楊 攀，劉昭兵，謝運(yùn)河，周宇健，官 迪，紀(jì)雄輝*

(1.湖南大學(xué) 研究生院隆平分院，湖南 長(zhǎng)沙 410125； 2.湖南省農(nóng)業(yè)環(huán)境生態(tài)研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410125；3.農(nóng)業(yè)部長(zhǎng)江中游平原農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410125；4.農(nóng)田土壤重金屬污染防控與修復(fù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410125)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，受工業(yè)“三廢”、大氣沉降和農(nóng)業(yè)自身活動(dòng)影響，我國(guó)土壤重金屬污染問題已日趨嚴(yán)重，其中土壤鎘(Cd)的超標(biāo)率最高，達(dá)到了7%[1-3]。我國(guó)是水稻生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，將近60%的人口以水稻作為主要糧食作物，而水稻被認(rèn)為是對(duì)Cd吸收能力最強(qiáng)的一種谷類作物[4-5]。湖南省是我國(guó)糧食主產(chǎn)區(qū)之一，也是有色金屬礦業(yè)大省，其中Cd是稻田土壤中最嚴(yán)重的重金屬污染元素[6]。作為一種生物毒性強(qiáng)且在植物中遷移能力較強(qiáng)的環(huán)境污染元素，Cd能夠通過食物鏈的富集作用危害人體的健康[7-8]。因此，開展Cd污染稻田的綜合防治對(duì)于食品安全和人身健康的保障具有非常重要的作用[9]。

有關(guān)施硅緩解Cd對(duì)水稻等作物毒害作用的研究已有報(bào)道。研究表明，施硅能緩解重金屬對(duì)水稻的鹽脅迫，促進(jìn)水稻莖稈生長(zhǎng)，增強(qiáng)水稻抗倒伏和抗病蟲害的能力[10-11]；促進(jìn)硅在植物根部沉積，減少質(zhì)體外流，與有毒重金屬形成共沉淀，降低水稻對(duì)Cd的吸收，抑制Cd從地下部向地上部的運(yùn)輸[12-13]；降低植株中去離子水提取態(tài)Cd等較易遷移的Cd的含量，提高鹽酸提取態(tài)Cd等難于遷移的Cd 的含量[14-15]，從而緩解Cd對(duì)作物的毒害作用。土壤pH值是影響土壤重金屬活性以及重金屬鈍化效果的關(guān)鍵因素之一，而在不同pH值下巰基活化硅對(duì)Cd污染土壤的修復(fù)效果如何，目前鮮有報(bào)道。為此，通過盆栽試驗(yàn)，探討巰基活化硅對(duì)不同pH值條件下土壤中Cd的活性及水稻累積Cd的影響，以期為生產(chǎn)實(shí)踐施用巰基活化硅修復(fù)重金屬污染土壤提供理論和技術(shù)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 供試材料

供試土壤采自長(zhǎng)沙縣北山鎮(zhèn)典型Cd污染水稻土，土壤基本理化性質(zhì)見表1。供試巰基活化硅由深圳某公司提供，巰基活化硅有效成分≥45%。供試水稻品種為陸兩優(yōu)996。試驗(yàn)于2017年4月21日—7月26日在湖南省農(nóng)業(yè)環(huán)境生態(tài)研究所栽培網(wǎng)室進(jìn)行。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)土壤pH值：4.5、5.5、6.5，每個(gè)土壤pH值下設(shè)置5個(gè)巰基活化硅用量，分別為0 kg/hm2(CK)、112.5 kg/hm2(G7.5)、150 kg/hm2(G10)、225 kg/hm2(G15)和300 kg/hm2(G20)，共15個(gè)處理，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。試驗(yàn)采用盆栽，每盆裝土4 kg，基肥和巰基活化硅一次性施入，然后充分拌勻?；视昧繛镹 0.2 g/kg、P2O50.1 g/kg和K2O 0.2 g/kg，肥料分別為尿素(N≥46.4%)、過磷酸鈣(P2O5≥12.0%)和氯化鉀(K2O≥60%)，水稻種子在水中浸泡一周后移栽，每盆2穴，每穴1株。水稻生長(zhǎng)期間追施一次尿素，用量為基肥用量的1/4。水稻生長(zhǎng)期間采用自來水灌溉，水中Cd含量未檢出。水分管理及病蟲害防治與當(dāng)?shù)亓?xí)慣保持一致，在分蘗盛期以及乳熟期分別進(jìn)行一次曬田，其余時(shí)期均保持淹水狀態(tài)直至水稻成熟收獲。

