硅基葉面阻控劑對(duì)水稻的控鎘效應(yīng)

康兵 顧祝禹 皮杰 黃博陽(yáng) 李文超 唐東海

摘要：在中輕度Cd污染區(qū)域開展大田試驗(yàn)，探索不同用量的硅基葉面阻控劑對(duì)土壤有效Cd、水稻（Oryza sativa L.）不同器官Cd含量及Cd轉(zhuǎn)運(yùn)的影響。結(jié)果表明，葉面阻控劑不能降低土壤有效Cd含量，但能調(diào)控Cd在水稻器官中的轉(zhuǎn)運(yùn)與富集，與不施葉面阻控劑對(duì)照相比，水稻根、莖、葉與稻米中Cd含量分別降低13.06%～27.03%、17.39%～36.96%、14.89%～42.55%、11.11%～32.83%，水稻對(duì)Cd的富集從高到低依次為根、莖、葉、稻米。水稻植株中Cd從根到莖（TF根-莖）、莖到葉（TF莖-葉）、葉到稻米（TF葉-稻米）的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)分別為0.36～0.42、0.47～0.53、0.42～0.50，其中根到莖的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)最低，且隨葉面阻控劑用量的增加其轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)逐漸降低。施用一定量的葉面阻控劑在一定程度上能提高水稻產(chǎn)量，從經(jīng)濟(jì)成本和降鎘效果等因素綜合考慮，用量為4 500 mL/hm2時(shí)，成本低廉且效果較佳。

關(guān)鍵詞：硅基葉面阻控劑；水稻（Oryza sativa L.）；污染土壤；轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)；產(chǎn)量；控鎘效應(yīng)

中圖分類號(hào)：X53；S511? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2024）06-0022-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.06.004 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Effect of silicon-based leaf inhibitor on Cd control in rice

KANG Bing1， GU Zhu-yu2， PI Jie1， HUANG Bo-yang2， LI Wen-chao2， TANG Dong-hai1

（1.Songzi Farmland Construction and Consolidation Center， Songzi? 434200， Hubei， China；

2.Wuhan Xiugu Technology Co.， Ltd.，Wuhan? 430070， China）

Abstract： A field experiment was carried out to investigate the effects of different concentrations of silicon-based leaf inhibitors on available Cd in soil， and the content and the transport of Cd in different organs of rice （Oryza sativa L.）. The results showed that leaf inhibitors could not reduce the content of available Cd in soil， but could regulate the transport and accumulation of Cd in rice organs. Compared with the control without leaf inhibitor， the Cd contents in roots， stems， leaves and grain of rice with leaf inhibitor decreased by 13.06%～27.03%， 17.39%～36.96%， 14.89%～42.55%， and 11.11%～32.83%， respectively. The order of Cd accumulation in rice from high to low was root， stem， leaf and grain. The transport coefficients of Cd from root to stem （TFroot-stem）， stem to leaf （TFstem-leaf） and leaf to rice （TFleaf-Rice） were 0.36～0.42， 0.47～0.53 and 0.42～0.50， respectively， the transport coefficient from root to stem was the lowest， and it decreased gradually with the increase of the dosage of inhibitor. The yield of rice could be increased by applying a certain amount of leaf inhibitor. Considering the comprehensive factors such as economic cost and the effect of reducing cadmium， the cost was low and the effect was better when the dosage was 4 500 mL/hm2.

Key words： silicon-based leaf inhibitor； rice（Oryza sativa L.）； polluted soil； transport coefficient； yield； effect of Cd control

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工業(yè)產(chǎn)生的“三廢”與各種化肥農(nóng)藥的不合理運(yùn)用逐漸加劇了生態(tài)環(huán)境的污染，其中重金屬Cd的污染尤為突出，Cd元素主要通過(guò)礦山冶煉或化肥農(nóng)藥等途徑遷移到農(nóng)田環(huán)境中，嚴(yán)重影響了中國(guó)糧食安全與品質(zhì)［1，2］。Cd具有較高的生物有效性與毒性，土壤中Cd含量的增加能使土壤中有益菌群大量減少，土壤自凈能力降低，土壤環(huán)境質(zhì)量下降，進(jìn)而影響農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量與品質(zhì)，并通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體，威脅著人類的生命健康［3-5］。因此，在Cd污染的土壤上研究農(nóng)產(chǎn)品可食部位安全與品質(zhì)問(wèn)題具有重要的現(xiàn)實(shí)意義［6，7］。

