摻雜硒·硫的硅基葉面阻控劑對水稻富集鎘的影響

唐守寅 胡露 熊琪 田一君 甘露 林煒 任準 王詩龍 袁海偉

摘要 [目的]研究摻雜硒、硫的硅基葉面阻控劑對水稻富集鎘（Cd）的影響。[方法]在中度Cd污染區開展水稻噴施不同用量摻雜硒、硫（7 500、9 000 mL/hm2）的硅基葉面阻控劑的田間小區試驗。[結果]施用摻雜硒、硫的硅基葉面阻控劑，可使稻谷產量增加1.87%～8.97%;稻米Cd含量降低25.93%～46.67%;莖中Cd含量增加14.38%～37.89%，對根、葉中Cd含量的影響不大;Cd從莖到籽實的轉運系數顯著降低，降幅達34.48%～62.50%。[結論]采用硅、硒、硫耦合原理抑制Cd在水稻植株內的遷移是可行有效的;抑制Cd從莖到籽實的轉運是能夠顯著降低稻米Cd含量的主要原因。

關鍵詞 葉面阻控劑;水稻;鎘;硅;硒;硫

中圖分類號 X53 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2021）17-0061-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.17.017

Abstract [Objective]To study the effect of silicon-based foliar inhibitor doped with selenium and sulfur on cadmium enrichment in rice.[Method]Field plot experiments were carried out in moderate cadmium contaminated areas by spraying different amounts of silicon-based foliar inhibitor （7 500 and 9 000 mL/hm2） doped with selenium and sulfur. [Result]The yield of rice increased by 1.87%-8.97% by applying silicon-based foliar inhibitor doped with selenium and sulfur;cadmium content of rice was reduced by 25.93%-46.67% by applying silicon-based foliar inhibitor doped with selenium and sulfur;cadmium content in rice stem was increased by 14.38%-37.89% by applying silicon-based foliar inhibitor doped with selenium and sulfur， which had little effect on cadmium content in rice root and leaf;The transfer factor from stem to seed decreased significantly by 34.48%-62.50% by applying silicon-based foliar inhibitor doped with selenium and sulfur. [Conclusion]It was feasible and effective to inhibit the migration of cadmium in rice plants by the coupling principle of silicon， selenium and sulfur， and the main reason for the significant reduction of cadmium content in rice was the inhibition of cadmium transport from stem to seed.

Key words Foliar resistance control agent;Rice;Cadmium;Cilicon;Selenium;Sulfur

近年來，我國土壤重金屬污染問題日趨嚴重，對人們的身體健康產生很大威脅。據統計，目前我國受污染的耕地面積近0.1億hm2，污水灌溉污染耕地216.67萬hm2，固體廢棄物堆存占地和毀田13.33萬hm2，合計約占耕地總面積的10%以上，其中多數集中在經濟較發達地區。每年因土壤污染而減少的糧食產量高達1 200萬t，直接經濟損失達200余億元。水稻對重金屬具有較強的富集能力，其體內累積的重金屬通過食物鏈進入人體后，會給人類身體健康帶來潛在的危害。我國人口眾多，在污染的耕地上種出安全的農作物是當前農業環境領域迫切需要解決的重大問題。

目前針對耕地重金屬污染的修復方法主要是通過改造土壤-植物系統的土壤端，降低土壤中重金屬有效性和稀釋土壤中重金屬濃度來減少農作物對重金屬的吸收。這些方法包括化學鈍化法（施用石灰、土壤調理劑等鈍化劑）、植物修復法（栽種超積累植物）、物理混合法、微生物修復法。但是，這些方法還存在修復效率低、費用高、操作煩瑣、效果不穩定等問題。

