淹水灌溉联合叶面阻控剂对水稻镉吸收转运的影响

Effects of Flooding Irrigation Combined with Foliar Inhibitors on the Absorption and Accumulation of Cadmium in Rice

摘要: 在益阳市赫山区某镉(Cd)污染稻田进行田间试验，探讨淹水灌溉联合叶面阻控剂的组合措施对土壤Cd有效态含量、pH值以及水稻植株各器官(根、茎、叶、谷壳和糙米) Cd吸收转运的影响。结果表明：淹水灌溉联合叶面阻控剂的组合措施可以有效降低土壤中Cd的有效性，减少水稻对Cd的吸收。在淹水灌溉和叶面阻控剂的联合处理下，土壤中的pH值与对照相比显著(P < 0.05)提高0.5个单位，土壤有效态Cd含量(DTPA-Cd)显著降低了26.2%；水稻植株的根、茎、叶、谷壳和糙米中Cd含量均显著(P < 0.05)降低，降幅分别为14.7%、37.0%、45.4%、54.5%和47.8%；而水稻产量与对照相比无明显变化。淹水灌溉联合叶面阻控剂措施还抑制了Cd向水稻各部位的转运，根–茎、茎–叶和叶–谷壳的转运系数显著(P < 0.05)降低了25.7%、39.5%和58.4%。因此，淹水灌溉联合叶面阻控剂技术措施可在不影响水稻产量的情况下，有效阻控Cd在水稻体内的迁移转运，显著降低水稻糙米对Cd的吸收。

Abstract: A field experiment was conducted in a cadmium (Cd)-contaminated paddy field in Heshan District, Yiyang City, to investigate the effects of flooding irrigation combined with foliar inhibitors on the availability of Cd in soil, soil pH and Cd uptake and translocation in various rice plant organs (roots, stems, leaves, husks and brown rice). The results indicated that: the remediation technology integrating flooding irrigation combined with foliar inhibitors effectively reduce the bioavailability of Cd in soil and decrease Cd uptake by rice plants. Under this combined treatment, soil pH increased significantly (P < 0.05) by 0.5 units compared with the control, and the soil available Cd content decreased significantly (P < 0.05) by 26.2%. The Cd contents in roots, stems, leaves, husks and brown rice were all significantly decreased (P < 0.05) by 14.7%, 37.0%, 45.4%, 54.5% and 47.8%, respectively; while no significant changes were observed in rice yield compared with the control. Furthermore, the combined treatment significantly inhibited Cd translocation to different parts of rice. The translocation factors of root-stem, stem-leaf and leaf-husk decreased significantly (P < 0.05) by 25.7%, 39.5% and 58.4%, respectively. Therefore, the technical measures of flooding irrigation combined with foliar inhibitors can effectively reduce the absorption and translocation of Cd by rice without affecting rice yield, and significantly reduce the absorption of Cd by brown rice.

1. 引言

Cd作为我国农田土壤中主要的重金属污染物之一[1]，具有高水溶性、可移动性、生物富集性和不可降解性等特点[2]。Cd在土壤环境中的累积不仅会破坏土壤生态功能，还会影响作物的生长发育[3]。水稻作为我国居民的第一主粮，相比其他作物更容易吸收和积累土壤中的Cd，并能通过膳食摄入途径在人体蓄积，对肾脏、骨骼和心脑血管等造成伤害[4]。基于我国的国情，不允许大部分Cd污染农田用于长时间修复而不进行任何农业生产，因此修复Cd污染土壤、开发Cd污染农田安全利用的方法至关重要。

