硅基葉面阻控劑對水稻的控鎘效應

康兵 顧祝禹 皮杰 黃博陽 李文超 唐東海

摘要：在中輕度Cd污染區域開展大田試驗，探索不同用量的硅基葉面阻控劑對土壤有效Cd、水稻（Oryza sativa L.）不同器官Cd含量及Cd轉運的影響。結果表明，葉面阻控劑不能降低土壤有效Cd含量，但能調控Cd在水稻器官中的轉運與富集，與不施葉面阻控劑對照相比，水稻根、莖、葉與稻米中Cd含量分別降低13.06%～27.03%、17.39%～36.96%、14.89%～42.55%、11.11%～32.83%，水稻對Cd的富集從高到低依次為根、莖、葉、稻米。水稻植株中Cd從根到莖（TF根-莖）、莖到葉（TF莖-葉）、葉到稻米（TF葉-稻米）的轉運系數分別為0.36～0.42、0.47～0.53、0.42～0.50，其中根到莖的轉運系數最低，且隨葉面阻控劑用量的增加其轉運系數逐漸降低。施用一定量的葉面阻控劑在一定程度上能提高水稻產量，從經濟成本和降鎘效果等因素綜合考慮，用量為4 500 mL/hm2時，成本低廉且效果較佳。

關鍵詞：硅基葉面阻控劑；水稻（Oryza sativa L.）；污染土壤；轉運系數；產量；控鎘效應

中圖分類號：X53；S511? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2024）06-0022-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.06.004 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Effect of silicon-based leaf inhibitor on Cd control in rice

KANG Bing1， GU Zhu-yu2， PI Jie1， HUANG Bo-yang2， LI Wen-chao2， TANG Dong-hai1

（1.Songzi Farmland Construction and Consolidation Center， Songzi? 434200， Hubei， China；

2.Wuhan Xiugu Technology Co.， Ltd.，Wuhan? 430070， China）

Abstract： A field experiment was carried out to investigate the effects of different concentrations of silicon-based leaf inhibitors on available Cd in soil， and the content and the transport of Cd in different organs of rice （Oryza sativa L.）. The results showed that leaf inhibitors could not reduce the content of available Cd in soil， but could regulate the transport and accumulation of Cd in rice organs. Compared with the control without leaf inhibitor， the Cd contents in roots， stems， leaves and grain of rice with leaf inhibitor decreased by 13.06%～27.03%， 17.39%～36.96%， 14.89%～42.55%， and 11.11%～32.83%， respectively. The order of Cd accumulation in rice from high to low was root， stem， leaf and grain. The transport coefficients of Cd from root to stem （TFroot-stem）， stem to leaf （TFstem-leaf） and leaf to rice （TFleaf-Rice） were 0.36～0.42， 0.47～0.53 and 0.42～0.50， respectively， the transport coefficient from root to stem was the lowest， and it decreased gradually with the increase of the dosage of inhibitor. The yield of rice could be increased by applying a certain amount of leaf inhibitor. Considering the comprehensive factors such as economic cost and the effect of reducing cadmium， the cost was low and the effect was better when the dosage was 4 500 mL/hm2.

Key words： silicon-based leaf inhibitor； rice（Oryza sativa L.）； polluted soil； transport coefficient； yield； effect of Cd control

隨著經濟的快速發展，工業產生的“三廢”與各種化肥農藥的不合理運用逐漸加劇了生態環境的污染，其中重金屬Cd的污染尤為突出，Cd元素主要通過礦山冶煉或化肥農藥等途徑遷移到農田環境中，嚴重影響了中國糧食安全與品質［1，2］。Cd具有較高的生物有效性與毒性，土壤中Cd含量的增加能使土壤中有益菌群大量減少，土壤自凈能力降低，土壤環境質量下降，進而影響農產品的產量與品質，并通過食物鏈進入人體，威脅著人類的生命健康［3-5］。因此，在Cd污染的土壤上研究農產品可食部位安全與品質問題具有重要的現實意義［6，7］。

