不同地区叶面施用调理剂对水稻累积镉的影响

潘荣庆，蓝淯琛，何卿姮，何 烨，蒋代华，黄智刚

(广西大学农学院/广西农业环境与农产品安全重点实验室，广西南宁 530004)

我国南方地区以水稻为主食，因此水稻在南方地区种植面积非常广。水稻是易富集重金属镉(Cd)的植物之一，对土壤中的镉元素有很强的富集吸附能力[1]。镉是一种具有很强的生物毒性的重金属元素，在土壤中易于流动，当土壤镉含量超过限定值时会造成土壤重金属污染，抑制水稻等作物生长[2-3]。镉污染水稻田不仅会影响水稻的生长，还会降低水稻产量，土壤镉浓度过高时，会破坏水稻的新陈代谢过程，从而抑制水稻的生长，甚至会导致水稻死亡[4]。目前针对南方水稻田土壤Cd活性高、迁移性强，易于在水稻中累积，造成水稻Cd含量过高的问题[5]，开展不同地区叶面施用调理剂对水稻镉累积的影响研究，对降低镉污染稻田水稻镉含量，保障粮食安全具有十分重要的意义。

目前针对重金属镉污染水稻田治理方法较多，常见的治理方法包括筛选和推广种植镉低积累品种、施用土壤钝化剂、施用叶面调理剂、水分调控等，但大部分治理方法成本较高[6]。施用叶面调理剂技术成本相对较低，因此施用叶面调理剂在水稻田镉污染治理中是较为常用的方法[6-7]。文典等在研究中发现，通过叶面喷施调理剂和结合种植低积累水稻品种的农田污染修复治理技术，可以有效降低稻米Cd含量，Cd含量相对降低了40%～70%[7]。有学者研究发现，水稻植株叶面喷施硅肥是防控稻米Cd污染的有效措施，在重金属污染的水稻田，稻叶面施用硒肥也可降低Cd对水稻植株的毒害作用，水稻叶面喷施硅肥、硒肥均可以显著降低稻米中Cd含量[8-10]。且龙思斯等研究表明，水稻施用叶面调理剂可以有效降低水稻重金属镉的含量，但不同水稻品种和叶面调理剂的种类对水稻积累Cd的影响有所不同[11]。水稻叶面施用适量的硒(Se)肥可提高水稻的抗氧化和抵御恶劣环境的能力，促进水稻生长提高产量，起到增产的作用[12]。李林峰等在研究中发现，适量施用硅肥可以增加水稻产量，这是由于水稻叶面施用适量的硅肥不仅可以增强水稻的抗逆性的能力，还可使水稻根系保持良好的环境，进而促进水稻对氮素的吸收[13-14]。

由于大田生产条件下受外界环境影响更为严重，加上管理较为困难，目前关于大田条件下，有机硒、有机硅处理对多种水稻品种累积重金属的影响报道较少，且关于水稻对重金属镉的吸收特征以室内盆栽试验为主，但研究表明室内试验水稻对重金属元素的吸收、积累和野外环境条件下具有一定的差异性，同时大田试验也以单个地区为主，针对调理剂对不同地区水稻累积镉的影响研究较少[15]。本研究在广西德保、田东、忻城受镉污染水稻田开展田间试验，探究不同地区叶面施用含有机硒、有机硅调理剂对不同水稻品种各个部位累积重金属镉的影响及对水稻产量和土壤pH值及土壤镉含量的影响，为治理土壤镉污染和保障粮食安全提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2020年7—12月在广西壮族自治区德保县、田东县、忻城县3个地区进行。德保县位于广西西部(106°09′～106°59′E，23°01′～23°39′N)，地处北回归线以南，海拔高度差异较大，在50～1 600 m之间，冬温夏热、降水丰沛。年平均气温17.2～21.3 ℃，最高气温37 ℃，最低气温-2.6 ℃，年均降水量约1 500 mm。田东县位于右江河谷中心(106°53′～107°26′E，23°16′～24°01′N)，地处北回归线上，热量丰足、光照充沛，年均气温20～22 ℃，日最高温40 ℃，日最低温3.8 ℃，年均降水量约 1 000 mm。忻城县位于红水河下游(108°24′～109°7′E，23°40′～24°23′N)，大部分地区地处北回归线以北，雨季长、雨量充沛，光照充足，年平均气温21～21.6 ℃，最低温度0 ℃左右，最高温度 35.5～36.8 ℃，年降水量1 400～2 000 mm。3个地区均属亚热带季风气候区，但海拔、年降水量和年均气温各不相同。

