硫、硅肥配施对铜胁迫下水稻产量和品质的影响

贺子俨，刘 瑛，甘 豪，魏宗强，3，袁源远，卢志红，3*

（1.江西农业大学 国土资源与环境学院，江西 南昌 330045；2.江西省宜春市硒资源开发利用中心，江西 宜春 336000；3.江西省鄱阳湖流域农业资源与生态重点实验室，江西 南昌 330045）

【研究意义】铜（Cu）是作物生长发育所必需的微量营养元素，同时被世界卫生组织列为动物和人类所必需的14 种微量元素之一。但随着铜用途的扩大和用量的增加，含铜污染物排放日益增多，根据2014 年《全国土壤污染调查公报》显示全国土壤中铜点位超标率为2.1%，位居第4[1]，是污染环境的主要重金属元素之一，土壤中过量的铜会严重影响水稻的产量和品质。【前人研究进展】赵江宁等[2]研究表明土壤铜污染影响水稻对铜的吸收与分配，阻碍水稻的生长发育，从而影响水稻产量。当土壤中铜含量过高时，水稻的根系生长发育也会受阻，导致株高变矮，分蘖延迟，穗数减少，水稻产量和品质显著下降[3-5]，使得水稻的生物量下降，生长发育变的迟缓，甚至会引起萎黄病。根据有关土壤铜污染治理报道，在生产中采取以硫肥和硅肥作改良剂以减轻铜污染对水稻的毒害作用是一项有效措施。硫素参与水稻的生长发育，是其生长的必需营养元素之一，在作物体内含量为3%～5%，在生长过程中参与半胱氨酸、甲硫氨基酸、谷胱甘肽（GSH）、植物螯合肽（PC）及类金属硫蛋白（MT）等有机化合物的合成[6]，在作物的生长中调节其代谢过程。研究证明，Cys和GSH等小分子巯基化合物可螯合细胞内的重金属并清除其中的活性氧，从而减轻重金属对其毒害作用[7]。水稻内GSH 的产生，对变价的Cu 有一定的还原作用，水稻根表铁膜的形成可以阻止水稻根系对Cu的吸收[8]。硅素在禾本科作物（水稻、小麦等）中可促进其生长，增强其抗胁迫的能力。由相关报道表明，硅肥具有抑制植物吸收重金属的机理与硅和重金属的螯合作用、土壤理化性质的变化有关[9]。在作物中，硅素可促进其健康发育、增强抗性和平衡营养[10]。施加硅肥后，硅素与重金属离子发生反应，形成硅酸化合物，其硅酸根离子与植物体内吸收的重金属产生反应，形成新的不易被水稻吸收的硅酸化合物，改变了重金属在植物体内的化学形式[11]，使得重金属在植物体内得以沉淀下来。硅素提高了土壤介质的pH，加速了土壤中重金属离子的沉淀，同时降低了土壤中重金属的流动性和浓度[12-13]，改变了土壤的理化性质，使得作物在整个生长发育的过程中对Cu 的吸收量有所下降。【本研究切入点】目前对铜胁迫水稻生长发育的改良措施多为单独某种肥料的施用影响研究，对硫、硅肥配施下铜胁迫水稻产量和品质影响的研究相对较少，缺乏对硫、硅肥互作效应的深入探究。【拟解决的关键问题】故本试验以水稻为材料，研究不同硫肥（0，0.013，0.026，0.039 g/kg）、硅肥（0，0.05，0.10，0.15 g/kg）的配施对铜胁迫下水稻产量和品质的影响，探究硫、硅肥的互作效应，为阐明硫、硅肥配施缓解铜污染对水稻毒害机理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

本试验在江西农业大学科技园试验基地网室内进行，供试土壤为东乡铜矿附近孝岗镇张坊乡被污染的水稻土耕层土样，质地为壤土，肥力中等，其理化性状为：pH 4.93，有机质37.32 g/kg，有效磷14.87 mg/kg，速效钾116.34 mg/kg，碱解氮134.61 mg/kg，全量铜245.5 mg/kg，有效铜128.57 mg/kg，有效硫17.29 mg/kg，有效硅16.36 mg/kg。

供试品种选用常规稻中早25，由南昌科富农种业有限公司提供。硫肥采用硫磺；硅肥用分析纯硅酸钠（Na2SiO3·9H2O），其中含SiO221%。

1.2 试验设计

本试验共有16 个处理（表1），硫磺设4 水平，硫素（S）添加量分别为0，0.013，0.026，0.039 g/kg，分别表示为S0、S1、S2、S3；硅酸钠设4 水平，硅素（Si）添加量分别为0，0.05，0.10，0.15 g/kg，分别表示为Si0、Si1、Si2、Si3。此试验为完全随机设计，重复8次，共计128盆。试验盆栽土壤供肥（N、P2O5、K2O）水平相同。

