4种不同类型叶面阻控剂对水稻镉吸收和积累的影响

刘小琴

(庆元县农业农村局，浙江 丽水 323800)

土壤是植物生长必要的物质基础。然而，随着城市工业化、农业现代化的持续发展，大量的有毒重金属排放到环境中造成不同程度的土壤污染[1-2]。根据2020年生态环境部发布的《2019年全国生态环境质量简况》显示，当前影响农用地土壤环境质量的主要污染物是重金属，其中镉(Cd)为首要污染物[3-4]。Cd是生物毒性最强的重金属元素，具有化学活性强、移动性大和毒性持久的特点[5]。农田土壤Cd污染会导致农作物积累过多的Cd，进而影响植物细胞分裂、生长等多种代谢活动，最终导致农作物产量和品质下降[6]。在人体中，Cd能够影响细胞增殖和分化，导致染色体畸变、皮肤癌、周围神经病变和周围动脉疾病等[7]。相关数据表明，我国受Cd污染的土壤面积达130万hm2，占总耕地面积的1/6[8]，随着工业和农业的发展，受Cd污染的土壤面积还在不断增加。水稻作为我国重要的粮食作物之一，据2019年国家统计局数据显示，我国水稻种植面积为3 969万hm2，占粮食作物播种总面积的25.58%[9]，其总产量为20 961万t。水稻是一种易吸收Cd的作物，即使在Cd浓度很低的土壤中稻米也会积累Cd[10]，加之Cd具有难降解、易迁移等特点，因此，土壤Cd污染严重影响我国粮食生产安全[11]。2013年5月湖南镉大米事件报道后，人们越来越关注水稻中Cd含量超标的问题[12]。

当前常用的阻控水稻Cd积累的技术主要有农艺调控措施、施用土壤调理剂、叶面阻控剂以及种植结构调整等[13]。大多数的叶面阻控技术因其能提高作物抗逆性、抑制重金属向作物可食用部位转运，被广泛应用于镉、铅等污染稻田[14]。此外，相较于施用土壤调理剂等措施，叶面阻控技术不易造成土壤二次污染[15]。为了筛选到修复效果最佳的叶面阻控剂，许多学者已进行了大量的研究。水稻是典型的喜硅作物，叶面喷施硅肥能够显著促进水稻的生长发育、改善稻谷品质和增强水稻对Cd的抗性[16]。李建国等[17]研究表明，在水稻分蘖盛期和育穗期进行叶面喷施硅肥可以使其有效穗增加36万穗·hm-2，稻米中Cd含量分别下降21.4%、16.3%。贺前锋等[18]的大田试验研究了叶面喷施硒肥对水稻植株不同部位Cd含量的影响，发现与对照相比，水稻根、茎和籽粒中Cd含量分别下降0.65～1.00 mg·kg-1、0.35～2.09 mg·kg-1和0.07～0.16 mg·kg-1。因此，叶面喷施硅肥和硒肥均能有效降低水稻镉吸收积累量。

为进一步探究不同叶面阻控剂对水稻Cd积累量的影响。本试验通过在水稻叶面喷施硅肥、黄腐酸钾、硒肥和海中钙来研究对水稻各个组织中Cd含量的影响，并计算Cd在水稻中的转运系数和富集系数。筛选出对水稻Cd污染修复高效可广泛推广的叶面阻控材料。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试水稻为甬优1540。供试硅肥为正大水溶硅肥，登记证号农肥准字2002，标准证号NY 1428—2010；供试黄腐酸钾为绿陇矿源黄腐酸钾，标准证号HG/T 5334—2018；供试硒肥为绿陇水溶硒肥，标准证号NY 1428—2010；供试海中钙为含氨基酸水溶肥料(钙≥30 g·L-1，氨基酸≥100 g·L-1)，标准证号NY 1429—2010。

