叶面喷施阻控剂对常淹水稻田水稻吸收转运镉的影响

邰粤鹰，何腾兵，b，陈小然，张 旺，黄啸云，刘鸿雁，高珍冉

(贵州大学 a. 农学院；b. 新农村发展研究院；c. 资源与环境工程学院，贵州 贵阳 550000)

镉(Cd)是一种植物非必需元素，但它也会通过竞争土壤胶体颗粒上的吸附位点被植物根系吸收，然后借助于必需元素的运输通道向地上部转运，一旦在植物体内过量积累，会诱发组织氧化损伤和活性氧的过量累积，威胁植物健康生长。如果Cd在作物的可食用部积累，还会随着食物链向人体传递。

为避免因土壤Cd污染而引发健康隐患，研究人员提出了许多应对方案，其中，喷施叶面阻控剂是一种经济有效的措施。研究表明，叶面锰肥能有效调节植物中多种酶的活性，增强水稻的抗逆性，从而达到降镉效果；叶面施铁能显著降低叶片中有效态Cd的比例，进而降低籽粒中的Cd含量；叶面硒肥既可能降低水稻对Cd的吸收，也可能加重Cd对水稻的毒害，其区别主要取决于Cd的污染程度和硒的剂量。另有研究显示，施用硅钙肥能降低稻谷中Cd的含量。这是因为，硅与镉可以形成Si-Cd络合物，从而抑制水稻对Cd的吸收。此外，高敏等研究表明，在水稻孕穗后期对稻田进行持续淹水处理，可以显著降低糙米中Cd的累积；Tian等也发现，在水稻全生育期进行淹水处理能有效降低水稻各部位的Cd含量。这是因为，淹水条件下，土壤理化性质的变化，及植物根际分泌物的螯合作用等，都有可能降低土壤中Cd的活性。综上，叶面喷施阻控剂和淹水处理都能在一定程度上降低稻米中的Cd含量。然而，以上研究中涉及的阻控剂种类较少，且大多仅为盆栽试验。实际生产中，田间条件相对复杂，且常淹水条件下水稻吸收转运Cd的特性还未明确。为此，本文特针对Cd污染农田，在常淹水条件下，研究叶面喷施不同阻控剂对水稻吸收转运Cd的影响，以期为Cd污染农田的安全生产提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2020年5—9月在贵州省稻田重金属污染防治技术示范基地进行。试验地块为常年种植的稻田，属北亚热带季风性温润气候，年均气温13.49 ℃，年均降水量1 258 mm，且降水集中在5—9月，农田长年处于淹水状态。试验地土壤系地带性黄壤与非地带性石灰土经水耕熟化发育而成的水稻土，试验前表层(0～20 cm)土壤的基本理化性状如下：pH值7.51±0.12，有机质(81.04±4.91)g·kg，全氮(1.38±0.11)g·kg，全磷(0.77±0.03)g·kg，全钾(29.91±1.41)g·kg，全Cd(1.81±0.39)mg·kg，远高于全国土壤背景值(0.097 mg·kg)，有效Cd含量(0.93±0.07)mg·kg。根据国家标准GB 15618—2018《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》，本试验地可能存在会导致食用农产品不符合质量安全标准的土壤污染风险，应采取相应调控措施以确保安全利用。

1.2 试验设计与试验材料

依照所使用的商品阻控剂，共设置6个处理：CK(无喷施处理)、ZK1、ZK2、ZK3、ZK4和ZK5，每个处理重复3次，每个重复对应于1个小区，平均每个小区面积为340 m，共18个小区。2020年5月25日施基肥(水稻专用复合肥450 kg·hm，N 20%，KO 5%，总养分≥25%，贵州天宝丰原生态农业科技有限公司)，6月7日施分蘖肥(尿素120 kg·hm，N≥46.0%，安阳中盈化肥有限公司)，7月25日施穗肥(氯化钾112.5 kg·hm，KO≥60%，中化化肥有限公司)，9月28日收获采样。

