基施與葉面施硒肥對富硒鎘污染農(nóng)田水稻降鎘增硒的效應

關鍵詞：水稻；硒肥；鎘；轉運和累積

硒（Se）是人類生存必不可少的微量營養(yǎng)元素之一，在人體內的多種生理過程中發(fā)揮著重要作用，具有抗氧化、抗癌、增強免疫力等多種功效。硒缺失會增加得多種疾病的風險，包括免疫功能障礙、癌癥、心血管疾病、心臟病以及克山病和大骨節(jié)病等。對于大多數(shù)人而言，飲食特別是農(nóng)產(chǎn)品是硒攝入的主要來源，因此，富硒食物對人類的硒營養(yǎng)十分重要。根據(jù)中國營養(yǎng)學會營養(yǎng)調查報告可知，中國成年人每天硒的攝入量僅為26.63ug，36%～61%的居民每日攝硒量不足，與中國營養(yǎng)學會推薦的人均每天60～240ug的硒攝入量相差甚遠。大米作為我國最主要的糧食作物，是我國居民攝入硒的主要來源。因此，在富硒地區(qū)發(fā)展富硒水稻，通過提高稻谷中硒的含量來提高我國居民攝硒量是一可行措施。

由于地質原因，天然富硒土壤中通常伴隨著鎘（Cd）等重金屬，鎘在土壤中會被植物根系吸收，再轉移到植物地上部并在可食用部分積累，最終通過食用進入人體。長期食用鎘含量超標食品會導致例如骨質疏松、肝腎功能受損等多種疾病，嚴重威脅人類的健康。研究表明，食用大米是鎘進入人體的主要來源，因為水稻比其他谷物更容易吸收和積累鎘。富硒農(nóng)田土壤由于地質因素易伴生鎘而導致農(nóng)田土壤存在一定鎘污染，從而易導致水稻籽粒中鎘含量超標，這使得在富硒地區(qū)種植水稻、發(fā)展富硒農(nóng)產(chǎn)品存在一定的障礙。

鎘與硒存在一定的拮抗作用，但天然富硒地區(qū)仍存在水稻籽粒中鎘含量超標現(xiàn)象。為降低天然富硒地區(qū)水稻籽粒中鎘含量，減少富硒地區(qū)農(nóng)產(chǎn)品重金屬超標風險，需采取相應措施阻止水稻對鎘的吸收。在中、輕度鎘污染條件下，硒肥的施用能在一定程度上緩解重金屬對植物的毒害，并降低植物對土壤中重金屬的吸收，從而有效降低水稻籽粒對鎘的積累，同時硒肥還能提高水稻產(chǎn)量和水稻籽粒中硒含量。然而研究表明，硒肥的不同施用方式會對作物產(chǎn)生不同的影響。潘榮慶等發(fā)現(xiàn)葉面施硒肥可以很好地阻控水稻糙米對鎘的富集。Hu等發(fā)現(xiàn)土壤中施入硒肥不僅可以有效降低糙米中鎘的含量，而且也能提高糙米中硒的含量。

不同硒肥運用于天然富硒地區(qū)的田間試驗研究相對較少，其在富硒農(nóng)田土壤中的效應需要進一步在田間試驗中驗證，并對其作用機制進行系統(tǒng)化研究和深入探討。本文研究單施葉面硒肥、基施硒肥及二者聯(lián)合對我國南方典型中、輕度鎘污染富硒農(nóng)田中稻米鎘的阻控效果及其機制，探究硒肥的不同施用方式在富硒鎘污染農(nóng)田條件下水稻鎘、硒積累特征，以期為富硒鎘污染農(nóng)田稻米降鎘增硒技術提供科學依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗區(qū)概況

試驗于2021年在安徽省池州市石臺縣進行，該地區(qū)為亞熱帶濕潤氣候，光照充足，四季分明，且冬夏長，春秋短，年平均氣溫為16℃，平均降水量為1626.4mm。在試驗小區(qū)劃分前，對整塊試驗小區(qū)按照五點取樣法采集0～20cm的1個混合土壤樣品作背景土壤，測定指標背景值。經(jīng)測定該小區(qū)土壤理化性質為：pH6.19，有機質為25.6g·kg-1，全氮為2.02g·kg-1，堿解氮為141.2mg·kg-1，有效磷為23.6mg·kg-1，速效鉀為140.0mg·kg-1，總硒為0.57mg·kg-1，總鎘為0.68mg·kg-1，有效態(tài)鎘為0.255mg·kg-1。

