坡縷石鈍化與噴施葉面硅肥聯(lián)合對(duì)水稻吸收累積鎘效應(yīng)影響研究

徐　奕，李劍睿，黃青青，梁學(xué)峰，彭　亮，徐應(yīng)明*

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，長(zhǎng)沙 410128；2.太原工業(yè)學(xué)院，太原 030008；3.農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所，農(nóng)田重金屬污染修復(fù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，天津 300191；4.農(nóng)業(yè)部產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300191）

坡縷石鈍化與噴施葉面硅肥聯(lián)合對(duì)水稻吸收累積鎘效應(yīng)影響研究

徐奕1，李劍睿2，3，黃青青3，4，梁學(xué)峰3，4，彭亮1，徐應(yīng)明3，4*

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，長(zhǎng)沙 410128；2.太原工業(yè)學(xué)院，太原 030008；3.農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所，農(nóng)田重金屬污染修復(fù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，天津 300191；4.農(nóng)業(yè)部產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300191）

采用盆栽試驗(yàn)，研究了坡縷石鈍化與噴施葉面硅肥聯(lián)合處理對(duì)水稻吸收累積Cd效應(yīng)的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，單獨(dú)噴施葉面硅肥能夠增加水稻產(chǎn)量，可以不同程度地降低水稻地上部Cd含量及Cd從根系向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)能力。與空白對(duì)照相比，糙米、穎殼和秸稈中Cd含量最大可分別降低34.9%、30.1%和34.0%，且在水稻不同生育期噴施硅肥對(duì)Cd在地上部累積的抑制效果依次為分蘗期+齊穗期＞分蘗期＞齊穗期。盆栽試驗(yàn)中添加1.0%的坡縷石后能夠顯著降低土壤中Cd的生物有效性，糙米、穎殼、秸稈以及根系中Cd含量分別比空白對(duì)照降低39.5%、28.6%、35.3%和20.9%。坡縷石鈍化處理并聯(lián)合在水稻分蘗期和齊穗期分別噴施0.1%～0.4%葉面硅肥結(jié)果表明，鈍化處理與葉面阻Cd聯(lián)合能更加有效地降低水稻地上部對(duì)Cd的吸收，其中稻米、穎殼和秸稈中重金屬Cd含量最大分別可降低58.1%、63.3%和68.7%，糙米中Cd含量可由對(duì)照的0.43 mg·kg-1降到低于稻谷Cd的食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限量值0.20 mg·kg-1以下，但對(duì)根系中重金屬Cd的含量降低僅為17.8%，與坡縷石單一鈍化相比無(wú)顯著差異。

坡縷石；鈍化；葉面硅肥；鎘；水稻

徐奕，李劍睿，黃青青，等.坡縷石鈍化與噴施葉面硅肥聯(lián)合對(duì)水稻吸收累積鎘效應(yīng)影響研究［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2016，35（9）：1633-1641.

XU Yi，LI Jian-rui，HUANG Qing-qing，et al.Effect of palygorskite immobilization combined with foliar silicon fertilizer application on Cd accumulation in rice［J］.Journal of Agro-Environment Science，2016，35（9）：1633-1641.

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，農(nóng)田土壤重金屬污染形勢(shì)越發(fā)嚴(yán)峻，尤以重金屬Cd污染最為嚴(yán)重，約占總污染面積的40%［1-2］。水稻是我國(guó)第一大糧食作物，也是對(duì)重金屬Cd吸收最強(qiáng)的大宗谷類作物［3］，近年來(lái)頻頻曝光的“鎘米”問(wèn)題使我國(guó)稻米的食品安全問(wèn)題越來(lái)越突出。因此，加強(qiáng)重金屬Cd污染農(nóng)田土壤修復(fù)，降低稻米中Cd含量，提高稻米品質(zhì)和保障稻米質(zhì)量安全已經(jīng)成為當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上急需解決的問(wèn)題之一。

