賀子儼，劉 瑛，甘 豪，魏宗強，3，袁源遠，盧志紅，3*

（1.江西農業(yè)大學 國土資源與環(huán)境學院，江西 南昌 330045；2.江西省宜春市硒資源開發(fā)利用中心，江西 宜春 336000；3.江西省鄱陽湖流域農業(yè)資源與生態(tài)重點實驗室，江西 南昌 330045）

【研究意義】銅（Cu）是作物生長發(fā)育所必需的微量營養(yǎng)元素，同時被世界衛(wèi)生組織列為動物和人類所必需的14 種微量元素之一。但隨著銅用途的擴大和用量的增加，含銅污染物排放日益增多，根據(jù)2014 年《全國土壤污染調查公報》顯示全國土壤中銅點位超標率為2.1%，位居第4[1]，是污染環(huán)境的主要重金屬元素之一，土壤中過量的銅會嚴重影響水稻的產(chǎn)量和品質?！厩叭搜芯窟M展】趙江寧等[2]研究表明土壤銅污染影響水稻對銅的吸收與分配，阻礙水稻的生長發(fā)育，從而影響水稻產(chǎn)量。當土壤中銅含量過高時，水稻的根系生長發(fā)育也會受阻，導致株高變矮，分蘗延遲，穗數(shù)減少，水稻產(chǎn)量和品質顯著下降[3-5]，使得水稻的生物量下降，生長發(fā)育變的遲緩，甚至會引起萎黃病。根據(jù)有關土壤銅污染治理報道，在生產(chǎn)中采取以硫肥和硅肥作改良劑以減輕銅污染對水稻的毒害作用是一項有效措施。硫素參與水稻的生長發(fā)育，是其生長的必需營養(yǎng)元素之一，在作物體內含量為3%～5%，在生長過程中參與半胱氨酸、甲硫氨基酸、谷胱甘肽（GSH）、植物螯合肽（PC）及類金屬硫蛋白（MT）等有機化合物的合成[6]，在作物的生長中調節(jié)其代謝過程。研究證明，Cys和GSH等小分子巰基化合物可螯合細胞內的重金屬并清除其中的活性氧，從而減輕重金屬對其毒害作用[7]。水稻內GSH 的產(chǎn)生，對變價的Cu 有一定的還原作用，水稻根表鐵膜的形成可以阻止水稻根系對Cu的吸收[8]。硅素在禾本科作物（水稻、小麥等）中可促進其生長，增強其抗脅迫的能力。由相關報道表明，硅肥具有抑制植物吸收重金屬的機理與硅和重金屬的螯合作用、土壤理化性質的變化有關[9]。在作物中，硅素可促進其健康發(fā)育、增強抗性和平衡營養(yǎng)[10]。施加硅肥后，硅素與重金屬離子發(fā)生反應，形成硅酸化合物，其硅酸根離子與植物體內吸收的重金屬產(chǎn)生反應，形成新的不易被水稻吸收的硅酸化合物，改變了重金屬在植物體內的化學形式[11]，使得重金屬在植物體內得以沉淀下來。硅素提高了土壤介質的pH，加速了土壤中重金屬離子的沉淀，同時降低了土壤中重金屬的流動性和濃度[12-13]，改變了土壤的理化性質，使得作物在整個生長發(fā)育的過程中對Cu 的吸收量有所下降?！颈狙芯壳腥朦c】目前對銅脅迫水稻生長發(fā)育的改良措施多為單獨某種肥料的施用影響研究，對硫、硅肥配施下銅脅迫水稻產(chǎn)量和品質影響的研究相對較少，缺乏對硫、硅肥互作效應的深入探究?！緮M解決的關鍵問題】故本試驗以水稻為材料，研究不同硫肥（0，0.013，0.026，0.039 g/kg）、硅肥（0，0.05，0.10，0.15 g/kg）的配施對銅脅迫下水稻產(chǎn)量和品質的影響，探究硫、硅肥的互作效應，為闡明硫、硅肥配施緩解銅污染對水稻毒害機理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本試驗在江西農業(yè)大學科技園試驗基地網(wǎng)室內進行，供試土壤為東鄉(xiāng)銅礦附近孝崗鎮(zhèn)張坊鄉(xiāng)被污染的水稻土耕層土樣，質地為壤土，肥力中等，其理化性狀為：pH 4.93，有機質37.32 g/kg，有效磷14.87 mg/kg，速效鉀116.34 mg/kg，堿解氮134.61 mg/kg，全量銅245.5 mg/kg，有效銅128.57 mg/kg，有效硫17.29 mg/kg，有效硅16.36 mg/kg。

