叶面阻隔对水稻吸收和转运镉的影响

2024-03-28唐乐斌黄燕玲周子寒吴辰润桂林理工大学环境科学与工程学院广西桂林54004桂林理工大学岩溶地区水污染控制与用水安全保障协同创新中心广西桂林54004

中国环境科学 2024年3期

唐乐斌,黄燕玲,周子寒,吴辰润,宋波,2*(.桂林理工大学环境科学与工程学院,广西桂林 54004；2.桂林理工大学,岩溶地区水污染控制与用水安全保障协同创新中心,广西桂林 54004)

《全国土壤污染状况调查公报》显示,我国土壤环境状况总体不佳,其中Cd 在所有重金属中点位超标率最高,达7.0%[1].调查显示,重金属污染的农业土壤约占农田种植面积的16.7%,其中Cd 污染土壤占40%以上[2].广西作为我国水稻主产区之一,自然地质背景高[3],表层土壤Cd 含量的平均值是全国表层土壤的4.5 倍[4].相比其他土地利用方式,稻田土壤的Cd 污染更易对人体健康造成危害[5].

水稻是我国种植面积最大和单产最高的粮食作物,也是对重金属吸收最强的大宗谷类作物[6].相对于动物和水产品来源的食品,粮食作物中Cd 浓度虽然不是很高,但由于食用量大,使其成为我国人群Cd 摄入的主要来源,其中大米作为主要贡献者,对南方人群贡献占比65%[7].

叶片是水稻最重要的根外营养器官,能够吸收外源物质,并将营养物质转运到稻株其他器官[8].相对于其他农艺调控措施,叶面喷施阻隔剂具有不违农时、施用方便和经济高效等特点而被广泛应用于农田生产中,对提高作物抗逆性和增强作物耐重金属性均有较好的效果[9-10].Si 是水稻不可或缺的元素,可促进叶绿素的合成、改善水稻叶片结构和生理活性,提高根系保护酶活力和自由空间中交换态Cd 的比重,降低细胞壁孔隙度,从而抑制水稻根系对Cd 的吸收和缓解Cd 对植物的毒害[11-12].喷施Si可以减少水稻根系Si 运输通道的基因表达,阻止Cd 由地下部向地上部迁移[13].Se 是植物体内抗氧化酶的组成成分和活性中心[14-15],能够改变抗氧化酶的活性,并提高作物的抗性[16],通过增强与重金属Cd 的拮抗作用来缓解Cd 的毒性[17].特别是Se能与Cd 相结合形成难溶的CdSeO3,使其难以被作物所吸收[18].研究表明,喷施富硒叶面肥能够显著降低稻株根系、秸秆和稻米中Cd 含量及Cd 在水稻体内的转移系数[19].

目前叶面阻隔技术多停留在室内或盆栽试验[20-21],田间试验条件繁琐,受区域自然环境条件的制约较为严重,不同种类叶面阻隔剂在桂北地区的田间验证性试验鲜见报道.鉴于此,本文以广西某地的Cd 污染土壤为供试土壤,以粮食主产区种植面积较广的两种水稻品种为供试材料,开展大田试验,探索叶面喷施Si 和Se 对水稻各部位Cd 积累和转运的调控机理,明确不同水稻品种对喷施两种阻隔剂降Cd 效应的响应差异,以期为其应用提供理论依据和受污染耕地的安全利用提供参考.

1 材料与方法

1.1 供试材料

大田试验区位于广西临桂区四塘镇(25°9′N,110°7′E),属亚热带季风气候,年平均气温约19.1℃,年平均降雨量约1887mm,适宜水稻、油菜和马蹄等农作物和经济作物生产.成土母质为第四纪红土,土壤类型为潴育型水稻土,试验区附近无工矿企业污染源,水源为河流水,重金属主要来源为成土母质.供试土壤主要理化性质见表1.参照《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618-2018)中Cd 筛选值(0.3mg/kg)[22],试验区属于安全利用类受污染稻田.

表1 供试土壤基本理化性质Table 1 Basic physical and chemical properties of the tested soil

参试水稻品种为五优1179 和丝香1 号.供试叶面阻隔剂为流体硅(SiO≥26%),材质为单硅酸Si(OH)4和有机螯合态硒,主要成分为亚硒酸盐,含Se 含量≥15g/L,Na 含量≤10g/L,均由山东绿陇作物营养有限公司提供.

1.2 试验设计

本试验共设计8 个处理:YM1、YM2、YM3、YM4、YM5、YM6、YM7 和YM8,每个处理设4 个重复,共计32 个小区,各小区面积约50m2,采用随机区组设计,具体试验处理方案见表2.为防止各处理间相互影响,采用泥巴覆膜的形式制成田埂.各处理按照产品要求于无风无雨的上午8:00～10:00 完成喷施.施用前流体硅和螯合硒分别兑水稀释100 倍和300 倍,喷液量以作物叶片正背面沾满雾滴为宜.

