叶面调理剂对浙江东部镉污染农田水稻主栽品种安全生产的影响

2022-01-08周其耀倪元君徐顺安王琼詹丽钏冯英

浙江大学学报（农业与生命科学版） 2021年6期

周其耀，倪元君，徐顺安，王琼，詹丽钏，冯英*

（1.浙江大学环境与资源学院，污染环境修复与生态健康教育部重点实验室，杭州 310058；2.嵊州市农业技术推广中心，浙江绍兴 310024）

当前，我国受污染耕地面积大、耕地资源短缺问题突出，其中，耕地土壤点位超标率达19.4%，以镉（Cd）污染面积最大，其次为砷（As）、铅（Pb）、汞（Hg）等[1]，因此，重金属污染耕地安全利用是国家的重大需求之一。水稻是易富集Cd 的作物[2]。作为我国水稻主产区，浙江省土壤大多呈酸性，因此，在Cd 污染农田中易产生稻米Cd 超标问题[3]。大量研究已经证明，不同品种水稻对Cd 吸收富集能力不同。王萍等筛选得到一个适合在Cd 轻度污染土壤上安全生产的水稻品种[4]；陈德等通过田间小区试验筛选到低于国家限量标准值的水稻品种12 个[5]。可见，种植低积累品种是实现Cd污染农田水稻安全生产的重要途径之一。

已有报道表明，施用叶面调理剂是实现污染农田作物安全生产的重要技术措施之一[6]。当前，对叶面调理剂的研究主要集中于新型制剂的开发、不同类型调理剂的作用效果比较及其作用机制等[7-8]。在水稻上应用较多的是离子拮抗型叶面调理剂，其作用机制是增施硅（Si）、硒（Se）、锌（Zn）等微量元素和有益元素，通过离子拮抗作用减少作物对Cd的叶面吸收和体内再转运[7-8]。叶面喷施硅肥，可以调控相关离子吸收和转运基因[9]，控制Cd在水稻体内的运输，使其在根、茎滞留，阻止Cd 向稻米中转运[10]；喷施硒肥可减轻氧化损伤，促进光合作用，降低水稻籽粒Cd 含量[11]；喷施锌肥能够提高Zn 离子向水稻籽粒的转运效率，抑制Cd 向穗轴及籽粒的转运[12]。并且，叶面喷施硅肥还可以促进根系生长发育，增强光合作用，刺激抗氧化酶基因表达，缓解水稻在Cd 污染环境中的氧化胁迫作用，显著提高产量[9]；喷施锌肥能够显著改善作物生长状况，有效提高稻谷产量[13-14]。然而，目前大多数研究尚处于实验室研究阶段，田间大规模应用较少，特别是特定叶面调理剂在不同区域、不同污染程度农田中的应用效果不完全一致[15]，因此，有必要针对不同区域污染状况和环境气候特点，结合当地的种植习惯，筛选出适合当地主栽低积累品种的叶面调理剂来进行大规模推广应用。

本研究针对浙江东部农田土壤重金属污染现状，采用连续2年的田间试验，在筛选和研发新叶面调理剂的基础上，明确优选的叶面调理剂对不同主栽品种的作用效应，旨在构建经济有效、易于推广的Cd污染农田安全生产新技术模式，确保在耕地生产能力不下降的情况下所生产的农产品重金属含量符合国家食品安全限量标准。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

田间小区试验在浙江省绍兴市2个不同乡镇同时进行。试验地具有温度适宜、湿润多雨的亚热带季风气候特点，冬夏较长，春秋较短，年平均气温可达16.4 ℃，年平均降水量为1 446.8 mm。2 个试验点A和B的土壤基本理化性质和重金属污染情况如表1所示。

表1 试验点耕层土壤基本理化性质和重金属含量Table 1 Basic physicochemical properties and heavy metal contents of cultivated soil samples in experimental sites

1.2 供试材料

1.2.1 水稻品种

田间小区试验：试验点A为甬粳2号A，试验点B为甬优9号。

田间大区试验：7 个绍兴地区主栽品种，如表2所示。

表2 水稻品种Table 2 Rice varieties

1.2.2 叶面调理剂

选用的叶面调理剂的具体信息如表3 所示，其中纳米硅肥为从市场上购买的成品，用作阳性对照，其他4种叶面调理剂均为自配。

表3 供试叶面调理剂的制备与处理Table 3 Preparation and treatment of tested foliar conditioners

1.3 试验设计

田间小区试验：在A 和B 2 个试验点分别选择地块平整、地力均匀、污染程度相对一致的地块进行小区试验，采取完全随机区组设计，每个处理设3次重复，每个试验点共计18 个小区，每个小区面积40 m2（4 m×10 m）。水稻种植日期为2018年6月18日，收获日期为10月9日，分别在分蘖期、拔节期与抽穗期将不同叶面调理剂均匀喷施在叶片上，现配现用，其他的农艺管理措施与常规稻田保持一致，在水稻成熟期进行采样分析。

