Effects of foliar silicon fertilizer on rice cadmium accumulation in red soil region of Southern China
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摘要:
为研究叶面硅肥对水稻糙米的降镉(Cd)效果，在新余市典型Cd污染农田开展田间试验，于水稻拔节期、扬花期喷施两种叶面硅肥作为处理(编号为F1和F2)，以喷施清水作为对照(CK)，探讨叶面硅肥对水稻各部位Cd迁移、转化和籽粒产量的影响。结果表明：与CK相比，F1和F2处理水稻产量增加了4.70%~6.26%；而糙米中Cd含量显著降低了33.3%~56.0%(P < 0.05)；水稻叶片和谷壳中硅(Si)显著增加了25.2%~134%(P < 0.05)。喷施叶面硅肥处理的茎秆和谷壳中拮抗系数均显著高于CK(P < 0.05)，相关性表明糙米中Cd含量与谷壳中Cd含量呈显著正相关关系，而与谷壳和茎秆中Si含量呈显著负相关关系。异地验证试验表明，在低Cd污染区(0.31 mg·kg-1)，喷施叶面硅肥可以有效降低糙米中Cd含量，使其控制在糙米标准值(0.20 mg·kg-1)以下。
Abstract:In order to understand the effects of foliar silicon fertilizer on cadmium (Cd) reduction in brown rice as well as on Cd migration, transformation in different parts of rice and grain yield, a field experiment was carried out in a typical Cd-contaminated farmland in Xinyu City, including three treatments, two kinds of foliar silicon fertilizer (F1 and F2) and water as a control (CK), sprayed at jointing and blooming stages.The results showed that compared with CK, the rice yields of F1 and F2 treatments increased by 4.70%~6.26%, the Cd in brown rice significantly decreased by 33.3%~56.0% (P < 0.05).Silicon (Si) in leaves and husks increased by 25.2%~134% (P < 0.05) at harvest.The antagonistic coefficient in stem and husk of foliar silicon fertilizer treatment was significantly higher than that of CK (P < 0.05).The Cd content in brown rice was positively correlated with the Cd contents in husk, but negatively correlated with the Si content in husk and stem.The off-site verification test showed that foliar silicon fertilizer effectively reduced the Cd in brown rice in low Cd polluted areas (0.31 mg·kg-1), which was below the standard value (0.20 mg·kg-1).
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Keywords:
- cadmium pollution /
- rice /
- foliar silicon fertilizer /
- yield /
- antagonism coefficient
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0 引言
