粒肥施用時期對水稻鎘積累的影響初探

張玉盛,肖 歡,吳勇俊,楊小粉, 汪澤錢,伍 湘,向焱赟,張小毅, 敖和軍

(1.湖南農業大學 農學院,湖南 長沙 410128；2.南方糧油作物協同創新中心,湖南 長沙 410128)

鎘(Cd)是一種毒性極強的重金屬,植物非必需元素。近年來,工業生產、汽車尾氣、污染灌溉、過度施肥等人類活動導致農田Cd污染日益嚴重[1]。 水稻是我國重要的糧食作物[2],而水稻具有富集Cd的習性,土壤中的Cd易被水稻根系吸收,并向地上部轉運后累積在籽粒中,通過食物鏈途徑進入人體,危害人體健康[3]。因此,降低稻米Cd污染實現稻米安全生產意義重大且亟待解決。

近年來,有關水稻鎘污染防控的研究很多,其中,通過合理施肥降低土壤鎘有效性與鎘吸收方面也有了一些研究。研究發現,施用鉀硅肥、硅肥、鐵肥可降低土壤Cd的生物有效性,降低糙米Cd含量[4-9]；土壤高Cd污染條件下,在水稻始穗期-灌漿期葉片噴施鋅肥,鋅鎘交互作用表現為互相抑制,可降低籽粒Cd含量[10]。氮素是作物吸收利用的最主要肥料,在農業生產中有著舉足輕重的作用。不同氮肥種類和用量對土壤Cd的活性和水稻吸收Cd有不同的影響,其中尿素顯著降低了土壤有效態鎘的含量,銨態氮則顯著提高土壤有效鎘的含量,且氯化銨的作用大于硝酸鈣和硫酸銨[11]；氯化銨較硫酸銨、硝酸銨可顯著增加水稻對Cd的吸收,而適量尿素可以降低水稻對Cd的吸收,施高量尿素或不施尿素處理促進水稻對Cd的吸收[12]。另有研究表明,水稻不同生育期施氮肥對糙米Cd含量也有顯著影響,分蘗期[13]和齊穗期[14]施氮肥可顯著降低糙米Cd含量。

研究發現,水稻花后的物質積累、轉運、分配是籽粒灌漿的主要來源[15],保持生育后期一定氮素水平可延緩葉片衰老,延長灌漿時間,使籽粒灌漿充分[16-17],延緩葉片衰老還可以抑制生育前期積累貯存在營養組織中的Cd向籽粒轉移[18-20]。可見,水稻生育后期合理的氮肥施用會影響其稻米鎘含量。目前,關于氮肥影響水稻Cd吸收積累的研究多集中在氮肥種類和氮肥施用量對其Cd積累的影響,有關生育后期施用氮肥對水稻Cd吸收積累影響的研究鮮有報道。本研究通過大田試驗,分析水稻不同時期施用粒肥對籽粒Cd含量和積累量的影響,考察Cd由根系和莖葉向籽粒的轉移系數,明確水稻粒肥施用時期對Cd吸收積累的影響,以期為稻米安全生產提供理論依據和技術支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗地點

試驗于2018年在湖南省長沙市福臨鎮同心村進行,供試土壤質地類型為砂壤土,其基本理化性質:pH值5.61,全氮3.55 g/kg,全磷0.75 g/kg,全鉀28.67 g/kg,水解氮306.67 mg/kg,有效磷14.40 mg/kg,速效鉀201 mg/kg,有機質55.27 g/kg,陽離子交換量12.17 cmol/kg,全鎘0.24 mg/kg,有效鎘0.14 mg/kg。

1.2 試驗材料

早稻選用雜交稻株兩優819,晚稻選用常規稻湘晚秈12號為供試材料。

1.3 試驗方法

根據前期大田試驗結果[14],水稻全生育期施氮量180 kg/hm2,設粒肥施用量為總氮量20%的3個粒肥施用時期處理和對照不施粒肥處理。處理1、處理2和處理3(用F1、F2、 F3代替)的基肥∶穗肥∶粒肥均為6∶2∶2,分別在始穗期、齊穗期(始穗后9 d)和灌漿期撒施粒肥；對照(CK),不施粒肥處理,將粒肥用量前移至基肥保證總氮量一致,基肥∶穗肥∶粒肥為8∶2∶0。每個處理3次重復,小區隨機排列,面積為8 m×8 m=64 m2,小區間留排水溝,覆蓋黑色地膜。

