摘要: 水稻具有较强的吸镉特性，稻米镉含量高低直接关系到农户收益及食品安全问题。本研究中使用一款新型纳米液体硅肥菲彤®，作为水稻吸镉的叶面阻隔剂。试验数据表明，通过9个处理组与对照组的比较，稻米镉含量均显著降低，且处理组镉含量均降至国家标准规定范围内，最大降幅达64.47%。此外，处理组与对照组之间千粒重差异不显著，但理论亩产增加56.85 kg，理论增产率达9.88%。因此，纳米液体硅肥菲彤®不仅能有效降低稻米镉含量，还能增加水稻产量，从而带来增产提质和粮食安全的双重效益。
Abstract:
Paddy cropabsorbs cadmium (Cd) in field from soil easily, which affects income of grower and raises public food safety issue greatly. In this study, Feitong®, a new nano liquid silicon fertilizer, was used as a leaf barrier agent to block Cd absorption. Field data showed that the Cd content of rice in 9 treatment groups was significantly reduced compared to control group, and the Cd content in the treatment group was reduced to the range stipulated by the national standard, with a maximum reduction of 64.47%. In addition, thousand-grain-weight, though difference between the treatment group and the control group was not statistically significant, theoretical yield per China acre (mu) increased by 56.85kg in average, leading to a potential increase rate of 9.88%. Therefore, Feitong®, can be used as an agent to reduce rice Cd effectively, also for yield increment, which results positive effects on food safety and production.
1. 前言
根据中国环境监测总站《中国土壤污染状况调查公报》报告，全国耕地镉超标面积为2.87万km2，占耕地总面积的0.32%。其中，水稻田的镉污染是最突出的问题之一。GB2762-2020《食品安全国家标准食品中污染物限量》中规定，糙米中镉的限量指标为低于0.2 mg/kg。由于矿产资源开采、废弃物处理及农业生产等多种因素，加之水稻自身具有富镉特性，稻米镉含量超标问题已在多地出现。2021年5月，农业农村部发布了《农业农村部关于进一步加强农田重金属污染防治工作的意见》，除了制定更为严格的防治标准、加强对农田土壤和农产品的监管和检测之外，同时倡导科学的农业生产方式，比如减少化肥、农药等农业投入品对土壤和水体的污染，提高土壤养分含量和质量等措施，以此保障粮食安全和民众健康。
Top of Form水稻对铅、锌和镉等重金属的吸收能力不同。其中，水稻对镉的吸收能力最强，其次是铅，最弱的是锌 [1] 。而且，这个过程受到多种因素的影响，如土壤pH值、有机质含量、重金属化学形态、水稻植株生长阶段等 [2] ，尤其是土壤的pH值最为敏感。在酸性土壤中，重金属元素更容易被溶出，也更易被水稻吸收 [3] 。反之，在碱性土壤中，重金属将更多与土壤粒子结合，减少了被水稻吸收。此外，水稻不同生长阶段对重金属吸收和转移的程度也不同 [4] 。因此，在进行水稻种植和农业生产时，需要采取合理措施来降低作物遭受重金属污染的风险。
镉对作物的不良影响，包括抑制根和茎的生长、减少叶绿素含量、降低光合作用速率等，从而导致植株形态异常、叶片发黄、产量降低等问题发生 [5] 。目前，针对稻米镉含量超标问题，采取的田间控制技术涵盖抗镉品种选育、土壤改良剂、叶面阻隔剂、微生物菌肥、土壤调理剂及水分管理(全生育期淹水灌溉)等。
叶面喷施硅可以显著增加水稻植株中POD和SOD活性，降低CAT活性，从而减轻镉毒性 [6] 。在姜中使用叶面硅，也可显著增加SOD、POD和CAT活性，从而减轻镉毒性 [7] 。此外，研究还发现，硅的作用机制可能与其促进植物光合作用和维持细胞膜完整性有关，这表明硅可以通过增强植物的抗氧化能力来减轻镉毒性 [8] 。这些结论进一步对硅减轻植物镉毒性的机制，提供了重要参考。然而，具体的研究结果可能因植物物种、重金属类型、土壤条件和实验设置等因素而有所不同。本研究中使用一款新型纳米液体硅肥，在水稻生育期内进行多次叶面喷施，进一步探讨其在降低稻米镉含量的同时，了解其在增产上的效应，以期寻求一种水稻绿色高产优质的生产技术措施。
2. 材料与方法
2.1. 试验设计
本试验于2022年4月至9月，在四川省成都市天府新区籍田镇开展。该区域平均海拔437 m，年平均气温17℃，年平均降雨量905 mm，年日照时数1242 h，土壤类型为水稻土。
供试水稻品种为晶两优534，于4月上旬育秧，5月下旬插秧，8月下旬至9月上旬陆续收获。供试产品来自北京艾格鲁国际农业科技有限公司，商品名为菲彤®，技术指标Si ≥ 120 g/L，平均粒径17.31 nm (动态光散射法)。
