环境科学  2020, Vol. 41 Issue (8): 3855-3861   PDF    
引用本文
魏宾纭, 周航, 刘佳炜, 张竞颐, 黄芳, 霍洋, 胡雨丹, 辜娇峰, 刘俊, 廖柏寒. 不同水分管理模式联合叶面喷施硅肥对水稻Cd累积的影响[J]. 环境科学, 2020, 41(8): 3855-3861.
WEI Bin-yun, ZHOU Hang, LIU Jia-wei, ZHANG Jing-yi, HUANG Fang, HUO Yang, HU Yu-dan, GU Jiao-feng, LIU Jun, LIAO Bo-han. Effects of Different Treatments with Water Management Combined with Leaf Spraying Silicon Fertilizer on Cd Accumulation in Rice[J]. Environmental Science, 2020, 41(8): 3855-3861.
不同水分管理模式联合叶面喷施硅肥对水稻Cd累积的影响
魏宾纭1, 周航1,2, 刘佳炜1, 张竞颐1, 黄芳1, 霍洋1, 胡雨丹1, 辜娇峰1,2, 刘俊3, 廖柏寒1,2     
1. 中南林业科技大学环境科学与工程学院, 长沙 410004;
2. 稻米品质安全控制湖南省工程实验室, 长沙 410004;
3. 有色金属矿区耕地重金属污染生态阻抗技术研究衡阳市重点实验室, 衡阳 421001
收稿日期: 2020-02-21; 修订日期: 2020-03-10
基金项目: 国家自然科学基金项目（41907126）；湖南省自然科学基金项目（2018JJ3880，2018JJ3881）；长沙市科技计划项目（kq1901138）
作者简介: 魏宾纭(1995~), 女, 硕士研究生, 主要研究方向为土壤重金属污染控制, E-mail:1572311210@qq.com
通信作者: 周航, E-mail:zhouhang4607@163.com; 辜娇峰, E-mail:gujiaofeng@163.com
摘要: 在某重度Cd污染稻田（Cd含量2.83 mg·kg-1）开展8种水分管理措施联合叶面喷施硅肥的大田试验，研究不同处理对水稻生长及各部位Cd累积的影响.结果表明：① 8种水分管理措施联合叶面喷施硅肥处理对水稻株高和分蘖数没有明显影响，但各处理均增加了水稻糙米生物量，增幅为1.7%~25.0%，其中成熟期淹水+叶面喷施硅肥处理（CY）下糙米生物量达到最高.②常规水分管理+叶面喷施硅肥处理（Si）对土壤Cd两种提取态含量无明显影响，而其他处理降低土壤交换态Cd含量7.8%~42.6%，降低土壤TCLP提取态Cd含量20.0%~40.8%.③常规水分管理+叶面喷施硅肥处理（Si）能降低水稻各部位Cd含量，糙米Cd含量下降了19.0%；其他处理显著降低了水稻各部位中Cd含量，其中仅成熟期湿润+叶面喷施硅肥处理（CS）降低糙米Cd含量降幅最大，降低了44.0%，其次为间歇淹水湿润+叶面喷施硅肥处理（JX）和仅灌浆期湿润+叶面喷施硅肥处理（GS），分别降低36.4%和31.8%.④在中重度Cd污染稻田建议采用仅成熟期湿润+叶面喷施硅肥处理（CS）和间歇淹水湿润+叶面喷施硅肥处理（JX），在不影响水稻产量的同时又显著降低糙米Cd含量.
关键词: 水稻      水分管理      Cd污染土壤      硅肥      组合技术措施     
Effects of Different Treatments with Water Management Combined with Leaf Spraying Silicon Fertilizer on Cd Accumulation in Rice
WEI Bin-yun1 , ZHOU Hang1,2 , LIU Jia-wei1 , ZHANG Jing-yi1 , HUANG Fang1 , HUO Yang1 , HU Yu-dan1 , GU Jiao-feng1,2 , LIU Jun3 , LIAO Bo-han1,2     
1. College of Environmental Science and Engineering, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, China;
2. Hunan Engineering Laboratory for Control of Rice Quality and Safety, Changsha 410004, China;
3. Key Laboratory of Hengyang City on Ecological Impedance Technology of Heavy Metal Pollution in Cultivated Soil of Nonferrous Metal Mining Area, Hengyang 421001, China
Abstract: A field experiment involving eight treatments with water management combined with leaf spraying silicon fertilizer was conducted in a paddy field heavily contaminated with Cd (2.83 mg·kg-1) to study the effects of these treatments on rice growth and Cd accumulation in different rice tissues. The results showed that:① the treatments had no significant effects on rice plant height or number of tillers, but increased the biomass of brown rice by 1.7% to 25.0%. Among the eight treatments, that of water flooding during the rice maturation period plus leaf spraying silicon fertilizer (CY) resulted in the highest amount of brown rice yield. ② The treatment of conventional water management plus leaf spraying silicon fertilizer (Si) had no significant effect on the exchangeable Cd content and TCLP extractable Cd content in soil, whereas the other treatments reduced the exchangeable Cd content by 7.8%-42.6% and the TCLP extractable Cd content by 20.0%-40.8%. ③ The Si treatment could reduce the Cd content in various rice tissues, with an overall decrease of 19.0% in brown rice. The other treatments significantly reduced the Cd content in various rice tissues. The treatment of moisture during the rice maturation period plus leaf spraying silicon fertilizer (CS) resulted in the highest reduction in the Cd content in brown rice (44.0%), and was followed by the treatments of batch-type water flooding during the entire rice growth period plus leaf spraying silicon fertilizer (JX; 36.4%), and moisture during the rice pustulation period plus leaf spraying silicon fertilizer (GS; 31.8%). ④ For paddy-fields that are contaminated with Cd to medium and heavy levels, the CS and JX treatments are recommended to manage rice production in order to significantly reduce the Cd content of brown rice whilst having little effect on the rice yield.
Key words: rice      water management      Cd contamination soil      silicon fertilizer      combined treatment     

