施用生物納米硒對水稻富硒降重金屬的影響

余 侃，聶 磊，韓 偉，陳細桂，黃思思，段 煉，鄭 倬，劉金龍，鄭 威

（1.湖北省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)經(jīng)濟技術(shù)研究所，武漢 430064；2.松滋市王家大湖農(nóng)業(yè)經(jīng)濟服務中心，湖北松滋 434221；3.武漢市江夏區(qū)土肥站，武漢 430200；4.湖北華龍西科生物科技有限公司，湖北英山 438700）

鎘（Cd）是一種對環(huán)境和人體健康有害的重金屬污染物，已被國際癌癥研究機構(gòu)和美國國家毒理學規(guī)劃處列為1 類致癌物。對于農(nóng)田，特別是稻田，鎘污染主要來源于工業(yè)廢水、污水污泥和采礦等工業(yè)過程，受鎘污染的農(nóng)業(yè)土壤正成為嚴重的環(huán)境問題［1］。鎘在土壤-植物系統(tǒng)中具有很高的流動性，并且很容易從土壤轉(zhuǎn)移到食物鏈中，進而威脅到人類健康［2］。鉛（Pb）是一種對人類具有持久性的有毒重金屬，國際癌癥研究機構(gòu)將鉛列為可能的人類致癌物（2B 組），將無機鉛化合物列為很可能對人類致癌物（2A 組）。鉛可導致DNA 的直接損傷、斷裂或抑制DNA 的合成和修復，對兒童的中樞神經(jīng)系統(tǒng)毒害尤其突出［3］。在土壤中，鉛主要通過空氣沉積產(chǎn)生，如車輛排放、燃料和垃圾的燃燒、處理。植物可以通過多種途徑包括從受鉛污染的土壤中吸收并積累鉛［4］。在鉛污染的土壤中種植的水稻和蔬菜也可通過食物鏈對人類構(gòu)成潛在的健康風險。根據(jù)中國國家糧食安全標準《食品安全國家標準食品中污染物限量》（GB 2762—2017），鎘和鉛水平在0.2 mg/kg 以上的谷類對人類的健康構(gòu)成風險隱患，禁止上市銷售。

水稻是世界上大約60%的人口的主食，特別是在亞洲。與其他農(nóng)產(chǎn)品相比，水稻及其衍生產(chǎn)品被認為是人類從膳食中吸收重金屬的主要來源［5］。水稻生產(chǎn)安全正面臨巨大挑戰(zhàn)，對社會經(jīng)濟發(fā)展構(gòu)成了威脅。因此，必須開發(fā)出減少水稻中鎘和鉛污染的技術(shù)，以降低潛在的健康風險。人們已經(jīng)開展了一系列研究來減少土壤中的鉛和鎘的有效性，進而減輕鎘和鉛的毒性以及減少植物的吸收，如土壤改良劑［6］、植物生長調(diào)節(jié)劑［7］、葉面噴灑［8］、微生物修復［9］、水分管理［10］、低鎘積累水稻品種的開發(fā)［11］等。通過葉面噴施適當?shù)奈⒘吭兀梢蕴岣咄寥乐械逆k還原（固定化），從而減輕鎘對植物的毒性［12］。大量研究表明，施用硒（Se）和硅（Si）可以顯著降低盆栽、田間和水培試驗中植物的鎘濃度［13，14］。雖然硅被認為是大多數(shù)植物的非必需營養(yǎng)物質(zhì)，但植物適當?shù)匚展瑁芍苯哟龠M生長或間接克服非生物和生物脅迫，如減輕植物中重金屬的毒性［12］。硅可以通過離子吸附并調(diào)節(jié)P1B-型重金屬ATP 酶，減少鎘毒害的同時提高抗氧化能力［15］。硒是人類必不可少的微量元素，在緩解氧化應激、改善免疫系統(tǒng)和降低癌癥風險方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用［16］。在植物方面，硒可以緩解各種非生物脅迫的有害影響，包括干旱、鹽堿、高溫和重金屬等［17］。適量的硒通過防止氧化應激反應、調(diào)節(jié)光合作用和修復受損細胞來緩解鎘的毒性［18］，但這些過程的細節(jié)以及對不同水稻品種的影響仍不清楚。