1.4 水肥管理措施

常規水肥管理,水稻全生育期施氮肥(純N)180 kg/hm2、磷肥(P2O5)90 kg/hm2、鉀肥(K2O)144 kg/hm2；其中氮肥為尿素(含N 46.4%)、磷肥為過磷酸鈣(含P2O512%)、鉀肥為氯化鉀(含K2O 60%)。氮肥按試驗基追肥比例在不同時期施用,磷肥一次性基施,鉀肥于移栽前1～2 d和幼穗分化始期各施50%。全生育期保持淺水層淹水灌溉(2～3 cm水層),收獲前15 d左右自然落干。其他栽培管理措施與當地習慣保持一致。

1.5 樣品采集與測定

水稻成熟后,避開邊3行采集5穴生長勢一致的植株,用自來水洗凈根系泥土,自然晾干后,裝入信封中,放入烘箱中用110 ℃殺青30 min,80 ℃烘干至恒質量,稱干質量。所有樣品粉碎后過篩密封保存。

土壤理化性質采用常規方法測定；植株Cd含量采用HNO3-HClO4(V/V,4∶1)濕法消解,采用電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS)測定。試驗所用試劑均為優級純。

1.6 數據處理

生物富集系數(BCF)=水稻某部分鎘的含量/土壤鎘的全量,水稻鎘的富集系數劃分為 BCF根系、BCF莖葉、BCF籽粒。

Cd從根系向莖葉的轉運系數(TF莖葉/根)=水稻莖葉鎘含量/水稻根系鎘含量×100%,Cd從根系向籽粒的轉運系數(TF籽粒/根)=水稻籽粒鎘含量/水稻根系鎘含量×100%,Cd從莖葉向籽粒的轉運系數(TF籽粒/莖葉)=水稻籽粒鎘含量/水稻莖葉鎘含量×100%[21]。

試驗結果用Microsoft Excel 2016和SAS 9.4進行數據整理統計分析(LSD多重比較法,α<0.05)和相關性分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理對水稻成熟期生物量的影響

表1表明,粒肥處理(F1、F2、F3)早晚稻的根系、莖葉和籽粒生物量較不施粒肥處理(CK)均有所提高,早稻根系、莖葉生物量分別在F1和F3處理下最高,而早稻籽粒和晚稻各部位生物量均隨著粒肥施用時間推遲呈現先升后降的趨勢,在處理F2達到最大值。其中,早稻根系生物量在處理F1和F2下顯著高于F3和CK(P<0.05),F1和F3處理下的莖葉生物量均顯著高于CK(P<0.05)；籽粒生物量以處理F2最高,顯著高于CK和F1(P<0.05)。不同處理對晚稻根系、莖葉和籽粒生物量均以處理F2最高,與CK差異達到顯著水平(P<0.05),且較處理F1和F3有所提高,說明施用粒肥對水稻物質積累促進效應和增產效應與粒肥施用時期有關。

注:不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。表2-5同。

Note: Different lowercase letters indicate significant difference between the different tested varieties (P<0.05).The same as Tab.2-5.

2.2 不同處理對水稻成熟期各部位鎘含量的影響

由表2可知,施用粒肥提高早稻的根系Cd含量,處理F1、F2、F3之間沒有顯著差異,但處理F3的根系Cd最低；而處理F1、F2和F3莖葉Cd含量均顯著升高(P<0.05),處理F2的莖葉Cd含量最低；與對照相比,籽粒Cd含量均顯著降低(P<0.05),3個處理分別降低了40.71%,44.87%,44.23%。3個處理對晚稻根系Cd含量的影響不同,其中處理F1的根系Cd含量最高,顯著高于CK和處理F2及F3(P<0.05),而處理F2和F3的根系Cd含量較CK有所下降,但差異不顯著；3個處理均顯著提高了莖葉Cd含量(P<0.05),以F2處理的莖葉Cd含量最低；晚稻籽粒在處理F1、F2下較CK有所提高,其中處理F1的Cd含量與CK差異顯著(P<0.05),而處理F3的Cd含量較CK降低22.31%,但與CK差異不顯著。

表2 成熟期水稻不同部位的Cd含量Tab.2 Effect of different treatments on Cd content in various parts of rice during maturity mg/kg

2.3 不同處理對水稻成熟期各部位鎘轉移系數的影響

轉移系數是指重金屬在植株體內的轉運,其值越高說明重金屬在體內的遷移能力越強。由表3可知,施用粒肥處理后,早稻植株TF莖葉/根較CK顯著提高(P<0.05),其中處理F3的增幅最大,為對照的2.18倍,且其值顯著高于處理F2；而TF籽粒/根和TF籽粒/莖葉較CK顯著下降,但粒肥處理間差異不顯著(P<0.05),其中TF籽粒/根在處理F2最低,較CK下降了54.87%；TF籽粒/莖葉以處理F3最低,較CK下降了 74.34%。對晚稻而言,施用粒肥顯著提高了TF莖葉/根(P<0.05),以處理F3增幅最大,是CK的1.62倍。與早稻有所不同的是,TF籽粒/根在處理F1和F2反而升高,且顯著高于F3處理(P<0.05)。晚稻TF籽粒/莖葉和TF莖葉/根呈相反的趨勢,TF籽粒/莖葉在處理F3顯著降低(P<0.05)。這表明合理施用粒肥,不僅可以降低水稻體內的Cd由根系向籽粒轉移,還可以降低Cd由莖葉向籽粒轉移。