试验开始前，在当地筛选管理措施具代表性、地力条件相当的9个水稻种植户，每户水稻田中设置处理组和对照组各1亩。分别于水稻分蘖末期、破口期、穗期，按照100 mL/亩·次的用量处理3次，同期开展清水对照。其余稻田水肥管理同一般田块管理。
2.2. 测定项目与方法
于水稻收获期从各处理及对照田块中，选取代表性1.1 m*1.17 m样点3个，每个样点分别收集稻谷样品，进行糙米镉含量、千粒重、亩产的测定与计算，并求取各处理组与对照组的平均值。
2.2.1. 理论亩产
收集样点中所有稻谷，风干后称取重量M。以计算式667 m2/(1.1 m*1.17 m)*M，求得理论亩产。
2.2.2. 千粒重
将样点中收集的稻穗，风干后脱粒、去杂质及空瘪粒，以1000实粒样本称重，求得千粒重。
2.2.3. 糙米镉含量
用实验砻谷机脱壳制成糙米500 g，然后用粉碎机粉碎至全部通过20目筛，混匀。按照LS/T6115-2016《粮油检验稻谷中镉含量快速测定X射线荧光光谱法》进行糙米镉含量测定。
2.3. 数据统计
运用Excel软件进行数据录入与计算，运用SPSS20.0进行统计分析。
3. 结果与分析
3.1. 叶面喷施纳米硅肥对水稻亩产的影响
从图1可以看出，在9个水稻种植户中，无论是取样点的稻谷重量，还是水稻理论亩产，处理组均高于对照组。除以4、8为标记的种植户外，其余种植户中的处理组与对照组之间的差异均达到显著性水平。其中，取样点中稻谷重量平均增加0.11 kg，水稻理论亩产平均增加56.85 kg，最高增幅达86.38 kg，理论增产率为9.88% (图2)。
3.2. 叶面喷施纳米硅肥对水稻千粒重的影响
由图3可知，9个处理组的千粒重均高于相应对照组，其中处理组平均千粒重为25.06 g，较对照组平均值增加0.65 g。但是处理组与对照组之间的差异均未达到显著性水平。这说明水稻产量的增加可能与硅肥对于结实率、有效穗数等其他影响因素的提升有关，具体原因需要在后续研究中进一步探讨。
3.3. 叶面喷施纳米硅肥对糙米中镉含量的影响
图4表明，处理组糙米镉含量均显著低于对照组，且处于国家限定标准(0.2 mg·kg−1)范围之内。经过
Figure 1. Samples collected grain average weight (kg)
图1. 取样点中稻谷重量平均值比较/kg
Figure 2. Paddy theoretical yield in weight (kg)
图2. 水稻理论亩产比较/kg
Figure 3. Samples collected thousand-grain-weight (g)
图3. 水稻千粒重比较/g
Figure 4. Cadmium analysis of collected brown rice (mg·kg−1)
图4. 糙米镉含量比较/mg·kg−1
3次菲彤®纳米液体硅肥处理之后，糙米镉含量最高降幅达64.47%，平均降幅为46.55%。这与叶面喷施硅肥促进质外体物理屏障形成、维管束系统成熟、减少重金属向上运输等有很大关系。
4. 讨论
镉主要借助铁、锰、锌、硅、硒等微量元素的转运通道进入水稻根系，并向上运输到水稻稻穗中，主要包括根部吸收、木质部转运、跨维管束运输及韧皮部向籽粒迁移四个步骤 [9] 。土壤中的镉超标，对水稻种子萌发、幼苗生长、根系生长与生理生化及营养代谢等方面，均有不利的影响 [10] 。理论上来讲，本研究中纳米硅肥对于水稻增产降镉的效应，也源自于硅在植物体内对重金属镉的阻隔，减少了镉对作物光合作用的影响，从而使作物更顺畅地进行生理代谢反应。在叶面喷施之外，若在土壤中进一步使用相关硅肥产品，可将镉隔绝在根系以外的环境，是未来值得探讨的研究方向。
叶面喷施含有0.5 mM硅的营养液，水稻木质部汁液可于30 min、8.5 h分别达到6 mM、18 mM [11] ，说明硅肥能从叶面高效进入到体内，发挥增强植物提质和抗逆的功能。研究明确指出，植物对镉和硅的响应机制存在相互作用，硅可以降低植物对镉的吸收和转运 [12] 。硅在植物中的转运主要通过硅转运蛋白，其中包括从内皮层到木质部的转运过程。一些研究已经确认了参与硅转运的关键基因和蛋白质，例如在水稻中发现的Lsi1和Lsi2基因以及它们编码的蛋白质Lsi1和Lsi2，这些基因和蛋白质都可以调节硅在植物中的吸收和转运 [13] 。
Liu等人通过叶面喷施硒来降低降低水稻体内的镉积累。在镉胁迫下，叶面施用硒可以降低水稻体内镉的积累量，并增强水稻的抗氧化能力，减轻镉对水稻的毒害作用。这可能是因为硒可与镉形成不易被吸收的硒镉复合物，从而减少镉在水稻体内的积累[13]。硅和硒的使用也具有缓解镉毒性的效果。添加硅和硒可以增加根系中的活性氧清除酶活性、提高根系和叶片中几种抗氧化酶活性来缓解镉胁迫对水稻的损害 [14] 。Ahmed使用硅可以显著降低水稻幼苗体内的砷累积量，并且增加其生长指标和生理特性 [15] 。对比本研究中使用的菲彤®纳米液体硅肥，其作用机制与前人论述基本相同，而且在实际应用中，由于其具有良好的复配性及纳米特性，保证了该产品能够适合多种应用场景及在作物体内快速传导。和前人研究的不同之处，本文也进一步指出使用液体硅肥菲彤®，具有潜在性的增加产量，农户在投入产出比能有更安全的收获和更好的收益。
5. 结论
稻米镉污染问题涉及到粮食安全、农户收益等各个层面，是水稻产业中不容忽视的痛点、难点。本研究结果表明，新型纳米液体硅肥菲彤®的使用，可有效降低糙米中镉含量，达到甚至远低于国家限定标准。为整治水稻重金属污染提供了新思路、新方法。此外，在理论增产率可达9.88%，纳米液体硅肥菲彤®在学理推断上和前人的效果机理能相互印证，在实际使用上，不仅能有效降低稻米镉含量，还能增加水稻产量，从而带来增产和粮食安全的双重效益，是作为国家粮食战略布局的有力工具。