葉面阻隔對水稻吸收和轉運鎘的影響

唐樂斌,黃燕玲,周子寒,吳辰潤,宋 波,2*(.桂林理工大學環境科學與工程學院,廣西 桂林 54004；2.桂林理工大學,巖溶地區水污染控制與用水安全保障協同創新中心,廣西 桂林 54004)

《全國土壤污染狀況調查公報》顯示,我國土壤環境狀況總體不佳,其中Cd 在所有重金屬中點位超標率最高,達7.0%[1].調查顯示,重金屬污染的農業土壤約占農田種植面積的16.7%,其中Cd 污染土壤占40%以上[2].廣西作為我國水稻主產區之一,自然地質背景高[3],表層土壤Cd 含量的平均值是全國表層土壤的4.5 倍[4].相比其他土地利用方式,稻田土壤的Cd 污染更易對人體健康造成危害[5].

水稻是我國種植面積最大和單產最高的糧食作物,也是對重金屬吸收最強的大宗谷類作物[6].相對于動物和水產品來源的食品,糧食作物中Cd 濃度雖然不是很高,但由于食用量大,使其成為我國人群Cd 攝入的主要來源,其中大米作為主要貢獻者,對南方人群貢獻占比65%[7].

葉片是水稻最重要的根外營養器官,能夠吸收外源物質,并將營養物質轉運到稻株其他器官[8].相對于其他農藝調控措施,葉面噴施阻隔劑具有不違農時、施用方便和經濟高效等特點而被廣泛應用于農田生產中,對提高作物抗逆性和增強作物耐重金屬性均有較好的效果[9-10].Si 是水稻不可或缺的元素,可促進葉綠素的合成、改善水稻葉片結構和生理活性,提高根系保護酶活力和自由空間中交換態Cd 的比重,降低細胞壁孔隙度,從而抑制水稻根系對Cd 的吸收和緩解Cd 對植物的毒害[11-12].噴施Si可以減少水稻根系Si 運輸通道的基因表達,阻止Cd 由地下部向地上部遷移[13].Se 是植物體內抗氧化酶的組成成分和活性中心[14-15],能夠改變抗氧化酶的活性,并提高作物的抗性[16],通過增強與重金屬Cd 的拮抗作用來緩解Cd 的毒性[17].特別是Se能與Cd 相結合形成難溶的CdSeO3,使其難以被作物所吸收[18].研究表明,噴施富硒葉面肥能夠顯著降低稻株根系、秸稈和稻米中Cd 含量及Cd 在水稻體內的轉移系數[19].

目前葉面阻隔技術多停留在室內或盆栽試驗[20-21],田間試驗條件繁瑣,受區域自然環境條件的制約較為嚴重,不同種類葉面阻隔劑在桂北地區的田間驗證性試驗鮮見報道.鑒于此,本文以廣西某地的Cd 污染土壤為供試土壤,以糧食主產區種植面積較廣的兩種水稻品種為供試材料,開展大田試驗,探索葉面噴施Si 和Se 對水稻各部位Cd 積累和轉運的調控機理,明確不同水稻品種對噴施兩種阻隔劑降Cd 效應的響應差異,以期為其應用提供理論依據和受污染耕地的安全利用提供參考.

1 材料與方法

1.1 供試材料

大田試驗區位于廣西臨桂區四塘鎮(25°9′N,110°7′E),屬亞熱帶季風氣候,年平均氣溫約19.1℃,年平均降雨量約1887mm,適宜水稻、油菜和馬蹄等農作物和經濟作物生產.成土母質為第四紀紅土,土壤類型為潴育型水稻土,試驗區附近無工礦企業污染源,水源為河流水,重金屬主要來源為成土母質.供試土壤主要理化性質見表1.參照《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 15618-2018)中Cd 篩選值(0.3mg/kg)[22],試驗區屬于安全利用類受污染稻田.

