林小兵，張秋梅，周利軍，張小生，劉進法，陳鋒，陳緒龍，王樂

(1.江西省紅壤研究所，國家紅壤改良工程技術研究中心，江西 南昌 331717；2.新余市農(nóng)業(yè)科學研究中心，江西 新余 338000； 3.新余市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技園管理委員會，江西 新余 338000；4.廈門瑪塔生態(tài)股份有限公司，福建 廈門 361000； 5.新余市渝水區(qū)農(nóng)業(yè)科學研究中心，江西 新余 338000)

0 引 言

隨著工業(yè)化、城市化和集約化農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，不斷增加的工業(yè)“三廢”、農(nóng)藥及化肥、污水灌溉、生活垃圾等導致土壤重金屬污染問題日益突出[1]。2014年全國土壤污染狀況調(diào)查公報顯示，耕地土壤重金屬鎘(Cd)點位超標率最為嚴重，高達7.0%[2]。水稻(OryzasativaL.)作為我國最主要的糧食作物，對重金屬Cd具有很強的吸收富集能力，并通過食物鏈對人體身體健康產(chǎn)生不利影響[3-4]。如何有效降低稻米中重金屬Cd含量，對確保糧食安全極為重要，也是當前急需解決的熱點問題。

我國Cd污染農(nóng)田安全利用措施主要包括農(nóng)藝調(diào)控、石灰調(diào)酸、土壤鈍化及葉面阻控技術等[5-6]。在不同的修復技術中，葉面阻控具有成本低、品種多、施用期長、操作簡單等特點[7]。研究表明：施用葉面肥不僅可以增加水稻產(chǎn)量和提高水稻品質(zhì)，還可以有效降低水稻對重金屬的積累[8-9]。目前，我國大面積施用的葉面阻控劑以硅(Si)類為主[5]。水稻是典型的喜硅類作物，施用硅肥可以阻隔水稻根莖葉重金屬向糙米中轉運[10]，施用葉面硅肥可使水稻籽粒重金屬Cd含量降低28%～50%[11]，主要原因是硅作為水稻生長的必需元素，可增強細胞壁的機械性能，改變Cd的化學形態(tài)和亞細胞分布，進而減少Cd向地上部的轉移[12-13]。硅肥對糙米降Cd效果還受施用時期和土壤污染程度的影響。張世浩[14]試驗發(fā)現(xiàn)拔節(jié)期施硅水稻精米中Cd含量最?。惶莆貊┑萚15]研究表明輕度污染噴施葉面硅肥糙米中Cd含量低于標準值。

新余市是典型的工業(yè)城市，因工業(yè)發(fā)展過程中導致的環(huán)境污染，引起部分耕地出現(xiàn)稻谷Cd超標現(xiàn)象，為保障糧食安全，急需對受污染耕地進行修復治理和安全利用?；诖?，本研究在新余市酸性中度Cd污染農(nóng)田，選取2種葉面硅肥研究其對水稻各部位(根系、莖桿、葉片、谷殼、糙米)中Cd、Si含量及產(chǎn)量的影響，以期明確：(1)施用葉面硅肥對水稻糙米的降Cd效果；(2)葉面硅肥在水稻植株重金屬Cd吸收、轉運和積累過程；同時，通過異地驗證葉面硅肥對糙米降Cd效果的穩(wěn)定性，為Cd污染稻田安全利用提供技術支撐和理論基礎。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

試驗區(qū)位于江西省新余市渝水區(qū)珠珊鎮(zhèn)州下村(27°47′13″N，114°59′21″E)，屬亞熱帶濕潤季風氣候，年均氣溫17.7 ℃，年均降雨量1 595 mm。試驗區(qū)為紅壤性水稻土，質(zhì)地為粉壤，試驗前0～20 cm土層土壤有機質(zhì)含量24.95 g·kg-1，pH值5.36，土壤全Cd含量 0.85 mg·kg-1，屬于中度污染。

1.2 試驗設計

本試驗共設計3個處理，CK(清水對照)，F(xiàn)1(葉面硅肥1)，F(xiàn)2(葉面硅肥2)，隨機區(qū)組排列，3次重復。試驗小區(qū)面積為30 m2，小區(qū)之間以田埂隔開，田埂上覆薄膜，各小區(qū)采用單排單灌，嚴控串灌，其它管理與大田生產(chǎn)管理一致。

