不同叶面肥及水稻品种对水稻糙米重金属累积的影响

潘荣庆，何卿姮，韦昌江，黄智刚

（广西大学农学院/广西农业环境与农产品安全重点实验室，广西 南宁 530004）

0 引言

【研究意义】土壤污染是当前我国乃至世界共同存在的环境污染问题，由于经济发展需求，人类的扰动破坏了土地原本的生态平衡，导致环境质量恶化[1]。通过颁布《土壤污染防治行动计划》，国家明确规定了在2020年和2035年被污染耕地安全利用率至少达90%和95%[2]。2014年，全国土壤环境质量公报显示，我国有19.4%的耕地土壤受到Cd、Pb、As、Cr、Hg等潜在有毒重金属污染[3]。水稻是广西主要的粮食作物，目前广西耕地土壤重金属污染严重，而且是多种重金属复合污染[4-5]。重金属污染土壤上水稻重金属含量状况不容忽视，自治区政府对水稻田土壤重金属污染问题高度重视[4]。因此，开展水稻重金属低积累技术及重金属污染水稻田修复研究，对实现重金属污染水稻田安全利用和粮食安全生产具有十分重要的意义。【前人研究进展】目前，减少重金属向水稻迁移和累积主要有两种方法，一是通过向土壤施用钝化剂使土壤重金属钝化或者叶面施用阻控剂来减少重金属向水稻迁移；另一种是筛选出适宜在当地种植的重金属低积累水稻品种来减少水稻体内的重金属含量[6-7]。有研究表明[8]，不同水稻品种基因型不同，对As、Zn、Cd等重金属元素的富集能力存在明显差异。不同水稻品种对Pb、Hg 的耐性和富集能力存在显著的基因型差异[9]，通过不同品种水稻对重金属富集的差异，可以筛选出适应于在中低重金属污染稻田种植的低累积型水稻品种[10]。文典等[7]通过重金属低积累水稻品种筛选和化学修复手段结合的农田安全利用技术研究发现，采用化学钝化剂联合低累积水稻品种对减少稻米Cd含量效果显著，降低率40%～70%。水稻对土壤主要重金属镉、铅、铜、锌的富集规律研究发现，糙米对镉的富集系数最高，但影响糙米对镉富集的因素较为复杂，铅从土壤到糙米的迁移能力逐渐降低[11]。施用阻控剂可以有效降低水稻籽粒中的重金属含量[12-13]。学者研究发现水稻叶面喷施硅肥和硒肥可以显著降低稻米中Cd含量[13]，有研究发现，补施硒肥可有效降低稻米中Pb、Cd、Cr、Hg等重金属含量，提高籽粒营养成分，施用适量叶面肥可以有效降低水稻体内重金属的含量，但不同水稻品种施用叶面肥对水稻积累重金属的影响有所不同[14-16]。【本研究切入点】目前关于不同水稻品种对重金属迁移和积累的差异，主要是以研究筛选水稻Cd低累积品种为主，而对于As、Pb、Cr低累积水稻品种的报道较少[14,16]，而事实上土壤环境中重金属的污染常是多种重金属的复合污染[17-18]。且目前关于水稻品种筛选和叶面肥组合处理对多个重金属的影响报道较少[14,16]。【拟解决的关键问题】本研究在广西德保县某重金属污染水稻田进行，选用10个广西主要种植的水稻品种，以及含有硒元素、硅元素的两种叶面肥，通过大田试验分析水稻糙米Cd、As、Pb、Cr等4种重金属的影响，了解不同水稻品种对重金属Cd、As、Pb、Cr的累积情况，施用叶面肥对水稻糙米累积重金属的影响，为安全利用重金属污染稻田区域提供研究基础，为水稻粮食安全生产提供试验依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

本研究在广西德保县某重金属污染水稻田进行。试验选用10个（表1）广西广泛种植的晚稻品种，每个品种设置施用含硒叶面肥（Se）（处理A）、含硅叶面肥（Si）（处理 B）及 CK等 3个处理，完全随机区组试验，一共30个处理，120个小区，每个小区面积为20 m2。2020年7月25日播种前施用复合肥做基肥[每个小区施用6 kg，（N+P2O5+K2O）≥48%，质量比为N:P2O5:K2O=26:10:12]。2020年8月3日，进行人工移植。2020年9月21日，原液稀释100倍后采用人工喷洒的方式喷洒叶面肥，10月4日，按照第一次的浓度进行第二次喷洒。德保试验田土壤pH为7.66，总镉含量为2.33 mg·kg-1，总砷含量为 10.86 mg·kg-1，总铬含量为 0.35 mg·kg-1，铅含量为67.32 mg·kg-1。硒肥主要成分为有机硒（有机硒≥85 g·L-1），其余组分为水不溶物（≤10 g·L-1）、Na（≤10 g·L-1）；硅肥主要成分为有机硅（有机硅≥120 g·L-1），其余组分为 N、P2O5、K2O，（N+P2O5+K2O）≥170 g·L-1。 两 种 阻 控 剂 Cd含 量 均 ＜ 10 mg·kg-1， Hg 含 量 均 ＜ 5 mg·kg-1， As含 量 均 ＜ 10 mg·kg-1， Pb 含 量 均 ＜ 10 mg·kg-1， Cr含 量 均 ＜ 50 mg·kg-1。

