施硅时期对轻度污染土壤中水稻累积砷的影响

樊利敏，孙立永，孙 宇，耿丽平，赵全利，薛培英，刘文菊

（1.河北农业大学 资源与环境科学学院/河北省农田生态环境重点实验室，河北 保定 071000； 2.河北省协同创新中心，河北 石家庄 050000；3.河北农业大学 教学试验场，河北 保定 071001）

砷（As）是一种类金属元素，广泛存在于自然界中，我国土壤中砷的背景值平均为11.2 mg/kg［1］，但近年来农田土壤砷污染也是不容忽视的重要环境问题之一。土壤中的砷来源于自然因素和人为因素，其中自然因素主要为土壤的地球化学过程［2］，而人为来源主要包括含砷矿物的开采和冶炼，喷施含有机砷的农药、含砷污水灌溉等。土壤砷可通过植物性食品经食物链进入人体，对人体健康构成威胁［3］。水稻作为世界第一主粮作物，全球约60%的人口以大米为主食［4］，然而，由于水稻长期生长在淹水条件下，淹水环境使土壤中砷的生物有效性显著增加，进而增强了其对砷的转运和富集能力［5-6］，造成水稻可食部位砷超标或者水稻植株砷毒害［7］，因此解决稻米砷污染迫在眉睫。

硅是水稻生长的有益元素［8］。在淹水的稻田土壤中，砷主要以亚砷酸形式存在（AsIII），由于硅酸和亚砷酸具有相似的解离常数和分子大小，AsIII可以通过硅酸的转运通道蛋白Lsi1 进入水稻根系进而通过Lsi2 在根中进行横向运输进入木质部，因此，施硅可调控水稻对砷的吸收以及地上部对砷的富 集［9-10］。已有的水培试验表明，外源硅能显著降低水稻根系对As 的吸收、砷在体内的转运以及地上部对As 的累积［11-13］。然而，在水稻实际种植中，砷污染的土壤环境较为复杂，如土壤砷的污染程度、土壤的理化性质均存在差异。对重度砷污染土壤而言，硅施入土壤后会将土壤固相吸附的砷解吸到土壤溶液中，增加了土壤中砷的有效性，当硅对土壤固相砷的解吸作用大于硅对水稻吸收砷的抑制作用，施硅就会促进水稻中砷的累积［14］；但是，在土壤砷污染较轻的情况下，施硅增加砷植物有效性的风险较小，由此可见，土壤溶液的硅/砷摩尔比在一定程度上调控着水稻对砷的吸收和累积［15-17］。此外，施硅作为水稻生长过程中一个重要农艺措施，硅的施用时期与水稻的生长关系密切。那么对于土壤轻度砷污染的水稻种植区来说，硅的施用时期是否同样会影响水稻的生长，且影响着水稻体内砷的累积？基于此，本试验采用水稻种植区轻度砷污染土壤，研究在移栽前基施硅（Bf）、以及分别在分蘖期（Ts）、拔节期（Js）、扬花期（Fs）追施硅对水稻生长和砷累积的影响，并通过分析施硅后土壤溶液中硅、砷含量的动态影响，进一步探讨不同施硅期对水稻不同组织中砷含量的调控机制。为粮食安全提供可靠的理论及可行的技术支撑。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试水稻品种选用‘Italica carolina’（一种生育期 较短的品种，来源于英国洛桑研究所）

供试土壤选用轻度砷污染土壤（采自我国某水稻种植区），将轻度砷污染土壤磨碎后过筛（5 mm），自然风干后保存，备用。该土壤的基本理化性质：pH 7.98，有机质 21.3 g/kg，碱解氮65.8 mg/kg，速效磷44.8 mg/kg，速效钾219 mg/kg，有效硅含量247 mg/kg，有效砷含量14.3 mg/kg，总砷含量为 60 mg/kg。