影響農(nóng)作物對(duì)Cd吸收與富集的因素較多，目前降低農(nóng)產(chǎn)品可食部位Cd含量的主要方式有兩種：一是通過(guò)篩選出對(duì)Cd吸收與富集較低的低積累品種［8，9］；二是通過(guò)化學(xué)方法抑制農(nóng)作物對(duì)Cd元素的吸收，進(jìn)而降低農(nóng)產(chǎn)品的Cd含量［10，11］。隨著土壤污染與糧食安全問(wèn)題受關(guān)注程度與日俱增，大量學(xué)者做了相應(yīng)的治理與修復(fù)技術(shù)措施的研究［12，13］。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，僅依靠低積累品種有時(shí)農(nóng)產(chǎn)品不能達(dá)到安全生產(chǎn)，因此，成本低廉且效果較好的鈍化劑、葉面阻控劑等技術(shù)措施被廣泛應(yīng)用［14］。葉面阻控劑與鈍化劑相比，具有相對(duì)操作簡(jiǎn)單、成本低廉、易于推廣等特點(diǎn)。于煥云等［15］關(guān)于稻田鎘砷污染阻控原理與技術(shù)應(yīng)用的研究表明，施用一定量的降鎘靈后，稻米中Cd含量降低了38%～43%。詹旭芳等［16］的研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)Cd污染土壤上種植的玉米葉片噴施降鎘靈后，玉米中Cd含量顯著下降。目前大部分關(guān)于葉面阻控劑的研究集中在對(duì)農(nóng)產(chǎn)品可食部位Cd含量的影響，卻忽視了不同用量葉面阻控劑對(duì)Cd在農(nóng)作物不同器官中富集與轉(zhuǎn)移的影響［17，18］。葉面阻控劑對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的降Cd效果與其用量密切相關(guān)，探究其用量對(duì)Cd污染農(nóng)田可食部分安全生產(chǎn)具有重要意義。本試驗(yàn)以松滋紙廠河鎮(zhèn)Cd中輕度污染的稻田為研究對(duì)象，分析不同用量葉面阻控劑對(duì)土壤理化性質(zhì)與稻米Cd的影響，并研究不同用量葉面阻控劑對(duì)Cd在水稻植株不同器官轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的影響，以期為Cd污染農(nóng)田農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)提供理論與實(shí)踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

紙廠河鎮(zhèn)位于湖北省松滋市東南部，該區(qū)域?qū)賮啛釒н^(guò)渡性季風(fēng)氣候，地勢(shì)較平坦，年均氣溫在16 ℃左右，年平均無(wú)霜期270 d，多年平均降雨量在1 150 mm左右，降水集中在4—10月，占全年降水量的80%，有足夠的氣候資源供農(nóng)作物生長(zhǎng)。耕作方式以旋耕為主，種植作物以水稻和玉米為主，耕地類型主要包括旱地、水田和水澆地。研究區(qū)域土壤理化性質(zhì)為pH 5.96、Cd含量0.39 mg/kg、有效Cd含量0.18 mg/kg。

1.2 供試材料

供試葉面阻控劑含有大量的可溶性硅，試驗(yàn)材料經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)，pH為10.25，Si含量為113.0 g/L，K2O含量為51.47 g/L，Na≤75 g/L，水不溶物≤10 g/L，Pb含量為0.93 mg/L，Cd含量為0.25 mg/L，As含量為0.86 mg/L，Cr含量為10.57 mg/L。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2021年初進(jìn)行試驗(yàn)，共設(shè)置4種葉面阻控劑處理和空白對(duì)照：處理1（T1），噴施葉面阻控劑? ? ? ?2 250 mL/hm2；處理2（T2），噴施葉面阻控劑4 500 mL/hm2；處理3（T3），噴施葉面阻控劑6 750 mL/hm2；處理4（T4），噴施葉面阻控劑9 000 mL/hm2；對(duì)照（CK），不噴施葉面阻控劑。每種處理做3次重復(fù)試驗(yàn)，共15個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積為50 m2，且各小區(qū)隨機(jī)排列。為防止各小區(qū)間相互影響，將每個(gè)處理之間進(jìn)行分割，并對(duì)田埂進(jìn)行加高加固，防止修復(fù)材料、灌溉水等相互影響。葉面阻控劑分別于水稻分蘗期和灌漿期噴施，且各處理田間管理一致。

