水分管理配施錳肥對(duì)牡蠣殼粉調(diào)控水稻鎘吸收的影響

關(guān)鍵詞：水稻；鎘吸收轉(zhuǎn)運(yùn)；牡蠣殼粉；錳肥

我國(guó)南方酸性水稻土壤中Cd的有效性較高，很容易被水稻吸收進(jìn)入食物鏈，從而增加人體Cd暴露風(fēng)險(xiǎn)。從我國(guó)南方和北方20個(gè)省的市場(chǎng)采集160個(gè)精米樣本測(cè)定Cd含量水平，結(jié)果顯示稻米Cd含量超過我國(guó)限量標(biāo)準(zhǔn)（0.2mg·kg-1）的比例達(dá)10%，超標(biāo)率呈現(xiàn)從北到南遞增的趨勢(shì)，導(dǎo)致以稻米為主食的南方地區(qū)人群Cd暴露毒害的健康風(fēng)險(xiǎn)顯著提高。近年來的實(shí)踐表明，篩選低Cd積累水稻品種淹水種植和原位鈍化降低土壤有效態(tài)Cd含量是控制水稻Cd積累的重要農(nóng)藝措施。目前，大多數(shù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中Cd污染水稻土壤主要通過施用堿性鈣質(zhì)鈍化劑（如石灰）提高土壤pH值，降低土壤Cd有效性，以減少作物Cd積累。牡蠣殼是我國(guó)沿海地區(qū)廢棄的貝殼，其主要成分為CaC03，且含有許多礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素如Fe、Mn、Ca、Mg、K、p。已有研究表明，牡蠣殼粉可用于改良旱地土壤的酸性，恢復(fù)土壤的生化和微生物特性。與白云石粉相比，牡蠣殼粉能更有效地提高土壤pH，降低水稻土壤Cu、Zn、Ni的生物有效性，且價(jià)格便宜，易于推廣使用。

研究發(fā)現(xiàn)，Cd污染土壤中水稻的Cd吸收和累積與土壤Mn的生物有效性有關(guān)，田間試驗(yàn)結(jié)果表明，增加土壤Mn含量能有效降低水稻根系Cd的吸收及籽粒中Cd的吸收系數(shù)，提高土壤pH和Mn含量是控制水稻籽粒Cd含量的主要因素。然而，長(zhǎng)期施用堿性鈣質(zhì)鈍化劑會(huì)引起土壤中活性Mn含量及其生物有效性降低，導(dǎo)致與水稻組織中吸收轉(zhuǎn)運(yùn)Mn、Cd相關(guān)的基因表達(dá)上調(diào)，影響水稻的生長(zhǎng)和水稻籽粒Cd含量的累積。長(zhǎng)期的水稻種植過程中，水分管理影響土壤中Cd和Mn的生物有效性。土壤中的Mn主要以多種氧化物或水合的形式存在，可以通過氧化還原和吸附／共沉淀過程來影響土壤中的Cd形態(tài)和含量。在淹水條件下，土壤pH和Eh降低有利于增加土壤中Mri2+含量，提高植物Mn的生物有效性；水分排干后，土壤Eh和pH增加，促進(jìn)Mn以較高價(jià)態(tài)（Mri3+和Mri4+）的氧化物形式存在，這容易導(dǎo)致植物缺Mn，降低水稻Mn的生物有效性和吸收。此外，水稻根系向根際環(huán)境釋放氧氣，Mn2+在根際土壤和根表形成的Mn氧化物對(duì)Cd具有固定作用，進(jìn)而影響Cd的有效性和水稻Cd的吸收。Deng等研究發(fā)現(xiàn)水稻分蘗期追施堿性Mn肥能增加根表鐵錳膜中Mn含量和Cd固存，可以作為修復(fù)Cd污染水稻土的一種經(jīng)濟(jì)有效的農(nóng)藝措施。前期研究結(jié)果也表明淹水條件下單施牡蠣殼粉在增加土壤pH的同時(shí)降低了土壤Mn生物有效性，從而影響了水稻Cd的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)?；谝陨涎芯拷Y(jié)果，能否通過牡蠣殼粉配施錳肥調(diào)控水稻Cd吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)有待進(jìn)一步研究。此外，在不同水分管理措施下牡蠣殼粉鈍化土壤配施Mn肥，對(duì)土壤中活性Mn含量、Mn形態(tài)變化及其固定污染土壤中Cd和阻控水稻Cd吸收分布的研究報(bào)道較少。因此，通過盆栽試驗(yàn)，以水稻為研究對(duì)象，在持續(xù)淹水和干濕交替兩種水分管理措施下，研究能否通過牡蠣殼粉配施Mn肥來改變土壤中Cd的有效性及形態(tài)，通過水稻Mn的吸收累積調(diào)控水稻Cd的吸收和分布，探討其相關(guān)的機(jī)理，以期為牡蠣殼粉鈍化修復(fù)Cd污染土壤與水稻安全生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1供試材料

