許 珂，鐵柏清，陳 喆，楊 洋，袁 嘯，劉妍妍，雷 鳴

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128）

目前，我國(guó)受鎘Cd、砷As、鉻Cr、鉛Pb 等重金屬污染的耕地面積近2 000 萬(wàn)hm2，約占總耕地面積的1/5，其中約有1.3 萬(wàn)hm2耕地受到Cd 的污染[1]。Cd 作為植物生長(zhǎng)的非必需元素，在較低濃度下便能經(jīng)由土壤到達(dá)植物根部進(jìn)而遷移至植物地上部[2]。土壤重金屬Cd，尤其是冶煉廠周邊土壤Cd 的污染防治是土壤環(huán)境保護(hù)工作的重中之重[3]。我國(guó)是世界上最大的稻谷生產(chǎn)國(guó)，年均生產(chǎn)稻谷1.87 億t，約占世界稻谷產(chǎn)量的35%。但是，近年來(lái)我國(guó)水稻田土壤和稻米重金屬污染問(wèn)題日益嚴(yán)重[4]。Cd 污染問(wèn)題成為威脅土壤生態(tài)安全和制約農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。Cd 易為植物所吸收，不僅對(duì)植物的生長(zhǎng)和發(fā)育有不良影響，而且會(huì)通過(guò)食物鏈傳遞，對(duì)人類(lèi)健康構(gòu)成威脅[5-7]。

趙穎等[8]研究發(fā)現(xiàn)，在一定污染范圍內(nèi)，施硅能夠緩解Cd 對(duì)水稻的毒害作用，提高Cd 污染條件下水稻的生物量和籽粒產(chǎn)量；蔡德龍等[9]研究發(fā)現(xiàn)，向Cd 污染土壤施用熔渣硅肥能夠抑制水稻對(duì)Cd吸收，降低稻米中Cd 的含量。目前，許多研究主要針對(duì)向土壤中添加外源Cd，而本試驗(yàn)的供試土壤直接從污染礦區(qū)采集，通過(guò)設(shè)計(jì)盆栽試驗(yàn)，對(duì)已受污染的冶煉區(qū)土壤施加硅肥和硒肥，種植湖南地區(qū)常見(jiàn)品種早晚稻，分析其不同生長(zhǎng)期各器官內(nèi)Cd含量，對(duì)頗受公眾關(guān)注的稻米Cd 污染問(wèn)題作出科學(xué)分析，探索硅肥和硒肥作改良劑施用對(duì)水稻吸收積累Cd 影響的規(guī)律，以期為降低稻米Cd 污染提供有效的理論依據(jù)與技術(shù)方法。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試作物為水稻，早稻品種為金優(yōu)974（雜交稻）和湘早143（常規(guī)稻），移栽自湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)長(zhǎng)安基地；晚稻品種為金優(yōu)297（雜交稻）和沁香2 號(hào)（常規(guī)稻），移栽自湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)永安基地。

供試土壤采自株洲霞灣冶煉廠周邊荒廢的、受重金屬污染的農(nóng)田，土壤類(lèi)型為紅壤，田間無(wú)水。土壤樣品采自耕作層0～20 cm，梅花點(diǎn)法采集，每個(gè)混合樣均由5 個(gè)以上分點(diǎn)樣品組成。采回土樣后，將土塊壓碎，除去殘根、雜物，鋪成薄層，經(jīng)常翻動(dòng)。在陰涼、潔凈、無(wú)污染處自然風(fēng)干，將風(fēng)干后土樣裝填在試驗(yàn)盆中。土壤中Cd 含量為202.342 mg/kg，土壤pH 值范圍為6.50～6.83。

供試肥料：硅肥為富力邦牌粉狀硅鉀鈣肥（山西富邦肥業(yè)有限公司生產(chǎn)，有效硅SiO2≥30%，氧化鈣CaO≥30%，有效鉀K2O≥4%，有效鎂MgO≥3%），正常施入量為30 kg/667m2；硒肥為隆農(nóng)牌富硒康（長(zhǎng)沙隆農(nóng)農(nóng)業(yè)科技開(kāi)發(fā)有限公司生產(chǎn)，有效成分：硒元素、活化劑、硼、鋅、微量元素等，其中亞硒酸鈉含量在18%～22%之間，硼、鋅≥10%），正常施入量為100 g/667m2。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