葉面硅肥1購自廣東佛山，水劑，主要成分為Si≥85 g·L-1、pH 5.0～7.0、Na≤10 g·L-1、水不溶物≤10 g·L-1；葉面硅肥2購自湖北武漢，粉劑，其主要含量為Si≥20%、K2O≥15.0%、水不溶物≤3%、Na≤3.0%。大田試驗于2020年7月30日種植水稻幼苗，種植方式為直播。在9月15日(水稻拔節(jié)期)噴灑第一次葉面硅肥，于9月20日取第一次植株樣品；在10月7日(水稻揚花期)噴灑第二次葉面硅肥，于10月12日取第二次植株樣品，于11月12日(收獲期)進行取樣和測產(chǎn)。晚稻品種為清香絲苗(新余市農(nóng)業(yè)科學研究所選育水稻品種)。葉面硅肥1和葉面硅肥2分別兌水稀釋500倍進行葉面噴施，于水稻拔節(jié)期和揚花期噴施，施用量為每次1 500 ml·hm-2(參考產(chǎn)品提供的用量)。

為進一步驗證葉面硅肥對水稻糙米的降Cd效果，分別于2020年在新余市渝水區(qū)珠珊鎮(zhèn)洲下村(中稻，土壤全Cd含量為0.85 mg·kg-1)、新余市渝水區(qū)鵠山鄉(xiāng)鵠山村(晚稻，土壤全Cd含量為0.31 mg·kg-1)、新余市渝水區(qū)珠珊鎮(zhèn)埠下村(早晚稻，土壤全Cd含量為0.55 mg·kg-1)、新余市渝水區(qū)珠珊鎮(zhèn)埠下村(中稻，土壤全Cd含量為0.42 mg·kg-1)進行田間試驗。

1.3 樣品測定

采用5點取樣法采集水稻植株，通過HNO3-H2O2消解-電感耦合等離子體光譜儀測定水稻根、莖、葉、谷殼、糙米等器官中Cd和Si含量。植株分析方法參考生態(tài)地球化學評價動植物樣品分析方法[16]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

通過R語言(www.r-project.org，R 4.2.0)統(tǒng)計軟件對試驗數(shù)據(jù)進行方差分析和相關性分析，采用R語言程序包ggplot2進行繪圖，采用Tukey HSD法對數(shù)據(jù)進行差異顯著性(P<0.05)。轉運系數(shù)用水稻莖稈、葉片和谷殼中Cd元素與糙米中Cd元素比值表示；拮抗系數(shù)用水稻莖稈、葉片和谷殼中Si元素與相對應部位中Cd元素比值表示。

2 結果與分析

2.1 水稻各部位Cd與Si含量

水稻拔節(jié)期，施用葉面硅肥水稻根系中Cd含量(F=0.17，P=0.85，圖1a)、莖桿中Si含量(F=0.59，P=0.58，圖1d)和葉片中Si含量(F=0.34，P=0.73，圖1e)均無顯著差異。與CK相比，F(xiàn)1和F2莖桿中Si含量增加了23.7%～37.3%，葉片中Si含量增加了3.9%～9.7%。施用F1和F2處理莖桿中Cd含量顯著低于CK(F=6.20，P=0.03，圖1b)，分別降低了53.8%和62.2%(P<0.05)；葉片中Cd含量也顯著低于CK(F=5.92，P=0.02，圖1c)，分別降低了47.9%和43.8%(P<0.05)。

注：圖中小寫字母表示拔節(jié)期Cd和Si含量在不同處理間差異顯著(P<0.05)，大寫字母表示揚花期Cd和Si含量在不同處理間差異顯著(P<0.05)。下同。

水稻揚花期，施用葉面硅肥水稻根系中Cd含量(F=0.03，P=0.97，圖1a)、莖桿中Si含量(F=3.70，P=0.08，圖1d)、葉片中Si含量(F=0.56，P=0.60，圖1e)均無顯著差異。與CK相比，F(xiàn)1和F2莖桿中Si含量增加了95.8%～97.9%，葉片中Si含量增加了8.48%～31.5%。施用F1和F2處理莖桿中Cd含量顯著低于CK(F=5.22，P=0.048，圖1b)，分別降低了50.5%和58.6%(P<0.05)；葉片中Cd含量也顯著低于CK(F=5.15，P=0.049，圖1c)，分別降低了69.7%和65.9%(P<0.05)。

水稻收獲期，與CK相比， F1和F2處理的水稻莖稈中Cd含量分別顯著降低了33.3%和56.3%(P<0.05，圖2a)。CK、F1和F2處理的糙米中Cd含量分別為0.75、0.52、0.33 mg·kg-1。與CK相比，F(xiàn)1和F2處理的水稻糙米中Cd含量分別顯著降低了33.3%和56.0%(P<0.05，圖2d)；施用硅肥處理中葉片(F=0.45，P=0.66，圖2b)和谷殼(F=2.14，P=0.19，圖2c)中Cd含量與CK相比差異均不顯著。與CK相比，除F2處理使葉片和谷殼中的Si含量分別顯著增加了31.9%和134%外，其余處理對不同部位中的Si含量均未產(chǎn)生顯著影響。

