硅基叶面阻控剂对水稻的控镉效应

康兵 顾祝禹 皮杰 黄博阳 李文超 唐东海

摘要：在中轻度Cd污染区域开展大田试验，探索不同用量的硅基叶面阻控剂对土壤有效Cd、水稻（Oryza sativa L.）不同器官Cd含量及Cd转运的影响。结果表明，叶面阻控剂不能降低土壤有效Cd含量，但能调控Cd在水稻器官中的转运与富集，与不施叶面阻控剂对照相比，水稻根、茎、叶与稻米中Cd含量分别降低13.06%～27.03%、17.39%～36.96%、14.89%～42.55%、11.11%～32.83%，水稻对Cd的富集从高到低依次为根、茎、叶、稻米。水稻植株中Cd从根到茎（TF根-茎）、茎到叶（TF茎-叶）、叶到稻米（TF叶-稻米）的转运系数分别为0.36～0.42、0.47～0.53、0.42～0.50，其中根到茎的转运系数最低，且随叶面阻控剂用量的增加其转运系数逐渐降低。施用一定量的叶面阻控剂在一定程度上能提高水稻产量，从经济成本和降镉效果等因素综合考虑，用量为4 500 mL/hm2时，成本低廉且效果较佳。

关键词：硅基叶面阻控剂；
水稻（Oryza sativa L.）；
污染土壤；
转运系数；
产量；
控镉效应

中图分类号：X53；
S511         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2024）06-0022-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.06.004 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Effect of silicon-based leaf inhibitor on Cd control in rice

KANG Bing1， GU Zhu-yu2， PI Jie1， HUANG Bo-yang2， LI Wen-chao2， TANG Dong-hai1

（1.Songzi Farmland Construction and Consolidation Center， Songzi  434200， Hubei， China；

2.Wuhan Xiugu Technology Co.， Ltd.，Wuhan  430070， China）

Abstract：
A field experiment was carried out to investigate the effects of different concentrations of silicon-based leaf inhibitors on available Cd in soil， and the content and the transport of Cd in different organs of rice （Oryza sativa L.）. The results showed that leaf inhibitors could not reduce the content of available Cd in soil， but could regulate the transport and accumulation of Cd in rice organs. Compared with the control without leaf inhibitor， the Cd contents in roots， stems， leaves and grain of rice with leaf inhibitor decreased by 13.06%～27.03%， 17.39%～36.96%， 14.89%～42.55%， and 11.11%～32.83%， respectively. The order of Cd accumulation in rice from high to low was root， stem， leaf and grain. The transport coefficients of Cd from root to stem （TFroot-stem）， stem to leaf （TFstem-leaf） and leaf to rice （TFleaf-Rice） were 0.36～0.42， 0.47～0.53 and 0.42～0.50， respectively， the transport coefficient from root to stem was the lowest， and it decreased gradually with the increase of the dosage of inhibitor. The yield of rice could be increased by applying a certain amount of leaf inhibitor. Considering the comprehensive factors such as economic cost and the effect of reducing cadmium， the cost was low and the effect was better when the dosage was 4 500 mL/hm2.

Key words：
silicon-based leaf inhibitor；

rice（Oryza sativa L.）；

polluted soil；

transport coefficient；

yield；

effect of Cd control

随着经济的快速发展，工业产生的“三废”与各种化肥农药的不合理运用逐渐加剧了生态环境的污染，其中重金属Cd的污染尤为突出，Cd元素主要通过矿山冶炼或化肥农药等途径迁移到农田环境中，严重影响了中国粮食安全与品质［1，2］。Cd具有较高的生物有效性与毒性，土壤中Cd含量的增加能使土壤中有益菌群大量减少，土壤自净能力降低，土壤环境质量下降，进而影响农产品的产量与品质，并通过食物链进入人体，威胁着人类的生命健康［3-5］。因此，在Cd污染的土壤上研究农产品可食部位安全与品质问题具有重要的现实意义［6，7］。

