氮肥追施时间对水稻根表铁膜形成及稻米镉含量的影响

袁国飞，张玉盛，敖和军

（1.湖南省农作物良种引进示范中心，长沙 410016；2.湖南农业大学农学院，长沙 410128）

镉（Cd）是高毒性重金属元素，主要通过大气沉降、工业冶炼、污水灌溉等方式流入农田［1］。水稻是中国重要的粮食作物，稻田Cd 污染会通过食物链途径危害人体健康。降低稻米Cd 含量可降低人体摄入Cd 的风险，营养调控是降低水稻Cd 积累的有效措施［2］。水稻子粒中Cd 的积累主要受根部向地上部转移的影响［3］，这一过程主要发生在分蘖期［4］，且存在明显的基因型差异，Cd 低积累型品种对Cd 的转移能力较低［5］。水稻根表铁膜对重金属具有吸附作用，可与重金属离子发生共沉淀积累在根部，铁膜的形成对水稻Cd 积累的影响仍存在较大争议。胡莹等［6］研究发现，不同品种间铁膜形成量存在明显差异，分蘖期铁膜量与水稻根系和地上部Cd 含量呈显著正相关，孕穗期和成熟期铁膜量与茎叶和子粒Cd 含量呈极显著负相关，铁膜量在生育期间表现为分蘖期＞孕穗期＞成熟期；钟顺清［7］研究发现，形成铁膜后的水稻根系活力与根表铁膜数量呈显著负相关；Ge 等［8］研究发现，植株中铁减少，减弱了铁与Cd间的竞争拮抗作用。研究表明，调控植株营养状况可显著影响根表铁膜的形成［9］。氮肥是中国农业生产中使用最多的肥料，其不仅影响水稻对Cd 的吸收和积累［10，11］，对水稻根表铁膜形成量及Cd 吸附量同样重要［12］。水稻生育前期（幼穗分化前）是Cd积累的关键期［13］，在该阶段采用淹水［14］、施用生石灰［15］等措施可显著降低水稻糙米Cd 含量。而生育前期不同时间段追施氮肥对水稻Cd 的积累鲜有报道。本研究通过大田试验，设置3 种氮肥追肥时间处理，结合氮肥对水稻根表铁膜形成量及Cd 吸附量的影响，探究氮肥追施时间对水稻Cd 含量积累的影响，以期为降低水稻Cd 含量调控技术研究提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试品种及试验设计

试验于湖南省浏阳市某村进行，土壤类型为第四纪红壤发育的红黄泥水稻土、壤土，理化性状为全氮1.45 g/kg，碱解氮162.40 mg/kg，速效磷63.48 mg/kg，pH 5.48，有机质20.11 g/kg，土壤全镉含量和有效镉含量分别为0.72、0.42 mg/kg。选用低Cd 积累品种湘晚籼12 号和高Cd 积累品种玉针香为供试材料［16］，品种间隔40 cm。设置5 个处理，分别为全生育期不施氮处理（CK）、移栽后7 d 施氮（T1）、移栽后14 d 施氮（T2）、移栽后21 d 施氮（T3）和基追肥用量1 次性基施（T4），T1 至T3 氮肥按基肥∶追肥∶穗肥=4∶4∶2 施用，T4 氮肥按基肥∶追肥∶穗肥=8∶0∶2 施用。各处理小区面积为64 m2，重复3 次，随机区组排列。小区间作梗并包塑料薄膜将各小区隔开，每个小区单独排灌。于2021年6月22日播种，7月18日移栽，10 月30 日收获，株行距为16.6 cm×20 cm，每穴2 株基本苗。T1 至T4 施用纯氮（尿素，N 46.4%）为180 kg/hm2［15］，施用磷肥90 kg/hm2（过磷酸钙，P2O512%），钾肥144 kg/hm2（氯化钾，K2O 60%）。磷肥在移栽前作基肥1 次施用，钾肥按基肥∶穗肥=1∶1 施用。试验期间保持浅水层淹水灌溉（2～3 cm 水层），其他栽培管理措施与当地习惯保持一致。

