沸石-鉛交互作用對水稻生長發育及鉛富集特性的影響

姜國輝，程 芳，田 英，李玉清

(1.沈陽農業大學水利學院,沈陽 110866；2.遼寧省水文局,沈陽 110003)

鉛是已知重金屬污染物中毒性最大的元素之一，隨著工業技術的迅速發展，重金屬鉛污染問題日益嚴重。中國近海2/3的海域出現鉛含量超標，近1/5的耕地受到鉛污染。污水中的Pb2+進入土壤中，最終通過食物鏈積累進入人體，危害人類健康[1,2]。因此，有關再生水灌溉對農產品的產量和品質影響的研究是近來關注的焦點之一[3,4]，水稻是我國主要糧食作物之一，在我國糧食生產中占重要的地位[5]，有研究表明，水稻是一種典型的富鉛作物，鉛在水稻植株體中累積，導致水稻生長發育受阻，產量和品質下降，積累在水稻植株體內的鉛通過食物鏈傳遞，危及人類和動物的健康[6-8]。因此，研究如何降低水稻對鉛的吸收積累成為一項重要的課題。

化學改良技術以其廉價且影響作物耕作，被認為是土壤重金屬污染治理最有效的方法之一。近年來，大量的改良劑被用于重金屬污染土壤的治理，常見的有石灰、磷酸鹽、堆肥、高爐渣、鐵鹽、硅酸鹽、沸石等。吸附法是一種有效的物理化學水處理方法，常被用于凈化重金屬污染廢水。沸石作為常用的吸附劑，既能改良土壤又能凈化廢水，能有效去除水中的重金屬。關于沸石吸附重金屬離子的研究已有報道。沸石具有孔道結構和離子交換性能，對廢水中的鉛有吸附作用。此外，沸石對土壤中重金屬鉛具有一定的鈍化效果，可有效抑制土壤鉛的遷移及生態有效性[9-10]。對于鉛污染的土壤，采用多種改良劑配施已經有不少研究[11-13]，而這些研究大多采用盆栽試驗，在小區試驗的較少，同時，大部分研究是針對復合改良劑對土壤污染的影響，或研究沸石對廢水進行改良。農田重金屬的含量狀況關系到農產品質量安全、人類和動物健康等[14]，因此，如何治理重金屬污染農田以及如何控制重金屬向水稻中轉移是值得研究的課題。目前，少有學者研究灌溉水中的鉛與沸石交互作用對土壤中鉛含量及對水稻的影響。本文擬通過微區水稻種植試驗，分析沸石與鉛復合作用對水稻產量、鉛在水稻植株中富集、生長性狀等的影響，以期為我國含鉛污水灌溉的糧食作物安全生產提供一些依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗地位于沈陽農業大學水利學院綜合試驗基地(坐標：N41°44′，E123°27′，海拔44.7 m)。試驗區屬于溫帶大陸性季風氣候區，年平均降水量700 mm左右。全年無霜期155～180 d。年平均氣溫為8.1 ℃，夏季平均氣溫為25.6 ℃。試驗于2015年5月開始，試驗微區面積4.2 m2(3.5 m×1.2 m)，深度為30 cm，底部及四周均用塑料膜包裹，微區間筑埂隔離，各處理間互不滲透。為防止微區中的灌溉水被雨水稀釋進而影響試驗結果，設置透明遮雨棚，雨天遮蓋，晴天全部打開。

1.2 供試材料

水稻品種為沈農9816，供試土壤為基地的棕壤土，各理化指標為：pH值7.41，有機質含量20.48 g/kg，全氮含量1.3 g/kg，速效磷20.69 mg/kg，速效鉀50.11 mg/kg。常規施肥：硫酸鉀100 kg/hm2，尿素300 kg/hm2，磷酸二氫鈣200 kg/hm2。灌溉水為水利學院綜合試驗基地自供水，經檢測，基地自供水符合飲用水水質標準，其中鉛的濃度<0.06 μg/L。