影响农作物对Cd吸收与富集的因素较多，目前降低农产品可食部位Cd含量的主要方式有两种：一是通过筛选出对Cd吸收与富集较低的低积累品种［8，9］；
二是通过化学方法抑制农作物对Cd元素的吸收，进而降低农产品的Cd含量［10，11］。随着土壤污染与粮食安全问题受关注程度与日俱增，大量学者做了相应的治理与修复技术措施的研究［12，13］。在实际生产过程中，仅依靠低积累品种有时农产品不能达到安全生产，因此，成本低廉且效果较好的钝化剂、叶面阻控剂等技术措施被广泛应用［14］。叶面阻控剂与钝化剂相比，具有相对操作简单、成本低廉、易于推广等特点。于焕云等［15］关于稻田镉砷污染阻控原理与技术应用的研究表明，施用一定量的降镉灵后，稻米中Cd含量降低了38%～43%。詹旭芳等［16］的研究发现，对Cd污染土壤上种植的玉米叶片喷施降镉灵后，玉米中Cd含量显著下降。目前大部分关于叶面阻控剂的研究集中在对农产品可食部位Cd含量的影响，却忽视了不同用量叶面阻控剂对Cd在农作物不同器官中富集与转移的影响［17，18］。叶面阻控剂对农产品的降Cd效果与其用量密切相关，探究其用量对Cd污染农田可食部分安全生产具有重要意义。本试验以松滋纸厂河镇Cd中轻度污染的稻田为研究对象，分析不同用量叶面阻控剂对土壤理化性质与稻米Cd的影响，并研究不同用量叶面阻控剂对Cd在水稻植株不同器官转运系数的影响，以期为Cd污染农田农产品安全生产提供理论与实践依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

纸厂河镇位于湖北省松滋市东南部，该区域属亚热带过渡性季风气候，地势较平坦，年均气温在16 ℃左右，年平均无霜期270 d，多年平均降雨量在1 150 mm左右，降水集中在4—10月，占全年降水量的80%，有足够的气候资源供农作物生长。耕作方式以旋耕为主，种植作物以水稻和玉米为主，耕地类型主要包括旱地、水田和水浇地。研究区域土壤理化性质为pH 5.96、Cd含量0.39 mg/kg、有效Cd含量0.18 mg/kg。

1.2 供试材料

供试叶面阻控剂含有大量的可溶性硅，试验材料经过监测，pH为10.25，Si含量为113.0 g/L，K2O含量为51.47 g/L，Na≤75 g/L，水不溶物≤10 g/L，Pb含量为0.93 mg/L，Cd含量为0.25 mg/L，As含量为0.86 mg/L，Cr含量为10.57 mg/L。

1.3 试验设计

于2021年初进行试验，共设置4种叶面阻控剂处理和空白对照：处理1（T1），喷施叶面阻控剂       2 250 mL/hm2；
处理2（T2），喷施叶面阻控剂4 500 mL/hm2；
处理3（T3），喷施叶面阻控剂6 750 mL/hm2；
处理4（T4），喷施叶面阻控剂9 000 mL/hm2；
对照（CK），不喷施叶面阻控剂。每种处理做3次重复试验，共15个小区，每个小区面积为50 m2，且各小区随机排列。为防止各小区间相互影响，将每个处理之间进行分割，并对田埂进行加高加固，防止修复材料、灌溉水等相互影响。叶面阻控剂分别于水稻分蘖期和灌浆期喷施，且各处理田间管理一致。

1.4 样品的采集与分析

在水稻收获前2～3 d进行土壤与植株样品的采集，在试验田中按5点取样法采集小区水稻样品，并采集水稻根系附近的表层土壤（0～20 cm）。将土样去除杂质后，自然风干至恒量，过100目尼龙筛，装袋备用。水稻样品用去离子水冲洗，在105 ℃杀青10 min，烘干至恒量，水稻样品分部位粉碎与过筛，备用。

土壤的理化性质均按照常规测定方法检测［19］，其中，土样pH采用电位计法测定，水土比为2.5∶1；
土壤有效Cd含量采用CaCl2溶液浸提法进行提取［20］，并用原子吸收分光光度计测定。水稻植株各部位Cd含量采用干灰化法，HNO3-HClO4消解，用原子吸收分光光度计（石墨炉）测定，并做全程空白试验。

1.5 转运系数的计算

转运系数（TF）是指农作物中后一部位重金属的含量与前一部位重金属含量的比值，其主要用于评价重金属在农作物不同部位的迁移转化能力，计算式如下。

TFformer-latter =Clatter / Cformer

式中，Clatter为农作物后一部位重金属的含量；
Cformer为农作物前一部位重金属的含量。

1.6 数据统计与分析

采用Excel、Origin和SPSS软件进行数据统计和简单分析，并进行相应的图表绘制。各处理间采用单因素方差分析（ANOYA）和Duncans法进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 叶面阻控剂对土壤有效Cd含量的影响

