磷硅肥配施抑制華南地區(qū)水稻籽粒砷積累的效果

張　琳，盧　瑛

（1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，武漢430070；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，廣州510642）

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磷硅肥配施抑制華南地區(qū)水稻籽粒砷積累的效果

張琳1，2，盧瑛2*

（1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，武漢430070；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，廣州510642）

摘要：選取華南地區(qū)廣泛種植的雜交水稻品種“培雜泰豐”，利用外源添加砷（50 mg·kg-1）的土壤盆栽試驗(yàn)，研究不同施用量的磷硅肥對水稻生長特性和砷積累的影響。結(jié)果表明，施用磷硅肥的處理，水稻糙米中砷含量為0.504～0.586 mg·kg-1，低于農(nóng)業(yè)部頒布的糧食中砷限量標(biāo)準(zhǔn)（NY 861—2004）中大米砷限值。相關(guān)性分析表明，水稻糙米砷含量與水稻植株的生物量、稻谷千粒重和秸稈中硅/砷摩爾比呈顯著負(fù)相關(guān)，與秸稈中磷/砷摩爾比呈極顯著負(fù)相關(guān)；糙米的砷含量隨磷、硅肥的施加而降低。綜合分析表明，在華南地區(qū)同類中度砷污染土壤中可有效控制砷向水稻籽粒運(yùn)輸累積的磷、硅肥最優(yōu)施加量及配比為40 mg P·kg-1土、50 mg Si·kg-1土。

關(guān)鍵詞：砷積累；磷硅肥；水稻；盆栽試驗(yàn)；華南地區(qū)

張琳，盧瑛.磷硅肥配施抑制華南地區(qū)水稻籽粒砷積累的效果［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2016，35（6）：1042-1047.

ZHANG Lin，LU Ying. Effects of PhosPhorus and si1icon aPP1ications on arsenic accumu1ation in rice grains in South China［J］. Journal of Agro-Environment Science，2016，35（6）∶1042-1047.

砷（As）在土壤中積累不僅影響農(nóng)作物的生長和發(fā)育，導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)，而且可以被農(nóng)作物吸收，影響農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量，并可能通過食物鏈進(jìn)入人體，對人體健康構(gòu)成威脅［1］。水稻是我國第一大糧食作物，全國60%以上的人口以稻米為主食，而水稻由于在淹水條件下種植，其對砷累積能力明顯高于其他作物，因此研究抑制水稻砷積累的農(nóng)業(yè)措施，對確保我國稻米安全具有一定的理論與實(shí)際意義。

已有研究［2-3］表明，不同品系（種）間的水稻對砷的積累能力存在很大差異，土壤特性和土壤施肥管理措施也影響水稻對砷的吸收和積累。水稻是典型的硅（Si）積累植物，當(dāng)水稻植株內(nèi)的硅外排轉(zhuǎn)運(yùn)體發(fā)生突變時，即水稻中硅含量增加時，亞砷酸鹽在水稻秸稈和糙米中的轉(zhuǎn)運(yùn)和積累都顯著降低［4-5］。磷（P）和As屬同族元素，化學(xué)性質(zhì)相似，在土壤溶液中兩者均主要以陰離子的形式存在，磷酸根和砷酸根可以相互競爭土壤膠體上的吸附位點(diǎn)，并且砷酸根是通過和磷酸根共用細(xì)胞膜上的轉(zhuǎn)運(yùn)通道被植物吸收的，兩者在根系吸收方面存在拮抗效應(yīng)［4，6］。在砷污染的土壤中施加磷或硅可顯著抑制水稻對砷的吸收［7-8］。國內(nèi)外關(guān)于單施磷肥或硅肥抑制水稻吸收砷的研究很多［9-10］，然而有關(guān)磷、硅肥配施對水稻籽粒砷積累影響的研究鮮見報(bào)道。

