施硒對不同鎘污染土壤當季及后茬水稻鎘吸收轉運的影響

周靖恒，張泉，劉波，馬天池，黃道友，朱奇宏，許超，朱捍華*

（1.中國科學院亞熱帶農業生態研究所，亞熱帶農業生態過程重點實驗室，長沙 410125；2.中國科學院大學，北京 100049）

我國耕地土壤鎘（Cd）污染問題較突出，已嚴重威脅到食品安全、糧食安全和人體健康[1]。據《全國土壤污染狀況調查公報》顯示，我國土壤鎘點位超標率為7.0%，耕地土壤鎘點位超標率位居第一，且主要分布在南方稻作區。我國稻米鎘含量超過國家《食品安全國家標準食品中污染物限量》（GB 2762—2017）的比例高達10%，稻米鎘超標問題已引起全社會的廣泛關注[2]。基于我國人多地少與糧食安全壓力大的現實，鎘污染稻田安全利用策略是當前的必然選擇[3]。通過優化施肥等農藝措施阻控水稻對鎘的吸收和積累被認為是一項較為經濟有效且易推廣的技術措施[4]。硒（Se）是人體必需且對水稻有益的微量元素，具有抗氧化與增強免疫力等多種功能[5]。我國超過70%的稻米硒含量低于人體的需求水平[6]，低濃度硒可緩解鎘脅迫，這使水稻“富硒降鎘”成為可能[7-8]。因此，施硒降鎘成為具有推廣前景的安全利用技術。

近年來，研究者在外源施硒降低水稻鎘積累方面已開展了大量工作，證實外源施硒能緩解鎘對水稻植株的生物毒害，并可顯著降低水稻對鎘的吸收與積累[9-10]。如在全鎘含量為0～8 mg·kg-1的土壤上種植的水稻，其稻米鎘含量隨施硒量的增大而逐漸降低，最大降幅可達31.5%，稻米硒含量則逐漸增加，最大增幅達3 倍[11]。硒可通過減少植物體內的自由基從而減輕鎘對植物的毒害[12]，施硒可改變鎘在水稻根系細胞中的分配，從而降低其向地上部的轉運[13]。低硒施用能降低菠菜葉中鎘含量，但施硒量＞2.0 mg·kg-1時會使菠菜葉中鎘含量上升[14]。施硒降鎘效果不穩定，同時食品中硒安全范圍非常窄，稻田硒施用還需要探尋適用范圍，但目前的相關研究主要集中在施硒的當季效應，少有對后茬水稻種植鎘積累的探討。因此，亟待開展稻田施硒降鎘的適宜濃度與水稻連作的后續效果研究，以優化完善鎘污染稻田施硒降鎘技術。

為此，本研究選取中、重度鎘污染稻田土壤，對比分析不同濃度外源硒對當季與后茬水稻鎘吸收轉運以及稻米硒富集的影響，探究硒的適宜施用濃度，為鎘污染稻田水稻安全生產提供科學技術支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料

盆栽試驗在中國科學院長沙農業環境觀測研究站盆栽試驗場（長沙縣北山鎮）開展，實施時間為2017 年7 月至2018 年7 月。該試驗站位于中亞熱帶季風氣候區，年均降雨量1 358.6 mm，年均氣溫17.1 ℃，最冷月（1 月）平均氣溫5.0 ℃，最熱月（7 月）平均氣溫29.4 ℃。供試土壤采集于湖南省長沙縣北山鎮（28°22′～28°27′N，112°58′～113°05′E）長期耕種的稻田，該稻田的鎘污染主要來自附近20 世紀90 年代末關停的化工廠。2 種供試土壤均為發育于花崗巖風化物的麻沙泥，酸性強，土壤有機質與養分水平較高（表1），根據《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618—2018），2 種土壤分別屬于中度與重度鎘污染土壤。供試水稻品種：早稻為株兩優189，由湖南希望種業科技有限公司選育；晚稻為H 優518，由湖南農業大學和湖南省衡陽市農業科學研究所選育。試驗選用的硒為亞硒酸鈉，純度為99%，生產廠家為山東西亞化學工業有限公司。