Cd在土壤中的迁移性与生物毒性较大程度上取决于其有效态含量，有效态Cd能够被植物吸收，并在植物体内富集［21］。由图1可知，喷施叶面阻控剂后，各处理土壤中有效Cd含量与对照均无显著差异（P>0.05），且各处理土壤有效Cd含量在0.175～0.187 mg/kg，表明喷施叶面阻控剂对土壤有效Cd不具有钝化作用。

2.2 叶面阻控剂对水稻各器官Cd含量的影响

由图2可知，喷施叶面阻控剂能够降低水稻根中Cd含量，与CK相比，根中Cd含量的降幅为13.06%～27.03%，其中T2、T3、T4根中Cd含量均与CK差异显著（P<0.05），T1与CK无显著差异（P>0.05）。T1、T2、T3和T4茎中Cd含量比CK分别降低17.39%、27.17%、32.61%、36.96%，但与CK差异不显著（P>0.05），随着用量的增加，茎中Cd含量逐渐下降。各叶面阻控剂处理的叶中Cd含量比CK降低了14.89%～42.55%，其中 T2、T3、T4叶中Cd含量均与CK差异显著（P<0.05），T4叶中Cd含量最低，为0.27 mg/kg。T1、T2、T3和T4稻米中Cd含量比CK分别降低11.11%、20.20%、27.27%、32.83%， T2、T3和T4叶中Cd含量均与CK差异显著（P<0.05），稻米中Cd含量随叶面阻控剂用量的增加而降低，而下降幅度却逐渐降低。

总体而言，水稻不同器官Cd含量随叶面阻控剂用量的增加而降低，而下降幅度呈降低趋势，水稻对Cd富集顺序为根>茎>叶>稻米。

2.3 叶面阻控剂对水稻产量的影响

不同用量叶面阻控剂对水稻产量的影响见图3。由图3可知，施用一定量的叶面阻控剂后各处理水稻的产量在一定程度上均有所提高。与CK相比，T1、T2、T3和T4水稻产量分别增加2.17%、8.11%、5.71%、6.11%，且各处理间无显著差异（P>0.05），其中T2对水稻的增产效果最好，产量为       9 373.65 kg/hm2。这表明叶面阻控剂对水稻具有一定的增产效果。

2.4 叶面阻控剂对Cd转运系数的影响

表1显示了水稻植株中Cd从根到茎（TF根-茎）、茎到叶（TF茎-叶）、叶到稻米（TF叶-稻米）的转运系数。TF根-茎、TF茎-叶与TF叶-稻米的转运系数分别为0.36～0.42、0.47～0.53、0.42～0.50，Cd的转运系数均值表现为TF茎-叶>TF叶-稻米>TF根-茎，表明茎的转运能力最强，根系的转移能力最弱。各处理TF根-茎的转运系数较CK有一定程度的下降，而TF叶-稻米的转运系数较CK呈上升趋势，但各处理转运系数均无显著差异（P>0.05）。

3 讨论

根系是植物从土壤中吸收养分与重金属最主要的器官［22］。土壤中活性较强的重金属元素被根系吸收后，通过根茎中的木质部运输重金属，最后重金属元素通过韧皮部输送到稻米中富集［23］。本试验发现喷施叶面阻控剂后，各处理土壤中有效Cd含量无降低趋势，且与对照均无显著差异，而李娟［24］通过研究叶面阻控剂对杂交中稻的降镉及增产增收效果发现，叶面阻控剂对土壤镉污染的修复几乎没有作用，这与本试验的研究结果相似。

