增施硅肥情況下化肥減施對水稻產量及鎘吸收的影響

黃 蕊, 林 震, 田發祥, 柳賽花, 彭 華, 謝運河*, 紀雄輝*

1.湖南大學研究生院隆平分院， 湖南 長沙 410125

2.湖南省農業環境生態研究所， 農業部長江中游平原農業環境重點實驗室， 農田土壤重金屬污染防控與修復湖南省重點實驗室， 湖南 長沙 410125

3.埃肯國際貿易(上海)有限公司， 上海 200120

20世紀以來，由于人類的各種工農業生產活動，如礦山開采和冶煉、大氣沉降、污水灌溉以及化肥農藥和殺蟲藥的不當使用等，導致重金屬成為影響我國耕地土壤環境質量的主要污染物，2014年重金屬鎘(Cd)污染點位超標率更是高達7.0%，高居我國無機污染物類型的第一位，我國農田土壤正遭受著不同程度的Cd污染問題[1-4]. 作為世界上約一半人口以上主食的水稻比其他大宗谷類作物更易遭受Cd毒害，吸收Cd的能力更強[5-7]；作為中國水稻主產區之一的湖南省，農田土壤Cd污染嚴重，其礦冶污染區生產的水稻精米中Cd含量高于GB 2762—2017《食品安全國家標準 食品中污染物限量》中所規定的標準限值[8]. 土壤中過量的重金屬不僅會影響稻米質量還會降低稻米產量，稻田土壤Cd污染呈現出的整體性和大面積趨勢已經給人類社會的可持續發展造成嚴重威脅[9-10]. 因此，為保障食品安全，在減控水稻籽粒中Cd積累的同時，提高水稻的產量和品質則顯得極為迫切.

硅(Si)素是土壤中的第二大元素，也是水稻生長發育必不可少的營養元素[11-12]；水稻是典型富Si植物(干物質中Si含量>10%)，Si可以促進水稻對礦質元素的吸收，在增加水稻產量的同時也可以提高稻米品質[13]；研究表明，含Si物質可以顯著降低土壤中Cd的遷移性和生物可利用性，進而降低水稻籽粒中Cd含量，促進糧食安全生產[14-15]. 楊發文等[16]在大田試驗中利用Si改性復合肥料，考察其對水稻的降Cd效應時發現，與普通復合肥相比，Si改性復合肥使得稻米Cd含量降低44.2%～86.0%，達到國家安全食用標準；同時該Si肥還促使水稻增產12.1%～20.0%；Ji等[17]發現，Si肥能顯著抑制糙米Cd的積累，且隨著Si肥施加量的增加，水稻莖稈對Cd的截留更顯著，從而抑制地上部Cd向水稻籽粒的運輸，達到籽粒降Cd的目的.

近年來，傳統常規化肥(如氮、磷、鉀復合肥)一直存在著利用率偏低、濫用的問題，同時由于化肥中一般含有重金屬，連年的化肥不合理施用會造成重金屬在土壤中的積累，危害土壤健康和人類社會的可持續發展，對常規化肥的合理施用甚至減施已迫在眉睫，但如果盲目減施常規化肥可能會造成減產等一系列負面效應. 研究[18-19]表明，施用功能性肥料(如Si肥)不僅有利于水稻等多種高等植物的生長和發育、提高其產量和品質，還可降低重金屬對植物的生物毒性. 筆者推測，若在Cd污染稻田土壤中增Si硅肥的同時減施常規化肥，是否可以在阻控水稻籽粒Cd積累的同時，彌補因化肥減施帶來的如減產等負面效應，而目前較為缺乏關于此方面的探索. 鑒于此，該研究通過分析化肥全施和化肥減施30%條件下，增施不同濃度的Si肥對湖南省兩試驗點Cd污染稻田水稻籽粒產量和品質以及土壤和水稻Cd積累的影響，以期為化肥減施和硅肥聯用在促進水稻的高產優質方面提供參考，為實現科學施肥和重金屬Cd污染防控提供新方向，使經濟效益和環境效益達到最大化.