土壤钝化措施是轻中度Cd污染农田安全利用的重要措施。常用的钝化材料如石灰[5]、钙镁磷肥[6]、海泡石[7]和生物炭[8]等主要是通过调节土壤pH以及与Cd发生拮抗、吸附、络合、共沉淀等作用降低重金属Cd的生物活性，从而减少水稻对Cd的吸收。但在实践中发现，钝化材料长期使用效果不稳定，还会破坏土壤结构，实际使用成本偏高，甚至还会造成二次污染[9]。水分管理作为农业生产中的重要管理措施，能够影响土壤中Cd的生物有效性[10]。研究表明，相比其他水分管理模式，淹水灌溉处理对降低稻米中Cd含量有着更显著的效果[11]。水分管理操作方便、经济高效、无二次污染，但是也有研究表明长期持续淹水会导致水稻产量降低[12]。

叶面阻控技术因具有易操作、成本低、不会对土壤产生二次污染等特点，广泛应用于Cd污染稻田的安全利用。目前，我国常见且广泛应用的叶面阻控剂为含硅(Si)叶面阻控剂。硅是水稻生长的必需元素，喷施含硅叶面阻控剂不仅可以促进水稻光合作用[13]，提高水稻产量和品质，还能调控相关离子的吸收和转运基因，控制Cd在水稻体内的迁移，使Cd滞留在水稻的根、茎[14] [15]，阻止其向稻米转运。魏宾纭等[16]通过大田试验发现，叶面喷硅对水稻有增产效果，但其对糙米Cd含量的降低率仅有19%，明显低于水分管理及其组合技术措施。因此，含硅叶面阻控剂虽能在不影响水稻产量的情况下降低糙米中Cd含量，但其对Cd的阻控效果不稳定，受叶面阻控剂施用时期和土壤污染程度影响大[17]，并且降Cd效果不如淹水处理显著。

基于上述分析，水分管理和叶面阻控剂技术措施均能在一定程度上降低稻米中的Cd含量，减少水稻Cd超标风险，但单一的农艺措施无法同时兼顾降Cd和水稻产量的影响，因此有必要研究水分管理和叶面阻控剂的组合技术措施对大田种植水稻Cd吸收与转运的影响。本试验通过在轻中度Cd污染农田耕作区域采用淹水灌溉与喷施市售含硅叶面阻控剂的组合技术措施，分析其对土壤Cd生物有效性、水稻产量和水稻植株各器官(根、茎、叶、谷壳和糙米) Cd吸收及转运的影响，以期为轻中度Cd污染稻田的安全生产提供科学依据与技术支持。

2. 材料与方法

2.1. 试验地点和材料

大田试验地点位于湖南省益阳市赫山区笔架山乡(N28.557618, E112.513135)的某Cd污染稻田，供试稻田土壤pH值为5.47，有机质含量为31.2 g·kg⁻¹，碱解氮含量为239 mg·kg⁻¹，有效磷含量为15.5 mg·kg⁻¹，速效钾含量为152 mg·kg⁻¹，土壤总Cd含量为0.66 mg·kg⁻¹。试验地区2024年日平均气温16.9℃，年降水量1432.8 mm。水稻品种为湘早籼45号，为当地农户自留种，也是益阳市赫山地区常见的双季稻品种。

叶面阻控剂由贝尔壳生物工程(湖北)有限公司提供，已获得农业农村部肥料登记证，登记证号为农肥(2018)准字10584号；产品通用名称：含硅水溶肥料；产品形态：水剂；登记技术指标：Si ≥ 150 g·L⁻¹、K₂O ≥ 200 g·L⁻¹、Na ≤ 10 g·L⁻¹；适宜范围：水稻。叶面阻控剂中Cd含量低于0.1 mg·kg⁻¹。

