不同時期噴施Zn肥抑制水稻Cd吸收轉(zhuǎn)運的效果

靳 磊，胡召華，紀(jì)雄輝，魏 維，謝運河

（1.湖南省微生物研究院，湖南 長沙 410009；2.湘潭市農(nóng)業(yè)委員會，湖南 湘潭 411100；3.湖南省農(nóng)業(yè)環(huán)境生態(tài)研究所，農(nóng)田土壤重金屬污染防控與修復(fù)湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410125；4.南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南 長沙 410125；5.農(nóng)業(yè)部長江中游平原農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，湖南 長沙 410125）

不同時期噴施Zn肥抑制水稻Cd吸收轉(zhuǎn)運的效果

靳 磊1，胡召華2，紀(jì)雄輝3,4,5，魏 維3,4,5，謝運河3,4,5

（1.湖南省微生物研究院，湖南 長沙 410009；2.湘潭市農(nóng)業(yè)委員會，湖南 湘潭 411100；3.湖南省農(nóng)業(yè)環(huán)境生態(tài)研究所，農(nóng)田土壤重金屬污染防控與修復(fù)湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410125；4.南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南 長沙 410125；5.農(nóng)業(yè)部長江中游平原農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，湖南 長沙 410125）

選擇湖南典型鎘（Cd）污染稻田，分別在苗期、分蘗初期、分蘗盛期和孕穗期噴施鋅（Zn）肥，研究Zn對水稻Cd吸收轉(zhuǎn)運的影響。結(jié)果表明：噴施Zn肥可顯著提高水稻地上部的Zn含量，并顯著抑制水稻對Cd的吸收，分蘗盛期和孕穗期噴施Zn肥，稻米中Cd含量分別降低了45.85%（P＜0.05）和47.52%（P＜0.05）。試驗結(jié)果還表明，水稻米、莖、葉間Zn-Cd交互作用顯著，施Zn可顯著抑制水稻對Cd的吸收轉(zhuǎn)運，米Cd含量主要由莖Cd含量決定，但受Zn-Cd拮抗作用的調(diào)控。

水稻；鋅；鎘；重金屬；葉面肥

重金屬鎘（Cd）是生物毒性極強(qiáng)的環(huán)境污染元素之一，近20 a來，鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)快速發(fā)展，尤其是采礦和冶金工業(yè)的發(fā)展以及城市廢棄物（如污泥、污水）等在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重新利用，使得農(nóng)田重金屬污染日趨嚴(yán)重。其中，Cd污染尤為突出，在南方紅壤區(qū)農(nóng)田鎘超標(biāo)率為48%。資料顯示，20世紀(jì)80年代至21世紀(jì)初的20 a中，農(nóng)田土壤Cd含量增加了一倍[1]。在各類Cd污染農(nóng)田中，有5%～10%的面積嚴(yán)重減產(chǎn)[2]。由于南方土壤pH值普遍較低、吸附力弱、陽離子交換量小，Cd離子的活性較高，容易被作物吸收，并通過食物鏈進(jìn)入人體，嚴(yán)重危害人們的健康[3-4]，所以治理任務(wù)刻不容緩。

在元素周期表中，鋅（Zn）與Cd屬同族元素，具有相同的核外電子構(gòu)型，化學(xué)性質(zhì)相似，是土壤Cd吸附位點以及植株Cd吸收與轉(zhuǎn)運過程中的主要競爭者。Zn是生物體必需的重要微量元素，在體內(nèi)發(fā)揮重要的生理作用，被稱為人體的智慧元素[5]。目前，對Cd-Zn交互作用的植物效應(yīng)已經(jīng)有了比較深入的研究，Cd-Zn交互作用既有協(xié)同的一面[6-7]，也有拮抗的一面[8-11]，還存在加和作用[12]。Adiloglul[13]研究表明施Zn可降低谷類作物Cd的積累，而在缺Zn土壤上施Zn使Cd的積累增加；曲榮輝等[14]通過水培試驗也證實，在中低劑量的Cd污染條件下，Zn、Cd間存在明顯的拮抗作用；索炎炎等[15]研究表明在Cd低濃度（土壤Cd含量2.5 mg/kg）條件下葉面噴施Zn增加了糙米中的Cd含量，而高濃度（土壤Cd含量5.0 mg/kg）條件下葉面噴施Zn卻顯著降低了稻米中的Cd含量。由此可見，Cd-Zn交互作用因作物品種、Cd含量、Zn含量的不同存在較大差異。因此，筆者針對我國農(nóng)田污染的實際情況，選擇湖南典型Cd污染稻田，通過不同時期噴施Zn肥研究水稻對Cd的吸收轉(zhuǎn)運的影響，明確在不同時期噴施Zn肥后Cd的遷移轉(zhuǎn)運規(guī)律，進(jìn)一步探明Zn、Cd間的轉(zhuǎn)運機(jī)理，為利用Zn肥修復(fù)農(nóng)田Cd污染提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤：為花崗巖發(fā)育的麻砂泥水稻土，地處長沙縣北山鎮(zhèn)（N：28°26′38″，E：113°03′ 50″），雙季稻種植。土壤pH值5.17，土壤全氮（N）2.75 g/kg，全磷（P）1.12 g/kg，全鉀（K）30.6 g/kg，有機(jī)質(zhì)30.1 g/kg，堿解氮217 mg/kg，有效磷29.6 mg/kg，速效鉀188 mg/kg。土壤全Cd 0.96 mg/kg，土壤有效態(tài)（1 mol/L乙酸銨提取）Cd含量0.34 mg/kg；土壤全Zn 77.5 mg/kg，土壤有效態(tài)（1 mol/L乙酸銨提取）Zn含量3.44 mg/kg。