供試土壤取自福建省南平建甌縣某Cd污染的水稻田表層土壤（0～20cm），土壤類型為第四紀(jì)紅土發(fā)育的潴育性水稻土，土樣自然晾干后過1cm篩，混勻后備用。從混勻的土壤中取處部分土壤繼續(xù)磨細(xì)，分別過2mm和0.149mm篩，用于土壤理化性質(zhì)的測(cè)定，測(cè)定方法參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》。供試土壤的基本理化性質(zhì)為：pH值5.35，有機(jī)質(zhì)含量24.4g·kg-1，陽離子交換量（CEC） 16.85cmol·kg-1；砂粒46.2%，粉粒42.1%，黏粒11.7%；總Cd含量0.91mg·kg-1，總Fe含量50.50g·kg-1，總Mn含量0.99g·kg-1。

供試材料：牡蠣殼粉購自福建省瑪塔發(fā)展有限公司，將其過100目篩后備用。元素含量分析方法同供試土壤，其基本理化性質(zhì)為：pH值8.95，總Cd 0.22mg·kg-1，總Fe 7.14g·kg-1，總Mn 0.36g·kg-1，總Ca316.43g·kg-1，總K 4.08g·kg-1。供試Mn肥為優(yōu)級(jí)純硫酸錳，購自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

供試水稻為浙優(yōu)18（秈粳雜交稻），由福建農(nóng)嘉種業(yè)股份有限公司提供。

1.2試驗(yàn)設(shè)置

本試驗(yàn)設(shè)置兩個(gè)水分管理組：（1）持續(xù)淹水（CF），全程保持淹水層4cm；（2）干濕交替（AFD），保持淹水層4cm，自然風(fēng)干至無水層再添加去離子水至淹水層4cm，交替水分管理，直到水稻收獲。每個(gè)水分管理組設(shè)置4個(gè)處理：（1）對(duì)照處理（CK），不添加牡蠣殼粉和Mn肥；（2）牡蠣殼粉處理（OS），添加0.6%（m/m）牡蠣殼粉作基肥，不添加Mn肥；（3）牡蠣殼粉+Mn肥（OSMn50），添加0.6%（m/m）牡蠣殼粉作基肥與土壤混合，在水稻抽穗期前一周和后一周分兩次分別添加25mg·kg－1 Mn肥；（4）牡蠣殼粉+Mn肥（OSMn100），添加0.6%（mlm）牡蠣殼粉作基肥與土壤混合，在水稻抽穗期前一周和后一周分兩次分別添加50mg·kg-1Mn肥。上述Mn肥溶于400mL去離子水后倒入盆缽中。牡蠣殼粉與土壤混勻裝盆（直徑18cm、深18cm），每盆裝土3kg，底肥包括1.2g尿素、0.6g NH4H2PO4和1.2g K2S04，淹水層按照水分管理組措施，平衡30d待用。每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)，共計(jì)24盆，隨機(jī)區(qū)組排列。

水稻育苗：先用懸浮法去除不實(shí)粒，用30%H202溶液進(jìn)行種子表面消毒30min，再用去離子水徹底清洗，然后在酸洗干凈的石英砂中發(fā)芽2周。所有幼苗轉(zhuǎn)移到1/2強(qiáng)度霍格蘭營(yíng)養(yǎng)液中生長(zhǎng)1周，調(diào)節(jié)pH為5.8，每3d更換一次營(yíng)養(yǎng)液，待長(zhǎng)出3～4片葉后，挑選健壯且長(zhǎng)勢(shì)一致的秧苗移栽于盆栽土壤中，每盆種植2株水稻。

1.3樣品采集與分析

1.3.1土壤樣品分析

在水稻收獲期間用氧化還原電位儀（FJA-6，傳滴，南京）測(cè)定水稻根際區(qū)域5cm土層深度的Eh。將水稻根際土壤樣品冷凍干燥，分別過60目篩和100目篩后備用。土壤有效態(tài)Cd采用CaC12浸提，土壤有效態(tài)Mn采用DTPA浸提。

土壤游離態(tài)氧化錳的提?。悍Q取過60目篩的根際土壤樣品0.5g置于50mL離心管中，加0.3mol·L-1檸檬酸鈉溶液20mL和1mol·L-1重碳酸鈉溶液2.5mL，在80℃下水浴加熱5min，然后加入約0.5g連二亞硫酸鈉，振蕩15min，冷卻后放入離心機(jī)中以2500r·min-1速率離心，收集上清液待測(cè)。

土壤無定形Mn氧化物（非品質(zhì)氧化錳）的提?。悍Q取過60目篩的土壤樣品2g于三角瓶中，用黑色塑料袋遮光，按土液比1：50加入0.2mol·L-1草酸銨緩沖液100mL，在恒溫[（25±2）℃]條件下180r·min-1振蕩2h后移入離心管，以2500r·min-1速率離心，收集上清液待測(cè)。

土壤酸提取態(tài)、可還原態(tài)Cd形態(tài)分級(jí)采用BCR逐步提取法。（1）弱酸提取態(tài)Cd（Aci-Cd）含量測(cè)定：稱取1g過100目篩的土壤樣品于100mL離心管，加入40mL濃度為0.11mol·L-1的CH3COOH溶液，在25℃、250r·min-1搖床上連續(xù)振蕩16h后，放人離心機(jī)中4000r·min-1離心15min，收集上清液待測(cè)。在殘余土樣中加入20mL蒸餾水振蕩15min，4000r·min-1離心15min，棄去洗滌液，殘余土樣供下一步試驗(yàn)使用。（2）可還原態(tài)Cd（Red-Cd）含量測(cè)定：在殘留的土樣中加入0.5mol·L-1鹽酸羥胺和0.05mol·L-1 HN03的混合液40mL，于25℃、250r·min-1連續(xù)振蕩16h后，4000r·min-1離心15min，收集上清液待測(cè)。

