葉面噴施硒硅復(fù)合溶膠抑制水稻砷積累效應(yīng)研究

徐向華，劉傳平 ，唐新蓮，雷靜，顧明華，李芳柏

1.廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院，廣西 南寧 530005；2.廣東省生態(tài)環(huán)境與土壤研究所 廣東省農(nóng)業(yè)環(huán)境綜合治理重點實驗室，廣東 廣州 510650

砷是一種典型的有毒元素，被公認為是最嚴重的污染物之一（Smedley和Kinniburgh，2002）。砷及其化合物已經(jīng)被世界衛(wèi)生組織（WHO）下屬的國際癌癥研究所（IARC）等權(quán)威機構(gòu)公認為人類已確定的致癌物（孟紫強，2000）。土壤砷污染會影響農(nóng)作物正常生長發(fā)育，影響農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，而且砷經(jīng)由食物鏈進入人體，會威脅到人類的生存與健康。水稻(Oryza sativaL.)是一種易于吸收積累砷的農(nóng)作物，也是我國第一大糧食作物，全國60%以上的人口以稻米為主食（Liao等，2005）。因此，研究如何緩解水稻砷吸收，抑制砷通過食物鏈進入人體有著重要的現(xiàn)實意義。

硅作為植物的有益元素，近年來在抑制植物砷吸收積累方面的作用受到了越來越多的關(guān)注。有研究表明，向營養(yǎng)液和土壤中施加硅肥可以顯著抑制水稻幼苗對砷的吸收和向地上部轉(zhuǎn)運（Guo等，2005，2007；郭偉等，2006）；Bogdan和 Schenk（2008）研究也發(fā)現(xiàn)，隨著土壤溶液中硅濃度的上升，水稻莖稈和籽粒中砷濃度逐漸下降，這說明硅可以提高水稻對砷的抗性，抑制水稻對其的吸收積累。然而硅肥的溶解性差，易于被土壤膠體吸附固定，直接施用硅肥往往效率很低（高明等，2003），葉面施肥具有利用效率高、吸收快等特點（張瑞富等，2007），有研究表明，噴施硅溶膠對降低水稻 Cd含量的效應(yīng)優(yōu)于土施硅肥（黃崇玲等，2013）。此外還有研究顯示，向水稻葉面噴施氧化硅溶膠，可以提高水稻對重金屬的抗性，抑制Cd、Pb等重金屬向籽粒轉(zhuǎn)運（Liu等，2009；王世華等，2007）。因此，研究葉面施硅對水稻砷吸收的影響，必將為砷污染稻田土壤治理提供新的途徑。

硒和砷同在第4周期，且分別位于第6和第5相鄰的 2個主族，兩者在生物體中可能存在一定的拮抗關(guān)系。有研究表明在適宜的濃度下，硒能抵抗鎘、鉛、汞等重金屬對植物的毒害，降低植物對重金屬元素的吸收積累（He等，2004；呂選忠等，2006；劉燕等，2010，2008；杜式華和于志杰，1987）。在水稻方面的研究也顯示，水稻噴施硒肥不僅能抗病、抗旱、抗寒、解霜凍、解藥害等，還能抑制水稻吸收重金屬，減輕鎘、鉻、鉛等重金屬毒害的作用，且植物莖葉及根系吸收重金屬的能力隨著施硒量的增大而下降（張現(xiàn)偉等，2009）。同時硒還是動物和人體的必需微量元素，是谷胱甘肽過氧化物酶的組成成分，具有抗氧化作用。人體所需要的硒必須從飲食中獲取，國際硒學(xué)會推薦人體硒日攝入量為60～400 μg，我國營養(yǎng)學(xué)會推薦日攝入量為50～200 μg。但是中國營養(yǎng)學(xué)會調(diào)查表明，我國居民日平均硒攝入量僅為26～32 μg；我國缺硒的省份多達22個，缺硒面積約占國土面積的 72%。通過增加水稻硒營養(yǎng)提高水稻對重金屬的抗性，不僅可以降低水稻對重金屬的吸收積累，同時可以提高稻米硒富集水平。因此，富硒肥料的研發(fā)和施用受到了廣泛的關(guān)注。