表1 供試土壤基本理化性質Table 1 Basic physical and chemical properties of the tested soil

參試水稻品種為五優1179 和絲香1 號.供試葉面阻隔劑為流體硅(SiO≥26%),材質為單硅酸Si(OH)4和有機螯合態硒,主要成分為亞硒酸鹽,含Se 含量≥15g/L,Na 含量≤10g/L,均由山東綠隴作物營養有限公司提供.

1.2 試驗設計

本試驗共設計8 個處理:YM1、YM2、YM3、YM4、YM5、YM6、YM7 和YM8,每個處理設4 個重復,共計32 個小區,各小區面積約50m2,采用隨機區組設計,具體試驗處理方案見表2.為防止各處理間相互影響,采用泥巴覆膜的形式制成田埂.各處理按照產品要求于無風無雨的上午8:00～10:00 完成噴施.施用前流體硅和螯合硒分別兌水稀釋100 倍和300 倍,噴液量以作物葉片正背面沾滿霧滴為宜.

表2 試驗處理及操作規程Table 2 Test treatments and operating procedures

水稻于2021 年7 月4 日播種,采用濕潤育秧,7月13 日施基肥,所有處理施用復合肥(N-P2O5-K2O:15-15-15)375kg/hm2,7 月17 日同規格拋秧,拋秧后10d 追施尿素100kg/hm2,10 月10 日采集稻谷及對應的土壤樣品.田間施肥、種植密度和病蟲害管理與當地耕作管理保持一致.

1.3 樣品采集與測定

水稻成熟期各小區內采用“S”布點法采樣,記錄株高和劍葉長度等數據后采集整株稻株及其根際土樣,并做好相關標記.帶回實驗室后,將稻谷剝離,先用自來水洗凈根系雜物,再用超純水將整個植株潤洗3～5 次,將植株分為根系、其它節、第一節、其他葉、劍葉、穗軸、穎殼和糙米共8 個部分[23],稻谷曬干后按《米質測定方法》(NY/T 83-2017)[24]出糙,分離出糙米和穎殼,其他樣品在105℃殺青20min,70℃烘干至恒質量,樣品經不銹鋼打磨機粉碎過60目篩后裝入聚乙烯瓶內備用.根系土自然風干后,用瑪瑙研缽研磨過0.841,0.149mm 尼龍篩,保存備用.采用人工實割測產,各小區隨機選取4m2樣方的水稻,自然風干后測產.

土壤全量Cd 采用美國環保署推薦的HNO3-H2O2消煮體系,定容后由ELANDRC-e 型電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS)測定;土壤DTPA-Cd 依據(HJ 804-2016),采用DTPA-CaCl2浸提法提取,用Optima 8000 型電感耦合等離子體光譜儀(ICP-OES)測定;土壤pH 值依據(HJ 962-2018),采用土水比1:2.5 提取,用玻璃電極法測定;植物樣品中Cd 的測定參照《食品中多元素的測定》(GB 5009.268-2016)微波消解法,用Agilent 7500cx 型電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS)測定.

分析過程中加入標準物質和空白樣品進行質量控制,分析樣品重復數為 10%～15%.標準物質GBW 07404(GSS-4)、GBW 10045a(GSB-23a)和GBW 10020(GSB-11)中Cd 的回收率分別為100%～109%、99.6%～107%和85.8%～105%.測定偏差控制在10%以內.分析過程中所用化學試劑均為優級純,所用水均為超純水(Milli-Q 超純水系統).

1.4 數據統計與分析

轉移因子(TFa/b)＝a 部位Cd 含量/b 部位Cd 含量,它表示相鄰部位間Cd 部位的比值.

采用Excel 2010 進行數據整理,試驗數據采用SPSS 23.0 進行統計分析.各處理間平均值的比較采用最小顯著差數法(LSD),圖表中的數據均采用平均值±標準差(M±SD)表示.采用Origin 2023b 作圖.