随着工业化、城市化和集约化农业的快速发展，不断增加的工业“三废”、农药及化肥、污水灌溉、生活垃圾等导致土壤重金属污染问题日益突出[1]。2014年全国土壤污染状况调查公报显示，耕地土壤重金属镉(Cd)点位超标率最为严重，高达7.0%[2]。水稻(Oryza sativa L.)作为我国最主要的粮食作物，对重金属Cd具有很强的吸收富集能力，并通过食物链对人体身体健康产生不利影响[3-4]。如何有效降低稻米中重金属Cd含量，对确保粮食安全极为重要，也是当前急需解决的热点问题。
我国Cd污染农田安全利用措施主要包括农艺调控、石灰调酸、土壤钝化及叶面阻控技术等[5-6]。在不同的修复技术中，叶面阻控具有成本低、品种多、施用期长、操作简单等特点[7]。研究表明：施用叶面肥不仅可以增加水稻产量和提高水稻品质，还可以有效降低水稻对重金属的积累[8-9]。目前，我国大面积施用的叶面阻控剂以硅(Si)类为主[5]。水稻是典型的喜硅类作物，施用硅肥可以阻隔水稻根茎叶重金属向糙米中转运[10]，施用叶面硅肥可使水稻籽粒重金属Cd含量降低28%~50%[11]，主要原因是硅作为水稻生长的必需元素，可增强细胞壁的机械性能，改变Cd的化学形态和亚细胞分布，进而减少Cd向地上部的转移[12-13]。硅肥对糙米降Cd效果还受施用时期和土壤污染程度的影响。张世浩[14]试验发现拔节期施硅水稻精米中Cd含量最小；唐熙雯等[15]研究表明轻度污染喷施叶面硅肥糙米中Cd含量低于标准值。
新余市是典型的工业城市，因工业发展过程中导致的环境污染，引起部分耕地出现稻谷Cd超标现象，为保障粮食安全，急需对受污染耕地进行修复治理和安全利用。基于此，本研究在新余市酸性中度Cd污染农田，选取2种叶面硅肥研究其对水稻各部位(根系、茎杆、叶片、谷壳、糙米)中Cd、Si含量及产量的影响，以期明确：(1)施用叶面硅肥对水稻糙米的降Cd效果；(2)叶面硅肥在水稻植株重金属Cd吸收、转运和积累过程；同时，通过异地验证叶面硅肥对糙米降Cd效果的稳定性，为Cd污染稻田安全利用提供技术支撑和理论基础。
1 材料与方法
1.1 研究地概况
试验区位于江西省新余市渝水区珠珊镇州下村(27°47′13″N，114°59′21″E)，属亚热带湿润季风气候，年均气温17.7 ℃，年均降雨量1 595 mm。试验区为红壤性水稻土，质地为粉壤，试验前0~20 cm土层土壤有机质含量24.95 g·kg-1，pH值5.36，土壤全Cd含量0.85 mg·kg-1，属于中度污染。
1.2 试验设计
本试验共设计3个处理，CK(清水对照)，F1(叶面硅肥1)，F2(叶面硅肥2)，随机区组排列，3次重复。试验小区面积为30 m2，小区之间以田埂隔开，田埂上覆薄膜，各小区采用单排单灌，严控串灌，其它管理与大田生产管理一致。
叶面硅肥1购自广东佛山，水剂，主要成分为Si≥85 g·L-1、pH 5.0~7.0、Na≤10 g·L-1、水不溶物≤10 g·L-1；叶面硅肥2购自湖北武汉，粉剂，其主要含量为Si≥20%、K2O≥15.0%、水不溶物≤3%、Na≤3.0%。大田试验于2020年7月30日种植水稻幼苗，种植方式为直播。在9月15日(水稻拔节期)喷洒第一次叶面硅肥，于9月20日取第一次植株样品；在10月7日(水稻扬花期)喷洒第二次叶面硅肥，于10月12日取第二次植株样品，于11月12日(收获期)进行取样和测产。晚稻品种为清香丝苗(新余市农业科学研究所选育水稻品种)。叶面硅肥1和叶面硅肥2分别兑水稀释500倍进行叶面喷施，于水稻拔节期和扬花期喷施，施用量为每次1 500 ml·hm-2(参考产品提供的用量)。
为进一步验证叶面硅肥对水稻糙米的降Cd效果，分别于2020年在新余市渝水区珠珊镇洲下村(中稻，土壤全Cd含量为0.85 mg·kg-1)、新余市渝水区鹄山乡鹄山村(晚稻，土壤全Cd含量为0.31 mg·kg-1)、新余市渝水区珠珊镇埠下村(早晚稻，土壤全Cd含量为0.55 mg·kg-1)、新余市渝水区珠珊镇埠下村(中稻，土壤全Cd含量为0.42 mg·kg-1)进行田间试验。
1.3 样品测定
采用5点取样法采集水稻植株，通过HNO3-H2O2消解-电感耦合等离子体光谱仪测定水稻根、茎、叶、谷壳、糙米等器官中Cd和Si含量。植株分析方法参考生态地球化学评价动植物样品分析方法[16]。
1.4 数据分析
通过R语言(www.r-project.org，R 4.2.0)统计软件对试验数据进行方差分析和相关性分析，采用R语言程序包ggplot2进行绘图，采用Tukey HSD法对数据进行差异显著性(P < 0.05)。转运系数用水稻茎秆、叶片和谷壳中Cd元素与糙米中Cd元素比值表示；拮抗系数用水稻茎秆、叶片和谷壳中Si元素与相对应部位中Cd元素比值表示。