1.2 处理设计

试验区域位于浙江省某农田土壤重金属污染修复试点，土壤全Cd含量1.03 mg·kg-1。试验共设置5个处理，不施叶面阻控剂的对照处理、硅肥处理、黄腐酸钾处理、硒肥处理和海中钙处理，每个处理3个重复，随机分布，共15个小区(每个小区面积20 m2)，每个小区之间修筑田埂并覆膜进行隔开。具体试验方案：对照，不喷施阻控剂，与当地一致的常规施肥；硅肥，1 500 g·hm-2，其他措施同对照；黄腐酸钾，300 g·hm-2，其他措施同对照；硒肥，1 500 mL·hm-2，其他措施同对照；海中钙，1 500 mL·hm-2，其他措施同对照。于2020年5月3日移栽秧苗，栽种规格为每个小区13行，每行25窝，行距30.5 cm，窝距20 cm。分别在水稻抽穗期与灌浆初期采用小型喷雾器进行喷施，喷液量以作物叶片正背面沾满雾滴为宜，所有处理田间管理方法与当地常规种植保持一致。

1.3 样品采集与分析

水稻植株样品于收获前1～3 d进行采集，采取五点混合法进行布点采样。将水稻整个植株用去离子水清洗干净，之后用吸水纸吸干样品表面水分，将植株分成根、茎、叶、穗(籽粒)4个部分。于烘箱中105 ℃杀青30 min，70 ℃烘至恒重，然后将籽粒用出糙机(OHYA-25，日本)脱壳获得糙米，所有样品经高速粉碎机粉碎后过100目(0.149 mm)筛，装入自封袋中备用。

Cd含量测定：按农业部颁布标准《米质测定方法》(NY 147—1988)，称取0.200 0 g样品于50 mL锥形瓶中，加入HNO3-HClO4(V∶V=4∶1)消解后用石墨炉原子吸收仪测定Cd含量，同时用植物国家标准参比物质[灌木枝叶GBW07603(GSV-2)]和空白样进行质量控制。

1.4 数据处理分析

富集系数(BCF)=植株各组织Cd含量/土壤全Cd含量。

转运系数(TF)=两个植物转运组织(或土壤)中后者Cd含量/前者Cd含量。

本研究利用Microsoft Excel 2010进行均值、标准差计算和作图，利用SPSS(statistical product and service solutions，22.0)的ANOVA模块(LSD法，P<0.05)进行方差分析和显著性检验，并用Origin 2017软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 不同叶面阻控剂喷施对水稻各组织Cd含量的影响

与对照组相比，在水稻叶面喷施4种叶面阻控剂后水稻根、茎、叶、籽粒中的Cd含量均明显下降(图1)，说明4种叶面阻控剂均能降低水稻中的Cd含量。由于水稻根系直接接触土壤，根部是水稻Cd吸收和积累的主要场所[19]。在本试验5个处理中海中钙对根部Cd含量的降低效果最为明显，与对照相比降低了0.961 mg·kg-1。海中钙的主要成分为虾蟹壳以及多种氨基酸组成，富含钙、镁、硅、铁、锌、铜、锰、硒等元素，而铁、锌等元素在水稻吸收Cd时能与其产生拮抗作用[20]，从而阻控水稻根系对Cd的吸收和积累[21]。

柱上无相同英文字母表示不同处理间植物Cd含量的差异达显著性水平(P<0.05)。

茎起着连通植物地上部与地下部的重要作用，向上运输根部所吸收和积累的物质，向下运送叶片光合作用所形成的产物。在水稻叶面喷施4种阻控剂后，水稻茎中的Cd含量降低效果最为明显，依次为黄腐酸钾>硅肥>海中钙>硒肥。与对照相比，叶面喷施黄腐酸钾后水稻茎中Cd含量降低了0.796 mg·kg-1，这在以往的研究中未见报道。黄腐酸钾是一种纯天然矿物质肥料，其对水稻茎Cd含量的影响可能是由于黄腐酸钾的络合能力强，能够提高植物体内微量元素的吸收与运转[22]。

叶片是水稻在生长过程中进行光合作用和蒸腾作用的主要组织，同时也是籽粒营养的主要输送来源，其与水稻籽粒中Cd含量有着密切的关系[23]。本试验中水稻叶片中的Cd含量变化范围为0.141～0.415 mg·kg-1，与对照组相比，4个处理均能显著降低水稻叶片中Cd含量。其中黄腐酸钾处理的降低效果最好。