试验盆钵为红色塑料桶，盆口直径30 cm，底径20 cm，高25 cm，每桶装风干土14 kg。播种前1 d 将底肥（尿素、氯化钾、钙镁磷）、相对应的硅酸钠等按规定用量施入装好土的盆中搅拌均匀，盆钵土面上保持水层，使土壤与肥料平衡。大田育秧，4月28日移栽，每盆3穴，每穴3粒苗，其中施硫磺的处理用少量土与所需硫磺搅拌均匀，分3 份蘸秧根移栽到盆中。移栽后全生育期盆钵土面保持3～4 cm 的水层。氮肥分基肥、分蘖肥和穗肥3次施用（6∶2∶2），钾肥分基肥、分蘖肥2次施用（7∶3）。均以不施硫磺和硅酸钠处理为对照，随机排列，灌溉水用自来水，其他管理措施一致。

1.3 测定内容与方法

1.3.1 考种与计产 成熟期各处理取5 盆，考查每盆产量和每盆穗数、每穗粒数、结实率和千粒质量，取4盆实收计产。

1.3.2 稻米品质测定 各处理取部分收获稻谷测定米质。测定前统一用NP-4350 型风选机等量风选，方法按照中华人民共和国标准《GB/T 17891—1999优质稻谷》测定出糙率、精米率、整精米率、垩白米率、垩白度、直链淀粉含量和胶稠度。

1.3.3 粗蛋白质含量测定 凯氏定氮法测定稻米中的含氮量，乘以换算系数5.95。

1.3.4 水稻植株样品铜含量的测定 准确称取1.000 g（准确到0.1 mg）经烘箱烘至恒重的水稻植株样品（根、茎、叶和籽粒）各3 份，分别置于100 mL 三角烧瓶中，加8 mL 浓硝酸，在电热板上加热，消解至红棕色气体减少时，沿烧杯壁加入2 mL 高氯酸，补加浓硝酸5 mL，加热至冒浓白烟、溶液透明（或白色稠状物）为止，用中速定量滤纸过滤至25 mL 容量瓶中，用去离子水洗涤消煮液2～3 次后，稀释定容，摇匀待测。同时做空白试验。原子吸收光谱法测定植株各部位铜含量[12]。

1.4 数据处理

用Excel 软件对数据进行计算分析，应用Origin Pro 7.0 软件作图，用SPSS17.0 软件对数据进行数据方差分析（Duncan’s法）。

2 结果与分析

2.1 硫、硅肥配施对铜胁迫下水稻产量及其构成因素的影响

2.1.1 硫、硅肥配施对铜胁迫下水稻产量的影响 由表1可知，硫肥对水稻产量有显著影响（P＜0.05）；硅肥及硫、硅肥配施对水稻产量均有极显著影响（P＜0.01）。与对照组（S0）相比，施用硫肥可增加铜胁迫下水稻产量，但水稻平均产量随着硫肥用量的增加表现出先增后减的规律，其中仅S2处理与对照组S0差异显著，增幅为6.38%，其他处理间差异不显著（P＞0.05）。与对照组（Si0）相比，水稻平均产量仅Si2处理显著增加，增幅为6.19%；而Si1和Si3处理产量均低于对照组，减幅为4.04%～8.04%，其中Si3处理与对照组差异显著；多重比较结果表明硫、硅肥配施水稻平均产量以S1Si2处理铜胁迫下最高，每盆产量为76.26 g，除S1Si3处理产量比对照组（S0Si0）减少3.32%，其他组产量比对照组（S0Si0）增加了1.27%～29.14%，其中S1Si2和S3Si2极显著高于其他交互处理（P＜0.01），但S1Si2和S3Si2之间差异不显著。综上分析，可知当硫、硅用量分别为0.013 g/kg和0.10 g/kg配施时，铜胁迫下水稻产量最高，即S1Si2处理为最优组合。

表1 硫、硅肥配施对铜胁迫下水稻产量及其构成因素的影响Tab.1 Effect of sulfur and silicon on yield and yield components of rice under copper stress