由于硒具有特殊的生理功能，又可以提高農(nóng)作物對重金屬的抗性。因此，制備硒摻雜葉面硅肥，必然將提高硅肥產(chǎn)品抑制農(nóng)作物重金屬吸收性能，同時又可以生產(chǎn)出富硒農(nóng)產(chǎn)品；既滿足了富硒農(nóng)產(chǎn)品的生成需求，又可為我國農(nóng)田土壤重金屬治理提供新的出路。

1 材料與方法

1.1 溶膠的制備

量取200 mL水，加入1 g氫氧化鈉，在55 ℃水浴中攪拌均勻，再加入250 g Na2SiO3，充分溶解后冷卻至室溫；將上述溶液以 5 mL·min-1的速度，勻速通過100 mL（濕體積）氫型強酸性陽離子多級樹脂交換柱，控制柱出口收集液pH值在2～3之間，得到酸性硅溶膠前驅(qū)物，備用。分別稱取 0、0.5、2.5、5、10 g亞硒酸鈉，溶解在50 mL 0.01 mol·L-1的稀鹽酸中；在 55 ℃水浴中緩慢加入聚乙烯吡咯烷酮1 g左右；邊加邊攪拌，制得乳化硒摻雜液。將上述乳化硒摻雜液在 55 ℃水浴中，逐滴加到酸性硅溶膠前驅(qū)物中，邊加邊攪拌；再緩慢加入20 mL質(zhì)量分數(shù)為 25%～28%的氨水，制得硒摻雜硅溶膠前體。在水浴 50 ℃條件下，將該硒摻雜硅溶膠前體液緩慢加入到50 mL 0.1 mol·L-1抗壞血酸（Vc）中，逐滴滴加，至溶膠淡紅色不再加深，硒充分還原后，繼續(xù)攪拌2 h以上，得到溶膠，所制備的溶膠經(jīng)過2次滲析，并蒸發(fā)濃縮至200 mL即得到均一穩(wěn)定且半透明的高純的硒摻雜納米硅溶膠，所制得的高純硒摻雜納米硅溶膠中二氧化硅質(zhì)量分數(shù)為20%，硒質(zhì)量分數(shù)分別為0%、0.1%、0.5%、1%和2%。

1.2 試驗材料

盆栽試驗土壤采自大田試驗稻田表層。該試驗田位于廣東省汕頭市澄海區(qū)鹽鴻鎮(zhèn)，土壤取水稻田表層耕作土（0～10 cm），風(fēng)干后過篩，稱10 kg土裝入桶內(nèi)，土壤基本理化性質(zhì)如下：pH 6.12，有機質(zhì) 2.73%，全氮 1.5 g·kg-1，全磷 1.02 g·kg-1，全鉀11.3 g·kg-1，CEC 8.75 cmol·kg-1，總砷 93.6 mg·kg-1，總硒 0.879 mg·kg-1。