镉(Cd)是环境污染中最受关注的元素之一, 被列为人类的慢性致癌物.土壤Cd污染通常来源于有色金属冶炼、燃煤、磷肥施用和污水灌溉[1].近60年来, 我国通过污水灌溉向环境中排放的Cd超125.893 t, 其中大部分积存在土壤中[2].据统计, 我国约7%的农业土壤受到轻度或中度Cd污染[3].水稻是典型的富Cd作物, 易从土壤中吸收Cd并向地上部位转运, 经食物链威胁人类健康.过量Cd摄入可导致严重的健康风险, 如肾脏损伤和痛痛病等[4], 还与葡萄糖代谢异常, 乳腺癌和肺癌, 脑梗塞和心力衰竭有关[5].联合国粮食及农业组织(FAO)和世界卫生组织(WHO)因此制定了Cd的暂定每周耐受摄入量(PTWI, 以体重计)为7 μg·kg-1[6, 7], 欧盟规定Cd的每周可耐受摄入量(TWI, 以体重计)为2.5 μg·kg-1, 比世界卫生组织的要求更加严格.相关报道表明, 我国部分稻米产区的稻米Cd含量超过国家卫生标准限值的比例达10%[8].因此, 开展Cd污染稻田的修复治理及安全利用, 对确保粮食的可持续生产和品质安全极为重要.

水分管理方式是近年来兴起的稻田重金属治理修复中的农艺措施之一, 是指通过改变水稻生长过程中水分的灌溉管理方式, 调控土壤Eh值和氧化还原环境, 实现降低土壤中重金属有效性, 降低重金属向水稻植株迁移的目的[9].相比其它修复技术, 水分管理具有成本低、工程量小、操作简单、不会造成二次污染等优势[10]. Kashem等[11]和Arao等[12]通过分析在淹水和非淹水中土壤Cd的形态变化, 发现土壤水分变化会影响Cd的存在形态, 淹水处理下土壤交换态Cd含量明显低于非淹水处理.还有研究表明, 在水稻整个生育阶段保持持续淹水条件可以保持土壤还原性, 降低土壤溶液中有效态Cd的浓度, 有效抑制Cd向水稻植株的转移, 显著降低水稻籽粒中Cd含量[13, 14].本课题组前期的水分管理盆栽试验表明, 在中轻度Cd污染土壤下, 能将糙米Cd含量由3.27 mg·kg-1降低到0.19 mg·kg-1[15].