供试的水稻品种为晶两优534(国审稻20176004)，栽插株行距为16 cm×23 cm。

ZK1～ZK5均严格按照相应阻控剂产品的喷施时期和浓度、用量执行，简述如下：ZK1(美鑫隆，主要成分是锰和锌，湖南美鑫隆生态环保科技有限公司生产)，抽穗初期喷1次，5 d后再喷1次，每次喷施用量0.45 mL·m，喷施浓度8.7 mL·L；ZK2(喷喷富，主要成分是壳聚糖硒和二氧化硅溶胶，佛山市铁人环保科技有限公司生产)，拔节期结束后的第5天喷1次，喷施用量1.49 mL·m，喷施浓度8 mL·L；ZK3(江苏天象水溶性硅，主要成分是水溶性硅，江苏天象生物科技有限公司生产)，拔节、抽穗初期各喷1次，每次喷施用量0.28 mL·m，喷施浓度5 mL·L；ZK4(果通螯合铁，主要成分是螯合铁，四川省兰月科技有限公司生产)，孕穗、灌浆初期各喷1次，每次喷施用量0.02 mL·m，喷施浓度0.3 mL·L；ZK5(果通硅，主要成分是二氧化硅溶胶，云南农业大学自研)，拔节、抽穗初期各喷1次，每次喷施用量0.005 mL·m，喷施浓度0.2 mL·L。各处理统一在晴天的下午4点进行喷施，以液滴挂满叶面为佳。

1.3 测定项目与方法

土壤pH值采用电位法，用ZD-2型自动电位测定仪(上海仪电科学仪器股份有限公司)测定；重金属Cd全量用混酸(HNO、HF、HCIO按3∶1∶1的体积比混合)消解，使用赛默飞iCAP7400电感耦合等离子体原子发射光谱仪(ICP-OES)(美国Thermo Scientific)测定；有效Cd含量，采用DTPA(二乙基三胺五乙酸)浸提-原子吸收法(GB/T 23729—2009)，使用赛默飞ICE-3500型原子吸收分光光度计(美国Thermo Scientific)测定；土壤有机质含量采用重铬酸钾-外加热法测定；全氮含量采用硫酸消煮-水杨酸钠法，全磷含量采用硫酸消煮-钼锑抗比色法，使用CleverChem380型全自动间断化学分析仪(德国DeChem-Tech)测定；速效钾含量采用乙酸铵浸提-火焰光度法，使用原子吸收分光光度计测定。

分别于水稻生长的抽穗期、灌浆期和成熟期，在每个小区选取长势均一的5株水稻，采用卷尺测量水稻株高。

于水稻成熟期，在每个小区选取长势均一的3穴完整水稻植株，用自来水清洗水稻整株数次后再用去离子水润洗，105 ℃杀青30 min，70 ℃烘至恒重，将其分为根、茎、叶、稻壳、糙米各部分，在实验室用FW-100高速粉碎机(天津市泰斯特仪器有限公司)粉碎。称取0.2 g上述样品，加入5 mL硝酸消解，用ICP-OES测定Cd全量。

分别于水稻生长的孕穗期、抽穗期和灌浆期，采用CCM-300型手持叶绿素仪(美国OPTI-sciences)测定水稻叶片的相对叶绿素含量。测定时，于小区内选取长势均一的5株水稻，每株水稻选定完整无损的叶片测定3次，求平均值。

在进行指标测定时，所使用的试剂均为优级纯，并采用国家标准物质(GBW10015、GBW10010)和空白样对测定误差进行校正。

1.4 数据处理和分析

参照文献[14]中的方法，测算转运系数(TF)和富集系数(BCF)。

使用Excel 2016软件整理数据；利用SPSS 20.0软件进行统计分析，对有显著(<0.05)差异的，采用最小显著差法(LSD)进行多重比较；用ArcGIS 10.0和Origin 2019软件制图。