2.1.2 硫、硅肥配施对铜胁迫下水稻产量构成因素的影响 由表1 可知，（1）铜胁迫下施硫肥、硅肥各处理较对照组（S0Si0）的有效穗数增减幅度为-3.2%～15.8%，除处理S0Si1和S3Si3有效穗略低于或等于对照，其他处理有效穗均高于对照，其中以S1Si2处理有效穗最多。但施硫肥、硅肥及其配施对水稻有效穗数的主效应均不显著（P＞0.05）。（2）施用硫肥、硅肥对每穗实粒数的主效应显著（P＜0.05），硫、硅肥配施对每穗实粒数的主效应极显著（P＜0.01）。施硫肥各处理每穗粒数较对照组（S0）少，减幅为0.59%～7.58%，但仅S2与S0、S3差异显著（P＜0.05）。硅肥处理与对照组（Si0）相比，Si2每穗平均粒数增加了3.98%，Si1和Si3处理分别减少0.38%和3.28%，但仅Si2与Si3差异显著（P＜0.05）。多重比较结果表明S1Si2配施处理水稻每穗平均实粒数最多，但比S0Si2、S3Si0两处理少，但三处理间差异不显著（P＞0.05）。（3）铜胁迫下施用硫肥对水稻千粒质量影响不显著（P＞0.05），施用硅肥对千粒质量影响极显著（P＜0.01），硫、硅肥配施对千粒质量影响显著（P＜0.05）。其中与对照组（Si0）相比，Si1与Si2处理千粒质量均增加了0.94%，但Si3处理降低了0.49%。多重比较结果表明硫、硅肥配施除S2Si3、S3Si3外，其他处理组千粒质量比对照组（S0Si0）增加了2.02%～5.03%。（4）铜胁迫下施用硅肥对水稻结实率影响不显著（P＞0.05），但施用硫肥及硫、硅肥配施对结实率影响极显著（P＜0.01）。其中与对照组（S0）相比，S1结实率增加了1.55%，但S2与S3结实率分别降低了1.01%和4.74%。硫、硅肥配施除S2Si1、S3Si1、S3Si2、S3Si3外，其他处理组结实率比对照组（S0Si0）增加了1.82%～5.63%，且差异显著（P＜0.05）。

由表2可知，水稻产量与其构成因素均正相关，其中产量与有效穗数和每穗粒数相关性显著，相关系数r大小分别为0.534和0.603。

表2 水稻产量与其构成因素的相关性分析Tab.2 Correlation analysis of rice yield and its components

2.2 硫、硅肥配施对铜胁迫下水稻品质的影响

2.2.1 硫、硅肥配施对铜胁迫下稻米碾米品质的影响 由表3可知，在硫、硅肥及其配施对铜胁迫下水稻糙米率的主效应均表现为极显著（P＜0.01），糙米率除S3Si0外较对照组（S0Si0）均下降，降幅为0.49%～9.59%，其中以处理S1Si2糙米率最低为73.5%；在硫、硅肥及其配施对铜胁迫下水稻精米率、整精米率的主效应表现为显著（P＜0.05）或极显著（P＜0.01），但不同硫硅肥配施效果不一，与对照组（S0Si0）相比，铜胁迫水稻的精米率和整精米率有的提高有的降低。

表3 硫、硅肥配施对铜胁迫下水稻品质的影响Tab.3 Effects of sulfur，silicon and their interaction on quality of rice under copper stress

2.2.2 硫、硅肥配施对铜胁迫下稻米外观品质的影响 由表3 可知，在硫、硅肥及其配施作用下，铜胁迫下稻米的粒长、粒型长/宽和透明度都没有明显影响，其主效应均不显著（P＞0.05）；而垩白米率和垩白度与对照组（S0Si0）主效应呈显著（P＜0.05）或极显著（P＜0.01），但硫、硅肥及其配施处理垩白米率与对照组（S0Si0）相比，仅S3Si1显著下降3.06%，其他处理差异均不显著；而硫、硅肥及其配施处理与对照组（S0Si0）相比，除S1Si2、S1Si3、S2Si3、S2Si2、S3Si2、S3Si36 处理垩白度若有增加，其他处理垩白度均有所下降，其中S1Si0垩白度最低，降幅为13.89%，且与对照组（S0Si0）差异显著。

2.2.3 硫、硅肥配施对铜胁迫下稻米蒸煮食味品质的影响 直链淀粉含量越低，表示米饭越松软，反之就越硬而冷后反生。由表3可知，在硫、硅肥及其配施作用下，稻米直链淀粉含量较对照组（S0Si0）降低了1.22%～12.19%，但仅硅肥主效应显著（P＜0.05）；而稻米胶稠度明显提高，比对照组（S0Si0）增加0～5 mm，其中硫肥对其影响为不显著（P＞0.05），硅肥及硫、硅肥配施对其影响极显著（P＜0.01）；硫、硅肥及其配施下稻米碱消值较对照组（S0Si0）无变化。可见，施用硅肥利于提高稻米蒸煮食味品质。

