不同阻控剂对水稻镉和砷的阻控效应及水稻产量的影响

潘荣庆，蓝淯琛，李站峰，何卿姮，蒋代华，黄智刚

(广西大学农学院/农业面源污染与生态治理广西高校重点实验室，南宁 530004)

【研究意义】我国是全球土壤重金属污染最严重的国家之一，2016年5月国务院印发《土壤污染防治行动计划》要求2030年被污染耕地的安全利用率在95.0%以上[1]。全国土壤污染状况调查公报显示，2013年全国耕地土壤点位重金属超标率达19.4%，其中镉(Cd)污染点位超标率达7.0%，砷(As)、汞(Hg)、铅(Pb)和铬(Cr)的超标率分别为2.7%、1.6%、1.5%和1.1%[2-4]。水稻是易富集重金属的农作物之一，对土壤重金属有很强的富集吸附能力[5]，在重金属高风险污染地区种植水稻，其稻米的重金属含量对食品安全存在严重威胁[6]。通过阻控剂阻控土壤重金属向水稻植株迁移可有效降低水稻籽粒的重金属含量，该技术已在水稻生产上得到广泛应用[7-10]。广西的Cd污染高风险地区主要分布在西部和北部[11-12]，其中，田东县是广西西部重要的粮食生产区，主要种植两季稻，年种植面积约1.33万hm2[13]，2019年检测其土壤Cd平均超标率为3.9%[14]，而迄今鲜见有关田东县解决土壤重金属污染风险的研究报道。因此，通过筛选低累积重金属水稻品种和采用阻控技术组合措施缓解重金属污染对水稻的胁迫作用，对降低重金属进入食物链危害人体健康风险具有重要意义。【前人研究进展】大田作物叶面喷施适量硒(Se)肥可提高其抗性、抗氧化能力和抵御恶劣环境能力，促进植株生长，发挥增产作用[15-18]。滕世辉等[19]研究发现，在水稻扬花后期叶面喷施硒肥可在一定程度上提高水稻产量。许佳莹等[20]研究表明，施用硅(Si)肥可使水稻根系保持良好的生长环境，提高根系活力，增强水稻的抗旱性、抗倒伏和抗病虫害能力。施用适量硅肥可促进水稻对营养元素的吸收，提高水稻叶片转氨酶和籽粒分支酶活性，进而促进水稻对氮素的吸收，提高水稻产量[21]，但不同水稻品种施用硅肥的增产效应存在差异[22]。植物的基因型决定植物对重金属的吸附能力，不同种类植物对重金属的吸附能力不同[23]，水稻品种不同其稻米的Cd、As和Pb含量也存在差异[6-8]。周鸿凯[24]研究发现，不同水稻品种对Cd的吸收富集能力存在显著差异。在重金属污染低风险地区，低累积重金属水稻品种能有效降低其籽粒的Cd和As含量，但在重金属高风险污染地区的低累积重金属水稻品种对降低其籽粒重金属含量能力有限，无法达到水稻安全生产目的[9]。已有研究表明，叶面阻控剂种类和水稻品种不同对稻米累积Cd和As的影响也不同[25]，水稻植株叶面喷施硅肥是防控稻米Cd污染的有效措施[26]，在重金属污染的水稻田，叶面施用硅肥后水稻籽粒的Cd吸收量显著降低[27]。水稻叶面施用硒肥也可降低Cd对水稻植株的毒害作用，减少水稻籽粒对重金属的吸收[28]，喷施硅肥也可显著降低稻米的Cd含量[29]。利用土壤重金属污染阻控技术控制土壤重金属污染，是实现农产品质量安全的有效途径[30-31]。【本研究切入点】广西百色市右江河谷地区土壤样品Cd的单因子污染评价结果为轻度污染占比67.61%、中度污染占比23.94%、重度污染占比5.63%[32]，其中，田东县的土壤重金属污染严重[14]，但目前针对其土壤重金属污染修复技术和筛选低累积重金属水稻品种的研究鲜见报道。【拟解决的关键问题】在广西百色市田东县重金属污染高风险稻田种植16个广西主栽晚稻品种，开展硒类阻控剂和硅类阻控剂阻控重金属试验，测定各品种稻米样品的Cd和As含量，对比分析不同阻控剂对Cd和As的阻控效果及不同品种水稻的产量，为开展重金属污染高风险土壤安全利用技术研究、筛选低累积重金属水稻品种及生产食用稻米提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2020年7—12月在广西田东县某重金属污染水稻田进行。试验田地处北回归线上，热量丰足，光照充沛，属于南亚热带季风气候区。年均气温20.0～22.0 ℃，日最高温38.0～40.0 ℃，日最低温3.8 ℃，年辐射总量约477.2 kJ/cm3，全年无霜期在300 d以上，年均降水量约1000 mm。在试验前对试验田种植的水稻进行检测发现，稻米重金属Cd、As和Cr含量分别为0.252、0.241和0.022 mg/kg，未检出Hg和Pb。其中，稻米Cd含量超过GB/T 5009.15—2014《食品安全国家标准 食品中镉的测定》的标准(Cd含量≤0.200 mg/kg)，稻米As含量超过GB/T 5009.11—2014《食品安全国家标准 食品中总砷及无机砷的测定》的标准(As含量≤0.200 mg/kg)。因此，本研究选择稻米中含量超标的重金属Cd和As作为研究内容。供试稻田4个重复区组土壤pH在6.10～6.50，差异较小，其平均值为6.35，属于酸性土；土壤总Cd含量在2.49～2.62 mg/kg，平均值为2.58 mg/kg；土壤总As含量在20.13～20.44 mg/kg，平均值为20.30 mg/kg(表1)。