近年來相關研究表明，硅可以提高植物對重金屬毒害的抗性，利用方便且廉價，已引起人們的高度重視。施硅能將地上部的鎘（Cd）沉積于莖部和葉部的細胞壁中，形成Si-Cd的復合物，進而減輕Cd向果穗部的遷移及其在穗部的積累，增強水稻的抗逆性，明顯緩解水稻重金屬毒害。在Cd污染土壤上施用富含硅的高爐渣對水稻的生物學產量和稻米產量并無顯著影響，但稻米中Cd含量顯著下降[1]。作為植物有益元素，硅可以緩解植物鋁毒在高粱、大麥和大豆等作物上的表現也已得到證實。此外，一些研究還表明，通過給水稻葉面噴施含硒制劑或者含硫制劑也可以在一定程度上降低稻米中Cd的積累[2-3]。通過給農作物葉面噴施阻控劑，從土壤-植物系統的植物端抑制重金屬在可食部位的積累正成為耕地重金屬修復的新思路。但是，目前的研究大都集中于單一硅、硒、硫制劑對抑制Cd的研究，鮮有硅、硒、硫復合制劑抑Cd效果的報道。筆者試圖通過田間小區試驗，探討在實際大田種植條件下，摻雜硒、硫的硅基葉面阻控劑對水稻富集Cd的影響，以期為Cd污染耕地高效葉面阻控技術提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地分2個區域：①益陽市桃江縣石牛江鎮增塘村;②益陽市赫山區泥江口鎮大壩塘村。2個區域均屬于雙季稻產區，稻田灌溉水分別來源于水庫、河流，水資源充足，灌溉設施好。試驗田土壤基本理化性質見表1。

1.2 供試材料

供試葉面阻控劑為環保橋（湖南）生態環境工程股份有限公司生產的摻雜硒、硫的硅基葉面阻控劑，液體，pH 10.49，含硅（Si）101.6 g/L、鈉（Na）66.05 g/L、硒（Se）0.31 g/L、水不溶物2.16 g/L、砷（As）0.418 mg/L、鎘（Cd）0.05 mg/L、鉛（Pb）0.212 mg/L、汞（Hg）0.032 mg/L、鉻（Cr）21.7 mg/L。供試品種為湘早秈45，購置于湖南永益農業科技發展有限公司，是湖南省普遍栽種的秈稻常規稻品種。

1.3 小區試驗

設3個處理，每處理3次重復，每個試驗點共9個小區。隨機區組排列，小區面積21 m2，試驗地周圍設置2.5 m寬的保護行。

CK：常規施肥+噴施清水450 kg/hm2;

F1：常規施肥+分別在分蘗期和孕穗期噴施楚戈牌葉面阻控劑，每次用3 750 mL/hm2兌水450 kg葉面噴施，合計用葉面阻控劑7 500 mL/hm2;

F2：常規施肥+分別在分蘗期和孕穗期噴施楚戈牌葉面阻控劑，每次用4 500 mL/hm2兌水450 kg葉面噴施，合計用葉面阻控劑9 000 mL/hm2。

供試早稻于2019年3月26日播種，濕潤育秧，4月18日移栽，移栽密度273 465蔸/hm2。移栽前人工翻耕2遍，各小區作田埂，并用地膜覆蓋，單排單灌。于4月17日結合整地，施用尿素300 kg/hm2、鈣鎂磷肥750 kg/hm2、氯化鉀300 kg/hm2作基肥，4月27日施尿素150 kg/hm2、氯化鉀150 kg/hm2作分蘗肥。5月9日F1、F2處理噴施分蘗期葉面阻控劑，6月6日F1、F2處理噴施孕穗末期葉面阻控劑。各處理中耕除草、病蟲害防治和灌溉等栽培措施完全一致。供試早稻于7月11日分小區分別取植株樣，并進行經濟性狀分析，7月15日收獲。每小區單打單收單曬計算產量。

1.4 采樣與分析方法

水稻植株樣品于收獲前1～3 d采集，單個小區內采用五點取樣法連根采集整根植株。每個分點取植株2株，裝入網袋中保存并編號。采集的水稻植株樣品帶回實驗室用去離子水洗凈，分離成根、莖、葉、稻谷幾個部分，根、莖、葉烘干（70 ℃）至恒重后用不銹鋼粉碎機粉碎，稻谷經小型脫殼機將稻殼和糙米分開后粉碎。根、莖、葉及糙米中的Cd含量采用混酸消煮，原子吸收分光光度計測定[4]。

1.5 數據處理

試驗數據為3次重復平均值，采用Excel 2010和SPSS 19.0進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同葉面阻控劑用量對水稻產量的影響

從圖1可見，在桃江試驗區，相比于CK，噴施葉面阻控劑7 500、9 000 mL/hm2后（F1、F2處理），水稻產量分別增加1.87%、6.63%，其中F2較CK有顯著差異。在赫山試驗區，相比于CK，F1、F2處理的水稻產量分別增加5.32%、8.97%，均較CK有顯著差異。赫山試驗區的水稻產量普遍低于桃江試驗區。這說明噴施葉面阻控劑可在一定程度上提高水稻產量，當用量較大時增產效果顯著。