表2 试验处理及操作规程Table 2 Test treatments and operating procedures

水稻于2021 年7 月4 日播种,采用湿润育秧,7月13 日施基肥,所有处理施用复合肥(N-P2O5-K2O:15-15-15)375kg/hm2,7 月17 日同规格抛秧,抛秧后10d 追施尿素100kg/hm2,10 月10 日采集稻谷及对应的土壤样品.田间施肥、种植密度和病虫害管理与当地耕作管理保持一致.

1.3 样品采集与测定

水稻成熟期各小区内采用“S”布点法采样,记录株高和剑叶长度等数据后采集整株稻株及其根际土样,并做好相关标记.带回实验室后,将稻谷剥离,先用自来水洗净根系杂物,再用超纯水将整个植株润洗3～5 次,将植株分为根系、其它节、第一节、其他叶、剑叶、穗轴、颖壳和糙米共8 个部分[23],稻谷晒干后按《米质测定方法》(NY/T 83-2017)[24]出糙,分离出糙米和颖壳,其他样品在105℃杀青20min,70℃烘干至恒质量,样品经不锈钢打磨机粉碎过60目筛后装入聚乙烯瓶内备用.根系土自然风干后,用玛瑙研钵研磨过0.841,0.149mm 尼龙筛,保存备用.采用人工实割测产,各小区随机选取4m2样方的水稻,自然风干后测产.

土壤全量Cd 采用美国环保署推荐的HNO3-H2O2消煮体系,定容后由ELANDRC-e 型电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)测定;土壤DTPA-Cd 依据(HJ 804-2016),采用DTPA-CaCl2浸提法提取,用Optima 8000 型电感耦合等离子体光谱仪(ICP-OES)测定;土壤pH 值依据(HJ 962-2018),采用土水比1:2.5 提取,用玻璃电极法测定;植物样品中Cd 的测定参照《食品中多元素的测定》(GB 5009.268-2016)微波消解法,用Agilent 7500cx 型电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)测定.

分析过程中加入标准物质和空白样品进行质量控制,分析样品重复数为 10%～15%.标准物质GBW 07404(GSS-4)、GBW 10045a(GSB-23a)和GBW 10020(GSB-11)中Cd 的回收率分别为100%～109%、99.6%～107%和85.8%～105%.测定偏差控制在10%以内.分析过程中所用化学试剂均为优级纯,所用水均为超纯水(Milli-Q 超纯水系统).

1.4 数据统计与分析

转移因子(TFa/b)＝a 部位Cd 含量/b 部位Cd 含量,它表示相邻部位间Cd 部位的比值.

采用Excel 2010 进行数据整理,试验数据采用SPSS 23.0 进行统计分析.各处理间平均值的比较采用最小显著差数法(LSD),图表中的数据均采用平均值±标准差(M±SD)表示.采用Origin 2023b 作图.

2 结果与分析

2.1 不同叶面阻隔剂对稻谷产量、株高和剑叶长度的影响

由图1 可知,对应的不同处理下五优1179 稻谷产量均高于丝香1 号,但差异并不显著(P>0.05).与对照(CK)相比,喷施硅质叶面阻隔剂能够提升水稻的实测产量,五优1179 和丝香1 号的产量分别提高9.02%和2.03%.相较于对照处理,喷施螯合硒后五优1179 的稻米产量提升7.27%,而丝香1 号的稻米产量下降5.40%.此外不同处理下丝香1 号的剑叶长度均大于五优1179,其中不喷施阻隔剂(CK),丝香1 号的剑叶长度显著高于五优1179,达21.2%(P<0.05).而两种水稻品种不同处理下的株高差异均不显著,株高范围介于110～112cm.

图1 不同处理对水稻产量、株高和剑叶长度的影响Fig.1 Effects of different treatments on rice yield, plant height and flag leaf length