本研究選擇復合土壤微生物菌劑、硅肥和生物納米硒搭配施用，在高度重金屬污染的稻田通過設置不同生物納米硒用量和施用次數(shù)來探索生物納米硒葉面肥施用對水稻的富硒降重金屬效應，為低成本、高效的富硒降重金屬型葉面肥的開發(fā)和利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2021 年4—11 月在湖北省恩施市某高度工業(yè)污染的稻田進行，稻田地形平整，稻田土壤pH為4.67，有機質(zhì)29.21 g/kg，堿解氮104.30 mg/kg，有效磷36.95 mg/kg，速效鉀95.31 mg/kg，鎘含量0.78 mg/kg，鉛含量49.89 mg/kg，硒含量為1.06 mg/kg。供試水稻品種為汕優(yōu)63。試驗用生物納米硒制劑為湖北省農(nóng)業(yè)科學院富硒研究團隊自主研發(fā)的專利產(chǎn)品（專利號201610338121.6），由專用富硒微生物發(fā)酵而來，該產(chǎn)品純硒含量約為5 000 mg/L，折合每200 mL 含純硒1.0 g，納米硒粒徑為（126.3±0.5）nm。硅肥為默克西格瑪牌無水偏硅酸鈉（Na2SiO3），純度99%，分子量為122.06。復合土壤微生物菌劑為湖北省農(nóng)業(yè)科學院生物農(nóng)藥工程研究中心提供。

1.2 試驗方法

設置3 個用量的生物納米硒用量（0.75、1.50、2.25 mg/m2），濃度為50 mg/L，進行對水，分別在2 個時期（孕穗期、孕穗期+灌漿期）葉面噴施，共6 個處理，每個處理配合施用1.5 g/m2復合土壤微生物菌劑（拌土基施）和無水偏硅酸鈉（拔節(jié)期融水葉面噴施），另設1 個施用同等用量清水的對照組（CK），施肥方法如表1 所示。每個處理設置3 次重復，共計21 個小區(qū)，小區(qū)面積20 m2，株行距為13.32 cm×26.64 cm。6 月2 日播種，播種后25 d 在秧田按150 kg/hm2施尿素折算試驗小區(qū)用量提苗；6 月22 日移栽，雙本插，東西走向，大田底施復合肥（氮-磷-鉀=16-10-10）750 kg/hm2，移栽后7 d 再施復合肥75 kg/hm2，同時施用復合土壤微生物菌劑。其他管理條件同一般大田。7 月30 日孕穗期和9 月15 日灌漿初期分別按小區(qū)折算劑量噴施生物納米硒。11月2 日成熟后按小區(qū)分別收割，測算產(chǎn)量。稻谷曬干后存放1 個月以上，待理化性狀穩(wěn)定后，測定稻米中鎘、鉛和硒的含量。

1.3 測定項目及方法

水稻成熟后分小區(qū)收獲，分別脫粒并稱取每個小區(qū)稻谷重量。晾曬干后分別打成精米，用粉碎機粉碎，制得稻米樣品。

土壤理化性質(zhì)測定參照鮑士旦［19］的方法：土壤pH 采用酸度計法進行測定；土壤有機質(zhì)采用重鉻酸鉀-外加熱法測定；堿解氮采用乙酸鈉-火焰光度法測定；有效磷采用碳酸氫鈉提取，鉬銻抗比色法測定；速效鉀采用醋酸銨提取，火焰光度法測定；土壤全鎘、鉛和水稻鎘、鉛含量采用氫氟酸-硝酸消化，電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS）測定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗采用Microsoft Excel 2013 軟件進行數(shù)據(jù)整理并作圖，采用SPSS 22.0 軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對水稻產(chǎn)量的影響

不同處理對水稻產(chǎn)量性狀的影響見表2。6 個處理的小區(qū)實收產(chǎn)量較對照（CK）均有一定程度的提升，但差異不顯著（P＞0.05），表明生物納米硒對水稻產(chǎn)量有一定提升作用。其中，以噴施生物納米硒用量為2.25 mg/m2且在孕穗期和灌漿初期分別噴施一次（T3-2 處理）提升幅度最大，每公頃相比對照（CK）提升了250.20 kg，增產(chǎn)達3.28%。對比6 個處理發(fā)現(xiàn)，隨著生物納米硒用量的增加，產(chǎn)量也呈逐漸增大趨勢。