供試品種選用常規(guī)稻中早25，由南昌科富農種業(yè)有限公司提供。硫肥采用硫磺；硅肥用分析純硅酸鈉（Na2SiO3·9H2O），其中含SiO221%。

1.2 試驗設計

本試驗共有16 個處理（表1），硫磺設4 水平，硫素（S）添加量分別為0，0.013，0.026，0.039 g/kg，分別表示為S0、S1、S2、S3；硅酸鈉設4 水平，硅素（Si）添加量分別為0，0.05，0.10，0.15 g/kg，分別表示為Si0、Si1、Si2、Si3。此試驗為完全隨機設計，重復8次，共計128盆。試驗盆栽土壤供肥（N、P2O5、K2O）水平相同。

試驗盆缽為紅色塑料桶，盆口直徑30 cm，底徑20 cm，高25 cm，每桶裝風干土14 kg。播種前1 d 將底肥（尿素、氯化鉀、鈣鎂磷）、相對應的硅酸鈉等按規(guī)定用量施入裝好土的盆中攪拌均勻，盆缽土面上保持水層，使土壤與肥料平衡。大田育秧，4月28日移栽，每盆3穴，每穴3粒苗，其中施硫磺的處理用少量土與所需硫磺攪拌均勻，分3 份蘸秧根移栽到盆中。移栽后全生育期盆缽土面保持3～4 cm 的水層。氮肥分基肥、分蘗肥和穗肥3次施用（6∶2∶2），鉀肥分基肥、分蘗肥2次施用（7∶3）。均以不施硫磺和硅酸鈉處理為對照，隨機排列，灌溉水用自來水，其他管理措施一致。

1.3 測定內容與方法

1.3.1 考種與計產(chǎn) 成熟期各處理取5 盆，考查每盆產(chǎn)量和每盆穗數(shù)、每穗粒數(shù)、結實率和千粒質量，取4盆實收計產(chǎn)。

1.3.2 稻米品質測定 各處理取部分收獲稻谷測定米質。測定前統(tǒng)一用NP-4350 型風選機等量風選，方法按照中華人民共和國標準《GB/T 17891—1999優(yōu)質稻谷》測定出糙率、精米率、整精米率、堊白米率、堊白度、直鏈淀粉含量和膠稠度。

1.3.3 粗蛋白質含量測定 凱氏定氮法測定稻米中的含氮量，乘以換算系數(shù)5.95。

1.3.4 水稻植株樣品銅含量的測定 準確稱取1.000 g（準確到0.1 mg）經(jīng)烘箱烘至恒重的水稻植株樣品（根、莖、葉和籽粒）各3 份，分別置于100 mL 三角燒瓶中，加8 mL 濃硝酸，在電熱板上加熱，消解至紅棕色氣體減少時，沿燒杯壁加入2 mL 高氯酸，補加濃硝酸5 mL，加熱至冒濃白煙、溶液透明（或白色稠狀物）為止，用中速定量濾紙過濾至25 mL 容量瓶中，用去離子水洗滌消煮液2～3 次后，稀釋定容，搖勻待測。同時做空白試驗。原子吸收光譜法測定植株各部位銅含量[12]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel 軟件對數(shù)據(jù)進行計算分析，應用Origin Pro 7.0 軟件作圖，用SPSS17.0 軟件對數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)方差分析（Duncan’s法）。

