市沿溪镇花园村农场大田栽培条件下进行，土壤Cd含量为(0.47±0.07)mg/kg，pH值为5.4±0.3。

水稻品种为株两优819(V1)以及陆两优996(V2)。

1.2 试验设计

试验采用随机区组设计，设置4个氮肥处理(F2—F5)，各氮肥处理所施纯氮量均为180 kg/hm2，以不施氮肥处理(F1)为对照。

4个氮肥处理中，F2—F4处理氮肥按基肥∶蘖肥∶穗肥为4∶4∶2的比例施用，蘖肥施用时间分别为移栽后7 d(F2)、移栽后14 d(F3)和移栽后21 d(F4)；F5处理氮肥按照基肥∶蘖肥∶穗肥为8∶0∶2的比例施用。基肥、穗肥分别在移栽前1～2 d、幼穗分化始期施用，各处理(F1—F5)均于水稻生育期内施750 kg/hm2过磷酸钙(含P2O512%)、240 kg/hm2氯化钾(含K2O 60%)，过磷酸钙全部于移栽前1～2 d施用，氯化钾于移栽前1～2 d以及幼穗分化始期各施50%。小区面积60 m2，每个小区的2个水稻品种以纤维绳隔开，小区间起垄做田埂，并覆盖农膜。水分管理采用全生育期淹水灌溉，其他栽培管理技术措施参考当地标准。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 产量 水稻成熟后，每个小区收割中心100穴，单独脱粒晒干并风选后，称籽粒质量，计产。

1.3.2 植株及亚细胞Cd含量

1.3.2.1 植株 于成熟期，取水稻植株，洗净后将其分为根、茎叶、籽粒，于105 ℃杀青30 min，再经80 ℃烘干至恒质量。将籽粒打成糙米，并将烘干后的糙米、根、茎叶用不锈钢粉碎机粉碎，过100 mm筛，采用浓硝酸与高氯酸(V硝酸∶V高氯酸=4∶1)湿法消解，使用ICP-MS测定样品Cd含量。采用同样的方法测定分蘖期水稻根、茎、叶Cd含量。

1.3.2.2 亚细胞 采用分级离心法测定细胞壁、细胞器及细胞液Cd含量。于分蘖期(移栽后28 d)，取水稻根、茎、叶，剪成1～2 mm2细块，分别称取4 g样品，置于研钵中，加入40 mL预冷的提取缓冲液[蔗糖250 mmol/L、Tris-HCl(pH值7.4)50 mmol/L、DTT 1 mmol/L]充分研磨成匀浆液，先后以3 000、15 000 r/min冷冻离心分离细胞壁、细胞器、细胞液，采用浓硝酸与高氯酸(V硝酸∶V高氯酸=4∶1)湿法消解，然后用ICP-MS测定各部位细胞壁、细胞器、细胞液Cd含量。

1.3.3 铁锰氧化物膜形成量及其表面吸附的Cd含量 按照1.3.2.2中方法采集水稻根，剪成约1 cm并混匀，称1 g鲜根，采用连二亚硫酸钠-柠檬酸钠-重碳酸钠(DCB)法提取铁锰氧化物及其所吸附的Cd。具体如下：加入0.3 mol/L Na3C6H5O7·2H2O与1.0 mol/L NaHCO3的混合溶液及3.0 g Na2S2O4，在振荡机(温度25 ℃，转速280 r/min)上振荡3 h，提取根表铁锰氧化物及其所吸附的Cd，过滤定容后，用ICP-MS测定滤液中的Fe、Mn、Cd含量。将提取后的根冲洗干净，在105 ℃杀青30 min，85 ℃烘干至恒质量，根表铁锰氧化物膜形成量分别用干根中的Fe、Mn含量表示。

1.4 数据处理及统计分析

采用Excel 2013和SAS 9.4进行数据统计分析，用LSD法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 蘖肥运筹对水稻植株Cd积累及籽粒产量的影响

2.1.1 分蘖期 由表1可知，不同蘖肥施用时期对水稻分蘖期各部位Cd含量存在一定影响。2个品种各部位Cd含量均以F1处理最高。在所有蘖肥处理中，株两优819根和叶的Cd含量均以F4处理最低，分别为0.36 mg/kg和0.14 mg/kg，且随着蘖肥施用时间的推迟，均表现出Cd含量逐渐降低的趋势，F4处理较F2处理分别降低了46.27%和41.67%，茎Cd含量变化趋势相反；株两优819茎Cd含量以F2处理较低，为0.08 mg/kg，与其他蘖肥处理间差异均不显著。在所有蘖肥处理中，陆两优996各部位Cd含量变化趋势与株两优819相同，即根和叶的Cd含量均随蘖肥施用时间的推迟而降低，茎Cd含量则上升。由表1可以看出，与F1处理相比，不施分蘖肥、增大基肥用量均能达到降低分蘖期各部位Cd含量的目的。