影響農作物對Cd吸收與富集的因素較多，目前降低農產品可食部位Cd含量的主要方式有兩種：一是通過篩選出對Cd吸收與富集較低的低積累品種［8，9］；二是通過化學方法抑制農作物對Cd元素的吸收，進而降低農產品的Cd含量［10，11］。隨著土壤污染與糧食安全問題受關注程度與日俱增，大量學者做了相應的治理與修復技術措施的研究［12，13］。在實際生產過程中，僅依靠低積累品種有時農產品不能達到安全生產，因此，成本低廉且效果較好的鈍化劑、葉面阻控劑等技術措施被廣泛應用［14］。葉面阻控劑與鈍化劑相比，具有相對操作簡單、成本低廉、易于推廣等特點。于煥云等［15］關于稻田鎘砷污染阻控原理與技術應用的研究表明，施用一定量的降鎘靈后，稻米中Cd含量降低了38%～43%。詹旭芳等［16］的研究發現，對Cd污染土壤上種植的玉米葉片噴施降鎘靈后，玉米中Cd含量顯著下降。目前大部分關于葉面阻控劑的研究集中在對農產品可食部位Cd含量的影響，卻忽視了不同用量葉面阻控劑對Cd在農作物不同器官中富集與轉移的影響［17，18］。葉面阻控劑對農產品的降Cd效果與其用量密切相關，探究其用量對Cd污染農田可食部分安全生產具有重要意義。本試驗以松滋紙廠河鎮Cd中輕度污染的稻田為研究對象，分析不同用量葉面阻控劑對土壤理化性質與稻米Cd的影響，并研究不同用量葉面阻控劑對Cd在水稻植株不同器官轉運系數的影響，以期為Cd污染農田農產品安全生產提供理論與實踐依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

紙廠河鎮位于湖北省松滋市東南部，該區域屬亞熱帶過渡性季風氣候，地勢較平坦，年均氣溫在16 ℃左右，年平均無霜期270 d，多年平均降雨量在1 150 mm左右，降水集中在4—10月，占全年降水量的80%，有足夠的氣候資源供農作物生長。耕作方式以旋耕為主，種植作物以水稻和玉米為主，耕地類型主要包括旱地、水田和水澆地。研究區域土壤理化性質為pH 5.96、Cd含量0.39 mg/kg、有效Cd含量0.18 mg/kg。

1.2 供試材料

供試葉面阻控劑含有大量的可溶性硅，試驗材料經過監測，pH為10.25，Si含量為113.0 g/L，K2O含量為51.47 g/L，Na≤75 g/L，水不溶物≤10 g/L，Pb含量為0.93 mg/L，Cd含量為0.25 mg/L，As含量為0.86 mg/L，Cr含量為10.57 mg/L。

1.3 試驗設計

于2021年初進行試驗，共設置4種葉面阻控劑處理和空白對照：處理1（T1），噴施葉面阻控劑? ? ? ?2 250 mL/hm2；處理2（T2），噴施葉面阻控劑4 500 mL/hm2；處理3（T3），噴施葉面阻控劑6 750 mL/hm2；處理4（T4），噴施葉面阻控劑9 000 mL/hm2；對照（CK），不噴施葉面阻控劑。每種處理做3次重復試驗，共15個小區，每個小區面積為50 m2，且各小區隨機排列。為防止各小區間相互影響，將每個處理之間進行分割，并對田埂進行加高加固，防止修復材料、灌溉水等相互影響。葉面阻控劑分別于水稻分蘗期和灌漿期噴施，且各處理田間管理一致。

1.4 樣品的采集與分析

在水稻收獲前2～3 d進行土壤與植株樣品的采集，在試驗田中按5點取樣法采集小區水稻樣品，并采集水稻根系附近的表層土壤（0～20 cm）。將土樣去除雜質后，自然風干至恒量，過100目尼龍篩，裝袋備用。水稻樣品用去離子水沖洗，在105 ℃殺青10 min，烘干至恒量，水稻樣品分部位粉碎與過篩，備用。

土壤的理化性質均按照常規測定方法檢測［19］，其中，土樣pH采用電位計法測定，水土比為2.5∶1；土壤有效Cd含量采用CaCl2溶液浸提法進行提取［20］，并用原子吸收分光光度計測定。水稻植株各部位Cd含量采用干灰化法，HNO3-HClO4消解，用原子吸收分光光度計（石墨爐）測定，并做全程空白試驗。

1.5 轉運系數的計算

轉運系數（TF）是指農作物中后一部位重金屬的含量與前一部位重金屬含量的比值，其主要用于評價重金屬在農作物不同部位的遷移轉化能力，計算式如下。

TFformer-latter =Clatter / Cformer

式中，Clatter為農作物后一部位重金屬的含量；Cformer為農作物前一部位重金屬的含量。

1.6 數據統計與分析

采用Excel、Origin和SPSS軟件進行數據統計和簡單分析，并進行相應的圖表繪制。各處理間采用單因素方差分析（ANOYA）和Duncans法進行差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 葉面阻控劑對土壤有效Cd含量的影響

