无机硅叶面肥及土壤调理剂对水稻铅、镉吸收的影响

张宇鹏，谭笑潇，陈晓远*，梁嘉慧，马崇坚，郭勇军，周坚兵

1. 韶关学院英东生物与农业学院，广东 韶关 512005；2. 韶关市粤北土壤土地工程技术研究中心，广东 韶关 512005；3. 佛山市植宝生态科技有限公司，广东 佛山 528000

重金属元素对生物生长具有明显毒性，母质和岩石中的重金属单质或化合物随着风化作用进入土壤中，若超过安全值则造成土壤及耕地污染。随着中国经济的快速发展，耕地土壤重金属污染形势日益严峻。据调查，全国污染耕地土壤点位超标率达19.4%（田发祥等，2015；程菁靓等，2019）。水稻作为中国主要粮食作物之一，稻田土壤重金属特别是铅镉污染问题日益突出，严重影响中国人民身体健康，同时对中国粮食安全造成威胁。因此，降低稻田及稻米重金属含量不仅关系到中国稻米农产品质量安全及商品竞争力，也是推进生态文明建设和维护生态安全的重要内容（汤海涛等，2013）。

目前对重金属污染耕地修复技术多种多样，常见的修复方法包括施用土壤钝化剂、喷施叶面阻控剂、种植低积累作物品种、水分管理、深耕深翻措施、土壤淋洗技术、化学固化修复技术、生物修复技术等措施或措施组合（Yang et al.，2016；Duan et al.，2017；Wu et al.，2017；Hussain et al.，2017；王宇霞等，2016）。由于大部分技术造价较高，因此造价相对较低的施用土壤钝化剂和喷施叶面阻控剂技术较为常用（Yang et al.，2017；武超等，2016）。硅是水稻生长不可或缺的微量元素，能够促进水稻的生长发育，提高水稻光合作用，同时众多研究成果和生产实践也表明硅肥在抑制水稻重金属吸收作用显著，同时能提高稻米品质（Datnofft et al.，1997；黄秋婵等，2008；贺礼等，2018），大多研究关注叶面阻控剂或土壤调理剂施用量对稻米重金属达标率的影响和不同品种表现出的差异性。中国部分地区稻田是铅镉复合污染，硅肥对铅镉复合污染稻田水稻铅和镉吸收分布的影响鲜有报道。鉴于植物主要通过根系吸收养分，也可以通过叶片快速吸收部分养分，本研究拟通过大田试验探讨无机硅叶面肥及土壤调理剂对水稻铅和镉吸收的影响，以期为稻田重金属污染修复提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于韶关市曲江区马坝镇石堡村委会官屋小组，距离大宝山矿区约 6 km，试验田坐标24°38.430′N，113°35.074′E，海拔 60 m，地势平坦，排灌水方便。供试土壤是由红壤母质发育的水稻土，常年水作不轮作，pH=5.48，有机质质量分数为42.73 g·kg-1、碱解氮 162.36 mg·kg-1、有效磷 24.41 mg·kg-1、速效钾 73.52 mg·kg-1、铅 142.01 mg·kg-1、镉 2.35 mg·kg-1、铬 31.05 mg·kg-1、砷 8.10 mg·kg-1、汞 0.42 mg·kg-1。土壤铅和镉高于风险筛选值（80 mg·kg-1和 0.3 mg·kg-1），属铅镉复合污染。铅污染指数Pi=Ci/Si= 1.78，属轻度累积；镉污染指数Pi=Ci/Si=7.83，属重度累积。

1.2 供试材料

供试水稻品种为马坝银粘。

供试肥料为尿素（广西河池化肥有限公司，N质量分数为46%）、过磷酸钙（浙江中农化肥有限公司，P2O5质量分数为12%）、氯化钾（黑龙江倍丰农业生产资料集团有限公司，K2O质量分数为60%）。叶面肥及土壤调理剂自主研发配制，其中叶面肥为浓缩液体，技术指标：Si 120.00 g·L-1，K2O 156.00 g·L-1，Na 6.00 g·L-1，水不溶物 2.00 g·L-1，浓缩液稀释200倍后pH为10.86；土壤调理剂为混合粉剂，技术指标：SiO2质量分数为11.70%，有机质质量分数为18.30%，pH=11.50（调理剂与超纯水质量比1∶5测定）。

