管文文，戴其根，張洪程，尹雪斌

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硒肥對水稻生長及其重金屬累積的影響①

管文文1,2，戴其根1*，張洪程1，尹雪斌2*

(1 揚(yáng)州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225009；2 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)蘇州研究院功能農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實驗室，江蘇蘇州 215123)

以大田水稻作為研究對象，分析了不同硒肥量對水稻生長特性及重金屬(砷、鉻、鎘、鉛)累積的影響，探討了通過施硒降低重金屬在水稻可食部分含量的可行性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：施用不同量硒肥(30、60 和120 kg/hm2)對水稻分蘗數(shù)、株高、單株干物重和產(chǎn)量有促進(jìn)作用，但差異不顯著。施用120 kg/hm2硒肥顯著增加了大米中的總硒、無機(jī)硒及有機(jī)硒的含量，并使有機(jī)硒比例增加了16.6%。施用120 kg/hm2硒肥有效抑制了水稻穗部鉻和鎘的累積量(53% 和45%)，而對鉛無明顯抑制作用。施用硒肥促進(jìn)了硒向精米、糠中轉(zhuǎn)移，同時有效降低了精米中鎘、鉻、鉛的累積量。

硒；肥料；水稻；重金屬

隨著工業(yè)化、城市化、農(nóng)業(yè)集約化的快速發(fā)展，大量未經(jīng)處理的廢棄物向土壤系統(tǒng)轉(zhuǎn)移，并在自然因素的作用下匯集、殘留于土壤環(huán)境中，造成農(nóng)田土壤環(huán)境污染。自然界重金屬可以通過礦區(qū)、冶煉、工業(yè)“三廢”等途徑進(jìn)入農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，從而對生態(tài)系統(tǒng)和人體健康產(chǎn)生嚴(yán)重威脅[1]。據(jù)統(tǒng)計，我國總的土壤點(diǎn)位超標(biāo)率為16.1%，其中以重金屬污染為代表的無機(jī)型污染占全部超標(biāo)點(diǎn)位的82.8%[2]。近年來，重金屬(銅、鋅、鉛、鎘、鉻、砷等)污染日益受到公眾的廣泛關(guān)注。

硒是人體所必需的微量營養(yǎng)元素之一，是體內(nèi)抗氧化酶的重要組成部分，具有增強(qiáng)人體免疫力、預(yù)防心血管疾病、抗衰老以及抗癌等作用[3]。近年來，有研究發(fā)現(xiàn)硒能夠與重金屬(如鎘、砷、汞等)產(chǎn)生拮抗效應(yīng)，減輕其對植物的毒害作用，降低植物的重金屬積累[4]。賀前鋒等[5]研究了不同富硒肥料對鎘污染稻田稻米降鎘富硒的效果，認(rèn)為噴施富硒肥可使稻米達(dá)到增硒降鎘的作用，但不同肥料的效果不同，且相同肥料在不同地點(diǎn)施用其結(jié)果也存在差異。有研究表明，在適宜的濃度下硒能抵抗鎘、鉛、汞等重金屬對植物的毒害，降低植物對重金屬元素的吸收積累[6]。

為了進(jìn)一步探討硒對重金屬的調(diào)控作用，本研究選取大田種植的水稻作為對象，分析硒肥對水稻生長特性及穗部重金屬(砷、鉻、鎘、鉛)累積的影響，為生物強(qiáng)化生產(chǎn)富硒農(nóng)產(chǎn)品及調(diào)控硒的安全水平提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗于蘇州市橫涇街道水稻示范區(qū)進(jìn)行。供試水稻品種為南粳46號，供試土壤為黃泥土，其基本理化性質(zhì)見表1。含硒肥料由蘇州硒谷科技有限公司提供，總硒含量為5 000 mg/kg。

表1 試驗土壤的理化性質(zhì)

1.2 試驗設(shè)計

田間試驗采取完全隨機(jī)設(shè)計，設(shè)置1個對照(CK，不施硒肥)和3個硒肥水平(以單質(zhì)硒計)(Se30：30 kg/hm2；Se60：60 kg/hm2；Se120：120 kg/hm2)，每個小區(qū)面積為667 m2，每處理重復(fù)3次。根據(jù)GB/T 22499—2008[7]，本研究謹(jǐn)慎地選擇了硒肥量，以確保稻米硒含量小于0.300 mg/kg。水稻于2015年5月23日播種，6月11日移栽。于水稻苗期(2015年6月17日)，將含硒肥料通過與尿素混合施入稻田。其他栽培管理措施統(tǒng)一按常規(guī)栽培要求實施。

