叶面阻隔对水稻吸收和转运镉的影响

唐乐斌,黄燕玲,周子寒,吴辰润,宋 波,2*(.桂林理工大学环境科学与工程学院,广西 桂林 54004；2.桂林理工大学,岩溶地区水污染控制与用水安全保障协同创新中心,广西 桂林 54004)

《全国土壤污染状况调查公报》显示,我国土壤环境状况总体不佳,其中Cd 在所有重金属中点位超标率最高,达7.0%[1].调查显示,重金属污染的农业土壤约占农田种植面积的16.7%,其中Cd 污染土壤占40%以上[2].广西作为我国水稻主产区之一,自然地质背景高[3],表层土壤Cd 含量的平均值是全国表层土壤的4.5 倍[4].相比其他土地利用方式,稻田土壤的Cd 污染更易对人体健康造成危害[5].

水稻是我国种植面积最大和单产最高的粮食作物,也是对重金属吸收最强的大宗谷类作物[6].相对于动物和水产品来源的食品,粮食作物中Cd 浓度虽然不是很高,但由于食用量大,使其成为我国人群Cd 摄入的主要来源,其中大米作为主要贡献者,对南方人群贡献占比65%[7].

叶片是水稻最重要的根外营养器官,能够吸收外源物质,并将营养物质转运到稻株其他器官[8].相对于其他农艺调控措施,叶面喷施阻隔剂具有不违农时、施用方便和经济高效等特点而被广泛应用于农田生产中,对提高作物抗逆性和增强作物耐重金属性均有较好的效果[9-10].Si 是水稻不可或缺的元素,可促进叶绿素的合成、改善水稻叶片结构和生理活性,提高根系保护酶活力和自由空间中交换态Cd 的比重,降低细胞壁孔隙度,从而抑制水稻根系对Cd 的吸收和缓解Cd 对植物的毒害[11-12].喷施Si可以减少水稻根系Si 运输通道的基因表达,阻止Cd 由地下部向地上部迁移[13].Se 是植物体内抗氧化酶的组成成分和活性中心[14-15],能够改变抗氧化酶的活性,并提高作物的抗性[16],通过增强与重金属Cd 的拮抗作用来缓解Cd 的毒性[17].特别是Se能与Cd 相结合形成难溶的CdSeO3,使其难以被作物所吸收[18].研究表明,喷施富硒叶面肥能够显著降低稻株根系、秸秆和稻米中Cd 含量及Cd 在水稻体内的转移系数[19].

目前叶面阻隔技术多停留在室内或盆栽试验[20-21],田间试验条件繁琐,受区域自然环境条件的制约较为严重,不同种类叶面阻隔剂在桂北地区的田间验证性试验鲜见报道.鉴于此,本文以广西某地的Cd 污染土壤为供试土壤,以粮食主产区种植面积较广的两种水稻品种为供试材料,开展大田试验,探索叶面喷施Si 和Se 对水稻各部位Cd 积累和转运的调控机理,明确不同水稻品种对喷施两种阻隔剂降Cd 效应的响应差异,以期为其应用提供理论依据和受污染耕地的安全利用提供参考.

1 材料与方法

1.1 供试材料

大田试验区位于广西临桂区四塘镇(25°9′N,110°7′E),属亚热带季风气候,年平均气温约19.1℃,年平均降雨量约1887mm,适宜水稻、油菜和马蹄等农作物和经济作物生产.成土母质为第四纪红土,土壤类型为潴育型水稻土,试验区附近无工矿企业污染源,水源为河流水,重金属主要来源为成土母质.供试土壤主要理化性质见表1.参照《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618-2018)中Cd 筛选值(0.3mg/kg)[22],试验区属于安全利用类受污染稻田.