所有土壤浸提液和待測(cè)液中Mn含量采用原子吸收分光光度儀（AAS，PinAAcle 900F，PerkinElmer，美國(guó)）測(cè)定，Cd含量采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS，NexION300X．PerkinElmer，美國(guó)）測(cè)定。

1.3.2植物樣采集與分析

在水稻成熟期采集水稻植株樣品，按根、秸稈（莖和葉）、糙米將不同部位分開，并用超純水將各部位清洗干凈。新鮮干凈的水稻根分成兩份，一份存儲(chǔ)在液氮中，轉(zhuǎn)移至實(shí)驗(yàn)室內(nèi)-80℃儲(chǔ)存?zhèn)溆?，另一份存?℃冰箱用于根表鐵膜浸提；秸稈和糙米于70℃烘箱烘干至恒質(zhì)量后稱量，其中稻谷采用脫殼磨具將谷殼和糙米分開，最后粉碎，密封于自封袋中待用。

水稻根表鐵膜Mn與Cd的測(cè)定：水稻根表鐵膜采用DCB法提取，將用去離子水沖洗干凈的新鮮水稻根系放入100mL燒杯中，加入70mL濃度為0.03mol·L-1的Na3C6H507.2H20和濃度為0.125mol·L-1的NaHC03的混合液，最后添加Na2S2040.6g在25℃條件下浸提60min，最后用去離子水沖洗，將所有溶液轉(zhuǎn)移至100mL容量瓶中定容。浸提液中Mn的含量采用AAS測(cè)定，Cd含量采用ICP-MS測(cè)定。浸提后的水稻根系放在烘箱中烘至恒質(zhì)量，稱量其干質(zhì)量。

水稻樣品中Mn與Cd的測(cè)定：水稻各部位采用HN03-H202（體積比4：1）微波消解，Cd、Mn含量分別采用ICP-MS和AAS測(cè)定。

水稻根重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因相對(duì)表達(dá)量的測(cè)定方法：水稻根系總RNA采用TIANGEN植物總RNA提取試劑盒（cat#DP431）提取，用PrimeScriptrRT re-agent Kit with gDNA Eraser（ Perfect Real Time） （TAKA-RA．cat#RR047A）定量反轉(zhuǎn)錄試劑盒逆轉(zhuǎn)錄為cDNA。實(shí)時(shí)定量PCR體系按照TAKARA （cat#RR820A） TBGreen Premix Ex Taq II（ Tli RNaseH Plus）定量試劑盒的要求配制，并用ABI7500進(jìn)行定量分析，反應(yīng)步驟如下：95℃下預(yù)變性30s；95℃下變性5s，60℃下退火30s，共40個(gè)循環(huán)；熔解曲線分析儀器默認(rèn)，以O(shè)sActin基因作為內(nèi)參基因，采用2法估算各個(gè)處理下根系樣品中重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因的表達(dá)水平。所用基因引物均能單擴(kuò)增其各自的基因，且熔解曲線均為單峰，引物序列見表1，生物學(xué)重復(fù)3次。

1.4數(shù)據(jù)分析

水稻Cd轉(zhuǎn)移系數(shù)b部位中Cd含量（mg·kg-1）/a部位中Cd含量（mg·kg-1）

采用Microsoft Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和初步分析，采用Origin 9.0繪制圖形，數(shù)據(jù)處理、顯著性分析及相關(guān)性分析均由SPSS 20.0完成。

2結(jié)果與分析

2.1水分管理配施Mn肥對(duì)牡蠣殼粉處理土壤pH、Eh的影響

水稻成熟期水分管理配施Mn肥對(duì)牡蠣殼粉處理土壤pH、Eh的影響如圖1所示。在兩種水分條件下，OS處理和OSMn處理均能顯著增加土壤pH （Plt;0.05）。在持續(xù)淹水和干濕交替條件下，OS處理使土壤pH分別顯著增加了0.87和0.69，OSMn處理土壤pH分別增加了0.74～0.82和0.54～0.67。與OS處理相比，OSMnl00處理在持續(xù)淹水條件下對(duì)土壤pH沒有顯著影響，但在干濕交替條件下降低了土壤pH。OS處理土壤pH在兩種水分條件之間沒有顯著差異，而OSMn100處理在持續(xù)淹水條件下的土壤pH顯著高于干濕交替（Plt;0.05）。由圖1可以看出，干濕交替條件下各處理土壤Eh要高于持續(xù)淹水。在持續(xù)淹水條件下，各處理間土壤Eh差異不顯著；在干濕交替條件下，與CK處理相比，OS、OSMn50和OSMnl00處理的土壤Eh分別降低了50.1、27.6mV和40.9mV。在兩種水分條件下，OS處理和OSMn處理之間土壤Eh差異不顯著。

