叶面阻隔剂与水稻专用肥对水稻镉硒积累的影响

王月玲，濮阳雪华，杜林峰，裴福云，吴胜春

（中节能铁汉生态环境股份有限公司，广东 深圳 518040）

随着工业化和城镇化的快速发展，我国农田土壤重金属污染日趋严重。目前，重金属污染呈现出由矿区向农田转移、由城郊向乡村延伸的趋势，同时出现了重金属污染从水土链向食物链延伸的现象［1］。根据《全国土壤污染状况调查公报》，镉作为重点监控与污染物排放量控制的5种重金属之一［2］，也是超标率最高的重金属污染物。水稻是我国的主要粮食作物，我国60%以上的人口以稻米为主食，而水稻产区主要分布于湖南、湖北、江西、四川、云南、广西、广东等省份，农田土壤重金属镉超标现象普遍［3］。镉易在水稻中积累，可通过“土壤→稻米→人体”的途径来危害人体健康。因此，关于稻米镉污染控制方面的研究引起了各界的关注。

硅被国际土壤学术界列为继氮、磷、钾之后的第四大营养元素，不仅对水稻有营养功能，还能够提高水稻的抗逆性［4-6］。研究表明，在重金属胁迫下，硅能够提高植物体内过氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶和抗坏血酸过氧化物酶等保护性酶的活性，减少自由基和丙二醛的含量，提高植物对重金属毒害的抗性［7-9］。纳米级离子可直接通过植物表面气孔进入植物体内，进入植物体内的纳米硅大多沉积在细胞壁、细胞间隙和细胞导管内［10］，由于其比表面积大和吸附能力强，可明显抑制有害金属离子跨膜进入植物细胞内［11］。纳米材料的小分子效应使肥料具有磁性，从而使植物更容易吸收养分。另外，在水稻体内，硒对镉具有一定的拮抗作用，适量的硒可以调节活性氧代谢，从而减轻重金属胁迫对植物产生的氧化应激反应［12］，再加上硒对人体健康的重要性，通过施加硒肥既能提高水稻硒含量，又可以阻控稻米对镉的积累的研究日渐增多［13-15］。以往的研究多以单独的硅和硒为主［16-19］，且纳米硅的原材料多为有机无机化合物［20-21］，以矿物质为原料的研究较少。因此，本研究采用纳米硅和硒结合的方式，通过盆栽试验探究含硅水稻专用肥和富硒纳米硅叶面阻隔剂对湖南镉污染农田中水稻镉含量以及水稻品质的影响，以期为重金属污染农田的治理和有效利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验设在广东省东莞市桥头镇试验基地进行，供试土壤为长沙市浏阳蕉溪乡镉污染土壤。土壤pH值为6.02±0.02，全镉含量为（2.00±0.01）mg/kg，有效态镉含量为（0.64±0.04）mg/kg。供试作物为水稻品种‘两优336’。试验中所用的常规肥为普通复混肥（N∶P∶K比例为15∶15∶15），供试水稻专用肥除了基本的氮磷钾元素，还含有5%的纳米膨润土，叶面阻隔剂的主要成分为纳米硅藻土和硒，其中硒的含量为1%，硅的含量分别为1%、5%和20%，稳定化药剂的主要成分为生石灰、铁粉、海泡石、生物炭。

1.2 试验设计

采用盆栽试验，盆栽容器大小为：直径25 cm、深度35 cm，无孔，每盆用土量为5 kg。试验共设6个处理，每个处理重复3次，叶面阻隔剂按硅的含量设1%、5%和20%这3个浓度梯度，硒含量均为1%。试验于2018年7月23日育苗，8月17日移栽，由于盆栽水稻分蘖数较少，每盆栽5株。各处理编号及对应的施用量如表1所示。常规肥、水稻专用肥和稳定化药剂于8月10日添加，稳定化药剂处理同时添加常规肥，叶面阻隔剂分别于水稻分蘖期和抽穗前期喷施，11月12日收获水稻。

表1 各处理编号及对应的喷施用量

1.3 样品采集与测定

植物样品：于水稻成熟期收割、脱粒，测定水稻产量并采集籽粒、茎叶、根样品，在实验室内先后用自来水和去离子水洗净。将样品置于105 ℃烘箱内杀青30 min，然后于65 ℃中烘干48 h。茎叶、根用万能粉碎机磨细，过0.25 mm的尼龙筛，籽粒脱壳成精米并粉碎。采用HNO3-HClO4联合消煮（GB/T 5009.11—2003），原子吸收光谱法测定Cd含量。

土壤样品：分别于水稻分蘖期、抽穗期和成熟期采集各处理土壤样品，采样量约0.2 kg，样品采集后在室内自然风干，除去土壤中的石块、植物根系和凋落物等，并研磨过20、100目尼龙筛，包装登记后保存备测。土壤pH值测定参照《土壤农业化学分析方法》［22］，全Cd含量经HCl-HNO3-HF-HClO4消煮，采用原子吸收光谱法测定（GB/T 17138—1997），土壤有效态镉用1 mol/L的醋酸铵浸提。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2013软件整理数据并作图，使用SPSS 18.0软件进行单因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理对水稻产量和分蘖数的影响

稳定化技术修复重金属污染农田时，一个重要的问题就是减产。从图1可知，各处理均未出现减产现象，且C1、C2、C3、C4处理出现了不同程度的增产，较对照分别增加了7.68%、1.31%、8.05%、6.27%，但是均未达到显著水平。同样，各处理水稻分蘖数之间差异不显著。说明水稻专用肥和稳定化药剂不会降低水稻产量。

