微纳米硅微生物菌剂对水稻的降镉和增产效应

康 权，康 健，颜合洪，张春波

（1. 湖南省顿丰硅钛能科技开发有限公司，湖南 长沙 410016；2. 湖南农业大学农学院，湖南 长沙 410125；3. 湘西土家族苗族自治州农业农村局，湖南 吉首 416000）

镉、铬、汞、砷、铅5 种元素在自然界普遍存在，当这些元素累积在农产品中，食用后对人体产生严重伤害，人们称其为“五毒”元素，尤以镉元素对人体的危害性最强[1]。镉是一种稀有元素，并不是植物和人体所必需的元素，毒性极大。镉在环境中迁移性差，残留时间长，降解难度大，极易通过吞食和皮肤接触而进入到人体内，是一种致畸、致癌性极强的物质[2]。农田镉污染最早是20 世纪初期由日本富山县的“镉米事件”为众人所知。最初只是该地区的水稻生长发育不良；到1931 年该地区的妇女开始先后患病，症状表现为腰、手、脚等关节疼痛难忍；后调查发现，这是由于神通川上游神冈矿山的废水引起的镉中毒症状[3]；到21 世纪初，我国也有大米镉含量超标的报道，进而引发人们对农产品食用安全的担忧，同时也引起了各级政府和农业科技工作者的高度关注，由此在镉污染调查和治理方面开展了大量工作，但效果不尽人意，一些稻田已被列为镉污染严控区，不能种植水稻，这是一个急需解决的问题[4]。

微纳米硅微生物菌剂是一种以蛋白页岩为基础材料而研发的新型土壤调节剂，蛋白页岩是稀有的天然纳米材料，它的平均孔径为7～8 nm，比表面积为100 m2/g，同时带有远红外能量和太赫兹能量；在pH 值为2.5 时，它的表面电荷为0，当pH 值上升后，带有负电荷，pH 值上升到弱碱性（8.0～8.5）时，它的表面负电荷很大，具有很强的吸附性，能大量地吸附重金属离子[5]。笔者通过研究微纳米硅微生物菌剂对稻米的降镉和增产效应，为该微生物菌剂在水稻生产上的推广应用提供依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试材料为“顿丰圭”微纳米硅微生物菌剂，由湖南省顿丰硅钛能科技开发有限公司提供。田间小区试验的供试水稻品种：2018 年和2020 年为株两优819，2019 年为一晚品种雨母香，均由衡南县三塘镇当地种子公司提供。

1.2 试验方法

1.2.1 田间小区试验试验在衡南县三塘镇大广村进行，当地气候为亚热带季风气候，属于典型的双季稻区。试验田地势平坦，3 a 内未做过肥料试验，中等肥力，肥力均匀，供试土壤为红壤，排灌条件好，无“三废”污染源，其土壤镉含量和基础养分含量如表1 所示。试验时间为2018 年3 月至2020 年11 月。2018和2019 年试验设计如下：处理1，常规施肥+基施“顿丰圭”微纳米硅微生物菌剂1 kg/667m2；处理2，常规施肥+基施“顿丰圭”微纳米硅微生物菌剂2 kg/667m2；处理3（CK），常规施肥（采用当地农业农村局推荐的最佳施肥方案）。2020 年试验设计如下：处理1，有机肥+“顿丰圭”微纳米硅微生物菌剂0.75 kg/667m2作基肥，孕穗后期追施“顿丰圭”微纳米硅微生物菌剂0.25 kg/667m2；处理2，化肥+“顿丰圭”微纳米硅微生物菌剂0.75 kg/667m2作基肥，孕穗后期追施“顿丰圭”微纳米硅微生物菌剂0.25 kg/667m2；处理3（CK），常规施肥；有机肥和化肥均为当地常用市售产品，按当地生产习惯施用。每个处理设3 次重复，随机区组排列，小区面积为20 m2，小区间均设隔离行，并用塑料薄膜与田泥作埂高于耕作层20 cm，形成各小区单排单灌，无水肥串灌。各处理其他肥水管理、插秧密度及病虫害防治等均按当地农业主管部门颁布的规范技术实施。

表1 供试土壤的镉和基础养分含量

1.2.2 “顿丰圭”微纳米硅微生物菌剂的应用（示范）2018—2020年先后在湖南、湖北、浙江、广东、江西等9 个省（市、区）开展了“顿丰圭”微纳米硅微生物菌剂对水稻降镉、增产提质等方面的应用示范工作[数据来源于湖南省科技厅成果登记（湘科成登字第9430000Y20220016 号）]，菌剂施用量1～2 kg/667m2。其中，选择有代表性的安仁县承平镇、汨罗市白塘镇和桃源县木塘垸这3 个示范大田进行降镉分析，湖南花垣、湖北咸宁、广东增城、江西石城和浙江衢州这5 个示范大田进行稻谷增产分析，除“顿丰圭”微纳米硅微生物菌剂外，其他水肥管理适应当地生产习惯。

