硅素分期施用對土壤鎘形態和水稻鎘累積的影響

賀敏杰，蔡昆爭，王 維，黃 飛，蔡一霞*

（1.華南農業大學資源環境學院，農業部華南熱帶農業環境重點實驗室，廣州 510642；2.華南農業大學農學院，廣州510642）

近年來工業活動、城市垃圾、大氣沉降以及農業生產中化肥農藥的施用使得受重金屬污染的耕地面積大量增加，全國受污染的土壤總的超標率為16.1%，其中Cd污染的點位超標率達到7.0%[1]。Cd是對作物有較高毒性的元素之一，且在土壤和植株中較易遷移，不僅危害植物的生長和發育，也會直接或者間接地通過食物鏈對人類健康造成重大危害。水稻（Oryza sativa L.）是我國重要的糧食作物，潘根興等[2]對華東、華北、華中、西南等6地區縣級以上市場的170多種大米樣品進行了隨機采購和數據分析，結果發現有10%的樣品Cd超標。因此研究Cd污染土壤水稻體系中Cd的積累和轉移規律對水稻的安全生產具有重要的理論指導意義。

目前改良重金屬污染土壤最主要的措施之一是施用改良劑，降低其在土壤中的活性，進而減少其在植物體內的積累[3]。現有的研究表明，硅是水稻生長發育過程吸收較多的元素之一，不僅能夠促進水稻正常的生長發育，提高作物產量和改善籽粒品質，而且能夠提高水稻的抗逆性[4-5]。大量研究表明，硅能夠緩解重金屬對水稻的毒害效應[6-7]。Liang等[8]認為，施硅后水稻根部所吸收的Cd向地上部分遷移的量明顯減少。張世浩[9]研究發現，不同施硅量和施硅時期對水稻體內Cd吸收、積累與分配有一定影響，并認為拔節期施硅對稻米Cd積累有著明顯的緩解作用。再者，不同時期施硅對水稻群體生長和產量影響也不同[4]。因此可以推測不同生育期施硅對水稻Cd的累積與分配有可能存在不同影響。此外，重金屬的活動性、生物有效性及毒害性等取決于它們在土壤中的化學形態[10-12]。硅能夠改變土壤中重金屬的形態，降低其在土壤中生物有效性，從而抑制水稻對Cd的吸收、減少Cd向地上部運輸[13-14]。

本文為了進一步探討硅素施用時期對稻米Cd積累影響，在施硅總量不變的基礎上，設置硅素分期施用3種方法，研究其對土壤各形態Cd含量與稻株內Cd的累積、遷移與分配的影響規律。其結果可作為指導生產實踐中受Cd污染的稻田硅素施用的理論依據，對降低稻米Cd含量、促進水稻的安全優質生產有著重要的理論和實踐意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2016年7月至2016年11月在農業部華南熱帶農業環境重點實驗室實驗基地（23.21°N，113.42°E）溫室大棚進行。以廣東地區大面積推廣品種黃華占為材料，供試土壤取自華南農業大學躍進南稻田耕作層0～30 cm土壤，供試土壤的基本理化性狀如下：有機質 24.74 g·kg-1，全氮 1.05 g·kg-1，全磷 1.38 g·kg-1，全鉀22.0 g·kg-1，全鎘低于檢測線。