1.4 樣品的采集與分析

在水稻收獲前2～3 d進(jìn)行土壤與植株樣品的采集，在試驗(yàn)田中按5點(diǎn)取樣法采集小區(qū)水稻樣品，并采集水稻根系附近的表層土壤（0～20 cm）。將土樣去除雜質(zhì)后，自然風(fēng)干至恒量，過(guò)100目尼龍篩，裝袋備用。水稻樣品用去離子水沖洗，在105 ℃殺青10 min，烘干至恒量，水稻樣品分部位粉碎與過(guò)篩，備用。

土壤的理化性質(zhì)均按照常規(guī)測(cè)定方法檢測(cè)［19］，其中，土樣pH采用電位計(jì)法測(cè)定，水土比為2.5∶1；土壤有效Cd含量采用CaCl2溶液浸提法進(jìn)行提?。?0］，并用原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定。水稻植株各部位Cd含量采用干灰化法，HNO3-HClO4消解，用原子吸收分光光度計(jì)（石墨爐）測(cè)定，并做全程空白試驗(yàn)。

1.5 轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的計(jì)算

轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（TF）是指農(nóng)作物中后一部位重金屬的含量與前一部位重金屬含量的比值，其主要用于評(píng)價(jià)重金屬在農(nóng)作物不同部位的遷移轉(zhuǎn)化能力，計(jì)算式如下。

TFformer-latter =Clatter / Cformer

式中，Clatter為農(nóng)作物后一部位重金屬的含量；Cformer為農(nóng)作物前一部位重金屬的含量。

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用Excel、Origin和SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和簡(jiǎn)單分析，并進(jìn)行相應(yīng)的圖表繪制。各處理間采用單因素方差分析（ANOYA）和Duncans法進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 葉面阻控劑對(duì)土壤有效Cd含量的影響

Cd在土壤中的遷移性與生物毒性較大程度上取決于其有效態(tài)含量，有效態(tài)Cd能夠被植物吸收，并在植物體內(nèi)富集［21］。由圖1可知，噴施葉面阻控劑后，各處理土壤中有效Cd含量與對(duì)照均無(wú)顯著差異（P>0.05），且各處理土壤有效Cd含量在0.175～0.187 mg/kg，表明噴施葉面阻控劑對(duì)土壤有效Cd不具有鈍化作用。

2.2 葉面阻控劑對(duì)水稻各器官Cd含量的影響

由圖2可知，噴施葉面阻控劑能夠降低水稻根中Cd含量，與CK相比，根中Cd含量的降幅為13.06%～27.03%，其中T2、T3、T4根中Cd含量均與CK差異顯著（P<0.05），T1與CK無(wú)顯著差異（P>0.05）。T1、T2、T3和T4莖中Cd含量比CK分別降低17.39%、27.17%、32.61%、36.96%，但與CK差異不顯著（P>0.05），隨著用量的增加，莖中Cd含量逐漸下降。各葉面阻控劑處理的葉中Cd含量比CK降低了14.89%～42.55%，其中 T2、T3、T4葉中Cd含量均與CK差異顯著（P<0.05），T4葉中Cd含量最低，為0.27 mg/kg。T1、T2、T3和T4稻米中Cd含量比CK分別降低11.11%、20.20%、27.27%、32.83%， T2、T3和T4葉中Cd含量均與CK差異顯著（P<0.05），稻米中Cd含量隨葉面阻控劑用量的增加而降低，而下降幅度卻逐漸降低。

總體而言，水稻不同器官Cd含量隨葉面阻控劑用量的增加而降低，而下降幅度呈降低趨勢(shì)，水稻對(duì)Cd富集順序?yàn)楦?莖>葉>稻米。

2.3 葉面阻控劑對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

不同用量葉面阻控劑對(duì)水稻產(chǎn)量的影響見圖3。由圖3可知，施用一定量的葉面阻控劑后各處理水稻的產(chǎn)量在一定程度上均有所提高。與CK相比，T1、T2、T3和T4水稻產(chǎn)量分別增加2.17%、8.11%、5.71%、6.11%，且各處理間無(wú)顯著差異（P>0.05），其中T2對(duì)水稻的增產(chǎn)效果最好，產(chǎn)量為? ? ? ?9 373.65 kg/hm2。這表明葉面阻控劑對(duì)水稻具有一定的增產(chǎn)效果。