鈍化修復(fù)技術(shù)因具有修復(fù)速率快、效果高、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)特別適應(yīng)于大面積中輕度重金屬污染農(nóng)田修復(fù)治理［4-5］。硅是一種對(duì)植物生長(zhǎng)有益的元素，能促進(jìn)植物生長(zhǎng)，提高植物對(duì)干旱、鹽害以及重金屬等逆境脅迫的抵御能力［6］。研究發(fā)現(xiàn)，外源施加硅能夠減輕或緩解重金屬對(duì)植物的毒害，降低植物體內(nèi)重金屬的含量［7-9］。水稻是典型的喜硅作物，硅在抑制水稻對(duì)Cd的吸收和累積方面的作用受到了越來(lái)越多的關(guān)注［10-14］，但噴施葉面硅肥對(duì)作物重金屬污染防治效果有限，僅適應(yīng)于稻米輕微Cd超標(biāo)時(shí)的防控。目前，有關(guān)稻田重金屬Cd污染鈍化修復(fù)及水稻植株噴施葉面肥單一阻控阻隔研究較多，主要側(cè)重于鈍化阻控與阻隔效應(yīng)方面研究［15］。在這兩種技術(shù)中，鈍化修復(fù)技術(shù)主要適應(yīng)于輕度重金屬Cd污染稻田土壤修復(fù)治理，而葉面阻隔技術(shù)主要適應(yīng)于輕微重金屬Cd污染稻田安全生產(chǎn)；對(duì)于中度重金屬Cd污染酸性水稻田采用單一修復(fù)技術(shù)很難達(dá)到修復(fù)效果，但目前有關(guān)鈍化阻控與葉面阻隔聯(lián)合修復(fù)技術(shù)研究較少，尚無(wú)法滿足對(duì)中度重金屬Cd污染酸性水稻田修復(fù)治理需要。坡縷石又稱凹凸棒土、凹土，在我國(guó)具有儲(chǔ)量豐富、分布廣和價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)，它是一種晶質(zhì)水合鎂鋁硅酸鹽黏土礦物，具有獨(dú)特的層鏈狀結(jié)構(gòu)特征，其結(jié)構(gòu)中存在晶格置換等特殊的晶體結(jié)構(gòu)所賦予的優(yōu)異特性，近年來(lái)一些研究人員將其應(yīng)用于土壤重金屬污染修復(fù)治理，取得了較好的效果［16-18］。本文在課題組前期研究的工作基礎(chǔ)上［13，16］，開展坡縷石鈍化阻控與噴施葉面硅肥阻隔技術(shù)聯(lián)合處理對(duì)稻米重金屬Cd吸收累積的綜合防控效果研究，以期為中度Cd污染酸性水稻田修復(fù)治理提供一定的技術(shù)支撐。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

供試土壤采自湖南省某地水稻田0～20 cm的表土層，屬于紅壤性水稻土。供試土壤理化性質(zhì)為：pH 6.00，有機(jī)質(zhì)含量52.6 g·kg-1，總氮1.25 g·kg-1，總磷0.62 g·kg-1，陽(yáng)離子交換量（CEC）12.60 cmol·kg-1，速效鉀53.00 mg·kg-1，總Cd 1.10 mg·kg-1，有效態(tài)Cd 0.64 mg·kg-1。供試植物為水稻（Oryza sativa L.），品種為豐優(yōu)9號(hào)，屬于秈型三系雜交水稻，由湖南省農(nóng)科院作物所提供。供試黏土礦物坡縷石（PAL）采購(gòu)于江蘇盱眙，屬于土狀坡縷石，為白色粉末，pH為8.00，其組成為 1.2%CaO、10.4%Al2O3、1.5%Na2O、20.5%MgO、64.4%SiO2，Cd含量為0.11 mg·kg-1。供試葉面肥為市售液體硅肥，pH 7.20，Cd含量未檢出，按照兌水稀釋濃度進(jìn)行噴施。

1.2試驗(yàn)設(shè)置與樣品采集

本試驗(yàn)于2013年6—10月和2014年6—10月在農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所玻璃溫室內(nèi)進(jìn)行。第一年盆栽試驗(yàn)主要研究噴施葉面硅肥對(duì)水稻Cd吸收累積的阻隔效應(yīng)，確定葉面硅肥的最佳噴施時(shí)期，為第2年葉面阻隔與鈍化阻控聯(lián)合實(shí)驗(yàn)提供基礎(chǔ)。葉面硅肥設(shè)置了3個(gè)噴施濃度（0.10%、0.20%、0.40%）和3個(gè)噴施時(shí)期（分蘗期、齊穗期、分蘗期+齊穗期），具體處理設(shè)置如下：不噴施硅肥（CK）、0.10%Si（分蘗期噴施，T1）、0.20%Si（分蘗期噴施，T2）、0.40%Si（分蘗期噴施，T3）、0.10%Si（齊穗期噴施，T4）、0.20%Si（齊穗期噴施，T5）、0.4%Si（齊穗期噴施，T6）、0.10%Si分蘗期+0.10%Si齊穗期噴施（T7）、0.20%Si分蘗期+ 0.20%Si齊穗期噴施（T8）、0.40%Si分蘗期+0.40%Si齊穗期噴施（T9）。第二年盆栽試驗(yàn)是在第一年試驗(yàn)基礎(chǔ)上，開展葉面硅肥阻隔聯(lián)合坡縷石鈍化阻控處理對(duì)稻米Cd的吸收累積效應(yīng)及機(jī)制研究。實(shí)驗(yàn)處理設(shè)置如下：對(duì)照試驗(yàn)（CK）、1.00%（W/W）坡縷石（PAL）、0.10%Si分蘗期+0.10%齊穗期噴施+1.00%坡縷石（Si+PAL-1）、0.20%Si分蘗期+0.20%Si齊穗期噴施+ 1.00%坡縷石（Si+PAL-2）、0.40%Si分蘗期+0.40% Si齊穗期噴施+1.00%坡縷石（Si+PAL-3）。