圖2 收獲期噴施硅肥對水稻不同部位中Cd和Si含量的影響

2.2 水稻Cd的轉運系數(shù)及拮抗系數(shù)

從表1收獲期水稻Cd轉運系數(shù)及拮抗系數(shù)可知，總體上，與CK相比，噴施葉面硅肥后降低了水稻莖稈、葉片、谷殼中重金屬Cd元素向糙米中Cd元素的轉運系數(shù)，但差異均未達到顯著水平；F1、F2處理的莖稈和谷殼中的拮抗系數(shù)均顯著高于CK(P<0.05)。

表1 收獲期水稻Cd轉運系數(shù)及拮抗系數(shù)

2.3 噴施葉面硅肥對水稻籽粒產(chǎn)量的影響

由圖3可以看出，水稻籽粒產(chǎn)量為7 955～9 505 kg·hm-2。不同處理下水稻籽粒產(chǎn)量表現(xiàn)為F2>F1>CK，與CK相比,噴施F1處理下的水稻籽粒產(chǎn)量增加了4.70%，噴施F2處理下的水稻籽粒產(chǎn)量增加了6.26%，但是統(tǒng)計分析表明配施葉面硅肥的水稻籽粒產(chǎn)量與對照沒有明顯差異。

圖3 噴施葉面硅肥對水稻籽粒產(chǎn)量的影響

2.4 收獲期水稻各部位Cd和Si含量的相關性分析

為探討水稻各部位Cd與Si含量的相關性，進一步了解噴施葉面硅肥下糙米Cd的吸收機制，本文分析了糙米、莖稈、葉片、谷殼中Cd含量及其莖稈、葉片、谷殼中Si含量的相關性。表2中相關性結果顯示，糙米中Cd含量與谷殼中Cd含量呈顯著正相關關系(P<0.05)，而與谷殼中、莖稈中Si含量呈顯著負相關關系(P<0.05)。同時，谷殼中Cd含量與莖稈中Cd含量呈顯著正相關關系(P<0.05)。

表2 收獲期水稻Cd、Si含量間的相關系數(shù)

2.5 噴施葉面硅肥對水稻糙米中Cd含量的異地驗證效果

圖4a中CK、F1和F2處理的糙米中Cd含量分別為0.96、0.88、0.77 mg·kg-1，與CK相比，F(xiàn)1和F2處理中稻糙米Cd含量降低了8.3%～19.8%，但差異不顯著；圖4b中CK、F1和F2處理的糙米中Cd含量分別為0.22、0.13、0.13 mg·kg-1，F(xiàn)1和F2處理晚稻糙米Cd含量與CK相比顯著降低了40.9%～45.5%(P<0.05)；圖4c中CK、F1和F2處理的糙米中Cd含量分別為0.49、0.43、0.46 mg·kg-1，與CK相比，F(xiàn)1和F2處理早稻糙米Cd含量降低了6.12%～12.2%，但差異不顯著；圖4d中CK、F1和F2處理的糙米中Cd含量分別為0.33、0.18、0.28 mg·kg-1，與CK相比，F(xiàn)1和F2處理晚稻糙米Cd含量降低了15.2%～45.5%，差異也不顯著；圖4e中CK、F1和F2處理的糙米中Cd含量分別為0.39、0.30、0.26 mg·kg-1，與CK相比，F(xiàn)1和F2處理中稻糙米Cd含量降低了23.1%～33.3%，但差異并未達到顯著水平。

注：(a)圖土壤Cd含量為0.85 mg·kg-1;(b)圖土壤Cd含量為0.31 mg·kg-1;(c)圖和(d)圖土壤Cd含量均為0.55 mg·kg-1;(e)圖土壤Cd含量為0.42 mg·kg-1。