華南地區(qū)是我國重要的水稻產(chǎn)區(qū)，由于工、農(nóng)業(yè)活動的影響，部分區(qū)域農(nóng)田土壤呈現(xiàn)一定程度的砷積累，威脅水稻生長和稻米的食用安全。盡管國內(nèi)外已有很多有關(guān)抑制砷在稻米中積累的研究報(bào)道［7-10］，但稻米中砷的積累量隨稻米的產(chǎn)區(qū)環(huán)境條件、品種特性和生長管理等因素的不同而差異明顯［11-12］，因此有必要開展適合不同區(qū)域的抑制水稻砷積累的農(nóng)業(yè)措施研究，如合理施肥措施等。本研究以華南地區(qū)中度砷污染土壤為對象，開展施用不同量的磷、硅肥水稻盆栽試驗(yàn)，旨在篩選出抑制稻米砷積累效果最佳的磷、硅肥使用量及配比，為合理利用和管理華南地區(qū)砷污染土壤，保障稻米食用安全提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1盆栽試驗(yàn)設(shè)計(jì)

盆栽試驗(yàn)土壤采自華南農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)農(nóng)場稻田的表層（0～20 cm），土壤類型為水稻土（普通簡育水耕人為土），將取回的土壤樣品風(fēng)干、磨碎，過5 mm篩后分別裝入高15.6 cm、底徑12.5 cm、口徑15 cm的PVC盆中，每盆裝土2.25 kg。供試土壤總砷含量27.7 mg·kg-1，PH6.87，有機(jī)質(zhì)27.8 g·kg-1，有效磷70.3 mg· kg-1，速效鉀167.0 mg·kg-1，全氮1.26 g·kg-1，堿解氮101.9 mg·kg-1，陽離子交換量（CEC）8.58 cmo1·kg-1，電導(dǎo)率279 μS·cm-1，有效硅（Si）91.8 mg·kg-1，黏粒含量（＜2 μm）32.4%。土壤中外源添加50 mg As·kg-1土（砷以Na2HAsO4·7H2O形式加入），充分?jǐn)嚢韬笱退?，平?個月備用。

試驗(yàn)設(shè)9個處理，即對照（P 0、Si 0）、處理1（P 0、Si 50 mg·kg-1）、處理2（P 0、Si 100 mg·kg-1）、處理3（P 20 mg·kg-1、Si0）、處理4（P 20 mg·kg-1、Si 50 mg·kg-1）、處理5（P 20 mg·kg-1、Si 100 mg·kg-1）、處理6（P 40 mg· kg-1、Si0）、處理7（P 40 mg·kg-1、Si 50 mg·kg-1）、處理8 （P 40 mg·kg-1、Si 100 mg·kg-1），每個處理設(shè)4次重復(fù)。磷肥施用過磷酸鈣（分析純），硅肥施用硅酸鈉（分析純），均配制成溶液，在移苗前施入。

供試水稻品種為華南農(nóng)業(yè)大學(xué)選育的雜交水稻“培雜泰豐”。水稻育苗后移栽至PVC盆中，每盆2株，在淹水條件下培養(yǎng)至成熟（中間有多次曬田）。整個生長過程中每盆分別施入尿素、氯化鉀（N、K含量分別為140 mg·kg-1、100 mg·kg-1）。

水稻成熟后，測量水稻地上部生物量、株高、穗長、穗數(shù)和谷粒千粒重，并分別采集水稻稻穗和秸稈。稻穗用去離子水清洗后自然風(fēng)干，經(jīng)礱谷機(jī)去殼后將糙米用瑪瑙研缽磨碎；秸稈用去離子水沖洗干凈并放入鼓風(fēng)干燥箱中于105℃下烘30 min殺青，然后降溫至70℃烘干、粉碎。

1.2樣品分析

植株Si含量采用瓷坩堝灰化-鉬藍(lán)比色法測定，植株As含量用HNO3-H2O2消煮-原子熒光光度計(jì)（AFS-930，北京吉天儀器有限公司）測定，植株P(guān)含量采用H2SO4-H2O2消煮-鉬銻抗比色法測定。土壤PH按水土比2.5∶1電位法測定，土壤顆粒組成采用吸管法測定，CEC用1 mo1·L-1乙酸銨（PH7.0）交換法測定，土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定，土壤有效磷采用0.5 mo1·L-1碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定，土壤有效硅采用檸檬酸浸提-硅鉬藍(lán)比色法測定。上述分析方法均參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》［13］。

