Cd脅迫下復合葉面肥對水稻幼苗生長及Cd積累特征的影響

蔡亮亮，趙龍，陳衛玉，姚娜，張乃明，侯紅*

1.云南農業大學資源與環境學院，云南 昆明 650000 2.環境基準與風險評估國家重點實驗室，中國環境科學研究院，北京 100012 3.大同市環境監測站，山西 大同 037002 4.江西省環境保護科學研究院，江西 南昌 330039

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Cd脅迫下復合葉面肥對水稻幼苗生長及Cd積累特征的影響

蔡亮亮1,2，趙龍2，陳衛玉3，姚娜4，張乃明1*，侯紅2*

1.云南農業大學資源與環境學院，云南 昆明 650000 2.環境基準與風險評估國家重點實驗室，中國環境科學研究院，北京 100012 3.大同市環境監測站，山西 大同 037002 4.江西省環境保護科學研究院，江西 南昌 330039

為探究葉面噴施肥料是否可有效緩解重金屬對水稻的毒害作用，以湘晚秈17和五優369基因型水稻品種為材料，通過盆栽試驗法測定復合葉面肥對土壤不同濃度Cd脅迫下水稻幼苗的生長情況和地上、地下部Cd積累效應。結果表明：噴施自制復合葉面肥不僅能促進2種水稻幼苗株高和干重的增長，且能有效地抑制水稻地上部Cd積累，對湘晚秈17的抑制效果優于五優369。這說明多養分復合葉面肥對水稻Cd積累的調控效果可能與水稻自身品種差異和土壤Cd的濃度有關。

復合葉面肥；水稻；鎘(Cd)；鎘積累

Cd是一種廣泛存在于環境中的重金屬元素，具有很強的生物毒性[1]。與其他重金屬元素相比，Cd更易被植物吸收積累[2]。近年來，由于工業廢物排放、污水灌溉、大氣沉降和長期施用磷肥，使自然界中的Cd污染越來越嚴重[3]。據不完全統計，我國Cd污染農田面積已超過28萬hm2，已有11個省25個地區的農田受到不同程度的Cd污染[4]，每年生產Cd濃度超標的農產品14.6億kg，對農業生產和人們的身體健康構成了嚴重威脅[5]。目前，有關農田Cd污染的研究大多集中在較高濃度或已對植物產生明顯毒害作用的條件下進行[6-8]。雖然我國稻田Cd污染面積大，但總體以中輕度污染水平為主，而重度污染多集中在采礦區和冶煉區。因此，單純對重度Cd污染土壤進行相關研究存在一定的局限性。

水稻作為世界第二大糧食作物及我國的第一大糧食作物，被認為是對Cd具有較強耐受性，且易于吸收Cd的大宗類谷物之一[9]，即使中輕度Cd污染水平下不會對水稻生長產生明顯的毒害作用，但由于不同水稻品種間對Cd的吸收、積累情況存在明顯差異，其潛在的生態風險也不容忽視。目前，針對中輕度Cd污染稻田土壤，常見的修復方法有植物萃取、休耕輪作、低積累水稻品種篩選、重金屬鈍化以及葉面肥阻控等。由于我國人多地少，不可能對現有的耕地大面積進行長期休耕和植物修復；選育Cd低積累品種，向土壤中施加生石灰、有機肥、硅肥、海泡石、堿性煤渣等鈍化劑，在一定程度上可以提高植物對重金屬毒害的耐受力[10-15]，但存在一定的技術局限性；葉面肥是一種快速提高作物營養的施肥方式，具有養分吸收快、利用率高、施用簡便、經濟性高等特點[16]。因此，施葉面肥是否可降低水稻對土壤重金屬的吸收，特別是對Cd的吸收將成為研究熱點。

近年來，隨著葉面肥行業的發展，越來越多的研究開始注重稀土元素在葉面肥中的運用[17-19]。然而，目前有關葉面肥的研究主要以單一營養的肥料為主，采用多養分復合葉面肥綜合研究水稻生長狀況及Cd積累量的報道較少，且大多集中在以水培試驗探究作物生長狀況或重金屬積累量[20-22]。多養分復合葉面肥最大的特點是營養齊全、功能多、針對性強，既有調節Cd積累的物質，又有促進水稻生長的各種營養成分，是一種混合型的葉面肥，所加入的螯合劑、表面活性劑等助劑，可使其更好地黏附、展鋪在葉面上，有利于葉片的吸收和利用。研究表明[23-26]，葉面噴施肥料可有效緩解重金屬對水稻的毒害作用，并可改變其生長狀況。蔡秋玲等[27]對84個水稻品種在Cd中輕度污染農田上進行原位小區試驗，結果表明，不同基因型水稻對Cd的積累具有重要作用。基于此，本文重點探討在土培試驗條件下，通過噴施自制的多養分復合葉面肥，湘晚秈17和五優369基因型水稻幼苗在中輕度Cd污染條件下的生長狀況以及Cd積累特性，以期為利用葉面肥調控技術降低稻米中有害重金屬元素濃度提供重要的基礎數據，同時為葉面肥調控技術的環境安全評估及大規模應用推廣提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤采用經濟合作與發展組織(OECD)標準人工土，其組成為70%石英砂、20%高嶺土和10%草炭，用CaCO3將其pH調節至7.0±0.3[28]。