供試土壤風(fēng)干后，過(guò)2 mm篩，分別將不同添加量的坡縷石與土壤充分混勻后，裝入塑料盆缽，每盆裝土6.00 kg，平衡30 d后，將事先育好的水稻秧苗移入盆內(nèi)，每盆4株，最后在水稻成熟期（120 d）收樣。

收樣時(shí)，將水稻從土壤中取出，在自來(lái)水下沖洗根系，然后去離子水清洗整個(gè)植株，用吸水紙吸干，在105℃烘箱中殺青30 min，65℃烘干至恒重；最后將成熟期水稻樣品分為根系、秸稈、穎殼和籽粒，并將樣品粉碎后裝入自封袋中密封保存待測(cè)。另外，取植物樣同時(shí)取土壤樣品，將土壤樣品風(fēng)干，研磨后過(guò)20目的尼龍網(wǎng)篩，密封存放于自封袋，用于測(cè)定土壤pH值和有效態(tài)Cd的含量。

1.3樣品測(cè)試

植物樣品Cd的測(cè)定：稱取0.250 0 g植物樣品，采用HNO3-HClO4方法消解，消解液用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（iCAPQ，美國(guó)賽默飛世爾儀器公司）測(cè)定。在測(cè)定過(guò)程中植物樣品采用湖南大米［GBW10045（GSB-23）］和空白樣品進(jìn)行全程質(zhì)量控制。

土壤pH的測(cè)定：稱取過(guò)20目的風(fēng)干土樣10.00 g，加入無(wú)二氧化碳蒸餾水25 mL，輕輕搖動(dòng)使水土充分混合，攪拌1 min，靜置30 min后，用pH酸度計(jì)（PB-10，Sartorius）測(cè)定。

土壤有效態(tài)Cd含量的測(cè)定：稱取過(guò)20目篩的風(fēng)干土樣5.00 g，加入0.025 mol·L-1的HCl溶液25 mL（水土比5∶1），以180 r·min-1的速度在室溫（25℃）下振蕩2 h，然后用原子吸收分光光度計(jì)（ZEEnit 700P）測(cè)定上清液中Cd的含量。

1.4數(shù)據(jù)分析

所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)為3次重復(fù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤差，采用SAS軟件進(jìn)行方差分析（多重比較采用Duncan法），采用Sigmaplot10.0繪圖。

2　結(jié)果與分析

2.1葉面硅肥處理對(duì)水稻地上部生物量的影響

表1為葉面噴施硅肥對(duì)水稻籽粒和秸稈生物量的影響。噴施葉面硅肥對(duì)水稻生長(zhǎng)發(fā)育具有一定的促進(jìn)作用，分蘗期、齊穗期和分蘗期+齊穗期分別噴施葉面硅肥，水稻籽粒生物量分別比對(duì)照增加10.7%～17.2%、12.8%～21.4%和16.8%～24.6%，水稻秸稈生物量分別比對(duì)照增加11.9%～20.0%、0～11.9%和15.6%～23.4%。說(shuō)明在水稻不同生育期噴施硅肥對(duì)籽粒和秸稈的增產(chǎn)效果不同。在齊穗期噴施硅肥對(duì)籽粒生物量的增幅要高于分蘗期，而在分蘗期噴施硅肥則對(duì)秸稈增產(chǎn)效果要好。此外，與分蘗期或齊穗期各單獨(dú)噴施葉面硅肥相比，在水稻分蘗期和齊穗期分別各噴施一次葉面硅肥能夠進(jìn)一步提高籽粒和秸稈的生物量。