表3 成熟期水稻不同部位鎘的轉運系數Tab.3 Cadmium transport coefficient in different parts of rice at maturity

2.4 不同處理對水稻成熟期各部位鎘生物富集系數的影響

生物富集系數代表植株對土壤鎘的吸收富集能力,富集系數越大其吸收富集能力越強。由表4可知,不同時期粒肥處理提高了早稻植株根系和莖葉對土壤鎘的富集系數,降低了籽粒對土壤鎘的富集系數；其中，早稻BCF莖葉大小順序為F1>F2>CK,F3介于F1和F2之間，但與二者差異均不顯著,BCF根大小順序為F2、F1、F3、CK,BCF籽粒大小順序為CK>F1、F2=F3(“、”表示差異不顯著,“>”表示差異顯著,下同)。晚稻BCF根系大小順序為F1>CK>F2、F3；BCF莖葉大小順序為F1、F2、F3>CK；BCF籽粒大小順序為F1>F2、CK、F3。與對照相比,早晚稻的籽粒富集系數最大降幅分別為44.62%,22.22%。

表4 成熟期水稻不同部位鎘的生物富集系數Tab.4 Bio-concentration factors of Cd in different rice parts at mature period

2.5 不同處理對水稻鎘積累量的影響

由表5可知,晚稻各部位的Cd積累量大于早稻。其中早晚稻根系Cd積累量均在處理F1最高,其次是處理F2,處理F3最低,但處理F3與CK差異未達到顯著水平,處理F1和F2的根系積累量顯著高于處理F3和CK(P<0.05)。施用粒肥,早稻和晚稻的莖葉Cd積累量均顯著提高,分別是CK的2.76,2.14,2.76倍和1.85,1.84,1.83倍； 其中早稻處理F1和F3較處理F2差異顯著(P<0.05)；晚稻的莖葉Cd積累量以處理CK最低,但其余處理間差異不顯著。早晚稻的籽粒Cd積累量在不同生育期粒肥處理表現不同,其中早稻的籽粒Cd積累量均顯著降低(P<0.05),以處理F3最低,較CK降低32.77%,但F1、F2、F3處理間差異不顯著；而晚稻的籽粒Cd積累量僅在處理F3較CK有所降低,但差異不顯著,處理F1和F2的籽粒Cd積累量提高,與處理F3和CK差異顯著(P<0.05)。籽粒中Cd的積累量與籽粒Cd含量的變化趨勢一致,粒肥處理下的籽粒生物量均高于對照,而籽粒Cd積累量并沒有相應提高,說明水稻籽粒生物量并非籽粒Cd積累量的決定因素。

2.6 籽粒鎘含量與其他變量的關系

由表6可知,早稻的籽粒Cd含量與莖葉Cd含量、TF籽粒/根、TF籽粒/莖葉、籽粒Cd積累量呈顯著或極顯著正相關性,其相關系數分別為0.895,0.960,0.977,0.899；與根系Cd含量、TF莖葉/根、根系Cd積累量、莖葉Cd積累量也呈正相關性,但不顯著。推測,上述變量中前四者是控制早稻籽粒中Cd含量的關鍵因素,而后四者對早稻籽粒Cd含量的影響可能較小。對晚稻而言,籽粒的Cd含量與根系Cd積累量和籽粒Cd積累量呈顯著正相關性,其他因素僅有根系Cd含量的相關系數較高,為0.808,剩余因素的相關系數在0.049～0.465,均未達顯著水平。

表5 成熟期水稻不同的部位鎘積累量Tab.5 Cadmium accumulation in different parts of rice during maturity μg/m2

表6 籽粒Cd含量與其他變量之間的相關性Tab.6 The correlation between Cd contents in grain rice

注:*.0.05水平上顯著相關；**. 0.01 水平上極顯著相關。

Note:*. Significant correlation at the 0.05 level；**. Extremely significant correlation at the 0.01 level.

