周其耀，倪元君，徐順安，王瓊，詹麗釧，馮英*

（1.浙江大學環(huán)境與資源學院，污染環(huán)境修復(fù)與生態(tài)健康教育部重點實驗室，杭州 310058；2.嵊州市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，浙江紹興 310024）

當前，我國受污染耕地面積大、耕地資源短缺問題突出，其中，耕地土壤點位超標率達19.4%，以鎘（Cd）污染面積最大，其次為砷（As）、鉛（Pb）、汞（Hg）等[1]，因此，重金屬污染耕地安全利用是國家的重大需求之一。水稻是易富集Cd 的作物[2]。作為我國水稻主產(chǎn)區(qū)，浙江省土壤大多呈酸性，因此，在Cd 污染農(nóng)田中易產(chǎn)生稻米Cd 超標問題[3]。大量研究已經(jīng)證明，不同品種水稻對Cd 吸收富集能力不同。王萍等篩選得到一個適合在Cd 輕度污染土壤上安全生產(chǎn)的水稻品種[4]；陳德等通過田間小區(qū)試驗篩選到低于國家限量標準值的水稻品種12 個[5]?？梢?，種植低積累品種是實現(xiàn)Cd污染農(nóng)田水稻安全生產(chǎn)的重要途徑之一。

已有報道表明，施用葉面調(diào)理劑是實現(xiàn)污染農(nóng)田作物安全生產(chǎn)的重要技術(shù)措施之一[6]。當前，對葉面調(diào)理劑的研究主要集中于新型制劑的開發(fā)、不同類型調(diào)理劑的作用效果比較及其作用機制等[7-8]。在水稻上應(yīng)用較多的是離子拮抗型葉面調(diào)理劑，其作用機制是增施硅（Si）、硒（Se）、鋅（Zn）等微量元素和有益元素，通過離子拮抗作用減少作物對Cd的葉面吸收和體內(nèi)再轉(zhuǎn)運[7-8]。葉面噴施硅肥，可以調(diào)控相關(guān)離子吸收和轉(zhuǎn)運基因[9]，控制Cd在水稻體內(nèi)的運輸，使其在根、莖滯留，阻止Cd 向稻米中轉(zhuǎn)運[10]；噴施硒肥可減輕氧化損傷，促進光合作用，降低水稻籽粒Cd 含量[11]；噴施鋅肥能夠提高Zn 離子向水稻籽粒的轉(zhuǎn)運效率，抑制Cd 向穗軸及籽粒的轉(zhuǎn)運[12]。并且，葉面噴施硅肥還可以促進根系生長發(fā)育，增強光合作用，刺激抗氧化酶基因表達，緩解水稻在Cd 污染環(huán)境中的氧化脅迫作用，顯著提高產(chǎn)量[9]；噴施鋅肥能夠顯著改善作物生長狀況，有效提高稻谷產(chǎn)量[13-14]。然而，目前大多數(shù)研究尚處于實驗室研究階段，田間大規(guī)模應(yīng)用較少，特別是特定葉面調(diào)理劑在不同區(qū)域、不同污染程度農(nóng)田中的應(yīng)用效果不完全一致[15]，因此，有必要針對不同區(qū)域污染狀況和環(huán)境氣候特點，結(jié)合當?shù)氐姆N植習慣，篩選出適合當?shù)刂髟缘头e累品種的葉面調(diào)理劑來進行大規(guī)模推廣應(yīng)用。

本研究針對浙江東部農(nóng)田土壤重金屬污染現(xiàn)狀，采用連續(xù)2年的田間試驗，在篩選和研發(fā)新葉面調(diào)理劑的基礎(chǔ)上，明確優(yōu)選的葉面調(diào)理劑對不同主栽品種的作用效應(yīng)，旨在構(gòu)建經(jīng)濟有效、易于推廣的Cd污染農(nóng)田安全生產(chǎn)新技術(shù)模式，確保在耕地生產(chǎn)能力不下降的情況下所生產(chǎn)的農(nóng)產(chǎn)品重金屬含量符合國家食品安全限量標準。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