水稻是一种典型的喜硅作物, 利用叶面喷施硅肥来阻控水稻体内重金属向糙米转运是近年来农田重金属污染防治研究的一个新方向[16].喷施叶面硅肥能有效提高水稻叶片叶绿素含量, 同时调节各种酶的活性, 间接提升水稻地上部光合作用效率, 增强水稻植株抗逆性[17], 可以显著降低糙米中Cd含量[18].陈喆等[19]的盆栽试验表明, 单一喷施叶面硅肥处理使糙米Cd含量降低了18.9%.还有研究表明, 在水稻孕穗期喷施叶面硅肥能使糙米Cd含量从0.827 mg·kg-1下降到0.134 mg·kg-1[20].

因此, 基于当前水分管理措施与叶面喷施硅肥等技术措施分别对轻中度Cd污染稻田土壤安全利用具有较好的效果.但对于中重度污染土壤能否通过单一技术措施的组合实现安全利用, 目前的研究仍然较少, 且大多研究仅停留在盆栽试验阶段, 并未开展大田试验.本研究在中重度Cd污染稻田通过设置不同水分管理措施联合叶面喷施硅肥处理, 分析其对水稻生长的影响, 对土壤Cd有效性的影响及对水稻各部位中Cd含量与迁移转运的影响, 以期为中重度Cd污染稻田土壤安全利用提供数据与技术支持.

1 材料与方法 1.1 试验材料

本试验地点位于湖南省浏阳市某中重度Cd污染稻田.该地为亚热带季风湿润气候区, 四季分明, 夏季高温多雨, 冬季温暖湿润, 年平均气温为16.8~17.5℃.试验田土壤为红壤性水稻土, 基本理化性质如表 1所示.叶面喷施硅肥选用九水硅酸钠(Na2SiO3·9H2O), 由天津市风船化学试剂科技有限公司提供.水稻品种选用湖南常规晚稻品种黄华占, 由湖南金色农丰有限公司提供.

表 1 试验田土壤基本理化性质 Table 1 Physical and chemical properties of the tested soil

1.2 试验设计

本研究共设计8种不同水分管理处理, 各处理均于水稻孕穗期叶面喷施0.4 g·L-1的硅肥, 以常规水分管理及叶面喷施等量去离子水为对照处理(CK), 各处理设置及编号见表 2.每个处理均设置3个平行, 共27个样方.每种处理种植样方面积为10 m2(2 m×5 m), 所有样方随机区组排列.各样方均设单进水、排水口, 并用聚乙烯薄膜间隔耕层土壤, 防止水肥互相渗透.水稻于7月14插秧, 每个样方四周均设置3行水稻作为保护行.水稻栽培管理方式与正常田间管理一致.

表 2 试验处理及操作规程1) Table 2 Treatments and experimental design

2018年10月12日水稻成熟收获.每个样方随机采集5株水稻植株, 置于尼龙网袋, 用超纯水洗净, 105℃杀青, 再70℃烘干至恒重, 分为根、茎、叶、糙米和谷壳这5个部位, 分别称取干重, 粉碎备用.同时采集相应根际土壤, 自然风干, 磨碎, 分别过10目和100目尼龙筛, 保存待测.

1.3 样品分析测试方法

土壤pH值用酸度计(PHS-3C, 雷磁)测定, 固液比为1:2.5;土壤CEC测定采用氯化钡-硫酸强迫交换法; 有机质含量用水合热重铬酸钾氧化-比色法测定; 土壤中重金属总量采用王水-高氯酸消煮; 土壤重金属TCLP提取态采用美国EPA方法; 水稻植株各部位Cd含量采用干灰化法消解提取.ICP-AES分析仪(ICP6300, ThermoFisher)和石墨炉-原子吸收分光光度计(iCE-3500, Thermo-Fisher)测定样品重金属含量.分析过程以国家标准物质土壤[GBW(E)-070009]和湖南大米[GBW10045(GSB-23)]进行质量控制, Cd的回收率为93.8%~104.6%.