2.2 不同葉面阻控劑用量對水稻稻米Cd含量的影響

從圖2可見，在桃江試驗區，CK稻米Cd含量為0.30 mg/kg，超過《食品安全國家標準 食品中污染物限量》（GB 2762—2017）中規定的限值（0.20 mg/kg）0.5倍，F1、F2處理可使稻米Cd含量較CK分別降低26.67%、46.67%，其中F2降低到0.16 mg/kg（符合國標），且相對于CK有顯著差異。在赫山試驗區，CK稻米Cd含量為0.45 mg/kg，超過《食品安全國家標準 食品中污染物限量》（GB 2762—2017）中規定的限值（0.20 mg/kg）1.25倍，處理F1、F2可使稻米Cd含量較CK分別降低25.93%、37.04%，相對于CK均具有顯著差異。這說明水稻噴施葉面阻控劑可有效降低稻米中Cd含量。

2個試驗地具有相當的Cd含量水平，且采用了同樣的水稻品種。在同一葉面阻控劑噴施水平下，赫山區稻米Cd含量顯著高于桃江縣，這可能主要是由于赫山區的土壤pH較低所致。因為在一定范圍內，土壤Cd的植物有效性會隨著土壤pH的降低而升高，進而導致植物對其富集能力的增強。

2.3 不同葉面阻控用量對水稻各部位Cd含量的影響

由表2可知，在桃江試驗區，噴施葉面阻控劑會增加水稻根、莖中Cd含量，但是會降低葉中Cd含量。相比于CK，F1、F2根中Cd含量分別增加3.54%、12.63%，但較CK均無顯著差異。相比于CK，F1、F2莖中Cd含量分別增加22.11%、37.89%，其中F2較CK有顯著差異。相比于CK，F1、F2葉中Cd含量分別降低8.70%、15.22%，但較CK均無顯著差異。與桃江試驗區不同，在赫山試驗區，噴施葉面阻控劑會降低水稻根中Cd含量，但是會增加水稻莖、葉中Cd含量。相比于CK，F1、F2根中Cd含量分別降低1.58%、9.09%，但較CK均無顯著差異。相比于CK，F1、F2莖中Cd含量分別增加14.38%、18.30%，與CK均無顯著差異。相比于CK，F1、F2葉中Cd含量分別增加9.80%、0，與CK均無顯著差異。上述結果說明，施用摻雜硒、硫硅基葉面阻控劑主要可增加水稻莖中Cd含量，對水稻根、葉中Cd含量影響不大。

2.4 不同葉面阻控劑用量對Cd在水稻植株內遷移的影響

由表3可知，在桃江試驗區，F1、F2的TF根—莖較CK分別增加16.33%、20.41%，但與CK相比均無顯著差異。F1、F2的TF莖—葉較CK分別降低26.53%、40.82%，但與CK相比均無顯著差異。F1、F2的TF莖—籽實較CK分別降低40.63%、62.50%，與CK相比顯著差異。F1、F2的TF葉—籽實較CK均降低15.00%，較CK均無顯著差異。赫山區試驗結果與桃江區類似。F1、F2的TF根—莖較CK分別增加14.75%、29.51%，但與CK無顯著差異。F1、F2的TF莖—葉較CK分別降低5.88%、17.65%，但與CK均無顯著差異。F1、F2的TF莖—籽實較CK分別降低34.48%、44.83%，與CK相比均有顯著差異。F1、F2的TF葉—籽實較CK分別降低35.11%、37.23%，但與CK相比均無顯著差異。這表明施用摻雜硒、硫硅基葉面阻控劑主要可抑制Cd在莖—葉、莖—籽實、葉—籽實過程中的轉運，特別是在莖—籽實中的轉運。

3 討論

（1）該研究結果表明，噴施摻雜硒、硫的硅基葉面阻控劑對水稻增產效果較為明顯，這主要由于硅是水稻的“第四元素”，可有效促進水稻的生長發育。沉積于植株體內的硅在提高細胞壁強度的同時增強了水稻抗病蟲和抗倒伏的抗逆性能，改善了群體的受光度，降低了水稻的蒸騰作用，減輕了水分脅迫等作用[5]。