田間小區(qū)試驗在浙江省紹興市2個不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)同時進行。試驗地具有溫度適宜、濕潤多雨的亞熱帶季風氣候特點，冬夏較長，春秋較短，年平均氣溫可達16.4 ℃，年平均降水量為1 446.8 mm。2 個試驗點A和B的土壤基本理化性質(zhì)和重金屬污染情況如表1所示。

表1 試驗點耕層土壤基本理化性質(zhì)和重金屬含量Table 1 Basic physicochemical properties and heavy metal contents of cultivated soil samples in experimental sites

1.2 供試材料

1.2.1 水稻品種

田間小區(qū)試驗：試驗點A為甬粳2號A，試驗點B為甬優(yōu)9號。

田間大區(qū)試驗：7 個紹興地區(qū)主栽品種，如表2所示。

表2 水稻品種Table 2 Rice varieties

1.2.2 葉面調(diào)理劑

選用的葉面調(diào)理劑的具體信息如表3 所示，其中納米硅肥為從市場上購買的成品，用作陽性對照，其他4種葉面調(diào)理劑均為自配。

表3 供試葉面調(diào)理劑的制備與處理Table 3 Preparation and treatment of tested foliar conditioners

1.3 試驗設(shè)計

田間小區(qū)試驗：在A 和B 2 個試驗點分別選擇地塊平整、地力均勻、污染程度相對一致的地塊進行小區(qū)試驗，采取完全隨機區(qū)組設(shè)計，每個處理設(shè)3次重復(fù)，每個試驗點共計18 個小區(qū)，每個小區(qū)面積40 m2（4 m×10 m）。水稻種植日期為2018年6月18日，收獲日期為10月9日，分別在分蘗期、拔節(jié)期與抽穗期將不同葉面調(diào)理劑均勻噴施在葉片上，現(xiàn)配現(xiàn)用，其他的農(nóng)藝管理措施與常規(guī)稻田保持一致，在水稻成熟期進行采樣分析。

田間大區(qū)試驗：采取完全隨機區(qū)組排列，每個品種設(shè)置噴施清水和多元復(fù)合調(diào)理劑2 個處理，每個處理設(shè)3次重復(fù)，每個重復(fù)大區(qū)面積為667 m2，共2.8 hm2。水稻種植日期為2019年6月15日，收獲日期為10月16日，分別在分蘗期、拔節(jié)期與抽穗期均勻噴施3次清水或者多元復(fù)合調(diào)理劑，現(xiàn)配現(xiàn)用，其他的農(nóng)藝管理措施與常規(guī)種植保持一致，在水稻成熟期收獲并進行分析測試。

1.4 樣品采集與測試分析

土壤樣品的采集：試驗前采集A、B 2 個試驗點的土壤樣品，用于土壤基本理化性狀測定。采用“S”布點法采樣，每個小區(qū)取5 點，混合后用四分法留取樣品，剔除土樣中的雜物，自然風干后碾碎，分別過20目和100目篩后用密封袋分裝，于干燥陰涼處保存，待測。

植物樣品的采集：在小區(qū)試驗中每個重復(fù)隨機采集3 株樣品，在大區(qū)試驗中每個重復(fù)隨機采集10株樣品，用干凈鐮刀于近土壤10～15 cm 處的水稻莖部位置切分，采集地上部，用不銹鋼剪刀分離各部分，裝入尼龍網(wǎng)袋并帶回實驗室，清洗干凈后吸干水分，裝入干凈信封，105 ℃殺青30 min，65 ℃烘干至恒量，稱量并記錄各部分干物質(zhì)量。將稻谷脫殼，并將秸稈、穗軸、谷殼、糙米等分別粉碎后保存在自封袋中，備用。

土壤理化性質(zhì)測定：土壤pH采用pH計法測定；有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定；總氮含量采用凱氏定氮法測定；有效磷含量采用鉬銻抗比色法測定[16]。