1.4 数据统计与分析

数据使用Microsoft Excel 2019和SPSS 22进行统计分析, 文中数据结果为平均值±标准偏差(n=3).使用单因素ANOVA中Duncan多重比较(P＜0.05和P < 0.01)分析处理间差异, 文图中不同字母表示差异具有统计学意义, 并使用Pearson指数分析数据间相关关系.使用Origin 2018制图.

2 结果与分析 2.1 不同水分管理方式联合叶面喷施硅肥处理对水稻生长的影响

表 3为8种处理对水稻的分蘖数、株高和生物量的影响.从中可以看出, 各处理对水稻分蘖数和株高影响不明显, 而对水稻各部位生物量具有明显的影响.水稻总生物量除CS处理略有降低外, 其他处理均有不同程度的增加, 与对照CK相比较, 增加了3.7%~21.6%, 其中GY处理使水稻总生物量达到最大值197.0 g·株-1.从水稻各部位生物量来看, 与对照CK相比, 各处理均增加了水稻糙米生物量, 增幅为1.7%~25.0%, 其中CY处理下糙米生物量达到最高值46.5 g·株-1, 其次为JX和GY均为46.0 g·株-1.与CK相比, Si处理根部生物量显著增大; 茎部生物量除CY、CS和QS处理, 叶的生物量除QS以外, 其余各处理均增加了茎和叶的生物量, 其中在GY处理下茎的生物量达到最大值, 为77.6 g·株-1, 叶的生物量在JX处理下达到最大值, 为34.6 g·株-1.

表 3 不同处理对水稻生长的影响1) Table 3 Effects of different treatments with water management combined with leaf spraying silicon fertilizer on rice growth

2.2 不同处理对土壤交换态和TCLP提取态Cd含量的影响

图 1为不同处理模式对土壤交换态和TCLP提取态Cd含量的影响.从中可以看出, Si处理对土壤Cd两种提取态含量无明显影响, 而水分管理方式联合叶面喷施硅肥处理显著降低了土壤中Cd的有效性.与CK相比, 水分管理方式联合叶面喷施硅肥处理下土壤交换态Cd含量下降, 降幅为7.8%~42.6%, 其中QY处理达到最大降幅42.6%, 其次是GS处理和CS处理, 分别使土壤交换态Cd含量降低37.7%和26.6%, 其余处理与对照CK之间差异不明显.

不同的小写字母表示P < 0. 05水平显著差异，下同 图 1 水分管理联合叶面喷施硅肥对土壤TCLP提取态和交换态Cd含量的影响 Fig. 1 Effects of different treatments with water management combined with leaf spraying silicon fertilizer on the exchangeable Cd contents and the TCLP extractable Cd contents in soil

与对照CK相比, 除Si处理外其他处理均能显著降低土壤TCLP提取态Cd含量, 降幅为20.0%~40.8%, 其中CY处理达到最大降幅40.8%, 其次是GY处理, 降低土壤TCLP提取态Cd含量36.5%, QS和GS处理均降低27.4%.

2.3 不同处理对水稻各部位Cd含量的影响

图 2为不同水分管理联合叶面喷施硅肥对水稻各部位Cd含量的影响.与CK相比, Si处理能降低水稻各部位Cd含量, 其中糙米Cd含量由对照组0.66 mg·kg-1降到了0.54 mg·kg-1, 降低了19.0%, 根系Cd含量由5.99 mg·kg-1降到了4.87 mg·kg-1, 降低了18.7%, 糙米和根系中的Cd含量与对照之间均存在显著差异(P < 0.05).

图 2 水分管理联合叶面喷施硅肥对水稻各部位Cd含量的影响 Fig. 2 Effects of different treatments with water management combined with leaf spraying silicon fertilizer on the Cd content in different rice tissues

不同水分管理与叶面喷施硅肥组合处理对水稻各部位中Cd含量有明显影响.与CK相比, QY处理下糙米、谷壳、茎、叶和根中Cd含量分别下降了31.0%、38.2%、13.2%、67.0%和64.6%; QS处理下除糙米和根部Cd含量显著下降外, 其他部位Cd含量均有不同程度增加.CS处理降低糙米Cd含量降幅最大, 与CK相比降低了44.0%, 除茎和谷壳中Cd含量小幅度增加外, 其他各部位Cd含量均显著下降.与对照CK相比, GY处理和CY处理均显著增加了茎中Cd含量, 而JX处理和GS处理则使水稻各部位Cd含量降低, 其中糙米Cd含量分别降低了36.4%和31.8%.