1.2 盆栽實驗

水稻盆栽實驗使用無蓋的圓柱形黑色塑料桶（20 cm×28 cm×17 cm），人工添加外源Cd（CdCl2·2.5 H2O）模擬含Cd為100 mg·kg-1的污染土壤，每盆裝污染土5 kg。根據張世浩[9]“100 mg·kg-1的Cd污染土壤中加入56 mg·kg-1Si效果顯著”的研究結果，在總施硅量（硅酸鉀56 mg·kg-1土壤，K2SiO3·5H2O）不變的基礎上，設置3種施硅方式，分別是基施硅素（C1）：移栽前加入5 L 2 mmol·L-1硅溶液；基肥和拔節期施硅素1∶1分期施用（C2）：移栽前和拔節期各施用2.5 L 2 mmol·L-1硅溶液；拔節期施硅素（C3）：拔節期施用5 L 2 mmol·L-1硅溶液。以不施硅（CK）為對照。每個處理種植10盆，共40盆。挑選長勢均一的秧苗進行移栽，每盆3穴，每穴1株。為保證實驗過程中水稻正常生長，在水稻移栽前每盆施用尿素3 g、磷酸氫二鉀1 g用作基肥，生育期間根據長勢補充上述基肥。用硝酸調節硅酸鉀溶液pH值至7。在整個試驗期間，盆缽置于通風玻璃溫室內，用實驗基地安裝的自來水進行灌溉，每日下午5點，用500 mL塑料燒杯進行澆灌，使種植水稻的盆內水層保持1～2 cm。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 水稻生物量、產量及構成因素的測定

于水稻抽穗期和成熟期各取5盆水稻，分別按地上部和地下部收獲，分根、莖、葉、穗四部分（抽穗期的穗和莖混在一起），將根、莖、葉于110℃烘箱中殺青30 min，轉入70℃下烘干至恒重，用萬分之一天平（Sartorius AG，德國生產）稱重。成熟期的穗部自然風干，并對每盆穗數、每穗實粒數、每穗空粒數、千粒重、結實率、產量進行分析。

1.3.2 土壤pH值、鎘含量及其形態的分析

于水稻抽穗期和成熟期，各取5盆水稻土，每盆選取三個等距離的點用取土器取20 cm土，并將三個點的土樣混合在一起。土樣放在陰涼處風干、待測。

土壤pH值參考鮑士旦[15]的方法測定。

土壤Cd含量測定方法：準確稱取0.15 g過100目篩的風干待測土壤于聚四氟乙烯消解管中，加入消解液[V（HNO3）∶V（HF）=4∶1]10 mL，蓋上密封蓋，放入微波消解儀（CEM）進行消解，消解結束后將液體倒入25 mL小燒杯中于電熱板上加熱將酸揮發干，在趕酸過程中可適當加入1 mL H2O2使反應更加充分；冷卻后用去離子水洗滌轉入50 mL容量瓶中定容；將樣品轉移到50 mL塑料瓶中，用火焰原子吸收儀（德國耶拿ZEEnit?700P）測定土壤Cd含量。

土壤中Cd各個形態的含量按照呂兌安[16]改進的BCR連續提取法進行提取。

1.3.3 水稻植株中Cd含量測定

參考鮑士旦[15]的方法。

1.4 數據處理及統計方法

數據統計與分析均采用SPSS 18.0顯著性F測驗和Duncan多重比較法（p＜0.05和p＜0.01），圖形采用Origin 8.0進行繪制。

Cd的累積量（mg）=c×m，

式中：c為該物質中Cd含量，mg·kg-1；m為該物質的質量，kg。

富集系數=植株 Cd含量（mg·kg-1）/土壤 Cd含量（mg·kg-1）

轉運系數=植株地上部Cd含量（mg·kg-1）/植株地下部Cd含量（mg·kg-1）

灌漿結實期土壤Cd遷出率=[抽穗期土壤Cd含量（mg·kg-1）-成熟期土壤Cd含量（mg·kg-1）]/抽穗期土壤Cd含量（mg·kg-1）×100%

2 結果與分析

2.1 對Cd污染土壤中水稻生物量、產量及構成因素的影響

2.1.1 對水稻生物量的影響

對水稻生物量的影響如表1所示。硅素分期施用對抽穗期水稻莖、葉干質量的影響并不顯著，但是C1根的生物量較CK顯著增加。成熟期根、莖、葉以及籽粒干質量受硅素分期施用的影響較大，C1的籽粒干質量較CK增加11.0%（p＜0.05）；C2處理的莖和籽粒干質量較CK分別增加25.2%（p＜0.05）、27.7%（p＜0.05）；C3處理的根和莖的干質量較CK分別增加33.2%（p＜0.05）、16.4%（p＜0.05）。與 CK 相比，C1、C2、C3施硅處理成熟期地上部干質量的增幅分別是9.6%（p＜0.05）、13.5%（p＜0.05）、11.1%（p＜0.05）。這說明在100 mg·kg-1Cd污染土壤中施硅有利于稻株生長，利于干物質積累，提高稻株生物量，C2表現尤為明顯。

