利用阻控技术的水稻镉、砷安全种植研究

蓝淯琛，丁浩男，潘荣庆，吕浩能，张强，班国富，何烨，凌华荣，黄智刚

(广西大学，广西 南宁 530004)

随着社会经济的高速发展，土壤环境污染问题越来越严重，我国是全球土壤重金属污染最严重的国家之一[1-2]。2014年生态环境部和国土资源部联合发布的《全国土壤污染状况公报》指出，我国耕地土壤重金属的总超标率为19.4%，其中土壤重金属镉(Cd)的超标最为严重，达到7.0%，砷(As)的超标率为2.7%[3]，且从分布范围来看，高镉污染区域在广西[4]。土壤重金属的污染来源主要分为自然来源和人为来源，来宾市忻城县农田土壤重金属污染主要来源于成土母质[5]。水稻作为世界三大粮食作物之一和半数以上人口的主粮，对镉具有很强的富集作用。我国是农业大国，耕地土壤质量直接关系到粮食的产量与安全，因此，解决耕地重金属污染是目前国人最关心的问题之一。目前已开展的针对水稻、小麦和玉米等粮食作物低积累品种筛选和通过喷施叶面阻控剂来降低作物镉吸收含量的研究已初见成效[6-7]。Tang等[8]通过CRISPR/Cas9基因编辑技术将隆两优华占水稻双亲的OsNRAMP5基因剔除，培育出了稻米镉积累量比野生型隆两优华占低98%的两优低镉1号水稻品种。在水稻分蘖盛期后段以及灌浆期前段喷洒主要成分为硅酸盐、亚硒酸盐和锌肥的叶面肥料可以提高作物的抗逆性，抑制镉从地下部分向籽粒中运转[9]。前人已有研究[10-11]发现，在重金属污染严重的水稻田施用叶面阻控剂可以有效地防控水稻Cd污染，其中在水稻叶面喷施含硅类、硒类阻控剂均可有效降低Cd对水稻植株的毒害作用，减少重金属向水稻籽粒转移，从而有效降低稻米Cd含量。陈喆等[12]的研究还表明，淹水处理也能够降低水稻对Cd的吸收积累，将淹水处理与叶面喷施阻控剂相结合可以有效降低重度Cd污染水稻田的水稻稻米Cd含量。但仅通过基因筛选或室内种植无法筛选出最适宜当地环境的Cd低积累水稻品种，叶面阻控剂产品的选用和具体用量也必须通过大田试验来进行验证。基于此，本试验在广西来宾市忻城县选取重金属污染较严重的农田，进行重金属低积累水稻品种和2种叶面阻控剂结合的实验，开展对重金属污染高背景值农田土壤安全利用技术的研究，为安全利用重金属污染高背景值稻田提供研究基础。

1 材料与方法

1.1 供试区概况

供试试验田位于红水河下游的来宾市忻城县(108°24′～109°7′E，23°40′～24°23′N)，地处北回归线上。忻城县属南亚热带气候，雨量充沛，气候温和，县境中南地区夏长，秋春相连，雨季长，霜期短，光照充足，太阳辐射强。忻城县属岩溶地貌，以峰丛石山为主，地势自西北向东南倾斜，西北部多高山，南部多丘陵[13]。

由表1可知，供试地块土壤的pH值为6.51～6.69，是弱酸性土壤。GB 15618-2018规定，当6.5

表1 供试土壤基本性质Table 1 Basic properties of the tested soil

根据GB 2762-2017要求(Cd、Pb、As≤0.2 mg·kg-1，Hg≤0.02 mg·kg-1，Cr≤1.0 mg·kg-1)，结合表2可知，试验田稻米主要存在Cd和As超标现象，因此，本试验主要分析不同处理对水稻Cd和As含量的影响。

表2 试验田稻米重金属含量Table 2 Heavy metal content of rice grown in experimental fields 单位：mg·kg-1

