楊蕾靜，黃運(yùn)湘，向艷艷，黃 煌，劉利杉

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128)

鎘(Cd)是一種移動(dòng)性大、毒性持久且具有致突變、致畸、致癌作用的劇毒元素[1-3]。近年來(lái)，由于采礦、冶金、施肥不當(dāng)、污水灌溉以及垃圾焚燒等導(dǎo)致土壤重金屬污染嚴(yán)重，其中耕地土壤Cd污染超標(biāo)居首位[4]。水稻是我國(guó)的主要糧食作物，保證其產(chǎn)量和質(zhì)量對(duì)保障國(guó)家糧食安全具有重要意義。Cd易被水稻根系吸收，進(jìn)而通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體，對(duì)人體健康造成嚴(yán)重影響。目前，關(guān)于農(nóng)田土壤重金屬污染的修復(fù)技術(shù)措施很多，但以農(nóng)藝措施為主，如調(diào)節(jié)土壤pH值，施用鈍化調(diào)理劑、葉面調(diào)控劑、微量元素等均具有較好的修復(fù)效應(yīng)[5-28]。研究表明，稻米Cd含量與土壤有效態(tài)Cd含量呈極顯著正相關(guān)，與土壤有效鋅(Zn)含量呈極顯著負(fù)相關(guān)[29]；噴施Zn肥均能緩解水稻受到的Cd脅迫，降低水稻對(duì)Cd的吸收，從而降低水稻各部位Cd含量[30-34]。但上述研究均使用的是無(wú)機(jī)Zn。前期研究表明，噴施有機(jī)水溶肥料可提高稻谷產(chǎn)量,降低稻米Cd含量[35]。但有關(guān)葉面噴施有機(jī)水溶肥Zn對(duì)水稻Cd吸收轉(zhuǎn)運(yùn)的影響研究尚未見(jiàn)報(bào)道。為此，通過(guò)盆栽試驗(yàn)，以Cd超標(biāo)水稻土為供試土壤，探討葉面噴施無(wú)機(jī)Zn和有機(jī)水溶肥Zn對(duì)水稻生長(zhǎng)及Cd吸收轉(zhuǎn)運(yùn)的影響，并確定其最佳噴施濃度，為Cd超標(biāo)農(nóng)田的修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試土壤為紫色頁(yè)巖風(fēng)化物發(fā)育的紫泥田，含有機(jī)質(zhì)40.00 g/kg、全N 1.88 g/kg、全P 0.53 g/kg、全K 16.60 g/kg、堿解N 182.00 mg/kg、有效P 12.20 mg/kg、速效K 107.00 mg/kg、全量Cd 1.34 mg/kg、有效態(tài)Cd 0.78 mg/kg，pH值為6.94。

供試水稻品種為湘早秈32號(hào)，為湖南省益陽(yáng)市農(nóng)科所選育的常規(guī)中熟早秈品種，生育期約106 d。

水溶性有機(jī)肥料由廣西噴施寶股份有限公司提供，此肥料是采用高新技術(shù)將甘蔗糖蜜進(jìn)行深加工，與Zn、K等營(yíng)養(yǎng)元素螯合而成的水劑，主要成分:有機(jī)質(zhì)≥110 g/L、N+P2O5+K2O≥170 g/L、Mn+Zn+B= 30～50 g/L，Cd、Pb未檢出。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

盆栽試驗(yàn)于2016年在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院教學(xué)實(shí)習(xí)基地進(jìn)行。選擇高22 cm、直徑22.5 cm的塑料盆，每盆裝6 kg土。試驗(yàn)設(shè)計(jì)7個(gè)處理：不施Zn(對(duì)照，CK)、1 g/L ZnSO4(InZn-1)、2 g/L ZnSO4(InZn-2)、3 g/L ZnSO4(InZn-3)、1 g/L有機(jī)水溶肥Zn(PSBZn-1,來(lái)源于水溶性有機(jī)肥料,下同)、2 g/L有機(jī)水溶肥Zn(PSBZn-2)、3 g/L有機(jī)水溶肥Zn(PSBZn-3)處理。每處理重復(fù)3次，共21個(gè)處理，采用葉面噴施的方法進(jìn)行，對(duì)照噴施清水。每處理氮、磷、鉀肥施用量一致，均為N 0.10 g/kg、P2O50.05 g/kg、K2O 0.13 g/kg，氮、磷、鉀肥分別為尿素、磷酸二氫鉀、氯化鉀，全部作基肥施用。選擇長(zhǎng)勢(shì)一致的生長(zhǎng)30 d的秧苗進(jìn)行移栽，每盆移栽3株。分別于5月11日(始蘗期)、6月6日(始穗期)、6月20日(灌漿期)葉面噴施有機(jī)水溶肥Zn和ZnSO4，每次均按照上面各處理的噴施質(zhì)量濃度進(jìn)行，以正反葉面完全濕潤(rùn)為準(zhǔn)。其他栽培管理措施按當(dāng)?shù)卮筇锷a(chǎn)習(xí)慣。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 生長(zhǎng)發(fā)育指標(biāo) 分別于5月9日(分蘗期)、6月11日(孕穗期)、7月13日(成熟期)調(diào)查水稻株高和分蘗數(shù)。