1.2 试验材料

供试晚稻品种桂香12和桂香18(桂香12在当地农资店购买，桂香18由广西农业科学院提供)，含有机硒调理剂主要成分为有机硒(含量为85 g/L)，其余组分为水不溶物(≤10 g/L)、Na(≤10 g/L)，购自某环保科技有限公司；含有机硅调理剂主要成分为有机硅(含量为120 g/L)，其余组分为N、P2O5、K2O(N+P2O5+K2O含量≥170 g/L)，购自某生态科技有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计 试验在德保、田东、忻城3个地区同时进行，每个地区均选用桂香12和桂香18 2个品种，每个品种设置3个处理分别为叶面施用含有机硒调理剂(A)、叶面施用含有机硅调理剂(B)和对照(CK)(具体处理编号如表1所示)，每个处理面积约为20 m2，处理重复4次。水稻于2020年7月在当地进行育秧，2020年8月1—4日进行人工移植，每个处理间铺设地膜。2020年9月21—23日，在水稻处于分蘖期时采用人工的方式对叶面喷施调理剂，3个地区用药量均为每个区组3.0 mL，稀释100倍后进行喷洒，大约20 d后进行第2次喷洒。试验田按照当地的施肥和用药习惯(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(雇佣当地村民对试验田进行日常管护)。

表1 不同处理编号

1.3.2 样品采样方法 2020年11—12月，采用5点取样法分批采集进入成熟期小区的水稻样品，在采集水稻样品的同时原位采集水稻根际土壤混合样品，同时采集1份非根际土壤混合样品，另外通过特定的工具在小区内划定1.0 m2面积，采集区域内稻谷，将稻谷自然晾干后测量水稻产量。水稻洗净后将茎、叶、稻穗分开，将茎、叶放入烘箱105 ℃杀青30 min后，70 ℃下烘干至恒质量，稻穗自然晒干至恒质量后进行脱壳处理，所有植物样品粉碎后用自封袋保存。土壤样品自然风干，研磨过筛后装入自封袋备用。

1.3.3 样品测定 土壤pH值采用电位法(水土比为2.5∶1)测定，水稻茎、叶通过X荧光重金属分析仪(XRF)采用荧光光谱法测定重金属总镉含量，土壤和稻米交由广西西大检测有限公司测定总镉含量。

1.4 数据分析

本研究通过 IMB SPSS 19.0软件进行数据分析统计和显著差异性分析(Duncan’s法)。采用Microsoft Office Excel 2016进行表格制作。

镉的富集系数按下列公式计算：

镉富集系数(BCF)=水稻(茎、叶、稻米)镉含量(mg/kg)/土壤镉含量(mg/kg)

2 结果与分析

2.1 不同处理对水稻产量的影响

由表2看见，在3个地区施用含有机硒、有机硅叶面调理剂后，水稻产量均有明显增产，且产量均显著高于其CK处理。施用含有机硒、有机硅叶面调理剂后，在3个地区水稻增产率有所不同，但差异不显著；施用含有机硒调理剂后，水稻的增产率要略高于相同情况下施用含有机硅调理剂，但两者差异均不显著。施用有机硒调理剂后，水稻增产率在6.7%～8.8%之间，其中在德保地区种植的品种桂香18和忻城地区种植的桂香12增产率最高；施用有机硅调理剂后，水稻增产率在5.0%～8.4%之间，其中在忻城地区种植的桂香12增产率最高；桂香12和桂香18在施用含有机硒、有机硅叶面调理剂后增产效果差异不大。综上所述，施用含有机硒、有机硅叶面调理剂后可以有效提高水稻产量，且在不同地区和不同品种间效果差异不明显。

