無機硅葉面肥及土壤調理劑對水稻鉛、鎘吸收的影響

張宇鵬，譚笑瀟，陳曉遠*，梁嘉慧，馬崇堅，郭勇軍，周堅兵

1. 韶關學院英東生物與農業學院，廣東 韶關 512005；2. 韶關市粵北土壤土地工程技術研究中心，廣東 韶關 512005；3. 佛山市植寶生態科技有限公司，廣東 佛山 528000

重金屬元素對生物生長具有明顯毒性，母質和巖石中的重金屬單質或化合物隨著風化作用進入土壤中，若超過安全值則造成土壤及耕地污染。隨著中國經濟的快速發展，耕地土壤重金屬污染形勢日益嚴峻。據調查，全國污染耕地土壤點位超標率達19.4%（田發祥等，2015；程菁靚等，2019）。水稻作為中國主要糧食作物之一，稻田土壤重金屬特別是鉛鎘污染問題日益突出，嚴重影響中國人民身體健康，同時對中國糧食安全造成威脅。因此，降低稻田及稻米重金屬含量不僅關系到中國稻米農產品質量安全及商品競爭力，也是推進生態文明建設和維護生態安全的重要內容（湯海濤等，2013）。

目前對重金屬污染耕地修復技術多種多樣，常見的修復方法包括施用土壤鈍化劑、噴施葉面阻控劑、種植低積累作物品種、水分管理、深耕深翻措施、土壤淋洗技術、化學固化修復技術、生物修復技術等措施或措施組合（Yang et al.，2016；Duan et al.，2017；Wu et al.，2017；Hussain et al.，2017；王宇霞等，2016）。由于大部分技術造價較高，因此造價相對較低的施用土壤鈍化劑和噴施葉面阻控劑技術較為常用（Yang et al.，2017；武超等，2016）。硅是水稻生長不可或缺的微量元素，能夠促進水稻的生長發育，提高水稻光合作用，同時眾多研究成果和生產實踐也表明硅肥在抑制水稻重金屬吸收作用顯著，同時能提高稻米品質（Datnofft et al.，1997；黃秋嬋等，2008；賀禮等，2018），大多研究關注葉面阻控劑或土壤調理劑施用量對稻米重金屬達標率的影響和不同品種表現出的差異性。中國部分地區稻田是鉛鎘復合污染，硅肥對鉛鎘復合污染稻田水稻鉛和鎘吸收分布的影響鮮有報道。鑒于植物主要通過根系吸收養分，也可以通過葉片快速吸收部分養分，本研究擬通過大田試驗探討無機硅葉面肥及土壤調理劑對水稻鉛和鎘吸收的影響，以期為稻田重金屬污染修復提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于韶關市曲江區馬壩鎮石堡村委會官屋小組，距離大寶山礦區約 6 km，試驗田坐標24°38.430′N，113°35.074′E，海拔 60 m，地勢平坦，排灌水方便。供試土壤是由紅壤母質發育的水稻土，常年水作不輪作，pH=5.48，有機質質量分數為42.73 g·kg-1、堿解氮 162.36 mg·kg-1、有效磷 24.41 mg·kg-1、速效鉀 73.52 mg·kg-1、鉛 142.01 mg·kg-1、鎘 2.35 mg·kg-1、鉻 31.05 mg·kg-1、砷 8.10 mg·kg-1、汞 0.42 mg·kg-1。土壤鉛和鎘高于風險篩選值（80 mg·kg-1和 0.3 mg·kg-1），屬鉛鎘復合污染。鉛污染指數Pi=Ci/Si= 1.78，屬輕度累積；鎘污染指數Pi=Ci/Si=7.83，屬重度累積。

1.2 供試材料

供試水稻品種為馬壩銀粘。

供試肥料為尿素（廣西河池化肥有限公司，N質量分數為46%）、過磷酸鈣（浙江中農化肥有限公司，P2O5質量分數為12%）、氯化鉀（黑龍江倍豐農業生產資料集團有限公司，K2O質量分數為60%）。葉面肥及土壤調理劑自主研發配制，其中葉面肥為濃縮液體，技術指標：Si 120.00 g·L-1，K2O 156.00 g·L-1，Na 6.00 g·L-1，水不溶物 2.00 g·L-1，濃縮液稀釋200倍后pH為10.86；土壤調理劑為混合粉劑，技術指標：SiO2質量分數為11.70%，有機質質量分數為18.30%，pH=11.50（調理劑與超純水質量比1∶5測定）。