1.3 水稻生物學(xué)數(shù)據(jù)采集

分別在水稻分蘗前期、分蘗后期、孕穗期、灌漿期和成熟期觀察莖蘗生長動態(tài)。每塊試驗田取3 ~ 5株水稻重復(fù)測量株高、干物質(zhì)量等。水稻收獲后測定實際產(chǎn)量，并將水稻穗分為精米、糠、穎殼和枝梗等部分分別測定。

1.4 硒和其他重金屬的測定

取0.2 g左右的樣品，置于三角瓶中，用濃硝酸和高氯酸混合酸(4∶1，/)消解。在AFS-9230型原子熒光分光光度計(吉天，北京)上測定硒和砷的含量[8]。用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)測定鉻、鎘及鉛含量。每批樣品用空白和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GBW 07603-GSV-2)控制數(shù)據(jù)質(zhì)量。

1.5 精米中無機(jī)硒和有機(jī)硒的測定

稱取粉碎后樣品2.0 g于錐形瓶中，加水超聲30 min，再加熱微沸20 min，轉(zhuǎn)移至離心管10 000 r/min離心1 h。取上清液用環(huán)己烷萃取后，按照總硒測定步驟測定樣品中無機(jī)硒含量，同時測定樣品總硒含量，差減后得到有機(jī)硒含量[8]。

2 結(jié)果與分析

2.1 施硒對水稻莖蘗動態(tài)及株高的影響

如表2所示，在不同的生育期3個施硒處理(Se30、Se60和Se120)的水稻分蘗數(shù)均高于對照(CK)。隨著施硒量的增加，水稻分蘗數(shù)也呈現(xiàn)增高的趨勢，在孕穗期和灌漿期，Se120處理與CK差異顯著。

表2 硒肥用量與水稻群體分蘗數(shù)的關(guān)系

注：同列不同字母表示各處理在<0.05水平差異顯著，下同。

由表3可見，水稻株高隨著生長時間的增加而不斷增高，在灌漿期達(dá)到最高，到成熟期有所下降，3個施硒處理之間無顯著差異。在孕穗期，Se120處理的株高比CK顯著增加5.3 cm。

表3 硒肥用量與水稻株高的關(guān)系

2.2 施硒對水稻干物質(zhì)重及產(chǎn)量的影響

由表4可見，隨著水稻的生長，水稻干物質(zhì)量逐漸上升，并隨施硒量的增加而增加。在分蘗期，Se120處理較CK顯著增加50.4 kg/667m2。在孕穗期、灌漿期和成熟期，3個施硒肥處理的水稻干物質(zhì)量均高于CK，但相互之間差異不顯著。CK處理水稻的產(chǎn)量為545.4 kg/667m2，Se30、Se60、Se120處理的產(chǎn)量分別為570.1、572.4 kg和584.6 kg/667m2，施用硒肥對水稻有一定的增產(chǎn)效果，但無顯著差異。

表4 硒肥用量對水稻干物質(zhì)量及產(chǎn)量的影響

2.3 大米中硒的組成

由表5可見，CK處理大米的總硒含量為42.0 μg/kg，Se120處理大米的總硒含量為171.1 μg/kg，比CK處理提高了300%，說明施用硒肥能夠顯著提高稻米中總硒含量。施用硒肥使大米里的無機(jī)硒從13.1 μg/kg增加到25.4 μg/kg，增加了94%。同時，有機(jī)硒含量從28.9 μg/kg增加到145.7 μg/kg，提高了400%。CK處理中稻米有機(jī)硒占總硒的68.6%，而Se120處理中則達(dá)到85.2%。

2.4 水稻穗部硒、砷、鉻、鎘、鉛的累積量

由表6可見，Se120處理水稻穗部精米、糠、穎殼、枝梗中硒累積量均高于CK，分別是CK的4.6倍、6.9倍、2.6倍和2.5倍。在所有部位中，精米中的硒累積量比例最大，CK和Se120處理分別為45.8% 和52.6%；枝梗中硒累積量的比例最小，CK和Se120處理分別為9.0% 和5.5%。

表5 稻米中不同形態(tài)硒的含量(μg/kg)