表1 蘖肥运筹对分蘖期水稻各部位Cd含量的影响Tab.1 Effect of tillering fertilizer management on Cdcontent in various parts of rice at tillering stage mg/kg

注：同列数据后不同小写字母表示同一品种不同处理间差异达到0.05显著水平，下同。

Note:Different lowercase letters after the same data indicate that the differences among the different treatments of the same variety reached 0.05 significant level，the same as below.

2.1.2 成熟期 由表2可知，成熟期，株两优819根Cd含量以F1处理最高，显著高于其他处理，其他处理之间的差异均不显著，F5处理次之，F2处理最低；茎叶以及糙米Cd含量与根类似，均以F1处理最高，茎叶Cd含量以F4处理最低，F2—F5处理间无显著差异；各氮肥处理糙米Cd含量以F5处理最高，为0.15 mg/kg，显著高于施蘖肥处理，各蘖肥处理中以F3处理降Cd能力最强，Cd含量为0.07 mg/kg。株两优819产量以F3处理最高，为4 093.75 kg/hm2，显著高于F1和F5处理，与F2和F4处理间的差异均不显著。

陆两优996根Cd含量以F1处理最高，为3.98 mg/kg，显著高于其他处理，而各蘖肥处理间差异均不显著；茎叶Cd含量变化规律与根相似，表现为F1>F5>F3>F4>F2；糙米中Cd含量以F4处理最低，为0.14 mg/kg，显著低于其他处理，分别较F1、F2、F3、F5处理降低51.72%、36.36%、30.00%、41.67%；F2—F5处理产量均显著高于F1处理，提高幅度为59.68%～68.95%，而F2—F5处理产量间差异均不显著。

表2 蘖肥运筹对成熟期水稻各部位Cd含量及产量的影响Tab.2 Effects of tillering fertilizer management on Cd content of each tissue and yield of rice at mature stage

2.2 蘖肥运筹对水稻亚细胞Cd含量的影响

不同蘖肥运筹对2个水稻品种分蘖期亚细胞Cd含量的影响如图1所示，由于水稻对Cd的解毒机制包括细胞壁的固定以及液泡区隔化[30]，故供试的2个品种Cd的亚细胞分布表现为细胞壁>细胞液>细胞器。

不同小写字母表示同一部位不同处理间差异显著(P<0.05)Different lowercase letters indicate that the differences among different treatments of the same tissue reach 0.05 significant level图1 蘖肥运筹对分蘖期水稻亚细胞Cd含量的影响Fig.1 Effects of tillering fertilizer management on subcellular Cd content of rice at tillering stage

从水稻不同部位细胞壁的Cd分布情况来看(图1)，2个水稻品种根细胞壁中Cd含量均以F2处理最低，分别为0.44、0.37 mg/kg，显著低于F1处理，其他3个处理间的差异均不显著；株两优819茎、叶细胞壁Cd含量除F4处理茎较低，达到0.091 mg/kg外，其余各处理间差异均不显著；陆两优996茎、叶细胞壁Cd含量均以F1处理最高，F5处理最低，且随分蘖肥施用时间的推迟，Cd含量总体呈现上升的趋势。

由图1可知，施用氮肥有利于水稻各部位细胞器Cd含量的降低。随着蘖肥施用时间的推迟，株两优819根以及陆两优996茎细胞器Cd含量均呈现先降低后增加的趋势，且F3处理显著低于F5处理；陆两优996根细胞器Cd含量呈现降低趋势，株两优819茎、叶及陆两优996叶细胞器Cd含量均无显著变化。

施用氮肥同样有利于水稻分蘖期各部位细胞液Cd含量的降低，且随蘖肥施用时间的推迟，2个水稻品种根细胞液Cd含量均呈现降低的趋势，以F4处理最低，分别为0.28、0.48 mg/kg。对于2个品种根细胞液来说，均以F5处理降Cd效果最好；对于叶细胞液来说，随着蘖肥施用时间的推迟，Cd含量增加，且陆两优996增加趋势明显，而F5处理Cd含量与各蘖肥处理间差异均不显著；对于茎细胞液来说，株两优819以F2、F4处理Cd含量较低，而陆两优996以F2、F4、F5处理较低。