1.3 樣品采集

水稻收獲時(shí)取植株樣品(含根系)，洗凈植株泥土后曬干，然后將植株樣品的莖葉和根系分離，分別將莖葉和根系置于烘箱中(105 ℃)烘干后粉碎保存待測(cè)。其中，稻谷在莖葉烘干至恒質(zhì)量后，人工脫粒，然后用電子天平稱量測(cè)產(chǎn)，稻谷去殼后粉碎保存待測(cè)。水稻收獲后取土壤樣品，室內(nèi)風(fēng)干后磨碎過0.15 mm篩和0.85 mm篩待測(cè)。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目及方法

水稻植株及糙米Cd采用HNO3-H2O2微波消解儀(MARS6 MS5181，美國(guó)培安公司)消煮，土壤全量Cd采用HNO3-HCIO4-HF消煮，土壤有效態(tài)Cd采用DTPA浸提，然后均采用ICP-MS(ICAP-Q，美國(guó)Thermo Fisher公司)測(cè)定Cd含量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 20.0及Excel 2007進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，使用Origin 8軟件進(jìn)行制圖，采用LSD法進(jìn)行處理間差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土壤pH值條件下巰基活化硅對(duì)土壤有效態(tài)Cd含量的影響

如圖1所示，在土壤pH 值4.5、5.5和6.5條件下，土壤pH值隨著巰基活化硅施用量的增加而上升；土壤有效態(tài)Cd含量隨巰基活化硅用量的增加均呈先降后升的趨勢(shì)，且不同用量巰基活化硅處理土壤有效態(tài)Cd含量均低于CK。在土壤pH值4.5條件下，巰基活化硅225 kg/hm2處理土壤有效態(tài)Cd含量最低，與CK相比顯著降低26.0%。而在土壤pH值5.5條件下，與CK相比，施用巰基活化硅150 kg/hm2處理土壤有效態(tài)Cd含量降幅最大，為28.9%(P<0.05)。在pH 值6.5條件下，施用巰基活化硅112.5、150 kg/hm2處理能顯著降低土壤有效態(tài)Cd含量，降幅分別為19.0%、20.9%?？梢?，施用一定量的巰基活化硅能顯著降低土壤有效態(tài)Cd含量。

不同小寫字母表示同一pH值條件下不同處理之間差異顯著(P<0.05)，下圖同圖1 不同pH值條件下巰基活化硅對(duì)土壤pH值和有效態(tài)Cd含量的影響

2.2 不同pH值條件下巰基活化硅對(duì)水稻重金屬Cd含量的影響

2.2.1 糙米 由表2可知，水稻糙米Cd含量隨巰基活化硅用量的增加呈先降后升的趨勢(shì)，與CK相比，在土壤pH值4.5條件下，施用巰基活化硅112.5、150、225、300 kg/hm2處理均能顯著降低糙米Cd含量，降幅分別為33.0%、42.2%、45.0%、12.8%；在土壤pH值5.5條件下，施用巰基活化硅112.5、150 kg/hm2處理糙米Cd含量顯著下降，降幅分別為22.7%、29.3%，而其他處理與CK相比雖有下降，但差異均不顯著; 在土壤pH值6.5條件下，施用巰基活化硅112.5、150、225、300 kg/hm2處理糙米Cd含量均顯著降低，其中150 kg/hm2處理降幅最大，為34.9%。綜上，施用巰基活化硅能降低水稻糙米Cd含量，在pH值4.5條件下，以225 kg/hm2巰基活化硅處理降Cd效果最好；在pH值5.5和6.5條件下，以150 kg/hm2巰基活化硅處理降Cd效果最好。

2.2.2 莖葉 由表2可知，各處理水稻莖葉Cd含量的變化趨勢(shì)與糙米基本相同。與CK相比，在土壤pH值4.5條件下，施用巰基活化硅112.5、150、225、300 kg/hm2處理均能顯著降低水稻莖葉Cd含量，降幅分別為22.8%、29.5%、43.8%、11.8%；在土壤pH值5.5條件下，施用巰基活化硅150 kg/hm2處理能顯著降低水稻莖葉Cd含量(降幅為29.3%)，其他處理較CK均降低，但差異均不顯著；在土壤pH值6.5條件下，施用巰基活化硅150、225、300 kg/hm2處理與CK相比均能顯著降低水稻莖葉Cd含量，降幅分別為39.4%、34.1%、19.5%，施用巰基活化硅112.5 kg/hm2處理莖葉Cd含量雖有降低但沒有達(dá)到顯著水平。綜上，施用巰基活化硅能降低水稻莖葉Cd含量，在pH值4.5條件下，以225 kg/hm2巰基活化硅處理降Cd效果最好；在pH值5.5和6.5條件下，以150 kg/hm2巰基活化硅處理降Cd效果最好。

