硅肥与硒肥施用对水稻吸收积累Cd的影响规律研究

许 珂，铁柏清，陈 喆，杨 洋，袁 啸，刘妍妍，雷 鸣

（湖南农业大学资源环境学院，湖南 长沙 410128）

目前，我国受镉Cd、砷As、铬Cr、铅Pb 等重金属污染的耕地面积近2 000 万hm2，约占总耕地面积的1/5，其中约有1.3 万hm2耕地受到Cd 的污染[1]。Cd 作为植物生长的非必需元素，在较低浓度下便能经由土壤到达植物根部进而迁移至植物地上部[2]。土壤重金属Cd，尤其是冶炼厂周边土壤Cd 的污染防治是土壤环境保护工作的重中之重[3]。我国是世界上最大的稻谷生产国，年均生产稻谷1.87 亿t，约占世界稻谷产量的35%。但是，近年来我国水稻田土壤和稻米重金属污染问题日益严重[4]。Cd 污染问题成为威胁土壤生态安全和制约农业可持续发展的重要因素。Cd 易为植物所吸收，不仅对植物的生长和发育有不良影响，而且会通过食物链传递，对人类健康构成威胁[5-7]。

赵颖等[8]研究发现，在一定污染范围内，施硅能够缓解Cd 对水稻的毒害作用，提高Cd 污染条件下水稻的生物量和籽粒产量；蔡德龙等[9]研究发现，向Cd 污染土壤施用熔渣硅肥能够抑制水稻对Cd吸收，降低稻米中Cd 的含量。目前，许多研究主要针对向土壤中添加外源Cd，而本试验的供试土壤直接从污染矿区采集，通过设计盆栽试验，对已受污染的冶炼区土壤施加硅肥和硒肥，种植湖南地区常见品种早晚稻，分析其不同生长期各器官内Cd含量，对颇受公众关注的稻米Cd 污染问题作出科学分析，探索硅肥和硒肥作改良剂施用对水稻吸收积累Cd 影响的规律，以期为降低稻米Cd 污染提供有效的理论依据与技术方法。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试作物为水稻，早稻品种为金优974（杂交稻）和湘早143（常规稻），移栽自湖南农业大学长安基地；晚稻品种为金优297（杂交稻）和沁香2 号（常规稻），移栽自湖南农业大学永安基地。

供试土壤采自株洲霞湾冶炼厂周边荒废的、受重金属污染的农田，土壤类型为红壤，田间无水。土壤样品采自耕作层0～20 cm，梅花点法采集，每个混合样均由5 个以上分点样品组成。采回土样后，将土块压碎，除去残根、杂物，铺成薄层，经常翻动。在阴凉、洁净、无污染处自然风干，将风干后土样装填在试验盆中。土壤中Cd 含量为202.342 mg/kg，土壤pH 值范围为6.50～6.83。

供试肥料：硅肥为富力邦牌粉状硅钾钙肥（山西富邦肥业有限公司生产，有效硅SiO2≥30%，氧化钙CaO≥30%，有效钾K2O≥4%，有效镁MgO≥3%），正常施入量为30 kg/667m2；硒肥为隆农牌富硒康（长沙隆农农业科技开发有限公司生产，有效成分：硒元素、活化剂、硼、锌、微量元素等，其中亚硒酸钠含量在18%～22%之间，硼、锌≥10%），正常施入量为100 g/667m2。

1.2 试验设计与方法

采用盆栽试验，盆栽容器为聚乙烯材质，上口径80 cm，桶高50 cm，每盆装土85 kg，统一将土填压至桶高约24 cm 处，保持土面平整，将盆中灌水淹没土壤，土壤淹水一周，使其更趋近于水稻土，用于种植水稻。根据氮磷钾肥的正常施肥量和盆表面积进行换算，每盆施过磷酸钙13 g，尿素13 g，硫酸钾4 g。根据硅肥和硒肥正常施入量换算，每盆施硅肥22.6 g，施硒肥0.08 g。施肥时将肥料均匀撒施，与土壤充分混匀，施后覆土、浇水。早稻收割后晚稻移栽前再次施用氮磷钾肥和硅肥硒肥，施用方法和施用量均与早稻相同。

早稻（金优974、湘早143）于2011年5月8日移栽，7月20日收获；晚稻（金优297、沁香2 号）于2011年7月22日移栽，10月17日收获。每盆种植水稻20 穴，分5 行定植，每穴2 株，大约株距8～10 cm 间隔，此密度与农业生产上的种植密度相当。早稻和晚稻都设计单施硅肥（B1）、单施硒肥（B2）和不施硅肥硒肥（B3，即对照组）3 个处理，每个处理重复3 次。全生育期定时定量浇水，土面保持3～5 cm 水层，按常规方式管理。

种植过程中按照水稻秧苗期、分蘖期、抽穗期和成熟期采集植物和土壤样品。水稻在供试盆中直接采样，苗期因水稻个体较小，生物量少，挖取4 穴（即8 株）左右，分蘖期和抽穗期都挖取2 穴（即4株），成熟期将供试盆中所剩水稻全部挖出。测定根、茎、叶（成熟期还包括糙米）中的Cd 含量。

1.3 分析测定项目和方法

水稻植株样品采集后，分成根、茎、叶片部分，经洗净、烘干、粉碎后放入自封袋保存，水稻籽粒采集后洗净晒干，脱壳后粉碎保存，采用湿法消解（HNO3∶HClO4=4∶1），原子火焰法测定Cd 含量；土壤pH 值按水土比1∶2.5，酸度计测定。