供試作物為水稻，選取湘晚秈17號(簡稱湘晚秈)和五優369(簡稱369)水稻品種。湘晚秈親本來源為湘晚秈10號和三合占，選育單位為湖南省水稻研究所，屬中熟常規晚稻；369親本來源為五豐A和R369，選育單位為湖南泰邦農業科技股份有限公司和廣東省農科院水稻研究所，屬三系雜交中熟晚稻。

試驗所用自制復合葉面肥集有機質、微肥、稀土為一體，既有足夠的腐殖酸、氨基酸和N、P、K等營養元素，也有適量的對抑制Cd有益的Si、Se、La等元素。其中氨基酸和大、中量元素化合物占30%，微量元素和La化合物占8%，其余為螯合劑、助溶劑、表面活性劑和水。配制時先溶解中、微量元素和稀土元素；再加入螯合劑在70 ℃條件下螯合30 min；最后加入大量元素、氨基酸、助溶劑和表面活性劑。噴施時用水將其稀釋200倍。

1.2 培養方法

試驗在中國環境科學研究院玻璃溫室內進行，供試人工土共設0、0.2、0.5、1.0、1.5和2.0 mg/kg 6個Cd濃度梯度，2種水稻品種(湘晚秈和369)分別采用噴施復合葉面肥和去離子水處理，各處理均重復3次。在高9.5 cm、直徑7.5 cm的紙杯進行試驗，每盆裝OECD人工土100 g。用萬分之一天平稱取試驗所需氯化鎘放入量筒中，加去離子水定溶到50 mL，并使其充分溶解；以氯化鎘水溶液的形式加入供試土壤，同時每盆加入0.2 g史丹利磷銨鉀復合肥，使其在過飽和狀態下混合均勻；采取稱重法每隔2 d補充土壤所需水分，使其在最大含水量的70%狀態下老化30 d，待用。用氯化鈉水溶液挑選飽滿均一的水稻種子，用去離子水洗凈后，在5%次氯酸鈉溶液中浸泡30 min，洗凈，浸種24 h后轉移至培養皿中，在人工氣候箱中30 ℃下暗光催芽；待芽長為2 mm左右時播種于苗床上，在幼苗長出1片真葉時，挑選長勢均一的幼苗移入事先老化的土壤中，每盆移栽3棵。以清晨水稻葉尖有無正常吐水為標準，進行定時定量噴水，用以保持水稻苗期生長所需水分；于幼苗三葉期和四葉期對其中1組噴施自制復合葉面肥，取復合葉面肥母液稀釋200倍，稀釋后每盆噴施10 mL，噴施時用塑料板覆蓋于表層土壤之上，防止噴施時肥液進入土壤影響試驗準確性，另1組用相同方式噴施等量的去離子水。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 植物生長狀況測定

待幼苗五葉期(移栽后25 d)，將其地上與地下部分離，用去離子水反復沖洗，再將根浸泡于20 mmol/L Na2-EDTA溶液中15 min，最后用去離子水洗凈，無灰濾紙吸干。

用直尺量取每株幼苗地上部的最高高度和地下部主根長度，測定重復3次，取平均值。

用吸水紙將洗凈的植株表面水分吸干后，在烘箱105 ℃下烘干30 min，在75 ℃下烘48 h至恒重，采用萬分之一天平稱重。

1.3.2 重金屬濃度測定

將烘干的樣品用不銹鋼粉碎機粉碎，過20目篩后，取0.02 g在HNO3/H2O2(體積比為5∶1)消解體系下用電熱板150 ℃消解6 h，趕酸，將冷卻后的消解液移至10 mL容量瓶中，用1%的硝酸定容。消解液過0.45 μm濾膜后，用安捷倫ICP-MS7500(美國)檢測濾液中Cd濃度，其Cd檢測限為0.7×10-4μg/L。同時進行空白和標準樣品〔中國計量科學研究院生物成分分析標準物質芹菜GBW10048，Cd濃度為(0.092±0.006)mg/kg〕測試，用于質保質控，實測GBW10048的Cd濃度為(0.089±0.005)mg/kg。