2.1.2 對產量構成因素的影響

由表2可知，硅素分期施用對水稻千粒重、結實率以及每穗空粒數有一定影響，但對每穗實粒數影響不大。與CK相比，3種硅素施用處理的水稻千粒重（C1除外）和結實率均顯著增加，而每穗空粒數則顯著降低。與CK相比，C1、C2、C3千粒重和結實率的增幅分別達到 3.7%、7.2%（p＜0.05）、6.2%（p＜0.05）和19.9%（p＜0.05）、23.2%（p＜0.05）、31.6%（p＜0.05）。

2.2 對土壤Cd含量及其形態的影響

2.2.1 對土壤Cd含量的影響

水稻抽穗期各個處理土壤Cd含量無顯著差異（表3），而成熟期C2和C3的土壤Cd含量顯著高于CK，這說明拔節期施硅可有效地阻止土壤中Cd向水稻植株中轉移，使滯留在土壤中的Cd明顯增加。此外，施硅降低灌漿結實階段土壤Cd遷出率。與CK相比，各施硅處理灌漿結實階段土壤Cd遷出率的降幅分別為18.1%、67.0%（p＜0.05）、53.3%（p＜0.05）。這說明從抽穗到成熟這一階段，即水稻籽粒灌漿期，CK土壤中仍有較多的Cd向水稻植株中轉移，而施用硅素可以阻礙土壤Cd向稻株中遷移，使其滯留在土壤中，尤其是拔節期施硅，可明顯使更多的Cd滯留在土壤中。

表1 硅素分期施用對Cd污染土壤中水稻生物量的影響（g·盆-1）Table 1 Effects of split silicon application on biomass of rice in the soil polluted with cadmium（g·pot-1）

表2 硅素分期施用對Cd污染土壤下水稻產量構成因素的影響Table 2 Effects of split silicon application on yield factors of rice planted in cadmium polluted soil

表3 硅素分期施用對抽穗期和成熟期土壤Cd含量及其遷出率的影響Table 3 Effects of split silicon application on Cd content of soil at heading and mature stage

2.2.2 對土壤各形態Cd含量的影響

由圖1可知，3種施硅處理對水稻抽穗期土壤可交換態和殘渣態Cd含量無顯著影響，但顯著降低了成熟期土壤可交換態Cd含量、提高了殘渣態Cd含量。

土壤中可還原態和可氧化態Cd的含量也受到硅素分期施用的影響。抽穗期，C1和C2處理還原態Cd含量顯著低于CK和C3，然而，土壤可氧化態Cd含量卻高于CK和C3；成熟期3種施硅處理的土壤可還原態Cd含量顯著低于CK，而土壤可氧化態Cd含量卻高于CK，其中C2含量顯著高于C1。由此可知，基施硅素C1有利于水稻生長前期土壤可還原態Cd含量降低和可氧化態Cd含量的增加，而基肥和拔節期硅素1∶1分期施用處理C2對提高水稻生長后期土壤可氧化態Cd含量有利，而且C2這種基肥與拔節期分期施用硅素更利于整個生育期土壤可氧化態Cd含量增加和土壤可還原態Cd含量的減少。