2 结果与分析
2.1 水稻各部位Cd与Si含量
水稻拔节期，施用叶面硅肥水稻根系中Cd含量(F=0.17，P=0.85，图 1a)、茎杆中Si含量(F=0.59，P=0.58，图 1d)和叶片中Si含量(F=0.34，P=0.73，图 1e)均无显著差异。与CK相比，F1和F2茎杆中Si含量增加了23.7%~37.3%，叶片中Si含量增加了3.9%~9.7%。施用F1和F2处理茎杆中Cd含量显著低于CK(F=6.20，P=0.03，图 1b)，分别降低了53.8%和62.2%(P＜0.05)；叶片中Cd含量也显著低于CK(F=5.92，P=0.02，图 1c)，分别降低了47.9%和43.8%(P＜0.05)。
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注：图中小写字母表示拔节期Cd和Si含量在不同处理间差异显著(P < 0.05)，大写字母表示扬花期Cd和Si含量在不同处理间差异显著(P < 0.05)。下同。Note: Different lowercase and capital letters indicate Cd or Si content have significant differences between treatments at jointing stage and blooming stage, respectively(P < 0.05).The same is as below.图 1 硅肥对水稻拔节期和扬花期不同部位中Cd和Si含量的影响Fig. 1 Effects of foliar silicon fertilizer on Cd and Si contents in different parts of rice at jointing and blooming stages水稻扬花期，施用叶面硅肥水稻根系中Cd含量(F=0.03，P=0.97，图 1a)、茎杆中Si含量(F=3.70，P=0.08，图 1d)、叶片中Si含量(F=0.56，P=0.60，图 1e)均无显著差异。与CK相比，F1和F2茎杆中Si含量增加了95.8%~97.9%，叶片中Si含量增加了8.48%~31.5%。施用F1和F2处理茎杆中Cd含量显著低于CK(F=5.22，P=0.048，图 1b)，分别降低了50.5%和58.6%(P＜0.05)；叶片中Cd含量也显著低于CK(F=5.15，P=0.049，图 1c)，分别降低了69.7%和65.9%(P＜0.05)。
水稻收获期，与CK相比，F1和F2处理的水稻茎秆中Cd含量分别显著降低了33.3%和56.3%(P＜0.05，图 2a)。CK、F1和F2处理的糙米中Cd含量分别为0.75、0.52、0.33 mg·kg-1。与CK相比，F1和F2处理的水稻糙米中Cd含量分别显著降低了33.3%和56.0%(P＜0.05，图 2d)；施用硅肥处理中叶片(F=0.45，P=0.66，图 2b)和谷壳(F=2.14，P=0.19，图 2c)中Cd含量与CK相比差异均不显著。与CK相比，除F2处理使叶片和谷壳中的Si含量分别显著增加了31.9%和134%外，其余处理对不同部位中的Si含量均未产生显著影响。
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图 2 收获期喷施硅肥对水稻不同部位中Cd和Si含量的影响Fig. 2 Effects of foliar silicon fertilizer on Cd and Si contents in different parts of rice at harvest2.2 水稻Cd的转运系数及拮抗系数
从表 1收获期水稻Cd转运系数及拮抗系数可知，总体上，与CK相比，喷施叶面硅肥后降低了水稻茎秆、叶片、谷壳中重金属Cd元素向糙米中Cd元素的转运系数，但差异均未达到显著水平；F1、F2处理的茎秆和谷壳中的拮抗系数均显著高于CK(P＜0.05)。
表 1 收获期水稻Cd转运系数及拮抗系数Table 1 Cd transport coefficient and antagonistic coefficient of rice at harvest处理
TreatmentTF AFSi/Cd 茎杆-糙米
Stem-Brown rice叶片-糙米
Leaf-Brown rice谷壳-糙米
