叶面阻控剂对黔中喀斯特地区水稻Cd富集特征的影响

王 灿，付天岭，龚思同，娄 飞，周 凯，代良羽，刘 静，林大松，何腾兵，，*

(1.贵州大学 农学院，贵州 贵阳 550025； 2.贵州大学 新农村发展研究院，贵州 贵阳 550025； 3.开阳县农业农村局，贵州 开阳 550399； 4.贵州省农业生态与资源保护站，贵州 贵阳 550001； 5.农业农村部环境保护科研监测所，天津 300191)

为守好“18亿亩耕地红线”(亩为旧制单位，1亩≈667 m2)，保障国家粮食安全，基于我国土壤污染现状[1]，叶面调控技术被认为是在受污染耕地土壤上保障农产品安全生产的有效手段之一[2-4]。目前，学者们已围绕作物吸收营养元素与重金属的相互作用和阻控机理[5-6]、不同营养元素的阻控效果对比[7-8]，以及新型或复合叶面阻控剂[9-11]研发等做了较为系统的研究。其中，关于水稻喷施叶面调理剂的研究主要集中于Cd阻控效果及其机理方面[7-12]。研究表明：叶面喷施甘油可以改变Cd在液泡中的化学形态从而抑制Cd向糙米的转运[13]；喷施Si可以减少水稻根系硅运输通道的基因表达，从而抑制Cd的吸收[14]，阻止Cd由地下部向地上部迁移[6]；水稻叶面施用Si和Se复合溶胶可减少水稻Cd和Pb的积累，减轻氧化损伤，增强其光合作用和有机Se富集潜力[9]；叶面喷施锌能够提高Zn2+向籽粒的转运效率，抑制Cd向穗轴和籽粒转运[15-16]。此外，喷施硅可显著提高水稻产量，喷施硒可降低水稻籽粒Cd含量[17]。但目前叶面阻控技术的应用还存在瓶颈，缺乏在不同地区开展的适应性研究[18-19]，阻碍了其在不同地区的大面积推广应用。例如，针对贵州地区受污染耕地通过叶面阻控技术开展安全利用的研究报道较少，极大地限制了该类技术在当地的应用。

贵州属我国西南喀斯特中心区域，碳酸盐岩类成土母质广泛分布[20]，呈现典型的Cd地质高背景特征[21-23]，明显区别于湖南、广东等非喀斯特地区。水稻是贵州最主要的粮食作物。本研究优选已有研究和其他地区示范工作的高效叶面阻控配方或产品，在黔中地区某Cd污染稻田开展田间验证试验，系统分析叶面阻控剂施用对水稻植株各部位Cd富集和转运特征的影响，优选适于当地的水稻Cd污染叶面阻控剂，以期为贵州喀斯特地区Cd污染稻田的安全生产提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验设计与样品制备

田间试验区位于贵州省贵阳市某Cd污染水稻田，地处亚热带，常年种植单季稻。供试水稻品种为迟熟三系杂交籼稻成优1479，全生育期平均为158 d。供试农田0～20 cm耕作层土壤pH值6.28～7.08，土壤Cd、As、Pb、Cr、Cu、Ni、Zn含量分别为0.73～0.80、6.33～8.24、64.98～77.38、62.77～70.17、26.05～29.16、17.83～22.55、168.46～190.46 mg·kg-1。参照GB 15618—2018《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》，试验农田属于安全利用类受污染稻田。

试验设置对照(CK)、SI[6]、SE、GWY、FE[24]、ZN[25]等6个处理，每个处理重复3次，每个小区面积为20 m2(4 m×5 m)。

SE、GWY处理中使用的叶面阻控剂为成品，分别为佛山市铁人环保科技有限公司出品的“喷喷富”和佛山市植宝生态科技有限公司出品的“镉无忧”，试验时，每小区每次取30 mL原液稀释至3 L，全部施用。