1.2試驗材料與設計

供試的水稻品種為在當?shù)剡m宜種植的玉針香。葉面硒肥為安徽羅殼智灃農(nóng)業(yè)科技有限公司提供的有機富硒液體肥（含硒量≥5g·L-1，pH 6.0～7.0）；富硒有機肥料由山東綠福地生物科技有限公司提供（N、P、K≥5%，有機質≥45%，Se≥0.1%，pH6.2）；復合肥（17-17-17）以及追肥所需的尿素（N≥46.0%）均來自當?shù)剞r(nóng)資市場。試驗共設計4個處理：對照（CK），基施450kg·hm-2復合肥；基施硒肥（JS），基施300kg·hm-2復合肥與150kg·hm-1富硒有機肥料；葉面施硒肥（YM），基施450kg·hm-2復合肥，孕穗期、灌漿期分別葉面噴施1500mL·hm-2有機富硒液體肥；基施硒肥+葉面施硒肥（JY），基施300kg·hm-2復合肥與150kg·hm-2富硒有機肥料，孕穗期、灌漿期分別葉面噴施1500mL·hm-2有機富硒液體肥。

富硒有機肥在種植前2～3d同復合肥一起均勻施入。有機富硒液體肥每1500mL加水600kg，稀釋400倍，人工均勻噴施于水稻葉面正反面及稻穗上。各小區(qū)于水稻分蘗期追施75kg·hm-2尿素。試驗小區(qū)面積為20m2（4mX5m），每個處理設置3次重復，隨機排列，小區(qū)四周起壟并用聚乙烯薄膜相互間隔，防止小區(qū)之間水肥相互滲透。各小區(qū)苗數(shù)一致，水稻其他日常管理根據(jù)當?shù)氐某Ｒ?guī)標準進行。成熟后各小區(qū)水稻單打單收進行測產(chǎn)。

1.3樣品采集與測定

于10月下旬水稻成熟期分別采集植株樣品和土壤樣品，各小區(qū)以五點取樣法采集水稻樣品，土壤樣品為水稻樣根部周圍土壤。采集后的水稻植株按根部、莖葉和籽粒分離，各部位先后用自來水和去離子水清洗干凈，根部與莖葉于105℃下殺青30min，再降到40℃下烘干至恒質量，籽粒自然風干后分別制成糙米、精米和米殼。所有植株樣品粉碎后過篩，裝于干燥自封袋備用。植株不同部位樣品中總鎘和總硒的測定參照《食品安全國家標準食品中鎘的測定》（GB 5009.15-2014）和《食品安全國家標準食品中硒的測定》（GB 5009.93-2017）。土壤樣品采集后在陰涼處風干，風干期間除去土壤中根系等雜物，并將大土塊破碎為小土塊，完全風干后粉碎研磨單獨過2mm（10目）和0.149mm（100目）尼龍網(wǎng)篩，裝入自封袋備用。土壤中總鎘和總硒的測定參照《土壤質量鎘、鉛的測定石墨爐原子吸收分光光度法》（GB/T 17141-1997）和《土壤中全硒的測定》（NY/T 1104-2006）。土壤中不同形態(tài)鎘參照改進后的BCR法進行處理得試劑溶液。植株和土壤中鎘含量采用德國耶拿2700P原子吸收分光光度計進行測定，植株和土壤中硒含量采用原子熒光光度計（普析通用PF5）進行測定。土壤其他基本理化性質參照鮑士旦的《土壤農(nóng)化分析》。在樣品檢測分析過程中，采用空白對照和平行樣品進行數(shù)據(jù)質量控制。

1.4數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2016進行數(shù)據(jù)整理，試驗數(shù)據(jù)通過SPPS 22.0進行方差分析，采用Origin 2018制圖。用Duncan檢驗顯著性差異，文中提到的差異具有顯著性均指Plt;0.05。利用水稻的富集系數(shù)（BCF）和遷移系數(shù)（TF）分別表征水稻對鎘的吸收和轉運能力。糙米富集系數(shù)（BFC糙米）為糙米中鎘含量（mg·kg-1）與土壤總鎘含量（mg·kg-1）的比值；根到莖葉的轉運系數(shù)（TF莖葉，根）為莖葉中鎘含量（mg·kg-1）與根中鎘含量（mg·kg-1）的比值；莖葉到籽粒的轉運系數(shù)（TF籽粒／莖葉）為糙米中鎘含量（mg·kg-1）與莖葉中鎘含量（mg·kg-1）的比值。