1.2 试验设计

1.2.1 水稻植株培养 选择均匀且饱满的水稻种子，将其在30%过氧化氢溶液中消毒15 min 后，用自来水、蒸馏水和超纯水分别冲洗3 ～4 次，在黑暗条件下催芽。水稻育苗期间的生长条件：28 ℃，14 h 光照和 20 ℃，10 h 黑暗，光照强度为260 ～ 350 μmol/m2·s，相对湿度为60%～70%。水稻幼苗生长2 周后移入水稻专用营养液中（Kimura 配方），培养至 6 ～7 叶时移栽至土壤中，水稻幼苗移栽后，在分蘖期—拔节期灌水保持在2 ～3 cm，抽穗—扬花期灌水保持在3 ～5 cm，之后进行干湿交替，直至腊熟期后停止灌溉，整个生育期均在日光温室中培养。1.2.2 试验处理 本试验采用土壤—根袋联合培养方法，将已过筛的轻度砷污染土分别装入4 个根袋（用30 μm 孔径的尼龙网制成）中，将根袋均匀立于培养钵（直径20 cm，高40 cm）中，然后装入同样的砷污染土填充根袋之间、根袋和培养钵内壁之间的间隙，并保证根袋内外土壤高度一致，每盆装10 kg 土壤。在每个培养钵中埋设土壤溶液提取器（Rhizo-sampler，Netherlands）［18-19］，以监测土壤溶液中硅、砷浓度的变化。

试验共设不施硅对照（CK），移栽前基施硅肥（Bf）、移栽后第13 天分蘖期（Ts）、第31 天拔节期（JS）和第40 天扬花期（Fs）等5 个处理时期，分别在每个处理时期将液体硅肥（河北省中科启润生物有机肥料厂，含水溶硅（以SiO2计）142 g/L） 按照试验处理稀释到灌溉水中，以冲施的方式进行1 次试验处理，保证每个时期硅用量均为100 mg SiO2/kg，每个处理设4 个重复。土壤装盆前每10 kg 土壤均匀混入氮肥［以(NH2)2CO 形式］4.29 g，磷 肥［以Ca(H2PO4)2·H2O 形式］2.66 g，钾肥（以KCl 形式）3.17 g 作为底肥［20］。

1.3 样品的采集和测定

试验于2017 年6 月进行，整个生育期持续70 d。

1.3.1 土壤溶液的采集和测定 分别在水稻移栽前（在后面的图表中用0 d 表示）和移栽后的第16、33、44、58 天采集土壤溶液。经0.45 μm 滤膜过滤后，样品置于-80 ℃超低温冰箱冷冻保存备用。采用硅钼蓝比色法用紫外分光光度计测定土壤溶液中硅浓度。采用原子荧光分光光度计（AFS-9600，北京海光分析仪器公司）测定土壤溶液中砷浓度。

1.3.2 植物样品的采集和测定 成熟后，将整株水稻自茎基部淹水2 ～3 cm 以上用不锈钢剪刀剪下，装入写好标签的尼龙袋中，放置于干燥通风处自然晾干（这部分秸秆主要用于砷的测定），同样也将剩余的2 ～3 cm 秸秆剪下分开晾干。将风干的地上部分为秸秆（以上两部分之和）、颖壳、糙米三部分，分别记录干重。称重后，将近茎基部2 ～3 cm 秸秆丢弃，其他样品用自来水、蒸馏水和超纯水分别清洗3 遍，于鼓风干燥箱60 ～70 ℃烘至恒重。烘干后的秸秆、颖壳、糙米用高速万能粉碎机（FW100，天津市泰斯特仪器有限公司）粉碎，将样品置于-20 ℃冰箱中保存待消解。

水稻秸秆、颖壳和籽粒采用高压密闭消解法进行样品前期处理［21-22］，同时秸秆和颖壳消解时添加标准物质（GBW07603 灌木枝叶）和空白，籽粒消解时采用大米的标准物质（GBW10010），以保证消煮过程及测定的准确度，最后用原子荧光分光光度计（AFS-9600，北京海光分析仪器公司）测定水稻不同组织消解液中的砷含量。

1.4 统计分析

采用Microsoft Oきce Excel 2019 对试验数据进行作图整理和数据统计分析软件SPSS19. 0 对试验数据不同施硅时期各处理之间进行方差分析、显著性检验以及多重比较，其中多重比较采用LSD 法分析不同施硅时期的各项指标在P=0.05 水平上的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 施硅时期对水稻生物量的影响