2.3 蘖肥运筹对水稻根表铁锰氧化物膜形成量及其表面吸附Cd含量的影响

由图2可知，根表铁锰氧化物膜形成量(用Fe、Mn含量表示)在不同处理和品种间均存在明显差异。株两优819根表Fe含量以F3处理最高，为59.15 g/kg，显著高于其他处理，其次为F4处理，F2、F1处理较低；不同处理陆两优996根表Fe含量间的差异均达到显著水平，表现为F4>F3>F5>F2>F1,即随着蘖肥施用时间的延迟，Fe含量显著增加，F4处理最高，达103.89 g/kg。株两优819根表Mn含量以F2处理最高，显著高于其他处理，F1处理最低，F2—F5处理分别较F1处理增加了102.46%、32.50%、64.51%、63.93%；而陆两优996根表Mn含量表现为F3>F2>F4>F5>F1，以F3处理最高，为148.74 mg/kg，显著高于除F2处理外的其他处理。

不同小写字母表示不同处理间差异显著Different lowercase letters indicate that the differences among different treatments reach 0.05 significant level图2 蘖肥运筹对分蘖期水稻根表铁锰氧化物膜形成量及其表面吸附Cd含量的影响Fig.2 Effects of tillering fertilizer management on formation amount of iron and manganese oxide film and content of Cd absorbed by its surface on rice root surface at tillering stage

水稻根表铁锰氧化物膜上所吸附的Cd含量在不同处理和品种间也均存在差异。2个水稻品种根表铁锰氧化物膜上所吸附的Cd含量均表现为氮肥处理高于不施氮肥处理，均以F2、F3处理较高，分别为0.028 2、0.026 9 mg/kg和0.032 4、0.034 1 mg/kg，随后依次为F4、F5处理，分别为0.022 0、0.021 6 mg/kg和0.029 3、0.027 5 mg/kg。

3 结论与讨论

施用氮肥能使水稻分蘖期各部位Cd含量降低。各蘖肥处理对分蘖期水稻各部位的降Cd效果不同，根、叶均以F4处理降Cd效果最好。从本研究的2个品种来看，根、叶的Cd含量均随着蘖肥施用时间的推迟呈现降低的趋势，而茎总体相反，且F5处理同样能降低水稻各部位Cd含量，参考聂凌利[29]研究结果，当基肥∶蘖肥∶穗肥比例为4∶3∶3与6∶2∶2时均能降低糙米Cd含量，这可能是由于基蘖肥施用间隔时间较短，且F5处理基肥量较高所导致。

从成熟期产量以及各部位Cd含量来看，施用氮肥可增加水稻产量，尤其是F3处理；施用蘖肥以及适当加大基肥用量总体均能显著降低水稻根、茎叶以及糙米的Cd含量。F2—F5处理间根、茎叶Cd含量均无显著差异，而糙米Cd含量因品种不同而不同，各施肥处理的降Cd能力也存在差异，株两优819糙米Cd含量以F3处理最低，且产量以F3处理最高；陆两优996糙米中Cd含量以F4处理最低，只有0.14 mg/kg，显著低于其他处理。结合产量以及糙米Cd含量来看，于移栽后14～21 d施用蘖肥效果较佳。

从分蘖期各部位、各亚细胞组分对Cd的积累情况来看，不同处理对不同品种、不同部位以及不同亚细胞组分Cd含量均存在不同程度的影响。总体来看，由于细胞壁和细胞液对Cd的固定和区隔化作用[30]，二者的Cd含量远远高于细胞器，施用蘖肥以及适当增大基肥用量均能降低水稻各部位各亚细胞组分的Cd含量。

水稻分蘖期铁锰氧化物膜形成与基蘖肥的施用相关，铁氧化物膜形成量远高于锰氧化物膜。研究表明，锰氧化物膜的重金属吸附能力远高于铁氧化物膜[31]。本研究发现，各施肥处理铁锰氧化物膜形成量出现互补的情况，例如：蘖肥处理中2个品种均以F2处理Fe含量最低，即铁氧化物膜形成量最低，但锰氧化物膜形成量却较高。施用蘖肥能明显增加水稻根表铁锰氧化物膜形成量，故而使得Cd吸附量较高，高于只施基肥处理和不施肥处理。

由本研究可知，在水稻生育期施用氮肥能增加水稻铁锰氧化物膜形成量，从而降低分蘖期、成熟期各部位Cd含量，而结合聂凌利[29]的研究结果可知，单纯只施基肥不利于成熟期糙米Cd含量的降低，故而在水稻生产中应根据品种特性，于移栽后14～21 d施用分蘖肥，以达到降低糙米Cd含量、提高水稻产量的目的。