土壤重金屬含量測定：As 含量參照GB/T 22105.2—2008測定；Hg含量參照GB/T 22105.1—2008測定；鉻（Cr）含量參照HJ 491—2019測定[16]。Cd 和Pb 含量測定的具體步驟如下：稱取0.2 g 土壤樣品于聚四氟乙烯管中，加入5.0 mL 硝酸、1.0 mL高氯酸和1.0 mL氟化氫，于180 ℃消煮10 h，用去離子水稀釋后過濾膜，用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀[inductively coupled plasma-mass spectrometry（ICPMS），德國Analytik Jena公司]測定。采用土壤標準物質(zhì)（GBW07429）進行質(zhì)量控制[17]。

水稻樣品Cd 含量測定：稱取0.2 g 植物樣品至消煮管中，加入5.0 mL 硝酸和1.0 mL 高氯酸，160 ℃消煮至清透，用去離子水稀釋后過濾膜，用ICP-MS 測定。采用大米標準物質(zhì)[GBW（E）100360]進行質(zhì)量控制[17]。

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

使用Excel 2016 進行數(shù)據(jù)處理和作圖，結(jié)果表示為平均值±標準差；使用SPSS 24.0軟件中的鄧肯法對數(shù)據(jù)進行多重比較，以P＜0.05 表示差異有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié)果與分析

2.1 葉面調(diào)理劑的篩選

2.1.1 不同葉面調(diào)理劑對水稻產(chǎn)量性狀的影響

由表4 可知：1）試驗點A 各處理水稻單株平均生物量在202.93～236.21 g 之間，單株穗平均質(zhì)量為21.97～26.06 g。稻谷平均產(chǎn)量達177.7～192.4 kg/667 m2，其中，施用納米硅肥調(diào)理劑產(chǎn)量最高，對照產(chǎn)量最低。相較空白對照處理，噴施葉面調(diào)理劑均能增加水稻產(chǎn)量，其中噴施納米硅肥和多元復(fù)合調(diào)理劑的增產(chǎn)效果顯著（P＜0.05），分別增產(chǎn)約8.3%和6.4%。2）試驗點B各處理水稻單株平均生物量為312.13～381.52 g，單株穗平均質(zhì)量為52.72～66.01 g，稻谷平均產(chǎn)量達613.4～676.2 kg/667 m2。其中，強化硅鋅調(diào)理劑處理的單株穗質(zhì)量最高，空白對照處理的單株穗質(zhì)量最低，其他處理較對照穗質(zhì)量增加2.6%～25.2%。納米硅肥調(diào)理劑、強化硅鋅調(diào)理劑、多元復(fù)合調(diào)理劑均能顯著提高單株生物量和單株穗質(zhì)量（P＜0.05），其中納米硅肥處理產(chǎn)量最高，空白對照處理產(chǎn)量最低。噴施多元復(fù)合調(diào)理劑后產(chǎn)量提高7.8%，增產(chǎn)效果顯著（P＜0.05）。

表4 不同葉面調(diào)理劑處理下水稻產(chǎn)量性狀Table 4 Yield characters of rice treated with different foliar conditioners

2.1.2 不同葉面調(diào)理劑對水稻各部位Cd 含量的影響

試驗點A 糙米平均含Cd 量為0.067～0.077 mg/kg，谷殼平均含Cd 量為0.114～0.129 mg/kg，穗軸平均含Cd 量為0.141～0.161 mg/kg，秸稈平均含Cd量為0.151～0.187 mg/kg（表5）。與對照相比，施用硫酸鋅調(diào)理劑處理的穗軸以及納米硅肥調(diào)理劑處理的秸稈Cd含量提高，其他葉面調(diào)理劑處理的各部位Cd 含量均低于對照。多元復(fù)合調(diào)理劑處理的糙米和秸稈Cd 含量最低，分別比對照低13.0%和17.9%；納米硅肥調(diào)理劑處理的谷殼和穗軸Cd 含量最低，分別比對照低11.6%和7.2%。根據(jù)《國家食品安全標準 食品中污染物限量》（GB 2762—2017）的規(guī)定，糙米含Cd 量的限量標準為0.2 mg/kg，因此，本研究各處理糙米Cd含量均符合國家標準。