1.3 試驗設計

試驗設鉛及沸石2因素，鉛因子4個濃度梯度，沸石3個施用量，共12個處理，各處理試驗見表1，每個處理3個重復。灌溉水鉛處理濃度為0(B0)、0.15(B1)、0.20(B2)、0.25 mg/L(B3)，用硝酸鉛[Pb(NO3)2]配制。沸石施用量包括無沸石(W0)、施用沸石2 500 kg/hm2(W1)、施用沸石5 000 kg/hm2(W2)。沸石于插秧前結合耙地先于肥料一次施入。緩苗期12個處理均灌溉基地自供水，水層保持3 cm厚。返青期開始，除B0各處理外，其他處理灌溉對應濃度含鉛因子水溶液。

表1 試驗處理設計Tab.1 The experiment processing design

1.4 測定數據及方法

(1)試驗取樣。每2 d進行一次田間調查測定，記錄不同處理的水稻生長發育情況；間隔20 d取樣一次，其中在水稻營養生長時期取2次，水稻生殖生長時期取樣1次，水稻成熟期取樣1次；每次每個處理取5株，用土鉆取深度0～20 cm土壤0.5～1.0 kg左右。

(2)生長性狀測定。每次取樣測定水稻的株高、分蘗數和地上、地下物質生物量。

(3)產量測定。考查每穗粒數、結實率、千粒重、產量。

(4)樣品處理。土樣在自然條件下陰干、研磨、過100目篩；植物樣品經烘干，植物粉碎機磨碎，研缽研磨成粉狀后，過100目篩。

(5)土壤及水稻植株中鉛含量測定。根據GB 5009.12-2010，采用壓力消解罐消解法處理樣品，用原子吸收分光光度計(HITACHI Z-2000)采用火焰法進行測定。

(6)數據處理。采用Office 2010整理數據，采用SPSS 19.0統計分析軟件進行單因素方差分析，采用Dunccn檢驗法對數據進行顯著性比較(P<0.05)，采用Origin軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同沸石添加量下，鉛水濃度變化對水稻產量的影響

沸石施用于鉛污水灌溉的水稻土中，不同沸石施用量對水稻產量的影響見表2。從表2可見，當沸石施用量是W1處理時，以無沸石添加的W0組為對照，不同濃度的含鉛水灌溉，清水產量增加5.9%，其余處理分別減少3.77%、8.7%、17.6%；當沸石施用量為W2處理時，與W0相比水稻產量呈上升趨勢，不同濃度的含鉛水灌溉，稻米產量分別高于對照8.84%、11.20%、16.84%、8.50%，差異達顯著水平(p<0.05)。

表2 不同鉛濃度灌溉水及沸石施用量對水稻產量的影響 g/區

注：表中不同小寫字母表示各處理間差異顯著(p<0.05)。

當鉛水濃度為B1處理時，以B0組為對照，不同沸石添加量下，W0產量增加10.43%，W1產量增加0.1%，W2產量增加10.13%；當鉛水濃度為B2處理時，以B0組為對照，不同沸石添加量下，W0產量增加16.38%，W1產量增加14.08%，W2產量增加24.94%；當鉛水濃度為B3處理時，不同沸石添加量下，W0產量減少2.35%，W1產量減少24.11%，W2產量減少0.24%。

說明W1處理時，對水稻產量有抑制作用，而W2時對水稻產量有促進作用，且在不同鉛濃度灌溉水中，沸石對水稻產量的作用不同，在清水中起促進作用，在鉛水灌溉下，W1各處理的抑制程度B3>B2>B1，W2各處理的促進程度B2>B1>清水>B3。

以B0W0處理為對照，B1W1增產6.04%，B1W2增產19.87%，B2W1增產6.27%，B2W2增產35.98%，B3W1減產19.61%，B3W2增產8.58%，說明沸石與鉛交互作用對水稻產量影響強弱為：B2W2>B1W2>B3W2>B2W1> B1W1>B3W1。

2.2 沸石脅迫下重金屬鉛在土壤、水稻植株中的富集

鉛水灌溉下，水稻植株各部位均有鉛的積累，鉛的遷移路線一般為水中鉛通過土進入根再運移到植株，或鉛水直接進入根再向植株運移。試驗中每個微區面積相同，土壤重量相等，各處理間控制灌水量差別小于10%以內。因此，水稻土中鉛總量取決于灌溉水中的鉛濃度，殘留在土壤中的鉛含量多，輸送到水稻植株的鉛含量則少。本試驗不同處理下土及水稻各部位鉛濃度對比詳見圖1。由圖1可見，隨著鉛水濃度的增大水稻各部位鉛含量增加，與鄭春榮等[16]研究結果一致。施用不同量的沸石對土壤中及水稻根部鉛濃度影響顯著。