表1 供試土壤基本性質Table 1 Basic properties of the tested soils

1.2 試驗設計

盆栽試驗設置5 個處理，分別施硒0、0.5、1.0、2.0、4.0 mg·kg-1（風干土基），每個處理4次重復，隨機區組排列。

試驗用塑料盆直徑為25 cm、高為20 cm，每盆裝風干土5 kg，可滿足多季試驗需要。供試土壤裝盆前，將土壤鋪于塑料布上，將不同濃度亞硒酸鈉溶液均勻地噴灑在土壤中；同時按照N 150 mg·kg-1、P2O5100 mg·kg-1、K2O 100 mg·kg-1的用量施入基肥；混合均勻后裝入盆中，其后不再施用硒肥。淹水平衡3 d后，按照每盆3 株移栽第一季水稻秧苗。在第二季水稻種植前，參照第一季水稻肥料用量添加氮、磷、鉀肥，同樣攪拌均勻、淹水平衡3 d 后，移栽秧苗。兩季水分管理均為淹水5 cm，待盆中表土無明水時補充水分至淹水5 cm；病蟲草害防治等參照當地田間水稻管理方式。

1.3 樣品采集與分析

在當季（2017 年11 月初）和后茬（2018 年7 月初）水稻成熟期，分別單獨采集全部水稻植株樣品（殘留部分根茬），植株樣品用去離子水清洗干凈后分為根、莖、葉和籽粒，使用DCB（Dithionite-Citrate-Bicarbonate）提取液提取根表吸附的元素，將脫殼籽粒、根、莖、葉烘干用破碎機打成粉末后待測。同時，利用小型土鉆（直徑2 cm）采用梅花五點法采集0～20 cm 土壤樣品200 g。土壤樣品充分混勻，自然風干，研磨過20 目篩，用于測定土壤pH 和提取態鎘含量；采用棋盤多點法選取約50 g 過20 目篩的土壤樣品，將其研磨至全部通過100 目篩，用于測定土壤全鎘、全硒、全氮、全磷、全鉀和有機質等指標。

土壤pH 值采用pH 計（上海雷茲pHs-3C pH 計）測定，土水比為1∶2.5。土壤氮、磷、鉀與有機質等按照《土壤農化分析》[15]測定。土壤有效態鎘采用0.01 mol·L-1CaCl2提取法測定：土液比為1∶5，溶液于25 ℃、160 r·min-1下振蕩2 h后經定量濾紙過濾，利用電感耦合等離子體光譜發生儀（ICP-OES 5110，美國安捷倫）測定濾液中的鎘含量。

水稻植株樣品各部位鎘含量測定：稱取0.200 0 g水稻樣品于消解管中，加入硝酸-過氧化氫（8∶1）混合酸微波消解[16]，消解液移入25 mL 比色管定容，定量濾紙過濾，采用電感耦合等離子體發射質譜儀（ICP-MS，Varian，美國）測定濾液中鎘含量。水稻樣品硒含量測定：稱取0.500 0 g 水稻樣品于50 mL 三角瓶中，加入硝酸-高氯酸（4∶1）的混合酸10 mL 進行消解，消解液移入25 mL 比色管定容，定量濾紙過濾，使用原子熒光光度計（AFS-830）測定濾液中硒含量。在土壤與植株樣品檢測分析過程中，采用空白對照、樣品2次重復、標準曲線校正等進行數據質量控制。

水稻各部位間的鎘轉運系數（Transport coefficient，TF）是評價鎘從植物地下部向地上部運輸能力的指標，由水稻植株相鄰部位平均鎘含量（mg·kg-1）的比值表征。稻米鎘富集系數（Bioaccumulation factor，BCF）是評價植物對鎘富集程度高低或富集能力強弱的指標，由稻米鎘含量（mg·kg-1）與土壤鎘含量（mg·kg-1）的比值表征。