供試水稻：晚稻品種為湖南省雜交水稻研究中心選育的三系雜交中熟晚秈豐源優(yōu)299。

供試Zn肥：ZnSO4·7H2O（化學(xué)純），溶水后稀釋500倍噴施。

1.2 試驗方法

試驗設(shè)5個處理，分別為：CK，常規(guī)施肥+噴施清水；P1，常規(guī)施肥+水稻苗期（移栽后15 d）噴施Zn肥（以ZnSO4計，下同）3 kg/hm2；P2，常規(guī)施肥+水稻分蘗初期（移栽后30 d）噴施Zn肥3 kg/ hm2；P3，常規(guī)施肥+水稻分蘗盛期（移栽后45 d）噴施Zn肥3 kg/hm2；P4，常規(guī)施肥+水稻孕穗期（移栽后60 d）噴施Zn肥3 kg/hm2。每個處理3次重復(fù)，小區(qū)面30 m2，隨機(jī)排列，外設(shè)保護(hù)區(qū)，小區(qū)間田埂采用塑料薄膜鋪蓋至田面20 cm以下。各小區(qū)單灌單排，避免串灌串排。所有處理的N、P2O5、K2O施用量分別為150、120、120 kg/hm2，采用當(dāng)?shù)亓?xí)慣進(jìn)行水分及病蟲害管理，Zn肥選擇陰天或無風(fēng)多云天氣的上午7:00～10:00噴施。

1.3 檢測分析方法

植株Cd、Zn含量測定：準(zhǔn)確稱取粉碎樣0.3 g于消煮管中，采用HNO3-H2O2微波法進(jìn)行消煮，將消煮后的混合液定容后過濾，稀釋20～100倍后用ICPMS測定溶液Cd、Zn濃度。ICP-MS檢測采用銠（Rh）做內(nèi)標(biāo)，回收率90%～105%。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

Cd、Zn在水稻地上部各個部位之間的遷移情況用轉(zhuǎn)移系數(shù)（TF）表示：

式中：TFx-y代表Cd、Zn從x到y(tǒng)之間的轉(zhuǎn)移系數(shù)；x和y分別代表水稻地上部的某一部位，如米、莖、葉；Cx、Cy分別代表兩個部位中Cd、Zn的濃度。

Cd、Zn在土壤—水稻系統(tǒng)各個部位的相互作用情況用拮抗系數(shù)（AF）表示：

式中：AFZn/Cd代表Cd、Zn在x處的拮抗系數(shù)，x代表水稻地上部的米、莖、葉；CZn、CCd分別代表該部位中Cd、Zn的濃度。

采用SPSS 17.0及Microsoft excel 2003軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同時期噴施Zn肥對水稻產(chǎn)量的影響

從圖1中可以看出，噴施Zn肥后水稻產(chǎn)量有所提高，其中常規(guī)施肥（CK）處理的水稻產(chǎn)量為5 116.51 kg/hm2，苗期、分蘗初期、分蘗盛期、孕穗期噴施Zn肥的水稻產(chǎn)量分別比對照增產(chǎn)1.03%、2.17%、2.15%和1.82%，但差異皆不顯著。