1.3 試驗設計

試驗期為晚稻，2019年7月10日插秧，10月16日收獲。試驗設3個處理，分別為處理1（CK）：常規施肥；處理2（L-Si）：常規施肥+噴施葉面肥；處理3（S-Si）：常規施肥+施用土壤調理劑。人工起壟每小區5 m×5 m，每個處理3次重復，隨機排列。每處理化肥施用量相同，均為N 211.50 kg·hm-2，P2O560.00 kg·hm-2，K2O 187.50 kg·hm-2，分 3 次施用，分別為第 1次播種時施用 N 33.33%，P2O550.00%，K2O 26.00%；第2次分蘗期滅蟲后2—3 d施用N 33.33%；第3次灌漿期施用N 33.33%，P2O550.00%，K2O 74.00%。處理2葉面肥原液兌水稀釋200倍后進行葉面噴施，在水稻分蘗、孕穗、灌漿期各噴施1次，每次噴施量為37.50 L·hm-2；處理3土壤調理劑在稻田翻耕時一次性施入，施用量為1500.00 kg·hm-2。其余田間管理方式相同。

1.4 研究方法

1.4.1 樣品采集

土壤樣品：水稻種植前采集基礎土樣，水稻收獲后每處理采集試驗土樣，采用“S”布點法采樣，取5點混合成1個土樣并用四分法留取樣品，剔除土樣雜物，自然風干后碾碎，過0.1 mm篩子后用密封袋于干燥陰涼處保存待測。

水稻樣品：水稻收獲時，每處理小區采集水稻植株樣品，分為根、莖、葉、稻殼、稻米等5部分，經殺青、烘干及粉碎后用密封袋于干燥陰涼處保存待測。

1.4.2 樣品測試

土壤pH采用pH計法測定（土壤與超純水質量比1:5）；土壤有機質采用重鉻酸鉀油浴外加熱容量法測定；土壤速效氮采用堿解擴散法測定；土壤速效磷采用鉬銻抗比色法測定；土壤速效鉀采用火焰光度法測定（鮑士旦，1999）。土壤鉛參照GB/T 17141—1997測定；土壤鉻參照HJ 491—2009測定；土壤鎘參照 GB/T 17141—1997測定；土壤砷參照GB/T 22105.2—2008測定；土壤汞參照 GB/T 22105.1—2008測定。水稻植株鉛、鉻、鎘、砷、汞采用ICP-MS法測定。

1.4.3 數據分析

運用Excel軟件整理數據、制作圖表，運用SPSS（IBM SPSS Statiatics 20）軟件Duncan法進行差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 葉面肥及土壤調理劑對土壤pH的影響

無機硅葉面肥及土壤調理劑pH呈堿性，施用土壤調理劑后土壤pH為 (6.24±0.08)，較對照處理(5.51±0.06) 提高0.73個單位（圖1），可顯著提高土壤pH。而噴施葉面肥土壤pH為 (5.63±0.18)，與對照處理差異不顯著。

2.2 葉面肥及土壤調理劑對土壤鉛和鎘含量的影響

噴施無機硅葉面肥后土壤中鉛質量分數為(138.00±5.56) mg·kg-1，施用無機硅土壤調理劑后土壤中鉛質量分數為 (130.00±4.35) mg·kg-1，分別比對照處理土壤中鉛(116.00±4.35) mg·kg-1高出22.00 mg·kg-1和 14.00 mg·kg-1（圖 2）。噴施無機硅葉面肥后土壤中鎘質量分數為(1.87±0.08)mg·kg-1，與對照處理土壤中鎘質量分數(1.89±0.03)mg·kg-1差異不顯著，而施用無機硅土壤調理劑后土壤中鎘為 (2.17±0.05) mg·kg-1，顯著高于對照處理14.81%（圖3）。