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗點分別位于湖南省岳陽市平江縣安定鎮(28°34′44″N、113°40′08″E)和郴州市臨武縣武水鎮(25°15′22″N、114°34′02″E)，均位于亞熱帶季風氣候區，為典型的雙季稻種植區，試驗田灌溉排水條件均較好. 平江縣安定鎮稻田土壤為第四紀紅壤發育的水稻土，臨武縣武水鎮供試稻田土壤則為紫色頁巖發育的水稻土，其土壤基本理化性質見表1. 供試Si肥由埃肯國際貿易(上海)有限公司提供.

表1 供試土壤基本理化性質

供試水稻：平江縣安定鎮水稻品種為五優369，臨武縣武水鎮水稻品種為泰優390，均為湖南省大面積推廣應用品種.

1.2 試驗設計和田間管理

為驗證增施Si肥和化肥減施聯用在修復Cd污染稻田土壤、降低水稻Cd積累以及提高水稻產量和品質方面的有效性和可重復性，在湖南省境內尋找兩處Cd污染稻田土壤并分別種植在湖南省大面積推廣應用的不同水稻品種. 田間試驗于2019年7—10月在兩試驗點同時展開，共設置8個處理，每個處理均設4次重復(見表2). 其中，平江縣試驗點化肥用量100%的處理為基肥施用N、P、K含量比為15∶15∶15的復合肥750 kg/hm2，追施尿素150 kg/hm2；化肥用量70%的處理為基肥施用N、P、K含量比為15∶15∶15的復合肥525 kg/hm2，追施尿素105 kg/hm2. 臨武縣試驗點因前茬作物為煙草，施肥量大，土壤肥力較高，故所有處理均不施基肥，化肥用量100%的處理后期追施尿素150 kg/hm2；化肥用量70%的處理為后期追施尿素105 kg/hm2. 另外，處理CK1與CK2分別為化肥全施與減肥30%條件下，不增施Si肥的對照處理.

表2 各處理設置

水稻試驗采取田間試驗小區模式，各區組隨機排列，試驗小區面積為20 m2，為防止交叉污染，各試驗小區間設隔離行，用塑料薄膜鋪蓋至田面30 cm以下，各試驗小區單灌單排，避免串灌串排. 各試驗小區均采用育秧盤育苗移栽，移栽密度為18穴/m2. Si肥于插秧前3～5 d均勻撒施于土表，然后翻耕，充分耙勻；水稻移栽前1 d施基肥，移栽水稻秧苗7～10 d后追肥. 各試驗小區灌溉、曬田落干、病蟲害防治等其他農事操作均保持一致.

1.3 樣品采集和分析方法

水稻種植前采集各試驗小區土壤樣品，同時在苗期(插秧后7 d)和水稻成熟收獲時于各試驗小區采取土壤樣品，土壤樣品均利用土鉆多點混合均勻采取耕層(0～15 cm)土樣. 兩個水稻品種均于2019年10月中旬左右成熟，并分別于10月23日和24日在平江縣和臨武縣的各試驗小區采取水稻植株樣品. 土壤樣品經自然風干后剔除雜物，并根據所測指標的需要研磨過篩，充分混勻后備用. 植株樣品帶回實驗室后利用自來水和超純水清洗干凈后，分離根、莖葉、籽粒并分別裝入信封后，放入烘箱105 ℃下殺青30 min，之后80 ℃下烘干備用. 成熟期采集水稻植株樣品后各試驗小區單打實收，測定水稻產量、調查水稻生物性狀(如有效穗數、有效粒數、千粒重等)，檢測稻米品質(稻米整精米率、堊白度、堊白率、膠稠度、蛋白質等指標).