試驗供試植物為水稻，品種為優(yōu)優(yōu)128。

1.3 盆栽試驗和處理

以 5%次氯酸鈉溶液對水稻種子表面消毒 15 min，用自來水沖洗后催芽、育苗，選均勻一致的幼苗進行移栽。每盆2株，在分蘗期（60～70 d）時，按以下方案進行處理：1）葉面噴施硒摻雜納米硅溶膠（含 SiO2質(zhì)量分數(shù)為 20%，含 Se質(zhì)量分數(shù)為1%），用去離子水稀釋100倍后，進行葉面噴施，噴到葉面出現(xiàn)水珠但是不滴下為止（該處理記為1%Se-Si）；2）葉面噴施硅溶膠（含SiO2質(zhì)量分數(shù)為20%），用去離子水稀釋100倍后，進行葉面噴施，噴到葉面出現(xiàn)水珠但是不滴下為止（該處理記為Si）；3）葉面噴施用市售亞硒酸鈉配制的溶液（含Se質(zhì)量分數(shù)為1%），用去離子水稀釋 100倍后，進行葉面噴施，噴到葉面出現(xiàn)水珠但是不滴下為止（該處理記為1%Se）；4）以噴施等量的去離子水為對照（記為 CK）。每個處理重復(fù)4次，水稻成熟后收獲。稱取每盆稻谷干質(zhì)量、分析稻米中砷和硒含量。

1.4 大田試驗和處理

在水稻生長到分蘗盛期（60 d左右），使用系列濃度梯度的硒摻雜納米硅溶膠，其硅質(zhì)量分數(shù)為20%，硒質(zhì)量分數(shù)分別為 0.1%、0.5%、1%和 2%，1 hm2用量約15 L，兌水1500 L進行葉面噴施；以噴施等量的清水為對照；分別記為 0.1%Se-Si、0.5%Se-Si、1%Se-Si、2%Se-Si、CK。每個處理為4個小區(qū)，隨機區(qū)組排列。田間管理：和普通水稻田間管理一樣。水稻成熟后收獲，分析每個小區(qū)稻米砷和硒含量。

1.5 分析測試方法

樣品的消煮參照魯如坤（2000）的方法，水稻籽粒粉碎后稱取0.5000 g至消煮管中、土壤稱取0.3000 g至消煮管中，加入5 mL HNO3-HClO4（V/V=87:13），經(jīng)130 ℃消煮，冷卻后轉(zhuǎn)移并定容到25 mL容量瓶中，砷、硒含量用AFS-820型雙道原子熒光光度計（北京吉大小天鵝儀器有限公司）測定。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用SPSS 13.0軟件；結(jié)果表達方式均為平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 硒摻雜納米硅溶膠性能分析

圖1是硒質(zhì)量分數(shù)1%的硒摻雜納米硅溶膠掃描電鏡照片，圖2是硒質(zhì)量分數(shù)1%的硒摻雜納米硅溶膠的粒徑分布。由圖可以看出，該溶膠硒以納米顆粒分散于二氧化硅膠體中間，膠體顆粒均勻，粒徑小于50 nm，且顆粒主要分布在30～40 nm。

2.2 葉面噴施硒摻雜硅溶膠對砷污染盆栽水稻的影響

如圖3所示，葉面噴施硅溶膠或者1%質(zhì)量分數(shù)硒摻雜納米硅溶膠后均可以顯著促進水稻生長，水稻籽粒干質(zhì)量分別比對照增加了20.2%和43.8%；與葉面噴施硅溶膠相比，葉面噴施 1%質(zhì)量分數(shù)硒摻雜納米硅溶膠后對水稻生長的促進作用更顯著。而葉面噴施 1%質(zhì)量分數(shù)亞硒酸鈉制備的水溶液后，對水稻生長具有抑制效應(yīng)；水稻籽粒干質(zhì)量比對照下降了 13.1%，但是差異并不顯著（P>0.05）。用1%Se-Si處理后，水稻籽粒干質(zhì)量分別比1%Se處理增加了65.4%、比Si處理增加了19.6%。

葉面噴施硒摻雜納米硅溶膠不僅可以促進水稻生長，而且可以抑制稻米中砷的積累，增加稻米硒含量。與對照相比，葉面噴施質(zhì)量分數(shù) 1%硒摻雜納米硅溶膠后稻米砷含量下降了46%；而噴施純硅溶膠后稻米砷含量下降了28%，噴施質(zhì)量分數(shù)1%亞硒酸鈉制備的水溶液后稻米砷含量下降了 19%；1%Se-Si處理對稻米（圖 4）硒質(zhì)量分數(shù)由對照的0.050 mg·kg-1增加到 0.272 mg·kg-1；達到了富硒大米標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 22499—2008）。而葉面噴施1%亞硒酸鈉制備的水溶液后稻米硒質(zhì)量分數(shù)為 0.180 mg·kg-1；僅為葉面噴施 1%硒摻雜納米硅溶膠稻米的66%（圖5）。