表2 不同處理對水稻產(chǎn)量的影響

2.2 不同處理對稻米鎘含量的影響

水稻對土壤中的鎘有較強的富集能力，由圖1可知，對照（CK）稻米的鎘含量高達1.58 mg/kg，遠超GB 2762—2017 規(guī)定的鎘含量（≤0.2 mg/kg）。施加不同用量的生物納米硒不同程度地降低了水稻對鎘的吸收，相較對照（CK）均達到顯著差異（P＜0.05），鎘含量隨生物納米硒用量增加而降低。其中，生物納米硒用量最多的T3-2 處理稻米的鎘含量降低最多，僅為0.23 mg/kg，雖大于國家標準規(guī)定大米鎘限量值，但相比對照（CK）仍降低了1.35 mg/kg，降幅達到85.44%，降鎘效果顯著。同時，對比相同用量不同施用時期稻米的鎘含量。結(jié)果表明，3 個用量處理下均表現(xiàn)出孕穗期+灌漿初期分2 次噴施降鎘效果要優(yōu)于灌漿初期噴施1 次。

2.3 不同處理對稻米鉛含量的影響

由圖2可知，對照（CK）稻米的鉛含量達1.24 mg/kg，遠超國家標準（0.2 mg/kg）規(guī)定值，鉛污染嚴重。施加不同用量的生物納米硒后，6 個處理稻米的鉛含量均明顯降低，相較對照（CK）均達到顯著差異（P＜0.05），但是6 個處理之間差異不大，未達到顯著水平。其中，生物納米硒用量為0.75 mg/m2、孕穗期和灌漿初期分別噴施一次（T1-2 處理）的效果最好，且鉛含量達到了國家標準規(guī)定的0.2 mg/kg 以下。

圖2 不同處理對稻米鉛含量的影響

2.4 不同處理對稻米硒含量的影響

水稻對硒具有一定的富集作用，利用葉面噴施生物納米硒的方法可顯著提高水稻子粒中的硒含量。由表3 可知，大部分處理的稻米硒含量（總硒和有機硒）顯著高于對照（CK）（P＜0.05），且6 個處理的有機硒含量占比均高于90.00%，有機硒占比非常穩(wěn)定。隨著生物納米硒用量的逐漸增加，稻米中的硒含量也逐漸升高，在同等用量處理下，在孕穗期和灌漿初期分別噴施一次的稻米總硒含量和有機硒含量均略高于灌漿初期噴施一次，T2-1 和T2-2 處理之間差異顯著。

表3 不同處理對稻米硒含量的影響

3 討論

本研究利用復合土壤微生物菌劑、硅肥和不同用量的生物納米搭配土壤基施和葉面噴施處理的方法來分析其降低稻米鉛和鎘含量的試驗效果。結(jié)果表明，三者搭配施用顯著降低了稻米中鎘和鉛的含量，且整體表現(xiàn)為生物納米硒施用量越大，降低效果越明顯。有研究表明，一些微生物可以緩解重金屬對作物的毒害作用，同時也能調(diào)控作物對重金屬的吸收、轉(zhuǎn)運，可能在降低作物可食部分重金屬累積方面發(fā)揮重要作用，機理主要包括微生物直接降低土壤中鎘的生物可利用度和通過促進水稻生長間接提高對鎘的抗性［20，21］。硅的有益作用主要與其在植物組織中的高沉積有關(guān)，這可能會提高其強度和剛性，提高其克服不利脅迫的能力［22］。硅被水稻以單硅酸的形式吸收，然后主要儲存在特殊硅細胞的葉片中，形成硅粒雙層，這一層可以阻斷鎘在水稻中的運輸［23］。此外，利用硅可以調(diào)控特異性基因的表達，以減少水稻對鎘的攝取和積累。如二氧化硅納米顆粒抑制了水稻細胞中鎘吸收和轉(zhuǎn)運相關(guān)基因（OsLCT1和OsNramp5）的表達，同時增強了鎘轉(zhuǎn)運到根系空泡相關(guān)基因（OsHMA3）的表達［24］。硒能夠刺激植物生長并有助于減輕水稻的重金屬毒性。在本研究中，稻米的鎘含量從對照（CK）的1.58 mg/kg降至最低的0.23 mg/kg，降幅高達85.44%；鉛的含量從對照（CK）的1.24 mg/kg 降至最低0.16 mg/kg，降幅為87.10%，這與前人的研究結(jié)果一致，在水稻抽穗期葉面噴施40 mg/L 的亞硒酸鈉可將糙米中鎘的濃度，從1.13 mg/kg 降低至0.48 mg/kg［25］。葉面施用硒和硅可使水稻產(chǎn)量提高4%～10%，增強了水稻葉片抗氧化酶活性，并顯著降低了稻米39%～83%的鎘含量［26］。

