劉利杉，黃運湘*，黃楚瑜，滿海燕

（1.湖南農業(yè)大學資源環(huán)境學院，長沙 410128；2.海南省瓊海市農業(yè)科學研究所，海南瓊海 571429）

水溶性有機肥料對水稻產量和鎘吸收的影響

劉利杉1，黃運湘1*，黃楚瑜2，滿海燕1

（1.湖南農業(yè)大學資源環(huán)境學院，長沙 410128；2.海南省瓊海市農業(yè)科學研究所，海南瓊海 571429）

采用土壤盆栽試驗研究水溶性有機肥料對水稻抗氧化酶活性及鎘吸收的影響。結果表明：施用水溶性有機肥料可提高稻谷產量，顯著降低水稻孕穗期葉片超氧化物歧化酶（SOD）、灌漿期超氧化物歧化酶（SOD）和過氧化物酶（POD）活性；降低稻米鎘含量，降低率為2.9%～21.5%，提高稻草鎘含量，提高率為26.8%～99.1%。以750倍稀釋液噴施增產幅度最大，達43.1%，基施（0.16mL· kg-1）配合噴施（750倍稀釋液）處理稻米降鎘率最高。

鎘污染土壤；水溶性有機肥料；水稻產量；抗氧化酶；稻米鎘含量

鎘是目前備受關注的環(huán)境元素之一，已成為我國農田重金屬污染元素之首[1]，并對糧食生產及食品安全構成威脅，影響人類健康[2-3]。鎘脅迫會誘使植株內的-O-2、-OH-、H2O2等自由基過量累積，引起SOD、POD、CAT等一系列抗活性氧傷害保護酶的應激反應，當抗氧化酶系統(tǒng)的消除速度無法與活性氧自由基的累積速度保持平衡時，將引發(fā)細胞膜脂質的過氧化作用，對植株造成不可逆轉的傷害和細胞凋亡[4]，從而導致作物正常生長受阻，產量和品質下降。如何修復和治理鎘污染已成為當前迫切需要解決的環(huán)境問題。土壤鎘污染治理和修復方法很多，相比單一的物理[5]、化學[6-8]、生物措施[9-10]，農業(yè)生態(tài)修復措施具有更長遠的生態(tài)價值和推廣性。農業(yè)生態(tài)修復包括合理施肥、土地利用轉型、合適的耕作制度和低吸收作物品種的推廣等[11]。這些措施操作簡便，成本低，且基本不改變修復區(qū)種植習慣，可以充分發(fā)揮農田生態(tài)系統(tǒng)的自我修復能力[12]。劉秀珍等[13]通過不同用量的豬糞、雞糞、羊糞等有機肥降鎘試驗發(fā)現(xiàn)，有機肥可通過腐殖質等對Cd2+的螯合作用來降低土壤中水溶態(tài)和交換態(tài)鎘含量，3種有機肥以中等濃度（0.30 g·kg-1）豬糞效果最好。湯海濤等[14]研究表明，施用有機葉面肥可有效降低稻谷鎘含量，減少重金屬對水稻可食用部分的污染。廣西噴施寶公司生產的水溶性有機肥料富含腐植酸，可顯著提高作物產量和品質，增強作物對病蟲害的抗性，已在江西[15]、湖南等20多個?。ㄊ校┻M行了大面積推廣應用，但在修復鎘污染土壤及降低稻米鎘含量方面未見報道。本文采用土壤盆栽試驗的方法，研究和探討水溶性有機肥料對水稻鎘吸收的影響，以期為鎘污染土壤的生態(tài)修復提供理論依據(jù)和修復材料。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤采自湖南省某市，系紫色頁巖風化物發(fā)育的紫泥田，取樣深度0～20 cm，土壤采回后經自然風干、錘碎、過5mm篩，混合均勻，供盆栽試驗用。土壤基本理化性質為：pH 6.31，有機質63.4 g·kg-1，全氮2.63 g·kg-1，全磷0.785 g·kg-1，全鉀14.4 g·kg-1，堿解氮173mg·kg-1，有效磷16.7mg·kg-1，速效鉀103mg· kg-1，全Cd 4.04mg·kg-1，有效態(tài)Cd 2.59mg·kg-1。

1.2 供試水稻品種

湘早秈45號，為湖南省益陽市農科所選育的常規(guī)中熟早秈品種，全生育期106 d左右。

1.3 水溶性有機肥料

由廣西噴施寶股份有限公司提供，主要成分：有機質≥110 g·L-1、N+P2O5+K2O≥170 g·L-1、Mn+Zn+B= 30～50 g·L-1，Cd、Pb未檢出。

