吳勇俊,張玉盛,楊小粉,鄭海飄,汪澤錢,肖 歡,敖和軍

(湖南農(nóng)業(yè)大學 農(nóng)學院/南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南 長沙 410128)

近年來，隨著我國工業(yè)的快速發(fā)展以及化石燃料的大量使用，環(huán)境污染問題日益嚴重[1]。鎘(Cd)等重金屬由于其較強的毒害性[2]，以及在農(nóng)作物中較高的積累量[3]，使得農(nóng)產(chǎn)品降Cd技術(shù)受到社會各界人士的廣泛關(guān)注。水稻是我國主要的糧食作物之一，同樣也是Cd吸收、富集能力最強的大宗谷類作物[4]。因此，稻米生產(chǎn)的安全性直接影響到人們的生活以及飲食安全[5]，如何解決稻米中Cd污染問題也是未來一段時間內(nèi)相關(guān)領域?qū)＜抑攸c研究的課題[6]。

目前，降低水稻Cd污染的途徑主要有2種，一是直接降低農(nóng)田土壤Cd的生物有效性[7-8]，或者采用其他Cd高富集植物來降低農(nóng)田土壤Cd含量[9-10]；二是作用于水稻本身，篩選、培育低Cd品種[11-13]，或采用葉面噴施阻控劑等措施降低稻米中的Cd含量[14-16]。這些方法均存在一定的弊端，例如：直接降低土壤Cd生物有效性所采用的化學法、吸附法以及施用葉面阻控劑等均會造成土壤結(jié)構(gòu)破壞、微量元素損失以及土壤復合污染，而種植Cd高富集植物以及篩選低Cd品種治理周期長、效果慢[17]。

水稻等長期生長于淹水條件下的水生植物在進化中獲得了抵抗重金屬污染的自我保護結(jié)構(gòu)根表鐵錳氧化物膜，而根系形成鐵猛氧化物膜的條件除了與植物種類以及品種特性有關(guān)以外，還與土壤中的Fe2+含量、Mn2+含量、溫度、Eh(氧化-還原電位)、pH值等因素相關(guān)[18]。施用氮肥作為水稻生產(chǎn)中常用的農(nóng)藝措施，對水稻產(chǎn)量等有極其重要的影響[19-21]。而不同氮肥形態(tài)、氮肥種類、氮磷鉀配比對農(nóng)田土壤的pH值、鐵錳形態(tài)以及Eh值等均存在顯著影響[22-25]。目前，關(guān)于肥料對水稻Cd污染的影響研究多集中于不同肥料類型對土壤Cd形態(tài)[26-27]、氮肥用量對水稻植株Cd積累的影響等方面[28]，關(guān)于氮肥運籌對水稻Cd吸收的影響研究較少。目前，僅聶凌利[29]研究發(fā)現(xiàn)，不同氮肥比例對水稻重金屬吸收與積累影響顯著，且在氮肥施用比例(基肥∶蘗肥∶穗肥)為6∶2∶2、4∶3∶3的情況下成熟期糙米Cd含量均較不施肥以及一次性基施處理顯著降低，但并未對水稻某一生育時期氮肥運籌對水稻Cd吸收的影響及其機制進行進一步探究。為此，從Cd含量、Cd的亞細胞分布以及鐵錳氧化物膜形成量等方面探究蘗肥運籌對水稻Cd吸收的影響及其機制，以期尋找到最佳的蘗肥施用時間，以有效降低水稻生育期內(nèi)Cd的吸收與轉(zhuǎn)運。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況及試驗材料

試驗于2018年在湖南省瀏陽市沿溪鎮(zhèn)花園村農(nóng)場大田栽培條件下進行，土壤Cd含量為(0.47±0.07)mg/kg，pH值為5.4±0.3。

水稻品種為株兩優(yōu)819(V1)以及陸兩優(yōu)996(V2)。

1.2 試驗設計

試驗采用隨機區(qū)組設計，設置4個氮肥處理(F2—F5)，各氮肥處理所施純氮量均為180 kg/hm2，以不施氮肥處理(F1)為對照。

4個氮肥處理中，F(xiàn)2—F4處理氮肥按基肥∶蘗肥∶穗肥為4∶4∶2的比例施用，蘗肥施用時間分別為移栽后7 d(F2)、移栽后14 d(F3)和移栽后21 d(F4)；F5處理氮肥按照基肥∶蘗肥∶穗肥為8∶0∶2的比例施用?；?、穗肥分別在移栽前1～2 d、幼穗分化始期施用，各處理(F1—F5)均于水稻生育期內(nèi)施750 kg/hm2過磷酸鈣(含P2O512%)、240 kg/hm2氯化鉀(含K2O 60%)，過磷酸鈣全部于移栽前1～2 d施用，氯化鉀于移栽前1～2 d以及幼穗分化始期各施50%。小區(qū)面積60 m2，每個小區(qū)的2個水稻品種以纖維繩隔開，小區(qū)間起壟做田埂，并覆蓋農(nóng)膜。水分管理采用全生育期淹水灌溉，其他栽培管理技術(shù)措施參考當?shù)貥藴省?/p>