表2 不同处理对水稻产量的影响

2.2 不同处理对水稻镉含量的影响

由表3看见，不同地区施用叶面调理剂后水稻稻米镉含量存在明显差异。在田东、德保地区，施用含有机硒、有机硅叶面调理剂后，桂香2和桂香18稻米镉含量均有所降低，除桂香12施用有机硅处理(T1B)外，2个地区其他处理相较于其CK处理稻米镉含量下降均超过30%，且显著低于其CK处理。在忻城地区施用叶面调理剂后，除桂香18施用有机硒处理(X2A)稻米镉含量相较其CK处理下降14.0%外，其他处理稻米镉含量均未下降。在施用有机硒叶面调理剂后，除田东地区种植的桂香18(T2A)叶镉含量相较于其CK处理未下降之外，3个地区水稻叶镉含量相较于其CK处理均有下降，其中对德保地区种植的桂香12作用效果最明显，水稻叶镉含量相较于其CK处理下降了38.7%，德保地区种植的桂香18水稻叶镉含量下降也超过了30%，且显著低于其CK处理。与有机硒的作用效果不同，在施用有机硅叶面调理剂后，仅有田东县种植的桂香12与德保地区种植的桂香18叶镉含量相较于其CK处理分别下降了9.4%、0.8%，其他处理水稻叶镉含量均未降低。不同地区施用含有机硒、有机硅叶面调理剂后，有4个处理水稻茎镉含量低于其CK处理，且施用有机硅叶面调理剂后，3个地区种植的品种桂香18茎镉含量均低于其CK处理，但相较于其CK处理差异均不显著。综上说明，叶面调理剂在不同地区作用效果差异明显，在田东、德保2个地区2种调理剂均能有效降低桂香12和桂香18稻米镉含量，但在忻城地区，仅有施用有机硒调理剂对桂香18作用效果较为明显。与水稻稻米作用效果不同，3个地区仅德保地区水稻叶面施用有机硒调理剂后，水稻叶镉含量降低效果明显，施用有机硅后，部分处理水稻叶镉含量低于CK处理，但效果不明显。3个地区施用调理剂后水稻茎镉含量均没有明显降低。

表3 不同处理对水稻重金属镉含量的影响

2.3 不同处理对水稻富集镉的影响

镉富集系数(BCF)是指水稻茎、叶、稻米各部位镉含量与土壤中镉含量的比值，能够反映水稻各部位富集镉的情况，水稻镉的富集系数越大说明富集镉的能力越强。由表4看见，在CK处理中，田东地区茎、叶、稻米镉的富集系数均高于其他2个地区相同品种，德保地区水稻对镉的富集系数最低；在桂香12和桂香18 2个品种中，稻米对镉的富集系数均低于茎、叶对镉的富集系数，其中茎对镉的富集系数最高；在相同地区CK处理中，桂香12茎、叶、稻米镉的富集系数均低于桂香18。综上说明，不同地区水稻对镉的富集能力不同，不同品种间富集能力也存在明显差异，在地上部位水稻镉主要富集在茎部。在田东、德保地区，水稻施用含有机硒、有机硅叶面调理剂后，均能有效降低水稻稻米对镉的富集能力，除田东地区种植的桂香12品种处理(T1B)外，其他处理稻米镉的富集系数较其CK处理下降超过30%。在德保地区施用有机硒叶面调理剂后，桂香12和桂香18水稻叶镉的富集系数分别为0.043±0.005、0.077±0.017，相较于其CK，处理D1CK(0.069±0.011)、D2CK(0.116±0.022)富集系数分别下降了33.7%和33.6%，显著低于其CK处理。3个地区种植的2个品种水稻施用含有机硒、有机硅叶面调理剂后茎镉的富集系数未显著低于其CK处理，且T1A处理水稻茎镉的富集系数为0.241±0.010，相较于CK处理(0.184±0.065)上升超过30%，但两者差异不显著。综上说明，在田东、德保2个地区水稻叶面施用含有机硒、有机硅叶面调理剂后，可以抑制稻米对镉的富集能力，且在德保地区水稻叶面施用有机硒调理剂也会抑制水稻叶对镉的富集能力。3个地区叶面施用调理剂后，对水稻茎镉的富集能力不起抑制作用。