2.4 不同处理对根表铁膜Cd含量的影响

由图 3可以看出, 与CK相比, 除Si处理对根表铁膜Cd含量的影响不显著外, 其余各处理均能显著降低水稻根表铁膜中Cd含量, 其降幅为20.2%~58.8%.其中在GS处理下, 根表铁膜的Cd含量达到最大降幅58.8%, 其次为CS处理、CY处理和QY处理, 使根表铁膜Cd含量分别降低了58.5%、52.9%和44.2%.

图 3 水分管理联合叶面喷施硅肥对根表铁膜Cd含量的影响 Fig. 3 Effects of different treatments with water management combined with leaf spraying silicon fertilizer on the Cd content in iron plaque

2.5 水稻各部位Cd含量与土壤Cd生物有效性的相关关系

采用不同水分管理联合叶面喷施硅肥措施后, 为研究水稻各部位Cd含量、根表铁膜中Cd含量与土壤中Cd生物有效性的关系, 分别对其进行相关分析(表 4).可以看出, 土壤中Cd的TCLP提取态含量分别与根和根表铁膜中Cd含量呈极显著和显著正相关, 其相关系数分别为0.837(P < 0.01)和0.701(P < 0.05), 而与茎、糙米、谷壳、叶中Cd含量无相关性.土壤中交换态Cd含量分别与叶和根表铁膜中Cd含量呈极显著和显著正相关, 其相关系数分别为0.832(P < 0.01)和0.711(P < 0.05), 而与其他部位无相关性.此外, 根表铁膜中Cd含量分别与糙米、叶和根中Cd含量呈显著或极显著正相关, 其相关系数分别为0.823、0.716和0.930(R0.052=0.444, R0.012=0.637, n=9).

表 4 土壤Cd有效性与水稻各部位及根表铁膜中Cd含量之间的相关关系1) Table 4 Correlations between the soil Cd availability and Cd content in rice tissues and iron plaque

3 讨论

水稻是一种喜硅植物, 适当的硅吸收可以加速植株生长、间接克服非生物和生物胁迫.本研究中, Si处理使水稻各部位生物量增加(表 2), 这与刘奇华等[21]的研究结果类似.本研究中Si处理分别使水稻糙米、谷壳和根中Cd含量降低19.0%、11.1%和18.7%(图 2), 而对茎叶Cd含量影响不明显.有研究表明, 水稻能通过叶面吸收硅肥从而降低水稻体内MDA含量, 增加水稻抗氧化能力来缓解水稻Cd的毒害[22].叶面喷施硅肥将地上部的Cd2+沉积于茎部和叶部的细胞壁中, 形成Si-Cd复合物, 进而减轻Cd向果穗部的迁移及其在穗部的积累[23].尽管本研究中Si处理使中重度Cd污染水稻田中水稻糙米Cd含量由0.66 mg·kg-1降低到0.54 mg·kg-1, 但仍超过食品中污染物限量标准(GB 2762-2017)中Cd≤0.2 mg·kg-1的要求.显然, 单独的Si处理难以实现中重度Cd污染稻田安全利用, 必须联合其他技术措施.本研究中Si处理对土壤Cd两种提取态含量无明显影响, 而7种不同水分管理模式联合叶面喷施硅肥处理均可降低土壤有效态Cd含量, 使土壤交换态Cd含量和TCLP提取态Cd含量降幅分别为7.8%~42.6%和20.0%~40.8%(图 1), 土壤交换态含量在QY处理下达到最大降幅为42.6%.这说明本研究中是不同水分管理方式影响了土壤有效Cd的变化.有研究发现, 土壤Eh值是影响土壤Cd提取态含量的重要因素, 随着淹水程度的增加, Eh值降低, 土壤溶液中Cd含量明显降低[24].淹水环境下, 土壤中还原细菌将SO42-还原成S2-, 与Cd2+形成CdS沉淀[25], 同时也增强了Fe、Mn、Al及其氧化物对Cd的吸附能力[26]; 而在水分管理为湿润灌溉方式下, 土壤为氧化条件, 土壤中的硫化物发生氧化反应, 使Cd从硫化物沉淀中溶解, 并从稳定态转化为水溶态和交换态[27].有研究发现, 水分条件的改变显著影响土壤微生物变化, 特别是干湿交替的频率显著改变了土壤中微生物的群落结构, 进而影响土壤中Cd的赋存形态和生物可利用性[28].