2.2 不同叶面阻隔剂对水稻各部位积累镉的影响

如图2 所示,与喷施清水相比,施用叶面阻隔剂能够减少品种五优1179 体内Cd 总量,喷施流体硅(YM3)和螯合硒(YM4)体内Cd 总量降幅分别为10.9%和 19.1%.而与喷施清水相比,施用流体硅(YM7)和螯合硒(YM8)均可显著降低丝香1 号体内Cd 总量(P<0.05),降幅分别为41.2%和33.1%.此外,相同处理对2 种水稻体内Cd 总量的影响并不显著(P>0.05).从图2 可以看出,喷施流体硅后两种水稻不同部位Cd 含量的变化规律基本呈现根>其他节>第一节>其他叶>剑叶>颖壳>穗轴>糙米,而施用螯合硒后两种水稻不同部位Cd 含量变化主要表现在穗轴>颖壳,其他部位Cd 含量规律保持不变.这与其他学者的研究结论一致,这是因为重金属Cd 在新陈代谢旺盛的器官蓄积量较高,而如籽粒等营养储存器官中的分布量则较少[19].此外,与YM2 处理相比,施用流体硅(YM3)和螯合硒(YM4)均可显著降低水稻五优1179 根系、第一节、穗轴和糙米中Cd 含量,根系降幅为29.6%和37.7%,第一节降幅为29.9%和45.4%,穗轴降幅为60.4%和28.6%,糙米降幅为62.8%和58.5%,其中YM3 处理糙米ω(Cd)为0.181mg/kg,符合限量标准(0.2mg/kg),YM4 处理糙米ω(Cd)为0.202mg/kg.与喷施等量的清水相比,施用流体硅和螯合硒对丝香1 号的根系、第一节、穗轴和糙米Cd 蓄积量均产生了抑制作用,且显著降低其他节中Cd 含量,其降幅分别为41.2%和33.1%(P<0.05).其中YM7 和YM8 处理糙米Cd 含量分别为(0.186±0.032) mg/kg 和(0.169±0.019) mg/kg,较CK 处理分别下降58.9%和62.7%,均符合限量标准.另外,相比于喷施清水,外源喷施流体硅后丝香1 号品种的其他叶和剑叶中Cd 含量显著高出YM6 处理,说明其可使植株体内的Cd 更多地被拦截在叶片中.

图2 不同处理对水稻各部位Cd 含量的影响Fig.2 Effects of different treatments on Cd content in various parts of rice

2.3 不同叶面阻隔剂对水稻Cd 转运因子的影响

从表3 可知,水稻颖壳-糙米的Cd 转移能力较强(TF糙米/颖壳>1).与CK 处理相比,在水稻孕穗期和灌浆期喷施清水能降低TF剑叶/其他叶和TF颖壳/穗轴,提高TF穗轴/剑叶.外源喷施叶面阻隔剂后水稻各部位间Cd 转运能力的差异主要表现在第一节-其他叶-剑叶-穗轴-颖壳-糙米.与同时期喷施清水(YM2)相比,五优1179 的叶面喷施Si 和Se 能够促进Cd 从第一节向其他叶的转移,同时抑制Cd 从剑叶向穗轴和颖壳向糙米的运输.此外,与YM4 处理相比,外源喷施Si 后五优1179 品种TF颖壳/穗轴显著上升(P<0.05),TF穗轴/剑叶明显下降,其降Cd 效果的差异可能与其特殊的调控机理有关.与喷施清水相比,丝香1 号外源喷施Si 和Se 后TF其他叶/第一节、TF剑叶/其他叶和TF颖壳/穗轴均上升,TF穗轴/剑叶和TF糙米/颖壳显著下降(P<0.05),降幅分别为53.7%、21.6%和78.4%、61.1%,且YM7 处理TF第一节/其他节显著高于其他处理.这表明喷施叶面阻隔剂能够更多地将茎和其他叶中的Cd 转移至剑叶,促进剑叶对Cd 的固定,同时抑制剑叶中的Cd 向穗轴和颖壳的转运,进而减少糙米中Cd 的累积.

表3 不同叶面阻隔剂对水稻Cd 转运因子的影响Table 3 Translocation factor of Cd in different foliar spraying inhibitors

2.4 稻米Cd 含量与其他部位Cd 含量相关性分析

从图3 可以看出,稻米Cd 含量与其他部位Cd 含量间存在着一定相关性.根系、其他节、第一节和其他叶中的Cd 含量均与糙米Cd 含量存在显著相关性,其中根系Cd 含量、其他节Cd 含量和第一节Cd 含量与糙米Cd含量存在显著正相关,相关系数R2分别为0.81(P<0.01)、0.63(P<0.01)和0.78(P<0.01),而糙米Cd含量与其他叶Cd含量呈显著负相关,相关系数R2为−0.33(P<0.05).