1.4 數據統計與分析

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 17.0統計分析軟件進行數據處理和分析，并用Origin Pro 8.5軟件制圖，所有數值均為3次重復的平均值。

2 結果與分析

2.1 不同Cd濃度水平下復合葉面肥對水稻幼苗生長狀況的影響

2.1.1 對株高的影響

不同Cd濃度水平下復合葉面肥對水稻幼苗株高的影響見圖1。

注：*表示在P<0.05水平下差異顯著。圖1 不同Cd濃度水平下復合葉面肥對水稻幼苗株高的影響Fig.1 Effects of foliar fertilizer on plant height of rice seeding at different Cd levels

由圖1可知，2種水稻幼苗株高隨著土壤Cd濃度的增加呈遞減趨勢，在土壤Cd濃度為0.2和0.5 mgkg時有輕微的低濃度刺激效應；復合葉面肥對不同濃度Cd處理條件下2種水稻幼苗株高的生長均產生了促進作用，當土壤Cd濃度為1.0 mgkg時，噴施復合葉面肥后2種水稻幼苗株高與對照組相比都有明顯增長(P<0.05)，369和湘晚秈分別增長37.2%和39.6%；2種水稻的株高并無明顯差異。

2.1.2 對根長的影響

不同Cd濃度水平下復合葉面肥對水稻幼苗根長的影響見圖2。

圖2 不同Cd濃度水平下復合葉面肥對水稻幼苗根長的影響Fig.2 Effects of foliar fertilizer on root length of rice seeding at different Cd levels

從圖2可以看出，噴施復合葉面肥對2種水稻地下部的生長并沒有明顯的促進作用；369的主根要稍長于湘晚秈，可能是不同基因型水稻之間的差異；而在整個土壤Cd濃度區間，2種水稻根長與Cd濃度均表現出較明顯的劑量效應關系，湘晚秈水稻較為緩和，369水稻較為明顯。

2.1.3 對干重的影響

不同Cd濃度水平下復合葉面肥對水稻幼苗干重的影響見圖3。

圖3 不同Cd濃度水平下復合葉面肥對水稻幼苗干重的影響Fig.3 Effects of foliar fertilizer on dry weight of rice seeding at different Cd levels

從圖3可以看出，噴施復合葉面肥處理與對照組相比，不同Cd濃度脅迫下2種水稻幼苗地上和地下部干重均出現不同程度的增長。在土壤未添加Cd時，2種水稻幼苗各部位均有所生長，平均增長率約為10%；Cd濃度為0.2 mg/kg時，2種水稻幼苗干重增長率均有所放緩；Cd濃度為0.2～1.0 mg/kg時，隨著土壤Cd濃度的升高，水稻幼苗干重整體表現出快速增長趨勢；當土壤Cd濃度達1.0 mg/kg時，2種水稻地上部和地下部增長率達到最大，尤以湘晚秈更為明顯；隨著土壤Cd濃度的繼續升高，2種水稻干重增長率均開始下降。2種水稻相比，在土壤Cd濃度為1.0 mg/kg時，其地上部增長率均為最高，湘晚秈為40.5%，369為39.1%。

綜上，噴施復合葉面肥后2種水稻幼苗的株高、干重等生理指標與對照組相比都有不同程度的增長，其原因可能是該復合葉面肥既為水稻幼苗生長提供充足的養分，有利于植株的生長，又緩解了Cd對水稻幼苗的毒害作用。對比發現，當土壤Cd濃度為1.0 mg/kg時，2種水稻幼苗的株高和干重增長率均為最大，原因可能是低濃度Cd可以刺激植物生長，當Cd濃度超過某閾值時，將抑制植株生長甚至產生毒害作用，但具體閾值尚不確定，還需做進一步研究。

2.2 不同Cd濃度水平下復合葉面肥對水稻幼苗Cd積累特性的影響

不同Cd濃度水平下復合葉面肥對水稻幼苗Cd積累量的影響見圖4。

圖4 不同Cd濃度水平下復合葉面肥對水稻地上部和地下部Cd積累量的影響Fig.4 Influence of foliar fertilizer on Cd accumulation in rice shoots and roots at different Cd concentrations