SI、FE、ZN处理中的试剂自配，其配制方法按照每小区每次的用量简述如下。SI处理：取133 mL原硅酸四乙酯原液加入2 mL吐温-20，然后定容至2 L；FE处理：1 mol(278.02 g)的七水硫酸亚铁(FeSO4·7H2O)与1 mol(185.42 g)的L-盐酸赖氨酸溶解在pH值4.5的酸性水溶液中，烘干后得Fe-赖氨酸，取67 mg Fe-赖氨酸与2 mL叶温-20，溶解定容至2 L；ZN处理：将159.7 g七水合硫酸锌(ZnSO4·7H2O)溶解在150 mL水中，添加等物质的量的L-盐酸赖氨酸(93.4 g)，加热至95 ℃制得Zn-赖氨酸，取200 mg Zn-赖氨酸与2 mL吐温-20，溶解定容至2 L。

“喷喷富”中，Si含量≥100 g·L-1，壳聚糖Se含量0.01%～1%，水不溶物含量≤10 g·L-1，Na含量≤10 g·L-1；“镉无忧”中，有机质含量≥120 g·L-1，总养分(N+P2O5+K2O)含量≥170 g·L-1，微量元素(Cu+Zn+Mn+B+Mo)含量30～50 g·L-1。

原硅酸四乙酯(96%)、FeSO4·7H2O(99%)，上海瀚思化工有限公司；ZnSO4·7H2O(99.5%)，阿拉丁试剂(上海)有限公司；L-盐酸赖氨酸，郑州千硕食品添加剂有限公司；吐温-20(97%)，福州飞净生物科技有限公司。

水稻种植时间为2019年6月8日，分别于7月20日(分蘖期)、8月24日(抽穗期)使用喷雾器按各处理设计将叶面阻控剂均匀喷施于水稻叶片上。各处理的叶面阻控剂均现配现用，往复喷施2次，喷施前后8 h均为晴天。使用五点采样法于2019年9月25日对水稻、土壤样品协同采样，在每个小区收割所有水稻，脱粒、风干，实际称重，统计水稻产量。水稻植株用超纯水清洗、风干，研磨制备根、茎、叶、茎节、枝梗、穗轴、稻壳、糙米样品，用砻谷机脱壳，将糙米粉碎，制备成糙米样品。土壤样品取回实验室，风干后研磨，分别过2.0、0.149 mm孔径的尼龙筛，制备土壤样品。

1.2 测定项目与方法

土壤pH值采用电位法测定(水土体积质量比2.5∶1)；土壤有机质含量采用重铬酸钾-硫酸消化法测定[26]。参照HJ 766—2015《固体废物 金属元素的测定 电感耦合等离子体质谱法》，称取土壤样品0.2 g(精确至0.000 1 g)，将样品置于消解罐中，加入1 mL盐酸、4 mL硝酸、1 mL氢氟酸和1 mL双氧水，然后放入微波消解仪消解10 min，程序升温到175 ℃，并在175 ℃保持20 min。消解后先冷却至室温，然后于150 ℃敞口赶酸至内溶物近干，待冷却至室温后，用超纯水润洗转移至50 mL比色管中定容，制备土壤待测液。参照 GB 5009.268—2016《食品安全国家标准 食品中多元素的测定》，称取磨碎后的水稻植株样品0.2 g(精确至0.000 1 g)于消解管中，加入7 mL浓硝酸，摇匀，加盖放置1 h，然后将消解管放入石墨消解仪上进行消解，120 ℃加热5 min后升至150 ℃加热10 min，再升至190 ℃加热20 min，冷却至室温，将消解液稀释并转移至50 mL比色管定容，制备待测液。

用ICP-OES(ICP7400型，美国Thermo Fisher)测定土壤和水稻(根、茎、叶、茎节、枝梗、穗轴、稻壳、糙米)Cd、Zn、Fe、Si含量。采用平行双样法进行精密度控制，每个样品设置2个平行，每测定20个样品添加一个位于标准曲线中心位置的浓度点进行曲线校正，其曲线偏离度小于10%。土壤、植株各部位和糙米样品在消解、检测过程中，分别采用土壤标准物质GSS-27和大米成分分析标准物质GBW(E)100350进行质量控制，标准样品的测定指标均在质控范围内。

1.3 数据统计与分析

以富集系数(AF)与转移因子(TF)表征水稻各部位Cd的迁移转运能力[27]。

试验数据采用Excel 365和SPSS Statistics 22.0软件进行数据统计分析，对方差分析结果显示有显著(P<0.05)差异的，采用Duncan’s新复极差法对不同处理的效果进行多重比较。使用Origin2018、Adobe Illustrator CS6绘图。