2.2葉面硅肥處理對(duì)水稻Cd累積的影響

圖1為葉面噴施硅肥對(duì)水稻各部分中Cd含量的影響。在水稻不同生育期噴施葉面硅肥對(duì)水稻地上部Cd累積量存在一定的影響（P＜0.05），但對(duì)根系中Cd含量影響不顯著（P＞0.05）。與對(duì)照相比，噴施葉面硅肥能夠降低糙米、穎殼以及秸稈中Cd含量，且隨葉面硅肥濃度的增加降低幅度增大（圖1a、圖1b、圖1c）。在對(duì)照處理中，糙米中Cd的含量為0.43mg·kg-1，超過(guò)了食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品污染物限量（GB 2762—2012）中規(guī)定的糙米Cd限量值0.20 mg·kg-1。噴施葉面硅肥后，糙米中Cd含量范圍為0.28～0.42 mg·kg-1，比對(duì)照降低2.3%～34.9%（圖1a），穎殼和秸稈中Cd含量分別比對(duì)照降低4.7%～30.1%和4.7%～34.0%（圖1b、圖1c）。另外，噴施時(shí)期不同，葉面硅肥對(duì)Cd在植物地上部中累積的抑制效應(yīng)也不同，不同生育期噴施硅肥抑制Cd在地上部累積的效果依次為分蘗期+齊穗期＞分蘗期＞齊穗期（圖1a、圖1b、圖1c）。但由試驗(yàn)還可以發(fā)現(xiàn)，在稻米輕中度Cd超標(biāo)情況下，僅僅依靠噴施葉面硅肥難以將稻米Cd含量降低到食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品污染物限量值以下。

表1　葉面噴施硅肥對(duì)水稻籽粒和秸稈生物量的影響Table 1 Effect of foliar application of silicon on over-ground biomass of rice

轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（TF）是指植物地上部分某種重金屬元素與植物地下部分該種元素的含量的比值，主要用來(lái)評(píng)價(jià)植株由根部向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)重金屬的能力，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)越大反映根系向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)重金屬的能力越強(qiáng)。表2為葉面噴施硅肥對(duì)水稻Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)、土壤pH以及有效態(tài)Cd含量的影響。在水稻不同生育期噴施葉面硅肥均可降低Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)，即噴施硅肥抑制了根系吸收的Cd向地上部遷移轉(zhuǎn)運(yùn)能力，其中在齊穗期噴施葉面硅肥對(duì)抑制水稻根系Cd向地上部遷移轉(zhuǎn)運(yùn)效果最好。另外，在水稻不同生育期噴施葉面硅肥對(duì)土壤pH和Cd有效態(tài)含量沒有明顯影響。

表2　葉面噴施硅肥對(duì)Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)、土壤pH以及有效態(tài)Cd含量的影響Table 2 Effect of foliar application of silicon on Cd transfer factorin rice，the pH value and available Cd in soil

2.3坡縷石鈍化與葉面硅肥聯(lián)合處理對(duì)水稻地上部生物量的影響

表3為葉面硅肥聯(lián)合坡縷石鈍化處理對(duì)水稻籽粒和秸稈生物量的影響。單獨(dú)鈍化修復(fù)處理雖然可以增加水稻籽粒和秸稈生物量，但與對(duì)照相比無(wú)顯著性差異。在土壤坡縷石鈍化處理下，同時(shí)在水稻分蘗期和齊穗期各噴施一次葉面硅肥，試驗(yàn)結(jié)果表明，水稻籽粒和秸稈生物量與對(duì)照相比均顯著增加（P＜0.05），當(dāng)噴施0.10%、0.20%和0.40%Si時(shí)，水稻籽粒生物量分別增加16.6%、28.4%和24.8%，水稻秸稈生物量分別增加13.9%、20.6%和21.2%。

表3　葉面硅肥配合坡縷石鈍化處理對(duì)水稻籽粒和秸稈生物量的影響Table 3 The combined effect of foliar application of Si and palygorskite immobilization on over-ground biomass of rice