2.3 葉面噴施硒摻雜硅溶膠對砷污染大田水稻的影響

如圖6和圖7所示，通過在鹽鴻鎮(zhèn)的大田試驗證實，葉面噴施不同濃度硒摻雜納米硅溶膠后，均可以顯著抑制稻米對砷的吸收積累，且增加稻米硒含量；隨著硒摻雜量的增加，稻米硒含量顯著增加，而稻米砷含量則顯著下降。與對照相比，葉面分別噴施質(zhì)量分數(shù)為0.1%、0.5%、1%和2%的硒摻雜納米硅溶膠后，稻米砷含量分別下降了19.1%、45.9%、59.4%和63.7%；而稻米硒含量則分別增加了67.5%、265%、443%和631%。其中當(dāng)硒摻雜質(zhì)量分數(shù)達到0.5%時，稻米總砷質(zhì)量分數(shù)由對照的 0.25 mg·kg-1下降到 0.14 mg·kg-1（GB 2762—2012 國家食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，稻米無機砷<0.2 mg·kg-1）；而當(dāng)硒摻雜量質(zhì)量分數(shù)為0.1%和0.5%時，稻米中硒的質(zhì)量分數(shù)分別為 0.12和 0.26 mg·kg-1，符合富硒大米標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 22499—2008）。但是當(dāng)硒摻雜量質(zhì)量分數(shù)為1%和 2%時，稻米中硒的質(zhì)量分數(shù)為 0.38和 0.51 mg·kg-1，超過了富硒大米硒含量標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 22499—2008）因此，在鹽鴻鎮(zhèn)通過葉面噴施含0.5%硒摻雜納米硅溶膠，可以在砷污染農(nóng)田上生產(chǎn)出砷含量達標(biāo)的富硒大米。

3 討論

硅是高等植物特別是禾本科植物的有益元素，在水稻的生長發(fā)育過程中硅起著極其重要的作用，甚至被認為是其生長發(fā)育的必需元素之一（廖紅和嚴小龍，2003）。有研究表明，葉面施硅可以顯著緩解重金屬對水稻的毒害作用，可以降解重金屬復(fù)合污染條件下水稻籽實中重金屬吸收系數(shù)和積累量降低重金屬向食物鏈輸出的風(fēng)險（王世華等，2007）。郭偉等（2006）研究顯示，在砷污染土壤中施加外源硅可以顯著地抑制水稻對砷吸收的積累。本試驗的盆栽結(jié)果，也證實了葉面噴施純硅溶膠可以顯著緩解水稻砷的毒害，與對照相比，稻米干質(zhì)量增加了20%，砷含量下降了28%。