1.2 样品采集与制备

1.2.1 水稻植株Cd 含量测定 水稻移栽后28 d、齐穗期、成熟期，避开小区边3 行，采集田间长势一致的植株5 穴，用自来水洗净根部与地上部，去离子水润洗，晾干表面水分后将植株分成根、茎、叶（茎叶）、谷粒装入信封中，放入烘箱中用110 ℃杀青30 min，80 ℃烘干至恒重，谷粒去糙，所有样品粉碎后过筛密封保存。消煮参见张玉盛等［12］的方法，待测液用Agilent 7700x 型电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS，USA）测定。试验所用试剂均为优级纯，所用器皿均在5%硝酸溶液浸泡24 h 以上，蒸馏水洗净后用去离子水润洗自然晾干。

1.2.2 植株根膜中Fe、Cd 含量测定 采集分蘖期和齐穗期水稻根部（鲜样），根膜Fe、Cd 含量用DCB（dithionite-citrate-bicarbonate）法提取［12］，提取过滤后，待测液用Agilent 7700x 型电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS，USA）测定根膜中Fe、Cd 含量。

1.2.3 产量 水稻成熟后，避开边3 行，每个小区人工收割100 穴，用小型脱粒机脱粒，晒干后称重，再以13.5%的含水量计算水稻产量。

1.3 数据处理

采用Excel 2016 和SPSS 25.0 软件进行数据整理统计分析和相关性分析，多重比较采用LSD法，相关性分析采用Pearson 法。

2 结果与分析

2.1 不同处理对水稻各时期不同部位Cd 含量及产量的影响

不同处理对水稻各时期不同部位Cd 含量及产量的影响结果见表1。由表1 可知，与CK 相比，施氮肥可显著提高湘晚籼12 号和玉针香的产量，湘晚籼12 号产量提高了20.57%～35.42%，各处理的产量表现为T1＞T2＞T4＞T3，处理间差异不显著；玉针香产量提高了23.37%～26.75%，表现为T3＞T1＞T4＞T2，各处理间差异不显著。在施氮量一致的情况下，移栽后追施氮肥的时间差异对水稻产量无显著影响。

由表1可知，水稻各部位Cd含量表现为成熟期＞齐穗期＞分蘖期。除分蘖期茎、叶外，玉针香不同时期各部位Cd 含量均高于湘晚籼12 号。湘晚籼12 号在分蘖期、齐穗期和成熟期各部位Cd 含量均以CK为最高，表明施氮能有效降低湘晚籼12 号各部位Cd含量；T2 处理分蘖期根、茎、叶Cd 含量较CK 分别降低了71.28%、78.26%、36.36%，各处理叶中的Cd 含量无显著差异（P＞0.05）；齐穗期茎、穗中的Cd 含量在各处理间差异不显著（P＞0.05），T4 处理叶中的Cd 含量显著高于T2 处理（P＜0.05）。

表1 水稻各时期不同部位Cd 含量和产量

与CK 相比，施氮处理后的玉针香不同时期各部位Cd 含量均显著降低（P＞0.05）。在分蘖期，T1 处理根、茎中的Cd 含量分别降低了71.19%、61.11%，T2 处理叶中的Cd 含量最低。在齐穗期，T3 处理根、茎、穗中的Cd 含量最低，T2、T4 处理叶中的Cd 含量最低，降低了70.59%。T2 处理水稻成熟期根、秸秆Cd 含量分别降低41.78%、51.35%。

与CK 相比，施氮处理后糙米Cd 含量均显著降低（P＞0.05）。湘晚籼12 号糙米Cd 含量随施肥时间后移呈上升趋势，T1 处理显著低于其他处理（P＜0.05）。玉针香糙米Cd 含量随施肥时间后移呈先增后降趋势，在T1 处理时最低，较CK 降低了54.8%。湘晚籼12 号和玉针香糙米Cd 含量均在T1 处理下最低，说明在移栽后7 d 追施蘖肥更有利于降低晚稻成熟期糙米中的Cd 含量，对于晚稻高镉积累型水稻而言，移栽后21 d 追施氮肥，也可以有效降低糙米Cd含量。与CK 相比，施氮处理后产量显著提高，糙米Cd 含量显著降低。产量提高对其糙米Cd 含量有一定的“稀释作用”。