2.4葉面硅肥配合坡縷石鈍化處理對(duì)水稻Cd累積的影響

從圖2可見，與對(duì)照相比，在水稻生育期噴施葉面硅肥同時(shí)配合土壤坡縷石鈍化處理能夠顯著降低水稻各部分中Cd的含量（P＜0.05），且在相同處理?xiàng)l件下，成熟期水稻各部分中Cd含量高低順序?yàn)椋焊担窘斩挘痉f殼＞糙米。土壤中單施坡縷石（PAL），糙米中Cd含量由對(duì)照的0.43 mg·kg-1降到了0.26 mg·kg-1，降幅達(dá)到39.5%；而坡縷石聯(lián)合葉面硅肥處理后，糙米中Cd含量降低幅度更為顯著，最大降幅可達(dá)58.1%；其中，Si+PAL-1、Si+PAL-2和Si+PAL-3處理的水稻糙米中Cd含量由對(duì)照的0.43 mg·kg-1分別降到了0.19、0.19、0.18 mg·kg-1，均低于糙米中Cd的食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限量值0.2 mg·kg-1（圖2）。另外，PAL處理也使水稻根、秸稈和穎殼中Cd含量分別比對(duì)照降低了20.9%、35.3%和28.6%；坡縷石聯(lián)合0.1%～0.4%葉面硅肥處理使水稻根、秸稈和穎殼中Cd含量分別比對(duì)照降低15.1%～17.8%、56.5%～68.7%和57.1%～63.3%（圖2）。表4顯示了葉面硅肥聯(lián)合坡縷石鈍化處理下水稻對(duì)Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的變化情況，其中Si+PAL-1、Si+PAL-2和Si+PAL-3處理的水稻對(duì)Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)顯著低于對(duì)照，降幅可達(dá)33.3%～53.8%，而單施坡縷石處理（PAL）與對(duì)照相比水稻對(duì)Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)沒有顯著差異。

圖2　葉面硅肥配合坡縷石鈍化處理對(duì)水稻植株各部位Cd含量的影響Figure 2 The combined effect of foliar application of Si and palygorskite immobilization on Cd concentration in rice

施用坡縷石對(duì)土壤pH和Cd有效態(tài)含量也有一定的影響，坡縷石能夠在一定程度上提高土壤pH值、降低土壤有效態(tài)Cd的含量。試驗(yàn)表明（表4），與對(duì)照相比，施用1.00%的坡縷石能夠使土壤pH平均提高約0.42個(gè)單位，且使土壤有效態(tài)Cd的含量平均降低約18.75%；而單施坡縷石處理與坡縷石聯(lián)合葉面硅肥處理時(shí)，土壤pH值和有效態(tài)Cd含量間沒有顯著性的差異。相關(guān)性分析結(jié)果顯示（表5），土壤pH值與糙米、穎殼以及秸稈中Cd含量呈極顯著負(fù)相關(guān)性（P＜0.01）；而土壤Cd有效態(tài)含量與糙米、穎殼、秸稈以及根系中Cd含量呈顯著正相關(guān)性（P＜0.05）。此外，土壤Cd有效態(tài)與土壤pH直接呈極顯著負(fù)相關(guān)性（P＜0.01），糙米Cd含量、穎殼Cd含量以及秸稈Cd含量間也存在顯著正相關(guān)性關(guān)系（P＜0.05）。說(shuō)明稻米Cd含量不僅受到土壤Cd有效態(tài)含量影響，而且與土壤pH及水稻根系Cd含量間緊密相關(guān)，同時(shí)與根系Cd向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)能力密切相關(guān)。因此，對(duì)稻米Cd含量的控制需要盡可能采取綜合防控措施，以利于提高修復(fù)效率。

3　討論

在水稻不同生育期噴施不同濃度葉面硅肥均能增加水稻產(chǎn)量（表2和表3），且能較為顯著地降低糙米、穎殼和秸稈中Cd的含量（圖1和圖2）以及Cd向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（表4）。水稻是典型的喜硅作物，硅在水稻的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中發(fā)揮著非常重要的作用［19-20］。研究證實(shí)，硅通過(guò)促進(jìn)水稻根系生長(zhǎng)，增強(qiáng)根系活力，增強(qiáng)葉片光合能力，提高水稻對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收量，從而促進(jìn)水稻的生長(zhǎng)和生物量的增加［7，21-22］。大量研究表明，硅不僅可以改善水稻的生長(zhǎng)，硅還可以緩解重金屬Cd對(duì)水稻的毒害，減少Cd在水稻體內(nèi)的累積，提高水稻對(duì)Cd的抵抗能力［7-12］。郭彬等［23］研究表明，施硅后齊穗期-成熟期水稻各器官干物質(zhì)積累量明顯高于分蘗期和拔節(jié)期。由此可見，施用硅肥對(duì)水稻后期的生長(zhǎng)發(fā)育的影響明顯高于前期，表明生殖生長(zhǎng)期硅素所起的作用大于營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期。研究表明［24］，硅進(jìn)入水稻葉片后，主要沉積在葉表皮層細(xì)胞內(nèi)，使葉片挺立，葉片與莖稈夾角減小，植株緊湊，從而改善水稻群體冠層對(duì)光的接受姿態(tài)，增大最適葉面積，增加群體光能截獲率，水稻施用硅肥還可以改善水稻葉片結(jié)構(gòu)和生理活性，從而提高葉片光合能力，增加水稻生物量。此外，稻谷產(chǎn)量的增加還表明施用坡縷石后減輕了重金屬Cd對(duì)水稻的毒害作用，這與前期相關(guān)大田試驗(yàn)的研究結(jié)果一致［16，25］。