1.2 试验设计

试验设置喷洒硒类叶面阻控剂(A)、喷洒硅类叶面阻控剂(B)和空白对照(CK)3个处理，每个处理采用随机区组设计种植6个当地主栽晚稻品种。每个处理设置4个重复，总共192个小区，每个小区面积为20 m2，试验田总面积为0.6 hm2，在试验地周围均种植有保护行，每个小区之间铺设地膜。在水稻分蘖期喷洒第1次叶面阻控剂，每个区组的用量为3 mL，将其稀释100倍后进行人工喷洒，于20 d后喷洒第2次叶面阻控剂。其余施肥、用药和水分管理等均依照当地农民习惯进行管护。

1.3 样品采集与分析

试验开始前按照五点采样法采集4个区组的土壤样品，采集0～20 cm耕层土壤，混合均匀后按照四分法取部分混合土样，每个样品采500 g鲜质量，每个区组采集5个土壤混合样品。将采集的土壤样品混合后自然风干，研磨过100目筛备用。土壤pH值采用电位法(水土比为2.5∶1.0)测定，土壤总Cd和总As含量交由广西大学检测有限公司测定。在水稻进入成熟期后，采用五点采样法取水稻样品，每个小区取混合样，将水稻样品置于透气的渔网袋中带回，自然晾干后将水稻各个部位分开，稻谷脱壳成糙米并粉碎后交由广西大学检测有限公司检测。测定方法为：将样品经过体积比为4∶1的HNO3-HClO4溶液消化后，通过荧光光谱法测定水稻茎和叶的Cd、As含量，稻米的Cd和As含量则通过ICP-OES仪器测定。

1.4 数据处理

试验数据用SPSS 19.0系统软件和Excel 2016进行处理和分析。

2 结果与分析

2.1 不同水稻品种的重金属含量

2.1.1 不同处理下各组织重金属含量

由图1可知，在CK中6个水稻品种对重金属的吸附能力存在较大差异。泰丰优208茎的Cd含量显著高于野香优糖丝、野香优明月丝苗和又香优龙丝苗，泰丰优208叶的Cd含量显著高于其他品种；泰丰优208的茎部As含量显著高于除丝香1号外的其他品种。泰丰优208的稻米Cd含量最低，丝香1号的稻米As含量最低，6个水稻品种中丝香1号稻米Cd含量最高。

相同组织柱上无相同小写字母表示品种间差异显著(P<0.05)。图1 不同水稻品种的各组织重金属含量Fig.1 Different rice varieties′ heavy metal contents in various tissues

2.1.2 不同处理下稻米重金属含量

在水稻的关键生育期喷施具有拮抗或生理调控作用的叶面阻控剂，能够有效地阻控重金属向籽粒转运，最终降低籽粒重金属超标的风险[14]。由图2可以看出，喷洒硒类阻控剂后，丝香1号的稻米Cd含量显著低于CK。喷洒硅类阻控剂后，野香优明月丝苗、又香优龙丝苗和丝香1号稻米Cd含量均显著低于CK。喷洒硒类阻控剂后，野香优明月丝苗稻米As含量显著低于CK。喷洒硅类阻控剂后，除又香优龙丝苗和丝香1号外，其他品种稻米的As含量均显著均低于CK。由表3可以看出，喷洒硒类、硅类阻控剂后，稻米Cd含量平均值分别为0.178、0.174 mg·kg-1，均显著低于CK；喷洒硒类、硅类阻控剂后，稻米As含量平均值分别为0.185、0.154 mg·kg-1，喷洒硅类阻控剂后稻米As含量显著低于CK。

相同品种无相同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。图3、4同。图2 不同处理对稻米重金属含量的影响Fig.2 Effects of different treatments on the heavy metal content in rice

表3 不同处理对水稻重金属含量的影响Table 3 Effects of different treatments on the heavy metal content in rice tissues

2.2 不同处理下水稻叶重金属含量

由图3可以看出，喷洒硒类阻控剂后，泰丰优208和又香优龙丝苗的叶Cd含量均显著低于CK。喷洒硅类阻控剂后，除野香优糖丝和野香优明月丝苗外，其他品种叶的Cd含量均显著低于CK。喷洒硒类阻控剂后，6个水稻品种叶部的As含量均差异不显著。喷洒硅类阻控剂后，野香优糖丝和又香优龙丝苗的叶As含量均显著低于CK。由表3可以看出，喷洒硒类、硅类阻控剂后，水稻叶Cd含量平均值分别为0.220、0.217 mg·kg-1，均显著低于CK；喷洒硒类、硅类阻控剂后，水稻叶的As含量平均值分别为0.450、0.399 mg·kg-1，仅喷洒硅类阻控剂后叶的As含量显著低于CK。