Husk-Brown rice谷壳Husk 茎杆Stem 叶片Leaf CK 0.11 a 0.57 a 0.53 a 1.94 b 0.06 b 1.11 a F1 0.10 a 0.49 a 0.49 a 3.65 a 0.17 a 1.57 a F2 0.10 a 0.40 a 0.32 a 5.71 a 0.37 a 2.12 a 注：TF代表转运系数；AF代表拮抗系数。不同小写字母代表处理间差异显著(P＜0.05)。
Note: TF indicates transport coefficient; AF indicates antagonistic coefficient.Different small letters indicate significant differences between treatments at P＜0.05.2.3 喷施叶面硅肥对水稻籽粒产量的影响
由图 3可以看出，水稻籽粒产量为7 955~9 505 kg·hm-2。不同处理下水稻籽粒产量表现为F2>F1>CK，与CK相比, 喷施F1处理下的水稻籽粒产量增加了4.70%，喷施F2处理下的水稻籽粒产量增加了6.26%，但是统计分析表明配施叶面硅肥的水稻籽粒产量与对照没有明显差异。
2.4 收获期水稻各部位Cd和Si含量的相关性分析
为探讨水稻各部位Cd与Si含量的相关性，进一步了解喷施叶面硅肥下糙米Cd的吸收机制，本文分析了糙米、茎秆、叶片、谷壳中Cd含量及其茎秆、叶片、谷壳中Si含量的相关性。表 2中相关性结果显示，糙米中Cd含量与谷壳中Cd含量呈显著正相关关系(P < 0.05)，而与谷壳中、茎秆中Si含量呈显著负相关关系(P＜0.05)。同时，谷壳中Cd含量与茎秆中Cd含量呈显著正相关关系(P < 0.05)。
表 2 收获期水稻Cd、Si含量间的相关系数Table 2 Correlation coefficients between Cd and Si contents in rice at harvestCd Si 谷壳Husk 茎杆Stem 叶片Leaf 谷壳Husk 茎杆Stem 叶片Leaf Cd糙米Brown rice 0.62* 0.51 0.50 -0.73* -0.60* -0.45 Cd谷壳Husk — 0.72* 0.15 -0.49 -0.28 -0.33 Cd茎杆Stem 0.72* — 0.32 -0.38 -0.50 -0.46 Cd叶Leaf 0.15 0.32 — -0.11 -0.31 -0.51 注：*表示两指标间相关性显著(P < 0.05)。
Note: *indicates significant difference between two coefficients at P < 0.05.2.5 喷施叶面硅肥对水稻糙米中Cd含量的异地验证效果
图 4a中CK、F1和F2处理的糙米中Cd含量分别为0.96、0.88、0.77 mg·kg-1，与CK相比，F1和F2处理中稻糙米Cd含量降低了8.3%~19.8%，但差异不显著；图 4b中CK、F1和F2处理的糙米中Cd含量分别为0.22、0.13、0.13 mg·kg-1，F1和F2处理晚稻糙米Cd含量与CK相比显著降低了40.9%~45.5%(P＜0.05)；图 4c中CK、F1和F2处理的糙米中Cd含量分别为0.49、0.43、0.46 mg·kg-1，与CK相比，F1和F2处理早稻糙米Cd含量降低了6.12%~12.2%，但差异不显著；图 4d中CK、F1和F2处理的糙米中Cd含量分别为0.33、0.18、0.28 mg·kg-1，与CK相比，F1和F2处理晚稻糙米Cd含量降低了15.2%~45.5%，差异也不显著；图 4e中CK、F1和F2处理的糙米中Cd含量分别为0.39、0.30、0.26 mg·kg-1，与CK相比，F1和F2处理中稻糙米Cd含量降低了23.1%~33.3%，但差异并未达到显著水平。
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注：(a)图土壤Cd含量为0.85 mg·kg-1; (b)图土壤Cd含量为0.31 mg·kg-1; (c)图和(d)图土壤Cd含量均为0.55 mg·kg-1; (e)图土壤Cd含量为0.42 mg·kg-1。Note: The soil Cd content in the figure (a) is 0.85 mg·kg-1; The soil Cd content in the figure (b) is 0.31 mg·kg-1; The content of soil Cd is 0.55 mg·kg-1 in figure (c) and figure (d); The soil Cd content in the figure (e) is 0.42 mg·kg-1.图 4 叶面硅肥对水稻糙米Cd含量的异地验证效果Fig. 4 Effects of foliar silicon fertilizer on Cd in brown rice in different locations3 讨论