表4　葉面硅肥配合坡縷石鈍化處理對(duì)土壤pH和有效態(tài)Cd含量的影響Table 4 The combined effect of foliar application of Si and palygorskite immobilization on pH and available Cd in soil

表5　水稻植株各部位Cd含量、土壤pH和土壤Cd有效態(tài)之間的相關(guān)關(guān)系Table 5 Correlation analysis of Cd content in rice，soil pH and soil available Cd

硅緩解植物Cd累積的機(jī)理，主要包括抑制植物根系對(duì)Cd的吸收［26］，影響Cd在植物體內(nèi)的分配以及抑制Cd向地上部的轉(zhuǎn)移運(yùn)輸?shù)龋?0］。相關(guān)研究認(rèn)為［27-28］，硅結(jié)合蛋白通過(guò)誘導(dǎo)硅在水稻根表皮下的纖維層細(xì)胞及內(nèi)皮層附近與重金屬鎘共沉淀，阻塞細(xì)胞壁孔隙度，影響鎘的質(zhì)外體運(yùn)輸，抑制鎘向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)，從而增加了鎘在根部的累積，減少了鎘向水稻莖葉和稻米中的遷移。其作用機(jī)制可能是硅通過(guò)葉面噴施進(jìn)入水稻體內(nèi)后，在植物體內(nèi)養(yǎng)分循環(huán)系統(tǒng)的作用下部分運(yùn)移到根部，與根系中的鎘發(fā)生共沉淀作用而減少了根系鎘向地上部的遷移。X射線能譜（EDX）分析顯示［28］，Cd分布在水稻根的內(nèi)皮層和表皮附近，而Si主要沉積在內(nèi)皮層，表皮沉積較少。這在一定程度上說(shuō)明硅在水稻根系內(nèi)皮層的沉積阻塞了根部的質(zhì)外體旁通流量，限制了Cd的質(zhì)外體運(yùn)輸過(guò)程。噴施葉面硅后，共質(zhì)體鎘和質(zhì)外體鎘的分布比例并沒有很大影響，但其在地上部和地下部的濃度均有所降低，而其中的吸收、轉(zhuǎn)化機(jī)制仍有待研究。本文研究還發(fā)現(xiàn)，水稻分蘗期葉面硅處理降低稻米鎘的效果要明顯好于齊穗期，說(shuō)明與齊穗期相比，分蘗期植物體內(nèi)養(yǎng)分循環(huán)較快、較活躍，通過(guò)葉面進(jìn)入水稻體內(nèi)的硅會(huì)以較大的百分比運(yùn)移到根部，使更多的硅與鎘形成沉淀，而相應(yīng)處理的根系鎘含量數(shù)據(jù)也證實(shí)了這一點(diǎn)。這是因?yàn)楣韪淖兞烁?xì)胞中鎘的分布，增加鎘在細(xì)胞壁中沉積，形成Si-Cd的復(fù)合物，減少鎘在共質(zhì)體中的比重，并促進(jìn)了質(zhì)外體自由空間中的鎘向交換態(tài)轉(zhuǎn)化，而鎘進(jìn)入共質(zhì)體的受阻和對(duì)自由空間中的鎘的束縛和鈍化，對(duì)于提高根細(xì)胞對(duì)鎘毒害的抵御能力，進(jìn)而減輕Cd向果穗部的遷移及其在穗部的積累［29］。

Wang等［30］在探討施硅對(duì)水稻苗耐Cd2+能力的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，硅修飾的細(xì)胞壁具有對(duì)Cd2+較強(qiáng)的親合性，明顯抑制了Cd2+毒害。這是由于Si（OH）4上羥基與細(xì)胞壁多糖上的羥基通過(guò)親水/親水分子間弱相互作用，在細(xì)胞質(zhì)外體空間內(nèi)形成了有序的SiO2膠體，而有序的SiO2膠體表面態(tài)具有硅醇的配體性質(zhì)，可與Cd2+等金屬離子配合形成Cd-Si復(fù)合氧化物，從而降低了Cd2+毒害。此外，由于硅對(duì)水稻植株蒸騰作用的抑制作用，減少了土壤鎘隨蒸騰流進(jìn)入水稻地上部的相對(duì)數(shù)量，同樣可以降低稻米中鎘累積量［20］。硅作為水稻的有益元素，可以提高水稻葉片葉綠素含量、提高根系活力、降低細(xì)胞膜的透性，從而提高水稻對(duì)重金屬毒害的抵抗能力［31］。