1.4 数据处理

用Microsoft Excel 处理试验数据，SPSS 统计软件进行试验数据的方差分析。

2 结果与分析

2.1 施用硅肥和硒肥对早晚稻不同生育期各部位Cd 含量的影响

从表1 可知，两品种早稻中Cd 含量表现出根系＞茎秆＞叶片部分的规律。相关研究也表明，水稻不同器官对重金属元素的吸收蓄积能力存在很大差异，其中以根富集重金属元素的能力最强，Cd在水稻植株各器官中的浓度大小顺序为根＞茎＞叶＞穗[10]。

表1 早稻金优974 和湘早143 不同生育期各部位Cd 含量 （mg/kg）

与对照组相比，施用硅肥和硒肥的两早稻品 种，全生育期中各部位的Cd 含量皆显著降低。这说明施硅肥和硒肥对水稻Cd 的吸收具有抑制作用。而从整体Cd 含量趋势也可以看出，施加了硅肥的早稻各部位Cd 含量略低于施加硒肥组，初步显现出硅肥抑制Cd 吸收作用强于硒肥的规律。

与早稻结果类似（表2），试验组晚稻在全生育期中各部位Cd 含量都低于对照组，这也再次说明了硅肥和硒肥的施用对水稻吸收积累Cd 起到了抑制作用。同时，硅肥的抑制效应仍明显高于硒肥。与早稻相比，金优297 根系Cd 含量明显增加，这可能主要是品种原因。

表2 晚稻金优297 和沁香2 号不同生育期各部位Cd 含量 （mg/kg）

2.2 施用硅肥和硒肥对水稻生物转运系数的影响

转运系数是指地上部某元素质量分数与地下部某元素质量分数之比，用来评价植物将重金属从地下部向地上部的运输和富集能力[11]。图1 为早晚稻各试验组不同生育期的转运系数变化，由图可知对照组和处理组的转运系数均小于1，说明水稻对Cd 的吸收主要集中在根系，并且根系向地上部的转运系数总体上随着水稻的生长而增加。从转运系数还可以看出，施用硅肥和硒肥减少了根系吸收积累的Cd 向茎叶部分迁移和转运，特别是施用硅肥效果显著。这说明，施硅肥不但可以显著抑制水稻根系吸收土壤中的Cd，同时还可以强烈抑制根系吸收积累的Cd 向地上部转移。

图1 水稻不同生长时期各部分转运系数变化图

就不同水稻品种而言，转运系数之间的差异不显著。

2.3 施用硅肥和硒肥对稻米中Cd 含量的影响

对于成熟期早稻和晚稻糙米中Cd 含量进行方差分析，结果表明不论是早稻品种间、施肥处理间，还是品种和施肥组合间都存在显著差异。

表3 表明，施用硅肥和硒肥后，早稻和晚稻糙米中Cd 含量都降低，施硅肥效果要好于施硒肥。在早稻试验中，在施加硅肥后，金优974 糙米中的Cd含量明显降低，仅为0.114 mg/kg，低于0.2 mg/kg 的国家粮食卫生标准，达到了试验预期；而湘早143的糙米Cd 含量为0.231 mg/kg，虽比对照处理极显著降低，但仍高于0.2 mg/kg 的国家标准。施硒肥也有一定的降低糙米中Cd 含量的作用，其中对金优974 糙米Cd 的含量降低也达到极显著水平。试验结果初步表明，硅肥和硒肥在降低水稻Cd 污染中起到了改良剂的作用。

表3 水稻品种与施肥对糙米中Cd 含量的影响

在晚稻试验中，施硅肥极显著的降低了金优297 糙米Cd 含量，其糙米Cd 含量0.166 mg/kg，低于国家标准0.2 mg/kg。硅肥的施用对稻米Cd 污染控制起到改良作用。与硅肥相比，硒肥的处理效果欠佳，可能与施入量少有关，其施用量有待继续研究。

3 小结与讨论

本次试验也对水稻不同生育期土壤样品进行了采集，测定了土壤有效态Cd 和总Cd 含量，但表现的规律并不明显，主要变化体现在抽穗期过程，尤其是施加硅肥后土壤有效态Cd 含量降低，说明硅本身也能降低土壤和植物Cd 的活性。同时，伴随着水稻生长，施硅肥和施硒肥根系土壤的pH 值从6.5 增至7.8～8.2，对照组pH 值仍为6.5 左右。除了改变Cd 活性之外，pH 值的改变也是影响水稻吸收Cd 的原因之一[12]。

试验所选两个品种早稻、两个品种晚稻与硅肥硒肥施用相结合的处理组合中，早稻金优974 和晚稻金优297 施加硅肥后糙米中Cd 含量低于国家标准，稻米中Cd 含量得到理想控制。这一方面说明硅肥可作为土壤改良剂，对稻米Cd 污染起到控制作用；另一方面由于金优974 和金优297 两个品种水稻皆为杂交稻，也可初步推测在本试验中，杂交稻表现更佳，但在实际生产中是否具有可行性仍须进一步试验验证。

早晚稻试验均表明，水稻中Cd 含量吸收积累规律表现为根＞茎＞叶＞籽粒（或糙米），本试验加入硅肥后，水稻根系和茎叶中的Cd 含量相比对照组减少，同时糙米中的Cd 含量也下降。施硅后抑制水稻吸收Cd 的原因可能是硅提高了水稻根系氧化能力，使其抗性提高，也可能是Cd2+活性在硅的存在下降低，从而抑制了Cd 向水稻植株体迁移。硅钾钙肥降低水稻吸收Cd 和糙米Cd 含量的作用机理可能主要是提高土壤的pH 值，降低Cd 的活动性，其次是硅-镉拮抗、钙-镉拮抗问题。

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