硅是水稻生长的有益元素，本试验的结果显示，在轻度砷污染土壤上施硅促进了水稻的生长（图1）。与不施硅CK 相比，不同时期施硅水稻籽粒的产量均呈增加的趋势，其中拔节期（Js）追施硅籽粒干重显著高于对照（P＜0.05），增幅为42.9%，且籽粒干重最高（图1A）；对于水稻秸秆而言，不同时期施硅均可以增加水稻生物量，其中拔节期（Js）施硅的水稻秸秆与对照和其他处理相比差异显著（P＜0.05），达到最高，增幅分别为103.3%（CK）、80.8%（基施硅肥Bf）、47.5%（分蘖期施硅Ts）以及78.9%（扬花期施硅Fs）（图1B）。因此，拔节期施硅能够促进水稻生长，且显著提高了水稻的秸秆和籽粒生物量。

图1 施硅时期对水稻籽粒(A)和秸秆(B)生物量的影响Fig.1 Effects of Si application stages on biomass of rice grain (A) and straw (B)

2.2 施硅时期对土壤溶液硅、砷浓度动态变化的影响

土壤溶液中硅和砷浓度直接关系着水稻根系对二者的吸收，因此，本研究监测了水稻整个生育期，施硅时期对土壤溶液硅、砷浓度动态变化的影响（图2、图3）。由土壤溶液中硅浓度的动态变化可知（图2），土壤溶液中硅浓度的动态变化大致呈现出先降低后升高又降低的趋势，但是无论对照还是施硅处理，在移栽后第16、33、58 天土壤溶液中硅浓度变化不明显。这里值得一提的是，水稻移栽后，拔节期（Js）和扬花期（Fs）两个施硅处理的土壤溶液中硅浓度在第44 天时达到最大值，分别为 60 mg/L 和40 mg/L，显著高于对照和其他处理，并且土壤溶液中较高浓度硅的存在势必会促进水稻的生长和发育，在一定程度上降低水稻对砷的吸收和累积。

图2 施硅时期对土壤溶液硅浓度动态变化的影响Fig.2 Effects of Si application stages on dynamic change of Si concentration in soil solution

由水稻施硅不同时期对土壤溶液砷浓度的动态变化影响（图3）可知，4 个施硅时期处理中土壤溶液中砷含量变化趋势基本一致，均呈现先降低后趋于平稳至砷浓度小于0.07 mg/L。不施硅的对照，在水稻移栽初期（0 ～8 d）土壤溶液中砷的浓度维持在较高水平（0.20 ～0.35 mg/L），随着移栽时间的继续延长，土壤溶液中砷浓度呈直线下降趋势，第16 天后趋于稳定（0.03 ～0.05 mg/L）；基施硅肥（Bf）处理，土壤溶液砷浓度的变化趋势与对照相似，移栽初期砷浓度范围0.25 ～0.33 mg/L，而后土壤溶液中砷含量逐渐下降，与对照相比，在第16 ～33 天 之间，均高于对照，33 d 之后与对照的平稳趋势基本一致；同样分蘖期（Ts）施硅处理在水稻移栽初期土壤溶液砷浓度与基施硅肥（Bf）处理基本一致，之后短暂出现降低后迅速升高，在第33 天时达到0.17 mg/L，表明在分蘖期（Ts）追施硅后，硅将土壤固相的砷解吸下来进入土壤溶液，使土壤溶液中砷浓度迅速升高。由于水稻对硅、砷的吸收以及硅对土壤固相砷的解吸使硅、砷在土壤溶液中存在平衡，因而随着水稻移栽时间的延长，土壤溶液中的砷浓度逐渐下降呈现平稳趋势；但是，水稻移栽初期，拔节期（Js）和扬花期（Fs）施硅处理土壤溶液中砷浓度处于较低的水平（0.09 ～0.17 mg/L），在移栽第16 天后趋于平稳，维持在0.02 ～0.05 mg/L。由此可见，整个生育期内，拔节期（Js）和扬花期（Fs）施硅处理土壤溶液中砷浓度保持在较低水平的时间最长，这与两个处理在水稻生长期出现较高的硅浓度有关，并且这也势必会影响水稻植株对砷的累积。

图3 施硅时期对土壤溶液砷浓度的动态变化影响Fig.3 Effects of Si application stages on dynamic change of As concentration in soil solution