图3 不同处理对叶重金属含量的影响Fig.3 Effects of different treatments on the heavy metal content in leaves

2.3 不同处理下水稻茎重金属含量

由图4可以看出，喷洒硒类阻控剂后，6个水稻品种茎部的Cd、As含量较CK差异均不显著。由表3可以看出，喷洒硒类、硅类阻控剂后，水稻茎的Cd含量平均值分别为0.477、0.495 mg·kg-1，较CK平均值差异均不显著；喷洒硒类、硅类阻控剂后，水稻茎的As含量平均值分别为0.360、0.364 mg·kg-1，较CK平均值差异均不显著。

图4 不同处理对茎重金属含量的影响Fig.4 Effects of different treatments on the heavy metal content in stems

3 结论与讨论

目前，减少水稻吸收重金属最简单有效并且经济持久的办法就是在不减少产量的情况下，筛选出籽粒中重金属积累量较低的水稻品种。根据研究[15-17]显示，不同基因型的水稻品种对重金属的吸收转运能力不同。本研究发现，6个水稻品种对重金属的吸附能力存在较大差异。泰丰优208茎、叶的Cd、As含量均高于其他品种，6个品种中野香优明月丝苗茎、叶的Cd、As含量均低于其他品种。丝香1号稻米Cd含量最高，As含量最低。有研究[18]表明，不同品种水稻的重金属含量存在差异的主要原因是水稻的形态结构和生理特性之间存在一定差异，不同水稻品种对重金属的富集能力也表现出明显的差异，导致水稻对重金属元素的吸收和分配存在很大不同。

前人[19-21]认为，通过肥料的施用可以改善植物的状况进而影响植物对Cd的吸收，同时肥料进入土壤后与土壤胶体发生反应，从而影响Cd在土壤中的形态和有效性，与基肥相比，叶面肥料能够在用量更少的情况下达到减少作物Cd积累的效果。叶面调控主要是通过叶面喷施硒、硅和锌等有益元素来提高作物的抗逆性，从而抑制重金属由作物根系转运至可食用部位[22]。有研究[23-25]表明，含硅、硒成分的叶面阻控剂对重金属Cd在水稻体内的迁移有很大的抑制作用，能够显著降低稻米中Cd的积累，缓解重金属Cd的毒害作用。与上述研究结果相同，本研究发现，在叶面施用硒类阻控剂、硅类阻控剂后，均可以降低水稻稻米Cd含量，较CK分别下降了15.2%、17.1%；也可以有效抑制水稻叶的Cd含量积累，较CK分别下降了12.7%、13.9%。水稻叶面施用硅类阻控剂后可以降低稻米Cd含量的主要原因是硅可以提高水稻叶片中的叶绿素含量，降低细胞膜的透性，从而提高水稻的抵抗能力；同时硅在植物地上部的沉淀也会阻止Cd向地上部的迁移[25-28]。水稻叶面喷施含有机硒试剂的溶液能够降低稻米Cd含量的主要原因是硒能够调节水稻体内活性氧(ROS)和抗氧化酶活性，诱导褪黑素参与抑制Cd的吸收[26-27]。

本研究发现，叶面施用硒类阻控剂、硅类阻控剂均可以有效降低水稻稻米的As含量，较CK分别下降了15.9%、30.0%；叶面施用硅类阻控剂后有效降低水稻叶的As含量，水稻叶砷含量较CK下降了11.9%。徐向华等[25]的研究也表明，在As污染稻田上喷施硒硅复合溶胶不仅能够使稻米As含量达标，而且可以生产出富硒大米。因此，叶面喷施硒硅复合溶胶可能是治理稻米As污染的新途径。

另外，本研究发现叶面施用硒类阻控剂、硅类阻控剂后，对水稻茎的Cd、As含量未产生明显作用。前人研究[26，28]认为，硅、硒经叶面吸收后，减少叶片中Cd富集的同时并未减少根系对Cd吸收，而是经根系吸收的Cd主要富集于根和茎中，因此，水稻茎中镉的含量均未显著降低。