葉面噴施鋅離子對水稻各器官鎘積累特性的影響

韓瀟瀟，任興華，王培培，黃永春，張長波，劉仲齊*

（1.農業農村部環境保護科研監測所，天津 300191；2.湖南省湘潭市農業科學研究所，湖南湘潭 411134）

湖南被稱為“有色金屬之鄉”，礦產資源在開采過程中排出的廢氣和廢水，能通過大氣沉降和灌溉過程進入到農田中，日積月累，使農田中的鎘（Cd）含量越來越高[1-2]。由于Cd的生物活性比較強，能被水稻等作物吸收富集，所以很容易通過食物鏈進入人體，從而對人體健康造成威脅[3]。

葉面噴施微量元素不僅能夠促進水稻籽粒對微量元素的積累，還能降低各部分的Cd含量[4-5]。鋅（Zn）作為植物生長所必需的微量元素，在植物的生長發育過程中不僅能促進作物的生長發育，還參與了碳水化合物的代謝、蛋白質的代謝以及葉綠素的合成等過程[6]。Cd2+與Zn2+作為二價陽離子，化學性質比較相似，其在植物體內的吸收和積累存在一定的相互作用[7]。有研究表明，在水稻葉面噴施ZnSO4能夠提高水稻葉面的光合作用、緩解Cd對植物的生理毒害[8]，甚至降低籽粒對Cd的積累[9-10]；噴施Zn還能提高籽粒中的Zn含量，改善人體缺Zn的狀況[11-12]。

水培試驗和盆栽試驗結果表明，Zn對水稻Cd的吸收轉運具有明顯的調節作用，營養液中添加氯化鋅、葉面噴施Zn肥或者在Cd污染土壤中施加Zn肥都能夠降低水稻的Cd含量[7，13-16]。田間施用鋅肥或土壤鈍化劑中配施ZnSO4肥料，能有效降低小麥、豇豆和煙草等作物對Cd的吸收[17-19]。葉面噴施Zn肥對水稻籽粒中的Cd含量也有明顯的抑制效果[20]。但在田間自然條件下，葉面噴施ZnSO4是否能夠對不同類型水稻地上部多個器官的Cd積累特性以及其他必需元素的含量產生影響，尚缺乏系統的研究。因此，本研究以Cd污染農田中種植的早稻和晚稻為材料，通過在水稻開花期葉面噴施不同濃度的ZnSO4，對其降Cd效果及其在早稻和晚稻間的差異進行了比較，以期為降Cd富Zn葉面肥的研發提供參考。

1 材料和方法

1.1 供試土壤和作物

在湖南省湘潭市重金屬污染農田（28°42′N，112°51′E），分別以早稻品種中早35和晚稻品種華占為試驗材料進行葉面噴施試驗。供試土壤為紅壤性水稻土，表層土壤（0～20 cm）的基本理化性質為：pH 5.5，有機質含量41.54 g·kg-1，陽離子交換量（CEC）為19.55 cmol·kg-1，土壤Cd含量為0.69 mg·kg-1。湘潭屬中亞熱帶季風濕潤氣候區，降水量較充沛，早稻和晚稻分別在三月份和七月份進行播種，六月中旬和九月中旬分別進入抽穗開花期。當地田間施肥方法依照水稻的測土配方施肥技術，其中每667 m2施用的氮磷鉀肥總量分別為：尿素27 kg、普鈣40 kg、氯化鉀15 kg，整個生育期各處理無明顯病蟲害發生，采用化學除草劑去除雜草。

1.2 試驗設計與處理

試驗采用順序排列，每個小區面積為5.00 m2，長為2.50 m，寬為2.00 m。設置試驗為1個對照組（CK）和2個處理組，處理組1噴施1 L濃度為5 mmol·L-1ZnSO4，處理組 2噴施 1 L 濃度為 10 mmol·L-1Zn-SO4，每個處理組設置3個重復。水稻開花期后，分別將配制好的 5 mmol·L-1和 10 mmol·L-1的 ZnSO4溶液倒入容積為1 L的手持式噴壺中，調整噴壺使其噴出霧狀水霧，進而將ZnSO4均勻地噴施在水稻葉面上，對照組噴施1 L自來水（CK）。待水稻成熟后，采集不帶根系的水稻植株。水稻自然晾干后，將水稻植株分為籽粒、穗軸、旗葉、穗下節間、穗下節、倒二節、倒二節間、倒二葉共八部分，放入烘箱在70℃的條件下烘干。

1.3 水稻各部位Cd含量和其他必需元素含量的測定

參照Liu等[21]的方法，稱取0.5 g植株樣品放入消煮管中，加入7 mL的HNO3浸泡過夜，110℃消煮2.5 h，加入1 mL 30%H2O2之后繼續110 ℃煮1.5 h，之后升溫趕酸定容。使用ICP-MS（Agilent 7500a，USA）測定土壤和植物各器官中的Cd、K、Ca、Mg、Fe、Mn和Zn的元素含量。