1.3.2 生物量和稻谷產(chǎn)量 收割后，每處理按盆稱(chēng)取根、莖、葉和稻谷的質(zhì)量，取平均值。

1.3.3 Zn、Cd含量 收割后，取適量根、莖、葉、稻殼、糙米烘干粉碎，采用HNO3-HClO4濕灰化—電感耦合等離子發(fā)射光譜法測(cè)定Cd、Zn含量[36]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2010進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，運(yùn)用SPSS 19.0進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 葉面噴施有機(jī)水溶肥Zn與無(wú)機(jī)Zn對(duì)水稻生長(zhǎng)發(fā)育的影響

由表1可知，葉面噴施1～2 g/L有機(jī)水溶肥Zn和無(wú)機(jī)Zn總體上均可促進(jìn)孕穗期、成熟期水稻生長(zhǎng)發(fā)育，但均未達(dá)到顯著水平。其中，以2 g/L無(wú)機(jī)Zn和有機(jī)水溶肥Zn效果較好。葉面噴施3 g/L有機(jī)水溶肥Zn和無(wú)機(jī)Zn時(shí)，對(duì)水稻生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生一定的抑制作用。

表1 不同處理水稻的生長(zhǎng)發(fā)育情況 Tab.1 Growth and development of rice of different treatments

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫(xiě)字母表示不同處理間的差異達(dá)到顯著水平(P<0.05),下同。

Note:The different lowercase letters after data of the same column mean significant differences among different treatments(P<0.05),the same below.

2.2 葉面噴施有機(jī)水溶肥Zn與無(wú)機(jī)Zn對(duì)水稻生物量和籽粒產(chǎn)量的影響

由表2可知，隨著Zn質(zhì)量濃度增加，水稻根、莖、葉及稻谷質(zhì)量均呈先增加后降低的趨勢(shì)，以2 g/L處理最高。葉面噴施1～2 g/L的無(wú)機(jī)Zn可促進(jìn)水稻根系生長(zhǎng)，但未達(dá)顯著水平。噴施3 g/L無(wú)機(jī)Zn和1～3 g/L有機(jī)水溶肥Zn對(duì)水稻根系生長(zhǎng)未表現(xiàn)出促進(jìn)作用，反而有抑制作用。葉面噴施1～3 g/L的無(wú)機(jī)Zn和有機(jī)水溶肥Zn均可提高水稻莖質(zhì)量，但差異不顯著，其中，以InZn-2和PSBZn-2處理效果較好。葉面噴施1～2 g/L的無(wú)機(jī)Zn和有機(jī)水溶肥Zn均可提高水稻葉質(zhì)量，Zn質(zhì)量濃度增至3 g/L時(shí)，葉質(zhì)量低于對(duì)照，表現(xiàn)出一定的抑制作用。葉面噴施1～3 g/L無(wú)機(jī)Zn可顯著提高稻谷產(chǎn)量，以InZn-2處理產(chǎn)量最高，較對(duì)照提高11.36%。噴施1～2 g/L有機(jī)水溶肥Zn可提高稻谷產(chǎn)量，較對(duì)照提高2.88%～4.24%，Zn質(zhì)量濃度升高至3 g/L時(shí)，稻谷產(chǎn)量較對(duì)照降低，但未達(dá)顯著水平。

表2 不同處理水稻生物量和籽粒產(chǎn)量 g/盆

2.3 葉面噴施有機(jī)水溶肥Zn與無(wú)機(jī)Zn對(duì)水稻Cd吸收、分布的影響

由表3可知，葉面噴施無(wú)機(jī)Zn和有機(jī)水溶肥Zn總體上均能降低水稻根、莖、葉、糙米中Cd含量。無(wú)機(jī)Zn處理顯著降低根、葉、糙米Cd含量，降幅分別為32.3%～41.3%、14.8%～30.4%、23.2%～41.4%，總體以INZn-1處理降Cd效果最好；有機(jī)水溶肥Zn處理顯著降低根、糙米Cd含量，降幅分別為35.3%～40.3%、26.3%～45.5%，分別以PSBZn-2、PSBZn-1降Cd效果最好。綜上，有機(jī)水溶肥Zn處理降低糙米Cd含量效果優(yōu)于無(wú)機(jī)Zn處理。

水稻對(duì)Cd的吸收主要富集在根部，轉(zhuǎn)移到地上部的Cd主要滯留在莖葉中，糙米中Cd含量最低，即Cd在水稻不同部位的分布規(guī)律為根>莖>葉>稻殼>糙米。

表3 不同處理水稻各部位Cd含量 Tab.3 Cd content in different parts of rice of different treatments mg/kg