2.2. 试验设计

试验共设置4个处理组，即T1、T2、T3和对照组CK，其中T1的技术措施为喷施叶面阻控剂，T2的技术措施为淹水灌溉，T3的技术措施为淹水灌溉与喷施叶面阻控剂的组合技术措施，CK为对照组即不采用任何技术措施。T1和T3处理中叶面阻控剂的喷施量依照前期试验结果设置，喷施量为6 L·hm⁻²，分别在水稻的分蘖盛期后段和灌浆期前段各喷施一次，每次喷施量为3 L·hm⁻²，喷施方法为叶面阻控剂原液经清水稀释500倍后采用植保无人机雾化喷施；T2和T3处理中的淹水灌溉方式及操作按照湖南省农业农村厅发布的《镉污染稻田安全利用田间水分管理技术规程》执行；T1和CK的田间水分管理方式与当地农户常规田间管理一致。试验区每个处理田块面积为300 m²，每个处理设置3个平行，各处理除上述技术措施不同外，其他田间管理方式如追肥、除草、除虫等均相同。水稻于2024年6月中下旬进行插秧，各试验小区中间以田埂间隔，并在试验区四侧均设置3行水稻作为保护行；2024年10月水稻成熟，进行样品采集与收获。

2.3. 样品采集和分析

在水稻成熟时，同时采集水稻样品和土壤样品。在每个水稻试验区中，按照棋盘式布点法采集9株水稻植株，同时采集相应的水稻根系土壤。水稻产量的测定方法为采集1个平方米面积的成熟期水稻，进行脱粒，晒干称重，然后计算产量。水稻植株采集带回后，首先用超纯水洗净、晾干，再放在烘箱里进行杀青，杀青温度为105℃，杀青后将温度调至70℃，继续烘干至恒重。水稻植株烘干后，将样品分为根、茎、叶、谷壳和糙米5个部位，分别进行粉碎，粉碎后的样品用塑封袋保存备用。经风干后的土壤，剔除里面的碎石、植物根系等杂质后进行研磨，分别过10目和100目尼龙筛，过筛后的样品用塑封袋保存备用。

土壤pH的测定采用酸度计(PHS-3C，雷磁)，土水比例为1:2.5；土壤总Cd含量采用HCl-HNO₃-HF-HClO₄消解(GB/T 17141-1997)，消解液中的Cd含量采用石墨炉原子吸收分光光度法(原子吸收分光光度计PE900T)测定；土壤Cd的生物有效态含量采用0.01 mol·L⁻¹的DTPA溶液(GB/T 23739-2009)提取，浸提液中的Cd含量采用ICP(PE Optima8300)测定；水稻植株中Cd含量测定采用微波消解法消解(GB 5009.268-2016)，消解液中的Cd含量采用电感耦合离子体质谱法(ICP-MS)测定。所有处理和分析测定过程均用国家标准物质(土壤[GBW07979(GSS-37)]和大米粉无机成分标准物质[GBW(E) 100915])全程进行质量控制，同时全程做空白试验，Cd的回收率分别为94%~109%和85%~97%。

2.4. 数据分析

采用转运系数(Translocation Factor, TF)来研究Cd在水稻各部位中的转运能力[18]，计算公式如下：

$\text{TF}=\frac{C_{\text{latter}}}{C_{\text{former}}}$

式中，C_latter为水稻植株后一部位中的Cd含量(mg·kg⁻¹)，C_former为水稻植株前一部位中的Cd含量(mg·kg⁻¹)。

采用Microsoft Office 2016、IBM SPSS Statistics 22.0进行数据分析和统计，采用Origin 2021 Pro软件进行绘图，文中结果均为3个重复样本的平均值 ± 标准偏差(n = 3)。采用单因素方差分析(One-way ANOVA)和Duncan多重比较进行处理间的差异分析，P < 0.05表示不同处理之间存在显著差异。

3. 结果与分析

3.1. 不同处理对土壤pH、有机质的影响

不同小写字母表示不同处理间具有显著差异，P < 0.05。下同。

Figure 1. Effects of different treatments on the pH and contents in soil

图1. 不同处理对水稻根际土壤pH值和有机质含量的影响

不同处理对水稻根际土壤pH值和有机质含量的影响见图1。由图1(a)可知，与CK处理相比，T2和T3处理下土壤pH值呈显著提升(P < 0.05)，分别提升了0.38和0.50个单位，而T1处理下土壤的pH值没有明显变化。由图1(b)可看出，与CK处理相比，T1~T3处理下土壤有机质均有不同程度的提升，其中T2处理使有机质显著(P < 0.05)提高了19.0%，T3处理使土壤有机质显著(P < 0.05)提高了13.8%，但T1处理下有机质的有机质含量与对照相比无显著增加。