由圖2、圖3可知，土壤中各形態Cd含量的比例明顯受硅素分期施用的影響，施硅處理的成熟期土壤中殘渣態Cd的比例增加，而可交換態Cd的比例明顯降低。與CK相比，成熟期C1、C2、C3處理殘渣態Cd的比例分別上升了50.7%、77.9%、82.5%，而可交換態Cd的比例分別降低了19.8%、34.5%、37.0%（圖3）。這說明拔節期施硅顯著影響了水稻灌漿結實期間土壤中Cd的形態，從而影響這一時間Cd從土壤向稻株的轉移，使土壤中滯留更多的殘渣態Cd和可氧化態Cd，從而減少了相對活躍的可交換態和可還原態Cd含量。

圖1 硅素分期施用對土壤中可還原態Cd（A）、可交換態Cd（B）、可氧化態Cd（C）以及殘渣態Cd（D）含量的影響Figure 1 Effects of split silicon application on the contents of reducible Cd（A），exchangeable Cd（B），oxidizable Cd（C）and residual Cd（D）in soil

圖2 硅素分期施用對水稻抽穗期土壤中各形態Cd分配比例的影響Figure 2 Effects of split silicon application on cadmium distribution ratios of all fractions in soil at heading stage of rice

2.3 硅素分期施用對水稻植株Cd含量的影響

2.3.1 對水稻各器官Cd含量的影響

圖3 硅素分期施用對水稻成熟期土壤中各形態Cd分配比例的影響Figure 3 Effects of split silicon application on cadmium distribution ratios of all fractions in soil at mature stage of rice

由表4可知，硅素分期施用對水稻抽穗期和成熟期各器官Cd含量均有一定的影響。抽穗期，C1和C2的莖和葉Cd含量與CK、C3相比顯著降低，而C2和C3根中Cd含量顯著升高；成熟期，施硅處理的根和糊粉層中Cd含量增加，而莖、葉和精米中的Cd含量顯著降低，C1、C2和C3精米的Cd含量與CK相比分別降低了13.8%（p＜0.05）、35.1%（p＜0.05）、27.9%（p＜0.05）。

2.3.2 對水稻各器官Cd累積量的影響

由表5可知，抽穗期，C2、C3根中Cd累積量顯著高于CK，而其莖、葉中Cd累積量與CK相比無顯著差異。但從單盆稻株Cd累積量來看，C2單盆稻株Cd累積量顯著高于CK。成熟期，3種施硅處理的根和谷殼（除C1外）中Cd累積量較CK而言均有所增加。與CK相比，C1、C2和C3精米中Cd累積量分別降低了21%、27%（p＜0.05）、34%（p＜0.05）。值得注意的是C2和C3處理，其根中Cd累積量較高，導致成熟期單盆稻株Cd累積量顯著高于CK和C1處理。

2.3.3 對水稻各器官Cd富集系數的影響

由表6可知，水稻抽穗期和成熟期各器官Cd富集系數明顯受到硅素分期施用的影響。抽穗期，C2和C3根的Cd富集系數較CK顯著增加，而C1和C2的莖、葉Cd富集系數顯著降低；成熟期，C2和C3根的Cd富集系數較CK分別增加27.7%（p＜0.05）、34.6%（p＜0.05），而莖和葉的Cd富集系數顯著降低。施硅各處理精米的Cd富集系數差異顯著，CK富集系數最高，其次是C1，C2和C3較低。谷殼和糊粉層的Cd富集系數在各個處理之間均未表現出顯著性差異。

2.3.4 對水稻各器官Cd轉移系數的影響

由表7可知，抽穗期C1、C2水稻莖的Cd轉移系數較 CK 分別降低了 41.2%（p＜0.05）、52.9%（p＜0.05），抽穗期C1、C2、C3葉片的Cd轉移系數均低于CK，降幅分別為 33.3%（p＜0.05）、45.2%（p＜0.05）、28.6%（p＜0.05）；成熟期各施硅處理莖、葉、谷殼以及精米的Cd轉移系數均顯著低于CK，C2和C3轉運系數達到最低。