2.2.3 根系 由表2可知，施用巰基活化硅能顯著降低水稻根系Cd含量，各處理水稻根系Cd含量變化趨勢(shì)與糙米、莖葉基本相似。與CK相比，在土壤pH值4.5條件下，施用巰基活化硅112.5、150、225、300 kg/hm2處理水稻根系Cd含量分別顯著降低54.5%、57.9%、66.8%、42.8%；在土壤pH值5.5條件下，施用巰基活化硅112.5、150、225、300 kg/hm2處理水稻根系Cd含量分別顯著降低43.7%、60.0%、34.1%、27.7%；在土壤pH值6.5條件下，施用巰基活化硅112.5、150、225、300 kg/hm2處理水稻根系Cd含量分別顯著降低17.8%、44.4%、43.6%、38.0%。綜上，施用巰基活化硅能降低水稻根系Cd含量，在pH值4.5條件下，以225 kg/hm2巰基活化硅處理降Cd效果最好；在pH值5.5和6.5條件下，以150 kg/hm2巰基活化硅處理降Cd效果最好。

表2 不同pH值條件下巰基活化硅對(duì)水稻不同器官Cd含量的影響 mg/kg

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示同一pH值條件下不同處理之間差異顯著(P<0.05)。

2.3 不同pH值條件下巰基活化硅對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

由圖2可以看出，與CK相比，在土壤pH值4.5條件下，施用巰基活化硅112.5、150 kg/hm2處理水稻產(chǎn)量增加，增幅分別為11.3%、13.6%，但處理間差異均不顯著，其他處理與CK接近；在土壤pH值5.5和6.5條件下，施用巰基活化硅150、225 kg/hm2處理水稻產(chǎn)量均有所增加，但差異均不顯著，其他處理與CK接近?？梢?，在土壤pH值4.5、5.5、6.5條件下，施用巰基活化硅112.5～300 kg/hm2對(duì)水稻產(chǎn)量均有一定促進(jìn)作用，但不顯著。

圖2 不同pH值條件下巰基活化硅對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

2.4 不同pH值條件下巰基活化硅對(duì)水稻Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的影響

由表3可以看出，與CK相比，在不同pH值條件下，施用巰基活化硅后水稻根系對(duì)土壤中Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)總體上均有所下降，說明巰基活化硅抑制了水稻根系對(duì)土壤中Cd的吸收和累積。通過比較根系到莖葉和莖葉到糙米的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)可知，巰基活化硅抑制了莖葉中的Cd向糙米中遷移，而使更多的Cd截留在莖葉中。說明巰基活化硅在降低土壤有效態(tài)Cd含量和水稻不同部位Cd含量的同時(shí)，還可以改變Cd的分配比例，抑制水稻對(duì)Cd的吸收和累積，使Cd更多的截留在莖葉中，減少了Cd從莖稈中向糙米的轉(zhuǎn)移。

表3 不同pH值條件下巰基活化硅對(duì)水稻Cd吸收及轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

注：轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)：莖葉—糙米即糙米中Cd含量/莖葉中Cd含量，根系—莖葉即莖葉中Cd含量/根系中Cd含量，土壤—根系即根系中Cd含量/土壤中Cd含量。

3 結(jié)論與討論

巰基活化硅呈堿性，施入土壤后能提高土壤pH值，pH值升高有利于增強(qiáng)土壤膠體對(duì)重金屬離子的吸附能力[16]，而土壤中鐵、錳等離子與羥基結(jié)合形成的羥基化合物為重金屬離子提供了更多的吸附位點(diǎn)[17]。劉昭兵等[18]通過田間小區(qū)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，土壤活性Cd含量降低的直接原因是土壤pH值的升高。同時(shí)，巰基的加入有利于S-Cd螯合物的形成，進(jìn)一步降低土壤中活性Cd的含量。趙秋香等[19]利用巰基改性蒙脫石，使蒙脫石層間距由1.56 nm增加到1.60 nm，改性后的蒙脫石對(duì)Cd的飽和吸附容量提高近50倍。劉慧等[20]通過FT-IR(傅里葉變換紅外光譜)分析得出，巰基改性的蒙脫石對(duì)活性Cd的飽和吸附量較普通蒙脫石提高近39倍，巰基的加入有效提高了蒙脫石對(duì)重金屬離子的吸附能力。本試驗(yàn)中，隨著巰基活化硅施用量的增加，土壤有效態(tài)Cd含量呈先降后升的趨勢(shì)，這可能與水稻對(duì)硅的吸收以及巰基活化硅在土壤中的釋放有關(guān)。