圖1 不同處理下土及水稻各部位鉛濃度對比圖Fig.1 The lead concentration in different parts of soil and rice under different treatments

W1時，以W0組為對照，不同濃度鉛水灌溉下土壤及根中單位鉛含量均有提高，其中土濃度提高了14.69%、15.39% 、15.82%，根中鉛濃度提高9.6%、37.82%、3.36%，莖、葉、米中鉛濃度均有降低，其中莖降低60.59%、34.24% 、28.43%，葉降低27.59%、10.77% 、2.12%，米降低43.49%、37.75% 、28.81%；W2時，土壤鉛濃度分別提高8.57%、8.56% 、6.04%，根提高29.76%、44.71% 、5.81%，莖降低66.03%、43.86% 、31.91%，葉降低44.83%、22.76% 、11.69%，米降低49.32%、45.36%、40.11%。

以B0W0處理為對照，B1W0處理米濃度增加55.32%，B1W1減少12.23%，B1W2減少21.28%；B2W0米濃度增加60.64%，B2W1沒有增加，B2W2減少12.23%；B3W0、B3W1、B3W2米濃度增加88.3%、34.04%、12.77%。

由于施用沸石，土壤中鉛富集最多，米中鉛濃度降低的百分比最大，沸石和鉛的交互作用，有效地抑制了灌溉水中鉛離子向米粒中的轉移，這與周航等[10]研究結果一致。且5 000 kg/hm2沸石添加量明顯比2 500 kg/hm2的處理抑制效果好，沸石影響鉛離子向米中運移強弱表現為B1W2>B2W2、B1W1>B2W1>B3W2>B3W1。

施用不同量的沸石，土壤中鉛濃度與無沸石的W0處理均存在顯著差異(p<0.05 )；W1時，不同鉛水濃度灌溉下，水稻籽粒中鉛濃度與W0亦存在顯著差異性(p<0.05 )；當施用量為W2時，水稻籽粒中鉛濃度與W0之間在B3時存在顯著差異(p<0.05 )。

2.3 沸石與鉛交互作用對水稻生育性狀的影響

為考證沸石與鉛交互作用對水稻生育性狀的影響，試驗在水稻生長期取樣記錄株高、分蘗數和地上、地下干重，結果見表3。在重金屬鉛處理的土壤中生長的作物，隨著施鉛濃度的增加，株高無明顯變化[16]。從表3可以看出對水稻營養生長期部分生育性狀影響為：低濃度鉛水對水稻株高有促進作用，且灌溉水鉛濃度越高，水稻株高增長量越低，高濃度鉛離子對水稻株高起抑制作用，同一鉛濃度，沸石添加量增加，水稻株高增長量越高，沸石對水稻的株高起促進作用，鉛與沸石交互作用下，沸石對水稻株高的促進作用大于鉛離子對水稻株高的抑制作用；鉛離子對水稻分蘗數起抑制作用，同一鉛濃度，沸石添加量增加，水稻分蘗數增長量越高，沸石對水稻的分蘗數起促進作用，鉛與沸石交互作用下，沸石對水稻分蘗的促進作用大于鉛離子對水稻分蘗的抑制作用；灌溉水鉛濃度越高，水稻地上物質重增長量越低，鉛離子對水稻地上物質重起抑制作用，同一鉛濃度，沸石添加量增加，水稻地上物質重增長量越高，沸石對水稻地上物質干重起促進作用，鉛與沸石交互作用下，沸石對水稻地上物質干重的促進作用大于鉛離子對水稻地上物質干重的抑制作用；低濃度鉛離子對水稻地下物質干重有促進作用，且灌溉水鉛濃度越高，水稻地下物質干重增長量越低，高濃度鉛離子對水稻地下物質干重起抑制作用，同一鉛濃度，沸石添加量增加，水稻地下物質重增長量越高，沸石對水稻地下物質干重起促進作用，鉛與沸石交互作用下，沸石對水稻地下物質干重的促進作用大于鉛離子對水稻地下物質干重的抑制作用，且對地上物質干重作用大于對地下物質干重。