1.4 數據的處理和分析

采用Excel和SPSS 19.0軟件進行試驗數據的處理以及顯著性分析，并用Origin 8.0軟件繪制圖表。

2 結果與分析

2.1 ZnSO4對水稻各器官Cd含量的影響

Cd含量在早稻和晚稻之間以及水稻各器官間存在明顯的差異，晚稻各部分的Cd含量明顯高于早稻，穗軸中的Cd含量明顯高于籽粒中的Cd含量（圖1A）；穗下節和倒二節中富含大量的Cd（圖1B）。晚稻和早稻各處理穗下節中的Cd含量是旗葉和穗下節間中Cd含量的10倍左右，倒二節中的Cd含量是倒二節間中Cd含量的3倍左右（圖1C、圖1D）。

圖1 ZnSO4濃度（Zn5和Zn10）對晚稻和早稻不同器官中Cd含量的影響Figure 1 Effects of ZnSO4（Zn5和Zn10）on Cd concentrations in different organs of late rice and early rice

開花期葉面噴施 5 mmol·L-1和 10 mmol·L-1的ZnSO4，使成熟期籽粒、穗軸、旗葉、穗下節間、穗下節、倒二節間、倒二節中的Cd含量顯著下降，且隨著Zn濃度的增加其降Cd效果更為明顯。與對照相比，噴施 5 mmol·L-1和 10 mmol·L-1的 ZnSO4使晚稻籽粒 Cd含量分別下降16.93%和28.52%，穗軸Cd含量分別下降22.30%和31.14%；使早稻籽粒Cd含量分別下降7.81%和32.00%，穗軸中的Cd含量分別下降40.34%和52.79%。此外，與對照相比，噴施5 mmol·L-1和10 mmol·L-1的ZnSO4明顯抑制了早稻穗下節中Cd向穗下節間的轉運，噴施10 mmol·L-1的ZnSO4抑制了晚稻穗軸中的Cd向籽粒的轉運，以及抑制了早稻旗葉中的Cd向穗軸的轉運。

2.2 水稻不同器官Cd含量的相關性分析

由表1可以看出，湘潭晚稻籽粒Cd含量和穗軸Cd含量、穗下節間Cd含量、倒二節間Cd含量呈極顯著（P＜0.01）正相關；穗軸和穗下節間、穗下節Cd含量呈顯著（P＜0.05）正相關；穗下節間和穗下節、倒二節間Cd含量呈極顯著（P＜0.01）正相關（表1）；穗下節和倒二節間、倒二節呈極顯著（P＜0.01）正相關，倒二節間和倒二節呈極顯著（P＜0.01）正相關，其他器官之間其Cd含量并沒有表現出明顯的相關性。

表1 晚稻和早稻不同器官中Cd含量的相關性Table 1 Correlation between Cd concentrations in different organs of late rice and early rice

早稻籽粒Cd含量和穗軸、旗葉、穗下節間、穗下節、倒二葉、倒二節都呈極顯著（P＜0.01）正相關；穗軸Cd含量與旗葉和穗下節間Cd含量呈極顯著（P＜0.01）正相關，相關系數分別為0.843**、0.809**（表1）；旗葉和穗下節間、倒二葉、倒二節呈極顯著（P＜0.01）正相關；穗下節間Cd含量和穗下節、倒二葉、倒二節Cd含量呈極顯著（P＜0.01）正相關；此外，除穗軸外，其余各部分Cd含量與倒二節間中Cd含量并沒有表現出明顯的相關性，這表明籽粒對Cd的吸收積累與穗軸以及穗下節間和穗下節關系密切。

2.3 Zn離子對水稻籽粒和穗軸其他必需元素含量的影響

K是水稻各部位中含量最豐富的離子，晚稻穗軸K含量明顯高于籽粒，這說明只有一小部分K轉移到了籽粒中，葉面噴施ZnSO4使籽粒和穗軸中的K含量略有降低。Mg是稻米中第二大豐富的元素，葉面噴施ZnSO4使晚稻穗軸中的Mg含量略有增加，但對早稻和晚稻籽粒中的Mg含量無顯著影響。籽粒和穗軸中的Ca和Mn元素含量都隨著Zn的噴施而降低，噴施10 mmol·L-1的Zn能顯著降低稻米中的Ca和Mn含量。噴施ZnSO4增加了籽粒和穗軸中的Fe元素含量，并顯著提升了籽粒中的Zn含量，噴施5 mmol·L-1和10 mmol·L-1的Zn肥使晚稻籽粒中的Zn含量分別增加13.81%和44.60%（表2）。