2.2.4 硫、硅肥配施对铜胁迫下稻米营养品质的影响 由图1可知，硫、硅肥及其配施极显著提高铜胁迫下稻米蛋白质含量（P＜0.01）。与对照组（S0）相比，施硫肥稻米蛋白质含量提高了15.98%～29.22%，差异极显著（P＜0.01），S2对稻米蛋白质含量的提高效果最佳，且S2与S1、S3差异显著（P＜0.05）。施硅肥稻米蛋白质含量较对照组（S0）增加10.69%～41.45%，差异极显著（P＜0.01），且硅肥不同用量间差异均显著（P＜0.05），且稻米蛋白质含量随硅肥施用量的增加而增加。多重比较结果表明稻米蛋白质含量硫、硅肥配施较对照组（S0）增加15.77%～48.62%，且硫肥与高浓度的硅肥配施效果比单施硫肥或硅肥更好。当硫、硅用量为0.026 g/kg和0.15 g/kg配施时，稻米蛋白质含量最高。

图1 硫、硅肥配施对铜胁迫下稻米营养品质的影响Fig.1 Effects of sulfur，silicon and their interaction on nutritional quality of rice under copper stress

2.2.5 硫、硅肥配施对铜胁迫下稻米卫生品质的影响 由图2可知，硫、硅肥及其配施明显降低了铜胁迫下糙米中铜含量，硅肥及硫、硅肥配施主效应极显著（P＜0.01）。施硫肥糙米中铜含量较对照组（S0）减少20.43%～26.94%，且硫肥低浓度时，稻米铜含量最低，但各处理间差异不显著（P＞0.05）。与对照组（Si0）相比，施硅肥糙米中铜含量减少了24.86%～49.37%，硅肥低浓度时对稻米铜含量的抑制作用更好，且硅肥各处理间差异极显著（P＜0.01）。多重比较结果表明硫、硅肥配施下铜污染糙米铜含量较对照组（S0Si0）均有所下降，降幅为16.37%～49.37%，配施中以S2Si3效果最好，但S2Si3糙米铜含量仍高于S0Si1。综上可知，施用硫、硅肥提高了稻米卫生品质，且糙米中铜含量均没有超出食品质量铜的临界值（＜10 mg/kg）[15]。

图2 硫、硅肥配施对铜胁迫下稻米卫生品质的影响Fig.2 Effects of sulfur，silicon and their interaction on health quality of rice under copper stress

3 讨论与结论

3.1 硫、硅配施对铜胁迫下水稻产量的影响

众多研究表明过量的铜会抑制水稻根的伸长，分蘖迟缓，抽穗期明显推迟，灌浆期贪青，因穗数和每穗颖花数共同减少而显著减产[4-5]。本研究在铜污染稻田中采用硫、硅肥配施可通过增加水稻有效穗和每穗粒数显著提高产量，这与施爱枝[16]、魏玉光等[17]研究结果一致。

在单施硫肥时，水稻产量随硫肥用量的增加而增加，硫素的施入可增加含硫氨基酸在水稻中的含量，这是叶绿素合成的重要介质，进而促进水稻的光合作用。徐金仁[18]、王旭等[19]通过研究得出每667 m2水稻产量在0～4.5 kg 硫肥的施用范围内呈先增后减的趋势，与本文研究结果大体一致，单施硫肥水稻产量随其用量的增加表现出先增后减的规律。适量的施用硫肥，可以促进水稻有效分蘖和灌浆，提高水稻千粒质量和结实率，进而增加水稻产量，但过量施用硫肥对水稻会产生毒害作用。张延青等[20]研究表明，硫肥施用过量易在水稻根部氧化为SO42-，造成酸害影响铜的有效性进而加剧铜毒害。在单施硅肥时，低浓度（0.05 g/kg）时对水稻产量出现抑制作用，高浓度（0.15 g/kg）的促进作用不如中浓度（0.10 g/kg）。张国良等[21]对武育粳3 号研究表明，在大田基施硅肥（有效硅含量≥20%）0～450 kg/hm2内，随硅肥施用量的增加，水稻产量呈先增加后降低的趋势，在225 kg/hm2时产量最高。李珂清等[22]以优质水稻品种粤禾丝苗为供试材料进行田间试验，设置4 个硅肥用量（0，90，180，270 kg/hm2）处理，其中270 kg/hm2的高肥处理产量最高。可见本研究与张国良[21]和李珂清等[22]研究结果在不同硅肥用量对水稻产量影响上不一致，可能是由于水稻品种及种植环境不同所致。提高水稻产量原因也存在差异，曾仁杰[23]研究表明硅肥对水稻产量的影响，主要通过对水稻有效穗数的影响而发生变化，而本研究单施硅肥水稻增产主要原因是每穗粒数和千粒质量的增加。