2 結果與分析

2.1 硫、硅肥配施對銅脅迫下水稻產(chǎn)量及其構成因素的影響

2.1.1 硫、硅肥配施對銅脅迫下水稻產(chǎn)量的影響 由表1可知，硫肥對水稻產(chǎn)量有顯著影響（P＜0.05）；硅肥及硫、硅肥配施對水稻產(chǎn)量均有極顯著影響（P＜0.01）。與對照組（S0）相比，施用硫肥可增加銅脅迫下水稻產(chǎn)量，但水稻平均產(chǎn)量隨著硫肥用量的增加表現(xiàn)出先增后減的規(guī)律，其中僅S2處理與對照組S0差異顯著，增幅為6.38%，其他處理間差異不顯著（P＞0.05）。與對照組（Si0）相比，水稻平均產(chǎn)量僅Si2處理顯著增加，增幅為6.19%；而Si1和Si3處理產(chǎn)量均低于對照組，減幅為4.04%～8.04%，其中Si3處理與對照組差異顯著；多重比較結果表明硫、硅肥配施水稻平均產(chǎn)量以S1Si2處理銅脅迫下最高，每盆產(chǎn)量為76.26 g，除S1Si3處理產(chǎn)量比對照組（S0Si0）減少3.32%，其他組產(chǎn)量比對照組（S0Si0）增加了1.27%～29.14%，其中S1Si2和S3Si2極顯著高于其他交互處理（P＜0.01），但S1Si2和S3Si2之間差異不顯著。綜上分析，可知當硫、硅用量分別為0.013 g/kg和0.10 g/kg配施時，銅脅迫下水稻產(chǎn)量最高，即S1Si2處理為最優(yōu)組合。

表1 硫、硅肥配施對銅脅迫下水稻產(chǎn)量及其構成因素的影響Tab.1 Effect of sulfur and silicon on yield and yield components of rice under copper stress

2.1.2 硫、硅肥配施對銅脅迫下水稻產(chǎn)量構成因素的影響 由表1 可知，（1）銅脅迫下施硫肥、硅肥各處理較對照組（S0Si0）的有效穗數(shù)增減幅度為-3.2%～15.8%，除處理S0Si1和S3Si3有效穗略低于或等于對照，其他處理有效穗均高于對照，其中以S1Si2處理有效穗最多。但施硫肥、硅肥及其配施對水稻有效穗數(shù)的主效應均不顯著（P＞0.05）。（2）施用硫肥、硅肥對每穗實粒數(shù)的主效應顯著（P＜0.05），硫、硅肥配施對每穗實粒數(shù)的主效應極顯著（P＜0.01）。施硫肥各處理每穗粒數(shù)較對照組（S0）少，減幅為0.59%～7.58%，但僅S2與S0、S3差異顯著（P＜0.05）。硅肥處理與對照組（Si0）相比，Si2每穗平均粒數(shù)增加了3.98%，Si1和Si3處理分別減少0.38%和3.28%，但僅Si2與Si3差異顯著（P＜0.05）。多重比較結果表明S1Si2配施處理水稻每穗平均實粒數(shù)最多，但比S0Si2、S3Si0兩處理少，但三處理間差異不顯著（P＞0.05）。（3）銅脅迫下施用硫肥對水稻千粒質量影響不顯著（P＞0.05），施用硅肥對千粒質量影響極顯著（P＜0.01），硫、硅肥配施對千粒質量影響顯著（P＜0.05）。其中與對照組（Si0）相比，Si1與Si2處理千粒質量均增加了0.94%，但Si3處理降低了0.49%。多重比較結果表明硫、硅肥配施除S2Si3、S3Si3外，其他處理組千粒質量比對照組（S0Si0）增加了2.02%～5.03%。（4）銅脅迫下施用硅肥對水稻結實率影響不顯著（P＞0.05），但施用硫肥及硫、硅肥配施對結實率影響極顯著（P＜0.01）。其中與對照組（S0）相比，S1結實率增加了1.55%，但S2與S3結實率分別降低了1.01%和4.74%。硫、硅肥配施除S2Si1、S3Si1、S3Si2、S3Si3外，其他處理組結實率比對照組（S0Si0）增加了1.82%～5.63%，且差異顯著（P＜0.05）。

由表2可知，水稻產(chǎn)量與其構成因素均正相關，其中產(chǎn)量與有效穗數(shù)和每穗粒數(shù)相關性顯著，相關系數(shù)r大小分別為0.534和0.603。

表2 水稻產(chǎn)量與其構成因素的相關性分析Tab.2 Correlation analysis of rice yield and its components