有研究表明，水稻根系对Cd的积累量远高于其他部分［25］。本研究结果显示，水稻根中Cd含量最高，各植株不同部位富集Cd的顺序由高到低依次为根、茎、叶、稻米，产生这种现象的原因可能是根是吸收Cd的主要器官，而土壤中的Cd2+通过水稻根系的表皮细胞空隙与细胞膜上运输蛋白进入水稻植株体内［26］，从而导致根是最容易积累Cd的器官。稻米中Cd的富集一般需要经历3个阶段 ，即根系吸收、茎运输与叶片转运、进入稻米，而茎运输的Cd能够在叶片中暂时存储，然后再转运至稻米中［27］。Cd从根迁移至稻米的过程中茎对其的阻控起到关键作用，叶面阻控剂能降低根向茎的转移［28］。刘小琴［29］的研究表明，硅能有效降低水稻对土壤重金属离子的吸收，调控水稻作物体内酶的活性，增强对Cd的耐受性，同时能使水稻植株细胞壁增厚，细胞膜对Cd的通透性降低，从而降低水稻植株不同器官对Cd的富集。本研究发现，喷施不同用量的叶面阻控剂后，水稻植株茎、叶与稻米中的Cd含量也呈下降趋势，原因可能是喷施叶面阻控剂能有效提高水稻植株的含水量，降低其蒸腾速率，抑制Cd在水稻植株体内的转运速率，同时叶面阻控剂能降低细胞膜透性和自由基对细胞膜的损害，从而抑制水稻对Cd的吸收和转运以缓解其毒害［30］。向焱赟等［31］的研究发现，硅能强烈抑制水稻根系Cd向子粒中迁移。叶面阻控剂中含有大量的硅与钾元素，硅与钾是水稻生长所需的矿质元素，能增强水稻茎秆抗折力，增加水稻茎叶表层细胞壁与角质层厚度，防止水稻倒伏，提高抗逆性，增强水稻抵御病虫害的能力，因此，喷施叶面阻控剂有利于促进水稻增产增收。陈湘等［32］的研究发现，喷施叶面阻控剂能提升农产品的产量，这与本试验研究结果相似。

转运系数是判断农作物吸收、分配与转运重金属的重要指标［33］。试验通过使用富含硅、钾元素的叶面阻控剂，喷施在水稻叶面上可保湿成膜，并通过叶面吸收直接进入作物体内，不仅能够为水稻提供大量的营养元素，还能有效增强其光合作用［34］。同时通过调节运输蛋白活性与竞争运输通道等方式抑制农作物对重金属元素的吸收，改变重金属在作物体内不同器官的分配比例，抑制重金属元素向子粒转移［17］。本研究中，Cd的转运系数均值表现为TF茎-叶>TF叶-稻米>TF根-茎，其中根系到茎的转运系数最低，且随叶面阻控剂用量增加而逐渐下降，说明喷施叶面阻控剂后，有效阻控了Cd从根系转移至茎，并使Cd在根系的富集量增加。高敏等［33］的研究发现，叶面喷施硅溶胶、亚硒酸钠溶液后根向茎转运的Cd减少，这与本试验结果相似。

叶面阻控剂只能有效调节Cd在水稻不同器官内的转移，而不能降低土壤有效Cd的含量。针对Cd污染农田的修复技术不仅需要降低农产品可食部位的Cd含量，还需要降低农田有效Cd含量或Cd总量，从而从根本上解决Cd农田污染问题，因此选用叶面阻控剂修复Cd污染农田时，常与土壤调理剂、重金属钝化剂等修复产品联合使用。从经济成本和稻米降镉效果等综合因素考虑，本试验选用叶面阻控剂用量为4 500 mL/hm2，成本低廉且效果较好。

4 小结

1）喷施叶面阻控剂后，各处理土壤有效Cd含量为0.175～0.187 mg/kg，且与对照均无显著差异。

2）喷施叶面阻控剂能有效降低水稻不同器官的Cd含量，水稻不同器官Cd含量随叶面阻控剂用量的增加而降低，而下降幅度呈降低趋势，根、茎、叶与稻米中Cd含量分别降低了13.06%～27.03%、17.39%～36.96%、14.89%～42.55%、11.11%～32.83%，水稻对Cd的富集顺序为根>茎>叶>稻米。

3）水稻植株中Cd从根到茎（TF根-茎）、茎到叶（TF茎-叶）、叶到稻米（TF叶-稻米）的转运系数分别为0.36～0.42、0.47～0.53、0.42～0.50。其中根的转运系数最低，且随叶面阻控剂用量的增加转运系数逐渐降低，使Cd在根系的富集量增加。

4）施用叶面阻控剂在一定范围内能提高水稻产量，从经济成本和降镉效果等综合因素考虑，其中用量为4 500 mL/hm2时，成本低廉且效果较佳，此时稻米中Cd含量下降了20.20%，产量增加了8.11%。

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