氮肥追施時間對水稻根表鐵膜形成及稻米鎘含量的影響

袁國飛，張玉盛，敖和軍

（1.湖南省農作物良種引進示范中心，長沙 410016；2.湖南農業大學農學院，長沙 410128）

鎘（Cd）是高毒性重金屬元素，主要通過大氣沉降、工業冶煉、污水灌溉等方式流入農田［1］。水稻是中國重要的糧食作物，稻田Cd 污染會通過食物鏈途徑危害人體健康。降低稻米Cd 含量可降低人體攝入Cd 的風險，營養調控是降低水稻Cd 積累的有效措施［2］。水稻子粒中Cd 的積累主要受根部向地上部轉移的影響［3］，這一過程主要發生在分蘗期［4］，且存在明顯的基因型差異，Cd 低積累型品種對Cd 的轉移能力較低［5］。水稻根表鐵膜對重金屬具有吸附作用，可與重金屬離子發生共沉淀積累在根部，鐵膜的形成對水稻Cd 積累的影響仍存在較大爭議。胡瑩等［6］研究發現，不同品種間鐵膜形成量存在明顯差異，分蘗期鐵膜量與水稻根系和地上部Cd 含量呈顯著正相關，孕穗期和成熟期鐵膜量與莖葉和子粒Cd 含量呈極顯著負相關，鐵膜量在生育期間表現為分蘗期＞孕穗期＞成熟期；鐘順清［7］研究發現，形成鐵膜后的水稻根系活力與根表鐵膜數量呈顯著負相關；Ge 等［8］研究發現，植株中鐵減少，減弱了鐵與Cd間的競爭拮抗作用。研究表明，調控植株營養狀況可顯著影響根表鐵膜的形成［9］。氮肥是中國農業生產中使用最多的肥料，其不僅影響水稻對Cd 的吸收和積累［10，11］，對水稻根表鐵膜形成量及Cd 吸附量同樣重要［12］。水稻生育前期（幼穗分化前）是Cd積累的關鍵期［13］，在該階段采用淹水［14］、施用生石灰［15］等措施可顯著降低水稻糙米Cd 含量。而生育前期不同時間段追施氮肥對水稻Cd 的積累鮮有報道。本研究通過大田試驗，設置3 種氮肥追肥時間處理，結合氮肥對水稻根表鐵膜形成量及Cd 吸附量的影響，探究氮肥追施時間對水稻Cd 含量積累的影響，以期為降低水稻Cd 含量調控技術研究提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試品種及試驗設計

試驗于湖南省瀏陽市某村進行，土壤類型為第四紀紅壤發育的紅黃泥水稻土、壤土，理化性狀為全氮1.45 g/kg，堿解氮162.40 mg/kg，速效磷63.48 mg/kg，pH 5.48，有機質20.11 g/kg，土壤全鎘含量和有效鎘含量分別為0.72、0.42 mg/kg。選用低Cd 積累品種湘晚秈12 號和高Cd 積累品種玉針香為供試材料［16］，品種間隔40 cm。設置5 個處理，分別為全生育期不施氮處理（CK）、移栽后7 d 施氮（T1）、移栽后14 d 施氮（T2）、移栽后21 d 施氮（T3）和基追肥用量1 次性基施（T4），T1 至T3 氮肥按基肥∶追肥∶穗肥=4∶4∶2 施用，T4 氮肥按基肥∶追肥∶穗肥=8∶0∶2 施用。各處理小區面積為64 m2，重復3 次，隨機區組排列。小區間作梗并包塑料薄膜將各小區隔開，每個小區單獨排灌。于2021年6月22日播種，7月18日移栽，10 月30 日收獲，株行距為16.6 cm×20 cm，每穴2 株基本苗。T1 至T4 施用純氮（尿素，N 46.4%）為180 kg/hm2［15］，施用磷肥90 kg/hm2（過磷酸鈣，P2O512%），鉀肥144 kg/hm2（氯化鉀，K2O 60%）。磷肥在移栽前作基肥1 次施用，鉀肥按基肥∶穗肥=1∶1 施用。試驗期間保持淺水層淹水灌溉（2～3 cm 水層），其他栽培管理措施與當地習慣保持一致。