1.3數(shù)據(jù)處理

利用SPSS 16.0軟件，采用Duncan多重比較法進(jìn)行差異顯著性分析；采用Exce1 2010、SPSS 16.0軟件進(jìn)行相關(guān)性分析（Pearson相關(guān)分析）。

2　結(jié)果與討論

2.1磷、硅肥配施對水稻生長的影響

試驗(yàn)結(jié)果（表1）表明，在砷污染土壤中施用磷、硅肥后，稻株生物量與水稻千粒重均是處理6與對照差異達(dá)到顯著水平（P＜0.05），其余各處理均與對照無顯著差異；所有處理的株高、穗長及穗數(shù)與對照均無顯著差異。水稻生物量、千粒重、株高和穗長與對照相比較差別最大的是處理6，分別提高了101.4%、10.4%、16.2%和9.99%，可見施用適量磷肥對水稻生長有一定的促進(jìn)作用。在未施磷肥時，稻株生物量表現(xiàn)為處理1高于處理2和對照，而水稻千粒重表現(xiàn)為處理2高于處理1和對照；施用磷肥后，同一水平磷肥處理的植株生物量與水稻千粒重表現(xiàn)為相同的變化規(guī)律，即：處理3＞處理4＞處理5；處理6＞處理7＞處理8。這表明施用磷肥時，添加硅肥越多生物量與千粒重減少越多，這可能與磷、硅肥之間的相互作用有關(guān)，具體原因還有待進(jìn)一步深入研究。綜上所述，處理6對水稻生長的影響最為顯著。

相關(guān)性分析結(jié)果（圖1）表明，水稻生物量與秸稈砷含量呈顯著負(fù)相關(guān)（r=-0.380*，n=36），水稻千粒重與糙米砷含量呈顯著負(fù)相關(guān)（r=-0.358*，n=36），即水稻生物量隨秸稈砷含量增加而降低，水稻千粒重隨糙米砷含量增加而減少。這表明水稻植株中砷含量越高，對水稻的生長抑制作用越明顯。

有研究［14］報(bào)道，砷對水稻毒害癥狀比較明顯，危害初期，葉片發(fā)生卷曲或枯萎，進(jìn)一步發(fā)展則破壞根系和葉組織；輕度時莖葉會發(fā)生扭曲，無效分蘗增多；嚴(yán)重時植物株高和生長都十分緩慢，地上部發(fā)黃，出現(xiàn)類似缺鐵癥狀的褐斑，地下部根系少而且發(fā)黑。砷污染土壤中分別施用磷肥和硅肥對水稻吸收砷有抑制作用，進(jìn)而會促進(jìn)水稻生長。本研究表明，在砷污染土壤中施用不同量的磷、硅肥后，水稻長勢差異明顯，在一定程度上反應(yīng)了其抵抗砷毒害的程度，表明在華南地區(qū)砷污染的土壤中施用磷、硅肥能抑制水稻對砷的吸收。這與前人在其他區(qū)域研究結(jié)果［7-8］一致。

表1　不同施肥處理水稻生長的差異Tab1e 1 Growth and biomass of rice in different ferti1izer treatments

圖1　水稻砷含量與生物量和千粒重的相關(guān)性Figure 1 Re1ationshiP between arsenic content and biomass and grain weight of rice

2.2磷、硅肥配施對水稻磷、硅、砷含量的影響

由表2可知，施用磷、硅肥后，處理2、處理4、處理5和處理8水稻秸稈硅含量與對照的差異達(dá)到顯著水平（P＜0.05），水稻秸稈磷含量與糙米磷含量均是處理6與對照差異達(dá)到顯著水平（P＜0.05），處理5、處理6、處理7水稻糙米砷含量與對照的差異達(dá)到顯著水平（P＜0.05），所有處理的秸稈砷含量與對照均無顯著差異。與對照相比較：水稻秸稈硅含量差別最大的是處理8，增加了65.6%；水稻秸稈磷含量差別最大的是處理6，增加了56.2%；水稻秸稈砷含量差別最大的是處理7，減少了14.6%；水稻糙米磷含量差別最大的是處理6，增加了32.9%；水稻糙米砷含量差別最大的是處理6，減少了29.9%。