土壤pH利用pH計〔S220，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司〕測定(土水比為1∶2.5)，土壤有效Cd采用DTPA法提取(GB/T 23739—2009《土壤質量有效態鉛和鎘的測定 原子吸收法》)并測定其含量，全Cd利用王水法(HNO3/HCl)(HJ 803—2016《土壤和沉積物 12種金屬元素的測定 王水提取-電感耦合等離子體質譜法》)消解后過濾定容，之后利用電感耦合等離子體質譜(ICP-MS，Thermo Fisher，美國)分別測定提取液和消解液中Cd濃度. 土壤養分參考《土壤農業化學分析方法》[20]進行測定：土壤有效態Si采用檸檬酸(0.025 mol/L)浸提，根據Si鉬藍比色法測定；采用擴散法測定土壤水解性N含量；土壤有效P含量采用氟化銨鹽酸浸提-分光光度計法測定；土壤速效K含量采用乙酸銨浸提-火焰光度法測定. 土壤有機質采用重鉻酸鉀氧化還原滴定法(NY/T 85—1988《土壤有機質測定法》)測定. 水稻糙米和秸稈利用HNO3-H2O2微波消解法消解(Mars6，CEM，美國)，消解液過濾定容后利用ICP-MS分別測定Cd、Si全量(GB 5009.268—23016《食品安全國家標準 食品中多元素的測定》).

為保證數據的可靠性，在土壤與植株樣品消解與測定過程中加入土壤標準物質GBW07386(GSS-30)與植株標準物質GBW10049(GSB-27)進行質量控制；土壤有效態成分和土壤有機質含量測定過程中分別加入土壤標準物質NSA-6和NST-5進行質量控制. 在ICP-MS檢測過程中采用銠(Rh)做內標，回收率為90%～105%；每批樣品檢測時標準曲線擬合優度均保證R>0.999，每20個樣品帶1個質控樣品.

1.4 數據分析

所有數據均測定至少4個平行樣，并利用Excel 2016 軟件處理試驗數據得出平均值和標準差，再利用Origin Pro 2015軟件進行繪圖. 利用SPSS 22.0軟件對數據進行Pearson相關性分析以及單因素方差(ANOVA)分析顯著性差異.

2 結果與討論

2.1 增施Si肥情況下化肥減施對水稻產量及稻米品質的影響

無論是化肥全施處理還是減肥30%條件下，Si肥的施用均使得平江縣和臨武縣兩試驗點的水稻實際產量大幅提升，增產達顯著水平(P<0.05)，且隨著Si肥用量的增加，水稻產量隨之增加(見圖1). 在Si肥用量為300～600 kg/hm2時，化肥全施條件下，與對照組(CK1、CK2)相比，使平江縣和臨武縣兩試驗點水稻實際產量分別增加917.8～1 643.1 和 1 003.3～1 503.4 kg/hm2，增幅分別為15.2%～27.2%和13.1%～19.6%；減肥30%條件下，平江縣和臨武縣兩試驗點水稻實際產量分別增加 1 037.9～1 345.0 和 1 209.1～1 834.9 kg/hm2，增幅分別為18.0%～23.3%和16.5%～25.1%. 對不同處理下試驗點水稻產量提升的原因進行分析發現，化肥全施情況下，平江縣試驗點稻谷產量主要是提高水稻的有效穗數、穗實粒數和千粒重，而臨武縣試驗點則主要是提高有效穗數；減肥30%情況下，平江縣試驗點主要是提高結實率，而減肥30%情況下則主要是提高有效穗數、穗實粒數結實率和千粒重. 可見，Si肥施用促進水稻增產的原因在不同地點表現出較大差異，但總的來看，主要是提高有效穗數，并通過增加穗實粒數、結實率和千粒重等的綜合效應，進而增加水稻產量(見表3、4)，這與已有研究結果[21-25]一致. 值得注意的是，兩試驗點的CK2與CK1相比，即減肥30%條件下平江縣和臨武縣兩試驗點在未施Si肥時水稻產量均比化肥全施時的產量約低281.1～345.8 kg/hm2，這可在一定程度上說明，若盲目減少常規化肥的使用，但未有其他功能性營養肥料的補充，則可能會使水稻減產，不利于糧食安全. 而相比化肥全施，在減肥30%條件下施用Si肥對兩試驗點水稻的增產效果更為明顯，這可在一定程度上彌補因肥料減施帶來的減產效應，綜合效益更高，這為解決過量或不合理施用化肥，實現科技部國家重點研究計劃“化肥農藥減施增效技術應用研究”提供一條有效解決途徑以及有力的技術支持.