2 结果与分析

2.1 不同叶面阻控剂对土壤理化性状的影响

与CK相比，喷施不同叶面阻控剂对试验地土壤pH值、有机质含量、Cd含量和Si含量无显著影响，GWY和FE处理的土壤Zn、Fe含量显著(P<0.05)升高(表1)。不同阻控剂处理之间相比，FE处理的土壤Fe含量显著(P<0.05)高于其他处理，GWY和FE处理的土壤Zn含量显著(P<0.05)高于SE和ZN处理，SI处理的土壤有机质含量显著(P<0.05)高于FE处理。

2.2 不同叶面阻控剂对水稻产量的影响

与CK相比，SE、GWY、SI、ZN处理的水稻产量显著(P<0.05)提高，其中，GWY处理的增幅最大(13.56%)，SE、SI、ZN处理的增幅分别为5.77%、5.74%、7.30%，而FE处理的水稻产量显著(P<0.05)下降12.38%(图1)。

柱上无相同小写字母的表示处理间差异显著(P<0.05)。下同。

2.3 不同叶面阻控剂对水稻植株各部位Cd含量的影响

总体来看，水稻不同部位的Cd含量整体呈茎节>根>茎>穗轴>枝梗≈叶>糙米>稻壳的趋势(图2)，水稻茎节、根、茎和穗轴为主要的Cd富集部位，其中，茎节Cd含量为茎的4～5倍，糙米Cd含量为稻壳的2倍左右，从穗轴到枝梗再到稻壳，Cd含量逐渐减少。总的来看，与CK相比，叶面阻控剂的施用并不改变Cd在水稻植株不同部位的整体分布特征，但CK处理下，水稻枝梗的Cd含量高于叶片，而SI、SE、FE处理的结果与此相反。

不同处理下，水稻茎、枝梗和稻壳中的Cd含量无显著差异。此外，与CK相比，各处理根、茎节、穗轴、叶、糙米的Cd含量亦无显著差异。全部处理相比，SI、FE处理根中Cd含量显著(P<0.05)高于SE处理，SI处理茎节Cd含量显著(P<0.05)高于SE处理，SI处理叶和糙米中的Cd含量显著(P<0.05)高于ZN处理，SI、FE处理穗轴中Cd含量显著(P<0.05)高于ZN处理。

基于糙米Cd含量对不同处理进行聚类分析，结果表明，SE、GWY、ZN聚为1个类群，施用后糙米Cd含量处于较低水平，表明其对Cd具有较好的阻控效果；FE、SI与CK聚为1个类群，说明FE、SI对糙米Cd的阻控效果不明显。

2.4 不同叶面阻控剂对水稻植株Cd富集系数和转移因子的影响

2.4.1 对Cd富集系数的影响

CK处理下，水稻各部位对Cd的富集能力从大到小依次为茎节>根>茎>穗轴>枝梗>叶>糙米>稻壳(表2)。喷施不同叶面阻控剂后，水稻各部位对Cd的富集系数与CK相比发生一定的变化，但均仍以茎节的富集系数最大。与CK相比，除SI处理下水稻叶的Cd富集系数显著(P<0.05)升高外，其他处理下水稻各部位的Cd富集系数并无显著变化。但不同处理相比，SI处理下茎节的Cd富集系数显著(P<0.05)高于SE处理，SI处理下叶、穗轴、糙米的Cd富集系数显著(P<0.05)高于ZN处理。

表2 不同处理下水稻各部位的Cd富集系数

2.4.2 对Cd转移因子的影响

本研究以转移因子表征Cd在水稻不同部位的迁移能力。水稻茎—茎节、稻壳—糙米Cd的转移能力较强(转移因子系数>1，表3)。与CK处理相比，SE处理显著(P<0.05)增加Cd从茎节到叶的转移能力，但会显著(P<0.05)降低Cd从枝梗到稻壳、从叶到穗轴的转移能力，SI处理显著(P<0.05)降低Cd从叶到穗轴的转移能力。各处理间根—茎、茎—茎节、稻壳—糙米的转移因子无显著差异。