表1 供试稻田土壤的pH及Cd和As含量

1.2 试验材料

供试晚稻品种16个，其中1个(桂香12)为当地主要种植品种，8个(桂香18、广8优金占、广8优169、恒丰优666、特优5058、深两优8386、桂育11号和深两优31)为重金属Cd低累积品种，7个(广8优香丝苗、丰田优553、野香优703、晶两优1212、野香优油丝、昌两优油丝和野香优明月丝)为当地土肥站推荐的本地品种。硒类阻控剂购自佛山市铁人环保科技有限公司，主要成分为：有机硒含量≤85.00 g/L，其他组分为水不溶物(≤10.00 g/L)和Na(≤10.00 g/L)；硅类阻控剂购自佛山市植宝生态科技有限公司，主要成分为：有机硅含量≥120.00 g/L，其他组分为N+P2O5+K2O≥170.00 g/L，Cu+Mn+Zn+B+Mo含量为30.00～50.00 g/L。

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计 采用人工播种方式进行种植，每品种设4个重复，以桂香12为对照品种。每品种设叶面喷施硒类阻控剂(A)、叶面喷施硅类阻控剂(B)和不喷施阻控剂(对照，CK)3个处理，每处理4个重复，小区随机排列，共48个处理，192个小区，每小区面积20.0 m2，总面积0.6 hm2。在试验地周围均种植保护行，小区间铺设地膜。2020年9月21日，在水稻分蘖期第1次喷施阻控剂，每个区组用药量均为3.0 mL，稀释100倍后进行人工喷施，20 d后进行第2次喷施。按照当地的施肥习惯(在耕地时施用357.0 kg/hm2复合肥，分蘖期施用尿素112.5 kg/hm2和氯化钾60.0 kg/hm2)和用药习惯(由当地土肥站工作人员针对水稻出现的病虫害情况进行针对性施用农药)对试验田进行管护。

1.3.2 测定项目及方法 在水稻进入成熟期后，采用五点取样法采集稻谷样品，每小区取混合样置于网袋中带回，自然晾干，脱壳成糙米并粉碎，送至广西西大检测有限公司检测Cd和As含量。试验通过使用面积为1.0 m2的正方形工具划定区域采集稻谷，在稻谷自然晾干后，测量小区稻谷产量。

1.4 统计分析

试验数据采用Excel 2016进行图表制作，以SPSS 19.0进行统计，以Duncan’s新复极差法进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同水稻品种稻米的重金属含量

由表2可知，16个水稻品种稻米的Cd含量在0.143～0.243 mg/kg，平均为0.189 mg/kg，最低值与最高值相差约1.7倍。其中，有10个品种稻米的Cd含量低于国标(Cd含量≤0.200 mg/kg)要求，达标率为62.5%(本地品种达标率为43.0%，低Cd累积品种达标率为75.0%)；低Cd累积品种桂香18和特优5058稻米的Cd含量高于国标要求，未达标；有11个品种稻米的Cd含量高于当地主要种植品种桂香12；对Cd富集能力最强的是野香优703，富集能力最弱的是深两优8386；桂香18、特优5058和野香优703的稻米Cd含量显著高于深两优8386、广8优金占、丰田优553、桂香12和广8优169(P<0.05，下同)。说明不同水稻品种稻米对重金属Cd的吸附能力存在较大差异，而低Cd累积品种桂香18和特优5058在当地种植后，稻米Cd含量超标。