1.3 考察指标及方法

1.3.1 土样采集及分析试验开始前随机多点采集耕作层剖面基础土样，混合均匀后用四分法收取待测土样1 kg，风干备用。在水稻试验完成后按同样方法分处理获取待测土样。然后样品送中国农科院衡阳红壤观测站按国家标准方法检测土样养分含量及镉含量。

1.3.2 稻米镉含量的检测每个小区采10 株成熟的稻谷脱粒晒干至含水量为13%后，作为镉含量的待测样品，然后送粮食主管部门稻米定点检测单位按国家标准方法检测稻米镉含量（国际和国家规定的标准限量分别为0.4 和0.2 mg/kg）。

1.3.3 稻谷产量的测定水稻成熟后，各试验小区和示范区单收、脱粒、晒干后测产（称重）。

2 结果与分析

2.1 不同处理对水稻降镉效果分析

2.1.1 小区试验结果从表2 可以看出，2018 年处理1 和处理2 的降镉效果分别为45.80%和58.73%，2019 年分别为48.46%和54.63%，2020 年分别为88.52%和83.33%。除2018 年处理1 外，其他微纳米硅微生物菌剂处理的稻米镉含量均降至国家标准以下，由此可知，在镉污染管控区，施用“顿丰圭”微纳米硅微生物菌剂，稻米镉含量下降明显，可以达到安全生产的标准。多重比较结果显示，处理1 和处理2 的稻米镉含量极显著低于对照，且连续施用3 a后降镉效果更为明显。同时2020 年的试验结果显示，不管是专施化肥还是有机肥，微纳米硅微生物菌剂对稻米的降镉效果均极显著。

表2 田间试验结果的水稻降镉效果

2.1.2 大田示范结果表3 的结果显示，施用1～2 kg/667m2“顿丰圭”微纳米硅微生物菌剂后，稻米的降镉效果十分明显，稻米中的镉含量在0.086～0.150 mg/kg，均低于国家限量标准，与空白对照（未施用微纳米硅微生物菌剂）相比，降镉效果为63.09%～75.00%。而空白对照处理，稻米中镉含量为0.233～0.600 mg/kg，均超出国家限量标准。由此可见，在镉污染的稻田土壤中，施用“顿丰圭”微纳米硅微生物菌剂可以生产镉达标的稻米。

表3 大田示范结果的水稻降镉效果

2.2 不同处理对水稻产量的影响

2.2.1 小区试验结果由表4 可知，与对照相比，2018 年处理1 和处理2 的增产率分别为6.81%和11.79%，2019 年分别为7.06%和8.97%，而2020 年的增产率更为明显，分别为16.64%和22.41%。与对照相比，2018 和2019 年微纳米硅微生物菌剂处理的稻谷增产达到显著水平，2020 年达到极显著水平。

表4 田间试验的稻谷产量结果

2.2.2 大田示范结果在湖南、湖北、广东、江西和浙江5 个省份将“顿丰圭”微纳米硅微生物菌剂应用于水稻大田生产，示范面积约460 hm2，施用1.5～2 kg/667m2微纳米硅微生物菌剂的前提下，增产幅度为12.0%～16.8%，结果说明“顿丰圭”微纳米硅微生物菌剂能明显提高水稻产量。

3 小结与讨论

从田间小区试验和在南方稻区的应用结果表明，在稻田镉污染区，施用1.5～2 kg/667m2“顿丰圭”微纳米硅微生物菌剂，可基本实现土壤镉含量1.0 mg/kg以下的酸性稻田种植口粮的达标生产；同时，“顿丰圭”微纳米硅微生物菌剂对水稻具有明显的增产作用。小区试验2018 年增产率为6.81%、11.79%，2019 年增产率为7.06%、8.97%，2020 年增产率为16.64%、22.41%；与对照相比，2018—2019 年增产效果达显著水平，2020 年增产效果达极显著水平。湖南、湖北、广东、浙江、江西5 省的大田示范混合应用效果显示，稻谷增产率为12%～16.8%。

“顿丰圭”微纳米硅微生物菌剂配方的基础材料是天然的蛋白页岩，属于不定型硅，具有较大的活性。在镉污染的稻田土壤中，施用1～2 kg/667m2“顿丰圭”微纳米硅微生物菌剂后，能将镉吸附在带有负电荷的硅离子表面，将镉由有效态转化为固化态，阻镉于土壤中，而不会被水稻吸收到植株体内，从而降低稻米镉含量，使稻米镉含量达标。这一研究结果与其他学者的结论一致[5-8]，但降镉效果更为明显。

硅元素是水稻茎秆的组成物质，增施硅肥能增强水稻抗倒性和抗病虫害的能力，调节光合作用和促进生长的作用[9-10]。至于“顿丰圭”微纳米硅微生物菌剂增产的机理尚不完全明了，目前笔者所在团队正在深入研究。