2.2 硫、硅肥配施對銅脅迫下水稻品質的影響

2.2.1 硫、硅肥配施對銅脅迫下稻米碾米品質的影響 由表3可知，在硫、硅肥及其配施對銅脅迫下水稻糙米率的主效應均表現(xiàn)為極顯著（P＜0.01），糙米率除S3Si0外較對照組（S0Si0）均下降，降幅為0.49%～9.59%，其中以處理S1Si2糙米率最低為73.5%；在硫、硅肥及其配施對銅脅迫下水稻精米率、整精米率的主效應表現(xiàn)為顯著（P＜0.05）或極顯著（P＜0.01），但不同硫硅肥配施效果不一，與對照組（S0Si0）相比，銅脅迫水稻的精米率和整精米率有的提高有的降低。

表3 硫、硅肥配施對銅脅迫下水稻品質的影響Tab.3 Effects of sulfur，silicon and their interaction on quality of rice under copper stress

2.2.2 硫、硅肥配施對銅脅迫下稻米外觀品質的影響 由表3 可知，在硫、硅肥及其配施作用下，銅脅迫下稻米的粒長、粒型長/寬和透明度都沒有明顯影響，其主效應均不顯著（P＞0.05）；而堊白米率和堊白度與對照組（S0Si0）主效應呈顯著（P＜0.05）或極顯著（P＜0.01），但硫、硅肥及其配施處理堊白米率與對照組（S0Si0）相比，僅S3Si1顯著下降3.06%，其他處理差異均不顯著；而硫、硅肥及其配施處理與對照組（S0Si0）相比，除S1Si2、S1Si3、S2Si3、S2Si2、S3Si2、S3Si36 處理堊白度若有增加，其他處理堊白度均有所下降，其中S1Si0堊白度最低，降幅為13.89%，且與對照組（S0Si0）差異顯著。

2.2.3 硫、硅肥配施對銅脅迫下稻米蒸煮食味品質的影響 直鏈淀粉含量越低，表示米飯越松軟，反之就越硬而冷后反生。由表3可知，在硫、硅肥及其配施作用下，稻米直鏈淀粉含量較對照組（S0Si0）降低了1.22%～12.19%，但僅硅肥主效應顯著（P＜0.05）；而稻米膠稠度明顯提高，比對照組（S0Si0）增加0～5 mm，其中硫肥對其影響為不顯著（P＞0.05），硅肥及硫、硅肥配施對其影響極顯著（P＜0.01）；硫、硅肥及其配施下稻米堿消值較對照組（S0Si0）無變化?？梢?，施用硅肥利于提高稻米蒸煮食味品質。

2.2.4 硫、硅肥配施對銅脅迫下稻米營養(yǎng)品質的影響 由圖1可知，硫、硅肥及其配施極顯著提高銅脅迫下稻米蛋白質含量（P＜0.01）。與對照組（S0）相比，施硫肥稻米蛋白質含量提高了15.98%～29.22%，差異極顯著（P＜0.01），S2對稻米蛋白質含量的提高效果最佳，且S2與S1、S3差異顯著（P＜0.05）。施硅肥稻米蛋白質含量較對照組（S0）增加10.69%～41.45%，差異極顯著（P＜0.01），且硅肥不同用量間差異均顯著（P＜0.05），且稻米蛋白質含量隨硅肥施用量的增加而增加。多重比較結果表明稻米蛋白質含量硫、硅肥配施較對照組（S0）增加15.77%～48.62%，且硫肥與高濃度的硅肥配施效果比單施硫肥或硅肥更好。當硫、硅用量為0.026 g/kg和0.15 g/kg配施時，稻米蛋白質含量最高。

圖1 硫、硅肥配施對銅脅迫下稻米營養(yǎng)品質的影響Fig.1 Effects of sulfur，silicon and their interaction on nutritional quality of rice under copper stress