試驗點B 水稻各部位的平均含Cd 量分別為糙米0.065～0.076 mg/kg，穗軸0.118～0.136 mg/kg，谷殼0.105～0.129 mg/kg，秸稈0.155～0.172 mg/kg（表5）。施用葉面調(diào)理劑后，各部位Cd 含量均低于對照。噴施多元復(fù)合調(diào)理劑處理的糙米、秸稈Cd含量最低，分別比對照低14.5%和9.9%；施用納米硅肥調(diào)理劑的谷殼Cd 含量最低，比對照低18.6%；施用強化硅鋅調(diào)理劑的穗軸Cd 含量最低，比對照低13.2%?？梢?，試驗點B 糙米Cd 含量同樣均低于國家食品安全標準。

2.2 葉面調(diào)理劑在不同水稻品種中的作用效果

對照處理水稻單株生物量為262.30～427.70 g，產(chǎn)量為409.4～579.9 kg/667 m2，噴施葉面調(diào)理劑處理的單株生物量為323.27～441.48 g，產(chǎn)量提高至455.0～633.4 kg/667 m2（圖1A～B）。葉面調(diào)理劑對各品種水稻單株生物量均無顯著影響，但顯著提高了除N84 外其他6 個品種的產(chǎn)量（圖1B），增產(chǎn)8.2%～10.8%。其中YY1540 產(chǎn)量最高，噴施調(diào)理劑后增產(chǎn)10.1%。

圖1 葉面調(diào)理劑對不同水稻品種單株生物量（A）和產(chǎn)量（B）的影響Fig.1 Effects of the foliar conditioners on biomass per plant(A)and yield(B)of different rice varieties

所有處理組中糙米含Cd 量均在0.20 mg/kg 以下（圖2A），對照組糙米含Cd量為0.059～0.111 mg/kg，施用葉面調(diào)理劑后降至0.047～0.093 mg/kg，降幅為15.7%～20.3%，其中YY17的糙米Cd含量在對照和處理條件下均最低，分別為0.059 和0.047 mg/kg。葉面調(diào)理劑對不同品種谷殼、穗軸和秸稈中的Cd 含量影響不大（圖2B～D），不同部位Cd 含量總體趨勢為秸稈＞穗軸＞谷殼＞糙米（圖2），其中YY17各部位Cd含量均為7個品種中最低。

圖2 葉面調(diào)理劑對不同水稻品種糙米（A）、谷殼（B）、穗軸（C）和秸稈（D）Cd含量的影響Fig.2 Effects of the foliar conditioners on Cd contents in brown rice (A), rice husk (B), rachis (C), straw (D) of different rice varieties

3 討論

3.1 葉面調(diào)理劑的增產(chǎn)效應(yīng)

本研究中的葉面調(diào)理劑含鋅、鐵、硅、硼等營養(yǎng)元素，噴施后對水稻具有一定的增產(chǎn)效果。硫酸鋅調(diào)理劑、強化鋅調(diào)理劑、強化硅鋅調(diào)理劑以及多元復(fù)合調(diào)理劑均以鋅（ZnSO4）作為主要成分。鋅在植物體內(nèi)參與了多種代謝途徑，如光合作用、蛋白質(zhì)合成、植物生長素代謝以及花粉形成等。在外源添加鋅的情況下，水稻整體鋅水平提高，從而激活植株內(nèi)多種酶的活性，促進新陳代謝[18]。索炎炎等[13]研究表明，在外源Cd 處理下，施用葉面鋅肥能夠顯著改善水稻的生長狀況，其鮮質(zhì)量和干質(zhì)量各增加了11.9%和13.8%；DESHPANDE 等[14]發(fā)現(xiàn)，施用葉面鋅肥有效提高了稻米生物量。4種不同的含鋅葉面調(diào)理劑雖然均有增產(chǎn)作用，但僅有多元復(fù)合調(diào)理劑的增產(chǎn)效果達到統(tǒng)計學顯著水平，這與郭九信等[19]的研究結(jié)果一致，可能與外源鋅處理濃度和成分有關(guān)。