在同一水平磷肥中，秸稈硅含量隨硅肥施加量的遞增而升高；在0、20 mg·kg-1P處理中秸稈磷含量隨硅肥施加量的遞增而升高，卻在40 mg·kg-1P處理中降低；在0 mg·kg-1P處理中糙米磷含量隨硅肥施加量的遞增而升高，而在20、40 mg·kg-1P處理中降低。在100 mg·kg-1Si處理中秸稈硅含量隨磷肥施加量的遞增而升高；在0、50 mg·kg-1Si處理中糙米砷含量隨磷肥施加量的遞增而降低。水稻砷含量不僅受土壤中磷、硅肥不同施用量的影響，土壤的理化特性和水稻品系特征也影響其轉(zhuǎn)化、有效性及水稻吸收量［3，11］。因此，水稻砷含量并沒有隨磷、硅肥施用水平的升高而遞減，并且砷污染土壤施用磷、硅肥后，水稻糙米砷含量相比于對照均有所降低，結(jié)合秸稈砷含量分析可知，處理7配施效果最佳。處理6對水稻砷毒害緩解效果最好，即水稻生物量最大，積累砷最少，但隨著硅處理濃度的增大，水稻生物量降低、砷積累增加。造成這一現(xiàn)象的原因可能是所種植的水稻品種和常年施肥過多導(dǎo)致土壤本身有效磷（70.3 mg·kg-1）和有效硅（91.8 mg·kg-1）較高，使得施肥處理效果不明顯，對此需要進(jìn)一步進(jìn)行驗(yàn)證分析。

本研究結(jié)果表明，砷污染土壤施用磷、硅肥后，水稻糙米砷含量均比對照低，未施用磷、硅肥的對照處理水稻糙米砷含量超過了農(nóng)業(yè)部頒布的糧食中砷限量標(biāo)準(zhǔn)（NY 861—2004）［15］中大米砷限量值（0.7 mg· kg-1）；而施用不同量的磷、硅肥后，水稻糙米砷含量均沒有超過該限量，說明砷污染土壤施用磷、硅肥可抑制水稻籽粒砷積累。這與前人研究結(jié)果［7-8］一致，因此可以通過施用磷、硅肥來降低華南地區(qū)糙米中砷的積累。砷的化學(xué)及生物毒性與其存在形態(tài)密切相關(guān)，用總量標(biāo)準(zhǔn)評價砷的環(huán)境污染情況和人體暴露水平無法反映砷污染的真實(shí)狀況，應(yīng)對其進(jìn)行形態(tài)分析，這將作為后續(xù)的研究部分。

由表3可知，砷由秸稈向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)表現(xiàn)為處理4與處理6均與對照差異達(dá)到顯著水平（P＜0.05），其余各處理均與對照無顯著差異；由對照、處理3和處理6可以看出，隨著施磷量的增加，砷由秸稈向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)是逐漸降低的，并且施磷量達(dá)到最高時的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)顯著低于對照，這說明磷對糙米砷積累有一定的抑制作用。

Ta1ukder等［16］認(rèn)為，砷在土壤中形成的化合物與磷的化合物相似，所以影響土壤中磷酸鹽化學(xué)行為的因素也影響砷酸鹽的行為，施加磷肥可以控制和治理砷污染土壤。水稻吸收磷、砷存在拮抗效應(yīng)，水稻糙米砷含量低是由于其磷含量高抑制水稻籽粒積累砷，這與薛培英等［7］研究結(jié)果中變化規(guī)律類似，即中輕度砷污染土壤上種植水稻應(yīng)添加適量磷肥來降低砷在水稻地上部的積累。

表2　不同施肥處理水稻硅、磷及砷含量的差異Tab1e 2 Si1icon，PhosPhorus and arsenic content in rice in different treatments

表3　砷由秸稈向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)的轉(zhuǎn)移系數(shù)Tab1e 3 Transfer coefficients of arsenic from straw to rice grains