1.3 试验设计

试验期为晚稻，2019年7月10日插秧，10月16日收获。试验设3个处理，分别为处理1（CK）：常规施肥；处理2（L-Si）：常规施肥+喷施叶面肥；处理3（S-Si）：常规施肥+施用土壤调理剂。人工起垄每小区5 m×5 m，每个处理3次重复，随机排列。每处理化肥施用量相同，均为N 211.50 kg·hm-2，P2O560.00 kg·hm-2，K2O 187.50 kg·hm-2，分 3 次施用，分别为第 1次播种时施用 N 33.33%，P2O550.00%，K2O 26.00%；第2次分蘖期灭虫后2—3 d施用N 33.33%；第3次灌浆期施用N 33.33%，P2O550.00%，K2O 74.00%。处理2叶面肥原液兑水稀释200倍后进行叶面喷施，在水稻分蘖、孕穗、灌浆期各喷施1次，每次喷施量为37.50 L·hm-2；处理3土壤调理剂在稻田翻耕时一次性施入，施用量为1500.00 kg·hm-2。其余田间管理方式相同。

1.4 研究方法

1.4.1 样品采集

土壤样品：水稻种植前采集基础土样，水稻收获后每处理采集试验土样，采用“S”布点法采样，取5点混合成1个土样并用四分法留取样品，剔除土样杂物，自然风干后碾碎，过0.1 mm筛子后用密封袋于干燥阴凉处保存待测。

水稻样品：水稻收获时，每处理小区采集水稻植株样品，分为根、茎、叶、稻壳、稻米等5部分，经杀青、烘干及粉碎后用密封袋于干燥阴凉处保存待测。

1.4.2 样品测试

土壤pH采用pH计法测定（土壤与超纯水质量比1:5）；土壤有机质采用重铬酸钾油浴外加热容量法测定；土壤速效氮采用碱解扩散法测定；土壤速效磷采用钼锑抗比色法测定；土壤速效钾采用火焰光度法测定（鲍士旦，1999）。土壤铅参照GB/T 17141—1997测定；土壤铬参照HJ 491—2009测定；土壤镉参照 GB/T 17141—1997测定；土壤砷参照GB/T 22105.2—2008测定；土壤汞参照 GB/T 22105.1—2008测定。水稻植株铅、铬、镉、砷、汞采用ICP-MS法测定。

1.4.3 数据分析

运用Excel软件整理数据、制作图表，运用SPSS（IBM SPSS Statiatics 20）软件Duncan法进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 叶面肥及土壤调理剂对土壤pH的影响

无机硅叶面肥及土壤调理剂pH呈碱性，施用土壤调理剂后土壤pH为 (6.24±0.08)，较对照处理(5.51±0.06) 提高0.73个单位（图1），可显著提高土壤pH。而喷施叶面肥土壤pH为 (5.63±0.18)，与对照处理差异不显著。

2.2 叶面肥及土壤调理剂对土壤铅和镉含量的影响

喷施无机硅叶面肥后土壤中铅质量分数为(138.00±5.56) mg·kg-1，施用无机硅土壤调理剂后土壤中铅质量分数为 (130.00±4.35) mg·kg-1，分别比对照处理土壤中铅(116.00±4.35) mg·kg-1高出22.00 mg·kg-1和 14.00 mg·kg-1（图 2）。喷施无机硅叶面肥后土壤中镉质量分数为(1.87±0.08)mg·kg-1，与对照处理土壤中镉质量分数(1.89±0.03)mg·kg-1差异不显著，而施用无机硅土壤调理剂后土壤中镉为 (2.17±0.05) mg·kg-1，显著高于对照处理14.81%（图3）。