2結果與分析

2.1不同硒肥對水稻產(chǎn)量的影響

圖1為不同處理下水稻產(chǎn)量的變化，可見各處理下水稻產(chǎn)量范圍為7809.30～8834.25kg·hm-2，CK處理水稻產(chǎn)量為7928.45kg·hm-2。相較于CK，JS和YM處理均能提高水稻產(chǎn)量，但YM處理水稻增產(chǎn)效果更好，提升率為6.10%，JS處理水稻產(chǎn)量提升幅度僅為1.64%，效果不顯著，而JY處理卻導致水稻產(chǎn)量下降1.84%，但產(chǎn)量與CK處理相比差異不顯著。

2.2不同硒肥對水稻各部位鎘、硒含量和富集、轉運的影響

2.2.1水稻不同部位鎘含量的差異

表1為不同處理下水稻各部位的鎘含量，在水稻各部位中鎘的分布規(guī)律為根部gt;莖葉gt;糙米gt;精米gt;殼。CK處理下糙米中鎘含量為0.216mg·kg-1，超過了我國《食品安全國家標準食品中污染物限量》（GB2762-2022）中所規(guī)定的糙米中鎘限量值（0.2mg·kg-1），打磨成精米后，鎘含量降低到0.199mg·kg-1，雖降低到限量值以下，但降低鎘含量效果并不顯著，仍存在一定超標風險。

添加硒肥后糙米中鎘含量為0.159～0.182mg·kg-1，顯著低于CK處理，達到了我國食品衛(wèi)生安全標準。鎘含量的降低效果為JYgt;YMgt;JS，其中JY處理對降低水稻糙米中鎘含量效果最好，降低率達到26.39%，而YM處理對降低糙米中鎘含量的效果相較JS處理更好。將糙米打磨成精米后，鎘含量進一步降低為0.154～0.159mg·kg-1，各處理的降低效果為JYgt;YMgt;JS。

水稻根、莖葉和殼中的鎘含量在添加硒肥后同樣有所降低，降低效果最好的仍為JY處理，降低率分別為15.40%．21.13%和11.11%。與籽粒不同的是，JS處理相較于YM處理能更有效地降低水稻根、莖葉和殼中的鎘含量。

2.2.2水稻不同部位硒含量的差異

自然富硒地區(qū)種植的水稻籽粒中硒含量相較于一般地區(qū)高，所有處理下糙米和精米中硒含量為0.173～0.244mg·kg-1和0.102-0.160mg·kg-1（表2），均符合《富硒稻谷》（GB/T 22499-2008）中大米硒含量0.04～0.30mg·kg-1的標準。添加硒肥后，各處理糙米和精米中硒含量相較于CK分別提高了25.09%～41.50%和32.03%～56.86%．3個處理提升效果為JYgt;YMgt;JS，以JY處理對糙米和精米的增硒效果最好，硒含量分別達到0.244mg·kg-1和0.160mg·kg-1，提升幅度達到41.50%和56.86%，而YM處理相較于JS處理增加糙米和精米中硒含量的效果更好。

硒肥的使用同樣提高了水稻根、莖葉和殼中的硒含量，與鎘相同，土壤中硒在被水稻吸收后主要集中在水稻根部，JS、YM和JY3個處理下根中硒含量相較于CK分別提升了18.50%、5.29%和16.85%，提升效果為JSgt;JYgt;YM，可以看出JS處理能更好地促進根對硒的吸收，而YM處理則是更多地促進了水稻莖葉、籽粒和殼對硒的吸收。

2.2.3水稻各部位鎘的富集和轉運系數(shù)差異

為進一步分析不同硒肥處理對水稻體內鎘積累的影響，采用富集系數(shù)（BCF）和轉運系數(shù)（TF）來反映鎘在水稻各部位的富集和轉移能力（表3）。CK處理下水稻對鎘的BCF糙米、TF莖葉，根和TF糙米崖葉分別為0.379、0.318和0.253。使用硒肥后水稻對鎘的BCFTF莖葉，根和TF糙米均得到了顯著降低。BCF糙米的降低幅度為15.57%～3.39%，TF莖葉，根的降低幅度為1.83%～6.78%，TF糙米降低幅度為0.33%～15.07%。其中對BCF糙米和TF莖葉，根的降低效果最好的均為JY處理，其次為YM處理。而對于TF降低效果最好的為YM處理，相較于CK下降了0.038。而JS處理的TF莖葉／根和TF糙米崖葉與CK處理差異均不顯著。