表4 硅素分期施用對Cd污染土壤下水稻各器官Cd含量的影響（mg·kg-1）Table 4 Effects of split silicon application on Cd contents of different rice organs in cadmium polluted soil（mg·kg-1）

表5 硅素分期施用對Cd污染土壤下水稻各器官Cd累積量的影響（mg·盆-1）Table 5 Effects of split silicon application on Cd accumulations in different organs of rice in cadmium polluted soil（mg·pot-1）

表6 硅素分期施用對Cd污染土壤下水稻各器官Cd富集系數的影響Table 6 Effects of split silicon application on bioconcentration enrichment factor（BEF）of Cd in different organs in cadmium polluted soil

2.4 對土壤pH的影響

由圖4可知，硅素可顯著提高污染土壤pH值。抽穗期C1處理土壤pH值顯著高于其他處理，這一點可能與本試驗C1處理的硅全部在移栽前施用有關；而隨著生育進程的推進和拔節期硅素的施用，成熟期C2、C3處理土壤的pH值顯著上升，但3種施硅處理之間無顯著差異。

2.5 成熟期土壤各形態Cd含量與水稻各器官Cd累積量的相關性分析

由表8可知，水稻根中Cd的累積量與土壤可交換態和可還原態Cd含量呈顯著負相關，與殘渣態以及可氧化態呈顯著正相關，而精米中Cd的累積量與土壤各形態Cd含量的相關性正好相反，精米中Cd累積量與土壤可交換態和可還原態Cd含量呈顯著正相關，與殘渣態和可氧化態呈顯著負相關。其他器官莖、葉、谷殼、糊粉層中Cd累積量與土壤各形態Cd含量無顯著性相關關系。

圖4 分期施用硅素對土壤pH值的影響Figure 4 Effects of split silicon application on pH value of soil

3 討論

3.1 對水稻生長發育及產量的影響

研究表明，施硅對水稻有一定的增產作用[17-19]。宋合林等[20]研究表明，不同生育時期施用硅肥對水稻生長發育均有良好的作用，增產效果較為明顯，尤以拔節前追施硅肥效果為最佳，增產幅度達到10.5%。張國良等[21]研究結果表明，不同時期施用硅肥均可通過提高水稻的結實率、增加每穗實粒數、提高千粒重來增加水稻產量。本研究結果表明，在100 mg·kg-1的Cd污染水平下，基肥和拔節期硅素1∶1分期施用處理C2以及拔節期施硅C3能夠增加水稻根、莖和籽粒的干質量。同時也增加水稻的千粒重和結實率，降低每穗空粒數，這與周青等[4，22]發現拔節期前施硅可增加水稻每穗結實粒數的結果一致；但C2比C3更能夠有效提高成熟期水稻地上部干質量，其原因可能是硅素分期施用更有利于水稻的前期營養生長以及后期的生殖生長，硅在整個水稻生育期均起到作用。

表8 成熟期土壤各形態Cd含量（mg·kg-1）和水稻各器官Cd累積量（mg）之間的相關關系（n=12）Table 8 Correlation between Cd speciation in soil（mg·kg-1）and Cd accumulations（mg）in different organs of rice at mature stage（n=12）

表7 硅素分期施用對Cd污染土壤下水稻各器官Cd轉移系數的影響Table 7 Effect of split silicon application on transfer factor in different organs in cadmium polluted soil

3.2 對水稻Cd吸收、累積及轉運的影響

本試驗條件下，抽穗期C1和C2處理莖和葉中的Cd含量顯著降低，但C2根中Cd含量及累積量卻顯著增加，這說明基施硅素有利于減少水稻從移栽到抽穗期階段地上部莖和葉中Cd的累積，使吸收的Cd積累在根中。成熟期，3種施硅處理莖、葉和精米中Cd的含量均明顯降低，尤其是C2和C3中精米Cd含量達到最低，且C2和C3精米中Cd累積量也達到最低；但卻顯著增加了C2和C3根、糊粉層Cd的含量。由此可知，在總施硅量不變的基礎上，拔節期施硅可抑制根中Cd向地上部及籽粒中的轉移，從而使Cd滯留在根部，表現為施硅顯著增加了根對Cd吸收，提高了根對Cd的富集能力（表6）。而C2分期施用硅素不僅有利于抽穗前根中Cd累積，抑制Cd從根向地上部莖葉中轉運，而且也利于降低精米中Cd積累。