表2 ZnSO4（Zn5和Zn10）對晚稻和早稻籽粒及穗軸K、Mg、Ca、Mn、Fe、Zn含量的影響Table 2 Effects of ZnSO4（Zn5和Zn10）on concentrations of K，Mg，Ca，Mn，Fe，Zn in grains and rachises of late rice and early rice

對于早稻而言，籽粒中的K含量高于晚稻籽粒，而穗軸中K元素含量明顯低于晚稻穗軸中的K含量，其他元素早稻和晚稻差距不大。噴施5 mmol·L-1的ZnSO4使籽粒和穗軸中的Mg、Ca、Mn、Fe略有下降，但是籽粒Mg、Mn、Fe差異未達到顯著水平，穗軸的Ca和Fe未達到顯著水平。噴施10 mmol·L-1的ZnSO4使籽粒K、Ca和Mn的含量顯著下降。噴施5 mmol·L-1和10 mmol·L-1的鋅肥使早稻籽粒中的Zn含量分別增加39.02%、47.88%，穗軸中的Zn含量分別增加26.93%和105.00%。

Mn、Zn兩種元素在水稻各器官中呈現出不同的分布特征，噴施Zn肥影響了其在水稻體內的分布。在晚稻Cd污染農田中，Mn、Zn兩種元素都表現為穗下節和倒二節中含量最高，與對照相比，葉面噴施Zn肥使除旗葉和倒二葉外的其他部分的Mn含量呈現降低的趨勢（表3），同時各部分Cd和Mn表現為正相關。Zn在籽粒、旗葉、穗下節、倒二葉、倒二節中的含量都隨著Zn含量的增加呈增加的趨勢。K元素表現為穗下節間和倒二節間含量最高，為50～72 g·kg-1（圖2A），其余各器官中K元素在不同處理間差異不顯著。Ca和Fe元素都是在旗葉和倒二葉中的含量比較高（圖2B、圖2D），但是各器官中Ca、Fe和Mg元素也沒有隨著處理的變化產生明顯的差異性。

在早稻中，Mn元素在倒二葉和倒二節中的含量比較高，其次是旗葉和穗下節中含量。Zn元素同晚稻一致，表現為穗下節和倒二節中含量最高，在籽粒、穗軸、旗葉中的含量都隨著Zn含量的增加呈增加的趨勢（表4）。K元素同樣表現為穗下節間和倒二節間中的含量最高，為39～62 g·kg-1（圖3A），并且隨著Zn濃度的增加呈現增加的趨勢，其余各器官中K元素在不同處理間并沒有表現出明顯的差異性。Ca元素與晚稻趨勢一致，表現為旗葉和倒二葉中含量最高（圖3B），但是各器官中Ca和Mg元素也沒有隨著處理的變化產生明顯的差異性。

表3 ZnSO4（Zn5和Zn10）對晚稻各器官Mn和Zn分布的影響Table 3 Effects of ZnSO4（Zn5和Zn10）on Mn and Zn concentrations in different organs of late rice

圖2 噴施ZnSO4（Zn5和Zn10）對晚稻各器官中K、Ca、Mg和Fe分布的影響Figure 2 Effects of ZnSO4（Zn5和Zn10）on the distribution of K，Ca，Mg and Fe indifferent organs of late rice

表4 ZnSO4（Zn5和Zn10）對早稻各器官Mn和Zn分布的影響Table 4 Effects of ZnSO4（Zn5和Zn10）on Mn and Zn concentrations in different organs of early rice

圖3 ZnSO4（Zn5和Zn10）對早稻各器官中K、Ca、Mg和Fe分布的影響Figure 3 Effects of ZnSO4（Zn5和Zn10）on the distribution of K，Ca，Mg and Fe in different organs of early rice

表5 早稻和晚稻籽粒中Cd含量與其他元素含量的相關系數Table 5 Correlation coefficients between Cd content of other elements in rice grains

早稻和晚稻籽粒中的Cd元素與其他元素間的相關性不同（表5）。晚稻籽粒中的Fe元素與籽粒中的Cd呈負相關，但不顯著；Zn與Cd呈極顯著負相關，其相關系數為-0.833**；K和Mg與Cd呈顯著正相關，Mn與Cd呈正相關，但是相關性不顯著。早稻籽粒中的Mn與Cd呈極顯著正相關，相關系數為0.908**，籽粒中的Zn與Cd呈負相關，其他各元素與Cd的相關性不顯著。