表4 不同处理对水稻重金属镉富集系数的影响

2.4 不同处理对土壤pH值及重金属镉含量的影响

不同处理对土壤镉含量及pH值的影响如表5所示，在施用含有机硒、有机硅叶面调理剂后，在田东和忻城地区土壤pH值较其CK处理略有升高，但差异均不显著。在施用调理剂后，除德保地区施用有机硒(D-A)处理外，其他处理土壤非根际土壤镉含量较其CK处理均有所降低，下降比率最高为7.2%，但较其CK处理镉含量差异均不显著。与上述结果相似，根际土壤在施用调理剂后，较其CK处理镉含量均有所降低，其中下降比率最高为10.3%，但与非根际土壤相同其镉含量相较于CK处理差异均不显著。综上所述，在施用含有机硒、有机硅2种叶面调理剂后，均不能改变土壤pH值，且根际和非根际土壤镉含量虽有降低，但效果不显著。

表5 不同处理对土壤pH值及重金属镉含量的影响

3 讨论与结论

硅、硒是对水稻生长有益的金属元素，能提高水稻的抗逆性，促进水稻生长与新陈代谢顺利进行，提高水稻抵御各种逆境胁迫的能力，提高水稻产量[16-17]。与传统的土壤施肥方式相比，叶面施肥是作物吸收营养的方式之一，水稻叶面喷施硅和硒是增加水稻硅、硒营养来源的有效方式[12，14，18]。水稻叶面适量施用硅、硒元素能提高水稻植株的抗氧化能力，从而提高水稻抵御恶劣环境的能力促进水稻植株生长，增加水稻产量[19]。研究发现，施用叶面调理剂可以提高水稻产量，在德保、田东、忻城3个地区水稻叶面施用含有机硒、有机硅叶面调理剂后，均可以增加水稻产量。施用有机硒调理剂，水稻增产率在6.7%～8.8%之间，其中在德保地区种植的品种桂香18和忻城地区种植的桂香12增产率最高；施用有机硅调理剂，水稻增产率在5.0%～8.4%之间，其中在忻城地区种植的桂香12增产率最高。

由于不同地区土壤环境以及季候环境不同对水稻生长及重金属的富集有不同影响，土壤pH值的大小显著影响水稻对土壤镉的吸收和富集[20]。研究发现，德保、田东、忻城3个地区中，德保地区水稻各部位对镉的富集能力明显低于其他地区，可能是由于德保试验区所在区域土壤pH值高于田东、德保地区。有研究表明，土壤中植物可吸收态Cd含量与pH值相关，酸性条件下土壤Cd易被植物吸收，pH值升高会导致大量的镉离子生成稳定的镉络合物和硫化物结合态镉，降低植物可吸收态镉的含量，使得镉不易被植物吸收[21]。Wang等研究也发现水稻茎、叶、糙米富集镉的能力与pH值呈极显著负相关[22]。低的pH值条件下，有利于铁锰氧化物的还原溶解，溶解出来的亚铁离子、锰离子可以与Cd2+在土壤颗粒表面产生吸附竞争，从而增加土壤Cd2+的浓度；高的pH值条件下，Cd2+易生成氢氧化镉沉淀，同时降低了H+与Cd2+之间的竞争吸附，降低水稻对镉的累积[23]。