試驗(yàn)結(jié)果表明，葉面噴施硅肥能在一定程度上降低水稻地上部Cd的含量和Cd從根系向植物地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)，但對(duì)根系中Cd含量沒有顯著影響（圖1、表4）。也即噴施葉面硅肥對(duì)根系Cd的吸收沒有顯著影響，但是對(duì)Cd從水稻根系向地上部遷移轉(zhuǎn)運(yùn)和分配具有明顯的抑制作用。這可能是噴施葉面硅肥增加了水稻根系細(xì)胞壁對(duì)Cd的吸附固定能力，從而阻止了Cd由根系向地上部運(yùn)輸［10］。另外，噴施葉面硅肥對(duì)水稻Cd的阻控效應(yīng)在不同時(shí)期可能存在著不同的效果，從而最終導(dǎo)致稻米Cd含量存在不同的控制效應(yīng)。在水稻分蘗期噴施葉面硅肥對(duì)糙米的降Cd效果要高于齊穗期，且在水稻分蘗期和齊穗期分兩次噴施，增加噴施次數(shù)能進(jìn)一步提高降Cd效果（圖1）。這主要是由于水稻在不同生育時(shí)期對(duì)Cd和硅的吸收能力有關(guān)，在水稻分蘗期根系吸收的硅占整個(gè)生育期吸收總量的三分之二［32］，而水稻在幼穗分化至抽穗期對(duì)Cd的吸收速率最高［33］，但是具體影響機(jī)理還仍然需要進(jìn)一步開展試驗(yàn)詳細(xì)研究。

在Cd污染酸性水稻土中添加坡縷石能夠有效地降低水稻對(duì)Cd的吸收（圖2）。坡縷石屬于弱堿性黏土礦物材料，土壤中添加坡縷石后能夠使土壤pH提高約0.4個(gè)單位，且土壤pH與糙米、穎殼、秸稈以及根系中Cd含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系（表4和表5）。土壤pH是影響土壤中Cd的形態(tài)和有效性的重要影響因素［34］，提高土壤pH值，會(huì)增加土壤膠體負(fù)電荷，促進(jìn)土壤膠體和黏粒對(duì)重金屬離子的吸附，使重金屬被結(jié)合得更牢固，且多以難溶的氫氧化物或碳酸鹽及磷酸鹽的形式存在，大幅降低土壤重金屬的有效性和可遷移性［35-36］。試驗(yàn)表明，土壤中添加坡縷石能夠顯著降低0.025 mol·L-1HCl提取態(tài)Cd含量（表4），HCl提取態(tài)Cd含量則能較好地反映水稻對(duì)酸性土壤中Cd的吸收，且與水稻植株各部分Cd含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系（表5）。另外，坡縷石可以吸附土壤中的重金屬Cd離子，降低土壤中重金屬Cd離子的有效性。在鈍化阻控修復(fù)與葉面阻隔技術(shù)聯(lián)合中，鈍化阻控主要是降低土壤中有效態(tài)Cd含量，減少水稻根系對(duì)土壤中Cd的吸收，而葉面噴施硅肥主要是從水稻自身出發(fā)抑制水稻植株從根系向地上部運(yùn)移Cd的能力，由此從土壤和水稻植株兩方面著手，實(shí)現(xiàn)水稻地下根系減吸、地上植株降吸的雙重效果，達(dá)到控制稻米中重金屬Cd的吸收累積目的。