水稻是喜硅类作物，施用硅肥可以加速水稻生长，间接克服非生物和生物胁迫[10]。本研究中喷施叶面硅肥后使水稻籽粒产量增加了4.70%~6.26%。杨国英等[17]研究表明，施用硅肥不仅增加了粳稻产量2.7%~7.1%，还改善了糙米率、精米率、蛋白质含量等水稻品质。张宇鹏等[18]研究也发现，喷施叶面肥后使水稻增产3.24%，与本研究类似。Si元素可以促进水稻的生长发育，改善水稻的抗逆性，提升水稻叶片中叶绿素的含量和加强水稻对重金属Cd的抗性[19]。本试验中的两种叶面硅肥除了含有大量的Si元素，还有锌、铁、锰等微量元素和有机质、氮、磷、钾等营养物质，可以有效调节水稻生理特征，促进叶片光合作用，从而提升水稻的产量和品质。
徐奕等[20]试验发现叶面喷施硅肥后降低了水稻地上部Cd含量，但对根系中Cd含量没有显著影响，且增加硅肥喷施次数可以进一步提高水稻降Cd效果，本试验也发现与CK相比，水稻拔节期和扬花期喷施叶面硅肥后，显著降低了水稻茎秆和叶片中Cd含量(43.8%~69.7%)，且收获期糙中米Cd含量显著降低了33.3%~56.0%。大量试验表明，喷施叶面硅肥后可以有效降低水稻糙米中重金属Cd含量(18.9%~57.14%)[21-23]。
试验中硅肥处理的茎秆和谷壳中拮抗系数(AFSi/Cd)均显著高于CK，相关性也表明糙米中Cd含量与谷壳中Cd含量呈显著正相关关系，而与谷壳和茎秆中Si含量呈显著负相关关系，说明叶面喷施硅肥后增加了水稻体内的Si元素，并阻控水稻重金属Cd的富集。赵颖等[24]研究表明由于硅在作物地上部的沉淀而阻止了镉向上的迁移，减少作物地上部镉积累，从而降低稻米中重金属镉含量。此外，Cd元素可以与Si元素在质外体形成沉淀作用[25]，同时在运输过程中，Si元素会在质外体通道内大量积累，限制了Cd在质外体的运输，从而降低Cd在水稻体内的转运[26]。试验中选用的两种叶面硅肥，含有大量的硅元素以及有机质、氮、磷、钾、锌、铁、锰、铜等营养物质，水稻叶面喷施硅肥后，有机硅、黄腐酸、有机酸等Cd的拮抗剂，使重金属Cd向水稻地上部位运转受到抑制，减少了Cd向糙米中运转和积累。
本研究中喷施的F1和F2处理均没有将水稻糙米中Cd含量降低到0.2 mg·kg-1以下，可能是因为试验田土壤Cd含量较高导致。异地验证试验表明，喷施叶面硅肥后，晚稻对糙米降Cd效果要好于早稻，可能原因是早稻时期雨水较多，降低了叶面肥的施用效果，而晚稻雨水较少，同时喷施叶面肥还可以增加水分，促进水稻对硅元素的吸收。同时异地验证试验还表明，喷施叶面硅肥后糙米中Cd含量降低了6.1%~45.5%，但仅仅在轻度Cd污染(0.31 mg·kg-1)农田使糙米中Cd含量低于标准值0.2 mg·kg-1以下，而在中重度Cd污染(>0.42 mg·kg-1)修复过程中，叶面肥还需要结合石灰调酸、土壤钝化、品种筛选、水分管理等技术[27-28]。今后需要试验验证喷施叶面硅肥与土壤钝化剂、水肥调控、低积累水稻品种等措施对中重度Cd污染农田水稻糙米降Cd效果。
4 结论
(1) 喷施叶面硅肥可以有效降低水稻茎秆、叶片、谷壳和糙米中的Cd含量，并提高水稻各部位中Si含量和水稻籽粒产量，该技术可以减少稻米Cd污染风险。
(2) 相关性表明糙米中Cd含量与谷壳和茎秆中Si含量呈显著负相关关系，Si与Cd的拮抗效应可以阻控水稻糙米中Cd的积累。
(3) 异地验证试验表明，轻度Cd污染施用叶面硅肥可以有效降低糙米Cd含量且低于标准值0.2 mg·kg-1以下，而中重度Cd污染农田修复需采取土壤钝化、农艺调控及种植低积累品种等综合措施改良。
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注：图中小写字母表示拔节期Cd和Si含量在不同处理间差异显著(P < 0.05)，大写字母表示扬花期Cd和Si含量在不同处理间差异显著(P < 0.05)。下同。
Note: Different lowercase and capital letters indicate Cd or Si content have significant differences between treatments at jointing stage and blooming stage, respectively(P < 0.05).The same is as below.