圖1 不同處理土壤pHFig. 1 pH in different treatments

圖2 不同處理土壤鉛含量Fig. 2 Contents of soil Pb in different treatments

2.3 葉面肥及土壤調理劑對水稻不同部位鉛和鎘吸收影響

圖3 不同處理土壤鎘含量Fig. 3 Contents of soil Cd in different treatments

由表1可見，鉛在水稻根部富集最多，其次是葉，在莖和稻殼中富集程度相近，在稻米中最少。噴施無機硅葉面肥和施用無機硅土壤調理劑都能顯著減少鉛在根部的富集，分別較對照處理(236.67±6.43) mg·kg-1減少 11.69%和 59.59%。噴施無機硅葉面肥顯著增加了鉛在水稻莖和稻殼中的富集，分別達到 (5.33±0.19) mg·kg-1和 (3.36±0.08)mg·kg-1， 較 對 照 處 理 (4.36±0.23) mg·kg-1和(2.94±0.17) mg·kg-1增加了 22.25%和 14.29%；而鉛在葉片和稻米中的富集均顯著降低，分別較對照(18.87±0.76) mg·kg-1和 (0.39±0.06) mg·kg-1降低了12.40%和38.46%。施用無機硅土壤調理劑均能顯著減少鉛在水稻莖、葉、稻殼和稻米中的富集，分別減少了36.93%、15.16%、23.47%和51.28%。噴施無機硅葉面肥及施用無機硅土壤調理劑鉛在水稻葉和稻米中的富集差異不顯著。

鎘在水稻根部富集最多，其次是莖和葉，在稻殼和稻米中最少。噴施無機硅葉面肥顯著增加了鎘在水稻根和莖中的富集，富集量分別達到(23.43±1.25) mg·kg-1和 (10.31±0.43) mg·kg-1，分別較對照 (20.57±0.20) mg·kg-1和 (6.79±0.54) mg·kg-1增加了 13.90%和 51.84%；而鎘在葉、稻殼和稻米中富集均有所減少，分別較對照 (6.85±0.85)、(1.37±0.08)、(1.91±0.12) mg·kg-1減少了 18.10%、5.84%和40.84%，在稻殼中富集差異性不顯著。施用無機硅土壤調理劑均能顯著減少鎘在水稻根、莖、葉、稻殼和稻米中的富集，較對照處理分別減少了12.93%、42.28%、61.75%、59.85%和49.21%。而噴施無機硅葉面肥及施用無機硅土壤調理劑鎘在水稻稻米中富集未達到顯著差異水平。

表1 不同處理水稻不同部位重金屬含量Table 1 Contents of heavy metal in different parts of Rice treated with different treatments

2.4 葉面肥及土壤調理劑對水稻產量的影響

噴施無機硅葉面肥及施用無機硅土壤調理劑后水稻產量分別達到 (7280.68±53.86) kg·hm-2和(7340.76±59.26) kg·hm-2， 較 對 照 處 理 產 量(7052.27±95.07) kg·hm-2分別增加3.24%和4.09%，增產效果顯著，但噴施葉面肥和施用土壤調理劑處理水稻產量差異不顯著（圖4）。

圖4 不同處理水稻產量Fig. 4 Yield of rice in different treatments

3 討論

中國南方酸性水稻土區土壤重金屬活性高、遷移性強，易于在水稻植株和稻米中累積，造成稻米重金屬含量超標（李心等，2018）。重金屬復合污染條件下，葉面施用納米硅肥后水稻籽實中Cd、Pb、Cu、Zn的吸收量顯著降低（王世華等，2007）。在本研究中，噴施無機硅葉面肥后，稻米中鉛和鎘含量較對照分別降低了 38.46%和 40.84%，同時稻米產量增加了3.24%；鉛在根部、葉片富集顯著減少了 11.69%和 12.40%；鎘在葉片和稻殼中富集顯著減少了 18.10%和 5.84%，與噴施 0.2%無機硅溶膠效果不同，可能是由于無機硅形態不同所致。葉面施用硅肥可以降低水稻Cd、Pb、Zn和Cu可能主要是由于硅可以提高水稻葉片葉綠素含量，同時降低細胞膜的透性，從而提高了水稻的抵抗能力；也可能是由于硅在植物地上部的沉淀而阻止了 Cd向地上部的遷移（Galvez et al.，1987；秦淑琴等，1996）。在本研究中，噴施無機硅葉面肥后鉛在莖和稻殼中富集量顯著增加 22.25%和 14.29%；鎘在根和莖中富集顯著增加了13.90%和51.84%。土壤pH和土壤鎘與對照差異不顯著，而土壤鉛含量較對照含量高18.97%。說明無機硅葉面肥對水稻鉛和鎘的阻隔部位及作用機理有所不同，無機硅經葉面吸收后，在減少葉片中鉛富集的同時減少了根系對土壤鉛的吸收，將經根系吸收的鉛富集于莖和稻殼中；而在減少葉片中鎘富集的同時并未減少根系對鎘吸收，將經根系吸收的鎘富集于根和莖中。在污染紅壤及水稻土中，鉛主要積累在鐵錳氧化物結合態和碳酸鹽結合態，鎘主要以交換態存在（楊欣等，2010），噴施無機硅葉面肥后土壤pH并未變化，根系減少了對鉛的活化與吸收，而根系對鎘的活化與吸收并未減少，因此土壤中鉛含量較對照高，而土壤鎘含量較對照差異不顯著。