2.2 不同处理对水稻各时期根表铁膜Fe、Cd 含量的影响

水稻根表铁膜形成量以DCB-Fe 表示，结果见图1A。由图1A 可知，不同生育期整体表现为分蘖期大于齐穗期，分蘖期2 个品种各处理间的变化趋势基本一致。与CK 相比，分蘖期湘晚籼12 号、玉针香DCB-Fe 含量均显著提高，分别提高185.37%～324.57%、79.52%～165.98%，其中T2、T3 处理均显著高于T1、T4处理，均表现为T2＞T3＞T1＞T4＞CK，说明追肥时间对水稻分蘖期DCB-Fe 含量有明显的影响。在齐穗期，CK 处理下，湘晚籼12 号DCB-Fe 含量较分蘖期提高了52.55%，玉针香则降低5.54%；施氮处理下，与分蘖期相比，湘晚籼12号、玉针香DCBFe 含量分别降低9.52%～54.98%、21.06%～56.76%，说明施氮能显著提高水稻分蘖期DCB-Fe 含量。

水稻根表铁膜Cd 吸附量以DCB-Cd 含量表示，结果见图1B。由图1B 可知，湘晚籼12 号、玉针香DCB-Cd 含量表现均为齐穗期＞分蘖期，随着生育期进程，Cd 在根表铁膜中逐渐累积，各处理间的变化趋势基本一致。湘晚籼12 号分蘖期和齐穗期根膜Cd 含量以CK 最低，分蘖期在T2 处理下最高，T3处理次之，两者显著高于CK（P＜0.05）；玉针香分蘖期DCB-Cd 含量在T2 处理下最高，显著高于其他处理（P＜0.05）。湘晚籼12 号、玉针香齐穗期DCB-Cd含量在施氮处理下均显著高于CK（P＜0.05），分别表现为T2＞T1＞T3＞T4＞CK、T1＞T2＞T3＞T4＞CK，移栽后7～14 d 追施氮肥更有利于促进Cd 在水稻根膜中累积。

图1 水稻不同生育期根表铁膜Fe、Cd 含量

2.3 相关性分析

根表Fe 含量与根表铁膜Cd 含量相关性分析见表2。由表2 可知，湘晚籼12 号分蘖期DCB-Fe 含量与分蘖期和齐穗期DCB-Cd 含量呈极显著正相关（P＜0.01），说明根表铁膜对Cd 具有吸附、富集作用；齐穗期DCB-Fe 含量与齐穗期DCB-Cd 含量相关性不显著。玉针香分蘖期和齐穗期DCB-Fe 含量与DCB-Cd 含量相关性不显著。

表2 根表Fe 含量与根表铁膜Cd 含量相关性分析

根表铁膜Cd 含量与水稻成熟期各部位Cd 含量相关性分析见表3。由表3 可知，湘晚籼12 号分蘖期DCB-Cd 含量与成熟期根Cd 含量呈极显著负相关（P＜0.01），齐穗期DCB-Cd 含量与秸秆和糙米Cd含量极显著负相关（P＜0.01）。玉针香成熟期根Cd含量与分蘖期和齐穗期DCB-Cd 含量呈显著负相关（P＜0.05）。结合图1可知，施用氮肥可提高水稻根表铁膜形成量及对Cd 的吸附量，将镉固定在根部，抑制其向地上部的转运从而降低糙米中的Cd 含量。