此外，課題組在前期大田采用坡縷石鈍化修復(fù)酸性Cd污染稻田研究結(jié)果表明［16］，未經(jīng)鈍化修復(fù)的對(duì)照組水稻糙米Cd含量為0.72 mg·kg-1，施加坡縷石1.0 kg·m-2處理時(shí)，糙米Cd含量由鈍化修復(fù)前的0.72 mg·kg-1可降至0.56 mg·kg-1，但降低率僅為22.9%；當(dāng)坡縷石施加量增加到2.0 kg·m-2處理時(shí)，可使糙米Cd含量降至0.32 mg·kg-1，降低率達(dá)54.6%。這說(shuō)明增加坡縷石施用量可以促進(jìn)土壤中Cd由活性較高的可提取態(tài)向活性低的有機(jī)結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)以及殘?jiān)鼞B(tài)轉(zhuǎn)化，提高鈍化修復(fù)效率，但將會(huì)大幅度增加修復(fù)成本，同時(shí)隨著坡縷石施用量的增加會(huì)加大對(duì)稻田土壤環(huán)境的擾動(dòng)行為，有可能對(duì)水稻生長(zhǎng)和土壤理化性質(zhì)及微生物生活環(huán)境帶來(lái)負(fù)面影響。本文試驗(yàn)表明，坡縷石鈍化處理結(jié)合在水稻分蘗期和齊穗期噴施葉面硅肥能夠進(jìn)一步降低稻米中的Cd含量，其中坡縷石聯(lián)合噴施0.10%～0.40%葉面硅肥能使糙米中Cd含量降低至國(guó)家食品安全標(biāo)準(zhǔn)限量值以下。因此，在實(shí)際大田修復(fù)中，對(duì)中度Cd污染酸性水稻田修復(fù)治理，一般不建議大幅度增加鈍化劑施用量，而采取以鈍化修復(fù)技術(shù)為核心，輔助集成如葉面阻隔技術(shù)、農(nóng)藝調(diào)控技術(shù)或低累積品種種植等措施，在沒有大幅度增加修復(fù)成本的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)稻米中Cd累積量的控制，達(dá)到修復(fù)目標(biāo)。

4　結(jié)論

（1）葉面噴施硅肥可以提高水稻稻谷和秸稈的生物量，不同程度地降低稻米中Cd的含量，且在水稻分蘗期和齊穗期分兩次噴施對(duì)稻米吸收Cd的抑制效果較好。

（2）土壤中施加坡縷石可以提高土壤pH值，顯著降低酸性Cd污染水稻土中有效態(tài)Cd含量，減少水稻根系對(duì)土壤中Cd的吸收，從而有效降低稻米中Cd累積量。

（3）坡縷石鈍化處理聯(lián)合噴施葉面硅肥輔助措施，與單一鈍化處理相比，能夠有效地降低稻米中Cd含量，其中坡縷石鈍化處理聯(lián)合噴施0.1%～0.4%葉面硅肥能使糙米Cd含量降低到食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物糙米中Cd限量值以下。

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Effect of palygorskite immobilization combined with foliar silicon fertilizer application on Cd accumulation in rice

XU Yi1，LI Jian-rui2，3，HUANG Qing-qing3，4，LIANG Xue-feng3，4，PENG Liang1，XU Ying-ming3，4*
（1.College of Resource and Environment，Hunan Agricultural University，Changsha 410128，China；2.Taiyuan Institute of Technology，Taiyuan 030008，China；3.Innovative Team of Remediation for Heavy Metal Contaminated Farmland，Agro-Environmental Protection Institute of Ministry of Agriculture，Tianjin 300191，China；4.Key Laboratory of Original Environmental Quality of Ministry of Agriculture，Tianjin 300191，China）

Pot experiments were conducted to investigate the effect of palygorskite immobilization combined with foliar silicon fertilizer application on cadmium accumulation in rice.The results showed that foliar application of Si obviously increased the dry weight of grain（with husk）and straw in rice grown in Cd contaminated soil，reduced Cd concentrations in grain，husk and straw and the Cd translocation to shoot，while Cd was more sequestrated in root.In comparison with the control treatment，the foliar application of Si led to a maximal decrease in the Cd concentrations of 34.9%for the grain，30.1%for the husk and 34.0%for the straw，respectively.And from the foliar application period of Si，the order of Cd reduction effect was spraying Si at the tillering stage plus full heading period＞tillering stage＞full heading period.Pot ex－periments results showed that the application of palygorskite could increase soil pH，reduce the bioavailability of Cd in soil and Cd concentration in rice.The addition of palygorskite decreased Cd contents by 39.5%for the grain，28.6%for the husk，35.3%for the straw and 20.9%for the root compared with the control，respectively.In addition，the combined effect of foliar application of Si and palygorskite immobilization were more effectively on Cd accumulation in rice，Cd contents in grain were reduced from 0.43 mg·kg-1to less than national food safety standards of the rice cadmium 0.20 mg·kg-1，and the Cd concentration in rice root，straw，husk and rice decreased by 17.8%，68.7%，63.3%and 58.1%，respectively.

palygorskite；immilization；foliar silicon fertilizer；cadmium；rice

X53

A

1672-2043（2016）09-1633-09doi：10.11654/jaes.2016-0838

2016－06－24

中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新工程項(xiàng)目（2013-cxgc-xym，2014-cxgc-xym）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（21177068）

徐奕（1994—），女，天津市人，本科在讀，環(huán)境科學(xué)專業(yè)。E-mail：279129258@qq.com

徐應(yīng)明E-mail：ymxu1999@126.com