3 討論與結論

水稻生育后期施入氮素可以延緩葉片衰老,提高葉片有效光合面積和光合速率,促進物質轉運和積累,延長灌漿時間,使籽粒灌漿充分,提高水稻產量[16-17,22]。本研究結果表明,不同時期粒肥處理的水稻各部位生物量均有所提高,可知,施用粒肥可以增加水稻產量,這與楊安中等[17]研究結果一致；齊穗期施用粒肥的水稻各部位生物量高于其他2個時期施粒肥,且顯著高于不施粒肥處理,說明齊穗期施用粒肥更有利于促進水稻物質積累,提高產量。

氮不僅可以促進水稻的生長、提高產量,而且能降低水稻糙米Cd含量[13-14,23]。本研究結果表明,施粒肥顯著降低早稻籽粒Cd含量,而晚稻籽粒Cd含量僅在灌漿期施粒肥處理有小幅度降低,這與土壤有效Cd含量有一定關系,也與水稻不同生育期對Cd的吸收、轉運能力有關。范中亮等[24]認為稻米Cd含量與土壤Cd含量呈顯著正相關,楊錨等[11]認為尿素可以提高土壤pH值、降低土壤中水溶態Cd和有效態Cd含量,低量尿素水平能顯著降低籽粒中的Cd含量[25]。水稻籽粒中Cd的積累主要受根系向地上部的轉運、莖葉再分配的影響[18,20],彭鷗等[26]認為施硅肥能降低Cd從莖鞘進入籽粒中,王怡璇等[27]、吳勇俊等[13]認為硅肥和氮肥的施用可促進根表鐵膜的形成,加強鐵膜對Cd的吸附作用,并有效抑制Cd從根部向地上部轉運,從而降低水稻糙米Cd含量；張振興等[28]認為糙米Cd含量與Cd在植株內的轉運系數呈顯著正相關關系,水稻灌漿期施用生石灰能顯著提高土壤pH值,降低土壤有效態鎘含量,降低Cd向籽粒中遷移。本試驗結果表明,不同生育期施用粒肥對水稻籽粒的Cd含量影響不同,早稻籽粒的Cd含量大小順序為:始穗期施粒肥>灌漿期施粒肥>齊穗期施粒肥,晚稻的Cd含量大小順序為:始穗期施粒肥>齊穗期施粒肥>灌漿期施粒肥,可以看出,齊穗期或者灌漿期施粒肥處理對降低水稻籽粒Cd含量的效果要大于始穗期施粒肥。

水稻不同生育期對Cd的吸收、積累、再分配特性不同,致使不同生育期Cd積累量與其對籽粒Cd積累的貢獻率存在差異[19,29]。報道指出,水稻孕穗-灌漿階段以及水稻在成熟吸收積累的Cd是籽粒中Cd的主要來源[19,30-31],灌漿期根系吸收的Cd可被快速的運輸至籽粒中[32]。本試驗中,不同處理的籽粒Cd含量存在差異的原因可能為:氮素施入后,隨處理時間的延長對土壤pH值的提升作用減弱,土壤有效鎘的含量短期內下降幅度較大,而后回升并與施氮后根系分泌有機酸對土壤Cd的氧化還原交叉影響[11,33-34],致使水稻灌漿-成熟階段土壤有效鎘含量存在差異。另有研究發現,水稻抽穗后,生育前期積累貯存在莖葉中的Cd伴隨光合產物和營養物質傳輸進入到籽粒當中[18],葉片的衰老會加速營養元素的再分配,顯著提高了葉片中如氮、Fe2+、Cu2+等從營養組織向籽粒中轉移[35-37]。本研究發現,始穗期、齊穗期、灌漿期施粒肥顯著降低了早稻Cd從莖葉向籽粒中轉移及籽粒對Cd的富集,這與張振興等[28]的研究結果較吻合。

植物修復技術是清除土壤鎘污染的有效途徑[38]。本研究發現,不同生育期施用粒肥處理的莖葉Cd積累量較對照均顯著提高,為對照莖葉Cd積累量的1.83～2.76倍,從施用粒肥對水稻籽粒的生物量、Cd含量和莖葉的Cd積累量的影響三方面綜合來看,在早稻齊穗期、晚稻灌漿期施用粒肥施不僅可以提高水稻生物量、降低籽粒Cd含量還能通過秸稈移除帶走較高量的Cd以達到一定的修復效果。

施粒肥能顯著提高水稻各部位生物量,齊穗期施粒肥對水稻增產效果最明顯。施粒肥雖提高了根系對鎘的吸收、根系中的Cd向莖葉轉運,但能顯著降低莖葉向籽粒轉移；齊穗期施粒肥顯著降低鎘從根系和莖葉中向籽粒中轉移,顯著降低早稻籽粒的鎘含量,灌漿期施粒肥顯著降低了莖葉向籽粒的轉移,降低晚稻籽粒鎘含量；早稻籽粒鎘含量與Cd從根系和莖葉向籽粒的轉移系數呈極顯著正相關。