1.4 土壤盆栽試驗

試驗共設7個處理，以施用滿足水稻正常生長的氮磷鉀肥為對照，在施用氮磷鉀肥的基礎上進行葉面噴施、基施、噴施+基施水溶性有機肥料（WSOF），每處理重復6次。具體試驗設計見表1。

土壤盆栽試驗于湖南農業(yè)大學資源環(huán)境學院教學實習基地進行。選擇高22 cm、直徑22.5 cm的塑料盆，每盆裝土6 kg，按每千克土施N 0.10 g、P 0.05 g、K 0.13 g計算，N、P、K分別以尿素、磷酸二氫鉀、氯化鉀為肥源，全部作基肥施用。2014年4月18日，選擇長勢一致的秧苗移栽至盆中，每盆移栽3株，根據(jù)水稻生長特性進行田間管理。

表1 土壤盆栽試驗設計Table 1 The design ofpotted experiment

作基肥施用的水溶性有機肥料在土壤裝盆時和N、P、K肥一起施入土壤；葉面噴施的水溶性有機肥料分別于2014年5月18日（始蘗期）、6月17日（始穗期）、7月3日（灌漿期）分3次進行噴施，每處理噴施體積相等，保證正反葉面完全濕潤。

1.5 取樣與分析測定

分別于水稻孕穗期和灌漿期取水稻劍葉測定葉片超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）活性。7月26日分盆收獲稻草和稻谷，同時采集土壤樣品。水稻帶回室內進行考種和測產，經烘干粉碎后待用。土樣自然風干后粉碎過篩。

1.5.1 酶活性測定

SOD活性采用NBT法，POD活性采用愈創(chuàng)木酚比色法，CAT活性采用紫外分光光度法測定[16]。

1.5.2 植株Cd含量的測定

植株Cd含量采用HNO3-HClO4濕法消化，Perkinelmer公司生產的Iptima 8300電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測定。標準物質采用中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所提供的綠茶，標準號為GBW10052（GBS-30）。

1.5.3 土壤基本理化性狀及全Cd含量的測定

土壤基本理化性狀采用文獻[17]的方法測定。土壤全量Cd采用HCl-HNO3-HClO4-HF消解，電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測定（Iptima 8300），標準物質采用北京市環(huán)境保護監(jiān)測中心提供的污染農田土壤，標準號為GBW 08303。

1.6 數(shù)據(jù)處理

所有試驗數(shù)據(jù)采用SPSS 13.0進行統(tǒng)計分析，Duncan新復極差法進行差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同處理對水稻經濟性狀的影響

從表2可知，基施和噴施水溶性有機肥料均能提高稻谷產量和千粒重，降低草谷比。噴施750倍和500倍稀釋液，千粒重顯著高于對照，草谷比與對照相比未達顯著差異水平；噴施750倍稀釋液，谷?？傊仫@著高于對照，500倍稀釋液則未達顯著差異水平。基施0.08mL·kg-1和0.16mL·kg-1水溶性有機肥料，谷粒總重和草谷比與對照相比均未達顯著差異水平，基施0.16mL·kg-1水溶性有機肥料，千粒重顯著高于對照，基施0.08mL·kg-1則未達顯著差異水平。基施0.16mL·kg-1配合噴施750倍水溶性有機肥料，千粒重和谷?？傊鼐@著高于對照，但草谷比未達顯著差異水平；基施0.08mL·kg-1配合噴施500倍液，千粒重、谷?？傊睾筒莨缺染催_顯著差異水平。

表2 水溶性有機肥料對水稻經濟性狀的影響Table 2Effectsofwater-soluble organic fertilizeron economic charactersof rice

2.2 不同處理對水稻抗氧化酶活性的影響

通過對水稻孕穗期和灌漿期葉片酶活性的測定表明（圖1），施用水溶性有機肥料，水稻孕穗期和灌漿期葉片SOD、POD、CAT活性均低于對照，其中SOD差異顯著，CAT差異不顯著，POD在孕穗期差異不顯著，灌漿期差異顯著。

隨著水稻的生長發(fā)育，從孕穗期到灌漿期，水稻葉片SOD、POD活性升高，上升幅度分別為108%～238%和14.3%～40.0%，CAT活性降低，下降幅度達48.0%～53.2%，表明水稻在生育后期通過提高SOD和POD活性，增強抗氧化能力以抑制其衰老，有利于光合產物的運轉和稻谷產量的提高。