2 结果与分析

2.1 对水稻农艺性状的影响

抽穗期时，与CK相比，除ZK3外，喷施其他阻控剂的处理均能显著(<0.05)提高水稻株高(表1)；灌浆期时，与CK相比，ZK2、ZK5显著(<0.05)提高水稻株高，ZK3显著(<0.05)降低水稻株高，其他处理对水稻株高无显著影响；成熟期时，与CK相比，各处理均对水稻株高无显著影响。

表1 不同处理对各生育期水稻株高的影响

与CK相比，ZK1、ZK2、ZK4的水稻产量分别显著(<0.05)增加16.03%、13.08%、44.19%，ZK3、ZK5的产量分别显著(<0.05)降低5.52%和9.31%；ZK1的穗粒数显著(<0.05)增加30.08%；ZK4的千粒重和结实率分别显著(<0.05)提高10.36%和6.42%，而ZK3、ZK5的千粒重和结实率分别显著(<0.05)降低10.30%和4.42%、10.92%和4.93%。

2.2 对水稻叶片相对叶绿素含量的影响

总的来看，各处理下水稻叶片的相对叶绿素含量在孕穗期到灌浆期均呈现先升高后降低的趋势(图1)。孕穗期时，与CK相比，ZK3、ZK4、ZK5的相对叶绿素含量分别显著(<0.05)增加16.63%、13.18%和13.44%；抽穗期时，与CK相比，ZK3、ZK5的相对叶绿素含量分别显著(<0.05)增加9.47%和7.05%；灌浆期时，与CK相比，ZK1～ZK5的相对叶绿素含量分别显著(<0.05)增加13.18%、13.73%、24.42%、20.72%和19.16%。各生育期，均以ZK3处理的水稻相对叶绿素含量最高。

图1 不同处理对水稻叶片相对叶绿素含量的影响

2.3 对水稻各部分Cd吸收、转运和积累的影响

与CK相比：除ZK3外，其他处理水稻根中Cd含量均显著(<0.05)增加(图2)，ZK1、ZK2、ZK4、ZK5的增幅分别为19.52%、54.25%、51.72%和99.03%；除ZK3外，其他处理水稻茎中Cd含量均显著(<0.05)增加，ZK1、ZK2、ZK4、ZK5的增幅分别为23.81%、51.62%、99.31%和82.62%；ZK1～ZK5水稻叶中的Cd含量均显著(<0.05)增加，增幅分别为48.20%、116.19%、44.87%、62.65%和48.43%；ZK1～ZK3的稻壳Cd含量分别显著(<0.05)降低51.46%、35.60%、55.02%，ZK4的稻壳Cd含量无显著变化，而ZK5的稻壳Cd含量显著(<0.05)增加92.11%；ZK1～ZK3的糙米Cd含量分别显著(<0.05)下降到0.015、0.027、0.028 mg·kg，降幅分别为55.88%、20.59%、17.65%，但ZK4和ZK5的糙米Cd含量未显著下降。

柱上无相同字母的表示处理间差异显著(P<0.05)。

表2 不同处理对水稻产量及其构成要素的影响

与CK相比，ZK5处理下水稻根中Cd的富集系数显著(<0.05)提高46.32%，而ZK3处理下水稻根中Cd的富集系数显著(<0.05)降低35.34%(表3)；ZK1处理下水稻叶中Cd的富集系数显著(<0.05)提高50.00%；ZK1、ZK2、ZK3、ZK4处理下，糙米中Cd的富集系数分别显著(<0.05)降低57.69%、50.00%、50.00%、42.31%。各处理下水稻中Cd的富集系数都表现为根>茎>叶>糙米，且根、茎、叶中Cd的富集系数分别是糙米的25～68倍、2～8倍、1～5倍。