2 結果與分析

2.1 不同葉面阻隔劑對稻谷產量、株高和劍葉長度的影響

由圖1 可知,對應的不同處理下五優1179 稻谷產量均高于絲香1 號,但差異并不顯著(P>0.05).與對照(CK)相比,噴施硅質葉面阻隔劑能夠提升水稻的實測產量,五優1179 和絲香1 號的產量分別提高9.02%和2.03%.相較于對照處理,噴施螯合硒后五優1179 的稻米產量提升7.27%,而絲香1 號的稻米產量下降5.40%.此外不同處理下絲香1 號的劍葉長度均大于五優1179,其中不噴施阻隔劑(CK),絲香1 號的劍葉長度顯著高于五優1179,達21.2%(P<0.05).而兩種水稻品種不同處理下的株高差異均不顯著,株高范圍介于110～112cm.

圖1 不同處理對水稻產量、株高和劍葉長度的影響Fig.1 Effects of different treatments on rice yield, plant height and flag leaf length

2.2 不同葉面阻隔劑對水稻各部位積累鎘的影響

如圖2 所示,與噴施清水相比,施用葉面阻隔劑能夠減少品種五優1179 體內Cd 總量,噴施流體硅(YM3)和螯合硒(YM4)體內Cd 總量降幅分別為10.9%和 19.1%.而與噴施清水相比,施用流體硅(YM7)和螯合硒(YM8)均可顯著降低絲香1 號體內Cd 總量(P<0.05),降幅分別為41.2%和33.1%.此外,相同處理對2 種水稻體內Cd 總量的影響并不顯著(P>0.05).從圖2 可以看出,噴施流體硅后兩種水稻不同部位Cd 含量的變化規律基本呈現根>其他節>第一節>其他葉>劍葉>穎殼>穗軸>糙米,而施用螯合硒后兩種水稻不同部位Cd 含量變化主要表現在穗軸>穎殼,其他部位Cd 含量規律保持不變.這與其他學者的研究結論一致,這是因為重金屬Cd 在新陳代謝旺盛的器官蓄積量較高,而如籽粒等營養儲存器官中的分布量則較少[19].此外,與YM2 處理相比,施用流體硅(YM3)和螯合硒(YM4)均可顯著降低水稻五優1179 根系、第一節、穗軸和糙米中Cd 含量,根系降幅為29.6%和37.7%,第一節降幅為29.9%和45.4%,穗軸降幅為60.4%和28.6%,糙米降幅為62.8%和58.5%,其中YM3 處理糙米ω(Cd)為0.181mg/kg,符合限量標準(0.2mg/kg),YM4 處理糙米ω(Cd)為0.202mg/kg.與噴施等量的清水相比,施用流體硅和螯合硒對絲香1 號的根系、第一節、穗軸和糙米Cd 蓄積量均產生了抑制作用,且顯著降低其他節中Cd 含量,其降幅分別為41.2%和33.1%(P<0.05).其中YM7 和YM8 處理糙米Cd 含量分別為(0.186±0.032) mg/kg 和(0.169±0.019) mg/kg,較CK 處理分別下降58.9%和62.7%,均符合限量標準.另外,相比于噴施清水,外源噴施流體硅后絲香1 號品種的其他葉和劍葉中Cd 含量顯著高出YM6 處理,說明其可使植株體內的Cd 更多地被攔截在葉片中.

圖2 不同處理對水稻各部位Cd 含量的影響Fig.2 Effects of different treatments on Cd content in various parts of rice