圖1 水溶性有機肥料對水稻劍葉抗氧化酶活性的影響Figure 1 Effectsofwater-soluble organic fertilizeron antioxidant enzyme activities in flag leavesof rice

2.3 不同處理對水稻Cd吸收和分布的影響

由表3可知，噴施和基施水溶性有機肥料均可降低稻米Cd含量，但均未達顯著水平，稻米Cd含量超過國家安全標準（0.2mg·kg-1）。噴施處理（750倍和500倍液）稻米Cd降低率為19.3%和17.8%，基施處理（0.08mL·kg-1和0.16mL·kg-1）稻米Cd降低率為2.9%和15.0%，基施配合噴施處理稻米Cd降低率為10.2%和21.5%，以基施0.16mL·kg-1配合噴施750倍液處理稻米Cd含量降低幅度最大。

噴施和基施水溶性有機肥料，稻草Cd含量均高于對照，提高率為26.8%～99.1%。同一試驗處理，稻草Cd含量顯著高于稻米，是稻米的7.8～19.7倍。表明施用水溶性有機肥料可提高水稻對Cd的吸收，同時減少Cd向稻米轉移。

表3 水溶性有機肥料對稻米和稻草Cd含量的影響Table 3 Effectsofwater-soluble organic fertilizeron cadmium concentration of rice grain and straw

3 討論

大量研究表明，施用有機肥可有效提高作物產量[18-19]。李先等[20]、Zhao等[21]通過使用有機肥部分替代化肥試驗表明，施用有機肥可顯著提高水稻產量，有效減少化肥的使用量。本試驗采用的水溶性有機肥料，由植物源腐植酸配合大、中量及微量元素濃縮而成，能平衡調節(jié)作物生長發(fā)育、改善品質并提高產量，多次使用可減少化肥使用量20%～40%，作物增產10%～40%[15]。本研究結果表明，基施或噴施水溶性有機肥料均可提高稻谷產量，噴施以750倍稀釋液效果最好。500倍稀釋液因有機質濃度偏高，可能對葉面產生一定的傷害作用，故增產效果不明顯?；┮?.16mL·kg-1處理稻谷產量最高。本試驗供試的水溶性有機肥料，不僅含有一定量的有機質，還含有作物生長發(fā)育的必需營養(yǎng)元素，對提高作物產量具有促進作用，故基施數(shù)量增加，水稻增產幅度提高。

SOD、POD、CAT是細胞抵御活性氧傷害保護酶系統(tǒng)的主要組成部分。水稻在正常生長條件下，植株內的抗氧化酶與自由基的代謝基本維持平衡，而逆境或者衰老將會打破這種平衡，引起一系列抗氧化酶活性的變化。當植物受到Cd脅迫時，可通過誘導抗氧化酶活性的變化來保護植物免受逆境傷害，但因品種及作物的抗性而異[22-25]。史靜等[23]研究表明，當外界Cd濃度達到25mg·kg-1時，不論是低鎘品種還是高鎘品種均未受到明顯的毒害作用，水稻本身仍具備緩解Cd脅迫的功能；周利強等[26]研究表明，施用菜籽餅、豬糞等有機肥可通過增強根系清除超氧自由基的能力來緩解水稻劍葉受到的鎘脅迫，與對照相比水稻劍葉SOD活性降低，水稻總生物量增加；周爽等[27]研究表明，施用有機肥可緩解Cd對馬鈴薯的脅迫，降低SOD、POD的活性；馮圣東等[28]研究表明，在Hg污染土壤中，增施有機肥可有效減少SOD、POD的下降幅度，提高葡萄的抗逆性。本研究供試土壤全量Cd和有效態(tài)Cd含量高達4.04mg·kg-1和2.59mg·kg-1，噴施和基施水溶性有機肥料，水稻孕穗期和灌漿期葉片CAT、SOD、POD活性均低于對照，并未啟動抗氧化酶系統(tǒng)來應對逆境的脅迫，表明水溶性有機肥料增強了水稻的抗逆能力，減緩了Cd脅迫的傷害，可保證其正常生長發(fā)育，從而實現(xiàn)增產。