表3 不同处理对水稻各部分Cd富集系数的影响

表4 不同处理对水稻Cd转运系数的影响

3 讨论

贵州省水稻土重金属超标率高，这与贵州喀斯特地区镉的高地球化学背景密切相关。重金属的地球化学高背景是一个自然形成的过程，其成因非常复杂。对于农田来说，镉的来源，一方面与风化母质有关，另一方面与农业生产活动有关。长期施用含镉的粪肥等会造成镉等重金属在农田土壤中的不断累积。试验地属西南典型喀斯特地区，岩溶较为发育，试验地周边无矿区和其他工业污染活动，污染类型属于地质高背景叠加农业生产造成。在进行本试验之前，每个田块施用粪肥的差异无法量化，也可能因此造成各个田块间的Cd含量存在差异。

本试验条件下，喷施5种叶面阻控剂对水稻农艺性状的影响不一。ZK1、ZK2、ZK4能显著促进水稻产量的提高，而ZK3、ZK5却使水稻产量下降。有研究表明，千粒重和结实率的提高能促进水稻产量的增加，反之则降低水稻产量。本试验中，与CK相比，ZK4不仅显著提高水稻千粒重，还显著提高水稻的结实率，而ZK3、ZK5却显著降低水稻千粒重和结实率。这很可能是导致ZK4增产效果最佳，而ZK3、ZK5处理下水稻产量下降的主要原因。

有研究指出，施硅能增加水稻产量，与本试验结果相反。对比发现，前述研究中试验地土壤的pH值分别为5.33、5.92、4.97，属于偏酸性土壤，而本试验地的土壤pH值为7.51±0.12，属于中性偏碱性土壤，这说明在pH中性偏碱性的环境下喷施水溶性硅和二氧化硅溶胶可能并不利于水稻产量的提高，再加上全生育期的淹水处理，可能会导致水稻产量下降。

Cd胁迫会破坏植物的叶绿体结构，降低叶绿素含量，从而抑制植物生长及其光合作用等。本试验条件下，各处理较CK都有助于提高水稻叶片的相对叶绿素含量。近年来的许多研究发现，锰、锌、硅、硒、铁等元素在增强植物光合作用方面有重要作用。当植物受到胁迫时，锰可以改善光系统Ⅱ供体侧能量转换和放氧复合体的完整性，增强电子传递，这有利于光合作用的增强和叶绿素含量的提高；锌可以促进叶绿素合成相关基因和蛋白的表达，抑制重金属对植物光合机构的损害。ZK1处理下，水稻相对叶绿素含量从730 mg·m提高到了826 mg·m，这可能与锰和锌的施入有关。研究表明，壳聚糖可提高镉胁迫下植物叶片的光合作用，增加叶绿素含量；硒可通过影响水稻叶绿素荧光参数来保护光合系统免受伤害；硅不仅有利于叶片表面形成硅化细胞，还可通过改善维管束鞘细胞叶绿体中类囊体的形成来增强叶片的光合作用；ZK2主要含有壳聚糖硒和二氧化硅溶胶，这可能是ZK2能提高水稻相对叶绿素含量的重要原因。水溶性硅的施用能在一定程度上提高植物叶绿素荧光参数，从而增强作物的光合作用。由此推测，ZK3可能得益于水溶性硅的作用，提高了水稻的相对叶绿素含量。铁可以修复叶绿体、线粒体的被膜结构，提高植物对光能的吸收和转化，从而提高叶绿素含量；喷施二氧化硅溶胶能提高植物叶绿素含量，但需注意浓度的使用。我们推测，可能正是得益于上述作用，ZK4(螯合铁)和ZK5(二氧化硅溶胶)的水稻叶绿素相对含量显著提高，也就是说，阻控剂的喷施缓解了Cd胁迫对水稻叶片的损伤。

叶面喷施不同阻控剂对水稻各部分Cd含量的影响差异较大。研究表明，锰在植物抗氧化防御系统中起着重要作用，锌可以促进Cd与水稻叶片细胞壁的结合，提高叶片中的Cd含量。据此推测，ZK1(锰+锌)处理之所以能有效降低糙米中的Cd含量，可能就是由于其能有效消除因Cd胁迫对作物造成的氧化损伤，且能使Cd富集在水稻叶片中，从而降低Cd在糙米中的积累。