表1 供试土壤基本理化性质Table 1 Basic physical and chemical properties of the tested soil

参试水稻品种为五优1179 和丝香1 号.供试叶面阻隔剂为流体硅(SiO≥26%),材质为单硅酸Si(OH)4和有机螯合态硒,主要成分为亚硒酸盐,含Se 含量≥15g/L,Na 含量≤10g/L,均由山东绿陇作物营养有限公司提供.

1.2 试验设计

本试验共设计8 个处理:YM1、YM2、YM3、YM4、YM5、YM6、YM7 和YM8,每个处理设4 个重复,共计32 个小区,各小区面积约50m2,采用随机区组设计,具体试验处理方案见表2.为防止各处理间相互影响,采用泥巴覆膜的形式制成田埂.各处理按照产品要求于无风无雨的上午8:00～10:00 完成喷施.施用前流体硅和螯合硒分别兑水稀释100 倍和300 倍,喷液量以作物叶片正背面沾满雾滴为宜.

表2 试验处理及操作规程Table 2 Test treatments and operating procedures

水稻于2021 年7 月4 日播种,采用湿润育秧,7月13 日施基肥,所有处理施用复合肥(N-P2O5-K2O:15-15-15)375kg/hm2,7 月17 日同规格抛秧,抛秧后10d 追施尿素100kg/hm2,10 月10 日采集稻谷及对应的土壤样品.田间施肥、种植密度和病虫害管理与当地耕作管理保持一致.

1.3 样品采集与测定

水稻成熟期各小区内采用“S”布点法采样,记录株高和剑叶长度等数据后采集整株稻株及其根际土样,并做好相关标记.带回实验室后,将稻谷剥离,先用自来水洗净根系杂物,再用超纯水将整个植株润洗3～5 次,将植株分为根系、其它节、第一节、其他叶、剑叶、穗轴、颖壳和糙米共8 个部分[23],稻谷晒干后按《米质测定方法》(NY/T 83-2017)[24]出糙,分离出糙米和颖壳,其他样品在105℃杀青20min,70℃烘干至恒质量,样品经不锈钢打磨机粉碎过60目筛后装入聚乙烯瓶内备用.根系土自然风干后,用玛瑙研钵研磨过0.841,0.149mm 尼龙筛,保存备用.采用人工实割测产,各小区随机选取4m2样方的水稻,自然风干后测产.

土壤全量Cd 采用美国环保署推荐的HNO3-H2O2消煮体系,定容后由ELANDRC-e 型电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)测定;土壤DTPA-Cd 依据(HJ 804-2016),采用DTPA-CaCl2浸提法提取,用Optima 8000 型电感耦合等离子体光谱仪(ICP-OES)测定;土壤pH 值依据(HJ 962-2018),采用土水比1:2.5 提取,用玻璃电极法测定;植物样品中Cd 的测定参照《食品中多元素的测定》(GB 5009.268-2016)微波消解法,用Agilent 7500cx 型电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)测定.

分析过程中加入标准物质和空白样品进行质量控制,分析样品重复数为 10%～15%.标准物质GBW 07404(GSS-4)、GBW 10045a(GSB-23a)和GBW 10020(GSB-11)中Cd 的回收率分别为100%～109%、99.6%～107%和85.8%～105%.测定偏差控制在10%以内.分析过程中所用化学试剂均为优级纯,所用水均为超纯水(Milli-Q 超纯水系统).

1.4 数据统计与分析

转移因子(TFa/b)＝a 部位Cd 含量/b 部位Cd 含量,它表示相邻部位间Cd 部位的比值.

采用Excel 2010 进行数据整理,试验数据采用SPSS 23.0 进行统计分析.各处理间平均值的比较采用最小显著差数法(LSD),图表中的数据均采用平均值±标准差(M±SD)表示.采用Origin 2023b 作图.