2.3 不同葉面阻隔劑對水稻Cd 轉運因子的影響

從表3 可知,水稻穎殼-糙米的Cd 轉移能力較強(TF糙米/穎殼>1).與CK 處理相比,在水稻孕穗期和灌漿期噴施清水能降低TF劍葉/其他葉和TF穎殼/穗軸,提高TF穗軸/劍葉.外源噴施葉面阻隔劑后水稻各部位間Cd 轉運能力的差異主要表現在第一節-其他葉-劍葉-穗軸-穎殼-糙米.與同時期噴施清水(YM2)相比,五優1179 的葉面噴施Si 和Se 能夠促進Cd 從第一節向其他葉的轉移,同時抑制Cd 從劍葉向穗軸和穎殼向糙米的運輸.此外,與YM4 處理相比,外源噴施Si 后五優1179 品種TF穎殼/穗軸顯著上升(P<0.05),TF穗軸/劍葉明顯下降,其降Cd 效果的差異可能與其特殊的調控機理有關.與噴施清水相比,絲香1 號外源噴施Si 和Se 后TF其他葉/第一節、TF劍葉/其他葉和TF穎殼/穗軸均上升,TF穗軸/劍葉和TF糙米/穎殼顯著下降(P<0.05),降幅分別為53.7%、21.6%和78.4%、61.1%,且YM7 處理TF第一節/其他節顯著高于其他處理.這表明噴施葉面阻隔劑能夠更多地將莖和其他葉中的Cd 轉移至劍葉,促進劍葉對Cd 的固定,同時抑制劍葉中的Cd 向穗軸和穎殼的轉運,進而減少糙米中Cd 的累積.

表3 不同葉面阻隔劑對水稻Cd 轉運因子的影響Table 3 Translocation factor of Cd in different foliar spraying inhibitors

2.4 稻米Cd 含量與其他部位Cd 含量相關性分析

從圖3 可以看出,稻米Cd 含量與其他部位Cd 含量間存在著一定相關性.根系、其他節、第一節和其他葉中的Cd 含量均與糙米Cd 含量存在顯著相關性,其中根系Cd 含量、其他節Cd 含量和第一節Cd 含量與糙米Cd含量存在顯著正相關,相關系數R2分別為0.81(P<0.01)、0.63(P<0.01)和0.78(P<0.01),而糙米Cd含量與其他葉Cd含量呈顯著負相關,相關系數R2為?0.33(P<0.05).

圖3 糙米Cd 含量與其他部位Cd 含量相關性分析Fig.3 Correlation analysis between Cd content in brown rice and Cd content in other parts

3 討論

3.1 不同葉面阻隔劑對稻谷產量的影響

水稻是典型的喜硅作物,Si 可以促進水稻的生長發育、提高抗病蟲和抗倒伏能力以及對礦質元素的利用率,從而提升稻谷產量[25-26].外源噴施適當的流體硅能夠提升五優1179 和絲香1 號的稻谷產量,增幅分別為9.02%和2.03%.相比于噴施流體硅,噴施螯合硒對水稻增產效果存在顯著差異.在五優1179品種孕穗期和灌漿期噴施1L/667m2螯合硒可提升稻米產量7.27%,但絲香1 號的稻谷產量下降5.40%,這可能與該品種對螯合硒的噴施濃度較為敏感有關,同時這也說明水稻品種是硒質葉面阻隔劑影響稻米產量的重要因素.

3.2 不同葉面阻隔劑對糙米Cd 含量的影響

水稻收獲期稻穗中60%～90%的總碳來自抽穗后的光合作用,儲存在營養器官中的營養物質和Cd也會被重新活化后轉運到籽粒中[27].研究表明,劍葉是成熟期稻穗光合碳水化合物的主要來源[28].由根系吸收的Cd 一部分通過穗軸直接進入籽粒,另一部分轉運到葉片等器官儲存,在灌漿期通過穗軸進入籽粒[29].因此,在水稻孕穗期和灌漿期通過噴施葉面阻隔劑以提高葉片、穗軸及穎殼對Cd 的“阻攔”能力,抑制莖葉中Cd向籽粒的運輸和分配,就有可能在不影響水稻生長發育的前提下降低糙米中Cd 含量.此外,相關性分析表明,糙米Cd 含量與根系和莖中Cd 含量均呈顯著正相關(P<0.01),與其他葉Cd 含量呈顯著負相關(P<0.05),說明葉面阻隔劑能夠通過抑制根系對土壤Cd 的吸收,同時將經根系吸收的Cd 更多地轉移至葉片累積和固定,提升Cd 在葉片中的分配比例,進而減少重金屬Cd在籽粒中的蓄積.施硅可以提高葉綠素含量,促進葉片的光合速率[30],刺激抗氧化酶基因表達,降低Cd 產生的氧化脅迫[31].Si 在水稻生長過程中以Si(OH)4的形式被根系吸收到根部[28].本研究結果表明,噴施以單硅酸為主要成分的流體硅能夠顯著降低根、莖和穗軸中Cd 含量,TF穗軸/劍葉和TF糙米/穎殼明顯下降,糙米Cd 含量均降至限量標準(0.2mg/kg)以下,說明由葉片進入水稻體內的流體硅可向根部轉移[32],不僅抑制土壤Cd 由根系進入稻株[33],增強Cd 在根和莖的固定和滯留[34],抑制其的向上遷移,還能有效減少Cd 從劍葉向穗軸和穎殼等高處的運輸和分配.此外,較之品種五優1179,噴施流體硅后絲香1 號葉片中Cd 含量和TF其他葉/第一節顯著上升,這可能與不同的品種對進入其體內的Si 濃度耐性不同有關.研究表明,高Si 濃度能夠促進Cd 與Si 在木質部和韌皮部等代謝活性較低的組織中共沉淀[35].