（2）該研究結果表明，施用摻雜硒、硫的硅基葉面阻控劑主要增加了水稻莖中Cd含量，顯著降低了稻米Cd含量，這與硅、硒、硫的聯合作用緊密相關。葉面噴施的硅能夠迅速被水稻吸收[1]，并在水稻表皮、莖、葉鞘以及維管組織中形成硅化細胞[6]，與細胞壁上的半纖維素形成帶負電的螯合物，從而增加對Cd的吸附和阻隔[7]，進而緩解Cd對水稻的毒害。Wang等[8]研究表明，葉面噴施硅溶膠能夠通過降低水稻體內MDA含量，增加水稻抗氧化能力來緩解水稻Cd的毒害。劉傳平等[9]和王世華[10]的研究進一步表明，土壤Cd濃度為2.0 mg/kg時，葉面噴施有機硅溶膠使稻米中Cd含量從CK的0.827 mg/kg 下降到0.134 mg/kg。作為植物生長的有益元素[11]，硒在緩解水稻重金屬污染方面也有重要應用。研究表明，水稻外源施加低濃度的硒可以減輕Cd對水稻幼苗的毒害[12]。Wan等[2]研究表明，外源添加亞硒酸鈉能夠顯著降低水稻對Cd的吸收，采用亞硒酸鈉溶液進行葉面噴施可使中輕度Cd污染水稻田中水稻糙米Cd含量由1.13 mg/kg 降低到0.48 mg/kg。葉面噴施亞硒酸鈉溶液能夠降低水稻對Cd的吸收，這可能是由于其能夠調節植物體內活性氧（ROS）和抗氧化酶活性[13]，誘導由褪黑素參與Cd耐受機制[14]。適當的硫可以促進水稻的生長，同時可以降低Cd對植株的毒害作用。硫素同化和谷胱甘肽代謝增強可降低Cd易位[3]，清除過量Cd引發的活性氧，同時促進植物體內非蛋白巰基（NPT）、GSH和PCs等含硫化合物合成[15]。Cd與PCs結合后，被運輸至液泡，形成高分子量的復合物，從而使細胞處于無毒化狀態[16]，抑制Cd向其他細胞器中轉運，保證細胞器功能正常運轉。該研究所采用的摻雜硒、硫的硅基葉面阻控劑將硅、硒、硫三大非金屬元素抑制水稻富集重金屬的原理結合起來，在土壤理化性質不同的2個試驗地均表現出較好的降Cd效果，說明采用硅、硒、硫耦合原理抑制Cd在水稻植株內的遷移是可行有效的。

（3）Cd在水稻植株的轉移基本遵循根→莖→葉→糙米或者根→莖→糙米的順序[17-18]。Cd在水稻植株相鄰部位之間的轉移是其從根到糙米轉運過程中的組成環節，每個環節的轉運能力都會影響糙米中Cd的富集。該研究中，施用摻雜硒、硫的硅基葉面阻控劑主要可抑制Cd在莖到葉、莖到籽實、葉到籽實過程中的轉運，特別是從莖到籽實的轉運。水稻莖中的Cd極易遷移到葉[19]，水稻葉片中含有一種能參與控制水稻內部硅沉積的結合蛋白，沉積的硅能與Cd發生沉淀反應，最終將Cd滯留在運輸途徑中，降低其向上的轉運能力[20]。另外，水稻莖中的節點部位是Cd由木質部向韌皮部轉運的中心器官[21]，尤其是水稻從上往下第1個節點，表現出最強的Cd攔截能力[22]。與此同時，該研究中莖—籽實的轉運系數實際上涵蓋了莖到葉、葉到籽實的累積作用，這3個過程之間的關系以及硅、硒、硫交互作用下對Cd從莖到籽實轉運過程的抑制原理仍有待進一步研究。

4 結論

（1）噴施摻雜硒、硫的硅基葉面阻控劑可在一定程度上提高水稻產量，當用量較大時對水稻的增產效果顯著。

（2）噴施摻雜硒、硫的硅基葉面阻控劑可有效降低稻米中Cd含量，增加水稻莖中Cd含量，對水稻根、葉中Cd含量影響不大。采用硅、硒、硫耦合原理抑制Cd在水稻植株內的遷移是可行有效的。

（3）噴施摻雜硒、硫的硅基葉面阻控劑后，稻米Cd含量能有效降低的主要原因是在硒、硫、硅耦合作用下，水稻植株內莖—籽實的轉運受到了較大程度的抑制。

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