1.4 數據處理

利用Excel 2010 進行數據整理與制圖，數據以平均值±標準誤差表示。不同處理間各指標的差異分析利用SPSS 22.0 軟件采用多重比較和最小極差法（LSD）進行統計分析，采用Pearson 相關和非線性回歸等方法進行指標間的關系評價。

2 結果與分析

2.1 施硒對植株各部位鎘含量的影響

中度鎘污染土壤各處理水稻植株不同部位鎘含量均表現為根＞莖＞葉＞米（圖1a），表明水稻主要通過根系吸收鎘，并向上運輸。在第一季水稻中，除2.0 mg·kg-1硒處理外，其余硒處理均顯著增加了根與莖中的鎘含量；僅2.0 mg·kg-1硒處理使米鎘含量顯著降低28.6%（P＜0.05），盡管0.5 mg·kg-1和1.0 mg·kg-1硒處理使米鎘含量增加了25.6%和35.2%（P＜0.05），但其含量仍然低于食品安全國家標準限量值（≤0.2 mg·kg-1，GB 2762—2017）。在第二季水稻中，施硒處理對水稻多部位鎘含量有顯著降低效果。其中，0.5、1.0、4.0 mg·kg-1硒處理與對照相比使根鎘含量顯著降低27.9%～30.8%（P＜0.05）；莖鎘在≥1.0 mg·kg-1硒處理下顯著降低31.9%～34.3%（P＜0.05）；各處理間葉鎘含量無顯著差異（P＞0.05）；各施硒處理均顯著降低了米鎘含量，降幅為41.2%～50.7%（P＜0.05），且米鎘含量由對照組的0.26 mg·kg-1均降低到食品安全國家標準限量值以下。

圖1 水稻各部位鎘含量Figure 1 Cd contents in different tissues of rice

重度鎘污染土壤上的水稻各部位鎘含量同樣呈現出根＞莖＞葉＞米的規律（圖1b）。在第一季水稻中，與對照相比，各施硒處理對根鎘含量無顯著影響；0.5 mg·kg-1和1.0 mg·kg-1硒處理莖鎘含量降低35.8%和39.5%（P＜0.05），葉鎘含量降低39.5%和32.2%（P＜0.05）；米鎘含量在各硒處理下均呈下降趨勢，但僅1.0 mg·kg-1硒處理米鎘含量顯著降低，降幅為36.1%（P＜0.05）。在第二季水稻中，與對照相比，2.0 mg·kg-1和4.0 mg·kg-1硒處理使根鎘含量降低23.2%和27.9%（P＜0.05），0.5 mg·kg-1硒處理使莖鎘含量降低37.9%（P＜0.05）；各施硒處理葉鎘含量均呈降低趨勢，但差異不顯著；各施硒處理米鎘含量均顯著降低，降幅為30.9%～38.7%，其中1.0 mg·kg-1硒處理降鎘效果最好。

2.2 施硒對水稻鎘轉運系數的影響

對于中度鎘污染土壤第一季水稻，≤2.0 mg·kg-1各施硒處理鎘TF莖/根呈現出隨硒施用量增加而降低的趨勢，其中1.0 mg·kg-1和2.0 mg·kg-1硒處理使TF莖/根顯著降低21.5%與28.3%（P＜0.05，圖2a）。與對照相比，僅4.0 mg·kg-1硒處理下TF米/莖和TF葉/莖顯著降低了30.8%和40.1%（P＜0.05）。對于第二季水稻，雖然各施硒處理對水稻多部位鎘含量有顯著降低效果，但是波動較大，致使各處理間的水稻不同部位轉運系數差異不顯著（圖1a和圖2a）。

對于重度鎘污染土壤第一季水稻，施硒對TF莖/根的影響與中度鎘污染土壤相似，1.0 mg·kg-1和2.0 mg·kg-1硒處理TF莖/根降低達34.0%和41.5%（P＜0.05），說明適量施硒可有效降低鎘從水稻根部向莖部的轉運（圖2b），但硒施用對TF米/莖與TF葉/莖沒有顯著影響。對于第二季水稻，施硒對水稻不同部位鎘轉運系數的影響與中度鎘污染土壤相似，施硒處理與對照相比各部位鎘轉運系數均無顯著差異。