表6 水稻穗部硒、砷、鉻、鎘、鉛的累積量

與硒的分布不同，砷大多聚集在水稻穎殼中(CK和Se120處理分別為72.7% 和70.3%)，而在精米中未檢出。雖然Se120處理使糠和穎殼含砷的百分比有所降低，而枝梗中砷的比例增加，但CK和Se120處理在水稻穗部的砷累積量沒有顯著差異。

CK處理中，精米、糠中鉻的累積分別為38.8% 和10.6%，而在Se120處理中，精米、糠中均檢測不到鉻的累積。枝梗中鉻累積百分比變化不大，而穎殼中鉻累積百分比從46.6% 增加到96.9%。

鎘在精米中累積百分比最高，分別為35.0%(CK)和47.2%(Se120)。施用硒肥后，硒抑制穗部鎘的吸收累積由0.207 μg/株下降到0.114 μg/株，總量比CK下降了45%，精米中鎘的累積下降25%。但是精米、糠中的鎘累積百分比分別增加12.2% 和6.3%，而穎殼和枝梗鎘占百分比降低了14.1% 和4.0%。

硒肥處理對穗部鉛的累積沒有抑制作用，鉛累積量反而略微增加(0.05%)。鉛主要累積在穎殼中，分別為77.1%(CK)和74.5%(Se120)。施用硒肥后，精米、穎殼、枝梗中的鉛累積百分比都有所下降，而糠中鉛累積百分比上升了10.1%。

3 討論

3.1 硒肥對水稻產(chǎn)量和生物學(xué)指標(biāo)的影響

關(guān)于施用外源硒對作物產(chǎn)量和生物量的影響方面有兩種不同的觀點(diǎn)：一種觀點(diǎn)認(rèn)為，適量施用外源硒可以增加作物產(chǎn)量或提高其生物量，原因是適量施硒能增加土壤有效硒含量，有利于土壤有效磷、鉀含量的提高，改善土壤肥力，從而影響作物對養(yǎng)分的吸收利用[9]；另一種觀點(diǎn)認(rèn)為，施硒對作物產(chǎn)量和生物量無顯著影響[10]。本研究結(jié)果顯示，土壤施用硒肥使水稻產(chǎn)量、生物量、分蘗數(shù)和株高都有所增加，且與施硒量呈現(xiàn)較穩(wěn)定的同步增加趨勢，但處理之間的差異不顯著，這與劉慶等[11]在玉米上的研究結(jié)果相似?？赡苁怯捎诒狙芯渴┪绞綖橥寥阑└晃柿?，有效態(tài)硒含量較低，加之土壤的固持作用，所以即使施硒量較高，但施硒并未對水稻的產(chǎn)量和生物量產(chǎn)生顯著影響。

3.2 硒肥與精米中硒形態(tài)

天然植物中硒主要以無機(jī)硒和有機(jī)態(tài)硒存在，無機(jī)硒在體內(nèi)的吸收、利用率低且毒性較大，中毒劑量與人體需要量非常接近，因而其使用量被嚴(yán)格限制。與無機(jī)硒相比，有機(jī)硒的最大特點(diǎn)是人體吸收、利用率高，生物活性強(qiáng)，副作用小[12]。因此有機(jī)硒含量是補(bǔ)硒產(chǎn)品的主要評價指標(biāo)。陳歷程等[13]研究發(fā)現(xiàn)，外源硒能顯著提高大米的含硒量和有機(jī)硒含量及比例。本研究也發(fā)現(xiàn)，土壤施用硒肥不但提高了稻米中總硒的含量，還顯著提高了有機(jī)硒的含量，說明施用硒肥能促進(jìn)植株對硒的吸收利用。

陳金等[14]研究發(fā)現(xiàn)，在高硒土壤上高硒和低硒大豆品種的籽粒中有機(jī)硒含量都高達(dá)95%，但是在低硒土壤上高硒和低硒大豆品種都分別下降73% 和30%。與此相似，本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不施硒肥(低硒)處理中稻米有機(jī)硒含量占總硒的68.6%，而高硒(120 kg/hm2)處理中稻米有機(jī)硒百分比為85.2%，表明高硒土壤有利于稻米中有機(jī)硒的合成。