研究表明，水稻叶面喷施调理剂能显著降低水稻对镉的吸收[17]。在镉污染土壤上的水稻施用硒、硅在修复重金属镉污染农田方面取得了较好的效果[18，24]。水稻叶面喷施硅、硒溶液可以有效阻止镉在水稻体内的迁移，显著降低水稻糙米对镉的积累[25]。有研究表明，硅在水稻的生长周期发挥重要的作用，水稻吸收硅后可以抑制镉向水稻稻米迁移[26-28]，从而缓解重金属镉对水稻的毒害作用，降低镉向食物链和人体输出的风险[29]。与上述研究结果相同，研究发现在田东、德保地区，叶面施用含有机硒、有机硅叶面调理剂后，均可以有效降低桂香12和桂香18稻米镉含量，抑制稻米富集镉的能力，且在德保地区叶面施用含有机硒调理剂后，桂香12和桂香18水稻叶镉含量均显著低于其CK处理，较CK处理含量减少超过30%。但与上述结果不同的是，在忻城地区叶面施用调理剂后桂香12和桂香18稻米镉含量均未显著降低，可能是由于不同地区气候、温度等环境因素和施用时天气不同所导致，也可能是不同地区应施用的调理剂适宜浓度不同所导致，有待试验进一步研究。

不同的水稻品种形态结构和生理特性之间存在一定差异，因此不同水稻品种对镉富集能力具有明显的差异，导致水稻对重金属元素的吸收和分配存在很大差异[30]。研究表明，利用不同水稻品种对Cd的积累特性差异，可以筛选出适于中低Cd污染稻田的低累积型水稻品种[31]。研究发现，桂香12茎、叶、稻米镉的富集系数低于桂香18。在德保、田东、忻城地区，品种间对镉的富集能力的差异存在一定的稳定性。在3个地区相同处理中，桂香12茎、叶、稻米镉的富集系数均低于桂香18。桂香12和桂香18水稻茎镉的富集系数均高于叶和稻米，稻米镉的富集系数最低，镉在水稻地上部位中的富集规律为茎>叶>稻米。陈慧茹等在研究中也发现了这一规律，镉在水稻茎、叶、籽粒各部位的累积量不相同[32]，不同部位镉含量遵循茎≥叶>籽粒的规律[33]。

张宇鹏等研究发现，水稻施用叶面肥调理剂后土壤pH值与对照处理差异不显著，土壤中镉含量与对照处理土壤中镉含量差异不显著，根系对镉的活化与吸收并未减少[34]。上述研究成果与本研究成果一致，在喷施含有机硒、有机硅调理剂后，土壤根际土壤pH值未发生显著变化，施用调理剂后对根际土壤镉含量和非根际土壤镉未产生显著影响，但除德保地区施用有机硒处理(D-A)外，其他处理根际土壤镉含量和非根际土壤镉含量较其CK处理都有所降低，但差异不显著。

有机硒、有机硅可以增加水稻产量，水稻叶面喷施含有机硒、有机硅调理剂均可以起到很好地增产效益。不同地区施用叶面调理剂对水稻的降镉效果不同，在田东、德保地区水稻叶面施用调理剂后，可以很好地降低稻米镉含量，减少稻米对镉的富集能力，但在忻城地区对水稻镉含量无显著影响。相同地区施用不同种类叶面调理剂对水稻叶镉含量作用效果不同，在德保地区水稻叶面施用有机硒调理剂后，可以很好地抑制水稻叶镉含量，但施用有机硅后水稻叶镉含量未发生显著变化。不同水稻品种对镉的富集能力有所不同，桂香12水稻茎、叶、稻米对镉的富集能力均低于桂香18；水稻不同部位富集镉的能力也不同，镉在水稻地上部位中的富集规律为茎>叶>籽粒。施用叶面调理剂后，土壤根际土壤pH值未发生显著变化，对根际土壤镉含量和非根际土壤镉未产生显著影响，根际土壤镉含量和非根际土壤镉含量虽有所降低，但效果不显著。