注： 不同小寫字母代表處理間差異顯著(P<0.05).

表3 施用Si肥對平江縣和臨武縣試驗點不同處理下水稻產量構成的影響

表4 水稻實際產量和產量構成因子的相關性

施用Si肥可以改善稻米主要品質，如增加稻米粗蛋白質含量和稻米整精米率，并降低稻米堊白粒率和堊白度，從而提升稻米外觀品質[26-27]. 對不同Si肥用量處理的稻米品質進行檢測時發現，分別與各自試驗點對照組(CK1、CK2)相比，Si肥的施用對化肥全施和減肥30%條件下平江縣試驗點不同處理的稻米粗蛋白質含量和整精米率均無顯著影響，但隨著Si肥用量的增加，二者均略有增加；Si肥的施用顯著提升臨武縣不同處理下稻米的粗蛋白質含量(P<0.05)，而對整精米率無顯著影響，即在化肥全施條件下，增施Si肥300～600 kg/hm2使得臨武縣試驗點稻米粗蛋白質含量增加7.5～20.9 g/kg，在減肥30%條件下增加12.7～16.7 g/kg，增幅分別為11.0%～30.7%和18.9%～24.8%(見表5). 化肥全施和減肥30%條件下，相比各自試驗點對照組(CK1、CK2)，增施Si肥300～600 kg/hm2使得平江縣和臨武縣兩試驗點稻米堊白粒率和堊白度均顯著下降(P<0.05)，且隨著Si肥用量增加，其降幅越大(見表5). 綜上，Si肥的施用不僅提高了兩試驗點不同水稻品種的產量，還在一定程度上提升了稻米品質，降低了水稻糙米Cd積累量，這有利于實現水稻生產的高產優質相統一.

表5 施用Si肥對平江縣和臨武縣兩試驗點不同處理下稻米品質的影響

2.2 增施Si肥情況下化肥減施對土壤有效態Cd、Si含量的影響

如圖2(A)(B)所示，在化肥全施條件下，增施Si肥300～600 kg/hm2時，相較于各自試驗點CK1，在水稻幼苗期，平江縣試驗點土壤有效態Cd含量無明顯下降，而臨武縣試驗點土壤有效態Cd含量顯著下降(P<0.05)，且在Si肥用量達600 kg/hm2時的降幅最為顯著，達24.5%；在水稻成熟期，相較于各自試驗點CK1，平江縣和臨武縣兩試驗點土壤有效態Cd含量分別顯著下降12.7%～16.4%和10.5%～22.1%(P<0.05). 在減肥30%條件下，增施Si肥300～600 kg/hm2時，在水稻幼苗期，平江縣、臨武縣兩試驗點土壤有效態Cd含量較各自試驗點CK2分別下降7.3%～8.7%和6.1%～27.0%，成熟期土壤有效Cd含量分別顯著降低14.1%～19.8%和23.9%～27.0%(P<0.05). 綜上，與平江縣相比，該試驗中所用Si肥在降低臨武縣土壤有效態Cd方面的效果更為顯著. 含Si肥料的施用可以顯著提升土壤有效Si的含量[28]，該試驗中Si肥的施用也顯著提升平江縣和臨武縣兩試驗點土壤的有效態Si含量〔見圖2(C)(D)〕. 在化肥全施條件下，增施Si肥300～600 kg/hm2時，在水稻幼苗期，平江縣和臨武縣兩試驗點土壤有效Si含量較各自試驗點CK1分別提高7.7～8.0和0.6～5.2 mg/kg，增幅分別為26.2%～27.4%和1.3%～11.7%；在水稻成熟期，土壤有效Si含量分別較各自試驗點CK1提高1.5～2.0和2.6～3.5 mg/kg，增幅分別為4.0%～5.3%和5.2%～7.0%. 在減肥30%條件下，增施Si肥300～600 kg/hm2時，在水稻苗期，平江縣和臨武縣兩試驗點土壤有效Si含量分別較各自試驗點CK2顯著提高6.2～9.8和8.5～10.1 mg/kg，增幅分別為21.8%～34.7%和20.7%～24.4%；在水稻成熟期，土壤有效態Si含量分別較各自試驗點CK2提高0.1～9.8和4.3～5.9 mg/kg，增幅分別為0.1%～27.2%和8.8%～12.1%.