图1 不同处理土壤pHFig. 1 pH in different treatments

图2 不同处理土壤铅含量Fig. 2 Contents of soil Pb in different treatments

2.3 叶面肥及土壤调理剂对水稻不同部位铅和镉吸收影响

图3 不同处理土壤镉含量Fig. 3 Contents of soil Cd in different treatments

由表1可见，铅在水稻根部富集最多，其次是叶，在茎和稻壳中富集程度相近，在稻米中最少。喷施无机硅叶面肥和施用无机硅土壤调理剂都能显著减少铅在根部的富集，分别较对照处理(236.67±6.43) mg·kg-1减少 11.69%和 59.59%。喷施无机硅叶面肥显著增加了铅在水稻茎和稻壳中的富集，分别达到 (5.33±0.19) mg·kg-1和 (3.36±0.08)mg·kg-1， 较 对 照 处 理 (4.36±0.23) mg·kg-1和(2.94±0.17) mg·kg-1增加了 22.25%和 14.29%；而铅在叶片和稻米中的富集均显著降低，分别较对照(18.87±0.76) mg·kg-1和 (0.39±0.06) mg·kg-1降低了12.40%和38.46%。施用无机硅土壤调理剂均能显著减少铅在水稻茎、叶、稻壳和稻米中的富集，分别减少了36.93%、15.16%、23.47%和51.28%。喷施无机硅叶面肥及施用无机硅土壤调理剂铅在水稻叶和稻米中的富集差异不显著。

镉在水稻根部富集最多，其次是茎和叶，在稻壳和稻米中最少。喷施无机硅叶面肥显著增加了镉在水稻根和茎中的富集，富集量分别达到(23.43±1.25) mg·kg-1和 (10.31±0.43) mg·kg-1，分别较对照 (20.57±0.20) mg·kg-1和 (6.79±0.54) mg·kg-1增加了 13.90%和 51.84%；而镉在叶、稻壳和稻米中富集均有所减少，分别较对照 (6.85±0.85)、(1.37±0.08)、(1.91±0.12) mg·kg-1减少了 18.10%、5.84%和40.84%，在稻壳中富集差异性不显著。施用无机硅土壤调理剂均能显著减少镉在水稻根、茎、叶、稻壳和稻米中的富集，较对照处理分别减少了12.93%、42.28%、61.75%、59.85%和49.21%。而喷施无机硅叶面肥及施用无机硅土壤调理剂镉在水稻稻米中富集未达到显著差异水平。

表1 不同处理水稻不同部位重金属含量Table 1 Contents of heavy metal in different parts of Rice treated with different treatments

2.4 叶面肥及土壤调理剂对水稻产量的影响

喷施无机硅叶面肥及施用无机硅土壤调理剂后水稻产量分别达到 (7280.68±53.86) kg·hm-2和(7340.76±59.26) kg·hm-2， 较 对 照 处 理 产 量(7052.27±95.07) kg·hm-2分别增加3.24%和4.09%，增产效果显著，但喷施叶面肥和施用土壤调理剂处理水稻产量差异不显著（图4）。

图4 不同处理水稻产量Fig. 4 Yield of rice in different treatments

3 讨论

中国南方酸性水稻土区土壤重金属活性高、迁移性强，易于在水稻植株和稻米中累积，造成稻米重金属含量超标（李心等，2018）。重金属复合污染条件下，叶面施用纳米硅肥后水稻籽实中Cd、Pb、Cu、Zn的吸收量显著降低（王世华等，2007）。在本研究中，喷施无机硅叶面肥后，稻米中铅和镉含量较对照分别降低了 38.46%和 40.84%，同时稻米产量增加了3.24%；铅在根部、叶片富集显著减少了 11.69%和 12.40%；镉在叶片和稻壳中富集显著减少了 18.10%和 5.84%，与喷施 0.2%无机硅溶胶效果不同，可能是由于无机硅形态不同所致。叶面施用硅肥可以降低水稻Cd、Pb、Zn和Cu可能主要是由于硅可以提高水稻叶片叶绿素含量，同时降低细胞膜的透性，从而提高了水稻的抵抗能力；也可能是由于硅在植物地上部的沉淀而阻止了 Cd向地上部的迁移（Galvez et al.，1987；秦淑琴等，1996）。在本研究中，喷施无机硅叶面肥后铅在茎和稻壳中富集量显著增加 22.25%和 14.29%；镉在根和茎中富集显著增加了13.90%和51.84%。土壤pH和土壤镉与对照差异不显著，而土壤铅含量较对照含量高18.97%。说明无机硅叶面肥对水稻铅和镉的阻隔部位及作用机理有所不同，无机硅经叶面吸收后，在减少叶片中铅富集的同时减少了根系对土壤铅的吸收，将经根系吸收的铅富集于茎和稻壳中；而在减少叶片中镉富集的同时并未减少根系对镉吸收，将经根系吸收的镉富集于根和茎中。在污染红壤及水稻土中，铅主要积累在铁锰氧化物结合态和碳酸盐结合态，镉主要以交换态存在（杨欣等，2010），喷施无机硅叶面肥后土壤pH并未变化，根系减少了对铅的活化与吸收，而根系对镉的活化与吸收并未减少，因此土壤中铅含量较对照高，而土壤镉含量较对照差异不显著。