结合以上水稻不同施硅时期土壤溶液中硅、砷浓度的动态变化，本研究计算了土壤溶液中Si/As摩尔比，由其动态变化表明（表1），4 个施硅时期处理的土壤溶液中Si/As 均呈现升高趋势，在第44 天达到最大值，其中基施硅肥（Bf）和分蘖期（Ts）两种处理施硅大约在100：1 ～450：1，然而拔节期（Js）和扬花期（Fs）两种施硅时期Si/As 竟然高达300：1 ～1 400：1。总之，拔节期（Js）和扬花期（Fs）施硅的水稻在整个生育期Si/As 一直处于较高水平。

表1 施硅时期对土壤溶液中硅/砷摩尔比动态变化影响Table 1 Effects of Si application stages on the dynamic change of Si/As molar ratios in soil solution

2.3 施硅时期对水稻不同组织中砷含量的影响

施硅时期不同对水稻秸秆、颖壳和糙米中砷含量产生了不同的影响（图4）。对照和各处理的秸秆砷含量范围7.01 ～15.2 mg/kg，其中对照的秸秆砷含量最高，对照＞基施硅肥＞其他3 个时期。与不施硅CK 相比，4 个时期施硅均显著降低了水稻秸秆中砷含量（P＜0.05），基施硅肥（Bf）、分蘖期（Ts）、拔节期（Js）和扬花期（Fs）追施硅的降幅分别为25.6%、53.9%、46.3%、52.6%，且后3 个时期施硅秸秆中砷含量也显著低于基施硅肥，但是后3 个施硅时期之间秸秆砷含量没有明显差异（图4A）。水稻秸秆一般用于饲料或者有机肥料，只有分蘖期（Ts）、拔节期（Js）和扬花期（Fs）追施硅处理的秸秆砷含量没有超过我国饲料卫生标准安全限值（GB13078—2001，As≤10 mg/kg）和有机肥料中重金属限量标准（NY525—2012，As≤15 mg/kg）， 可以安全使用。

图4 施硅时期对水稻秸秆(A)、颖壳(B)和糙米(C)中砷含量变化的影响Fig. 4 Effects of Si application stages on As accumulation in rice straw (A), husk (B) and grain (C)

对于水稻颖壳来说，施硅时期对其中砷含量的影响趋势与秸秆基本一致（图4B）。与不施硅CK相比，基施硅肥（Bf）、分蘖期（Ts）、拔节期（Js）和扬花期（Fs）追施硅显著降低了水稻颖壳中砷含量（P＜0.05），降幅分别为26.1%、40.3%、30.6%、53.7%，其中扬花期（Fs）追施硅水稻颖壳中砷含量最低（图4B）；同样，对于水稻糙米而言，砷含量范围0.17 ～0.52 mg/kg，其中对照的糙米砷含量最高，对照（CK）＞基施硅肥（Bf）＞分蘖期（Ts）、拔节期（Js）＞扬花期（Fs）。与不施硅CK 相比，不同施硅时期均显著降低了水稻糙米中砷含量（P＜0.05），基施硅肥（Bf）、分蘖期（Ts）、拔节期（Js）和扬花期（Fs）施硅处理降幅分别为31.4%、50.0%、45.1%、67.5%，其中分蘖期（Ts）、拔节期（Js）追施硅水稻糙米砷含量显著低于基施硅（Bf），扬花期追施硅水稻糙米中砷含量最低，显著低于分蘖期（Ts）、拔节期（Js）2 个施硅时期，分别降低了34.9%和40.7%（图4C）。综上，扬花期（Fs）追施硅效果最佳，其次为分蘖期（Ts）、拔节期（Js）施硅，均能显著降低水稻糙米中砷含量，降低粮食食用风险。