2.2水分管理配施Mn肥對(duì)牡蠣殼粉處理土壤有效態(tài)Cd及Cd形態(tài)的影響

水分管理配施Mn肥對(duì)牡蠣殼粉處理土壤CaC12提取態(tài)Cd和酸溶態(tài)Cd、還原態(tài)Cd的影響如圖2所示，在兩種水分條件下，OS處理和OSMn處理均能顯著降低土壤有效態(tài)Cd含量（Plt;0.05）；持續(xù)淹水條件下，OS處理和OSMn處理之間差異不顯著，但在干濕交替條件下，OSMn處理土壤有效態(tài)Cd含量隨著Mn肥添加量的增加而顯著降低（Plt;0.05），表明干濕交替條件下增加Mn肥施人量會(huì)進(jìn)一步降低土壤有效態(tài)Cd含量。

從圖2分析可以看出，在持續(xù)淹水條件下，與CK處理相比，OS處理土壤酸溶態(tài)Cd含量顯著增加了11.7%（Plt;0.05）；OSMn處理還原態(tài)Cd含量隨著Mn肥添加量的增加而顯著增加，與OS處理相比，OSMnl00處理還原態(tài)Cd含量顯著增加了11.1%，這表明持續(xù)淹水配施Mn肥能促進(jìn)土壤還原態(tài)Cd形成。在干濕交替條件下，OS處理較CK處理顯著降低了酸溶態(tài)Cd含量，但顯著增加了還原態(tài)Cd含量，這表明干濕交替條件促進(jìn)OS處理土壤中酸溶態(tài)Cd向還原態(tài)Cd轉(zhuǎn)變；隨著Mn肥添加量的增加，OSMn處理酸溶態(tài)Cd和還原態(tài)Cd含量逐漸增加，較OS處理分別增加了8.5%～13.7%和3.8%～12.5%。干濕交替條件中OSMn處理土壤酸溶態(tài)Cd和還原態(tài)Cd含量均顯著高于持續(xù)淹水（Plt;0.05）。上述結(jié)果表明在不同的水分條件下OS處理添加Mn肥可改變土壤中Cd賦存形態(tài)含量。

2.3水分管理配施Mn肥對(duì)牡蠣殼粉處理土壤有效態(tài)Mn及Mn氧化物的影響

水分管理配施Mn肥對(duì)牡蠣殼粉處理土壤DTPA提取態(tài)Mn及Mn氧化物的影響如圖3所示。各處理中土壤有效態(tài)Mn含量在持續(xù)淹水條件下均顯著低于干濕交替（Plt;0.05）。與CK處理相比，OS處理在持續(xù)淹水和干濕交替條件下均顯著降低土壤有效態(tài)Mn含量（Plt;0.05），降幅分別為18.4%和20.9%。OS處理配施Mn肥后在兩種水分條件下均顯著增加土壤有效態(tài)Mn含量（Plt;0.05）；與OS處理相比，OSMn50處理和OSMnl00處理土壤有效態(tài)Mn含量在持續(xù)淹水條件下分別增加了5.4%和10.9%，在干濕交替條件下分別增加了11.9%和21.1%，上述分析說明OS處理配施Mn肥在干濕交替條件下更能有效提高土壤有效態(tài)Mn含量。

由圖3可以看出，在持續(xù)淹水條件下，各處理間土壤游離態(tài)Mn氧化物和無定形Mn氧化物含量均沒有顯著差異。在干濕交替條件下，與CK處理相比，OS處理和OSMn50處理顯著降低土壤游離態(tài)Mn氧化物含量但顯著增加土壤無定形Mn氧化物含量；其中OSMn處理土壤游離態(tài)Mn氧化物和無定形Mn氧化物的含量隨Mn肥添加量的增加而顯著增加（Plt;0.05）；與OS處理相比，OSMnl00處理土壤游離態(tài)Mn氧化物和無定形Mn氧化物含量分別增加了9.6%和10.5%，表明在OS處理基礎(chǔ)上提高M(jìn)n肥施用量在干濕交替條件下能促進(jìn)土壤游離態(tài)和無定形Mn氧化物含量增加。

2.4水分管理配施Mn肥對(duì)牡蠣殼粉處理水稻各部位Cd、Mn含量和轉(zhuǎn)移系數(shù)的影響

水分管理配施Mn肥對(duì)牡蠣殼粉處理水稻各部位Cd、Mn含量的影響如圖4所示。由圖4A和圖4B分析可知，在持續(xù)淹水條件下，OS處理對(duì)水稻根表鐵膜中Cd、Mn含量沒有顯著影響（Pgt;0.05），但OSMn處理鐵膜中Cd和Mn的含量分別顯著增加了21.4%～34.0%和59.4%～63.4%；與OS處理相比，OSMn處理鐵膜中Cd和Mn的含量分別增加了33.0%-46.9%和44.7%～48.3%。在干濕交替條件下，OS處理水稻根表鐵膜中Cd和Mn的含量分別增加了52.7%和22.1%．OSMn處理鐵膜中Cd和Mn的含量分別增加了76.1%～80.8%和34.0%～46.0%；與OS處理相比，OSMn處理鐵膜中Cd和Mn的含量分別增加了15.3%～18.4%和9.71%～19.6%。OS處理和OSMn處理在持續(xù)淹水條件下水稻根表鐵膜中Cd含量顯著高于干濕交替（Plt;0.05）。