施用土壤调理剂是中国目前修复重金属污染土壤的最主要措施（代允超等，2014）。施用钾硅土壤调理剂显著降低了水稻茎、叶和籽粒中铅和镉的含量（贾倩等，2015）。施用硅钙土壤调理剂显著降低水稻茎秆、叶片、籽粒中铅含量和茎秆、籽粒中镉含量（贾倩等，2017）。在本研究中，施用无机硅土壤调理剂，水稻根、茎、叶、稻壳、稻米中铅含量显著降低11.69%、36.93%、15.16%、23.47%和51.28%；镉含量显著降低12.93%、42.28%、61.75%、59.85%和49.21%。硅肥土壤调理剂能够降低水稻中重金属含量，主要可能是由于土壤调理剂能够增大作物根际pH，增加植物根际氧化还原能力，改变重金属离子形态；硅与一些重金属离子形成不易被植物吸收的新物质而被固定的同时，水稻吸收的硅也能改善水稻的抗逆性。而在本研究中，无机硅土壤调理剂显著提高土壤pH=0.73个单位，土壤中铅和镉含量较对照显著提高了12.07%和14.81%，土壤调理剂具有一定的吸附性，无机硅土壤调理剂在将土壤中铅和镉吸附固定于土壤中的同时阻隔了水稻根系对铅和镉下吸收，因此水稻根、茎、叶、稻壳、稻米中铅和镉的含量均显著降低。

4 结论

通过田间试验探究喷施无机硅叶面肥和施用无机硅土壤调理剂对水稻吸收铅和镉的影响，为铅镉复合污染稻田修复提供参考。初步得到以下结果：

（1）无机硅叶面肥及土壤调理剂均呈碱性，施用无机硅土壤调理剂较对照 (5.51±0.06) 能够显著提高稻田土壤pH值0.73个单位，而喷施无机硅对土壤pH作用不显著；喷施无机硅叶面肥后土壤中铅 质 量 分 数 较 对 照 (116.00±4.35) mg·kg-1高18.97%，施用无机硅土壤调理土壤中铅和镉分别较对照 (116.00±4.35)、(1.89±0.03) mg·kg-1高 12.07%和14.81%。

（2）喷施无机硅叶面肥后，水稻铅在根、叶片、稻米中富集较对照分别减少 11.69%、12.40%和38.46%，在茎和稻壳中富集量显著增加 22.25%和14.29%；水稻镉在叶片、稻壳、稻米中较对照显著减少了18.10%、5.84%和40.84%，在根和茎中富集显著增加了13.90%和51.84%。

（3）施用无机硅土壤调理剂后，水稻中铅在根、茎、叶、稻壳、稻米中富集量较对照显著减少11.69%、36.93%、15.16%、23.47%和51.28%；水稻中镉在根、茎、叶、稻壳、稻米中富集量显著降低12.93%、42.28%、61.75%、59.85%和49.21%。

（4）喷施无机硅叶面肥及施用无机硅土壤调理剂均能够显著提高水稻产量，产量较对照(7052.27±95.07) kg·hm-2分别提高 3.24%和 4.09%。

综上所述，无机硅叶面肥与土壤调理剂对复合污染稻田水稻吸收铅和镉的影响不同。无机硅经叶面吸收后，在减少叶片中铅富集的同时减少了根系对土壤铅的吸收，将经根系吸收的铅富集于茎和稻壳中；而在减少叶片中镉富集的同时并未减少根系对镉吸收，将经根系吸收的镉富集于根和茎中。无机硅土壤调理剂在将土壤中铅和镉固定于土壤中的同时阻隔了水稻根系对铅和镉下吸收，因此水稻根、茎、叶、稻壳、稻米中铅和镉的含量均显著降低。