抽穗期C1和C2根中Cd富集系數增加，而莖、葉中Cd富集系數顯著降低，這說明基施硅素可促進抽穗前水稻根對Cd的富集，并對莖葉的Cd富集起到抑制作用。到成熟期施硅對根、莖、葉的Cd富集能力仍有顯著影響，這與抽穗期表現基本一致。此結果與史新慧等[17，23]水培試驗研究結果一致。抽穗期水稻C1和C2莖、葉中Cd轉移系數顯著降低，而到成熟期C2和C3莖葉的Cd轉移系數明顯下降，表明從抽穗到成熟這一生育階段，C2、C3兩處理從土壤中吸收的Cd大部分都累積在根部，從根向地上部轉移的Cd受到抑制，從而降低莖、葉、精米中Cd含量。

上述結果說明基施硅素可抑制Cd在移栽到抽穗這一階段從根中向水稻莖葉中轉移，而對于基肥和拔節期硅素1∶1分期施用處理C2而言，其不僅可以影響Cd在移栽到抽穗這一生育階段從根中向地上部的轉移，而且可以明顯抑制灌漿結實階段Cd向精米中的轉移。

3.3 對土壤Cd含量及其各形態的影響

現有研究認為Tessier法中前三種形態（可交換態、碳酸鹽結合態、鐵錳氧化物結合態）和BCR中前兩種形態（可交換態、可還原態）進入環境后容易遷移轉化，為生物可利用形態[16]。本研究表明，成熟期C2和C3土壤Cd含量顯著高于CK；施硅能顯著降低成熟期水稻土壤可交換態Cd以及可還原態Cd的含量，使土壤殘渣態Cd含量明顯增加。同時本研究發現，土壤各形態Cd含量與水稻根和精米中Cd累積量有著顯著性相關關系。這說明拔節期施硅顯著影響了水稻灌漿結實期間土壤中Cd的形態，從而影響這一時間段Cd從土壤向稻株的轉移，使土壤中滯留更多殘渣態Cd和可氧化態Cd，從而減少了相對活躍的可交換態和可還原態Cd含量，進而精米中Cd累積量也顯著降低。

土壤pH往往被認為是影響重金屬Cd活性的因素之一，土壤pH值越高土壤中重金屬Cd的活性越低[24]。這是因為，土壤pH值的改變可導致土壤中重金屬化學形態發生變化，當土壤pH值達到一定程度后重金屬Cd與硅相互作用產生了沉淀。本試驗施硅處理顯著提高了抽穗期、成熟期土壤pH值，施硅后土壤中的殘渣態Cd顯著增加，即有效態Cd含量降低。

4 結論

（1）施硅能有效提高成熟期水稻地上部各器官干重，降低精米中Cd的含量、累積量以及富集系數。C2和C3處理均可顯著降低成熟期水稻土壤中可交換態Cd和可還原態Cd，提高土壤中殘渣態Cd和可氧化態Cd，同時使水稻植株吸收的Cd大量滯留在根部，抑制Cd從根向地上部各器官的遷移，使根中Cd累積量明顯增加。

（2）綜觀各處理水稻的產量構成及各器官與土壤Cd含量，C2更利于整個生育期土壤可還原態Cd含量的減少，促進水稻抽穗前生長發育，使更多的Cd滯留在土壤中，吸收的Cd積淀在根部。值得提出的是，因本試驗對移栽前（基肥）和拔節期硅素分期施用的配比只用了一種，對于其他施用配比還有待進一步研究。