由圖4可知，對照組中，2種水稻幼苗植株Cd濃度隨著土壤Cd濃度的增加而增加；其地上部Cd積累量明顯小于地下部；湘晚秈地上部Cd積累量明顯高于369；湘晚秈地下部Cd積累量比369略高。原因可能是不同基因型水稻對Cd的富集特征不同，與項目組前期在案例區采集的稻米Cd濃度一致，均為湘晚秈Cd濃度明顯高于369。

噴施復合葉面肥對2種水稻幼苗地上部Cd積累量的抑制效果比較明顯。噴施復合葉面肥后369地上部Cd積累量在整個土壤Cd濃度區間都有所降低，但趨勢較為緩和，在土壤Cd濃度為0.2和2.0 mg/kg時降幅相對較大，與對照組比分別降低了51%和32%；土壤Cd濃度為0～0.5 mg/kg時，噴施復合葉面肥后湘晚秈地上部Cd積累量略微降低，而當土壤Cd濃度升至1.0～2.0 mg/kg時，其地上部Cd積累量顯著降低，與對照組相比分別降低了32%、47%和41%；2種水稻地下部Cd積累量在土壤Cd濃度為0～1.0 mg/kg時沒有明顯變化，隨著Cd濃度的繼續增加，其地下部Cd積累量反而開始升高，其原因可能是復合葉面肥中的P與Cd離子形成的磷酸鹽在植株根部細胞壁與液泡的沉淀作用下使有效態的Cd離子固定在植物的根系中[29]，也可能是高濃度的Cd抑制了水稻地下部的生長及對養分的吸收，此時復合葉面肥調節了水稻的生長，反而間接刺激了水稻地下部對各元素的吸收。

3 討論

3.1 復合葉面肥對水稻幼苗生長狀況的影響

噴施復合葉面肥后，2種水稻幼苗株高和干重都有不同程度的增長，其原因是復合葉面肥中所含的腐殖酸、氨基酸和營養元素等促進植株的生長。水稻、小麥等禾本科植物都是喜硅植物，復合葉面肥中的Si元素也會促進植株的生長，其原因可能是Si進入水稻葉片后，主要沉積在葉表皮層細胞內，使葉片挺立，葉片與莖稈夾角減小，植株緊湊，從而改善水稻群體冠層對光的接受姿態，增大最適葉面積，增加群體光能截獲率，從而提高葉片光合能力[30]，因此能促進水稻幼苗的生長；也有可能是復合葉面肥中的腐殖酸和Se等元素促進了水稻的生長，這與魏丹等[31-32]的觀點相吻合。對比株高和干重增長率發現，2種水稻幼苗在土壤Cd濃度為1.0 mg/kg時，均達到最大值。原因可能是此時Cd毒性和復合葉面肥促進幼苗生長的有效性達臨界值，當土壤Cd濃度小于該值時，Cd對水稻幼苗起低劑量刺激作用，幼苗本身會最大程度地提高生命活動來抵制逆境，此時復合葉面肥的施用對其也起到了一定的促進作用；而當土壤Cd濃度超過1.0 mg/kg時，Cd對幼苗的毒性要超過復合葉面肥的促進作用，從而使株高和干重增長率出現遞減的趨勢。

3.2 不同基因型水稻Cd積累的差異性

2種基因型水稻Cd積累量與土壤Cd濃度呈明顯的劑量效應關系，且常規稻湘晚秈植株Cd積累量均明顯高于雜交稻369。關于不同類型水稻Cd積累的差異研究較多：王英等[33-34]認為，水稻對Cd的積累有明顯的基因型特征，雜交稻積累Cd濃度高于常規稻，與本試驗結果相反；也有研究認為，水稻類型間Cd積累沒有顯著差異，應針對品種來篩選[35]。影響水稻中Cd積累的原因可能與不同水稻品種自身對Cd的抗性機制、回避機制以及脯氨酸濃度有關[36]，也可能與水稻種植環境有關。