表1 供试水稻品种Table 1 Rice varieties under study

1.2 采样方法与样品分析

2020年11 月在水稻进入收获期后，每个小区采用五点法混合采样5株水稻样品，先用离子水冲洗干净，在水稻自然风干后，脱壳成糙米。所有植物样品粉碎后用自封袋保存。在采集植物样品的同时，每个小组采集一个土壤混合样品，样品自然风干后，研磨过100目筛装入自封备用。所有样品交由广西西大检测有限公司检测重金属总含量（As为无机砷）（对于未检出的数据均采用检出限值0.001 mg·kg-1表示，样品中仅重金属Pb存在未检出）。重金属的富集按下列公式计算：

富集系数（BCF）=m1/m2

式中，m1为植株重金属含量（mg·kg-1）；m2为土壤重金属含量（mg·kg-1）。

1.3 数据分析

运用 IMB SPSS 19.0进行数据分析统计，通过Duncan法进行显著差异性分析（重金属Cr、Pb部分通过Duncan法和最小显著性差异LSR法两种分析方法结合进行显著性分析）。通过Microsoft Office Excel 2016 进行图的制作。

2 结果与分析

2.1 不同品种水稻糙米重金属含量

图1（a）所示，10个品种水稻糙米Cd含量在0.135 0～0.252 0 mg·kg-1，均值为 0.181 2 mg·kg-1，水稻糙米Cd含量最低的品种是桂育12，含量最高的品种是野香优明月丝苗，其中凯丰优158、又香优雅丝苗、野香优明月丝苗3个品种水稻糙米Cd含量显著高于其他品种。10个品种水稻中，共有3个水稻品种 Cd含量超过 GB/T 5009.15-2014（≤0.2 mg·kg-1）。图1（b）所示，10个品种水稻糙米As含量在0.200 0～0.395 0 mg·kg-1，均值为 0.264 3 mg·kg-1，水稻糙米 As含量最低的品种是裕丰优158，含量最高的品种是又香优雅丝苗，其中桂育12、又香优雅丝苗两个品种水稻糙米As含量显著高于凯丰优158、裕丰优158、荃香优822。10个品种水稻中，共有9个水稻品种As含量超过 GB/T 5009.11—2014（≤0.2 mg·kg-1）。图1（c）所示，10个品种水稻糙米Pb含量在0.001 0～0.026 8 mg·kg-1，均值为 0.003 6 mg·kg-1，10 个品种水稻中，仅有华浙优1号检测出Pb含量，且10个水稻品种Pb 含量远低于 GB/T 5009.12—2014（≤0.2 mg·kg-1）。图1（d）所示，10个品种水稻糙米Cr含量在0.004 6～0.052 1 mg·kg-1，均值为 0.018 5 mg·kg-1，水稻糙米 Cr含量最低的品种是荃香优822，含量最高的品种是又香优龙丝苗，又香优龙丝苗水稻糙米Cr含量显著高于桂育12、华浙优1号、68优金占、Y两优143、荃香优822等5个品种。10个品种糙米Cr含量均远低于 GB/T 5009.123—2014（≤1.0 mg·kg-1）。