2.2 不同处理对土壤pH值的影响

图2 为各处理水稻生长过程中土壤pH值的变化情况，在整个水稻生长期，土壤pH值呈下降趋势。与试验开始前相比，分蘖期土壤pH值显著升高，一方面是由添加的肥料和稳定化药剂导致的；另一方面，淹水使稻田土壤与空气隔绝，土壤中的氧气因微生物代谢迅速减少，微生物分解土壤有机质并释放大量的电子和质子，使硝态氮、铁锰氧化物等氧化性物质发生还原反应，同时消耗大量质子，导致酸碱度趋向中性［23］。水稻抽穗期，土壤pH值显著降低，接近试验前的土壤pH值，这与土壤自身的缓冲性能有关。在水稻收获期土壤pH值进一步降低，其原因可能是水稻收获前晒田导致土壤的氧化还原电位上升，以及土壤发生硝化反应使其pH值降低［24］。Shaheen等［25］在冲积土上的周期性淹水试验结果也证明了这一结论。

2.3 不同处理对土壤有效态镉含量的影响

在水稻生长期，土壤有效态镉含量呈上升趋势，这与土壤pH值降低有关，土壤pH值降低可以改变土壤胶体颗粒表面的电荷性质，减少土壤胶体表面吸附位点，不利于土壤胶体对镉的吸附，同时，pH值降低会导致镉的氢氧化物或碳酸盐沉淀溶解，从而增加土壤镉活性［15］。分蘖期，C1、C2、C3、C4、C5处理的土壤有效态镉含量分别较对照降低了18.81%、20.34%、21.07%、18.74%、20.10%，达 到了显著水平（P＜0.05）；抽穗期，C3、C5处理的土壤有效态镉含量显著降低了（P＜0.05），较对照分别降低了16.26%、21.56%；收获期C1～C5的土壤有效态镉含量较对照分别降低了16.37%、17.08%、14.49%、8.68%和22.56%，均达到了显著水平（P＜0.05）。从整个试验期来看，C5处理对土壤有效态镉含量的降低效果最好，这可能是由于稳定化药剂一方面提高了土壤pH值，使土壤溶液中氢氧根离子浓度增加，镉离子与碳酸根离子、氢氧根离子等结合生成难溶的沉淀，另外，稳定化药剂的输入也会引起阳离子交换量的增加，对镉的静电吸附作用也越强，并且可直接与镉离子发生络合反应，使其更多地被吸附在颗粒表面并留存在土壤中［26］。

2.4 不同处理对水稻各器官中镉含量的影响

水稻对镉具有较强的吸收与富集能力，从表2可以看出，施用水稻专用肥和稳定化药剂，稻米镉含量均显著降低（P＜0.05），C1～C5处理较对照分别下降了29.03%、37.10%、40.32%、51.61%、32.26%。施用水稻专用肥或稳定化药剂的同时喷施叶面阻隔剂降镉效果会更好，这与谭骏等［27］的研究结果一致，且与叶面阻隔剂浓度呈正比。各处理均降低了水稻茎叶中镉的含量，这与唐守寅等［28］的研究结果不一致，原因可能是其研究只对叶面喷施了阻隔剂，而本研究在叶面喷施阻隔剂的同时还根施了水稻专用肥与稳定化药剂，降低了水稻根对镉的吸收，黄蕊等［29］的研究结果证实了这一结论。根既是直接与污染土壤接触的部位，也是水稻体内重金属含量最高的部位，施用水稻专用肥后，根中镉的含量有所降低，但是效果不显著，而施用稳定化药剂后，根中镉的含量下降了46.00%，达到了显著水平（P＜0.05）。

表2 不同处理水稻各部位镉含量 mg/kg

本研究中水稻专用肥、稳定化药剂和叶面阻隔剂均能降低稻米中镉的含量，且水稻专用肥与20%的叶面阻隔剂配合施用效果最好。

2.5 不同处理对稻米中硒含量的影响

硒是人体内必需的微量元素，也是重要的生命元素［30］。我国有70%的土壤缺硒，其中29%的土壤严重缺硒，72%的人口生活在贫硒环境中［31］，缺硒对人体健康有潜在的威胁。合理提高农产品的硒含量是改善人类硒营养的根本途径，而通过“土壤→植物→人体”的食物链获取硒是目前最有效的补硒途径。稻米是我国60%以上人口的主要粮食作物［3］。因此开发富硒稻米，提高稻米硒含量具有重要意义。由图4可知，喷施叶面阻隔剂显著提高了稻米的硒含量（P＜0.05），与对照相比，C2、C3、C4、C5分别提高了11.28、10.46、7.18和9.66倍，使稻米硒含量达到富硒稻米的标准。

3 小结与讨论

（1）施用稳定化药剂没有造成水稻减产，施用水稻专用肥和叶面阻隔剂后出现了不同程度的增产，但是效果不显著。

（2）水稻不同生育期的土壤pH值存在差异，总体来看，施用水稻专用肥对土壤pH值没有影响，施用稳定化药剂提高了土壤pH值。

（3）稳定化药剂和水稻专用肥显著降低了土壤有效态镉的含量，水稻收获后，C1～C5处理土壤有效态镉含量较对照分别降低了16.37%、17.08%、14.49%、8.68%和22.56%。

（4）施用水稻专用肥和稳定化药剂显著降低了水稻中镉的含量，尤其是稻米中镉的含量；喷施叶面阻隔剂后效果更加显著，在试验选择的浓度范围内，叶面阻隔剂浓度越高，稻米中镉含量越低，喷施20%的叶面阻隔剂效果最好，稻米中镉含量降低了51.61%。

（5）喷施叶面阻隔剂能够显著提高稻米中的硒含量，使其达到富硒稻米标准。