2.3秸稈中磷、硅元素對糙米砷積累的影響

相關(guān)性分析結(jié)果（圖2）表明，糙米砷含量與秸稈中硅/砷摩爾比呈顯著負(fù)相關(guān)（r=-0.378*，n=36），與磷/砷的摩爾比呈極顯著負(fù)相關(guān)（r=-0.489**，n=36），即糙米中砷累積量隨秸稈中硅、磷含量的增加而減少。

圖2　水稻秸稈中硅/砷、磷/砷摩爾比與糙米砷的相關(guān)性Figure 2 Re1ationshiP between grain arsenic and straw Si/As and P/As mo1ar ratios

水稻是典型的喜硅植物，亦稱硅酸植物，本研究中磷、硅肥配施對抑制水稻糙米砷積累有一定的作用。水稻在淹水條件下砷的主要形態(tài)為無機(jī)三價砷，水稻根部As（Ⅲ）的運(yùn)輸與硅共用根細(xì)胞膜上的轉(zhuǎn)運(yùn)通道，當(dāng)土壤溶液中硅含量高時，水稻中砷含量低，表明土壤中較高含量的有效硅能顯著降低水稻對砷的吸收。這與國內(nèi)外的研究結(jié)果［10，17-18］類似。水稻吸收磷、砷存在拮抗關(guān)系，磷含量高會抑制水稻吸收砷［19］，因此磷、硅配施共同抑制作用的效果更明顯。

3　結(jié)論

（1）華南地區(qū)砷污染土壤配施磷、硅肥后水稻糙米砷含量隨秸稈中磷、硅含量的增加而降低，磷、硅肥配施可以有效緩解砷對水稻生長的影響并且抑制水稻籽粒砷的積累。

（2）華南地區(qū)中度砷污染中性土壤中可有效抑制水稻砷積累的磷、硅肥最優(yōu)配用量為40 mg P·kg-1、50 mg Si·kg-1。

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Effects of phosphorus and silicon applications on arsenic accumulation in rice grains in South China

ZHANG Lin1，2，LU Ying2*
（1.Co11ege of Resource and Environment，Huazhong Agricu1tura1 University，Wuhan 430070，China；2.Co11ege of Natura1 Resources and Environment，South China Agricu1tura1 University，Guangzhou 510642，China）

Abstract：PhosPhorus（P）and si1icon（Si）have showed the abi1ity to reduce arsenic（As）uPtake by P1ants from soi1s. Here a Pot exPeriment was conducted in a soi1 sPiked with 50 mg·kg-1arsenic to study the effects of different rates of PhosPhorus and si1icon ferti1izers on growth and arsenic accumu1ation of a hybrid rice cu1tivar，PeizaTaifeng，which is wide1y P1anted in South China. Resu1ts showed that after aPP1ications of PhosPhorus and si1icon ferti1izers，arsenic content in rice grains ranged from 0.504 to 0.586 mg·kg-1，1ower than the 1imit of arsenic in rice grains（NY 861—2004）enacted by the China Ministry of Agricu1ture. Corre1ation ana1yses showed that arsenic content in rice grains had significant1y negative corre1ation with rice P1ant biomass，thousand seed weight，Si/As mo1ar ratio in straw，and extreme1y significant negative corre1ation with P/As mo1ar ratio in straw. Arsenic concentrations in grains decreased with increasing rates of PhosPhorus and si1icon ferti1izers. The Present findings suggest that the oPtimum aPP1ication rates of PhosPhorus and si1icon ferti1izers for rice grown in arsenic Po11uted soi1 wou1d be 40 mg P·kg-1soi1 and 50 mg Si·kg-1soi1 in the South China area.

Keywords：arsenic accumu1ation；PhosPhorus and si1icon ferti1izer；rice；Pot exPeriment；South China

中圖分類號：X503.231

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-2043（2016）06-1042-06 doi∶10.11654/jaes.2016.06.004

收稿日期：2015-08-25

基金項(xiàng)目：廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2013B020310009，2009B020311011）

作者簡介：張琳（1987—），女，陜西咸陽人，碩士，助理工程師，主要從事土壤質(zhì)量與農(nóng)產(chǎn)品安全研究。E-mai1：zhang1in@mai1.hzau.edu.cn

*通信作者：盧瑛E-mai1：1uying@scau.edu.cn