納米硅肥調(diào)理劑與強化硅鋅調(diào)理劑均以硅作為主要成分，強化鋅調(diào)理劑與多元復(fù)合調(diào)理劑添加了有機硅表面活性劑，這4 個處理的水稻產(chǎn)量都有一定程度的提高。硅在角質(zhì)層與表皮細胞中均有分布，是植物細胞壁的組成元素之一，可促進根系生長與發(fā)育，提高葉片葉綠素含量，從而增強水稻光合作用[20]，并且硅可以改變Cd 在葉片中的亞細胞分布，刺激抗氧化酶基因的表達，降低Cd 產(chǎn)生的氧化脅迫[21]，因此，硅在提高水稻產(chǎn)量的同時，還提高稻米的精米率和蛋白質(zhì)含量，使堊白粒率降低，促進籽粒飽滿[11]，增加稻穗中的氮含量，促進植物對磷的吸收，并增強作物對病蟲害的抵御能力。劉奇華等[22]研究指出，施用葉面硅肥可顯著提高水稻的結(jié)實率和產(chǎn)量，本研究結(jié)果與此相符。

多元復(fù)合調(diào)理劑處理的增產(chǎn)作用除與鋅、有機硅表面活性劑有關(guān)外，還與鐵、硼有關(guān)。鐵主要存在于稻米糊粉層和胚芽中，是代謝相關(guān)重要酶的激活劑，并且承擔著葉綠素組成元素、電子傳遞等工作，關(guān)系著呼吸作用、光合作用等過程的正常運作。通過施用含鐵葉面肥能夠有效提高稻米中的鐵含量和總氨基酸含量[23]。外源鐵的施用會促進植物血紅素、鐵硫蛋白以及葉綠素的合成，從而促進光合作用，提高產(chǎn)量[24]，故施用鐵肥不僅可以增加產(chǎn)量，還能提高稻米的品質(zhì)。硼在植物體中不以酶的形式參與生長過程，但可以促進碳水化合物的運輸、細胞伸長與分裂以及生殖器官的形成和發(fā)育等系列過程。胡燕燕等[25]研究表明，噴施硼肥具有一定的增產(chǎn)效果，尤其在水稻分蘗期和拔節(jié)期噴施，可增加水稻產(chǎn)量及品質(zhì)。UR-REHMAN 等[26]研究表明，葉面施用硼肥改善了水稻的含水量、葉綠素含量、產(chǎn)量以及品質(zhì)特性，并可通過降低穗部不育性來提高產(chǎn)量和品質(zhì)。故施用含鋅、硅、鐵、硼的葉面調(diào)理劑對水稻產(chǎn)量性狀具有正效應(yīng)，可顯著提高產(chǎn)量。

3.2 葉面調(diào)理劑對水稻Cd 含量的影響

施用葉面調(diào)理劑后，所含的鋅、硅、鐵、硼等元素通過表皮角質(zhì)層的滲透或者通過氣孔和表皮細胞進入到植物葉片中[27]，在運輸過程中和相應(yīng)部位發(fā)生吸收和螯合，不僅減少作物葉片對大氣中重金屬污染物的吸收，還與植物從土壤中吸收的Cd進行點位競爭，從而減少植物體對Cd的吸收與富集。因此，葉面調(diào)理劑表現(xiàn)出很好地降低稻米Cd 含量的作用。

葉面噴施鋅后，一方面，植物體內(nèi)鋅含量提高引發(fā)與Cd的離子拮抗作用，并增強了光合產(chǎn)物向稻米的轉(zhuǎn)運；另一方面，提高了可溶性蛋白質(zhì)的濃度，增加了可溶性蛋白質(zhì)對活性氧（reactive oxygen species,ROS）的清除作用以及對Cd的螯合作用，增強了膜的穩(wěn)定性，減少了Cd 向籽粒的轉(zhuǎn)運[28]。因此，含鋅調(diào)理劑可以降低糙米的Cd含量。