1.3 測定項目及方法

1.3.1 產(chǎn)量 水稻成熟后，每個小區(qū)收割中心100穴，單獨脫粒曬干并風選后，稱籽粒質(zhì)量，計產(chǎn)。

1.3.2 植株及亞細胞Cd含量

1.3.2.1 植株 于成熟期，取水稻植株，洗凈后將其分為根、莖葉、籽粒，于105 ℃殺青30 min，再經(jīng)80 ℃烘干至恒質(zhì)量。將籽粒打成糙米，并將烘干后的糙米、根、莖葉用不銹鋼粉碎機粉碎，過100 mm篩，采用濃硝酸與高氯酸(V硝酸∶V高氯酸=4∶1)濕法消解，使用ICP-MS測定樣品Cd含量。采用同樣的方法測定分蘗期水稻根、莖、葉Cd含量。

1.3.2.2 亞細胞 采用分級離心法測定細胞壁、細胞器及細胞液Cd含量。于分蘗期(移栽后28 d)，取水稻根、莖、葉，剪成1～2 mm2細塊，分別稱取4 g樣品，置于研缽中，加入40 mL預冷的提取緩沖液[蔗糖250 mmol/L、Tris-HCl(pH值7.4)50 mmol/L、DTT 1 mmol/L]充分研磨成勻漿液，先后以3 000、15 000 r/min冷凍離心分離細胞壁、細胞器、細胞液，采用濃硝酸與高氯酸(V硝酸∶V高氯酸=4∶1)濕法消解，然后用ICP-MS測定各部位細胞壁、細胞器、細胞液Cd含量。

1.3.3 鐵錳氧化物膜形成量及其表面吸附的Cd含量 按照1.3.2.2中方法采集水稻根，剪成約1 cm并混勻，稱1 g鮮根，采用連二亞硫酸鈉-檸檬酸鈉-重碳酸鈉(DCB)法提取鐵錳氧化物及其所吸附的Cd。具體如下：加入0.3 mol/L Na3C6H5O7·2H2O與1.0 mol/L NaHCO3的混合溶液及3.0 g Na2S2O4，在振蕩機(溫度25 ℃，轉(zhuǎn)速280 r/min)上振蕩3 h，提取根表鐵錳氧化物及其所吸附的Cd，過濾定容后，用ICP-MS測定濾液中的Fe、Mn、Cd含量。將提取后的根沖洗干凈，在105 ℃殺青30 min，85 ℃烘干至恒質(zhì)量，根表鐵錳氧化物膜形成量分別用干根中的Fe、Mn含量表示。

1.4 數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計分析

采用Excel 2013和SAS 9.4進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，用LSD法進行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 蘗肥運籌對水稻植株Cd積累及籽粒產(chǎn)量的影響

2.1.1 分蘗期 由表1可知，不同蘗肥施用時期對水稻分蘗期各部位Cd含量存在一定影響。2個品種各部位Cd含量均以F1處理最高。在所有蘗肥處理中，株兩優(yōu)819根和葉的Cd含量均以F4處理最低，分別為0.36 mg/kg和0.14 mg/kg，且隨著蘗肥施用時間的推遲，均表現(xiàn)出Cd含量逐漸降低的趨勢，F(xiàn)4處理較F2處理分別降低了46.27%和41.67%，莖Cd含量變化趨勢相反；株兩優(yōu)819莖Cd含量以F2處理較低，為0.08 mg/kg，與其他蘗肥處理間差異均不顯著。在所有蘗肥處理中，陸兩優(yōu)996各部位Cd含量變化趨勢與株兩優(yōu)819相同，即根和葉的Cd含量均隨蘗肥施用時間的推遲而降低，莖Cd含量則上升。由表1可以看出，與F1處理相比，不施分蘗肥、增大基肥用量均能達到降低分蘗期各部位Cd含量的目的。

表1 蘗肥運籌對分蘗期水稻各部位Cd含量的影響Tab.1 Effect of tillering fertilizer management on Cdcontent in various parts of rice at tillering stage mg/kg

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示同一品種不同處理間差異達到0.05顯著水平，下同。

Note:Different lowercase letters after the same data indicate that the differences among the different treatments of the same variety reached 0.05 significant level，the same as below.