田间大区试验：采取完全随机区组排列，每个品种设置喷施清水和多元复合调理剂2 个处理，每个处理设3次重复，每个重复大区面积为667 m2，共2.8 hm2。水稻种植日期为2019年6月15日，收获日期为10月16日，分别在分蘖期、拔节期与抽穗期均匀喷施3次清水或者多元复合调理剂，现配现用，其他的农艺管理措施与常规种植保持一致，在水稻成熟期收获并进行分析测试。

1.4 样品采集与测试分析

土壤样品的采集：试验前采集A、B 2 个试验点的土壤样品，用于土壤基本理化性状测定。采用“S”布点法采样，每个小区取5 点，混合后用四分法留取样品，剔除土样中的杂物，自然风干后碾碎，分别过20目和100目筛后用密封袋分装，于干燥阴凉处保存，待测。

植物样品的采集：在小区试验中每个重复随机采集3 株样品，在大区试验中每个重复随机采集10株样品，用干净镰刀于近土壤10～15 cm 处的水稻茎部位置切分，采集地上部，用不锈钢剪刀分离各部分，装入尼龙网袋并带回实验室，清洗干净后吸干水分，装入干净信封，105 ℃杀青30 min，65 ℃烘干至恒量，称量并记录各部分干物质量。将稻谷脱壳，并将秸秆、穗轴、谷壳、糙米等分别粉碎后保存在自封袋中，备用。

土壤理化性质测定：土壤pH采用pH计法测定；有机质含量采用重铬酸钾容量法-外加热法测定；总氮含量采用凯氏定氮法测定；有效磷含量采用钼锑抗比色法测定[16]。

土壤重金属含量测定：As 含量参照GB/T 22105.2—2008测定；Hg含量参照GB/T 22105.1—2008测定；铬（Cr）含量参照HJ 491—2019测定[16]。Cd 和Pb 含量测定的具体步骤如下：称取0.2 g 土壤样品于聚四氟乙烯管中，加入5.0 mL 硝酸、1.0 mL高氯酸和1.0 mL氟化氢，于180 ℃消煮10 h，用去离子水稀释后过滤膜，用电感耦合等离子体质谱仪[inductively coupled plasma-mass spectrometry（ICPMS），德国Analytik Jena公司]测定。采用土壤标准物质（GBW07429）进行质量控制[17]。

水稻样品Cd 含量测定：称取0.2 g 植物样品至消煮管中，加入5.0 mL 硝酸和1.0 mL 高氯酸，160 ℃消煮至清透，用去离子水稀释后过滤膜，用ICP-MS 测定。采用大米标准物质[GBW（E）100360]进行质量控制[17]。

1.5 数据处理与统计分析

使用Excel 2016 进行数据处理和作图，结果表示为平均值±标准差；使用SPSS 24.0软件中的邓肯法对数据进行多重比较，以P＜0.05 表示差异有统计学意义。

2 结果与分析

2.1 叶面调理剂的筛选

2.1.1 不同叶面调理剂对水稻产量性状的影响

由表4 可知：1）试验点A 各处理水稻单株平均生物量在202.93～236.21 g 之间，单株穗平均质量为21.97～26.06 g。稻谷平均产量达177.7～192.4 kg/667 m2，其中，施用纳米硅肥调理剂产量最高，对照产量最低。相较空白对照处理，喷施叶面调理剂均能增加水稻产量，其中喷施纳米硅肥和多元复合调理剂的增产效果显著（P＜0.05），分别增产约8.3%和6.4%。2）试验点B各处理水稻单株平均生物量为312.13～381.52 g，单株穗平均质量为52.72～66.01 g，稻谷平均产量达613.4～676.2 kg/667 m2。其中，强化硅锌调理剂处理的单株穗质量最高，空白对照处理的单株穗质量最低，其他处理较对照穗质量增加2.6%～25.2%。纳米硅肥调理剂、强化硅锌调理剂、多元复合调理剂均能显著提高单株生物量和单株穗质量（P＜0.05），其中纳米硅肥处理产量最高，空白对照处理产量最低。喷施多元复合调理剂后产量提高7.8%，增产效果显著（P＜0.05）。

表4 不同叶面调理剂处理下水稻产量性状Table 4 Yield characters of rice treated with different foliar conditioners