3.3 硒與砷、鉻、鎘、鉛之間的互相作用

硒在提高植物抗逆性、緩解重金屬脅迫以及阻礙植物對重金屬吸收等方面有著重要作用，但其機(jī)制尚不明確。Van和Clijsters[15]認(rèn)為重金屬離子抑制原葉綠素酸酯還原酶活性，最終嚴(yán)重影響植物光合作用。加硒培養(yǎng)，鉻毒害水稻幼苗的病癥減輕，這可能是硒與重金屬等污染元素之間多表現(xiàn)為拮抗關(guān)系，硒能增強(qiáng)植物對重金屬、環(huán)境污染物和生理逆境的抵抗力[16]。

本研究結(jié)果顯示，硒肥的施用能有效降低穗部鉻和鎘的累積量，分別降低了53% 和45%。而對鉛無明顯抑制作用。硒可以減輕鎘脅迫對水稻幼苗生長的抑制作用，提高葉片葉綠素含量，增加葉片干物質(zhì)積累，且有效保護(hù)酶活性[17-18]。高硒能夠明顯降低植株內(nèi)鎘的含量[19]。周大寨等[20]研究表明適量的硒對水稻幼苗生長發(fā)育有促進(jìn)作用，且有拮抗重金屬鉛傷害的作用。譚周磁等[21]研究結(jié)果表明，施硒后稻米中鉛、鎘、鉻含量均有不同程度的降低(10.98% ~ 42.56%)。

本研究施用硒肥能顯著增加水稻穗部硒和砷的累積量，分別增加了260% 和85%。由于硒、砷之間較大的化學(xué)親合力，它們在植物體內(nèi)可能生成一種較穩(wěn)定、毒性低的硒-砷復(fù)合物，從而減輕砷對抗氧化酶活性的抑制作用，減輕活性氧自由基對植物的損傷[5]。

4 結(jié)論

1) 施用硒肥對水稻分蘗、株高、干物質(zhì)量有一定的促進(jìn)作用，且有一定的增產(chǎn)效應(yīng)，但差異不顯著。硒肥能夠顯著提高大米的總硒、無機(jī)硒及有機(jī)硒含量，且使有機(jī)硒占總硒比例增加。

2) 土壤施用硒肥能有效抑制精米中鉻、鎘等重金屬的含量，提高稻米品質(zhì)。

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Effect of Selenium Fertilization on Rice Growth and Accumulation of Heavy Metals in Rice ()

GUAN Wenwen1,2, DAI Qigen1*, ZHANG Hongcheng1, YIN Xuebin2*

(1 College of Agricultural Science, Yangzhou University, Yangzhou, Jiangsu 225009, China; 2 Key Laboratory of Functional Agriculture, Suzhou Institute for Advanced Study, University of Science and Technology of China, Suzhou, Jiangsu 215123, China)

A filed experiment was conducted to explore the effects of different Se fertilization rates on rice growth and the accumulation of heavy metals (As, Cr, Cd, Pb) in rice and to disclose the feasibility to reduce the contents of heavy metals in the edible part of rice by Se fertilization. The results showed that selenium fertilization increased rice plant tillering, height and dry matter weight, but no significant differences existed in different Se fertilization treatments (30, 60, 120 kg/hm2). Selenium fertilization had certain stimulation effect on rice yield. Selenium fertilization significantly improved the contents of total selenium, and inorganic and organic selenium in rice, which were increased by 300%, 94% and 400%, respectively, among of which, the proportion of organic selenium increased from 68.6% to 85.2%. Selenium fertilization significantly increased the accumulation of Se and As in rice panicle by 260% and 85%, respectively, and significantly inhibited the accumulation of Cr an Cd by 53% and 45%, respectively. But there was no significant inhibitory effect on Pb (0.05%). So Se fertilization can promote Se be transported to millde rice and bran, and can inhibit As be transferred from the branches to husk and bran. At the same time, selenium fertilization can effectively inhibit the accumulation of Cr, Cd and Pb in milled rice.

Selenium (Se); Fertilizer; Rice; Heavy metal

廣西創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展專項資金項目(桂科AA17202026-7，桂科AA17202044-1，桂科AA17202026-6，桂科AA17202027-3，桂科AA17202019-2，桂科AA17202010，桂科AA17202038-1)資助。

(qgdai2000@126.com；xbyin@ustc.edu.cn)

管文文(1983—)，女，江蘇連云港人，博士研究生，主要從事功能水稻栽培研究。E-mail: guanww007@163.com

10.13758/j.cnki.tr.2018.06.017

S511

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