由圖4C和圖4D可知，在兩種水分條件下，OS處理對(duì)水稻根中Mn的含量沒有顯著影響。在持續(xù)淹水條件下，OSMn處理根中Cd和Mn的含量較CK處理分別增加了52.7%～64.3%和114.2%～150.8%，較OS處理分別增加了42.0%～52.9%和99.7%～134.0%。在干濕交替條件下，OSMn處理根中Cd含量降低了25.5%～36.5%，而根中Mn含量增加了90.5%～116.8%，與OS處理相比，根中Cd含量降低了16.0%～28.7%，Mn含量增加了102.1%～123.9%。OS處理根中Cd含量在持續(xù)淹水條件下顯著低于干濕交替（Plt;0.05），OSMn100處理根中Cd含量和Mn含量在持續(xù)淹水條件下顯著高于干濕交替（Plt;0.05）。

由圖4E和圖4F可知，在持續(xù)淹水條件下，OS處理中水稻秸稈中Cd和Mn的含量分別顯著降低了26.8%和21.7%，但OSMn處理對(duì)秸稈中Cd和Mn的含量沒有顯著影響；與OS處理相比，OSMn處理秸稈中Cd和Mn的含量分別增加了23.7%～33.7%和33.2%～54.5%。在干濕交替條件下，OS處理水稻秸稈中Cd和Mn的含量分別降低了45.8%和25.0%; OSMn處理秸稈中Cd和Mn的含量分別降低了33.5%～55.0%和16.7%～22.3%。隨著Mn肥添加量的增加，OSMn處理秸稈中Cd、Mn含量逐漸降低，與OS處理相比，OSMnl00處理秸稈中Cd含量降低了17.0%，但對(duì)秸稈中Mn沒有顯著影響（Pgt;0.05）。OSMn處理秸稈中Cd和Mn的含量在持續(xù)淹水條件下均顯著低于干濕交替（Plt;0.05）。

水稻糙米中Cd、Mn含量如圖5所示。由圖5可知，在持續(xù)淹水條件下，OS處理對(duì)水稻糙米中Cd含量沒有顯著影響（Pgt;0.05），Mn含量降低了26.2%；OSMn50處理糙米中Cd含量降低了37.4%，但OSMn100處理糙米中Cd含量增加了16.2%；OSMn處理對(duì)糙米中Mn含量沒有顯著影響，但與OS處理相比，OSMn50處理糙米中Cd含量降低了30.0%．OSMn100處理增加了25.2%，而OSMn處理糙米中Mn含量增加了15.6%-21.7%。以上表明OS配施Mn肥能降低水稻糙米中Cd含量，但隨著Mn肥添加量的增加會(huì)促進(jìn)水稻糙米中Cd的累積。在干濕交替條件下，OS處理水稻糙米中Cd和Mn的含量分別降低了43.5%和2.6%：OSMn處理Cd含量降低了34.8%～45.8%，而Mn含量增加了33.7%～38.7%，但與OS處理相比，糙米中Cd和Mn的含量隨著Mn肥添加量的增加而提高，分別增加了0.4%～15.3%和38.5%～58.6%。OSMn處理糙米中Cd含量和Mn含量在持續(xù)淹水條件下均顯著低于干濕交替（Plt;0.05）。以上結(jié)果表明OS配施Mn肥促進(jìn)糙米中Mn含量增加，但在干濕交替條件下添加Mn肥增加了Cd在水稻糙米中的累積．而適量添加Mn肥在持續(xù)淹水條件下會(huì)降低糙米中Cd含量。

表2為水分管理配施Mn肥對(duì)牡蠣殼粉處理的水稻中各部位Cd轉(zhuǎn)移系數(shù)的影響。由表2可知，在持續(xù)淹水條件下，與CK相比，OS處理TF根一秸稈降低了31.3%，TF秸稈一糙米增加了23.9%（Plt;0.05），OSMn50處理TF秸稈一糙米降低了47.8%，而OSMnl00處理TF鐵膜一根和TF秸稈一糙米分另0增力口了35.3%和23.9%，但TF降低了43.8%。在干濕交替條件下，OS處理顯著降低了TF鐵膜一根和TF根一秸稈，但對(duì)TF秸稈一糙米沒有顯著影響，OSMn50處理TF鐵膜一根和TF秸稈一糙米分別降低了57.7%和17.6%．OSMnl00處理TF鐵膜一根和TF根一秸稈分別降低了64.9%和30.4%，但TF秸稈一糙米增加了47.1%。各處理中TF鐵膜一根和TF根一秸稈在持續(xù)淹水條件下均低于干濕交替，但TF秸稈一糙米高于干濕交替。