1.2 樣品采集與制備

1.2.1 水稻植株Cd 含量測定 水稻移栽后28 d、齊穗期、成熟期，避開小區邊3 行，采集田間長勢一致的植株5 穴，用自來水洗凈根部與地上部，去離子水潤洗，晾干表面水分后將植株分成根、莖、葉（莖葉）、谷粒裝入信封中，放入烘箱中用110 ℃殺青30 min，80 ℃烘干至恒重，谷粒去糙，所有樣品粉碎后過篩密封保存。消煮參見張玉盛等［12］的方法，待測液用Agilent 7700x 型電感耦合等離子體質譜儀（ICP-MS，USA）測定。試驗所用試劑均為優級純，所用器皿均在5%硝酸溶液浸泡24 h 以上，蒸餾水洗凈后用去離子水潤洗自然晾干。

1.2.2 植株根膜中Fe、Cd 含量測定 采集分蘗期和齊穗期水稻根部（鮮樣），根膜Fe、Cd 含量用DCB（dithionite-citrate-bicarbonate）法提取［12］，提取過濾后，待測液用Agilent 7700x 型電感耦合等離子體質譜儀（ICP-MS，USA）測定根膜中Fe、Cd 含量。

1.2.3 產量 水稻成熟后，避開邊3 行，每個小區人工收割100 穴，用小型脫粒機脫粒，曬干后稱重，再以13.5%的含水量計算水稻產量。

1.3 數據處理

采用Excel 2016 和SPSS 25.0 軟件進行數據整理統計分析和相關性分析，多重比較采用LSD法，相關性分析采用Pearson 法。

2 結果與分析

2.1 不同處理對水稻各時期不同部位Cd 含量及產量的影響

不同處理對水稻各時期不同部位Cd 含量及產量的影響結果見表1。由表1 可知，與CK 相比，施氮肥可顯著提高湘晚秈12 號和玉針香的產量，湘晚秈12 號產量提高了20.57%～35.42%，各處理的產量表現為T1＞T2＞T4＞T3，處理間差異不顯著；玉針香產量提高了23.37%～26.75%，表現為T3＞T1＞T4＞T2，各處理間差異不顯著。在施氮量一致的情況下，移栽后追施氮肥的時間差異對水稻產量無顯著影響。

由表1可知，水稻各部位Cd含量表現為成熟期＞齊穗期＞分蘗期。除分蘗期莖、葉外，玉針香不同時期各部位Cd 含量均高于湘晚秈12 號。湘晚秈12 號在分蘗期、齊穗期和成熟期各部位Cd 含量均以CK為最高，表明施氮能有效降低湘晚秈12 號各部位Cd含量；T2 處理分蘗期根、莖、葉Cd 含量較CK 分別降低了71.28%、78.26%、36.36%，各處理葉中的Cd 含量無顯著差異（P＞0.05）；齊穗期莖、穗中的Cd 含量在各處理間差異不顯著（P＞0.05），T4 處理葉中的Cd 含量顯著高于T2 處理（P＜0.05）。

表1 水稻各時期不同部位Cd 含量和產量

與CK 相比，施氮處理后的玉針香不同時期各部位Cd 含量均顯著降低（P＞0.05）。在分蘗期，T1 處理根、莖中的Cd 含量分別降低了71.19%、61.11%，T2 處理葉中的Cd 含量最低。在齊穗期，T3 處理根、莖、穗中的Cd 含量最低，T2、T4 處理葉中的Cd 含量最低，降低了70.59%。T2 處理水稻成熟期根、秸稈Cd 含量分別降低41.78%、51.35%。

與CK 相比，施氮處理后糙米Cd 含量均顯著降低（P＞0.05）。湘晚秈12 號糙米Cd 含量隨施肥時間后移呈上升趨勢，T1 處理顯著低于其他處理（P＜0.05）。玉針香糙米Cd 含量隨施肥時間后移呈先增后降趨勢，在T1 處理時最低，較CK 降低了54.8%。湘晚秈12 號和玉針香糙米Cd 含量均在T1 處理下最低，說明在移栽后7 d 追施蘗肥更有利于降低晚稻成熟期糙米中的Cd 含量，對于晚稻高鎘積累型水稻而言，移栽后21 d 追施氮肥，也可以有效降低糙米Cd含量。與CK 相比，施氮處理后產量顯著提高，糙米Cd 含量顯著降低。產量提高對其糙米Cd 含量有一定的“稀釋作用”。