2.1.2 不同叶面调理剂对水稻各部位Cd 含量的影响

试验点A 糙米平均含Cd 量为0.067～0.077 mg/kg，谷壳平均含Cd 量为0.114～0.129 mg/kg，穗轴平均含Cd 量为0.141～0.161 mg/kg，秸秆平均含Cd量为0.151～0.187 mg/kg（表5）。与对照相比，施用硫酸锌调理剂处理的穗轴以及纳米硅肥调理剂处理的秸秆Cd含量提高，其他叶面调理剂处理的各部位Cd 含量均低于对照。多元复合调理剂处理的糙米和秸秆Cd 含量最低，分别比对照低13.0%和17.9%；纳米硅肥调理剂处理的谷壳和穗轴Cd 含量最低，分别比对照低11.6%和7.2%。根据《国家食品安全标准食品中污染物限量》（GB 2762—2017）的规定，糙米含Cd 量的限量标准为0.2 mg/kg，因此，本研究各处理糙米Cd含量均符合国家标准。

试验点B 水稻各部位的平均含Cd 量分别为糙米0.065～0.076 mg/kg，穗轴0.118～0.136 mg/kg，谷壳0.105～0.129 mg/kg，秸秆0.155～0.172 mg/kg（表5）。施用叶面调理剂后，各部位Cd 含量均低于对照。喷施多元复合调理剂处理的糙米、秸秆Cd含量最低，分别比对照低14.5%和9.9%；施用纳米硅肥调理剂的谷壳Cd 含量最低，比对照低18.6%；施用强化硅锌调理剂的穗轴Cd 含量最低，比对照低13.2%。可见，试验点B 糙米Cd 含量同样均低于国家食品安全标准。

2.2 叶面调理剂在不同水稻品种中的作用效果

对照处理水稻单株生物量为262.30～427.70 g，产量为409.4～579.9 kg/667 m2，喷施叶面调理剂处理的单株生物量为323.27～441.48 g，产量提高至455.0～633.4 kg/667 m2（图1A～B）。叶面调理剂对各品种水稻单株生物量均无显著影响，但显著提高了除N84 外其他6 个品种的产量（图1B），增产8.2%～10.8%。其中YY1540 产量最高，喷施调理剂后增产10.1%。

图1 叶面调理剂对不同水稻品种单株生物量（A）和产量（B）的影响Fig.1 Effects of the foliar conditioners on biomass per plant(A)and yield(B)of different rice varieties

所有处理组中糙米含Cd 量均在0.20 mg/kg 以下（图2A），对照组糙米含Cd量为0.059～0.111 mg/kg，施用叶面调理剂后降至0.047～0.093 mg/kg，降幅为15.7%～20.3%，其中YY17的糙米Cd含量在对照和处理条件下均最低，分别为0.059 和0.047 mg/kg。叶面调理剂对不同品种谷壳、穗轴和秸秆中的Cd 含量影响不大（图2B～D），不同部位Cd 含量总体趋势为秸秆＞穗轴＞谷壳＞糙米（图2），其中YY17各部位Cd含量均为7个品种中最低。

图2 叶面调理剂对不同水稻品种糙米（A）、谷壳（B）、穗轴（C）和秸秆（D）Cd含量的影响Fig.2 Effects of the foliar conditioners on Cd contents in brown rice (A), rice husk (B), rachis (C), straw (D) of different rice varieties

3 讨论

3.1 叶面调理剂的增产效应

本研究中的叶面调理剂含锌、铁、硅、硼等营养元素，喷施后对水稻具有一定的增产效果。硫酸锌调理剂、强化锌调理剂、强化硅锌调理剂以及多元复合调理剂均以锌（ZnSO4）作为主要成分。锌在植物体内参与了多种代谢途径，如光合作用、蛋白质合成、植物生长素代谢以及花粉形成等。在外源添加锌的情况下，水稻整体锌水平提高，从而激活植株内多种酶的活性，促进新陈代谢[18]。索炎炎等[13]研究表明，在外源Cd 处理下，施用叶面锌肥能够显著改善水稻的生长状况，其鲜质量和干质量各增加了11.9%和13.8%；DESHPANDE 等[14]发现，施用叶面锌肥有效提高了稻米生物量。4种不同的含锌叶面调理剂虽然均有增产作用，但仅有多元复合调理剂的增产效果达到统计学显著水平，这与郭九信等[19]的研究结果一致，可能与外源锌处理浓度和成分有关。

纳米硅肥调理剂与强化硅锌调理剂均以硅作为主要成分，强化锌调理剂与多元复合调理剂添加了有机硅表面活性剂，这4 个处理的水稻产量都有一定程度的提高。硅在角质层与表皮细胞中均有分布，是植物细胞壁的组成元素之一，可促进根系生长与发育，提高叶片叶绿素含量，从而增强水稻光合作用[20]，并且硅可以改变Cd 在叶片中的亚细胞分布，刺激抗氧化酶基因的表达，降低Cd 产生的氧化胁迫[21]，因此，硅在提高水稻产量的同时，还提高稻米的精米率和蛋白质含量，使垩白粒率降低，促进籽粒饱满[11]，增加稻穗中的氮含量，促进植物对磷的吸收，并增强作物对病虫害的抵御能力。刘奇华等[22]研究指出，施用叶面硅肥可显著提高水稻的结实率和产量，本研究结果与此相符。