Cd在土壤中的遷移性與生物毒性較大程度上取決于其有效態含量，有效態Cd能夠被植物吸收，并在植物體內富集［21］。由圖1可知，噴施葉面阻控劑后，各處理土壤中有效Cd含量與對照均無顯著差異（P>0.05），且各處理土壤有效Cd含量在0.175～0.187 mg/kg，表明噴施葉面阻控劑對土壤有效Cd不具有鈍化作用。

2.2 葉面阻控劑對水稻各器官Cd含量的影響

由圖2可知，噴施葉面阻控劑能夠降低水稻根中Cd含量，與CK相比，根中Cd含量的降幅為13.06%～27.03%，其中T2、T3、T4根中Cd含量均與CK差異顯著（P<0.05），T1與CK無顯著差異（P>0.05）。T1、T2、T3和T4莖中Cd含量比CK分別降低17.39%、27.17%、32.61%、36.96%，但與CK差異不顯著（P>0.05），隨著用量的增加，莖中Cd含量逐漸下降。各葉面阻控劑處理的葉中Cd含量比CK降低了14.89%～42.55%，其中 T2、T3、T4葉中Cd含量均與CK差異顯著（P<0.05），T4葉中Cd含量最低，為0.27 mg/kg。T1、T2、T3和T4稻米中Cd含量比CK分別降低11.11%、20.20%、27.27%、32.83%， T2、T3和T4葉中Cd含量均與CK差異顯著（P<0.05），稻米中Cd含量隨葉面阻控劑用量的增加而降低，而下降幅度卻逐漸降低。

總體而言，水稻不同器官Cd含量隨葉面阻控劑用量的增加而降低，而下降幅度呈降低趨勢，水稻對Cd富集順序為根>莖>葉>稻米。

2.3 葉面阻控劑對水稻產量的影響

不同用量葉面阻控劑對水稻產量的影響見圖3。由圖3可知，施用一定量的葉面阻控劑后各處理水稻的產量在一定程度上均有所提高。與CK相比，T1、T2、T3和T4水稻產量分別增加2.17%、8.11%、5.71%、6.11%，且各處理間無顯著差異（P>0.05），其中T2對水稻的增產效果最好，產量為? ? ? ?9 373.65 kg/hm2。這表明葉面阻控劑對水稻具有一定的增產效果。

2.4 葉面阻控劑對Cd轉運系數的影響

表1顯示了水稻植株中Cd從根到莖（TF根-莖）、莖到葉（TF莖-葉）、葉到稻米（TF葉-稻米）的轉運系數。TF根-莖、TF莖-葉與TF葉-稻米的轉運系數分別為0.36～0.42、0.47～0.53、0.42～0.50，Cd的轉運系數均值表現為TF莖-葉>TF葉-稻米>TF根-莖，表明莖的轉運能力最強，根系的轉移能力最弱。各處理TF根-莖的轉運系數較CK有一定程度的下降，而TF葉-稻米的轉運系數較CK呈上升趨勢，但各處理轉運系數均無顯著差異（P>0.05）。