2.1.2 成熟期 由表2可知，成熟期，株兩優(yōu)819根Cd含量以F1處理最高，顯著高于其他處理，其他處理之間的差異均不顯著，F(xiàn)5處理次之，F(xiàn)2處理最低；莖葉以及糙米Cd含量與根類似，均以F1處理最高，莖葉Cd含量以F4處理最低，F(xiàn)2—F5處理間無顯著差異；各氮肥處理糙米Cd含量以F5處理最高，為0.15 mg/kg，顯著高于施蘗肥處理，各蘗肥處理中以F3處理降Cd能力最強，Cd含量為0.07 mg/kg。株兩優(yōu)819產(chǎn)量以F3處理最高，為4 093.75 kg/hm2，顯著高于F1和F5處理，與F2和F4處理間的差異均不顯著。

陸兩優(yōu)996根Cd含量以F1處理最高，為3.98 mg/kg，顯著高于其他處理，而各蘗肥處理間差異均不顯著；莖葉Cd含量變化規(guī)律與根相似，表現(xiàn)為F1>F5>F3>F4>F2；糙米中Cd含量以F4處理最低，為0.14 mg/kg，顯著低于其他處理，分別較F1、F2、F3、F5處理降低51.72%、36.36%、30.00%、41.67%；F2—F5處理產(chǎn)量均顯著高于F1處理，提高幅度為59.68%～68.95%，而F2—F5處理產(chǎn)量間差異均不顯著。

表2 蘗肥運籌對成熟期水稻各部位Cd含量及產(chǎn)量的影響Tab.2 Effects of tillering fertilizer management on Cd content of each tissue and yield of rice at mature stage

2.2 蘗肥運籌對水稻亞細胞Cd含量的影響

不同蘗肥運籌對2個水稻品種分蘗期亞細胞Cd含量的影響如圖1所示，由于水稻對Cd的解毒機制包括細胞壁的固定以及液泡區(qū)隔化[30]，故供試的2個品種Cd的亞細胞分布表現(xiàn)為細胞壁>細胞液>細胞器。

不同小寫字母表示同一部位不同處理間差異顯著(P<0.05)Different lowercase letters indicate that the differences among different treatments of the same tissue reach 0.05 significant level圖1 蘗肥運籌對分蘗期水稻亞細胞Cd含量的影響Fig.1 Effects of tillering fertilizer management on subcellular Cd content of rice at tillering stage

從水稻不同部位細胞壁的Cd分布情況來看(圖1)，2個水稻品種根細胞壁中Cd含量均以F2處理最低，分別為0.44、0.37 mg/kg，顯著低于F1處理，其他3個處理間的差異均不顯著；株兩優(yōu)819莖、葉細胞壁Cd含量除F4處理莖較低，達到0.091 mg/kg外，其余各處理間差異均不顯著；陸兩優(yōu)996莖、葉細胞壁Cd含量均以F1處理最高，F(xiàn)5處理最低，且隨分蘗肥施用時間的推遲，Cd含量總體呈現(xiàn)上升的趨勢。

由圖1可知，施用氮肥有利于水稻各部位細胞器Cd含量的降低。隨著蘗肥施用時間的推遲，株兩優(yōu)819根以及陸兩優(yōu)996莖細胞器Cd含量均呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢，且F3處理顯著低于F5處理；陸兩優(yōu)996根細胞器Cd含量呈現(xiàn)降低趨勢，株兩優(yōu)819莖、葉及陸兩優(yōu)996葉細胞器Cd含量均無顯著變化。

施用氮肥同樣有利于水稻分蘗期各部位細胞液Cd含量的降低，且隨蘗肥施用時間的推遲，2個水稻品種根細胞液Cd含量均呈現(xiàn)降低的趨勢，以F4處理最低，分別為0.28、0.48 mg/kg。對于2個品種根細胞液來說，均以F5處理降Cd效果最好；對于葉細胞液來說，隨著蘗肥施用時間的推遲，Cd含量增加，且陸兩優(yōu)996增加趨勢明顯，而F5處理Cd含量與各蘗肥處理間差異均不顯著；對于莖細胞液來說，株兩優(yōu)819以F2、F4處理Cd含量較低，而陸兩優(yōu)996以F2、F4、F5處理較低。