Se 作為多種酶和蛋白質的重要組成成分,其能調控水稻細胞中如OsIRT1、OsIRT2、OsLCT1 和OsNramp5 等Cd 轉運相關基因的表達,外源Se 供應水平能夠促進水稻體內谷胱甘肽過氧化物酶的產生,從而減少水稻對Cd 的吸收[36-38].與對照處理相比,葉面噴Se 能夠使品種五優1179 和絲香1 號體內Cd 含量分別減少35.1%和39.8%,同時根、莖和糙米中Cd 含量顯著降低,TF穗軸/劍葉明顯下降,這說明螯合硒與流體硅對水稻有類似的降Cd 機理.隨著外源Na2SeO3的噴施,大量Cd 被區室化于液泡中,阻礙了其在質外體中的運輸,最終減少Cd 由根和莖向籽粒的轉運[39-40].此外,相較于噴施流體硅,噴施螯合硒后水稻穗軸中Cd 含量和TF穗軸/劍葉得到提高,而TF穎殼/穗軸明顯降低,說明外源供應Se能夠促進穗軸中Cd 的積累,從而減少Cd 由穗軸向穎殼直至糙米的轉移.

3.3 經濟效益分析

本試驗所涉及的水稻種子、化肥、人工和產品運輸成本等大致相同,耕作管理水平一致,在噴施葉面阻隔劑將糙米Cd 含量降至限量值以下的前提下,流體硅和螯合硒的采購成本分別為975 元/hm2和1275 元/hm2.故葉面阻隔是一種具有良好經濟利用價值的阻控措施.此外,近年來得益于迅速發展的無人機技術,針對我國面積較大的輕中度Cd 污染農田土壤,葉面阻隔技術使其安全利用成本進一步降低.

4 結論

4.1 噴施流體硅能夠提高五優1179 和絲香1 號的產量,增幅分別為9.02%和2.03%.噴施螯合硒可使五優1179 稻谷產量提升7.27%,絲香1 號的產量降低5.40%.

4.2 噴施流體硅后不同部位Cd 含量由大到小依次為根>其他節>第一節>其他葉>劍葉>穎殼>穗軸>糙米,施用螯合硒后順序變化主要為穗軸>穎殼.葉面噴施阻隔劑后水稻根、莖和糙米中Cd 含量顯著下降,TF穗軸/劍葉受到抑制,這可能是其調控籽粒Cd 含量的主要機制之一.

4.3 相關性表明:糙米Cd 含量與根系Cd 含量、其他節Cd 含量和第一節Cd 含量均呈顯著正相關(P<0.01),而與其他葉Cd 含量呈顯著負相關(P<0.05).

4.4 在桂北地區Cd 污染安全利用類稻田,建議噴施流體硅能夠在提升稻谷產量的同時顯著降低糙米Cd 含量.