圖2 施硒對水稻鎘轉運系數的影響Figure 2 Effects of Se fertilization on the Cd transport coefficient of rice

2.3 施硒對植株各部位硒含量的影響

施硒1.0～4.0 mg·kg-1可顯著增加水稻各部位的硒含量，且硒含量隨施硒量的增大而增加（圖3）。對于中度鎘污染土壤第一季水稻，與對照相比，0.5 mg·kg-1硒處理使根硒含量增加到4 倍（P＜0.05，圖3a），而莖、葉和米的硒含量無顯著增加；1.0～4.0 mg·kg-1硒處理使根、莖、葉和米的硒含量顯著增加到7～26、7～29、5～28、25～93 倍（P＜0.05）。對于第二季水稻，各施硒處理使，根、莖、葉和米的硒含量顯著增加到2～13、5～54、9～72、4～40倍（P＜0.05）。

圖3 施硒對植株各部位硒含量的影響Figure 3 Effects of Se fertilization on Se content in different parts of rice

對于重度鎘污染土壤第一季水稻，與對照相比，1.0～4.0 mg·kg-1硒處理使根和葉的硒含量增加到6～26 倍和4～19 倍（P＜0.05，圖3b）；2.0～4.0 mg·kg-1硒處理使莖和米的硒含量增加到7～19 倍和20～38 倍（P＜0.05）。對于第二季水稻，0.5～4.0 mg·kg-1硒處理使根硒含量增加到3～12 倍（P＜0.05）；1.0～4.0 mg·kg-1硒處理使莖、葉、米的硒含量分別增加到7～23、4～7、6～21倍（P＜0.05）。

鑒于硒是人體必需且對水稻有益的微量元素、我國超過70%的稻米硒含量低于人體需求水平、《食品安全國家標準食品中污染物限量》自2013 年取消對硒的強制性限量要求，本文參照我國南方最新《富硒農產品硒含量要求》[T/HNFX 001—2017（V01）]，稻米硒含量應≤1.0 mg·kg-1。中度鎘污染土壤施硒量為1.0 mg·kg-1時，稻米硒含量為0.66～1.27 mg·kg-1，部分超過限量值；施硒量＞1.0 mg·kg-1時稻米硒含量為1.21～4.75 mg·kg-1，均超過限量值；而施硒0.5 mg·kg-1時稻米硒含量為0.27～0.49 mg·kg-1，均未超標，說明此類土壤施硒量不宜超過0.5 mg·kg-1（圖3a）。對于重度鎘污染土壤，施硒量≤1.0 mg·kg-1時稻米硒含量為0.17～0.65 mg·kg-1，均未超標，說明此類土壤施硒量不宜超過1.0 mg·kg-1（圖3b）。

2.4 施硒對土壤pH和有效態鎘的影響

中度鎘污染土壤僅4.0 mg·kg-1施硒處理的pH 與對照相比在第一季顯著降低0.13個單位（P＜0.05），其他施硒處理土壤pH和有效態鎘含量在第一季和第二季均與對照無顯著差異（表2）。重度鎘污染土壤僅0.5 mg·kg-1與2.0 mg·kg-1施硒處理與對照相比在第一季顯著提高土壤pH 0.14～0.22 個單位（P＜0.05），0.5 mg·kg-1施硒處理土壤有效態鎘含量顯著降低21.1%（P＜0.05）；而僅2.0 mg·kg-1施硒處理在第二季使土壤有效態鎘含量顯著提高9.7%（P＜0.05）。從整體來看，施硒對土壤pH和有效態鎘含量無顯著影響，但土壤pH與有效態鎘含量在不同季別間存在顯著差異。與第一季相比，第二季中度、重度鎘污染土壤pH分別降低0.16～0.43、0.44～0.59 個單位，土壤有效態鎘含量分別增加62.2%～76.7%、48.8%～87.5%。