施用土壤調理劑是中國目前修復重金屬污染土壤的最主要措施（代允超等，2014）。施用鉀硅土壤調理劑顯著降低了水稻莖、葉和籽粒中鉛和鎘的含量（賈倩等，2015）。施用硅鈣土壤調理劑顯著降低水稻莖稈、葉片、籽粒中鉛含量和莖稈、籽粒中鎘含量（賈倩等，2017）。在本研究中，施用無機硅土壤調理劑，水稻根、莖、葉、稻殼、稻米中鉛含量顯著降低11.69%、36.93%、15.16%、23.47%和51.28%；鎘含量顯著降低12.93%、42.28%、61.75%、59.85%和49.21%。硅肥土壤調理劑能夠降低水稻中重金屬含量，主要可能是由于土壤調理劑能夠增大作物根際pH，增加植物根際氧化還原能力，改變重金屬離子形態；硅與一些重金屬離子形成不易被植物吸收的新物質而被固定的同時，水稻吸收的硅也能改善水稻的抗逆性。而在本研究中，無機硅土壤調理劑顯著提高土壤pH=0.73個單位，土壤中鉛和鎘含量較對照顯著提高了12.07%和14.81%，土壤調理劑具有一定的吸附性，無機硅土壤調理劑在將土壤中鉛和鎘吸附固定于土壤中的同時阻隔了水稻根系對鉛和鎘下吸收，因此水稻根、莖、葉、稻殼、稻米中鉛和鎘的含量均顯著降低。

4 結論

通過田間試驗探究噴施無機硅葉面肥和施用無機硅土壤調理劑對水稻吸收鉛和鎘的影響，為鉛鎘復合污染稻田修復提供參考。初步得到以下結果：

（1）無機硅葉面肥及土壤調理劑均呈堿性，施用無機硅土壤調理劑較對照 (5.51±0.06) 能夠顯著提高稻田土壤pH值0.73個單位，而噴施無機硅對土壤pH作用不顯著；噴施無機硅葉面肥后土壤中鉛 質 量 分 數 較 對 照 (116.00±4.35) mg·kg-1高18.97%，施用無機硅土壤調理土壤中鉛和鎘分別較對照 (116.00±4.35)、(1.89±0.03) mg·kg-1高 12.07%和14.81%。

（2）噴施無機硅葉面肥后，水稻鉛在根、葉片、稻米中富集較對照分別減少 11.69%、12.40%和38.46%，在莖和稻殼中富集量顯著增加 22.25%和14.29%；水稻鎘在葉片、稻殼、稻米中較對照顯著減少了18.10%、5.84%和40.84%，在根和莖中富集顯著增加了13.90%和51.84%。

（3）施用無機硅土壤調理劑后，水稻中鉛在根、莖、葉、稻殼、稻米中富集量較對照顯著減少11.69%、36.93%、15.16%、23.47%和51.28%；水稻中鎘在根、莖、葉、稻殼、稻米中富集量顯著降低12.93%、42.28%、61.75%、59.85%和49.21%。

（4）噴施無機硅葉面肥及施用無機硅土壤調理劑均能夠顯著提高水稻產量，產量較對照(7052.27±95.07) kg·hm-2分別提高 3.24%和 4.09%。

綜上所述，無機硅葉面肥與土壤調理劑對復合污染稻田水稻吸收鉛和鎘的影響不同。無機硅經葉面吸收后，在減少葉片中鉛富集的同時減少了根系對土壤鉛的吸收，將經根系吸收的鉛富集于莖和稻殼中；而在減少葉片中鎘富集的同時并未減少根系對鎘吸收，將經根系吸收的鎘富集于根和莖中。無機硅土壤調理劑在將土壤中鉛和鎘固定于土壤中的同時阻隔了水稻根系對鉛和鎘下吸收，因此水稻根、莖、葉、稻殼、稻米中鉛和鎘的含量均顯著降低。