2.2 不同叶面肥处理对水稻糙米重金属含量的影响

表2 所示，经过叶面肥处理后，10个品种水稻糙米Cd含量均低于对照组，糙米Cd含量均低于国家标准要求 GB/T 5009.15—2014（≤0.2 mg·kg-1）。喷洒硒肥（Se）和喷洒硅肥（Si）后，10个品种水稻糙米 Cd含量均值分别为 0.100 0 mg·kg-1和 0.101 0 mg·kg-1，含量均显著低于对照组 Cd含量 0.181 2 mg·kg-1，除华浙优1号和y两优143两个品种外，其他品种喷洒硒肥（Se）和喷洒硅肥（Si）后糙米Cd含量均显著低于其对照处理。由表3 所示，喷洒硒肥（Se）后，10个品种水稻糙米As含量在0.190 0～0.285 0 mg·kg-1，平均值为0.219 5 mg·kg-1，显著低于对照处理0.264 3 mg·kg-1，相较于对照处理含量降低了17.1%，其中除裕丰优158外，其他水稻品种糙米As含量均低于对照处理，且桂育12糙米As含量显著低于其对照处理；喷洒硒肥（Se）后，仅野香优明月丝苗、荃香优822、凯丰优158、Y两优143等4个品种糙米As含量低于GB/T 5009.11—2014（≤0.2 mg·kg-1）。喷洒硅肥（Si）后，10个品种水稻糙米 As含量在 0.142 5～0.265 0 mg·kg-1，平均值为 0.185 0 mg·kg-1，显著低于对照处理 0.264 3 mg·kg-1，相较于对照处理含量降低了30.0%，10个品种水稻糙米As含量均低于对照组，且桂育12和68优金占糙米As含量显著低于对照处理。喷洒硅肥（Si）后，除又香优雅丝苗外，其他9个品种糙米As含量均低于GB/T 5009.11—2014（≤0.2 mg·kg-1）。表4所示，经过叶面肥处理后，10个品种水稻糙米中仅有喷洒硅肥（Si）处理中，品种桂育12检测出Pb含量，且相较于对照处理 0.001 mg·kg-1（检出线）升高了1 580%，但与对照相比差异不显著。施用硒叶面肥（Se）（处理A）、施用硅叶面肥（Si）（处理B）及CK等3个处理，10个水稻品种Pb含量均远低于 GB/T 5009.12—2014（≤0.2 mg·kg-1）。如表5所示，10个品种喷施叶面肥后糙米Cr含量相较于对照处理有明显差异，但差异不显著。喷洒硒肥（Se）后，10个品种水稻糙米 Cr含量在 0.007 6～0.074 1 mg·kg-1，平均值为 0.025 7 mg·kg-1，相较于对照处理0.018 5 mg·kg-1含量增加了39.1%，但差异不显著。喷洒硅肥（Si）后，10个品种水稻糙米Cr含量在0.003 9～0.036 1 mg·kg-1，平均值为0.018 3 mg·kg-1，相较于对照处理 0.018 5 mg·kg-1，含量降低了1.2%。施用硒叶面肥（Se）（处理 A）、施用硅叶面肥（Si）（处理B）及CK等3个处理，10个水稻品种Cr含量均远低于GB/T 5009.123—2014（≤1.0 mg·kg-1）。

表2 不同处理水稻糙米Cd含量Table 2 Cd content of brown rice under treatments

表3 不同处理水稻糙米As含量Table 3 As content of brown rice from different treatment groups

表4 不同处理水稻糙米Pb含量Table 4 Pb content of brown rice from different treatment groups

表5 不同处理水稻糙米Cr含量Table 5 Cr content of brown rice from different treatment groups

2.3 不同处理对水稻糙米重金属富集的影响

如表6所示，10个品种水稻中，水稻糙米Cd、As、Pb、Cr的平均富集系数分别为0.088 4、0.019 5、0.000 12、0.000 3，水稻糙米对Cd的富集系数明显高于As、Pb、Cr，水稻糙米对As的富集系数明显高于Pb、Cr两种重金属，水稻糙米对Cr的富集系数高于Pb。

表6 不同品种水稻糙米重金属的富集系数Table 6 Enrichment coefficients on heavy metals in brown rice of different varieties

如表7所示，经过叶面肥处理后水稻糙米Pb、Cr的富集系数差异不显著。硒肥（Se）、硅肥（Si）2个处理水稻糙米Cd的富集系数分别为0.044 6、0.044 4，较于对照组（CK）处理Cd的富集系数分别降低了47.2%和47.4%，差异显著。硒肥（Se）、硅肥（Si）处理水稻糙米As的富集系数分别为0.018 6、0.015 8，较于对照组（CK）处理As的富集系数分别降低了4.6%和19.0%，施用硅肥（Si）水稻糙米As的富集系数显著低于其他处理。

表7 不同处理对水稻糙米重金属富集系数的影响Table 7 Enrichment coefficients on heavy metals in brown rice from different treatment groups