表3 不同处理下水稻各部位的Cd转移因子

2.5 不同叶面阻控剂对水稻植株各部位Si、Zn、Fe的影响

Si是水稻中含量较丰富的元素之一，在水稻各部位含量均较高。总的来看，水稻各部位Si含量整体表现为稻壳>枝梗，叶、穗轴含量相近，但低于稻壳和枝梗，根、茎、茎节含量相近，低于前述4个部位(图3)。与CK相比，ZN处理下叶片Si含量显著(P<0.05)增加15.03%，SE、SI、ZN、FE处理下稻壳Si含量分别显著(P<0.05)下降21.27%、26.06%、16.13%、14.83%，GWY、SI处理下根Si含量分别显著(P<0.05)下降17.88%、10.99%，SE、SI和ZN处理下茎节Si含量分别显著(P<0.05)下降15.78%、12.72%、12.26%。各处理对水稻茎、穗轴、枝梗Si含量无显著影响。

图3 不同处理下水稻各部位的Zn、Fe、Si含量

水稻Zn含量在茎节中最高，枝梗、穗轴中的Zn含量相近，次于茎节，接下来是根、茎中的Zn含量，叶和稻壳中的Zn含量相近，在前述部位中最低。水稻Fe含量在根部最高，其次是茎节和稻壳，茎、叶、穗轴和枝梗中的Fe含量接近，均较低。

与CK相比，GWY和FE处理的水稻茎Zn含量分别显著(P<0.05)增加36.31%、29.35%，GWY处理的水稻叶、茎节Zn含量分别显著(P<0.05)增加52.26%、12.88%；FE处理的水稻穗轴Zn含量显著(P<0.05)增加24.83%，而GWY、SI、ZN处理的水稻穗轴Zn含量分别显著(P<0.05)下降21.40%、14.83%、34.93%；ZN处理的水稻枝梗Zn含量显著(P<0.05)增加23.46%，而SI处理的水稻枝梗Zn含量显著(P<0.05)下降26.05%；SI和FE处理的水稻稻壳Zn含量分别显著(P<0.05)下降41.12%、37.67%。

与CK相比，FE处理的水稻茎、穗轴、枝梗Fe含量分别显著(P<0.05)增加39.36%、36.79%、44.14%，但稻壳Fe含量显著(P<0.05)降低22.01%；ZN处理的水稻叶、枝梗、稻壳Fe含量分别显著(P<0.05)增加68.08%、39.61%、40.02%；SI处理的水稻稻壳Fe含量显著(P<0.05)增加26.06%。

在糙米中，与CK相比，喷施叶面阻控剂对Zn含量无显著影响，但Fe含量均显著下降(表4)，其中，SI、ZN处理的糙米Fe含量降幅最大，分别为25.53%、24.47%。此外，GWY处理的糙米Si含量显著(P<0.05)高于CK和SI处理。

表4 不同处理下水稻糙米Zn、Fe、Si含量

3 讨论

为优选适于贵州喀斯特地区水稻Cd污染的叶面阻控剂，本研究在贵州中部典型Cd污染稻田开展田间试验，在水稻分蘖期、抽穗期喷施叶面阻控剂，结果发现：(1)SE、GWY、ZN、SI处理下，水稻产量显著提高。(2)SE处理下，水稻根、茎节中的Cd含量显著下降；ZN、SE、GWY处理的糙米镉含量较CK分别降低59.3%、55.4%、43.3%，略高于GB 2762—2017《食品安全国家标准 食品中污染物限量》中糙米Cd的限定值(0.2 mg·kg-1)。(3)Cd主要富集于水稻根、茎、茎节和穗轴，其中，茎节的富集能力最强。SE处理能显著降低茎节对Cd的富集，ZN处理能显著降低穗轴、糙米对Cd的富集。综上，在本试验条件下，SE、GWY、ZN处理对水稻穗轴、稻壳、糙米Cd的吸收和转运具有抑制效果，是适用于黔中地区Cd污染农田水稻生产的叶面阻控剂。