多元复合调理剂处理的增产作用除与锌、有机硅表面活性剂有关外，还与铁、硼有关。铁主要存在于稻米糊粉层和胚芽中，是代谢相关重要酶的激活剂，并且承担着叶绿素组成元素、电子传递等工作，关系着呼吸作用、光合作用等过程的正常运作。通过施用含铁叶面肥能够有效提高稻米中的铁含量和总氨基酸含量[23]。外源铁的施用会促进植物血红素、铁硫蛋白以及叶绿素的合成，从而促进光合作用，提高产量[24]，故施用铁肥不仅可以增加产量，还能提高稻米的品质。硼在植物体中不以酶的形式参与生长过程，但可以促进碳水化合物的运输、细胞伸长与分裂以及生殖器官的形成和发育等系列过程。胡燕燕等[25]研究表明，喷施硼肥具有一定的增产效果，尤其在水稻分蘖期和拔节期喷施，可增加水稻产量及品质。UR-REHMAN 等[26]研究表明，叶面施用硼肥改善了水稻的含水量、叶绿素含量、产量以及品质特性，并可通过降低穗部不育性来提高产量和品质。故施用含锌、硅、铁、硼的叶面调理剂对水稻产量性状具有正效应，可显著提高产量。

3.2 叶面调理剂对水稻Cd 含量的影响

施用叶面调理剂后，所含的锌、硅、铁、硼等元素通过表皮角质层的渗透或者通过气孔和表皮细胞进入到植物叶片中[27]，在运输过程中和相应部位发生吸收和螯合，不仅减少作物叶片对大气中重金属污染物的吸收，还与植物从土壤中吸收的Cd进行点位竞争，从而减少植物体对Cd的吸收与富集。因此，叶面调理剂表现出很好地降低稻米Cd 含量的作用。

叶面喷施锌后，一方面，植物体内锌含量提高引发与Cd的离子拮抗作用，并增强了光合产物向稻米的转运；另一方面，提高了可溶性蛋白质的浓度，增加了可溶性蛋白质对活性氧（reactive oxygen species,ROS）的清除作用以及对Cd的螯合作用，增强了膜的稳定性，减少了Cd 向籽粒的转运[28]。因此，含锌调理剂可以降低糙米的Cd含量。

施用含硅的叶面调理剂也可以降低水稻对Cd的吸收，并且与锌同时施用效果更佳。硅可以与Cd 在质外体形成沉淀，被分隔在液泡中或被吸附固定在节间，降低Cd 在水稻体内的转运。硅在运输过程中，会在质外体通道内大量积累，限制了Cd在质外体的运输，且能降低水稻质外体运输路径的通透性，减少对Cd 的吸收[11]。此外，硅可以调节水稻特定的吸收和转运基因来减少对Cd 的吸收[9]。施用有机硅表面活性剂具有更好地降低稻米Cd 含量的效果，可能是因为表面活性剂改善了叶面肥料的湿铺展性能，提高了硅在叶面的渗透作用，更好地发挥了硅对Cd 的拮抗作用，降低了植物对Cd 运输途径的通透性，使得Cd 在茎部的转运也大大降低。

多元复合调理剂对稻米Cd 含量良好的降低效果可能与其含有铁和硼有关。Cd 可以通过铁转运蛋白如OsIRT1 和OsIRT2 进入植物体内，铁的增加降低了植物对Cd的转运和吸收[29]。同时，与锌的作用相近，适当浓度的铁能够减少植物在胁迫条件下的ROS 生成，降低Cd 对植株的氧化胁迫[30]。因此，叶面施用铁肥可以降低糙米中的Cd 含量[29]。硼对生殖器官的生长发育有重要作用，并且对细胞膜具有直接作用，可减少植物对Cd 的吸收与转运；喷施硼肥后叶片多酚氧化酶（polyphenol oxidase,PPO）、超氧化物歧化酶（superoxide dismutase, SOD）以及过氧化物酶（peroxidase,POD）活性显著提高，可清除ROS[31]，因而，硼能够通过增强保护酶的活性来降低Cd对水稻的损害。

3.3 叶面调理剂与低积累品种联用效应

本研究发现，无论叶面喷施调理剂与否，YY17各部位的Cd含量均低于其他品种，说明YY17是一个Cd 相对低积累品种。在Cd 轻度污染条件下，YY17 比相对高积累品种YY538 的糙米Cd 含量低46.8%；施用多元复合调理剂后，YY17的糙米Cd含量进一步下降了20.3%，表明多元复合叶面调理剂与低积累品种YY17联用是本研究条件下的最佳安全生产技术。