3 讨论

研究表明，不同水稻品种糙米对重金属As、Cd、Cr、Pb的积累不同，不同水稻品种对As、Cd、Cr、Pb的吸收富集能力也存在差异[19-21]。本研究发现10个品种水稻糙米对As、Cd、Cr、Pb的吸收存在较大差异，凯丰优158、又香优雅丝苗、野香优明月丝苗3个品种水稻糙米Cd含量明显高于其他品种，且3个品种Cd含量均超过GB/T 5009.15—2014（≤0.2 mg·kg-1）。10个水稻品种中，裕丰优158的As含量低于其他品种，且仅裕丰优158糙米As含量低于 GB/T 5009.11—2014（≤0.2 mg·kg-1）。另外研究发现10个品种水稻中，仅有华浙优1号检测出Pb含量，10个品种水稻糙米Cr含量虽有差异，但最高值 0.052 1 mg·kg-1远低于 GB/T 5009.123—2014（≤1.0 mg·kg-1），仅为标准要求≤1.0 mg·kg-1的5.21%，可能是由于当地气候及土壤因素影响，10个品种糙米对Pb和Cr的累积均不高，具体原因有待进一步探究。

陈慧茹等[14,22]在研究土壤Cd、Cr、Pb元素向水稻的迁移特征时发现，Cd元素在水稻植株中的富集能力最强，其次分别是Cr和Pb。这与本次研究结果一致。10个品种水稻中，糙米对Cd的富集系数均明显高于As、Pb、Cr，水稻糙米对As的富集系数明显高于Pb、Cr两种重金属，水稻糙米对Cr的富集系数高于Pb。As、Cd、Cr、Pb在水稻糙米中的富集能力为 Cd＞As＞Cr＞Pb。

相关研究证明[23]，适当喷洒硅、硒叶面肥可抑制重金属如Cd、As、Pb在水稻糙米中的积累。这是由于硒能与镉结合生成一种低毒性、较稳定的复合物，同时较难被植物根系吸收和积累，因此植物对镉的吸收量降低；另一方面硅可促进植株叶片的叶绿素含量增加，降低细胞膜的透性，从而提高了水稻的抵抗能力；植物吸收的硅元素沉积在了地上部进而阻止了Cd向地上部的迁移[24-26]。在张世杰等的研究中，同样发现在施加叶面硅肥处理中，水稻地上部的As浓度显著降低，在一定程度上能降低水稻砷毒害作用[27]。本研究中，喷洒硒肥（Se）和喷洒硅肥（Si）后均可以有效降低糙米Cd含量，糙米Cd含量分别下降了44.8%和44.2%，富集系数分别降低了47.2%和47.4%，叶面肥均可以显著降低糙米对镉的吸收和富集。研究发现两种叶面肥对糙米吸收砷的影响存在明显差异，喷洒硒肥（Se）后10个品种水稻糙米As含量均有所降低，但仅有野香优明月丝苗、荃香优822、凯丰优158、Y两优143 4个品种糙米As含量低于GB/T 5009.11—2014（国家标准要求≤0.2 mg·kg-1）。与喷洒硒肥（Se）后效果不同，喷洒硅肥（Si）后，除又香优雅丝苗外其他9个品种糙米As含量均低于GB/T 5009.11—2014（国家标准要求≤0.2 mg·kg-1）。另外研究发现，喷洒叶面肥后对水稻糙米Pb含量影响较小。不同处理水稻糙米 Cr含量均远低于 GB/T 5009.123—2014（≤1.0 mg·kg-1），但相同处理条件下数据误差较大，且喷洒叶面肥后不仅不会降低糙米的Cr含量，还会出现稻米Cr含量增加的情况，具体原因有待探究。

4 结论

（1）10个品种糙米对As、Cd、Cr重金属的累积存在明显差异。其中桂育12水稻品种糙米Cd含量最低，裕丰优158水稻品种糙米As含量最低，荃香优822水稻品种糙米Cr含量最低，10个品种水稻中，仅有华浙优1号检测出Pb含量。桂育12、裕丰优158、荃香优822可分别作为Cd、As、Cr低累积品种推广种植。

（2）10个水稻品种糙米中As、Cd、Cr、Pb在水稻糙米中的富集能力为Cd＞As＞Cr＞Pb。

（3）两种叶面肥均能显著降低水稻糙米镉含量，降低水稻糙米对Cd的富集能力，但对水稻糙米Pb无显著影响。

（4）两种叶面肥对水稻糙米富集As的能力影响不同，施用硅肥（Si）对水稻糙米As含量降低效果更明显。

因此，选用适合的品种可以减少水稻糙米对重金属的累积，施用硅肥（Si）可显著降低As在水稻糙米中的累积，叶面喷施硒肥（Se）和硅肥（Si）均可以很好地阻控在水稻糙米中Cd的富集。