试验基于黔中典型镉轻度污染土壤进行，对该地区稻田的安全生产来说具有现实意义。本研究表明，与对照(CK)相比，按照各处理设计喷施叶面阻控剂并不会对土壤pH值、有机质含量和Cd含量等指标产生显著影响，且适当的叶面阻控剂施用对水稻生产具有一定的增产作用。硅、铁、锰、锌等元素，能促进作物吸收营养，增强其光合作用，进而增加作物产量[28]。SI、SE处理中的叶片阻控剂均以硅为主要成分，具有增产效果。这与刘永贤等[17]、彭鸥等[29]对叶面硅肥的研究结果一致。GWY处理的增产效果最好，该处理所使用的叶面阻控剂除含有硅、铜、锰、锌、硼、钼等有益元素外(30～50 g·L-1)，还含有大量元素氮、磷、钾(170 g·L-1)和有机质成分(120 g·L-1)，这是促进水稻显著增产的重要原因。ZN处理也可提高水稻产量，与刘利杉[16]喷施ZnSO4能显著提高水稻产量的结果一致。

研究区供试土壤为水稻土，pH总体呈微酸性，代表性重金属污染物主要为Cd，呈Cd轻度超标特征。硅、硒常被认为是对植物生长有益的元素，特别是在重金属胁迫环境下[30]。相关研究证明，硅和硒具有减少作物中重金属积累和减轻氧化应激的潜力[6，31]。喷施含硅、硒等矿质元素的阻控剂，可以通过调节根系吸收、木质部负荷、维管内转移和韧皮部对Cd的运输来调节Cd在植物体不同部位的分布[32]。本研究中，SE处理使用的叶面阻控剂，其主要成分为二氧化硅溶胶、壳聚糖硒，在水稻叶面上可保湿、成膜，可通过增加水稻体内硅、硒含量达到阻控Cd的效果，并能从调控茎叶分配、运输蛋白活性、竞争运输通道等方面抑制水稻对Cd的吸收，改变Cd在植株体内的分配，抑制Cd由水稻叶片向籽粒运输[33]。施用后，水稻根和茎节中的Cd含量较低，证明其确有一定的阻控效果，与Gao等[6]、韩潇潇等[15]研究结果一致。

本研究发现，与CK相比，GWY处理下，水稻茎、茎节、叶Zn含量显著增加。Zn与Cd在元素周期表中为同族元素，化学特征相似，在水稻根系的细胞质膜转运上存在着竞争关系。甘氨酸和丙氨酸作为Zn2+载体，能有效促进水稻茎对Zn2+的吸收和运转，从而阻遏Cd2+吸收和向糙米中的转移；磷酸盐对Cd具有吸附沉淀作用，使Cd难于被水稻吸收，有利于降低水稻糙米中的Cd含量[34]。有研究显示，水稻通过在Cd污染农田中消耗谷氨酸盐和增加Mn含量来减轻Cd毒害[35-36]。本研究中，GWY处理使用的阻控剂中含有甘氨酸、丙氨酸、磷酸盐和EDTA-Zn，这些成分均有利于抑制水稻对Cd的吸收，从而有可能促进了水稻对Zn的吸收。

研究显示，水稻中大量的Cd主要存在于茎细胞壁中[13]，这与本研究发现水稻Cd主要积累于茎、茎节的结果一致。有研究表明，单硅酸活性硅肥可以减少糙米Cd积累[17]，但是本研究中SI处理下糙米Cd含量并未较CK显著降低，原因可能是该处理的阻控剂成分为原硅酸四乙酯，硅离子不易释放，从而导致其阻控能力下降。与CK相比，以Fe-赖氨酸为主要成分的FE处理对糙米Cd含量亦无显著影响，表明该处理的叶面阻控剂配方可能不适用于研究区所在地水稻降Cd。此外，本研究的SI处理为有机态硅(原硅酸四乙酯)，水稻难以吸收，而SE处理改用离子态硅，更容易被水稻吸收，效果相对较好；因此，在该地区如以硅作为叶面阻控剂，宜选择离子态硅。

本研究中SI、FE的Cd阻控效果不明显，明显区别于Gao等[6]、Bashir等[24]的研究，这可能是因为黔中地区水稻土以轻度污染为主[37-38]，土壤环境与前述试验有别。在该地区，如拟应用涉及原硅酸四乙酯、Fe-赖氨酸的叶面阻控剂时，需进一步开展效果验证与对比。