2.5土壤一水稻系統(tǒng)中Cd與Mn的相關(guān)性分析

利用相關(guān)性熱圖（圖6）分析了水分管理配施Mn肥對(duì)牡蠣殼粉處理土壤一水稻系統(tǒng)中Cd與Mn的關(guān)系，熱圖中每個(gè)圓圈大小表示土壤一水稻系統(tǒng)中Cd與Mn的相關(guān)系數(shù)，相關(guān)性越大顏色越深。由圖6可知，在持續(xù)淹水條件下，無定形Mn氧化物和游離態(tài)Mn氧化物與土壤有效態(tài)Cd、水稻糙米Cd均呈正相關(guān)，但與水稻其他部位Cd呈負(fù)相關(guān)，說明持續(xù)淹水條件下降低土壤Mn氧化物含量會(huì)降低土壤有效態(tài)Cd和水稻糙米中Cd含量，但會(huì)增加水稻其他部位的Cd累積；水稻鐵膜、根和秸稈中Cd與Mn均呈正相關(guān)，表明水稻吸收Cd和Mn存在協(xié)同作用。在干濕交替條件下，土壤無定形Mn氧化物和游離態(tài)Mn氧化物與土壤有效態(tài)Cd（相關(guān)系數(shù)分別為-0.99、-0.95）、水稻根Cd（相關(guān)系數(shù)分別為-0.83、-0.93）和秸稈Cd（相關(guān)系數(shù)分別為-0.81、-0.68）呈負(fù)相關(guān)，但和水稻糙米中Cd呈正相關(guān)（相關(guān)系數(shù)分別為0.98、0.91），表明干濕交替條件下增加土壤Mn氧化物含量會(huì)降低土壤Cd有效性和水稻根Cd、秸稈Cd的吸收，但會(huì)促進(jìn)水稻糙米中Cd的累積；水稻根中Cd與Mn的相關(guān)系數(shù)為-0.97，呈負(fù)相關(guān)，說明水稻根對(duì)Mn的吸收與對(duì)Cd的累積存在拮抗作用。

2.6水分管理配施Mn肥對(duì)牡蠣殼粉處理水稻根Cd相關(guān)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因表達(dá)的影響

圖7為水分管理配施Mn肥對(duì)牡蠣殼粉處理的水稻根OsNramp5相對(duì)表達(dá)量的影響。由圖7可知，在持續(xù)淹水條件下，OS處理對(duì)水稻根中OsNramp5相對(duì)表達(dá)量沒有顯著影響，OSMn處理根中OsNramp5相對(duì)表達(dá)量上調(diào)了45.9%～61.9%;與OS處理相比，OSMn50和OSMnl00處理根中O.sNramp5相對(duì)表達(dá)量分別上調(diào)了85.6%和105.9%。在干濕交替條件下，OS處理水稻根中O.sNramp5相對(duì)表達(dá)量下調(diào)了37.6%，OSMn處理根中OsNramp5相對(duì)表達(dá)量上調(diào)了122.7%～163.9%；與OS處理相比，OSMn50和OSMnl00處理根中O.sNramp5相對(duì)表達(dá)量分別上調(diào)了322.8%和256.8%。各處理中成熟期水稻根中OsNramp5相對(duì)表達(dá)量在持續(xù)淹水條件下均低于干濕交替。以上結(jié)果表明根中OsNramp5相對(duì)表達(dá)量主要受水分條件和Mn肥影響。

3討論

3.1水分管理配施Mn肥對(duì)土壤Cd有效性的影響

土壤pH和Eh是影響土壤Cd有效性及化學(xué)形態(tài)的重要因素。本試驗(yàn)結(jié)果表明，與單施牡蠣殼粉相比，牡蠣殼粉加施Mn肥處理在兩種水分條件下對(duì)土壤pH和Eh沒有顯著影響（圖1）。土壤CaCI2提取態(tài)Cd含量在持續(xù)淹水條件下沒有顯著變化，但在干濕交替條件下隨著Mn肥添加量增加而降低（圖2），說明與持續(xù)淹水相比，干濕交替更能有效降低土壤有效態(tài)Cd含量，這可能與干濕交替條件下土壤中Mn氧化物的形成與轉(zhuǎn)化對(duì)Cd的吸附和共沉淀有關(guān)。在干濕交替條件下，與單施牡蠣殼粉相比，牡蠣殼粉加施Mn肥處理能增加土壤無定形Mn氧化物含量（圖3），土壤中無定形Mn氧化物含量與土壤有效態(tài)Cd含量均呈顯著負(fù)相關(guān)（圖6B），說明牡蠣殼粉添加Mn肥可促進(jìn)無定形Mn氧化物含量增加，降低土壤Cd有效性。這主要是因?yàn)楦蓾窠惶嬖黾油寥繣h，促進(jìn)土壤中Mn從離子態(tài)一非晶態(tài)一晶態(tài)方向轉(zhuǎn)變，在轉(zhuǎn)變過程中形成無定形的土壤Mn氧化物，由于Mn氧化物比表面積較大和電荷零點(diǎn)低，對(duì)Cd具有很強(qiáng)的吸附能力，從而降低土壤有效態(tài)Cd含量。