采用盆栽試驗(yàn)，盆栽容器為聚乙烯材質(zhì)，上口徑80 cm，桶高50 cm，每盆裝土85 kg，統(tǒng)一將土填壓至桶高約24 cm 處，保持土面平整，將盆中灌水淹沒(méi)土壤，土壤淹水一周，使其更趨近于水稻土，用于種植水稻。根據(jù)氮磷鉀肥的正常施肥量和盆表面積進(jìn)行換算，每盆施過(guò)磷酸鈣13 g，尿素13 g，硫酸鉀4 g。根據(jù)硅肥和硒肥正常施入量換算，每盆施硅肥22.6 g，施硒肥0.08 g。施肥時(shí)將肥料均勻撒施，與土壤充分混勻，施后覆土、澆水。早稻收割后晚稻移栽前再次施用氮磷鉀肥和硅肥硒肥，施用方法和施用量均與早稻相同。

早稻（金優(yōu)974、湘早143）于2011年5月8日移栽，7月20日收獲；晚稻（金優(yōu)297、沁香2 號(hào)）于2011年7月22日移栽，10月17日收獲。每盆種植水稻20 穴，分5 行定植，每穴2 株，大約株距8～10 cm 間隔，此密度與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的種植密度相當(dāng)。早稻和晚稻都設(shè)計(jì)單施硅肥（B1）、單施硒肥（B2）和不施硅肥硒肥（B3，即對(duì)照組）3 個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3 次。全生育期定時(shí)定量澆水，土面保持3～5 cm 水層，按常規(guī)方式管理。

種植過(guò)程中按照水稻秧苗期、分蘗期、抽穗期和成熟期采集植物和土壤樣品。水稻在供試盆中直接采樣，苗期因水稻個(gè)體較小，生物量少，挖取4 穴（即8 株）左右，分蘗期和抽穗期都挖取2 穴（即4株），成熟期將供試盆中所剩水稻全部挖出。測(cè)定根、莖、葉（成熟期還包括糙米）中的Cd 含量。

1.3 分析測(cè)定項(xiàng)目和方法

水稻植株樣品采集后，分成根、莖、葉片部分，經(jīng)洗凈、烘干、粉碎后放入自封袋保存，水稻籽粒采集后洗凈曬干，脫殼后粉碎保存，采用濕法消解（HNO3∶HClO4=4∶1），原子火焰法測(cè)定Cd 含量；土壤pH 值按水土比1∶2.5，酸度計(jì)測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Microsoft Excel 處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，SPSS 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 施用硅肥和硒肥對(duì)早晚稻不同生育期各部位Cd 含量的影響

從表1 可知，兩品種早稻中Cd 含量表現(xiàn)出根系＞莖稈＞葉片部分的規(guī)律。相關(guān)研究也表明，水稻不同器官對(duì)重金屬元素的吸收蓄積能力存在很大差異，其中以根富集重金屬元素的能力最強(qiáng)，Cd在水稻植株各器官中的濃度大小順序?yàn)楦厩o＞葉＞穗[10]。

表1 早稻金優(yōu)974 和湘早143 不同生育期各部位Cd 含量 （mg/kg）

與對(duì)照組相比，施用硅肥和硒肥的兩早稻品 種，全生育期中各部位的Cd 含量皆顯著降低。這說(shuō)明施硅肥和硒肥對(duì)水稻Cd 的吸收具有抑制作用。而從整體Cd 含量趨勢(shì)也可以看出，施加了硅肥的早稻各部位Cd 含量略低于施加硒肥組，初步顯現(xiàn)出硅肥抑制Cd 吸收作用強(qiáng)于硒肥的規(guī)律。

與早稻結(jié)果類(lèi)似（表2），試驗(yàn)組晚稻在全生育期中各部位Cd 含量都低于對(duì)照組，這也再次說(shuō)明了硅肥和硒肥的施用對(duì)水稻吸收積累Cd 起到了抑制作用。同時(shí)，硅肥的抑制效應(yīng)仍明顯高于硒肥。與早稻相比，金優(yōu)297 根系Cd 含量明顯增加，這可能主要是品種原因。

表2 晚稻金優(yōu)297 和沁香2 號(hào)不同生育期各部位Cd 含量 （mg/kg）

2.2 施用硅肥和硒肥對(duì)水稻生物轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的影響

轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)是指地上部某元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)與地下部某元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)之比，用來(lái)評(píng)價(jià)植物將重金屬?gòu)牡叵虏肯虻厣喜康倪\(yùn)輸和富集能力[11]。圖1 為早晚稻各試驗(yàn)組不同生育期的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)變化，由圖可知對(duì)照組和處理組的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均小于1，說(shuō)明水稻對(duì)Cd 的吸收主要集中在根系，并且根系向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)總體上隨著水稻的生長(zhǎng)而增加。從轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)還可以看出，施用硅肥和硒肥減少了根系吸收積累的Cd 向莖葉部分遷移和轉(zhuǎn)運(yùn)，特別是施用硅肥效果顯著。這說(shuō)明，施硅肥不但可以顯著抑制水稻根系吸收土壤中的Cd，同時(shí)還可以強(qiáng)烈抑制根系吸收積累的Cd 向地上部轉(zhuǎn)移。