2.4 葉面阻控劑對(duì)Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的影響

表1顯示了水稻植株中Cd從根到莖（TF根-莖）、莖到葉（TF莖-葉）、葉到稻米（TF葉-稻米）的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)。TF根-莖、TF莖-葉與TF葉-稻米的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)分別為0.36～0.42、0.47～0.53、0.42～0.50，Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均值表現(xiàn)為TF莖-葉>TF葉-稻米>TF根-莖，表明莖的轉(zhuǎn)運(yùn)能力最強(qiáng)，根系的轉(zhuǎn)移能力最弱。各處理TF根-莖的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)較CK有一定程度的下降，而TF葉-稻米的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)較CK呈上升趨勢(shì)，但各處理轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均無(wú)顯著差異（P>0.05）。

3 討論

根系是植物從土壤中吸收養(yǎng)分與重金屬最主要的器官［22］。土壤中活性較強(qiáng)的重金屬元素被根系吸收后，通過(guò)根莖中的木質(zhì)部運(yùn)輸重金屬，最后重金屬元素通過(guò)韌皮部輸送到稻米中富集［23］。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)噴施葉面阻控劑后，各處理土壤中有效Cd含量無(wú)降低趨勢(shì)，且與對(duì)照均無(wú)顯著差異，而李娟［24］通過(guò)研究葉面阻控劑對(duì)雜交中稻的降鎘及增產(chǎn)增收效果發(fā)現(xiàn)，葉面阻控劑對(duì)土壤鎘污染的修復(fù)幾乎沒(méi)有作用，這與本試驗(yàn)的研究結(jié)果相似。 有研究表明，水稻根系對(duì)Cd的積累量遠(yuǎn)高于其他部分［25］。本研究結(jié)果顯示，水稻根中Cd含量最高，各植株不同部位富集Cd的順序由高到低依次為根、莖、葉、稻米，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是根是吸收Cd的主要器官，而土壤中的Cd2+通過(guò)水稻根系的表皮細(xì)胞空隙與細(xì)胞膜上運(yùn)輸?shù)鞍走M(jìn)入水稻植株體內(nèi)［26］，從而導(dǎo)致根是最容易積累Cd的器官。稻米中Cd的富集一般需要經(jīng)歷3個(gè)階段 ，即根系吸收、莖運(yùn)輸與葉片轉(zhuǎn)運(yùn)、進(jìn)入稻米，而莖運(yùn)輸?shù)腃d能夠在葉片中暫時(shí)存儲(chǔ)，然后再轉(zhuǎn)運(yùn)至稻米中［27］。Cd從根遷移至稻米的過(guò)程中莖對(duì)其的阻控起到關(guān)鍵作用，葉面阻控劑能降低根向莖的轉(zhuǎn)移［28］。劉小琴［29］的研究表明，硅能有效降低水稻對(duì)土壤重金屬離子的吸收，調(diào)控水稻作物體內(nèi)酶的活性，增強(qiáng)對(duì)Cd的耐受性，同時(shí)能使水稻植株細(xì)胞壁增厚，細(xì)胞膜對(duì)Cd的通透性降低，從而降低水稻植株不同器官對(duì)Cd的富集。本研究發(fā)現(xiàn)，噴施不同用量的葉面阻控劑后，水稻植株莖、葉與稻米中的Cd含量也呈下降趨勢(shì)，原因可能是噴施葉面阻控劑能有效提高水稻植株的含水量，降低其蒸騰速率，抑制Cd在水稻植株體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)速率，同時(shí)葉面阻控劑能降低細(xì)胞膜透性和自由基對(duì)細(xì)胞膜的損害，從而抑制水稻對(duì)Cd的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)以緩解其毒害［30］。向焱赟等［31］的研究發(fā)現(xiàn)，硅能強(qiáng)烈抑制水稻根系Cd向子粒中遷移。葉面阻控劑中含有大量的硅與鉀元素，硅與鉀是水稻生長(zhǎng)所需的礦質(zhì)元素，能增強(qiáng)水稻莖稈抗折力，增加水稻莖葉表層細(xì)胞壁與角質(zhì)層厚度，防止水稻倒伏，提高抗逆性，增強(qiáng)水稻抵御病蟲害的能力，因此，噴施葉面阻控劑有利于促進(jìn)水稻增產(chǎn)增收。陳湘等［32］的研究發(fā)現(xiàn)，噴施葉面阻控劑能提升農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量，這與本試驗(yàn)研究結(jié)果相似。

轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)是判斷農(nóng)作物吸收、分配與轉(zhuǎn)運(yùn)重金屬的重要指標(biāo)［33］。試驗(yàn)通過(guò)使用富含硅、鉀元素的葉面阻控劑，噴施在水稻葉面上可保濕成膜，并通過(guò)葉面吸收直接進(jìn)入作物體內(nèi)，不僅能夠?yàn)樗咎峁┐罅康臓I(yíng)養(yǎng)元素，還能有效增強(qiáng)其光合作用［34］。同時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)運(yùn)輸?shù)鞍谆钚耘c競(jìng)爭(zhēng)運(yùn)輸通道等方式抑制農(nóng)作物對(duì)重金屬元素的吸收，改變重金屬在作物體內(nèi)不同器官的分配比例，抑制重金屬元素向子粒轉(zhuǎn)移［17］。本研究中，Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均值表現(xiàn)為TF莖-葉>TF葉-稻米>TF根-莖，其中根系到莖的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)最低，且隨葉面阻控劑用量增加而逐漸下降，說(shuō)明噴施葉面阻控劑后，有效阻控了Cd從根系轉(zhuǎn)移至莖，并使Cd在根系的富集量增加。高敏等［33］的研究發(fā)現(xiàn)，葉面噴施硅溶膠、亞硒酸鈉溶液后根向莖轉(zhuǎn)運(yùn)的Cd減少，這與本試驗(yàn)結(jié)果相似。

葉面阻控劑只能有效調(diào)節(jié)Cd在水稻不同器官內(nèi)的轉(zhuǎn)移，而不能降低土壤有效Cd的含量。針對(duì)Cd污染農(nóng)田的修復(fù)技術(shù)不僅需要降低農(nóng)產(chǎn)品可食部位的Cd含量，還需要降低農(nóng)田有效Cd含量或Cd總量，從而從根本上解決Cd農(nóng)田污染問(wèn)題，因此選用葉面阻控劑修復(fù)Cd污染農(nóng)田時(shí)，常與土壤調(diào)理劑、重金屬鈍化劑等修復(fù)產(chǎn)品聯(lián)合使用。從經(jīng)濟(jì)成本和稻米降鎘效果等綜合因素考慮，本試驗(yàn)選用葉面阻控劑用量為4 500 mL/hm2，成本低廉且效果較好。

4 小結(jié)

1）噴施葉面阻控劑后，各處理土壤有效Cd含量為0.175～0.187 mg/kg，且與對(duì)照均無(wú)顯著差異。

2）噴施葉面阻控劑能有效降低水稻不同器官的Cd含量，水稻不同器官Cd含量隨葉面阻控劑用量的增加而降低，而下降幅度呈降低趨勢(shì)，根、莖、葉與稻米中Cd含量分別降低了13.06%～27.03%、17.39%～36.96%、14.89%～42.55%、11.11%～32.83%，水稻對(duì)Cd的富集順序?yàn)楦?莖>葉>稻米。

3）水稻植株中Cd從根到莖（TF根-莖）、莖到葉（TF莖-葉）、葉到稻米（TF葉-稻米）的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)分別為0.36～0.42、0.47～0.53、0.42～0.50。其中根的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)最低，且隨葉面阻控劑用量的增加轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)逐漸降低，使Cd在根系的富集量增加。

4）施用葉面阻控劑在一定范圍內(nèi)能提高水稻產(chǎn)量，從經(jīng)濟(jì)成本和降鎘效果等綜合因素考慮，其中用量為4 500 mL/hm2時(shí)，成本低廉且效果較佳，此時(shí)稻米中Cd含量下降了20.20%，產(chǎn)量增加了8.11%。

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