相關(guān)研究也表明，淹水條件下添加硫酸錳有利于Mn不同氧化物的生成，促進(jìn)土壤碳酸鹽結(jié)合態(tài)Cd向鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)Cd轉(zhuǎn)變，從而增加鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)Cd含量，降低土壤Cd的生物有效性。但有研究表明，持續(xù)不超過2周的土壤排干或淹水不會(huì)引起土壤Mn氧化物的水合程度、氧化狀態(tài)和結(jié)晶形式的顯著變化，對(duì)土壤中水溶態(tài)Cd的提取量也沒有顯著影響。本試驗(yàn)中，與單施牡蠣殼粉處理相比，加施Mn肥處理增加了成熟期土壤弱酸提取態(tài)Cd和可還原態(tài)Cd含量，但可還原態(tài)Cd含量明顯高于弱酸提取態(tài)Cd含量（圖2），表明牡蠣殼粉加施Mn肥比單施牡蠣殼粉能更有效促進(jìn)土壤鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)Cd的形成，降低碳酸鹽結(jié)合態(tài)Cd含量，這與前人研究結(jié)果一致。牡蠣殼粉加施Mn處理中土壤可還原態(tài)Cd含量在持續(xù)淹水條件下顯著低于干濕交替，說明干濕交替條件下牡蠣殼粉加施Mn肥有利于促進(jìn)土壤鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)Cd含量提高，更進(jìn)一步有效降低土壤Cd的活性，這主要是因?yàn)殍F錳氧化物在持續(xù)淹水條件下被還原生成Fe2+、Mri2}的同時(shí)也釋放Cd2+，抑制鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)Cd形成，有利于向其他形態(tài)Cd轉(zhuǎn)化，而在排干好氧的條件下，F(xiàn)e2+、Mri2+重新氧化形成高價(jià)態(tài)的鐵錳氧化物與Cd2+共吸附沉淀，從而有利于促進(jìn)鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)Cd生成。

3.2水分管理配施Mn肥對(duì)水稻Cd吸收轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

水稻根表鐵膜中Mn氧化物是影響水稻Cd吸收轉(zhuǎn)運(yùn)的重要因素。在水稻根表鐵膜中，Mn氧化物含量遠(yuǎn)低于Fe氧化物，但與鐵膜相比，水稻根表鐵膜中Mn氧化物的存在會(huì)增加Cd的吸附能力，此外形成的錳膜具有更大的表面活性和更強(qiáng)的催化能力，對(duì)金屬的吸附和富集強(qiáng)于鐵膜。Deng等的研究結(jié)果表明追施Mn肥能提高水稻根表鐵膜中Mn含量，并增加鐵膜中Cd/Mn質(zhì)量比和鐵膜對(duì)Cd的固定能力，限制水稻根系對(duì)Cd的吸收和轉(zhuǎn)移。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與單施牡蠣殼粉相比，牡蠣殼粉加施Mn肥均顯著增加了根表鐵膜中Mn和Cd的含量（圖4A和圖4B），且兩者呈顯著正相關(guān)（圖6），說明牡蠣殼粉加施Mn肥有利于水稻根表鐵膜中Mn氧化物形成，并增加Cd的吸附。在持續(xù)淹水條件下，水稻根表鐵膜中Cd與根Cd呈正相關(guān)（圖6A），但兩者在干濕交替下呈負(fù)相關(guān)（圖6B），說明根表鐵膜中吸附累積的Cd在持續(xù)淹水條件下會(huì)促進(jìn)水稻根Cd增加，但在干濕交替條件下根表鐵膜阻隔Cd向水稻根轉(zhuǎn)運(yùn)，推測(cè)這主要是因?yàn)樗靖龛F膜中鐵錳氧化物在持續(xù)淹水條件下還原溶解釋放出吸附的部分Cd2+，增加了Cd的移動(dòng)性，有利于水稻根Cd的吸收；但在干濕交替條件下根際土壤和根表鐵膜中Mn氧化物還原溶解釋放出Mn2+，根際Mn2+在水稻根系泌氧和好氧作用下發(fā)生氧化，在根表形成Mn氧化物，其可吸附和固定根際區(qū)域的Cd，抑制Cd的活性，從而降低根Cd的吸收。董明芳等的研究發(fā)現(xiàn)添加Mn2+可能通過競(jìng)爭(zhēng)根部表面及鐵膜中二價(jià)金屬離子吸附位點(diǎn)，減少Cd在鐵膜中累積。本試驗(yàn)中，牡蠣殼粉配施Mn肥后根表鐵膜中Mn含量在干濕交替條件下高于持續(xù)淹水（圖4B），但鐵膜中Cd含量顯著低于持續(xù)淹水，水稻根表鐵膜中Cd含量與土壤無定形Mn氧化物含量在持續(xù)淹水條件下呈負(fù)相關(guān)（圖6A），而在干濕交替條件下呈顯著正相關(guān)（圖6B），說明干濕交替條件下牡蠣殼粉加施Mn肥有利于增加水稻根表鐵膜Mn氧化物，但是由于Cd更多地被固定在土壤的Mn氧化物中，并且土壤Mn2+與Cd2+競(jìng)爭(zhēng)了鐵膜的吸附位點(diǎn)，因此會(huì)減少鐵膜對(duì)Cd的吸附，降低根Cd吸收。