圖1 水稻不同生長(zhǎng)時(shí)期各部分轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)變化圖

就不同水稻品種而言，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)之間的差異不顯著。

2.3 施用硅肥和硒肥對(duì)稻米中Cd 含量的影響

對(duì)于成熟期早稻和晚稻糙米中Cd 含量進(jìn)行方差分析，結(jié)果表明不論是早稻品種間、施肥處理間，還是品種和施肥組合間都存在顯著差異。

表3 表明，施用硅肥和硒肥后，早稻和晚稻糙米中Cd 含量都降低，施硅肥效果要好于施硒肥。在早稻試驗(yàn)中，在施加硅肥后，金優(yōu)974 糙米中的Cd含量明顯降低，僅為0.114 mg/kg，低于0.2 mg/kg 的國(guó)家糧食衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到了試驗(yàn)預(yù)期；而湘早143的糙米Cd 含量為0.231 mg/kg，雖比對(duì)照處理極顯著降低，但仍高于0.2 mg/kg 的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。施硒肥也有一定的降低糙米中Cd 含量的作用，其中對(duì)金優(yōu)974 糙米Cd 的含量降低也達(dá)到極顯著水平。試驗(yàn)結(jié)果初步表明，硅肥和硒肥在降低水稻Cd 污染中起到了改良劑的作用。

表3 水稻品種與施肥對(duì)糙米中Cd 含量的影響

在晚稻試驗(yàn)中，施硅肥極顯著的降低了金優(yōu)297 糙米Cd 含量，其糙米Cd 含量0.166 mg/kg，低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)0.2 mg/kg。硅肥的施用對(duì)稻米Cd 污染控制起到改良作用。與硅肥相比，硒肥的處理效果欠佳，可能與施入量少有關(guān)，其施用量有待繼續(xù)研究。

3 小結(jié)與討論

本次試驗(yàn)也對(duì)水稻不同生育期土壤樣品進(jìn)行了采集，測(cè)定了土壤有效態(tài)Cd 和總Cd 含量，但表現(xiàn)的規(guī)律并不明顯，主要變化體現(xiàn)在抽穗期過(guò)程，尤其是施加硅肥后土壤有效態(tài)Cd 含量降低，說(shuō)明硅本身也能降低土壤和植物Cd 的活性。同時(shí)，伴隨著水稻生長(zhǎng)，施硅肥和施硒肥根系土壤的pH 值從6.5 增至7.8～8.2，對(duì)照組pH 值仍為6.5 左右。除了改變Cd 活性之外，pH 值的改變也是影響水稻吸收Cd 的原因之一[12]。

試驗(yàn)所選兩個(gè)品種早稻、兩個(gè)品種晚稻與硅肥硒肥施用相結(jié)合的處理組合中，早稻金優(yōu)974 和晚稻金優(yōu)297 施加硅肥后糙米中Cd 含量低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，稻米中Cd 含量得到理想控制。這一方面說(shuō)明硅肥可作為土壤改良劑，對(duì)稻米Cd 污染起到控制作用；另一方面由于金優(yōu)974 和金優(yōu)297 兩個(gè)品種水稻皆為雜交稻，也可初步推測(cè)在本試驗(yàn)中，雜交稻表現(xiàn)更佳，但在實(shí)際生產(chǎn)中是否具有可行性仍須進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。

早晚稻試驗(yàn)均表明，水稻中Cd 含量吸收積累規(guī)律表現(xiàn)為根＞莖＞葉＞籽粒（或糙米），本試驗(yàn)加入硅肥后，水稻根系和莖葉中的Cd 含量相比對(duì)照組減少，同時(shí)糙米中的Cd 含量也下降。施硅后抑制水稻吸收Cd 的原因可能是硅提高了水稻根系氧化能力，使其抗性提高，也可能是Cd2+活性在硅的存在下降低，從而抑制了Cd 向水稻植株體遷移。硅鉀鈣肥降低水稻吸收Cd 和糙米Cd 含量的作用機(jī)理可能主要是提高土壤的pH 值，降低Cd 的活動(dòng)性，其次是硅-鎘拮抗、鈣-鎘拮抗問(wèn)題。

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