Liu等研究表明，叶面喷施二氧化硅溶胶可以减轻Cd对水稻的毒害。硒与Cd之间存在一定的拮抗作用。壳聚糖是一种存在大量活性羟基的生物高分子，对重金属离子有很强的离子交换、络合和吸附作用。可能正是上述因素的共同作用，ZK2处理(壳聚糖硒+二氧化硅溶胶)才能够显著降低糙米中的Cd含量。

硅不仅可以促进水稻生长，还能有效阻控水稻对Cd的吸收，ZK2、ZK3、ZK5处理中都含有硅，但ZK5却没有降Cd效果。推测可能是由于二氧化硅溶胶和水溶性硅的侧链功能基团不同，因此在对元素的吸收与利用上存在一定的差异。

研究显示，铁可以通过抑制木质部和韧皮部中相关Cd转运基因的表达来影响Cd在糙米中的积累，但本试验中，ZK4处理下糙米中的Cd含量与CK相比差异不显著，这可能与本试验中糙米Cd含量较低有关。

与其他灌溉模式相比，常淹水处理的土壤pH值、有效铁和磷含量都会升高，会促进土壤胶体对Cd的吸附，降低土壤可交换态Cd含量。有研究表明，土壤pH会影响土壤中Cd的生物有效性和Cd在水稻各部位的转运系数，当土壤pH值较高时，Cd更多地积累在根部。本试验中，各处理下Cd都主要富集在水稻根部。因此，虽然土壤Cd含量超标，但在某些处理下水稻籽粒中的Cd含量还是低于食品安全国家标准限量值(0.2 mg·kg)的。

常淹水能通过抑制相关基因的表达来降低水稻对Cd的吸收和积累。因次，本试验的常淹水条件可能对降低糙米Cd含量亦有一定贡献。然而，本试验中，ZK5并未表现出明显的降低糙米中Cd含量的效果，推测其与常淹水处理并无明显协同效应。

重金属转运系数是判断植物吸收、分配和转运重金属的一个重要指标。Mn和Cd之间的拮抗作用可能是抑制植物吸收Cd的重要原因，锌能通过在细胞壁形成Zn-Cd络合物，抑制Cd在细胞间的迁移。可能正是得益于上述作用，本试验中ZK1处理下茎—糙米和叶—糙米的转运系数在所有处理中最小，说明该处理下水稻从茎和叶向糙米转运Cd的能力最差，相应地，其糙米中的Cd含量最低，降Cd效果最好。

壳聚糖可通过提高植物生物量和光合作用相关参数等来达到抑制镉胁迫的效果；硒通过调控叶片中相关转运蛋白基因的表达来降低Cd从叶片向糙米的转运；硅能促进Cd从茎到叶的转运，降低茎到糙米的转运。在上述因素的共同作用下，ZK2、ZK3处理亦显著降低了糙米中Cd的积累。

本试验中，ZK5处理下，水稻根和糙米中Cd的富集系数和叶到糙米的转运系数在5个喷施阻控剂的处理中最大，且茎到糙米的转运系数也相对较高。也就是说，该处理下，水稻对Cd的吸收、转运能力很强。因此，其降Cd效果不理想。

综上，通过分析在常淹水条件下向中性偏碱的Cd污染稻田喷施不同阻控剂对水稻吸收转运Cd的影响发现，不同阻控剂与Cd的互作机制复杂，降Cd效果存在明显差异，但主要是通过影响Cd在各器官间的富集和转运来改变糙米中的Cd含量。在试验条件下，建议喷施含有锰和锌成分的阻控剂，或含有壳聚糖硒和二氧化硅溶胶成分的阻控剂，既有助于提高水稻产量，还能有效抑制水稻糙米中Cd的积累。