表2 土壤pH與有效態鎘含量Table 2 Soil pH and available Cd content

2.5 稻米鎘富集系數與硒含量的關系

為進一步探討施硒對稻米積累鎘的影響，分季別分析了稻米鎘富集系數與其硒含量的關系（圖4）。相關性分析顯示，稻米鎘富集系數與其硒含量呈負相關關系，第一季水稻Pearson 相關系數為-0.37（P＜0.05，n=40），第二季水稻相關系數為-0.54（P＜0.01，n=40）。回歸分析顯示，稻米鎘富集系數隨其硒含量的增加呈自然對數降低，且第二季的降低速率明顯大于第一季。這說明施硒可通過增加水稻硒吸收與稻米硒積累降低稻米鎘的積累，且該作用在第二季更強。

3 討論

本研究探討了施用不同濃度硒對中、重度鎘污染稻田土壤當季與后茬水稻鎘吸收轉運的影響。兩季水稻各部位鎘含量均呈現根＞莖＞葉＞米的規律（圖1），這與以往的研究結果一致[17]，說明本研究中水稻植株鎘主要來自土壤，并從根系向上部轉運。土壤施硒可影響水稻根系鎘吸收和不同部位間的鎘轉運系數，進而影響稻米鎘含量，且對當季和后茬水稻的作用程度不同（圖1和圖2），該作用值得深入研究探討。

在當季水稻中，中、重度鎘污染土壤施硒1.0、2.0 mg·kg-1使鎘TF莖/根降低21.5%～28.3%，在施硒量增加到4.0 mg·kg-1時鎘TF莖/根反彈至對照水平（圖2）。這說明鎘污染稻田土壤適量施硒可有效降低鎘由根向莖的轉運。徐境懋等[18]的研究表明，在鎘污染土壤中施硒（2.5 mg·kg-1）能有效抑制鎘從水稻根系向地上部轉運并降低籽粒鎘積累，從而緩解鎘毒害，這與本研究結果基本一致。硒能使根系非蛋白巰基物質（NPT）含量增加，NPT 能鈍化細胞鎘并將其轉運到液泡中儲存[19-20]，使硒更多地停留在根中。此外適量施硒可抑制OsIRT1、OsIRT2、OsLCT1和OsNramp5等水稻鎘轉運基因的表達[21-22]，從而降低了鎘向上運輸，這能解釋當季水稻中TF莖/根的下降。而高硒時轉運系數反彈可能是外源施硒過多，加強了植物區隔化機制，而此機制會使根系吸收的重金屬多數轉運到地上部分貯存，因而帶動鎘向地上部轉運，使地上部鎘含量增加[23-24]。然而，在季別和水稻品種的綜合影響下，施硒對后茬水稻不同部位鎘轉運無顯著影響。

在本研究中，中度鎘污染土壤施硒2.0 mg·kg-1時當季稻米鎘含量顯著降低28.6%，而其他施用量下稻米鎘含量無顯著降低，但均低于0.2 mg·kg-1；重度鎘污染土壤在施硒下當季稻米鎘含量呈降低趨勢，其中施硒1.0 mg·kg-1使稻米鎘含量顯著降低36.1%；而中、重度鎘污染土壤施硒0.5～4.0 mg·kg-1均降低后茬稻米鎘含量，降幅為30.9%～50.7%（圖1）。通常土壤適量施硒可顯著增加水稻各部位的硒含量。在本研究中，1.0～4.0 mg·kg-1硒處理使根、莖、葉和米硒含量顯著增加2.3～93.1 倍（P＜0.05，圖3）；且稻米鎘富集系數與其硒含量呈對數降低關系（圖4），說明適量施硒可有效降低稻米鎘累積。但本研究中度鎘污染土壤當季水稻降鎘效果不佳，而后茬降鎘效果良好，這與前期研究并不一致[25]。這可能與不同水稻品種對硒的響應存在一定差異有關，如施硒0.4 mg·kg-1時，早秈788 稻米鎘含量降低23.5%[26]；而施硒0.5 mg·kg-1時，宜香99E-4 稻米鎘含量僅降低17.3%[19]。萬亞男[13]的研究表明，亞硒酸鹽的添加會增加水稻幼苗根系對鎘的吸收能力，長時間培養下降低了根系對鎘的吸收與向上轉運過程。本研究中當季水稻可能在亞硒酸鹽施用下根系鎘吸收能力增強較多，使根系鎘含量升高（圖1），致使當季稻米降鎘效果較差。受季節交替與前茬植株根系分泌物等的影響，后茬土壤pH比前茬明顯降低、有效態鎘含量明顯增加（表2），施硒處理不同部位鎘轉運系數無顯著變化（圖2），但后茬水稻根系鎘含量整體降低、稻米鎘含量均顯著降低（圖1），說明鎘污染水稻土施硒主要是通過降低根系對鎘的吸收從而顯著降低后茬稻米鎘累積。這主要是由于施用的亞硒酸鹽可快速被土壤吸附，且在酸性（pH 4.5～5.0）條件下HSeO-3形態比例高[27]，有利于農作物吸收，進而對后茬稻米有很好的降鎘效果。另外，前茬作物油菜可顯著減少后茬水稻對鎘、鉛的吸收，進而顯著降低后茬水稻秸稈與籽粒中鎘、鉛含量[28]，這與本研究結果一致。值得注意的是，不同施硒量下，后茬稻米鎘含量無顯著差異，因此可結合經濟因素來降低土壤施硒量。