大量研究表明，硒緩解鎘對水稻毒害的機制有4 種可能：一是硒減少了水稻中鎘吸收和活性氧積累，改善了營養(yǎng)平衡，增加了H+-和Ca2+-ATP 酶活性；二是硒可能對光合作用等生理生化過程有積極的影響；三是硒能促進植物螯合肽（PCs）的合成，增加鎘與PCs 的絡合，降低水稻體內(nèi)有害鎘形態(tài)的含量，緩解鎘對水稻的毒害；四是硒可能參與能量代謝、蛋白質(zhì)代謝以及與其他元素的相互作用，從而緩解鎘對水稻的毒害［27-29］。本研究中，可能是噴施生物納米硒后，葉面吸收的硒轉(zhuǎn)移至水稻根部，提高水稻根系硒的含量，從而在水稻根系抑制對鎘和鉛的吸收。隨著生物納米硒用量的提升，稻米中鎘含量降低也越多，這可能是硒與鎘和鉛進一步發(fā)生螯合反應，以降低水稻植株內(nèi)有害鎘和鉛成分的流動性，進而降低了稻米鎘和鉛的濃度。但對于硅和硒元素在葉面吸收方面的相互關(guān)系研究較少，其作用機理有待進一步研究。

適當施用硒和硅可能是提高水稻生長和產(chǎn)量的有效途徑。施用硒可促進水稻的有效分蘗、每穗粒數(shù)和千粒重，施用硅同樣也顯著提高了水稻的產(chǎn)量和相關(guān)性狀［30］。提高光合參數(shù)、光合效率和同化物分配是更多生物量生產(chǎn)的基礎(chǔ)，有助于作物更好提升產(chǎn)量。本研究中，6 個處理相比對照（CK）均提高了小區(qū)子粒產(chǎn)量，增幅最高可達3.28%。施用適量的硒能提高水稻植株生長發(fā)育的水平，增加水稻的光合作用速率和細胞間二氧化碳濃度來增強光合作用，施硅可導致水稻葉綠素含量升高，進而增加了香米干物質(zhì)的積累，從而增加產(chǎn)量［31］。葉面噴施的硒能在較短時間內(nèi)被葉片吸收并轉(zhuǎn)運至子粒，提高硒在植物中的利用效率，進而顯著增加稻米的硒含量［32］。本研究利用不同用量的生物納米硒在水稻孕穗期和灌漿初期葉面噴施，顯著提高了稻米的硒含量，最高可達1.01 mg/kg，且有機硒占比達95.05%。無機硒具有毒性大、不易被降解和吸收等缺點，食品中有機硒的生物利用度和營養(yǎng)價值均高于無機硒，其有機硒形態(tài)和含量更適合用于評估硒生物強化食品的安全性和功能性，因此利用外源硒強化對提高稻米等農(nóng)產(chǎn)品的硒含量，特別是有機硒的含量至關(guān)重要。本研究中6 個處理的稻米有機硒含量均在94.00%以上，有機硒占比遠高于湖北省食品安全地方的標準《富有機硒食品硒含量要求》規(guī)定的有機硒占比80.00%以上。

4 小結(jié)

通過初步利用復合土壤微生物菌劑土壤基施、硅肥和不同用量的生物納米進行葉片噴霧處理，可顯著降低稻米中的鎘和鉛的含量。由于試驗區(qū)鎘和鉛污染嚴重，6 個處理的鎘和鉛含量尚未全部達到國家標準限制范圍內(nèi)，但這可以為鎘污染地區(qū)種植鎘含量不超標且硒含量達標的富硒大米提供一種新的策略。后期研究將進一步對施用量、施用時期和配比進行優(yōu)化，以探索建立在缺硒和高重金屬污染地區(qū)種植安全富硒水稻的標準化技術(shù)規(guī)程。