2.2 不同處理對水稻各時期根表鐵膜Fe、Cd 含量的影響

水稻根表鐵膜形成量以DCB-Fe 表示，結果見圖1A。由圖1A 可知，不同生育期整體表現為分蘗期大于齊穗期，分蘗期2 個品種各處理間的變化趨勢基本一致。與CK 相比，分蘗期湘晚秈12 號、玉針香DCB-Fe 含量均顯著提高，分別提高185.37%～324.57%、79.52%～165.98%，其中T2、T3 處理均顯著高于T1、T4處理，均表現為T2＞T3＞T1＞T4＞CK，說明追肥時間對水稻分蘗期DCB-Fe 含量有明顯的影響。在齊穗期，CK 處理下，湘晚秈12 號DCB-Fe 含量較分蘗期提高了52.55%，玉針香則降低5.54%；施氮處理下，與分蘗期相比，湘晚秈12號、玉針香DCBFe 含量分別降低9.52%～54.98%、21.06%～56.76%，說明施氮能顯著提高水稻分蘗期DCB-Fe 含量。

水稻根表鐵膜Cd 吸附量以DCB-Cd 含量表示，結果見圖1B。由圖1B 可知，湘晚秈12 號、玉針香DCB-Cd 含量表現均為齊穗期＞分蘗期，隨著生育期進程，Cd 在根表鐵膜中逐漸累積，各處理間的變化趨勢基本一致。湘晚秈12 號分蘗期和齊穗期根膜Cd 含量以CK 最低，分蘗期在T2 處理下最高，T3處理次之，兩者顯著高于CK（P＜0.05）；玉針香分蘗期DCB-Cd 含量在T2 處理下最高，顯著高于其他處理（P＜0.05）。湘晚秈12 號、玉針香齊穗期DCB-Cd含量在施氮處理下均顯著高于CK（P＜0.05），分別表現為T2＞T1＞T3＞T4＞CK、T1＞T2＞T3＞T4＞CK，移栽后7～14 d 追施氮肥更有利于促進Cd 在水稻根膜中累積。

圖1 水稻不同生育期根表鐵膜Fe、Cd 含量

2.3 相關性分析

根表Fe 含量與根表鐵膜Cd 含量相關性分析見表2。由表2 可知，湘晚秈12 號分蘗期DCB-Fe 含量與分蘗期和齊穗期DCB-Cd 含量呈極顯著正相關（P＜0.01），說明根表鐵膜對Cd 具有吸附、富集作用；齊穗期DCB-Fe 含量與齊穗期DCB-Cd 含量相關性不顯著。玉針香分蘗期和齊穗期DCB-Fe 含量與DCB-Cd 含量相關性不顯著。

表2 根表Fe 含量與根表鐵膜Cd 含量相關性分析

根表鐵膜Cd 含量與水稻成熟期各部位Cd 含量相關性分析見表3。由表3 可知，湘晚秈12 號分蘗期DCB-Cd 含量與成熟期根Cd 含量呈極顯著負相關（P＜0.01），齊穗期DCB-Cd 含量與秸稈和糙米Cd含量極顯著負相關（P＜0.01）。玉針香成熟期根Cd含量與分蘗期和齊穗期DCB-Cd 含量呈顯著負相關（P＜0.05）。結合圖1可知，施用氮肥可提高水稻根表鐵膜形成量及對Cd 的吸附量，將鎘固定在根部，抑制其向地上部的轉運從而降低糙米中的Cd 含量。