土壤Cd交换态和TCLP提取态含量均与根表铁膜Cd含量呈显著正相关, 根表铁膜Cd含量分别与糙米、叶和根部Cd含量呈极显著或显著正相关(表 4), 说明水分管理联合叶面喷施硅肥通过影响土壤Cd有效态含量, 进而减少了根表铁膜Cd富集和根系Cd吸收, 降低了根中Cd通过木质部向地上部位转运, 达到降低糙米Cd含量的目的.大量研究表明, 根表铁膜作为水稻拦截重金属向植株内部转运的屏障, 可以利用官能团吸附或共沉淀重金属[29], 从而降低Cd通过铁代谢系统运输到水稻中, 降低水稻根系Cd吸收[30].

本研究中, CS处理使糙米中Cd含量降低了44.0%, 降低效果优于其他各处理, 甚至优于QY处理的31.0%(图 2).水稻成熟期是叶片同化产物向籽实转运积累的关键时期, 也是糙米Cd累积的关键生育期[31], 在这个时期水稻对水分的需求较大, 水分条件的改变极大影响水稻中Cd的转运与富集.植株在成熟期可能为防止Cd对后代果实种子的毒害效应, 会主动分配Cd到生理活性较低的部位, 如表皮细胞的液泡、维管束、表皮附属物毛状体等[32], 这可能是本研究中CS处理显著降低糙米中Cd累积的重要原因.此外, 本研究中Si处理降低糙米Cd含量仅为19.0%, 明显低于CS处理对糙米的降Cd效果(44.0%), 这说明单一叶面喷施硅肥降低糙米Cd含量的效果要低于水分管理与叶面喷施硅肥组合的技术措施.在CS处理中, 叶面喷施硅肥与成熟期湿润灌溉措施降低稻米Cd的贡献率分别为43.2%和56.8%.

本研究各处理均没有将糙米Cd含量降低到0.2 mg·kg-1以下水平, 主要原因是试验稻田土壤中Cd含量太高, 为2.83 mg·kg-1(表 1), 但是CS处理使糙米中Cd含量由0.66 mg·kg-1降低到0.37 mg·kg-1, 降幅为44.0%(图 2).因此, 在中度Cd污染稻田的实际水稻种植中可以尝试采用成熟期湿润灌溉+叶面喷施硅肥技术措施进行管理, 有望实现污染稻田安全利用, 其规模化田间管理成本较低(750~1 500元·hm-2), 具有较高的经济可行性.

4 结论

(1) 不同水分管理措施联合叶面喷施硅肥处理对水稻株高和分蘖数没有明显影响, 但各处理均增加了水稻糙米生物量, 增幅为1.7%~25.0%, 其中成熟期淹水+叶面喷施硅肥处理(CY)处理下糙米生物量达到最高, 其次为间歇淹水湿润+叶面喷施硅肥处理(JX)处理.

(2) 常规水分管理+叶面喷施硅肥处理(Si)对土壤Cd两种提取态含量无明显影响, 而不同水分管理方式联合叶面喷施硅肥处理降低土壤交换态Cd含量7.8%~42.6%, 降低土壤TCLP提取态Cd含量20.0%~40.8%.

(3) 常规水分管理+叶面喷施硅肥处理(Si)能降低水稻各部位Cd含量, 其中糙米Cd含量下降了19.0%;不同水分管理与叶面喷施硅肥组合处理显著降低了水稻各部位中Cd含量, 其中仅成熟期湿润+叶面喷施硅肥处理(CS)降低糙米Cd含量降幅最大, 降低了44.0%, 其次为间歇淹水湿润+叶面喷施硅肥处理(JX), 降低了36.4%.

(4) 在中重度Cd污染稻田建议采用仅成熟期湿润+叶面喷施硅肥处理(CS)和间歇淹水湿润+叶面喷施硅肥处理(JX), 在不影响水稻产量的同时又显著降低糙米Cd含量.

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