2.2.5 硫、硅肥配施對銅脅迫下稻米衛(wèi)生品質的影響 由圖2可知，硫、硅肥及其配施明顯降低了銅脅迫下糙米中銅含量，硅肥及硫、硅肥配施主效應極顯著（P＜0.01）。施硫肥糙米中銅含量較對照組（S0）減少20.43%～26.94%，且硫肥低濃度時，稻米銅含量最低，但各處理間差異不顯著（P＞0.05）。與對照組（Si0）相比，施硅肥糙米中銅含量減少了24.86%～49.37%，硅肥低濃度時對稻米銅含量的抑制作用更好，且硅肥各處理間差異極顯著（P＜0.01）。多重比較結果表明硫、硅肥配施下銅污染糙米銅含量較對照組（S0Si0）均有所下降，降幅為16.37%～49.37%，配施中以S2Si3效果最好，但S2Si3糙米銅含量仍高于S0Si1。綜上可知，施用硫、硅肥提高了稻米衛(wèi)生品質，且糙米中銅含量均沒有超出食品質量銅的臨界值（＜10 mg/kg）[15]。

圖2 硫、硅肥配施對銅脅迫下稻米衛(wèi)生品質的影響Fig.2 Effects of sulfur，silicon and their interaction on health quality of rice under copper stress

3 討論與結論

3.1 硫、硅配施對銅脅迫下水稻產(chǎn)量的影響

眾多研究表明過量的銅會抑制水稻根的伸長，分蘗遲緩，抽穗期明顯推遲，灌漿期貪青，因穗數(shù)和每穗穎花數(shù)共同減少而顯著減產(chǎn)[4-5]。本研究在銅污染稻田中采用硫、硅肥配施可通過增加水稻有效穗和每穗粒數(shù)顯著提高產(chǎn)量，這與施愛枝[16]、魏玉光等[17]研究結果一致。

在單施硫肥時，水稻產(chǎn)量隨硫肥用量的增加而增加，硫素的施入可增加含硫氨基酸在水稻中的含量，這是葉綠素合成的重要介質，進而促進水稻的光合作用。徐金仁[18]、王旭等[19]通過研究得出每667 m2水稻產(chǎn)量在0～4.5 kg 硫肥的施用范圍內呈先增后減的趨勢，與本文研究結果大體一致，單施硫肥水稻產(chǎn)量隨其用量的增加表現(xiàn)出先增后減的規(guī)律。適量的施用硫肥，可以促進水稻有效分蘗和灌漿，提高水稻千粒質量和結實率，進而增加水稻產(chǎn)量，但過量施用硫肥對水稻會產(chǎn)生毒害作用。張延青等[20]研究表明，硫肥施用過量易在水稻根部氧化為SO42-，造成酸害影響銅的有效性進而加劇銅毒害。在單施硅肥時，低濃度（0.05 g/kg）時對水稻產(chǎn)量出現(xiàn)抑制作用，高濃度（0.15 g/kg）的促進作用不如中濃度（0.10 g/kg）。張國良等[21]對武育粳3 號研究表明，在大田基施硅肥（有效硅含量≥20%）0～450 kg/hm2內，隨硅肥施用量的增加，水稻產(chǎn)量呈先增加后降低的趨勢，在225 kg/hm2時產(chǎn)量最高。李珂清等[22]以優(yōu)質水稻品種粵禾絲苗為供試材料進行田間試驗，設置4 個硅肥用量（0，90，180，270 kg/hm2）處理，其中270 kg/hm2的高肥處理產(chǎn)量最高?？梢姳狙芯颗c張國良[21]和李珂清等[22]研究結果在不同硅肥用量對水稻產(chǎn)量影響上不一致，可能是由于水稻品種及種植環(huán)境不同所致。提高水稻產(chǎn)量原因也存在差異，曾仁杰[23]研究表明硅肥對水稻產(chǎn)量的影響，主要通過對水稻有效穗數(shù)的影響而發(fā)生變化，而本研究單施硅肥水稻增產(chǎn)主要原因是每穗粒數(shù)和千粒質量的增加。