3 讨论与结论

硅是水稻生长的有益元素，施硅能显著促进水稻的生长和发育［23］，但是不同时期施硅效果差异不同，本试验结果表明在拔节期和扬花期追施硅肥均可以提高水稻生物量和产量，龚金龙等研究在水稻生长的各个时期施用硅肥显著提高了水稻产量，且拔节期施硅效果最显著［24］，这与本试验结果相似。研究表明［25］水稻生长发育过程中吸硅能力依次为：分蘖—孕穗期＞抽穗—成熟期＞移栽—分蘖期，而本试验中当水稻生长第44 天时，拔节期和扬花期两个处理的土壤溶液中硅含量达到最高，因此，土壤溶液中有大量的硅，用于水稻关键生育期的生长以及干物质的形成，并且在这两个施硅时期的处理中土壤溶液中砷含量较其他处理相比处于较低水平 （图2），因此，拔节期和扬花期两个施硅处理受砷胁迫较少。但是，李仁英等研究发现分蘖期施硅水稻籽粒产量最高，显著高于其它施硅期［26］，这与本试验结果不符，原因可能是本试验的供试土壤为轻度砷污染土，其本身土壤中的有效态硅含量要远高于李仁英等人所用的供试土壤，当分蘖期施硅后，土壤中硅含量过多，促进了土壤固相砷的释放，此时硅对土壤固相砷释放作用要远大于硅对水稻根系抑制砷吸收的作用，进而抑制了水稻的生长［16］。同样，这也是在本试验中基施硅肥和分蘖期两个施硅处理效果不显著的原因，由于土壤自身的有效硅含量较高，加之过早的施入硅肥，使得土壤中大量的硅代换掉土壤固相表面的砷，造成土壤中砷含量增多，因而水稻在第16 ～44 天之间土壤溶液中砷含量呈现较高状态（图3），此时水稻正处于生长的旺盛时期，营养需求较高，土壤释放的砷含量过高造成水稻毒害。水稻对硅、砷的吸收以及硅对土壤固相砷的解吸使硅、砷在土壤溶液中存在一定的平衡，Zhang 和Guo 等研究表明当土壤溶液中Si/As比为100 和250 时均可以降低苗期水稻根系和地上部砷的含量［22,27］。而在本试验中，基施硅肥和分蘖期施硅处理在水稻苗期砷含量一直处于较高水平，且Si/As 小于100；已有研究显示当施入硅肥的土壤溶液中Si/As 较低（3.8 ～60）时，施入的硅并不能降低水稻秸秆、颖壳和籽粒中砷含量，在一定程度上还会增大砷对水稻的毒性［14-15］，进一步验证本试验结果。反观拔节期和扬花期施硅处理中，苗期Si/As 大于100，且在水稻整个生育期Si/As 一直处于较高水平，因此，拔节期和扬花期施硅效果更好。

不同时期施硅对水稻不同组织累积砷的影响也大不相同，本试验发现，在分蘖期、拔节期、扬花期施硅均能显著降低水稻秸秆和糙米中砷含量，李仁英等的试验结果也证实在分蘖期和扬花期施硅可显著降低籽粒中的砷含量［26］，与本试验结果相似 （图4）。Seyfferth 研究表明在砷含量较高的土壤中，添加硅使土壤溶液中Si/As 维持在300 ～1 600也能起到减少砷吸收和累积的效果［14］，在本试验中抑制砷累积的最佳施硅时期拔节期和扬花期两种处理Si/As 高达300：1 ～1 400：1，与本试验结果相似，表明在拔节期和扬花期两个时期土壤—植物体系中施硅抑制根系吸收的作用要远大于施硅促进土壤固相砷解析作用，因此，土壤溶液的Si/As 在一定程度上调控着水稻对砷的吸收和累积。此外，Yamaji等研究水稻从孕穗期开始到成熟期这一过程中能够吸收67%的硅，表明水稻在此阶段需要吸收大量硅，且Yamaji 等的研究显示根系的Lsi1和Lsi22 个基因在扬花期高表达［28-29］，其中位于水稻根系细胞膜向外的一侧的硅酸转运通道蛋白Lsi1，负责将外部介质中AsIII 吸收进入细胞内［10,30］，水稻在扬花期对硅的需求量增大，此时施入硅肥，土壤中硅含量增多，进而抑制根系对AsIII 的吸收，同样硅也可以调控位于水稻根系的外皮层和内皮层细胞面向中柱方向的细胞膜上的硅酸转运通道蛋白，调控AsIII 向木质部的运输，硅的施入使得Lsi2表达降低，从而降低水稻对砷的转运以及籽粒中砷的累积。综上，在轻度砷污染土中，拔节期和扬花期追施硅肥效果最佳。