表3 施用沸石的水稻生育性狀與對照的差異比較Tab.3 Comparison of the differences in growth traits oncontrol of rice using zeolite

對水稻生殖生長期影響為：鉛離子及沸石對水稻株高均起促進作用，且濃度越高作用越明顯，同一鉛濃度，沸石添加量增加，水稻株高增長量越高；鉛水濃度與沸石對水稻分蘗的影響無明顯影響；灌溉水鉛濃度越高，水稻地上物質干重增長量越高，鉛離子對水稻地上物質干重起促進作用，同一鉛濃度，沸石添加量增加，水稻地上物質干重增長量降低，沸石對水稻地上物質干重起抑制作用，鉛與沸石交互作用下，高濃度鉛水灌溉下沸石對水稻地上物質干重的抑制作用大于鉛離子對水稻地上物質干重的促進作用；鉛離子對水稻的地下物質干重有抑制作用，沸石對水稻地下物質干重起促進作用，鉛與沸石交互作用下，鉛離子對水稻地下物質干重的抑制作用大于沸石對水稻地下物質重的促進作用。

3 結 論

本試驗研究表明，低濃度鉛水灌溉下沸石對水稻產量有促進作用，沸石與鉛交互作用下，不同沸石施用量對水稻產量的影響不同，施用2 500 kg/hm2時，降低水稻產量，鉛水濃度越高降低越明顯；施用5 000 kg/hm2時，促進水稻產量，鉛水濃度越高促進越明顯，以B0W0處理為對照，B1W1增產6.04%，B1W2增產19.87%，B2W1增產6.27%，B2W2增產35.98%，B3W1減產19.61%，B3W2增產8.58%。說明沸石與鉛交互作用對水稻產量影響強弱為B2W2>B1W2>B3W2>B2W1> B1W1>B3W1。

鉛易在植物體內累積，隨著灌溉水鉛濃度的增加，水稻根、莖、葉中的鉛含量明顯增高，施用沸石后，在沸石的脅迫下土壤和根中的鉛濃度增加，莖、葉、米中鉛濃度降低，土壤中鉛濃度提高了6.04%～15.82%，根中提高了3.36%～37.82%，莖中降低28.43%～66.03%，葉中降低2.12%～44.83%，米中降低28.81%～49.32%。隨著沸石施用量增加，莖、葉、米中鉛濃度降低越多。鉛和沸石交互作用下，土中鉛占總灌入量比例高于未添加處理1.47%～11.1%，根中鉛占比提高0.71%～7.75%，莖、葉、米中鉛占降低0.12%～1.83%。因此, 施用沸石可以促進鉛在土及根中的富集，抑制了鉛金屬到米粒中的轉移。沸石與鉛水交互作用對米中鉛含量作用強弱為B3W2>B2W2>B1W2>B3W1>B2W1>B1W1>。

對水營養生長期部分生育性狀的影響為：鉛與沸石交互作用下，沸石對水稻株高、分蘗、地上物質重、地下物質重的促進作用大于鉛離子對其的抑制作用，且對地上物質重的作用大于對地下物質重。對水稻生殖生長期影響為：鉛離子及沸石對水稻株高均起促進作用，鉛與沸石交互作用下，高濃度鉛水灌溉下沸石對水稻地上物質重的抑制作用大于鉛離子對水稻地上物質重的促進作用；鉛與沸石交互作用下，鉛離子對水稻地下物質重的抑制作用大于沸石對水稻地下物質重的促進作用。說明沸石與鉛交互作用對水稻株高、分蘗、地上部干重、地下部干重的促進作用主要在生長初期。

針對鉛污水灌溉或鉛污染土壤種植水稻，可以在土壤中添加沸石，進而減少金屬鉛離子向米中運移，鉛離子對水稻部分生育性狀的影響在水稻生殖生長期，可在水稻生殖生長期避免用鉛污水灌溉。

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