2 结果与分析

2.1 不同叶面阻隔剂对稻谷产量、株高和剑叶长度的影响

由图1 可知,对应的不同处理下五优1179 稻谷产量均高于丝香1 号,但差异并不显著(P>0.05).与对照(CK)相比,喷施硅质叶面阻隔剂能够提升水稻的实测产量,五优1179 和丝香1 号的产量分别提高9.02%和2.03%.相较于对照处理,喷施螯合硒后五优1179 的稻米产量提升7.27%,而丝香1 号的稻米产量下降5.40%.此外不同处理下丝香1 号的剑叶长度均大于五优1179,其中不喷施阻隔剂(CK),丝香1 号的剑叶长度显著高于五优1179,达21.2%(P<0.05).而两种水稻品种不同处理下的株高差异均不显著,株高范围介于110～112cm.

图1 不同处理对水稻产量、株高和剑叶长度的影响Fig.1 Effects of different treatments on rice yield, plant height and flag leaf length

2.2 不同叶面阻隔剂对水稻各部位积累镉的影响

如图2 所示,与喷施清水相比,施用叶面阻隔剂能够减少品种五优1179 体内Cd 总量,喷施流体硅(YM3)和螯合硒(YM4)体内Cd 总量降幅分别为10.9%和 19.1%.而与喷施清水相比,施用流体硅(YM7)和螯合硒(YM8)均可显著降低丝香1 号体内Cd 总量(P<0.05),降幅分别为41.2%和33.1%.此外,相同处理对2 种水稻体内Cd 总量的影响并不显著(P>0.05).从图2 可以看出,喷施流体硅后两种水稻不同部位Cd 含量的变化规律基本呈现根>其他节>第一节>其他叶>剑叶>颖壳>穗轴>糙米,而施用螯合硒后两种水稻不同部位Cd 含量变化主要表现在穗轴>颖壳,其他部位Cd 含量规律保持不变.这与其他学者的研究结论一致,这是因为重金属Cd 在新陈代谢旺盛的器官蓄积量较高,而如籽粒等营养储存器官中的分布量则较少[19].此外,与YM2 处理相比,施用流体硅(YM3)和螯合硒(YM4)均可显著降低水稻五优1179 根系、第一节、穗轴和糙米中Cd 含量,根系降幅为29.6%和37.7%,第一节降幅为29.9%和45.4%,穗轴降幅为60.4%和28.6%,糙米降幅为62.8%和58.5%,其中YM3 处理糙米ω(Cd)为0.181mg/kg,符合限量标准(0.2mg/kg),YM4 处理糙米ω(Cd)为0.202mg/kg.与喷施等量的清水相比,施用流体硅和螯合硒对丝香1 号的根系、第一节、穗轴和糙米Cd 蓄积量均产生了抑制作用,且显著降低其他节中Cd 含量,其降幅分别为41.2%和33.1%(P<0.05).其中YM7 和YM8 处理糙米Cd 含量分别为(0.186±0.032) mg/kg 和(0.169±0.019) mg/kg,较CK 处理分别下降58.9%和62.7%,均符合限量标准.另外,相比于喷施清水,外源喷施流体硅后丝香1 号品种的其他叶和剑叶中Cd 含量显著高出YM6 处理,说明其可使植株体内的Cd 更多地被拦截在叶片中.

图2 不同处理对水稻各部位Cd 含量的影响Fig.2 Effects of different treatments on Cd content in various parts of rice