表3 根膜Cd 含量与水稻成熟期各部位Cd 含量相关性分析

3 讨论

水稻分蘖期体内的物质运输、转运及合成对生长发育发挥至关重要的作用，该生育阶段根系对生长环境中养分吸收速率大，生物量增长迅速［17，18］，同时也是水稻Cd 积累关键时期，分蘖期吸收、积累在植株组织中的Cd 在灌浆启动后随同营养物质被分配转运至子粒当中，对糙米中Cd 的贡献率为36.4%［18］。在水稻Cd 积累关键时期采取恰当的农艺措施可以降低水稻子粒Cd 含量［19］，如淹水灌溉［14］、施用生石灰［15］等。氮肥是中国农业生产中使用最多的肥料，氮肥用量和类型对水稻Cd 积累影响明显［10，11］，进入植株体内的氮可通过在分子、生化、细胞和整株水平等机制来平衡重金属毒性［2］。本研究结果表明，移栽后7～21 d 追施氮肥可显著提高水稻产量，显著降低糙米Cd 含量，产量显著增加对水稻子粒中的Cd 具有一定的“稀释作用”。湘晚籼12号和玉针香糙米Cd 含量在T1 处理下最低，较CK 分别显著降低65.0%和54.8%，T4 处理下糙米Cd 含量较CK 虽显著降低，但明显高于其他3 个处理，说明移栽后7 d 追施氮肥更有利于收获Cd 含量较低的稻谷，且在施氮量一定的情况下，加大基肥施用比例，不利于降低稻米中的Cd 含量。氮肥可通过影响土壤理化性质，进而影响土壤重金属的迁移和生物有效性［2］。在淹水条件下，氮素在土壤转化的过程中会发生产碱、产酸和消耗土壤酸等反应，以致pH 先升后降，土壤中Cd 的生物有效性先降后升，且随时间延长导致氮素对二者的影响减弱［10，20］。在此期间，植株Cd 吸收总量减少，从而减少各营养器官在灌浆后向子粒的Cd 转移量。本研究并未对氮肥对土壤Cd 生物有效性的影响进行分析，在后续的研究中需开展氮肥对土壤Cd 生物有效性影响的动态检测，以进一步明确Cd 在土壤-水稻系统中迁移的氮肥调控机制。

施用氮肥可显著提高2 个水稻品种分蘖期根表铁膜形成量，齐穗期根表铁膜量明显低于分蘖期，与胡莹等［6］的报道一致。分蘖期根系活力旺盛且泌氧量大，使迁移至根表的Fe2+氧化而沉积在根系表面导致根表铁膜形成量大，生物量最大的阶段是形成铁膜数量最多的阶段，在水稻生长后期，根系供应氧能力下降，形成铁氧化物被还原或根系老化分解导致铁膜退化［21-23］。2 个水稻品种分蘖期根表铁膜量在氮肥处理下显著提高，而根表铁膜中Cd 吸附量并未呈现相同规律，齐穗期根表铁膜形成量相比分蘖期降低明显，而根膜Cd 含量明显增加。说明Cd会在根膜中随着生育进程推进而呈现累加效应，铁膜对Cd 的吸附不仅由铁膜量决定，可能与铁膜的老化程度有关。根系是阻碍水稻吸收和转运Cd 的关键所在，分蘖期铁膜可促进水稻根系Cd 的吸收，而孕穗期和成熟期则主要是固定根部Cd，抑制其向地上部的转运［6］。通过对2 个品种在不同时期铁膜Cd吸附量与根、秸秆和子粒中Cd 含量的相关性分析，表明湘晚籼12 号成熟期期根Cd 含量和分蘖期铁膜Cd 吸附量呈极显著负相关，秸秆和糙米Cd 含量与齐穗期铁膜Cd 吸附量呈极显著的负相关，玉针香表现趋势相似。铁膜数量与水稻地上部Cd 含量虽相关性不显著，但铁膜在富集Cd 方面具有一定的作用，铁膜从介质中富集Cd 的能力可为地上部积累提供了便利［23］。

4 结论

不同Cd 积累型品种湘晚籼12 号和玉针香糙米Cd 含量均在移栽后7 d 追施氮肥处理下最低。移栽后推迟氮肥追施时间糙米Cd 含量并未降低，不建议水稻生产中推迟分蘖肥施用时间。