2.2.4水稻各部位硒的富集和轉運系數(shù)差異

不同硒肥的施用，不僅可以降低水稻對鎘的吸收和轉運，同時還能促進水稻對硒的吸收和轉運（表4）。相較于CK，各處理對硒BCF糙米的提升幅度為25.13%～41.53%．TF莖葉，根的提升幅度為2.47%～18.71%．TF葉的提升幅度為3.11%-10.14%。其中JY處理對BCF糙米和TF的提升效果最好，提升幅度分別為41.53%和10.14%。但對于TF，JS和YM處理的提升幅度分別為3.11%和3.51%，處理之間并無顯著差異。而對于TF莖葉，根則以YM處理的效果最好，提升幅度為18.71%。

2.3不同硒肥對土壤pH、有機質及鎘形態(tài)的影響

2.3.1土壤pH及有機質的變化

土壤pH和有機質是影響土壤中重金屬有效性的重要因素，不同處理對水稻根際土壤pH和有機質的影響如圖2所示。相較于CK處理，JS和JY兩個處理導致土壤pH分別顯著上升0.19個和0.17個單位（圖2A），提升幅度為3.01%和2.74%；同時有機質含量也分別上升了1.43g·kg·1和0.61g·kg-1（圖2B），提升幅度為8.17%和3.51%，但有機質提升效果無顯著性差異。而YM處理下對土壤pH和有機質均無顯著變化。

2.3.2水稻根際土壤中鎘形態(tài)的變化

利用改進的BCR提取法，可將土壤中的鎘分為弱酸提取態(tài)、可氧化態(tài)、可還原態(tài)和殘渣態(tài)，不同形態(tài)的鎘在土壤中的遷移率有很大的區(qū)別，其中弱酸提取態(tài)的遷移率最高，也是最容易被植物吸收的，而殘渣態(tài)則最不易被植物吸收利用。由圖3中CK可以看出，供試土壤中的鎘主要以弱酸提取態(tài)為主，達45%以上，這表明土壤中鎘的生物有效性較高，水稻更容易吸收重金屬鎘，其次為可還原態(tài)和殘渣態(tài)，分別占20.72%和22.14%，兩者占比之和也達到40%以上，而可氧化態(tài)占比較小。添加硒肥后，在JS和JY處理下，土壤中鎘的弱酸提取態(tài)和可氧化態(tài)相較于CK均有所降低，弱酸提取態(tài)分別下降了2.96%和4.34%，可氧化態(tài)分別下降了0.89%和0.28%；而可還原態(tài)和殘渣態(tài)則有所提高，可還原態(tài)分別提高了2.15%和2.51%．殘渣態(tài)分別提高了1.70%和2.11%。YM處理對土壤中鎘的各個形態(tài)幾乎都沒有影響。

3討論

3.1不同硒肥對水稻產(chǎn)量的影響

硒在植物體內可以抑制鎘誘導自由基對植物的危害，或通過調控植物螯合態(tài)酶的活性，使鎘離子在植物體內形成螯合蛋白，從而減輕鎘對植物的毒害。Boldrin等研究發(fā)現(xiàn)亞硒酸鹽或硒酸鹽應用于土壤或水稻葉面均能增加水稻籽粒產(chǎn)量，且葉面施用硒提升效果更顯著，另外施用硒肥還可以通過提高植物葉綠素水平，改善光合作用，減弱鎘對植物生長的抑制，提高水稻硒含量。本試驗結果表明，葉面施硒肥顯著提高了水稻產(chǎn)量，基施硒肥處理雖然也提高了水稻產(chǎn)量但相較對照處理并無顯著變化?；┪逝c葉面施硒肥同時使用后，水稻產(chǎn)量相較于對照處理反而降低，這可能是由于在富硒土壤上使用基施硒肥和葉面施硒肥后，植物在吸收較多的硒后會抑制自身的生長發(fā)育，導致水稻產(chǎn)量下降。前人研究也發(fā)現(xiàn)，硒對作物生長存在雙重作用，適量可促進產(chǎn)量的增加，而濃度過高則會產(chǎn)生抑制作用。

3.2不同硒肥影響水稻各部位對鎘的吸收

本試驗中，添加兩種硒肥顯著降低了水稻糙米和精米中鎘含量，但作用機理不同。Huang等發(fā)現(xiàn)土壤中添加外源硒后，硒酸鹽及其在土壤中的產(chǎn)物可能與鎘發(fā)生熱力學反應，形成植物無法直接吸收的Cd-Se復合物，從而降低水稻根系對鎘的吸收。采用基施硒肥后，土壤中的鎘由弱酸提取態(tài)向還原態(tài)和殘渣態(tài)轉變，鎘的生物可利用性降低，水稻根對鎘的吸收也顯著降低，進而降低了作物籽粒中的鎘含量。還有研究表明，根表面的鐵斑能阻止根對重金屬的吸收，硒肥的施用會增加鐵斑從而減少根對鎘的吸收。其次，外源硒的施用還可能會影響根際微環(huán)境，基施外源硒可通過提高土壤pH來固定土壤中的鎘，減少土壤溶液中的鎘含量。這與本試驗結果一致，基施硒肥和基施硒肥+葉面施硒肥處理分別使土壤pH提升了0.19個和0.17個單位，但單獨葉面施硒肥對土壤pH無影響，因此土壤pH的提升主要是由于采用了基施硒肥。