圖4 稻米鎘富集系數與其硒含量的關系Figure 4 Relationship of Cd bioaccumulation factor with Se concentration in brown rice grain

整體上，施硒對土壤pH 和有效態鎘含量無顯著影響，但后茬土壤pH明顯低于當季，土壤有效態鎘含量則明顯高于當季（表2）。一方面，作物生長期間，根系不斷吸收K+等堿基離子并向根際釋放有機酸，致使土壤酸化。如程晨等[29]進行伴礦景天與水稻輪作時發現第二季土壤pH 顯著低于第一季，可能是因為第一季根際分泌的有機酸降低了土壤pH。另一方面，后茬水稻移栽前的氮磷鉀肥施加也對土壤pH 有降低效果[30]。土壤有效鎘含量與土壤pH 呈負相關關系[31]，后茬土壤pH 明顯降低，土壤酸化加重致使其鎘活性增強。

目前我國70%的稻米硒含量水平低下，施硒降鎘技術仍有較大推廣應用空間，人體適量攝入硒能提高免疫力，但過量攝入會導致器官損傷[32]。在推行施硒降鎘技術時，需考慮土壤本身硒含量及其有效性，謹防稻米硒含量超出安全閾值。本研究中，中度鎘污染土壤施硒0.5 mg·kg-1、重度鎘污染土壤施硒≤1.0 mg·kg-1時，稻米硒含量為0.17～0.65 mg·kg-1，參照《富硒農產品硒含量要求》（≤1.0 mg·kg-1），以上處理硒含量均未超標（圖3）。因此，中度鎘污染土壤施硒量不宜超過0.5 mg·kg-1，而重度鎘污染土壤施硒量不宜超過1.0 mg·kg-1。值得注意的是，增硒降鎘效果受土壤理化性狀與水稻品種等因素影響[19]，且盆栽與田間條件存在一定差異，應針對不同土壤類型與水稻品種進一步開展多點、長期田間試驗，驗證并確定適宜且經濟安全的施硒用量。

4 結論

（1）中、重度鎘污染稻田土壤適量施硒，可降低當季水稻根鎘向莖的轉運，中度鎘污染稻田土壤米鎘含量雖然增加但仍低于食品安全國家標準限量值。

（2）中、重度鎘污染稻田土壤適量施硒，可降低后茬水稻根和米的鎘含量，使中度鎘污染稻田土壤米鎘含量降至食品安全國家標準限量值以下。

（3）中度鎘污染土壤施硒0.5 mg·kg-1、重度鎘污染土壤施硒≤1.0 mg·kg-1時，當季和后茬稻米硒含量均低于1.0 mg·kg-1，但適宜施硒量仍需田間驗證確定。