土壤Mn生物有效性是影響水稻根系對(duì)Cd的植物吸收系數(shù)和水稻籽粒富集Cd的另一個(gè)重要因素。Yang等的研究結(jié)果表明在南方酸性水稻土壤中施用Mn肥可以有效降低水稻對(duì)Cd的吸收，水稻根系吸收系數(shù)和籽粒Cd含量分別降低27.2%和44.5%。在本試驗(yàn)中，與單施牡蠣殼粉相比，牡蠣殼粉加施Mn肥處理增加了土壤有效態(tài)Mn含量，在持續(xù)淹水條件下增加了根Mn和Cd的含量，但在干濕交替條件下，增加了水稻根Mn含量，降低了Cd含量（圖4C和圖4D），這說明不同水分條件下增加土壤Mn有效性對(duì)水稻根Cd吸收的機(jī)制不一樣。在Cd和Mn共存的條件下，水稻根系吸收轉(zhuǎn)運(yùn)Cd主要通過共用Mri2+載體蛋白（OsNramp5）和離子通道來完成。與單施牡蠣殼粉相比，牡蠣殼粉加施Mn肥處理在兩種水分條件下都顯著上調(diào)水稻根OsNramp5相對(duì)表達(dá)量（圖7），這表明在持續(xù)淹水條件下水稻根Mn的吸收對(duì)Cd產(chǎn)生協(xié)同作用，而在干濕交替條件下Mn吸收對(duì)Cd吸收產(chǎn)生拮抗作用。Yang等的研究結(jié)果表明淹水條件下施用石灰石降低土壤無定形Mn氧化物含量，促進(jìn)水稻籽粒對(duì)Mn和Cd的協(xié)同吸收。也有研究結(jié)果表明石灰添加導(dǎo)致植株Mn生物有效性降低，削弱Mn對(duì)Cd從土壤向水稻籽粒轉(zhuǎn)移的抑制作用，不能有效降低水稻籽粒中Cd含量。但在本試驗(yàn)中，與單施牡蠣殼粉相比，牡蠣殼粉加施Mn肥處理能增加水稻秸稈和糙米中Mn含量，表明配施Mn肥能提高牡蠣殼粉處理土壤中Mn的生物有效性，促進(jìn)水稻Mn的吸收與分布。在持續(xù)淹水條件下，水稻根和秸稈中Cd與Mn均呈正相關(guān)，說明水稻根和秸稈中Cd、Mn的吸收存在協(xié)同作用。當(dāng)Mn肥添加量為50mg·kg-1時(shí)，水稻糙米Cd含量降低，當(dāng)Mn肥添加量為100mg·kg-1時(shí)，糙米Cd含量（圖5A和圖5B）增加，糙米Cd累積差異可能與水稻Cd從秸稈向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)能力有關(guān)。牡蠣殼粉適量配施Mn肥能顯著降低秸稈向糙米中的Cd轉(zhuǎn)移系數(shù)，但轉(zhuǎn)移系數(shù)隨著Mn肥添加量增加而顯著增加（表2），從而增加水稻糙米中Cd的累積，說明適量配施Mn肥可以提高植株Mn與Cd的拮抗作用，降低水稻籽粒中Cd含量。但在干濕交替條件下，糙米中Cd、Mn含量隨Mn肥施加量的增加而增加，且顯著高于持續(xù)淹水，這表明持續(xù)淹水條件配施Mn肥比干濕交替更有利于牡蠣殼粉降低水稻糙米中的Cd含量，但是過量添加Mn肥會(huì)增加糙米Cd的累積，這可能是由于過量增加水稻植株體內(nèi)Mn，會(huì)誘導(dǎo)相關(guān)Mn轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因的表達(dá)上調(diào)，促進(jìn)水稻Cd的吸收。此外，水稻秸稈中Mn與Cd的拮抗和協(xié)同吸收作用可能與水稻植株Mn含量的變化有關(guān)。

4結(jié)論

（1）與持續(xù)淹水相比，干濕交替條件下牡蠣殼粉加施Mn肥能更有效地增加土壤有效態(tài)Mn含量，降低有效態(tài)Cd含量。

（2）在持續(xù)淹水條件下，與單施牡蠣殼粉相比，牡蠣殼粉加施50mg·kg-1 Mn肥可促進(jìn)根表鐵膜中Cd的累積，上調(diào)水稻根系OsNramp5基因的相對(duì)表達(dá)量，提高水稻Mn的吸收，但降低秸稈一糙米中Cd的轉(zhuǎn)移系數(shù)，有效降低糙米中Cd的累積，隨著Mn肥添加量增加，糙米中Cd含量增加。

（3）在干濕交替條件下，與單施牡蠣殼粉相比，牡蠣殼粉加施Mn肥鈍化處理上調(diào)水稻根系OsNramp5基因的相對(duì)表達(dá)量，當(dāng)Mn肥施加量為50mg·kg-1時(shí)，糙米中Cd累積未受到顯著影響，當(dāng)Mn肥施加量為100mg·kg-1時(shí)，根一秸稈、秸稈一糙米中Cd的轉(zhuǎn)移系數(shù)提高，水稻糙米中Cd的累積顯著增加。與干濕交替相比，牡蠣殼粉加施Mn肥在持續(xù)淹水條件下可更有效降低糙米Cd累積。