在水稻叶面喷施4种阻控剂后，与对照组相比，黄腐酸钾和硒肥处理显著降低了水稻籽粒的Cd含量，修复效果最好。籽粒是水稻中人类可食用的部分，因此，籽粒中的重金属含量直接影响人体健康。陈丽芬等[24]在水稻叶面喷施黄腐酸钾后，发现水稻籽粒Cd含量显著上升，与本试验中喷施黄腐酸钾降低水稻籽粒Cd含量的结果不一致，这可能是由于黄腐酸钾的施用量以及施用时间不同。硒之所以能够降低水稻中重金属含量可能是因为其与土壤中的Cd相结合形成难溶的CdSeO3，从而使Cd难以被植物所吸收。此外，硒能使细胞点位上的重金属发生移动或改变细胞膜对Cd的通透性，进而抑制Cd在水稻体内的转运[25]。

2.2 不同阻控剂对水稻各组织中Cd转运系数的影响

不同处理下Cd在水稻中转移的普遍规律为TF茎-叶>TF叶-籽粒>TF根-茎，其中根-茎转移系数范围为0.032～0.443，说明水稻地下部向地上部输送Cd的能力非常弱；茎-叶转移系数为0.501～4.359，说明Cd极易积累在水稻叶部(表1)。有研究表明，水稻中的Cd主要积累在根部和叶部[26]，其中在某些特定情况下叶部的Cd含量显著大于根部[27]。叶-籽粒转移系数范围为0.309～0.838，Cd在叶-籽粒中的转运系数越小表明积累在叶部的Cd仅有少量运输到水稻籽粒中。叶面喷施黄腐酸钾后根-茎的转运系数最小，说明黄腐酸钾能够抑制根部吸收和积累的Cd向茎的转运。而黄腐酸钾处理下的茎-叶转运系数高达4.359，表明茎中大量的Cd转向叶，这可能与黄腐酸钾增强叶片新陈代谢和光合作用进而影响无机元素运输有关[28]。叶面喷硒后Cd在叶-籽粒的转运系数最小，这主要是由于硒参与水稻能量代谢和蛋白质代谢活动，同时能与其他元素发生相互作用，从而抑制水稻叶部累积的Cd向籽粒迁移[29]，这与黄青青等[30]的研究一致。

表1 水稻中各组织Cd转运系数

2.3 不同阻控剂对水稻各组织Cd富集系数的影响

Cd在水稻中的积累呈根>茎>叶>籽粒的规律，与对照相比4种叶面阻控剂均能降低水稻各组织中Cd的富集系数(表2)。水稻根部Cd富集系数为0.891～1.834，其中海中钙处理降低水稻根部Cd积累作用最为显著，这与宋安军等[31]研究一致。海中钙是利用氨基酸螯合微量元素所制备成的水溶性肥料，叶面喷施后氨基酸能够与土壤中的重金属发生络合反应，从而减少Cd在水稻根部的富集。水稻茎部和叶部Cd富集系数分别为0.032～0.812、0.138～0.407，与其他处理相比，叶面喷施黄腐酸钾后茎部和叶部Cd的富集系数均显著下降，表明黄腐酸钾通过抑制Cd在水稻茎部和叶部含量来降低水稻镉积累量。叶面喷施硒肥后水稻籽粒中Cd的富集系数下降最为明显，Se和Cd都能与蛋白质中半胱氨酸的巯基结合，外源供硒可使水稻体内谷胱甘肽过氧化物酶底物中的谷胱甘肽含量增加，从而减少水稻对Cd的吸收[32]，这与Hu等[33]的研究结果相一致。

表2 水稻中各组织Cd富集系数

3 小结

4种叶面阻控剂均能有效降低水稻各组织中的Cd含量，其中黄腐酸钾处理对植株茎、叶中Cd的阻控效果最好。硒肥处理对水稻籽粒中Cd的阻控效果最好，与对照相比Cd含量下降。

Cd在水稻各组织中的转运系数为0.032～4.359，其中黄腐酸钾处理中根-茎Cd转运系数最小茎-叶Cd转运系数最大，说明黄腐酸钾在抑制Cd从根部向茎转运的同时，促进了其从茎向叶部的转运。叶面喷施硒肥后叶-籽粒Cd转运系数最低，说明硒肥对水稻籽粒中Cd的影响主要是抑制Cd从叶部向籽粒中的运输。

Cd在水稻各组织中的富集呈现出根>茎>叶>籽粒的规律，其中黄腐酸钾处理对水稻茎、叶的Cd富集系数降低效果最为明显，叶面喷施硒肥对籽粒中Cd的富集系数降低效果最好。