硒是動物和人體的必需微量元素。我國的地方病，如克山病、大骨節(jié)病等都與環(huán)境中缺硒密切相關(guān)，很多調(diào)查研究結(jié)果表明，硒具有防癌、抗腫瘤和抗衰老的作用。人體所需的硒必須通過飲食獲得，而稻米是我國主要的糧食作物。因此，近年來富硒肥料在水稻上的應(yīng)用研究受到了廣泛的關(guān)注。與傳統(tǒng)的土壤施肥相比，葉面肥具有施用量小、高效、經(jīng)濟易于被植物吸收等優(yōu)點（張靜，2007）。如張晶等（2011）的報道，葉面噴施硒肥，可以使稻米中硒質(zhì)量分數(shù)從對照的 0.03 mg·kg-1增加到 0.17 mg·kg-1。但是前人的研究大多數(shù)是將亞硒酸鈉直接噴施于水稻葉面（葉斌等，2013；耿建梅等，2011；李向陽等，2009），高劑量的亞硒酸鈉具有生物毒性，會對植物造成傷害。如方勇等（2013）報道，高劑量（100 g·hm-2）葉面施硒后，水稻籽粒千粒質(zhì)量由對照的27.05 g下降到26.37 g；產(chǎn)量由對照的8.563 kg·hm-2下降到 8.356 kg·hm-2。本研究盆栽試驗結(jié)果也表明，葉面噴施質(zhì)量分數(shù)為 1%亞硒酸鈉化學(xué)試劑配制的100倍稀釋液后（處理1%Se），水稻籽粒干質(zhì)量下降了13.1%。但是葉面噴施質(zhì)量分數(shù)為 1%硒摻雜硅溶膠（稀釋 100倍）后（處理1%Se-Si），水稻籽粒干質(zhì)量增加了43.8%。這一結(jié)果表明，與化學(xué)試劑相比硒摻雜硅溶膠在水稻葉面上噴施更為安全。

近年來發(fā)現(xiàn)硒也是許多植物乃至高等植物的有益元素（Zhu等，2009）。例如有文獻顯示，水稻補施低濃度的硒可降低大米中鉛、鎘、鉻等重金屬的含量，施硒可減輕鎘對水稻幼苗的毒害（譚周磁等，2000；陳平等，2002）。本研究結(jié)果也表明，葉面噴施硒可以顯著抑制稻米砷的積累；盆栽試驗中1%Se處理，可以使稻米砷含量降低19%。這可能與砷和硒存在競爭吸收機制有關(guān)；砷多數(shù)以陰離子形式存在（AsO33-、AsO42-），硒也以陰離子形式存在（SeO32-、SeO42-），砷、硒在結(jié)構(gòu)上相似，可能有一致的植物吸收機制(Zhu等，2009)。與噴施純硒相比，葉面噴施硒硅復(fù)合溶膠對抑制水稻重金屬砷吸收效率的更高；其抑制率達到46%（圖4）。大田試驗結(jié)果也表明，葉面噴施硒硅復(fù)合溶膠可以顯著抑制稻米砷積累，且隨著硒摻雜量的增加，稻米砷含量也顯著下降（圖6）。其中當(dāng)硒摻雜質(zhì)量分數(shù)達到 0.5%時，稻米總砷質(zhì)量分數(shù)由對照的 0.25 mg·kg-1下降到 0.14 mg·kg-1；稻米中硒的質(zhì)量分數(shù)為0.26 mg·kg-1，符合富硒大米標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 22499—2008）。但是當(dāng)硒摻雜量進一步增加時，稻米中硒的含量會超過富硒大米硒含量標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合經(jīng)濟成本和安全因素考慮，該摻雜劑量為最佳劑量。

4 結(jié)論

綜上所述，在砷污染土壤上，葉面噴施硒摻雜納米硅溶膠可以減緩水稻砷毒害，提高水稻籽粒的生物量，降低水稻籽粒對砷的吸收積累。與噴施亞硒酸鈉相比，噴施硒摻雜納米硅溶膠更有利于水稻生長，也有利于增加水稻對硒的吸收、抑制稻米砷積累。大田試驗中，當(dāng)硒摻雜質(zhì)量分數(shù)為0.5%時，稻米砷含量可以下降到國家食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)限值以下，同時稻米硒含量達到富硒大米標(biāo)準(zhǔn)。因此，用本試驗所使用的硒摻雜納米硅溶膠對水稻進行葉面噴施后，可以進一步提升葉面硅肥抑制水稻砷吸收的效果；同時可以生產(chǎn)出富硒大米，比直接噴施亞硒酸鈉安全、高效。葉面噴施硒摻雜納米硅溶膠在控制作物砷污染上的應(yīng)用，將會是緩解目前嚴重的糧食砷污染問題的新出路。

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