有機質含大量官能團和較大的比表面積，可強力吸附土壤中的Cd，腐植酸等大分子物質可與土壤中Cd形成螯合物，限制Cd的移動性[29]，富里酸等小分子物質可與土壤中Cd形成溶解度較大的絡合物，增加土壤Cd的有效性[30-31]。張麗娜等[32]研究表明，施用有機肥可通過降低土壤中有效態(tài)Cd含量來減少植株對Cd的吸收，從而降低水稻莖葉和糙米中Cd含量。但也有報道指出施用有機肥可提高土壤Cd的有效性[33-34]。本研究表明，施用水溶性有機肥料增加了水稻對土壤Cd的吸收，稻草Cd含量較對照提高了26.8%～99.1%，可能是施用水溶性有機肥料，提高了水稻的生理活性，增強了水稻的吸收能力，從而增加了對Cd的吸收量。此外，可能與水溶性有機肥中含有一定濃度的Zn2+和有機質等有關，Zn是Cd的同族元素，是土壤中Cd吸附位點的主要競爭者，Zn2+進入土壤溶液會與Cd2+競爭土壤的吸附位點，促進吸附態(tài)Cd的解析，增加土壤溶液中有效態(tài)Cd含量。水溶性有機肥料與普通有機肥料相比，有機質含量較低，且以小分子的富里酸為主，對養(yǎng)分元素和重金屬均有一定的活化能力。

水稻根系吸收的Cd會隨著生育期的延長部分轉移至莖葉，并最終進入籽粒中，糙米Cd含量主要取決于水稻植株吸Cd量和莖葉Cd向籽粒轉移的效率[35]。索炎炎等[36]研究表明，在2.5mg·kg-1Cd處理下，施用鋅肥增加了莖桿、葉片和糙米Cd含量，而在5.0 mg·kg-1Cd處理下，施用鋅肥增加了莖桿和葉片Cd含量，卻減少了糙米Cd含量。本研究表明，基施和噴施水溶性有機肥料，稻米Cd含量較對照降低2.9%～21.5%，其原因可能是植株吸收的Zn2+阻礙了稻草中的Cd向稻米轉移。這與索炎炎等[36]的試驗結果一致，其機理更值得深入探討和研究。

4 結論

（1）供試土壤條件下，基施和噴施水溶性有機肥料均能提高稻谷產量和千粒重，降低草谷比。由于基施用量遠大于噴施，從經濟效益角度出發(fā)，最適宜的噴施濃度為750倍稀釋液。

（2）供試土壤條件下，噴施和基施水溶性有機肥料可降低水稻孕穗期和灌漿期葉片SOD、POD、CAT活性，增強水稻的抗逆能力，阻止鎘脅迫的傷害。

（3）噴施和基施水溶性有機肥料會促進水稻對Cd的吸收，提高了稻草Cd含量，卻阻止Cd向籽粒中轉移，降低了稻米Cd含量。

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Effects of water-soluble organic fertilizer on yield of rice grain and cadm ium absorption in rice grain and straw

LIU Li-shan1,HUANGYun-xiang1*,HUANGChu-yu2,MANHai-yan1
（1.College of Resources and Environment,Hunan Agricultural University,Changsha 410128,China;2.Agricultural Science Research Institute ofQionghai,Hainan Province,Qionghai571429,China）

A pot experimentwas conducted to study the effects of water-soluble organic fertilizer on antioxidant enzyme activities in flag leavesand the absorption of cadmium（Cd）in rice grain and straw.The results showed that the yield of rice grain was increased,and the activity of SOD at the early booting stage（BBCH 41）and SOD,POD at the earlymilk stage（BBCH 73）were decreased significantly after applyingwater-soluble organic fertilizer.The Cd concentration in rice grain reduced by 2.9%～21.5%,while the Cd concentration in straw enhanced by 26.8%～99.1%.The treatmentof foliar application 750 times diluted water-soluble organic fertilizer caused the highest increase of rice grain yield up to 43.1%,and the Cd content in rice grain decreased to lowest concentration after the same foliarapplication combined with basal0.16mL·kg-1water-soluble organic fertilizer.

cadmium contaminated soil;water-soluble organic fertilizer;yield of rice grain;antioxidant enzyme;cadmium concentration in rice grain

S511

A

1672-2043（2017）05-0826-06

10.11654/jaes.2016-1509

2016-11-27

劉利杉（1992—），女，湖南寧鄉(xiāng)人，碩士研究生，主要從事土壤肥力與土壤環(huán)境污染控制研究。E-mail：632386510@qq.com

*通信作者：黃運湘E-mail：yxhuang63@163.com

劉利杉，黃運湘，黃楚瑜，等.水溶性有機肥料對水稻產量和鎘吸收的影響[J].農業(yè)環(huán)境科學學報,2017,36（5）：826-831.

LIU Li-shan,HUANGYun-xiang,HUANGChu-yu,etal.Effectsofwater-solubleorganic fertilizeron yield of ricegrain and cadmium absorption in ricegrain and straw[J].JournalofAgro-EnvironmentScience,2017,36（5）：826-831.