圖1不同時期噴施Zn肥的水稻產(chǎn)量

2.2 不同時期噴施Zn肥對水稻Cd、Zn含量的影響

由圖2可知，噴施Zn肥可降低稻米和莖中的Cd含量，且不同時期噴施處理間差異顯著，其降Cd效果隨噴施時間的后移而加強(qiáng)；而噴施Zn肥對葉的Cd含量無明顯影響。與對照相比，苗期、分蘗初期、分蘗盛期、孕穗期噴施Zn肥，其米中的Cd含量分別降低了3.79%、19.85%（P＜0.05）、45.84%（P＜0.05）和47.51%（P＜0.05），其莖中的Cd含量分別降低了15.45%、18.22%、35.88%（P＜0.05）和41.62%（P＜0.05）。苗期噴施Zn肥對水稻米、莖Cd含量皆無顯著影響，表明苗期噴施Zn肥對水稻Cd吸收的影響不明顯；分蘗初期噴施Zn肥可顯著降低米Cd含量，其降低效果低于分蘗盛期和孕穗期噴施，且其降低莖Cd含量的效果不明顯；分蘗盛期和孕穗期噴施Zn肥可顯著降低米、莖Cd含量，兩個時期噴施Zn肥降低水稻Cd含量的差異不明顯。由此可見，從降低水稻對Cd的吸收積累看，分蘗盛期和孕穗期是噴施Zn肥的適宜時期。

圖2不同時期噴施Zn肥的水稻Cd含量

測定水稻成熟期米、莖、葉中的Zn含量，結(jié)果如圖3所示，噴施Zn肥可顯著增加米、莖、葉中的Zn含量，不同器官間Zn含量高低表現(xiàn)為葉＞莖＞米，且Zn肥噴施時間越晚，米、莖、葉中的Zn含量增加越多。與對照相比，苗期、分蘗初期、分蘗盛期、孕穗期噴施Zn肥，其米中的Zn含量分別增加了5.47%、25.61%、49.27%（P＜0.05）和34.79%（P＜0.05），其莖中的Zn含量分別增加了41.64%（P＜0.05）、65.22%（P＜0.05）、95.24%（P＜0.05）和108.33%（P＜0.05），其葉中的Zn含量分別增加了20.11%、104.72%（P＜0.05）、129.37%（P＜0.05）和266.41%（P＜0.05）。由此可見，除苗期噴施Zn肥對水稻米、葉Zn含量無顯著影響外，其余時期噴施Zn肥皆可顯著提高水稻米、莖、葉的Zn含量，且隨著Zn肥噴施時間的后移，水稻對Zn的吸收積累越多。

圖3不同時期噴施Zn肥的水稻Zn含量

2.3 噴施Zn肥對水稻轉(zhuǎn)運Cd、Zn及Zn-Cd拮抗作用的影響

以米、葉Cd、Zn含量與莖Cd、Zn含量的比值計算Cd、Zn的轉(zhuǎn)運系數(shù)（TF莖-米、TF莖-葉）結(jié)果如表1所示，噴施Zn肥對Cd的TF莖-米系數(shù)無顯著影響，而Cd的TF莖-葉系數(shù)則隨Zn肥噴施時期的后移逐漸增大。這表明水稻從莖向米轉(zhuǎn)運Cd的能力相對穩(wěn)定，米中的Cd含量主要受莖Cd含量的影響；葉對Cd的吸收與葉Zn向莖的轉(zhuǎn)運呈現(xiàn)出協(xié)同效應(yīng)，隨著Zn肥噴施時間的后移，Cd從莖向葉轉(zhuǎn)運的能力逐漸增強(qiáng)，但由于轉(zhuǎn)運時間縮短，葉Cd含量并沒有明顯的增加。

表1不同時期噴施Zn肥水稻Cd、Zn轉(zhuǎn)運系數(shù)及拮抗系數(shù)

噴施Zn肥降低了Zn的TF莖-米系數(shù)，但增加了其TF莖-葉系數(shù)，不同噴施時期Zn的TF莖-米系數(shù)無明顯差異，但Zn的TF莖-葉系數(shù)隨噴施時期的推遲呈增加趨勢。這可能是噴施的Zn主要靠葉吸收，并通過葉片逐漸向莖、米轉(zhuǎn)移，而隨時間的后移，水稻生長加快，吸收能力增強(qiáng)，但葉Zn向莖、米轉(zhuǎn)運時間縮短，轉(zhuǎn)運量占葉片吸收量的比重逐漸降低，葉向莖轉(zhuǎn)運的Zn量高于莖向米轉(zhuǎn)運的Zn量，從而出現(xiàn)Zn的TF莖-米系數(shù)與TF莖-葉系數(shù)隨Zn肥噴施時期后移呈現(xiàn)不同的變化趨勢。