3 討論

水稻籽粒中的Cd含量通常與土壤中有效態Cd含量呈正相關，然而，降雨量對土壤中有效態Cd含量有顯著影響[22-23]。本研究發現，晚稻各器官的Cd含量明顯高于早稻，這可能是由于湖南地處亞熱帶季風氣候區，年平均降水量在1500 mm左右，一半以上的降水量集中在3月到7月之間。早稻根系土壤周圍的Cd離子在降水量較高時可能更容易沉降到深層土壤中[24-25]，同時，降水量的增加還會降低植物的蒸騰作用，減少通過蒸騰拉力向旗葉和穗部轉運的Cd離子數量，從而減少了早稻籽粒中Cd的積累。相反，晚稻灌漿期間氣候干燥，蒸騰作用比較強，這可能會促進Cd由土壤深層向地上部的轉運[26-28]。因此，灌漿期間降水量的差異可能是致使晚稻和早稻之間各部位中Cd含量不同的主要環境因素。

水稻在其成熟的過程中，存儲于各營養器官中的部分營養元素會被遷移轉運到籽粒中[29-30]。穗下節和倒二節對Cd從木質部到韌皮部的轉運起主要的調節作用[31]，節中的轉運蛋白對某些礦質營養元素的轉運也起著重要的調節作用[32-34]。穗軸是連接水稻莖稈和籽粒的部位，根系和葉片中的營養元素都會通過穗軸轉運到籽粒中，水稻籽粒中的Cd含量與穗軸中的Cd含量呈極顯著正相關[14]。本試驗發現，籽粒中的Cd含量與穗軸、節以及節間中的Cd含量相關性比較高，通過穗下節的固定，穗下節間、旗葉和穗軸中的Cd含量明顯降低。此外，無論是雨水充沛的早稻灌漿期，還是秋高氣爽的晚稻灌漿期，開花期噴施Zn離子后，都能顯著降低稻米中的Cd含量。這可能是由于Zn與Cd為同族元素，它們的化學性質相似，當Zn2+與Cd2+同時競爭相同的轉運蛋白時，膜蛋白會優先結合水稻生長發育所必需的Zn2+，從而抑制了Cd2+從旗葉向穗軸和籽粒的轉運。此外，噴施Zn還可能抑制了水稻的蒸騰作用，從而對Cd的吸收、運輸和再分配產生影響[20，35-36]；同時，細胞壁中的[Si-半纖維素-Zn]絡合物能和Cd產生共沉淀，將Cd固定在節、莖稈和葉片等器官的細胞壁中，從而抑制了Cd在細胞間的轉運[37-38]。

水稻體內Cd的轉運與其他營養元素的吸收轉運有著密切的關系。細胞膜上的轉運蛋白以及離子通道不僅能夠轉運多種植物所需的必需元素例如K+、Zn2+、Ca2+、Mg2+、Mn2+，還能轉運一些非必需元素，如Cd2+[39-40]。Cd不僅能夠抑制植物的生長，還能夠抑制其他必需元素的吸收積累從而造成植物細胞的死亡。本研究發現，水稻開花期噴施5～10 mmol·L-1的ZnSO4不僅增加了晚稻和早稻籽粒中的Zn含量；還增加了晚稻籽粒和穗軸中的Fe含量，這可能是因為進入葉片的Zn加強了鋅鐵轉運蛋白（ZIP）的活性，促進了其對Zn和Fe的親和力，提高了其轉運率[41-42]。此外，晚稻籽粒中的Cd含量與籽粒中的K和Ca正相關，早稻籽粒中的Cd含量與Ca和Mn顯著正相關，這說明大多數的Cd都能通過Mn、K、Ca離子通道或者轉運通道進入水稻籽粒中，并伴隨著這些元素的降低而減少。因此，葉面噴施ZnSO4，既可以通過增加籽粒中Zn2+濃度，與Cd2+競爭離子通道，從而直接抑制Cd的吸收和轉運，也可以通過影響籽粒和穗軸中其他必需元素的積累，間接地抑制水稻籽粒對Cd的吸收和積累。

4 結論

（1）晚稻籽粒和穗軸中的Cd含量都顯著高于早稻，水稻開花期噴施ZnSO4能顯著降低晚稻和早稻籽粒中的Cd含量。與對照相比，噴施5 mmol·L-1和10 mmol·L-1的ZnSO4使晚稻籽粒Cd含量分別下降16.93%和28.52%；使早稻籽粒Cd含量分別下降7.81%和32.00%。

（2）穗下節是Cd含量最高的地上部器官，對穗軸和籽粒中的Cd含量有顯著影響。噴施5 mmol·L-1和10 mmol·L-1Zn能使晚稻穗下節Cd含量（40.32 mg·kg-1）分別下降29.00%和44.44%，早稻穗下節Cd含量（10.53 mg·kg-1）分別下降4.89%和20.66%。通過穗下節的固定，穗下節以上的節間、穗軸和籽粒中的Cd含量大幅度下降。

（3）葉面噴施ZnSO4，既能增加籽粒中Zn2+濃度，也能影響籽粒和穗軸中Fe、Ca、Mn等必需元素的含量。