葉面施硒肥可以通過降低水稻鎘轉運系數(shù)從而降低水稻籽粒中鎘的含量，本研究也得到相同的結果。葉面噴施硒肥后，水稻根對鎘的吸收同樣減少，但效果不顯著，而根到莖葉特別是莖葉到籽粒的轉運系數(shù)顯著下降。此外，低濃度的鎘會顯著抑制水稻的生長與光合作用。而Gao等通過研究發(fā)現(xiàn)葉面施硒肥不僅可以減少鎘從根到莖、從莖到糙米的遷移，同時糙米中的鎘含量還與光合作用呈負相關，葉面施硒肥能夠改善光合作用，減少水稻對鎘的吸收。

3.3不同硒肥影響水稻各部位對硒的吸收

施用硒肥能提高水稻籽粒中硒的含量。研究發(fā)現(xiàn)，pH是影響土壤中硒的價態(tài)和溶解度的重要因素，硒在中性至堿性環(huán)境中主要以硒酸鹽的形式存在，而在酸性條件下則主要以亞硒酸鹽的形式存在，盡管硒酸鹽與亞硒酸鹽都具有高度水溶性，但亞硒酸鹽易被土壤中如鐵氧化物、黏土礦物等固相強烈吸附，導致在土壤中的溶解度較低，因而硒酸鹽相較于亞硒酸鹽更容易被水稻吸收。Eich-Greatorex等也發(fā)現(xiàn)，在pH5～7范圍內，隨著pH值的增加，土壤中硒的利用率增加。在基施硒肥后，土壤pH得到提高，促進了水稻對硒的吸收，提高了水稻糙米、精米等各部位的硒含量。其次，基施硒肥還可以增加土壤中有效態(tài)硒的含量，促進水稻對硒的吸收。

葉面施硒肥同樣提高了水稻糙米、精米等各部位的硒含量，這與前人研究結果相似，且葉面施硒肥相較于基施硒肥水稻籽粒硒含量更高。有研究表明水稻籽粒中硒的含量受硒的施用方式、來源以及這些因素之間的相互作用的影響，雖然土壤和葉面硒的施用均能提高水稻籽粒硒含量，但土壤中施用硒酸鹽對于提高水稻籽粒中硒含量效果更好。這與本研究結果不同，可能是由于硒肥的種類、施用量和土壤中硒的背景值等因素的不同，導致葉面施硒肥的施用效果更好。同時在鎘脅迫下，硒在水稻中的吸收和轉運同樣受鎘的影響。并在基施硒肥和葉面施硒肥后，兩者相互作用使得該處理相較于單施一種硒肥水稻中硒含量更高。

在輕度鎘污染自然富硒土壤條件下，施用硒肥能有效降低水稻糙米和精米中鎘含量，同時進一步提高糙米中的硒含量。但硒肥的不同施用方式，以及土壤中硒的形態(tài)均會對水稻的降鎘增硒效果產(chǎn)生不同的影響。后續(xù)可進一步探究硒肥種類、施用方式、用量以及硒形態(tài)對水稻糙米中鎘、硒含量和土壤中鎘的影響和作用機理，根據(jù)土壤和種植環(huán)境的實際情況進行綜合考慮，從而更好地達到降鎘增硒的效果。

4結論

（1）在輕度鎘污染富硒土壤下，葉面施硒肥對水稻有一定的增產(chǎn)效果，基施硒肥與基施硒肥+葉面施硒肥對水稻產(chǎn)量無顯著影響。

（2）硒肥的施用可使糙米中的鎘含量降低至我國食品安全限量標準以內。基施硒肥能通過提高土壤pH、降低有效態(tài)鎘含量和水稻對鎘的吸收，從而降低糙米中的鎘含量，而葉面施硒肥主要通過降低水稻對鎘的轉運來降低糙米中的鎘含量，并在兩種硒肥同時施用時效果最好。

（3）硒肥的施用還提高了水稻對硒的吸收，增加了糙米中的硒含量。葉面施硒肥相較于基施硒肥對水稻籽粒中硒含量的提升效果更好，同樣以基施硒肥和葉面施硒肥同時使用的水稻籽粒硒含量最高。