以米、莖、葉中Zn/Cd含量的比值計算水稻地上部器官中的Zn-Cd拮抗系數(shù)（AFZn/Cd），由表1可知，米、莖、葉的AFZn/Cd系數(shù)皆隨Zn肥噴施時間的延遲逐漸增加，且葉＞米＞莖。葉是吸收積累Zn的最主要器官，其Zn-Cd拮抗系數(shù)隨Zn肥噴施時間的后移逐漸增加主要是葉對Zn的吸收積累能力增強(qiáng)所致；而米、莖的AFZn/Cd系數(shù)隨Zn肥噴施逐漸增大的主要原因是Zn通過葉轉(zhuǎn)運至水稻莖、米甚至根部，與Cd產(chǎn)生拮抗作用，抑制了水稻對Cd的吸收，其抑制能力隨Zn肥噴施時期的推后而增強(qiáng)，且Zn對米吸收Cd的拮抗能力高于莖。

2.4 水稻Cd、Zn吸收與水稻Cd、Zn轉(zhuǎn)運及拮抗作用間的關(guān)聯(lián)

從表2中可以看出，米Cd含量與莖Cd含量極顯著正相關(guān)，葉Cd含量與米、莖Cd含量皆相關(guān)不明顯；米Cd含量、莖Cd含量皆與米、莖、葉Zn含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，而葉Cd含量與米、莖、葉Zn含量皆相關(guān)性不顯著；這表明米、莖Cd含量與Zn含量存在顯著的拮抗作用，水稻對Zn的吸收可顯著降低莖、米中的Cd含量。

分析水稻Cd含量與Cd、Zn轉(zhuǎn)運系數(shù)及拮抗系數(shù)間的相關(guān)性，結(jié)果如表3所示，水稻米、莖、葉中的Cd含量與Cd的TF莖-米系數(shù)相關(guān)性無明顯規(guī)律，但與Zn的TF莖-米系數(shù)皆呈正相關(guān)關(guān)系，表明水稻對Cd、Zn的轉(zhuǎn)運能力成正比，即水稻吸收Cd能力增強(qiáng)的同時吸收Zn的能力也隨之增強(qiáng)；而米、莖Cd含量與Cd、Zn的TF莖-葉系數(shù)皆呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，而葉Cd含量與Cd、Zn的TF莖-葉系數(shù)皆呈正相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)性不顯著，表明莖向米、葉中轉(zhuǎn)運Cd、Zn的能力越強(qiáng)，水稻莖、米中的Cd含量越低，而葉Cd含量則受其影響不明顯；米、莖Cd含量與米、莖、葉AFZn/Cd系數(shù)皆呈極顯著負(fù)相關(guān)，而葉Cd含量與之相關(guān)性不顯著，表明Zn/Cd比值越大，Cd、Zn拮抗作用越大，水稻對Cd的吸收積累越少，水稻莖、米中Cd含量越低。

表2不同時期噴施Zn肥水稻Cd、Zn含量間的相關(guān)系數(shù)

表3不同時期噴施Zn肥水稻Cd含量與Cd、Zn轉(zhuǎn)運系數(shù)及拮抗系數(shù)間的相關(guān)系數(shù)

3 討 論

水稻生長呈先慢后快再慢的“S”型曲線，其在苗期生長較為緩慢，對營養(yǎng)的需求較少，吸收能力較弱[16]，苗期噴施Zn肥對水稻Cd、Zn含量的影響不明顯，而隨水稻生長的加快，水稻生物量增加，吸收能力增強(qiáng)，水稻葉片對噴施的Zn吸收能力和轉(zhuǎn)運能力增強(qiáng)，顯著提高了水稻葉、莖、米的Zn含量，但由于葉是吸收Zn的主要器官，其吸收的Zn向莖、米甚至根部轉(zhuǎn)移，滿足了水稻對Zn的需求，水稻從土壤中吸收Zn的量減少，而根系運輸Zn和運輸Cd的載體和離子通道基本相同[17]，水稻對Zn吸收減少的同時也會降低水稻對Cd的吸收。而在水稻體內(nèi)，Zn由葉向莖中轉(zhuǎn)移，Cd則由莖向葉中轉(zhuǎn)運，兩者方向相反，表現(xiàn)為協(xié)同作用；隨著Zn肥噴施時間的后移，葉Zn向莖轉(zhuǎn)運能力隨之增強(qiáng)，同時也促使莖Cd向葉的轉(zhuǎn)運能力增強(qiáng)，但由于轉(zhuǎn)運時間縮短，葉Cd含量并沒有明顯的增加；而Zn、Cd在水稻莖、米中表現(xiàn)出顯著拮抗作用，隨著Zn向莖、米轉(zhuǎn)運量的增加，莖、米中的Cd含量顯著下降。