2.3 不同叶面阻隔剂对水稻Cd 转运因子的影响

从表3 可知,水稻颖壳-糙米的Cd 转移能力较强(TF糙米/颖壳>1).与CK 处理相比,在水稻孕穗期和灌浆期喷施清水能降低TF剑叶/其他叶和TF颖壳/穗轴,提高TF穗轴/剑叶.外源喷施叶面阻隔剂后水稻各部位间Cd 转运能力的差异主要表现在第一节-其他叶-剑叶-穗轴-颖壳-糙米.与同时期喷施清水(YM2)相比,五优1179 的叶面喷施Si 和Se 能够促进Cd 从第一节向其他叶的转移,同时抑制Cd 从剑叶向穗轴和颖壳向糙米的运输.此外,与YM4 处理相比,外源喷施Si 后五优1179 品种TF颖壳/穗轴显著上升(P<0.05),TF穗轴/剑叶明显下降,其降Cd 效果的差异可能与其特殊的调控机理有关.与喷施清水相比,丝香1 号外源喷施Si 和Se 后TF其他叶/第一节、TF剑叶/其他叶和TF颖壳/穗轴均上升,TF穗轴/剑叶和TF糙米/颖壳显著下降(P<0.05),降幅分别为53.7%、21.6%和78.4%、61.1%,且YM7 处理TF第一节/其他节显著高于其他处理.这表明喷施叶面阻隔剂能够更多地将茎和其他叶中的Cd 转移至剑叶,促进剑叶对Cd 的固定,同时抑制剑叶中的Cd 向穗轴和颖壳的转运,进而减少糙米中Cd 的累积.

表3 不同叶面阻隔剂对水稻Cd 转运因子的影响Table 3 Translocation factor of Cd in different foliar spraying inhibitors

2.4 稻米Cd 含量与其他部位Cd 含量相关性分析

从图3 可以看出,稻米Cd 含量与其他部位Cd 含量间存在着一定相关性.根系、其他节、第一节和其他叶中的Cd 含量均与糙米Cd 含量存在显著相关性,其中根系Cd 含量、其他节Cd 含量和第一节Cd 含量与糙米Cd含量存在显著正相关,相关系数R2分别为0.81(P<0.01)、0.63(P<0.01)和0.78(P<0.01),而糙米Cd含量与其他叶Cd含量呈显著负相关,相关系数R2为−0.33(P<0.05).

图3 糙米Cd 含量与其他部位Cd 含量相关性分析Fig.3 Correlation analysis between Cd content in brown rice and Cd content in other parts

3 讨论

3.1 不同叶面阻隔剂对稻谷产量的影响

水稻是典型的喜硅作物,Si 可以促进水稻的生长发育、提高抗病虫和抗倒伏能力以及对矿质元素的利用率,从而提升稻谷产量[25-26].外源喷施适当的流体硅能够提升五优1179 和丝香1 号的稻谷产量,增幅分别为9.02%和2.03%.相比于喷施流体硅,喷施螯合硒对水稻增产效果存在显著差异.在五优1179品种孕穗期和灌浆期喷施1L/667m2螯合硒可提升稻米产量7.27%,但丝香1 号的稻谷产量下降5.40%,这可能与该品种对螯合硒的喷施浓度较为敏感有关,同时这也说明水稻品种是硒质叶面阻隔剂影响稻米产量的重要因素.

3.2 不同叶面阻隔剂对糙米Cd 含量的影响

水稻收获期稻穗中60%～90%的总碳来自抽穗后的光合作用,储存在营养器官中的营养物质和Cd也会被重新活化后转运到籽粒中[27].研究表明,剑叶是成熟期稻穗光合碳水化合物的主要来源[28].由根系吸收的Cd 一部分通过穗轴直接进入籽粒,另一部分转运到叶片等器官储存,在灌浆期通过穗轴进入籽粒[29].因此,在水稻孕穗期和灌浆期通过喷施叶面阻隔剂以提高叶片、穗轴及颖壳对Cd 的“阻拦”能力,抑制茎叶中Cd向籽粒的运输和分配,就有可能在不影响水稻生长发育的前提下降低糙米中Cd 含量.此外,相关性分析表明,糙米Cd 含量与根系和茎中Cd 含量均呈显著正相关(P<0.01),与其他叶Cd 含量呈显著负相关(P<0.05),说明叶面阻隔剂能够通过抑制根系对土壤Cd 的吸收,同时将经根系吸收的Cd 更多地转移至叶片累积和固定,提升Cd 在叶片中的分配比例,进而减少重金属Cd在籽粒中的蓄积.施硅可以提高叶绿素含量,促进叶片的光合速率[30],刺激抗氧化酶基因表达,降低Cd 产生的氧化胁迫[31].Si 在水稻生长过程中以Si(OH)4的形式被根系吸收到根部[28].本研究结果表明,喷施以单硅酸为主要成分的流体硅能够显著降低根、茎和穗轴中Cd 含量,TF穗轴/剑叶和TF糙米/颖壳明显下降,糙米Cd 含量均降至限量标准(0.2mg/kg)以下,说明由叶片进入水稻体内的流体硅可向根部转移[32],不仅抑制土壤Cd 由根系进入稻株[33],增强Cd 在根和茎的固定和滞留[34],抑制其的向上迁移,还能有效减少Cd 从剑叶向穗轴和颖壳等高处的运输和分配.此外,较之品种五优1179,喷施流体硅后丝香1 号叶片中Cd 含量和TF其他叶/第一节显著上升,这可能与不同的品种对进入其体内的Si 浓度耐性不同有关.研究表明,高Si 浓度能够促进Cd 与Si 在木质部和韧皮部等代谢活性较低的组织中共沉淀[35].