3.3 復合葉面肥對水稻地上部Cd積累量的影響

噴施復合葉面肥后2種基因型水稻幼苗地上部Cd積累量都明顯降低，原因是該復合葉面肥中含有對抑制Cd有益的Si、Se、La等元素。復合葉面肥導致水稻幼苗Cd濃度降低的原因可能有：1)復合葉面肥中的Si通過葉面噴施進入水稻體內后，在植物體內養分循環系統的作用下部分運移到根部，與根系中的Cd發生共沉淀作用，降低了Cd離子活性而減少了根系中Cd向地上部的遷移；此外，由于Si對水稻植株蒸騰作用的抑制作用，也減少了土壤Cd隨蒸騰流進入水稻地上部的相對數量[37]。2)復合葉面肥中的Se元素也能抑制Cd對水稻的毒害和積累。Se抑制了水稻對Cd的吸收并抑制了Cd誘導自由基對水稻的傷害，而且參與調控植物螯合肽酶的活性，螯合肽酶與重金屬離子可能形成螯合蛋白，從而緩解Cd對水稻的毒害。李正文等[38]對57個品種水稻籽粒中所含Cd與Se濃度的研究表明，Se與Cd濃度呈負相關性；劉春梅等[39]也指出，土壤Cd濃度為0～8 mg/kg時，噴施硒肥后水稻各部位Cd濃度均明顯下降。上述研究表明，低濃度的Se不僅可以降低大米中Pb、Cd、Cr等重金屬的濃度，還可減輕對水稻幼苗的毒害[40]，與本試驗結果基本一致。3)水稻植株Cd濃度的降低還可能與復合葉面肥中的La有關。近年來，學者們開始重視稀土元素在重金屬防治方面的研究，如黃曉華等[41]研究表明，La對菜豆和玉米幼苗Cd脅迫具有明顯的緩解作用；張參俊等[42]利用外源添加LaCl3水溶液緩解水稻幼苗Cd毒害的試驗表明，當根系中的Cd濃度低于70 mg/kg時，NSCCs對地上部Cd積累量的貢獻率達80%以上，低濃度La能促進水稻幼苗的生長，并緩解Cd對水稻幼苗的脅迫作用，原因可能是La抑制了Cd在NSCCs中的轉運，也可能是La與Cd發生拮抗作用。

4 結論

(1)自制復合葉面肥既能促進水稻幼苗的生長，又抑制了水稻對Cd的吸收。這與復合葉面肥含有Si、Se、La和腐殖酸等營養元素有關；同時，自制復合葉面肥中的P與Cd離子形成的磷酸鹽沉淀，使有效態的Cd離子固定在植物的根系中，噴施復合葉面肥后在土壤Cd濃度較高時水稻地下部Cd積累量與對照組相比有所增長。

(2)噴施復合葉面肥后常規稻湘晚秈Cd積累量明顯高于雜交稻369，這與品種自身的抗性機制和回避機制有關，也可能與水稻種植環境和土壤污染狀況有關。

(3)復合葉面肥在不同Cd濃度土壤中的施用效果存在明顯的差異，因此復合葉面肥的施用效果不僅與水稻自身品種有關，還與土壤Cd濃度有關。

(4)在后續的研究工作中，需對盆栽試驗中水稻全生育期各部位的Cd積累狀況進行深入探討和研究；并將該技術應用于大田實證案例研究，以驗證其田間處理效果。

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Effects of foliage fertilizer on growth and cadmium accumulation characteristics of rice seedlings in Cd pollution

CAI Liangliang1,2, ZHAO Long2, CHEN Weiyu3, YAO Na4, ZHANG Naiming1, HOU Hong2

1.College of Resources and Environment, Yunnan Agriculture University, Kunming 650000, China 2.State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, China Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China 3.Datong Environmental Monitoring Station, Datong 037002, China 4.Jiangxi Academy of Environmental Sciences, Nanchang 330039, China

In order to investigate whether spraying foliar fertilizer can relieve the toxic effect of heavy metals on rice, and using the rice varieties of Xiangwanxian 17 and Wuyou 369 as materials, the effects of multi-foliar fertilizers on seedling growth and the accumulation of Cd in shoots and roots parts of rice under different soil Cd concentrations were determined by pot experiments. The results show that spraying multi-foliar fertilizers can not only promote the growth of plant height and dry weight of the two rice seedlings, but also effectively inhibit the accumulation of Cd in the shoots of rice. The inhibitory effect on Xiangwanxian 17 is better than that of Wuyou 369. It is indicated that the regulation effect of multi-nutrients foliar fertilizers on rice Cd accumulation may be related to the difference of rice varieties and soil Cd concentrations.

foliage fertilizer; rice; cadmium; cadmium accumulation

2016-12-13

國家環境保護公益性行業科研專項(201509032)

蔡亮亮(1991—)，男，碩士研究生，主要從事土壤重金屬污染修復研究，809200994@qq.com

*通信作者：張乃明(1963—)，男，教授，博士，主要從事重金屬污染修復及農業面源污染等研究，zhangnaiming@sina.com 侯紅(1963—)，女，研究員，博士，主要從事重金屬污染、遷移等研究，houhong@craes.com

X503.231

1674-991X(2017)04-0509-08

10.3969/j.issn.1674-991X.2017.04.070