施用含硅的葉面調(diào)理劑也可以降低水稻對Cd的吸收，并且與鋅同時施用效果更佳。硅可以與Cd 在質(zhì)外體形成沉淀，被分隔在液泡中或被吸附固定在節(jié)間，降低Cd 在水稻體內(nèi)的轉(zhuǎn)運。硅在運輸過程中，會在質(zhì)外體通道內(nèi)大量積累，限制了Cd在質(zhì)外體的運輸，且能降低水稻質(zhì)外體運輸路徑的通透性，減少對Cd 的吸收[11]。此外，硅可以調(diào)節(jié)水稻特定的吸收和轉(zhuǎn)運基因來減少對Cd 的吸收[9]。施用有機硅表面活性劑具有更好地降低稻米Cd 含量的效果，可能是因為表面活性劑改善了葉面肥料的濕鋪展性能，提高了硅在葉面的滲透作用，更好地發(fā)揮了硅對Cd 的拮抗作用，降低了植物對Cd 運輸途徑的通透性，使得Cd 在莖部的轉(zhuǎn)運也大大降低。

多元復(fù)合調(diào)理劑對稻米Cd 含量良好的降低效果可能與其含有鐵和硼有關(guān)。Cd 可以通過鐵轉(zhuǎn)運蛋白如OsIRT1 和OsIRT2 進入植物體內(nèi)，鐵的增加降低了植物對Cd的轉(zhuǎn)運和吸收[29]。同時，與鋅的作用相近，適當濃度的鐵能夠減少植物在脅迫條件下的ROS 生成，降低Cd 對植株的氧化脅迫[30]。因此，葉面施用鐵肥可以降低糙米中的Cd 含量[29]。硼對生殖器官的生長發(fā)育有重要作用，并且對細胞膜具有直接作用，可減少植物對Cd 的吸收與轉(zhuǎn)運；噴施硼肥后葉片多酚氧化酶（polyphenol oxidase,PPO）、超氧化物歧化酶（superoxide dismutase, SOD）以及過氧化物酶（peroxidase,POD）活性顯著提高，可清除ROS[31]，因而，硼能夠通過增強保護酶的活性來降低Cd對水稻的損害。

3.3 葉面調(diào)理劑與低積累品種聯(lián)用效應(yīng)

本研究發(fā)現(xiàn)，無論葉面噴施調(diào)理劑與否，YY17各部位的Cd含量均低于其他品種，說明YY17是一個Cd 相對低積累品種。在Cd 輕度污染條件下，YY17 比相對高積累品種YY538 的糙米Cd 含量低46.8%；施用多元復(fù)合調(diào)理劑后，YY17的糙米Cd含量進一步下降了20.3%，表明多元復(fù)合葉面調(diào)理劑與低積累品種YY17聯(lián)用是本研究條件下的最佳安全生產(chǎn)技術(shù)。

4 結(jié)論

1）通過2 個地點的小區(qū)試驗，發(fā)現(xiàn)施用葉面調(diào)理劑能顯著提高水稻產(chǎn)量，并在一定程度上降低糙米中Cd含量。與對照相比，施用多元復(fù)合葉面調(diào)理劑可使糙米Cd 含量降低13.0%～14.5%，同時增產(chǎn)6.4%～7.8%。在5 種配方調(diào)理劑中，多元復(fù)合葉面調(diào)理劑在2個地點的表現(xiàn)相對穩(wěn)定，為優(yōu)選調(diào)理劑。

2）田間大區(qū)試驗表明，施用多元復(fù)合葉面調(diào)理劑對不同品種水稻均具有增產(chǎn)效果，平均增產(chǎn)10%左右。噴施多元復(fù)合調(diào)理劑可降低不同品種糙米Cd含量，降幅15.7%～20.3%，說明多元復(fù)合調(diào)理劑可以在Cd污染農(nóng)田中安全利用。

3）在所比較的7 個品種中，YY17 各部位的Cd含量最低；噴施多元復(fù)合調(diào)理劑進一步降低了YY17 糙米中的Cd 含量，同時具有顯著的增產(chǎn)作用。說明在本試驗條件下，YY17 配合施用多元復(fù)合葉面調(diào)理劑是適合浙江東部輕度污染農(nóng)田的安全生產(chǎn)技術(shù)模式。