表3 根膜Cd 含量與水稻成熟期各部位Cd 含量相關性分析

3 討論

水稻分蘗期體內的物質運輸、轉運及合成對生長發育發揮至關重要的作用，該生育階段根系對生長環境中養分吸收速率大，生物量增長迅速［17，18］，同時也是水稻Cd 積累關鍵時期，分蘗期吸收、積累在植株組織中的Cd 在灌漿啟動后隨同營養物質被分配轉運至子粒當中，對糙米中Cd 的貢獻率為36.4%［18］。在水稻Cd 積累關鍵時期采取恰當的農藝措施可以降低水稻子粒Cd 含量［19］，如淹水灌溉［14］、施用生石灰［15］等。氮肥是中國農業生產中使用最多的肥料，氮肥用量和類型對水稻Cd 積累影響明顯［10，11］，進入植株體內的氮可通過在分子、生化、細胞和整株水平等機制來平衡重金屬毒性［2］。本研究結果表明，移栽后7～21 d 追施氮肥可顯著提高水稻產量，顯著降低糙米Cd 含量，產量顯著增加對水稻子粒中的Cd 具有一定的“稀釋作用”。湘晚秈12號和玉針香糙米Cd 含量在T1 處理下最低，較CK 分別顯著降低65.0%和54.8%，T4 處理下糙米Cd 含量較CK 雖顯著降低，但明顯高于其他3 個處理，說明移栽后7 d 追施氮肥更有利于收獲Cd 含量較低的稻谷，且在施氮量一定的情況下，加大基肥施用比例，不利于降低稻米中的Cd 含量。氮肥可通過影響土壤理化性質，進而影響土壤重金屬的遷移和生物有效性［2］。在淹水條件下，氮素在土壤轉化的過程中會發生產堿、產酸和消耗土壤酸等反應，以致pH 先升后降，土壤中Cd 的生物有效性先降后升，且隨時間延長導致氮素對二者的影響減弱［10，20］。在此期間，植株Cd 吸收總量減少，從而減少各營養器官在灌漿后向子粒的Cd 轉移量。本研究并未對氮肥對土壤Cd 生物有效性的影響進行分析，在后續的研究中需開展氮肥對土壤Cd 生物有效性影響的動態檢測，以進一步明確Cd 在土壤-水稻系統中遷移的氮肥調控機制。

施用氮肥可顯著提高2 個水稻品種分蘗期根表鐵膜形成量，齊穗期根表鐵膜量明顯低于分蘗期，與胡瑩等［6］的報道一致。分蘗期根系活力旺盛且泌氧量大，使遷移至根表的Fe2+氧化而沉積在根系表面導致根表鐵膜形成量大，生物量最大的階段是形成鐵膜數量最多的階段，在水稻生長后期，根系供應氧能力下降，形成鐵氧化物被還原或根系老化分解導致鐵膜退化［21-23］。2 個水稻品種分蘗期根表鐵膜量在氮肥處理下顯著提高，而根表鐵膜中Cd 吸附量并未呈現相同規律，齊穗期根表鐵膜形成量相比分蘗期降低明顯，而根膜Cd 含量明顯增加。說明Cd會在根膜中隨著生育進程推進而呈現累加效應，鐵膜對Cd 的吸附不僅由鐵膜量決定，可能與鐵膜的老化程度有關。根系是阻礙水稻吸收和轉運Cd 的關鍵所在，分蘗期鐵膜可促進水稻根系Cd 的吸收，而孕穗期和成熟期則主要是固定根部Cd，抑制其向地上部的轉運［6］。通過對2 個品種在不同時期鐵膜Cd吸附量與根、秸稈和子粒中Cd 含量的相關性分析，表明湘晚秈12 號成熟期期根Cd 含量和分蘗期鐵膜Cd 吸附量呈極顯著負相關，秸稈和糙米Cd 含量與齊穗期鐵膜Cd 吸附量呈極顯著的負相關，玉針香表現趨勢相似。鐵膜數量與水稻地上部Cd 含量雖相關性不顯著，但鐵膜在富集Cd 方面具有一定的作用，鐵膜從介質中富集Cd 的能力可為地上部積累提供了便利［23］。

4 結論

不同Cd 積累型品種湘晚秈12 號和玉針香糙米Cd 含量均在移栽后7 d 追施氮肥處理下最低。移栽后推遲氮肥追施時間糙米Cd 含量并未降低，不建議水稻生產中推遲分蘗肥施用時間。