不同用量的硫、硅肥配施对水稻产量的影响略有差异。除0.013 g/kg 硫与0.15 g/kg 硅配施外，其他处理组较对照组的产量均有不同程度的增加，以0.013 g/kg硫与0.10 g/kg硅配施效果最佳。除0.026 g/kg硫与硅配施外，0.013 g/kg 和0.039 g/kg 硫与硅配施时，水稻的产量均随硅施用量的增加呈现先增后减的情况，可能是由于高浓度的硅与硫之间会产生拮抗效应，进而对水稻生长的促进作用会减弱，这与周丽君等[24]研究适宜浓度的硫硅配施有利于青蒜苗生长和品质的提高相一致。当硫浓度超过0.013 g/kg 时，外施硅肥后水稻的产量都低于不施硅肥时水稻的产量，经分析可知低浓度硫与中、低浓度硅间的促进效应较好，中、高浓度硫易与高浓度硅产生拮抗效应。其原因可能是硫元素作为叶绿素合成的必需元素，影响着光能的吸收、运输、分配和转化，决定光合速率的快慢。经周丽君[24]研究可知硅肥进入植物体后，在叶片中形成“角质-双硅层”结构，易使植株叶片细胞膜的通透性降低，所以高浓度的硫、硅在水稻叶片光合作用时易产生拮抗效应。而适当的硫、硅肥配施更有利于水稻产量的提高，本研究铜胁迫下以0.013 g/kg硫与0.10 g/kg硅配施水稻产量最高，其增产原因主要是通过增加有效穗和每穗粒数。

3.2 硫、硅配施对铜胁迫下水稻品质的影响

随着人们生活水平的提高，对稻米品质越来越重视。王越涛[25]和谭宏伟等[26]认为施用硫肥有利于水稻的光合作用和代谢作用，不仅增加产量，还可增加蛋氨酸含量，提高稻米品质和营养价值。而有研究[27]表明施硅能提高稻米香味和蒸煮品质，显著提高整精米率和蛋白质含量，但对出糙率、垩白度、垩白粒率、粒/长比及食味等无明显影响。本研究结果表明适量的硫、硅肥施用能降低糙米率和垩白度，提高稻米蒸煮食味品质和营养品质，但对粒长、粒型长/宽和透明度等外观品质影响不太明显。这与施用硫、硅肥后水稻根系发达、促进氮、磷、钾养分吸收，减缓光合器官的衰老，提高光合生产效率、增强水稻抗性密不可分。除此在铜污染土壤中施用硫、硅肥后水稻籽粒中铜含量明显下降，其变化规律与任海[28]、魏玉光等[17]研究结果一致。究其原因，一方面硫、硅肥配施于铜污染稻田中，硅酸根离子与土壤中Cu 等重金属发生化学反应，形成不易被作物吸收的硅酸化合物沉淀，降低酸可提取态铜含量，提高残渣态铜含量，进而减少水稻茎、叶、糙米中铜的积累[29]。另一方面，硫是植物细胞内非蛋白巯基类物质（包括半胱氨酸、甲硫氨酸残基、谷胱甘肽（GSH）、植物螯合肽（PC）等）的重要组成物质，研究证明这些非蛋白巯基化合物可螯合细胞内的重金属使其钝化或去除活性氧，从而减轻重金属对植物毒害作用[30]。另外水稻自身可通过细胞壁的固持[31]或液泡区室化等方式应对重金属胁迫[32-35]，以此降低重金属对水稻的毒害作用，而硅在细胞壁结构形成中不可或缺，对在细胞壁中的重金属解毒起着重要作用。由此可见施用硫、硅肥配施可进一步从生理上增强水稻对铜的抗性[36-37]，提高卫生品质。

综上可知，在铜污染稻田中适当施用硫、硅肥，可提高水稻产量和品质，较高浓度的硫、硅肥配施易产生拮抗效应，对水稻生长的促进效应会减弱，此外与对照组相比，施用硫、硅肥各处理水稻籽粒铜含量均呈下降趋势，进一步改善了铜污染水稻的卫生健康问题。本试验结果表明，0.013 g/kg 硫与0.1 g/kg 硅配施为提高水稻产量的最优配置。