2.3 蘗肥運籌對水稻根表鐵錳氧化物膜形成量及其表面吸附Cd含量的影響

由圖2可知，根表鐵錳氧化物膜形成量(用Fe、Mn含量表示)在不同處理和品種間均存在明顯差異。株兩優(yōu)819根表Fe含量以F3處理最高，為59.15 g/kg，顯著高于其他處理，其次為F4處理，F(xiàn)2、F1處理較低；不同處理陸兩優(yōu)996根表Fe含量間的差異均達到顯著水平，表現(xiàn)為F4>F3>F5>F2>F1,即隨著蘗肥施用時間的延遲，F(xiàn)e含量顯著增加，F(xiàn)4處理最高，達103.89 g/kg。株兩優(yōu)819根表Mn含量以F2處理最高，顯著高于其他處理，F(xiàn)1處理最低，F(xiàn)2—F5處理分別較F1處理增加了102.46%、32.50%、64.51%、63.93%；而陸兩優(yōu)996根表Mn含量表現(xiàn)為F3>F2>F4>F5>F1，以F3處理最高，為148.74 mg/kg，顯著高于除F2處理外的其他處理。

不同小寫字母表示不同處理間差異顯著Different lowercase letters indicate that the differences among different treatments reach 0.05 significant level圖2 蘗肥運籌對分蘗期水稻根表鐵錳氧化物膜形成量及其表面吸附Cd含量的影響Fig.2 Effects of tillering fertilizer management on formation amount of iron and manganese oxide film and content of Cd absorbed by its surface on rice root surface at tillering stage

水稻根表鐵錳氧化物膜上所吸附的Cd含量在不同處理和品種間也均存在差異。2個水稻品種根表鐵錳氧化物膜上所吸附的Cd含量均表現(xiàn)為氮肥處理高于不施氮肥處理，均以F2、F3處理較高，分別為0.028 2、0.026 9 mg/kg和0.032 4、0.034 1 mg/kg，隨后依次為F4、F5處理，分別為0.022 0、0.021 6 mg/kg和0.029 3、0.027 5 mg/kg。

3 結(jié)論與討論

施用氮肥能使水稻分蘗期各部位Cd含量降低。各蘗肥處理對分蘗期水稻各部位的降Cd效果不同，根、葉均以F4處理降Cd效果最好。從本研究的2個品種來看，根、葉的Cd含量均隨著蘗肥施用時間的推遲呈現(xiàn)降低的趨勢，而莖總體相反，且F5處理同樣能降低水稻各部位Cd含量，參考聶凌利[29]研究結(jié)果，當基肥∶蘗肥∶穗肥比例為4∶3∶3與6∶2∶2時均能降低糙米Cd含量，這可能是由于基蘗肥施用間隔時間較短，且F5處理基肥量較高所導致。

從成熟期產(chǎn)量以及各部位Cd含量來看，施用氮肥可增加水稻產(chǎn)量，尤其是F3處理；施用蘗肥以及適當加大基肥用量總體均能顯著降低水稻根、莖葉以及糙米的Cd含量。F2—F5處理間根、莖葉Cd含量均無顯著差異，而糙米Cd含量因品種不同而不同，各施肥處理的降Cd能力也存在差異，株兩優(yōu)819糙米Cd含量以F3處理最低，且產(chǎn)量以F3處理最高；陸兩優(yōu)996糙米中Cd含量以F4處理最低，只有0.14 mg/kg，顯著低于其他處理。結(jié)合產(chǎn)量以及糙米Cd含量來看，于移栽后14～21 d施用蘗肥效果較佳。

從分蘗期各部位、各亞細胞組分對Cd的積累情況來看，不同處理對不同品種、不同部位以及不同亞細胞組分Cd含量均存在不同程度的影響?？傮w來看，由于細胞壁和細胞液對Cd的固定和區(qū)隔化作用[30]，二者的Cd含量遠遠高于細胞器，施用蘗肥以及適當增大基肥用量均能降低水稻各部位各亞細胞組分的Cd含量。

水稻分蘗期鐵錳氧化物膜形成與基蘗肥的施用相關(guān)，鐵氧化物膜形成量遠高于錳氧化物膜。研究表明，錳氧化物膜的重金屬吸附能力遠高于鐵氧化物膜[31]。本研究發(fā)現(xiàn)，各施肥處理鐵錳氧化物膜形成量出現(xiàn)互補的情況，例如：蘗肥處理中2個品種均以F2處理Fe含量最低，即鐵氧化物膜形成量最低，但錳氧化物膜形成量卻較高。施用蘗肥能明顯增加水稻根表鐵錳氧化物膜形成量，故而使得Cd吸附量較高，高于只施基肥處理和不施肥處理。

由本研究可知，在水稻生育期施用氮肥能增加水稻鐵錳氧化物膜形成量，從而降低分蘗期、成熟期各部位Cd含量，而結(jié)合聶凌利[29]的研究結(jié)果可知，單純只施基肥不利于成熟期糙米Cd含量的降低，故而在水稻生產(chǎn)中應根據(jù)品種特性，于移栽后14～21 d施用分蘗肥，以達到降低糙米Cd含量、提高水稻產(chǎn)量的目的。