图3 糙米Cd 含量与其他部位Cd 含量相关性分析Fig.3 Correlation analysis between Cd content in brown rice and Cd content in other parts

3 讨论

3.1 不同叶面阻隔剂对稻谷产量的影响

水稻是典型的喜硅作物,Si 可以促进水稻的生长发育、提高抗病虫和抗倒伏能力以及对矿质元素的利用率,从而提升稻谷产量[25-26].外源喷施适当的流体硅能够提升五优1179 和丝香1 号的稻谷产量,增幅分别为9.02%和2.03%.相比于喷施流体硅,喷施螯合硒对水稻增产效果存在显著差异.在五优1179品种孕穗期和灌浆期喷施1L/667m2螯合硒可提升稻米产量7.27%,但丝香1 号的稻谷产量下降5.40%,这可能与该品种对螯合硒的喷施浓度较为敏感有关,同时这也说明水稻品种是硒质叶面阻隔剂影响稻米产量的重要因素.

3.2 不同叶面阻隔剂对糙米Cd 含量的影响

水稻收获期稻穗中60%～90%的总碳来自抽穗后的光合作用,储存在营养器官中的营养物质和Cd也会被重新活化后转运到籽粒中[27].研究表明,剑叶是成熟期稻穗光合碳水化合物的主要来源[28].由根系吸收的Cd 一部分通过穗轴直接进入籽粒,另一部分转运到叶片等器官储存,在灌浆期通过穗轴进入籽粒[29].因此,在水稻孕穗期和灌浆期通过喷施叶面阻隔剂以提高叶片、穗轴及颖壳对Cd 的“阻拦”能力,抑制茎叶中Cd向籽粒的运输和分配,就有可能在不影响水稻生长发育的前提下降低糙米中Cd 含量.此外,相关性分析表明,糙米Cd 含量与根系和茎中Cd 含量均呈显著正相关(P<0.01),与其他叶Cd 含量呈显著负相关(P<0.05),说明叶面阻隔剂能够通过抑制根系对土壤Cd 的吸收,同时将经根系吸收的Cd 更多地转移至叶片累积和固定,提升Cd 在叶片中的分配比例,进而减少重金属Cd在籽粒中的蓄积.施硅可以提高叶绿素含量,促进叶片的光合速率[30],刺激抗氧化酶基因表达,降低Cd 产生的氧化胁迫[31].Si 在水稻生长过程中以Si(OH)4的形式被根系吸收到根部[28].本研究结果表明,喷施以单硅酸为主要成分的流体硅能够显著降低根、茎和穗轴中Cd 含量,TF穗轴/剑叶和TF糙米/颖壳明显下降,糙米Cd 含量均降至限量标准(0.2mg/kg)以下,说明由叶片进入水稻体内的流体硅可向根部转移[32],不仅抑制土壤Cd 由根系进入稻株[33],增强Cd 在根和茎的固定和滞留[34],抑制其的向上迁移,还能有效减少Cd 从剑叶向穗轴和颖壳等高处的运输和分配.此外,较之品种五优1179,喷施流体硅后丝香1 号叶片中Cd 含量和TF其他叶/第一节显著上升,这可能与不同的品种对进入其体内的Si 浓度耐性不同有关.研究表明,高Si 浓度能够促进Cd 与Si 在木质部和韧皮部等代谢活性较低的组织中共沉淀[35].

Se 作为多种酶和蛋白质的重要组成成分,其能调控水稻细胞中如OsIRT1、OsIRT2、OsLCT1 和OsNramp5 等Cd 转运相关基因的表达,外源Se 供应水平能够促进水稻体内谷胱甘肽过氧化物酶的产生,从而减少水稻对Cd 的吸收[36-38].与对照处理相比,叶面喷Se 能够使品种五优1179 和丝香1 号体内Cd 含量分别减少35.1%和39.8%,同时根、茎和糙米中Cd 含量显著降低,TF穗轴/剑叶明显下降,这说明螯合硒与流体硅对水稻有类似的降Cd 机理.随着外源Na2SeO3的喷施,大量Cd 被区室化于液泡中,阻碍了其在质外体中的运输,最终减少Cd 由根和茎向籽粒的转运[39-40].此外,相较于喷施流体硅,喷施螯合硒后水稻穗轴中Cd 含量和TF穗轴/剑叶得到提高,而TF颖壳/穗轴明显降低,说明外源供应Se能够促进穗轴中Cd 的积累,从而减少Cd 由穗轴向颖壳直至糙米的转移.

3.3 经济效益分析

本试验所涉及的水稻种子、化肥、人工和产品运输成本等大致相同,耕作管理水平一致,在喷施叶面阻隔剂将糙米Cd 含量降至限量值以下的前提下,流体硅和螯合硒的采购成本分别为975 元/hm2和1275 元/hm2.故叶面阻隔是一种具有良好经济利用价值的阻控措施.此外,近年来得益于迅速发展的无人机技术,针对我国面积较大的轻中度Cd 污染农田土壤,叶面阻隔技术使其安全利用成本进一步降低.