Se 作为多种酶和蛋白质的重要组成成分,其能调控水稻细胞中如OsIRT1、OsIRT2、OsLCT1 和OsNramp5 等Cd 转运相关基因的表达,外源Se 供应水平能够促进水稻体内谷胱甘肽过氧化物酶的产生,从而减少水稻对Cd 的吸收[36-38].与对照处理相比,叶面喷Se 能够使品种五优1179 和丝香1 号体内Cd 含量分别减少35.1%和39.8%,同时根、茎和糙米中Cd 含量显著降低,TF穗轴/剑叶明显下降,这说明螯合硒与流体硅对水稻有类似的降Cd 机理.随着外源Na2SeO3的喷施,大量Cd 被区室化于液泡中,阻碍了其在质外体中的运输,最终减少Cd 由根和茎向籽粒的转运[39-40].此外,相较于喷施流体硅,喷施螯合硒后水稻穗轴中Cd 含量和TF穗轴/剑叶得到提高,而TF颖壳/穗轴明显降低,说明外源供应Se能够促进穗轴中Cd 的积累,从而减少Cd 由穗轴向颖壳直至糙米的转移.

3.3 经济效益分析

本试验所涉及的水稻种子、化肥、人工和产品运输成本等大致相同,耕作管理水平一致,在喷施叶面阻隔剂将糙米Cd 含量降至限量值以下的前提下,流体硅和螯合硒的采购成本分别为975 元/hm2和1275 元/hm2.故叶面阻隔是一种具有良好经济利用价值的阻控措施.此外,近年来得益于迅速发展的无人机技术,针对我国面积较大的轻中度Cd 污染农田土壤,叶面阻隔技术使其安全利用成本进一步降低.

4 结论

4.1 喷施流体硅能够提高五优1179 和丝香1 号的产量,增幅分别为9.02%和2.03%.喷施螯合硒可使五优1179 稻谷产量提升7.27%,丝香1 号的产量降低5.40%.

4.2 喷施流体硅后不同部位Cd 含量由大到小依次为根>其他节>第一节>其他叶>剑叶>颖壳>穗轴>糙米,施用螯合硒后顺序变化主要为穗轴>颖壳.叶面喷施阻隔剂后水稻根、茎和糙米中Cd 含量显著下降,TF穗轴/剑叶受到抑制,这可能是其调控籽粒Cd 含量的主要机制之一.

4.3 相关性表明:糙米Cd 含量与根系Cd 含量、其他节Cd 含量和第一节Cd 含量均呈显著正相关(P<0.01),而与其他叶Cd 含量呈显著负相关(P<0.05).

4.4 在桂北地区Cd 污染安全利用类稻田,建议喷施流体硅能够在提升稻谷产量的同时显著降低糙米Cd 含量.