注： 不同小寫字母代表處理間差異顯著(P<0.05).

綜上，Si肥的施用顯著提高了水稻各生育期土壤有效態Si含量，但降低了水稻成熟期土壤有效態Cd含量. 水稻是喜Si作物，而我國大概有1 330×104hm2水稻田出現缺Si現象，尤其是南方稻田土壤[18]，該試驗中，通過添加Si肥來增加土壤有效態Si含量對提高水稻產量和品質、保障我國糧食安全具有重要意義. 研究[14,28]表明，添加的Si進入Cd污染土壤后可以有效降低土壤有效態Cd含量，從而緩解Cd的生物毒性. 魏曉等[29]將富Si物質添加到Cd含量為2.05 mg/kg的污染土壤，3周后采集土壤經檢測發現，土壤中移動性Cd與潛在移動性Cd含量均顯著降低；Rehman等[30]將Si肥以600 kg/hm2的比例添加到土壤后也大幅降低了土壤中生物有效態Cd含量，緩解了Cd的生物有效性，降低了Cd在水稻中的積累. 對該試驗中兩試驗點不同處理下水稻成熟期土壤有效態Si和有效態Cd含量進行相關性分析(見圖3)，發現二者呈顯著負相關(P<0.05)，說明土壤中有效態Si含量逐步提高是土壤中有效態Cd含量逐步降低的重要原因，主要是因為，土壤中大量的有效態Si可與活性態Cd形成難溶性的Si-Cd絡合物，從而抑制Cd在土壤中的遷移[13,28]，通過線性擬合結果可以看出，Si肥在降低臨武縣試驗點土壤有效態Cd含量方面的效果優于平江縣試驗點(見圖3)，可能是由于臨武縣試驗點土壤有效態Cd含量遠高于平江縣試驗點，有效態Si和Cd形成更多難溶性的Si-Cd絡合物，因而Si肥在修復臨武縣試驗點Cd污染土壤方面效果更為顯著. 值得注意的是，該試驗中兩試驗點不同處理下水稻成熟期土壤pH較各自試驗點CK1與CK2并未有明顯增加(見表6)，說明土壤有效Cd的降低主要是因為土壤有效態Si和Cd形成難溶性Si-Cd 絡合物，而不是受土壤pH的影響.