不同用量的硫、硅肥配施對水稻產(chǎn)量的影響略有差異。除0.013 g/kg 硫與0.15 g/kg 硅配施外，其他處理組較對照組的產(chǎn)量均有不同程度的增加，以0.013 g/kg硫與0.10 g/kg硅配施效果最佳。除0.026 g/kg硫與硅配施外，0.013 g/kg 和0.039 g/kg 硫與硅配施時，水稻的產(chǎn)量均隨硅施用量的增加呈現(xiàn)先增后減的情況，可能是由于高濃度的硅與硫之間會產(chǎn)生拮抗效應，進而對水稻生長的促進作用會減弱，這與周麗君等[24]研究適宜濃度的硫硅配施有利于青蒜苗生長和品質的提高相一致。當硫濃度超過0.013 g/kg 時，外施硅肥后水稻的產(chǎn)量都低于不施硅肥時水稻的產(chǎn)量，經(jīng)分析可知低濃度硫與中、低濃度硅間的促進效應較好，中、高濃度硫易與高濃度硅產(chǎn)生拮抗效應。其原因可能是硫元素作為葉綠素合成的必需元素，影響著光能的吸收、運輸、分配和轉化，決定光合速率的快慢。經(jīng)周麗君[24]研究可知硅肥進入植物體后，在葉片中形成“角質-雙硅層”結構，易使植株葉片細胞膜的通透性降低，所以高濃度的硫、硅在水稻葉片光合作用時易產(chǎn)生拮抗效應。而適當?shù)牧?、硅肥配施更有利于水稻產(chǎn)量的提高，本研究銅脅迫下以0.013 g/kg硫與0.10 g/kg硅配施水稻產(chǎn)量最高，其增產(chǎn)原因主要是通過增加有效穗和每穗粒數(shù)。

3.2 硫、硅配施對銅脅迫下水稻品質的影響

隨著人們生活水平的提高，對稻米品質越來越重視。王越濤[25]和譚宏偉等[26]認為施用硫肥有利于水稻的光合作用和代謝作用，不僅增加產(chǎn)量，還可增加蛋氨酸含量，提高稻米品質和營養(yǎng)價值。而有研究[27]表明施硅能提高稻米香味和蒸煮品質，顯著提高整精米率和蛋白質含量，但對出糙率、堊白度、堊白粒率、粒/長比及食味等無明顯影響。本研究結果表明適量的硫、硅肥施用能降低糙米率和堊白度，提高稻米蒸煮食味品質和營養(yǎng)品質，但對粒長、粒型長/寬和透明度等外觀品質影響不太明顯。這與施用硫、硅肥后水稻根系發(fā)達、促進氮、磷、鉀養(yǎng)分吸收，減緩光合器官的衰老，提高光合生產(chǎn)效率、增強水稻抗性密不可分。除此在銅污染土壤中施用硫、硅肥后水稻籽粒中銅含量明顯下降，其變化規(guī)律與任海[28]、魏玉光等[17]研究結果一致。究其原因，一方面硫、硅肥配施于銅污染稻田中，硅酸根離子與土壤中Cu 等重金屬發(fā)生化學反應，形成不易被作物吸收的硅酸化合物沉淀，降低酸可提取態(tài)銅含量，提高殘渣態(tài)銅含量，進而減少水稻莖、葉、糙米中銅的積累[29]。另一方面，硫是植物細胞內非蛋白巰基類物質（包括半胱氨酸、甲硫氨酸殘基、谷胱甘肽（GSH）、植物螯合肽（PC）等）的重要組成物質，研究證明這些非蛋白巰基化合物可螯合細胞內的重金屬使其鈍化或去除活性氧，從而減輕重金屬對植物毒害作用[30]。另外水稻自身可通過細胞壁的固持[31]或液泡區(qū)室化等方式應對重金屬脅迫[32-35]，以此降低重金屬對水稻的毒害作用，而硅在細胞壁結構形成中不可或缺，對在細胞壁中的重金屬解毒起著重要作用。由此可見施用硫、硅肥配施可進一步從生理上增強水稻對銅的抗性[36-37]，提高衛(wèi)生品質。

綜上可知，在銅污染稻田中適當施用硫、硅肥，可提高水稻產(chǎn)量和品質，較高濃度的硫、硅肥配施易產(chǎn)生拮抗效應，對水稻生長的促進效應會減弱，此外與對照組相比，施用硫、硅肥各處理水稻籽粒銅含量均呈下降趨勢，進一步改善了銅污染水稻的衛(wèi)生健康問題。本試驗結果表明，0.013 g/kg 硫與0.1 g/kg 硅配施為提高水稻產(chǎn)量的最優(yōu)配置。