表2 不同水稻品种稻米的Cd和As含量比较

16个水稻品种稻米的As含量在0.100～0.322 mg/kg，平均为0.186 mg/kg，最低值与最高值相差约3.2倍；在16个水稻品种中，有8个品种稻米的As含量低于国标(As含量≤0.200 mg/kg)要求，达标率为50.0%，但有7个品种稻米的As含量高于当地主要种植品种桂香12；对As富集能力最强的是广8优香丝苗，且富集的As含量显著高于其他品种，而富集能力最弱的是野香优703；野香优703、恒丰优666、广8优金占和野香优莉丝稻米的As含量显著低于桂香12、广8优169、深两优31、晶两优1212、特优5058、昌两优丝苗、桂育11号和广8优香丝苗。说明不同水稻品种间稻米的重金属As含量存在较大差异。

2.2 喷施不同阻控剂对水稻产量的影响

由表3可知，经过A和B阻控剂处理后，16个水稻品种稻谷的平均产量分别为5866.5和5808.8 kg/hm2，均显著高于CK稻谷的平均产量(5510.2 kg/hm2)；A和B处理桂香12的产量分别为6336.3和6229.8 kg/hm2，均高于其他品种及其CK；在A处理中，各品种的产量为5434.6～6336.3 kg/hm2，平均增产356.3 kg/hm2，平均增产率为6.5%，以恒丰优666的增产量最大(597.0 kg/hm2)，较其CK增产10.7%，增产率最高的是野香优油丝，为11.0%；各品种的产量均显著高于其相应的CK，其中，广8优金占和野香优莉丝2个品种显著高于B处理；在B处理中，各品种的产量为5524.8～6229.8 kg/hm2，平均增产298.6 kg/hm2，平均增长率为5.4%，其中均以野香优油丝的增产量(564.3 kg/hm2)和增产率(10.7%)最高。可见，不同阻控剂对水稻产量的增产效果不同，但喷施硒类和硅类阻控剂后16个水稻品种的产量均显著高于其相应CK。

表3 喷施不同阻控剂水稻品种的稻谷产量比较

续表3 Continued table 3

2.3 喷施不同阻控剂水稻品种的稻米Cd和As含量差异

由表4可知，在16个水稻品种中，A处理9个品种昌两优丝苗、桂香12、丰田优553、恒丰优666、野香优703、深两优31、野香优油丝、桂育11号和桂香18稻米的Cd含量显著低于其相应的CK，其中野香优703和昌两优丝苗2个品种稻米的Cd含量较其CK降低超过50.0%，分别为57.6%和53.7%，说明喷施硒类阻控剂对降低野香优703和昌两优丝苗稻米Cd含量的效果较佳；B处理6个品种恒丰优666、特优5058、桂育11号、深两优31、野香优703和野香优油丝稻米的Cd含量显著低于其相应的CK，其中野香优703和恒丰优666 2个品种稻米的Cd含量较其相应的CK降低超过50.0%，分别为53.9%和52.1%，说明喷施硅类阻控剂对降低野香优703和恒丰优666稻米Cd含量的效果较佳；在A和B 处理中，广8优金占、广8优169、深两优8386、广8优香丝苗、晶两优1212和野香优莉丝6个品种稻米的Cd含量与其相应的CK相比无显著差异(P>0.05，下同)，说明喷施硒类和硅类阻控剂对这6个水稻品种稻米的Cd累积作用效果不明显。

表4 喷施不同阻控剂对稻米Cd含量的影响

由表5可知，在A处理水稻品种中，稻米As含量低于其相应CK的品种有5个，高于其相应CK的品种有11个，16个品种稻米的As含量与其相应CK均无显著差异，说明喷施硒类阻控剂对16个水稻品种稻米的As含量作用效果不明显；在B处理水稻品种中，稻米As含量低于其相应CK的品种有8个，高于其相应CK的品种有8个，除恒丰优666和野香优703稻米的As含量显著高于其相应的CK外，其他品种稻米的As含量与其相应的CK均无显著差异。说明除恒丰优666和野香优703外，喷施硅类阻控剂对其他水稻品种稻米的As累积无明显作用。