相關(guān)分析結(jié)果顯示，水稻對Cd、Zn的轉(zhuǎn)運能力成正比，即水稻吸收Cd能力增強(qiáng)的同時吸收Zn的能力也隨之增強(qiáng)；稻米Cd含量與莖Cd含量呈極顯著正相關(guān)，表明只有從源頭控制了水稻對Cd的吸收才能真正實現(xiàn)稻米中Cd含量的安全；分析結(jié)果還表明，米、莖Cd含量與米、莖、葉AFZn/Cd系數(shù)皆呈極顯著負(fù)相關(guān)，表明Zn/Cd比值越大，Cd、Zn拮抗作用越大，水稻對Cd的吸收積累越少，水稻莖、米中Cd含量越低。由此可見，稻米Cd含量與莖Cd含量直接相關(guān)，但同時受Zn-Cd拮抗作用的調(diào)節(jié)，莖Cd含量決定了米中Cd含量的容量，而Zn-Cd拮抗作用則對米Cd含量起調(diào)控作用，這與Christensen[18]、Bunluesin[19]、宋正國[20]等的研究結(jié)果一致，Cd-Zn交互作用主要受Zn/Cd比（質(zhì)量比）的影響，Zn/Cd比與水稻Cd吸收呈顯著負(fù)相關(guān)。

該試驗結(jié)果還表明，分蘗盛期和孕穗期噴施Zn肥降低水稻Cd吸收的效果較理想，苗期噴施的效果較差。但由于葉面噴施Zn肥受天氣、水稻品種、土壤Zn/Cd含量水平、噴施均勻度等多因素的影響，噴施效果存在較大差異，該研究僅對水稻孕穗期之前不同時期進(jìn)行了噴施試驗，不同時間段的組合噴施、孕穗期以后噴施、外界環(huán)境對水稻降Cd效果的影響均有待系統(tǒng)研究。

4 結(jié) 論

噴施Zn肥可顯著提高水稻葉、莖、米Zn含量，降低水稻對Cd的吸收，其效果皆隨噴施時間的后移而增強(qiáng)，分蘗盛期和孕穗期噴施Zn肥降低稻米Cd含量的效果最明顯；噴施Zn肥條件下，水稻米、莖、葉的對Cd、Zn的吸收存在顯著的拮抗作用，米Cd含量主要由莖Cd含量決定，但受Zn-Cd拮抗作用的調(diào)控。

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（責(zé)任編輯：成 平）

Effects of Zinc Foliar Application at Different Growth Stages on Cadmium Absorption and Transport in Rice

JIN Lei1，HU Zhao-hua2，JI Xiong-hui3,4,5，WEI Wei3,4,5，XIE Yun-he3,4,5
（1. Hunan Academy of Microbiology, Changsha 410000, PRC; 2. Agricultural Committee of Xiangtan, Xiangtan 411100, PRC; 3. Hunan Agro-Environment and Ecology Institute , Hunan Key Lab of Prevention, Control and Remediation of Agro-Soil Heavy Metal Pollution, Changsha 410125, PRC; 4. Southern-China Collaborative Innovation Center for Grain and Oil Crops, Changsha 410125, PRC; 5. Key Laboratory of Agro-Environment in Plain of Middle Reaches of Yangtze River, Minister of Agriculture, Changsha 410125, PRC）

In this study, a field experiment was conducted in the Hunan typical Cd-contaminated paddy soil to investigate the influence of Zn fertilizer foliar spraying at different growth stages on Cd uptake and translocation in rice. The result showed that the Zn foliar application significantly increased the Zn content in the aboveground parts of rice and obviously inhibited the Cd absorption by rice. The Cd content in rice grain reduced by about 45.85% (P＜0.05) and 47.52% (P＜0.05) under the Zn foliar spraying at active tillering stage and booting stage, respectively. Zn-Cd interactions in rice grain, stems and leaves were remarkable, Zn application significantly inhibited the Cd absorption and translocation in rice, and the grain Cd content was mainly determined by the stem Cd content and regulated by the antagonistic action of Cd-Zn in rice.

rice; Zn; Cd; heavy metal; foliage fertilizer

S143.7+2

：A

：1006-060X（2017）08-0037-04

10.16498/j.cnki.hnnykx.2017.008.010

2017-06-08

水利部公益性行業(yè)專項經(jīng)費項目（201501019）；湖南省重點研發(fā)計劃-農(nóng)業(yè)領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新項目（2016NK2190）

靳 磊（1984-），男，湖南長沙市人，助理研究員，主要從事農(nóng)田重金屬污染修復(fù)治理研究。

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