3 討 論

水稻是喜硅類作物，施用硅肥可以加速水稻生長，間接克服非生物和生物脅迫[10]。本研究中噴施葉面硅肥后使水稻籽粒產(chǎn)量增加了4.70%～6.26%。楊國英等[17]研究表明，施用硅肥不僅增加了粳稻產(chǎn)量2.7%～7.1%，還改善了糙米率、精米率、蛋白質(zhì)含量等水稻品質(zhì)。張宇鵬等[18]研究也發(fā)現(xiàn)，噴施葉面肥后使水稻增產(chǎn)3.24%，與本研究類似。Si元素可以促進水稻的生長發(fā)育，改善水稻的抗逆性，提升水稻葉片中葉綠素的含量和加強水稻對重金屬Cd的抗性[19]。本試驗中的兩種葉面硅肥除了含有大量的Si元素，還有鋅、鐵、錳等微量元素和有機質(zhì)、氮、磷、鉀等營養(yǎng)物質(zhì)，可以有效調(diào)節(jié)水稻生理特征，促進葉片光合作用，從而提升水稻的產(chǎn)量和品質(zhì)。

徐奕等[20]試驗發(fā)現(xiàn)葉面噴施硅肥后降低了水稻地上部Cd含量，但對根系中Cd含量沒有顯著影響，且增加硅肥噴施次數(shù)可以進一步提高水稻降Cd效果，本試驗也發(fā)現(xiàn)與CK相比，水稻拔節(jié)期和揚花期噴施葉面硅肥后，顯著降低了水稻莖稈和葉片中Cd含量(43.8%～69.7%)，且收獲期糙中米Cd含量顯著降低了33.3%～56.0%。大量試驗表明，噴施葉面硅肥后可以有效降低水稻糙米中重金屬Cd含量(18.9%～57.14%)[21-23]。

試驗中硅肥處理的莖稈和谷殼中拮抗系數(shù)(AFSi/Cd)均顯著高于CK，相關性也表明糙米中Cd含量與谷殼中Cd含量呈顯著正相關關系，而與谷殼和莖稈中Si含量呈顯著負相關關系，說明葉面噴施硅肥后增加了水稻體內(nèi)的Si元素，并阻控水稻重金屬Cd的富集。趙穎等[24]研究表明由于硅在作物地上部的沉淀而阻止了鎘向上的遷移，減少作物地上部鎘積累，從而降低稻米中重金屬鎘含量。此外，Cd元素可以與Si元素在質(zhì)外體形成沉淀作用[25]，同時在運輸過程中，Si元素會在質(zhì)外體通道內(nèi)大量積累，限制了Cd在質(zhì)外體的運輸，從而降低Cd在水稻體內(nèi)的轉運[26]。試驗中選用的兩種葉面硅肥，含有大量的硅元素以及有機質(zhì)、氮、磷、鉀、鋅、鐵、錳、銅等營養(yǎng)物質(zhì)，水稻葉面噴施硅肥后，有機硅、黃腐酸、有機酸等Cd的拮抗劑，使重金屬Cd向水稻地上部位運轉受到抑制，減少了Cd向糙米中運轉和積累。

本研究中噴施的F1和F2處理均沒有將水稻糙米中Cd含量降低到0.2 mg·kg-1以下，可能是因為試驗田土壤Cd含量較高導致。異地驗證試驗表明，噴施葉面硅肥后，晚稻對糙米降Cd效果要好于早稻，可能原因是早稻時期雨水較多，降低了葉面肥的施用效果，而晚稻雨水較少，同時噴施葉面肥還可以增加水分，促進水稻對硅元素的吸收。同時異地驗證試驗還表明，噴施葉面硅肥后糙米中Cd含量降低了6.1%～45.5%，但僅僅在輕度Cd污染(0.31 mg·kg-1)農(nóng)田使糙米中Cd含量低于標準值0.2 mg·kg-1以下，而在中重度Cd污染(>0.42 mg·kg-1)修復過程中，葉面肥還需要結合石灰調(diào)酸、土壤鈍化、品種篩選、水分管理等技術[27-28]。今后需要試驗驗證噴施葉面硅肥與土壤鈍化劑、水肥調(diào)控、低積累水稻品種等措施對中重度Cd污染農(nóng)田水稻糙米降Cd效果。

4 結 論

(1)噴施葉面硅肥可以有效降低水稻莖稈、葉片、谷殼和糙米中的Cd含量，并提高水稻各部位中Si含量和水稻籽粒產(chǎn)量，該技術可以減少稻米Cd污染風險。

(2)相關性表明糙米中Cd含量與谷殼和莖稈中Si含量呈顯著負相關關系，Si與Cd的拮抗效應可以阻控水稻糙米中Cd的積累。

(3)異地驗證試驗表明，輕度Cd污染施用葉面硅肥可以有效降低糙米Cd含量且低于標準值0.2 mg·kg-1以下，而中重度Cd污染農(nóng)田修復需采取土壤鈍化、農(nóng)藝調(diào)控及種植低積累品種等綜合措施改良。