表5 喷施不同阻控剂对稻米As含量的影响

从表4还可看出，A处理16个水稻品种稻米的Cd含量在0.103～0.180 mg/kg，平均为0.119 mg/kg，B处理稻米的Cd含量在0.090～0.162 mg/kg，平均为0.126 mg/kg，二者均显著低于CK的均值(0.189 mg/kg)，但二者间差异不显著。从表5可看出，A处理16个水稻品种稻米的As含量在0.122～0.267 mg/kg，平均为0.197 mg/kg，B处理稻米的As含量在0.013～0.217 mg/kg，平均为0.185 mg/kg，二者与CK的均值(0.186 mg/kg)均无显著差异。说明喷施硒类和硅类2种阻控剂均可显著降低稻米的Cd含量，且各品种稻米的Cd含量均低于国标(Cd含量≤0.200 mg/kg)要求，但二者对稻米Cd含量的降低效果差异不明显，而2种阻控剂对稻米As含量虽无显著影响，但稻米的As含量均低于国标(As含量≤0.200 mg/kg)要求。

3 讨 论

施用硒肥可生产富硒玉米和红薯，并提高其产量[18]。施用硅肥也可提高水稻产量，但不同水稻品种的增产效果存在差异[22]。本研究结果与上述研究结果相似，喷施硒类和硅类阻控剂后16个水稻品种的产量均显著提高，其中喷施硒类阻控剂平均增产6.5%，喷施硅类阻控剂平均增产5.4%。

我国南方酸性土壤水稻田的重金属活性较高，Cd和As等重金属易在水稻籽粒中累积，造成稻米重金属含量超标[24]。植物种类是影响土壤重金属生物有效性的因素之一，植物对重金属的吸附能力取决于其基因型，相同种类植物对不同种类重金属的吸附能力各不相同[23]，不同水稻品种对Cd的吸收富集能力也存在差异[33]。本研究结果与上述研究结果相符，不同水稻品种稻米对重金属Cd和As的吸附能力存在较大差异，其中，深两优8386、广8优金占、丰田优553、桂香12和广8优169 5个品种稻米的Cd含量显著低于桂香18、特优5058和野香优703；低Cd累积品种深两优8386稻米的Cd含量最低，但低Cd累积品种桂香18和特优5058在当地种植后，稻米Cd含量超标，在当地不适合作为低Cd累积品种推广种植；野香优703、恒丰优666、广8优金占和野香优莉丝4个品种的As含量显著低于桂香12、广8优169、深两优31、晶两优1212、特优5058、昌两优丝苗、桂育11号和广8优香丝苗，尤其野香优703稻米As含量仅为国标要求(As含量≤0.200 mg/kg)的50.0%，表明该品种在当地种植后，可很好地起到降低稻米As含量的效果。

已有研究表明，不同叶面阻控剂对同一水稻品种、同种叶面阻控剂对不同水稻品种稻米累积Cd和As的作用存在显著差异[25]，水稻田土壤直接施用硅肥和水稻植株叶面喷施硅肥均是防控稻米Cd污染的有效措施[26]，施用硒肥可降低Cd对水稻植株的毒害作用，减少水稻籽粒对重金属的吸收[28]，而在重金属污染水稻田条件下叶面施用硅肥后，水稻籽粒的Cd吸收量显著降低[27]。本研究结果与上述研究结果相似，喷施硒类和硅类2种阻控剂均可显著降低16个水稻品种稻米的Cd含量，其中喷施硒类和硅类阻控剂稻米的Cd平均含量分别为0.119和0.126 mg/kg，相较于CK稻米的平均Cd含量分别下降37.03%和33.33%，且均低于相应的国家标准；喷施硒类和硅类阻控剂后，广8优金占、广8优169、深两优8386、广8优香丝苗、晶两优1212和野香优莉丝6个品种稻米的Cd含量较其相应的CK有所降低，但差异不显著，作用效果不明显；喷施硒类和硅类阻控剂后16个水稻品种及其CK的稻米平均As含量分别为0.197、0.185和0.186 mg/kg，三者间差异不显著，表明水稻叶面喷施硒类和硅类阻控剂对稻米As含量影响均较小。本研究还发现，恒丰优666和野香优703叶面喷施硅类的阻控剂后，不仅不会降低其稻米的As含量，还出现稻米As含量显著增加的情况，具体原因有待探究。

4 结 论

不同晚稻品种稻米对重金属Cd和As的吸附能力存在明显差异。在Cd和As污染稻田叶面喷施硒类和硅类阻控剂既可显著提高水稻产量，也可显著降低稻米的Cd含量，但对降低稻米As含量无明显作用。深两优8386、广8优金占、丰田优553、桂香12和广8优169 5个低Cd累积水稻品种可在当地Cd污染稻田推广种植，野香优703、恒丰优666、广8优金占和野香优莉丝4个低As累积水稻品种可在当地As污染稻田推广种植。