此外，施硅后，硅與Cd之間的相互作用也會(huì)影響土壤中Cd的有效性[21]。有研究表明，施硅后土壤中可交換態(tài)Cd和碳酸鹽結(jié)合態(tài)Cd含量降低，而不易被作物吸收的殘?jiān)鼞B(tài)Cd、有機(jī)結(jié)合態(tài)Cd和鐵錳氧化態(tài)Cd含量增加[22]；移栽前施硅處理與不施硅以及孕穗期追施硅肥處理相比，土壤DTPA提取態(tài)Cd含量顯著降低[6]；施用一定量鋼渣后，土壤中可交換態(tài)Cd含量下降了40%，而有機(jī)結(jié)合態(tài)和鐵錳氧化態(tài)Cd含量分別增加了197%和157%[23]。這說明在土壤中硅與Cd相互作用改變了土壤中各形態(tài)Cd的比例，降低了活性Cd的含量。這與本研究結(jié)果相似。

水稻是一種喜硅作物，施硅可激活水稻相關(guān)氧化酶系統(tǒng)，增強(qiáng)水稻根系的抗氧化能力[24]，近一步誘導(dǎo)水稻對(duì)重金屬脅迫進(jìn)行應(yīng)答，從而緩解重金屬對(duì)水稻的毒害作用[25]。史新慧等[26]通過水培試驗(yàn)研究表明，施硅能抑制Cd從根系向莖葉運(yùn)輸，減少地上部Cd含量，并促進(jìn)水稻生長(zhǎng)。潘智立等[27]通過盆栽試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，施硅對(duì)植物體根部Cd累積的影響主要是通過加強(qiáng)植物體細(xì)胞壁對(duì)Cd的固化作用，同時(shí)增強(qiáng)細(xì)胞壁對(duì)Cd的攔截作用，使更多的Cd固定在細(xì)胞壁中，緩解了Cd對(duì)植物體的毒害作用，也降低了Cd向地上部的遷移。黃秋嬋等[28]通過研究發(fā)現(xiàn)，在4 mg/L Cd脅迫下，添加SiO2溶液(30～180 mg/L)處理與不加SiO2處理相比，莖葉中Cd含量降低了21.32%～44.59%。陳桂芬等[29]通過大田試驗(yàn)得出，基施和噴施硅等不同處理均可有效降低稻米Cd含量，降幅為34.48%～73.45%。本試驗(yàn)中施用巰基活化硅112.5～300 kg/hm2，在不同pH值條件下水稻糙米、莖葉和根系Cd含量均可有效降低，這與前人[26-29]研究結(jié)果較為一致，表明施用巰基活化硅可在一定程度上抑制水稻各部位對(duì)Cd的累積。

本研究發(fā)現(xiàn)，在不同土壤pH值條件下，施用巰基活化硅均能顯著降低水稻根系中Cd含量，減少了水稻根系對(duì)土壤中Cd的吸收累積，這與黃涓等[30]的研究結(jié)果相似。史新慧等[31]從水稻葉片中提取并鑒定了一種硅結(jié)合蛋白(SBP117)，并發(fā)現(xiàn)該蛋白參與控制硅在水稻體內(nèi)的沉積。硅結(jié)合蛋白誘導(dǎo)硅在水稻根表皮下的纖維層細(xì)胞及內(nèi)皮層附近沉積，降低了細(xì)胞壁的孔隙度，一定程度上抑制了Cd在質(zhì)外體的運(yùn)輸，減少Cd向地上部運(yùn)輸?shù)臄?shù)量[26]。趙穎等[22]認(rèn)為，這可能是硅改變Cd在水稻體內(nèi)各器官比例的主要原因。王怡璇等[32]通過盆栽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，施硅能顯著降低根表鐵膜向根部的Cd轉(zhuǎn)運(yùn)因子，抑制土壤中的Cd從鐵膜向根部的轉(zhuǎn)運(yùn)，與不施硅處理相比能顯著降低水稻根系Cd含量。本研究發(fā)現(xiàn)，施用巰基活化硅能抑制水稻根系對(duì)Cd的吸收累積，增強(qiáng)了水稻根系對(duì)Cd的截留作用，減少水稻莖稈內(nèi)由下至上的Cd轉(zhuǎn)運(yùn)量，最終降低糙米中的Cd含量。

綜合分析表明，施用巰基活化硅減少了水稻對(duì)土壤中Cd的吸收累積，抑制了水稻植株體內(nèi)Cd的遷移和轉(zhuǎn)運(yùn)。在不同土壤pH值條件下，施用巰基活化硅150 kg/hm2處理均能顯著降低水稻糙米、莖葉和根系Cd含量，且隨著巰基活化硅施用量的增加，水稻各器官Cd含量呈先減少后增加的趨勢(shì)，與不施硅處理相比Cd含量均有所降低。可見，施用巰基活化硅通過抑制土壤Cd活性，減少水稻對(duì)土壤中Cd的吸收累積，阻控水稻植株內(nèi)Cd向籽粒的遷移轉(zhuǎn)運(yùn)，降低了稻米Cd累積風(fēng)險(xiǎn)。