图 1 硅肥对水稻拔节期和扬花期不同部位中Cd和Si含量的影响
Figure 1. Effects of foliar silicon fertilizer on Cd and Si contents in different parts of rice at jointing and blooming stages
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图 2 收获期喷施硅肥对水稻不同部位中Cd和Si含量的影响
Figure 2. Effects of foliar silicon fertilizer on Cd and Si contents in different parts of rice at harvest
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图 3 喷施叶面硅肥对水稻籽粒产量的影响
Figure 3. Effects of foliar silicon fertilizer on rice grain yield
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注：(a)图土壤Cd含量为0.85 mg·kg-1; (b)图土壤Cd含量为0.31 mg·kg-1; (c)图和(d)图土壤Cd含量均为0.55 mg·kg-1; (e)图土壤Cd含量为0.42 mg·kg-1。
Note: The soil Cd content in the figure (a) is 0.85 mg·kg-1; The soil Cd content in the figure (b) is 0.31 mg·kg-1; The content of soil Cd is 0.55 mg·kg-1 in figure (c) and figure (d); The soil Cd content in the figure (e) is 0.42 mg·kg-1.
图 4 叶面硅肥对水稻糙米Cd含量的异地验证效果
Figure 4. Effects of foliar silicon fertilizer on Cd in brown rice in different locations
表 1 收获期水稻Cd转运系数及拮抗系数
Table 1 Cd transport coefficient and antagonistic coefficient of rice at harvest
处理
TreatmentTF AFSi/Cd 茎杆-糙米
Stem-Brown rice叶片-糙米
Leaf-Brown rice谷壳-糙米
Husk-Brown rice谷壳Husk 茎杆Stem 叶片Leaf CK 0.11 a 0.57 a 0.53 a 1.94 b 0.06 b 1.11 a F1 0.10 a 0.49 a 0.49 a 3.65 a 0.17 a 1.57 a F2 0.10 a 0.40 a 0.32 a 5.71 a 0.37 a 2.12 a 注：TF代表转运系数；AF代表拮抗系数。不同小写字母代表处理间差异显著(P＜0.05)。
Note: TF indicates transport coefficient; AF indicates antagonistic coefficient.Different small letters indicate significant differences between treatments at P＜0.05.
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表 2 收获期水稻Cd、Si含量间的相关系数
Table 2 Correlation coefficients between Cd and Si contents in rice at harvest
Cd Si 谷壳Husk 茎杆Stem 叶片Leaf 谷壳Husk 茎杆Stem 叶片Leaf Cd糙米Brown rice 0.62* 0.51 0.50 -0.73* -0.60* -0.45 Cd谷壳Husk — 0.72* 0.15 -0.49 -0.28 -0.33 Cd茎杆Stem 0.72* — 0.32 -0.38 -0.50 -0.46 Cd叶Leaf 0.15 0.32 — -0.11 -0.31 -0.51 注：*表示两指标间相关性显著(P < 0.05)。
Note: *indicates significant difference between two coefficients at P < 0.05.
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