3 討論

根系是植物從土壤中吸收養分與重金屬最主要的器官［22］。土壤中活性較強的重金屬元素被根系吸收后，通過根莖中的木質部運輸重金屬，最后重金屬元素通過韌皮部輸送到稻米中富集［23］。本試驗發現噴施葉面阻控劑后，各處理土壤中有效Cd含量無降低趨勢，且與對照均無顯著差異，而李娟［24］通過研究葉面阻控劑對雜交中稻的降鎘及增產增收效果發現，葉面阻控劑對土壤鎘污染的修復幾乎沒有作用，這與本試驗的研究結果相似。 有研究表明，水稻根系對Cd的積累量遠高于其他部分［25］。本研究結果顯示，水稻根中Cd含量最高，各植株不同部位富集Cd的順序由高到低依次為根、莖、葉、稻米，產生這種現象的原因可能是根是吸收Cd的主要器官，而土壤中的Cd2+通過水稻根系的表皮細胞空隙與細胞膜上運輸蛋白進入水稻植株體內［26］，從而導致根是最容易積累Cd的器官。稻米中Cd的富集一般需要經歷3個階段 ，即根系吸收、莖運輸與葉片轉運、進入稻米，而莖運輸的Cd能夠在葉片中暫時存儲，然后再轉運至稻米中［27］。Cd從根遷移至稻米的過程中莖對其的阻控起到關鍵作用，葉面阻控劑能降低根向莖的轉移［28］。劉小琴［29］的研究表明，硅能有效降低水稻對土壤重金屬離子的吸收，調控水稻作物體內酶的活性，增強對Cd的耐受性，同時能使水稻植株細胞壁增厚，細胞膜對Cd的通透性降低，從而降低水稻植株不同器官對Cd的富集。本研究發現，噴施不同用量的葉面阻控劑后，水稻植株莖、葉與稻米中的Cd含量也呈下降趨勢，原因可能是噴施葉面阻控劑能有效提高水稻植株的含水量，降低其蒸騰速率，抑制Cd在水稻植株體內的轉運速率，同時葉面阻控劑能降低細胞膜透性和自由基對細胞膜的損害，從而抑制水稻對Cd的吸收和轉運以緩解其毒害［30］。向焱赟等［31］的研究發現，硅能強烈抑制水稻根系Cd向子粒中遷移。葉面阻控劑中含有大量的硅與鉀元素，硅與鉀是水稻生長所需的礦質元素，能增強水稻莖稈抗折力，增加水稻莖葉表層細胞壁與角質層厚度，防止水稻倒伏，提高抗逆性，增強水稻抵御病蟲害的能力，因此，噴施葉面阻控劑有利于促進水稻增產增收。陳湘等［32］的研究發現，噴施葉面阻控劑能提升農產品的產量，這與本試驗研究結果相似。

轉運系數是判斷農作物吸收、分配與轉運重金屬的重要指標［33］。試驗通過使用富含硅、鉀元素的葉面阻控劑，噴施在水稻葉面上可保濕成膜，并通過葉面吸收直接進入作物體內，不僅能夠為水稻提供大量的營養元素，還能有效增強其光合作用［34］。同時通過調節運輸蛋白活性與競爭運輸通道等方式抑制農作物對重金屬元素的吸收，改變重金屬在作物體內不同器官的分配比例，抑制重金屬元素向子粒轉移［17］。本研究中，Cd的轉運系數均值表現為TF莖-葉>TF葉-稻米>TF根-莖，其中根系到莖的轉運系數最低，且隨葉面阻控劑用量增加而逐漸下降，說明噴施葉面阻控劑后，有效阻控了Cd從根系轉移至莖，并使Cd在根系的富集量增加。高敏等［33］的研究發現，葉面噴施硅溶膠、亞硒酸鈉溶液后根向莖轉運的Cd減少，這與本試驗結果相似。

葉面阻控劑只能有效調節Cd在水稻不同器官內的轉移，而不能降低土壤有效Cd的含量。針對Cd污染農田的修復技術不僅需要降低農產品可食部位的Cd含量，還需要降低農田有效Cd含量或Cd總量，從而從根本上解決Cd農田污染問題，因此選用葉面阻控劑修復Cd污染農田時，常與土壤調理劑、重金屬鈍化劑等修復產品聯合使用。從經濟成本和稻米降鎘效果等綜合因素考慮，本試驗選用葉面阻控劑用量為4 500 mL/hm2，成本低廉且效果較好。

4 小結

1）噴施葉面阻控劑后，各處理土壤有效Cd含量為0.175～0.187 mg/kg，且與對照均無顯著差異。

2）噴施葉面阻控劑能有效降低水稻不同器官的Cd含量，水稻不同器官Cd含量隨葉面阻控劑用量的增加而降低，而下降幅度呈降低趨勢，根、莖、葉與稻米中Cd含量分別降低了13.06%～27.03%、17.39%～36.96%、14.89%～42.55%、11.11%～32.83%，水稻對Cd的富集順序為根>莖>葉>稻米。

3）水稻植株中Cd從根到莖（TF根-莖）、莖到葉（TF莖-葉）、葉到稻米（TF葉-稻米）的轉運系數分別為0.36～0.42、0.47～0.53、0.42～0.50。其中根的轉運系數最低，且隨葉面阻控劑用量的增加轉運系數逐漸降低，使Cd在根系的富集量增加。

4）施用葉面阻控劑在一定范圍內能提高水稻產量，從經濟成本和降鎘效果等綜合因素考慮，其中用量為4 500 mL/hm2時，成本低廉且效果較佳，此時稻米中Cd含量下降了20.20%，產量增加了8.11%。

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