圖3 平江縣和臨武縣兩試驗點水稻成熟期土壤有效Si和有效Cd之間的相關性

表6 平江縣和臨武縣兩試驗點不同處理下水稻成熟期土壤pH

2.3 增施Si肥情況下化肥減施對水稻籽粒和莖葉Cd、Si含量的影響

施用Si肥300～600 kg/hm2顯著降低了平江縣和臨武縣兩試驗點不同處理下水稻糙米和莖葉的Cd含量，提高了水稻糙米和莖葉的Si含量(見圖4). 在化肥全施下，隨著Si肥用量的增加，相比各自試驗點CK1，平江縣和臨武縣兩試驗點糙米Cd含量分別降低23.0%～39.2%和11.7%～34.7%，減肥30%條件下，較各自試驗點CK2則分別降低32.8%～41.9%和29.5%～57.2%〔見圖4(A)〕. 可以看出，相較于化肥全施，減肥30%條件下，增施不同量Si肥后水稻籽粒Cd含量的下降趨勢更為明顯. 不同處理下增施Si肥后稻米Cd含量顯著下降，一方面，是因為隨著Si肥用量增加，土壤中有效態Cd含量不斷降低，Cd的生物有效性隨之降低，水稻Cd吸收量逐漸減少；另一方面，由于施用Si肥顯著增加水稻各部位中Si含量〔見圖4(C)(D)〕，而有研究表明，Si可與水稻細胞壁基質上的半纖維素形成Si-半纖維素并促進Cd的絡合與沉淀，從而將大量Cd2+區隔化在細胞壁和液泡中，減少Cd2+向水稻籽粒運輸，從而降低Cd的生物毒害作用[31-32]，Si還可抑制植物地上部Cd向籽粒的轉運[33]，平江縣和臨武縣兩試驗點不同處理下水稻莖葉中Si含量和糙米Cd含量均呈顯著負相關(見圖5)，這進一步說明莖葉中Si含量的增加可抑制Cd由莖葉向籽粒中轉運，降低水稻糙米中Cd含量；同時，隨著Si肥用量的增加，水稻產量也在逐步增加，從而對Cd在水稻籽粒內的積累起到稀釋作用，降低單位質量中糙米Cd含量[34]. 平江縣試驗點土壤總Cd含量和有效態Cd含量均遠低于臨武縣試驗點，但是平江縣試驗點糙米Cd含量卻遠高于臨武縣試驗點，這可能是與臨武縣試驗點土壤pH、有機質含量在一定程度上高于平江縣試驗點有關，土壤有機質和pH較高的土壤對Cd的吸附能力較強，導致臨武縣試驗點水稻Cd含量低于平江縣試驗點[35-36]，但其具體產生機制仍需進一步探索. 這進一步反映出水稻對不同性質土壤中Cd的吸收機制極其復雜，并不能單純依靠土壤總Cd和有效態Cd含量來衡量其生物毒性.

注： 不同小寫字母代表處理間差異顯著(P<0.05).

圖5 平江縣和臨武縣兩試驗點糙米Cd濃度和莖葉Si含量的相關性

3 結論

a) 增施Si肥300～600 kg/hm2使得平江縣和臨武縣兩試驗點不同品種水稻產量和品質都得到顯著提升，且水稻產量隨著Si肥用量的增加而增加，在減肥30%基礎上增施Si肥對水稻產量的提升效果更為顯著，綜合效益更高.

b) 增施Si肥300～600 kg/hm2顯著提高了平江縣和臨武縣兩試驗點土壤有效態Si、水稻糙米和莖葉Si含量，同時顯著降低了兩試驗點土壤有效態Cd、糙米和莖葉Cd含量(P<0.05)；在減肥30%條件下，糙米Cd含量下降趨勢更為明顯. 該試驗中，Si肥對兩試驗點土壤pH未有明顯提升作用，表明土壤有效態Cd含量降低的主要原因之一是大量有效態Si和可溶態Cd形成難溶性Si-Cd絡合物，而不是土壤pH的影響，土壤中有效態Cd含量的降低可有效促使水稻中Cd含量下降；莖葉Si含量和糙米Cd含量呈顯著負相關，水稻各部位Si含量的增加抑制Cd向水稻糙米內的運輸.

c) 相比于化肥全施，在減肥30%的處理下，Si肥對水稻的品質、產量以及土壤和水稻糙米的降Cd效應與提升效益更為顯著. 該研究提出的在增施功能性肥料(如Si肥)的同時減施常規化肥的農藝調控措施，可為實現科技部重點研究計劃“化肥農藥減施增效技術應用研究”提供一條有效的解決途徑以及有力的技術支持.