2.4 葉面噴施有機(jī)水溶肥Zn與無(wú)機(jī)Zn對(duì)水稻Zn吸收、分布的影響

由表4可知，隨著葉面噴施Zn質(zhì)量濃度的升高，水稻根(InZn-1、InZn-2處理除外)和地上各部位Zn含量均增加，莖、葉、稻殼Zn含量顯著高于對(duì)照，不同部位增加幅度表現(xiàn)為葉>稻殼>莖>糙米。葉面噴施無(wú)機(jī)Zn處理InZn-1、InZn-2的水稻根Zn含量低于對(duì)照，較對(duì)照下降0.37%～21.42%，其中以1 g/L無(wú)機(jī) Zn處理降低幅度最大。葉面噴施有機(jī)水溶肥Zn處理水稻根Zn含量高于對(duì)照，較對(duì)照提高0.37%～54.93%，其中以3 g/L有機(jī)水溶肥Zn處理提高幅度最大。

Zn在水稻各部位的分布:對(duì)照以根Zn含量最高，明顯高于地上部位，地上部位Zn含量以莖最高，隨后依次為葉、稻殼、糙米。低質(zhì)量濃度Zn(1 g/L)處理，水稻各部位Zn含量表現(xiàn)為根>葉>莖>稻殼>糙米，當(dāng)Zn質(zhì)量濃度為2～3 g/L時(shí)，葉中Zn含量增加，Zn含量表現(xiàn)為葉>根>莖>稻殼>糙米。綜上，葉面噴施Zn肥，Zn主要累積在葉、根、莖、稻殼中，向籽粒轉(zhuǎn)移較少。

表4 不同處理水稻各部位Zn含量Tab.4 Zn content in different parts of rice of different treatments mg/kg

2.5 葉面噴施有機(jī)水溶肥Zn與無(wú)機(jī)Zn對(duì)Cd轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)是指植物地上部重金屬含量與地下部重金屬含量的比值。它是用來(lái)評(píng)價(jià)植物將重金屬?gòu)牡叵虏肯虻厣喜窟\(yùn)輸和富集能力的指標(biāo)。從表5可知，不同處理Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)在0.439～0.749，均小于1，表明水稻吸收的Cd主要富集在根部，向地上部轉(zhuǎn)移的較少，不屬于Cd富集植物。與無(wú)機(jī)Zn處理相比，有機(jī)水溶肥Zn處理更有利于Cd向地上部轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)是無(wú)機(jī)Zn處理的1.2～1.6倍，但轉(zhuǎn)移到地上部的Cd滯留在莖、葉、稻殼中的比例總體上高于無(wú)機(jī)Zn處理，滯留在糙米中的比例低于無(wú)機(jī)Zn處理。有機(jī)水溶肥Zn處理糙米中Cd含量占根中Cd含量的0.968%～1.385%，而無(wú)機(jī)Zn處理為1.120%～1.271%，其中，PSBZn-1處理所占比例最小，降低稻米中Cd含量的效果最好。

表5 不同處理Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)情況 Tab.5 Transportion of Cd of different treatments

3 結(jié)論與討論

Zn、Cd屬于同族元素，具有相似的外層電子結(jié)構(gòu)，兩者可以競(jìng)爭(zhēng)生物細(xì)胞上的結(jié)合位點(diǎn)，以相同的方式被植物吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)。呂選忠等[37]研究發(fā)現(xiàn)，噴施Zn肥可有效降低生菜中Cd含量，表明Zn和Cd之間存在明顯的拮抗作用。MCKENNA等[38]研究表明，Zn可抑制根系對(duì)Cd的吸收，并阻止其由木質(zhì)部運(yùn)輸?shù)降厣喜糠?。本研究表明，葉面噴施Zn肥總體上可降低水稻對(duì)Cd的吸收和糙米Cd含量。其中，有機(jī)水溶肥Zn處理降低糙米Cd含量的效果(26.3%～45.5%)高于無(wú)機(jī)Zn處理(23.2%～41.4%)，以1 g/L有機(jī)水溶肥Zn處理效果最佳?？梢?jiàn),由于Zn、Cd之間的拮抗作用，葉面噴施Zn肥時(shí)Zn優(yōu)先占據(jù)了水稻各部位的結(jié)合位點(diǎn)，減少了水稻對(duì)Cd的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)。

本研究發(fā)現(xiàn)，水稻吸收的Cd主要分布在根部，轉(zhuǎn)移到地上部的Cd主要滯留在莖、葉中，向籽粒轉(zhuǎn)移的數(shù)量相對(duì)較少，這與前人研究結(jié)果一致[32-33,39-40]。有機(jī)水溶肥Zn處理Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)高于無(wú)機(jī)Zn處理，前者為0.439～0.559，后者為0.692～0.749，但從地下部分轉(zhuǎn)運(yùn)至糙米中的Cd所占比例以有機(jī)水溶肥Zn處理低于無(wú)機(jī)Zn處理，有機(jī)水溶肥Zn處理糙米中Cd含量占根中Cd含量的0.968%～1.385%，而無(wú)機(jī)Zn處理為1.120%～1.271%。其中，1 g/L有機(jī)水溶肥Zn處理糙米中Cd含量占根中Cd含量的比例最低，為0.968%。因此，在Cd污染土壤的植物移除修復(fù)方面，可通過(guò)葉面噴施有機(jī)水溶肥Zn來(lái)提高重金屬Cd的移除率，以葉面噴施1 g/L有機(jī)水溶肥Zn效果最佳。