3.2. 不同处理对土壤Cd生物有效性的影响

不同处理对土壤有效态Cd含量的影响见图2。由图可知，T2、T3处理与对照处理CK相比，土壤中Cd的生物有效态含量显著(P < 0.05)降低，降幅分别为16.7%、26.2%，而T1处理水稻根际土壤Cd的生物有效态含量没有明显变化，这说明淹水灌溉技术措施可以降低土壤中Cd的生物有效性。

Figure 2. Effects of different treatments on the exchangeable Cd contents in soil

图2. 不同处理对土壤DTPA-Cd含量的影响

3.3. 不同处理对水稻各部位Cd含量的影响

不同处理对水稻各部位Cd含量的影响见图3。和对照处理CK相比，T1处理下只有水稻谷壳中Cd含量显著(P < 0.05)降低，降幅为20.5%；水稻叶部和糙米中Cd含量有一定程度降低，但没有达到显著水平；而根部和茎部Cd含量则无明显变化。在T2处理下，除水稻茎部中Cd含量无显著降低外，根部、叶、谷壳和糙米中的Cd含量均显著(P < 0.05)下降，降幅分别为16.1%、38.9%、31.8%和28.3%。T3处理下，水稻各部位Cd含量均显著(P < 0.05)下降，水稻的根部、茎部、叶、谷壳和糙米中的Cd含量下降幅度分别为14.7%、37.0%、45.4%、54.5%和47.8%。

3.4. 不同处理对水稻Cd转运系数的影响

水稻根、茎、叶、谷壳和糙米对Cd的转运能力可以用转运系数表示，不同处理对水稻各部位Cd转运系数的影响见图4。与CK相比，T1处理下，TF_茎–叶和TF_叶–谷壳分别显著(P < 0.05)降低了36.8%和38.9%；T2处理的TF_茎–叶和TF_叶–谷壳有一定程度降低，但降低效果没有显著；T3处理的TF_根–茎、TF_茎–叶和TF_叶–谷壳均显著下降(P < 0.05)，降幅分别为25.7%、39.5%和58.4%；各处理的TF_{谷壳–糙米}则均无明显变化。

Figure 3. Effects of different treatments on the Cd content in different rice tissues

图3. 不同处理对水稻各部位Cd含量的影响

Figure 4. Effects of different treatments on the translocation factor of Cd in different rice tissues

图4. 不同处理对水稻各部位Cd转运系数的影响

3.5. 不同处理对水稻产量的影响

不同处理对水稻产量的影响见图5。与CK处理相比，T1和T3处理下水稻产量显著增加了5.9%和2.7%，这说明叶面喷施硅对水稻有一定的增产效果；T2处理下水稻产量显著降低了2.7%，说明单一的淹水灌溉措施会使得水稻有一定程度的减产。

Figure 5. Effects of different treatments on the rice yields

图5. 不同处理对水稻产量的影响

4. 讨论

有研究表明，淹水灌溉主要通过影响土壤中Cd的生物利用度、pH值和氧化还原电位(Eh)来调节水稻中的Cd积累[19]。本试验发现，T2和T3处理下水稻根际土壤pH值和有机质含量高于CK处理(图1)，DTPA提取态Cd含量低于CK处理(图2)；而T1处理下土壤pH、有机质和DTPA提取态Cd含量无明显变化。这说明淹水灌溉能够影响土壤中pH、有机质和有效态Cd含量。淹水土壤氧化还原状态的改变会引起土壤pH的变化，会使微酸性土壤pH提升至中性，而pH值与土壤Cd的有效性呈负相关关系[20] [21]。本试验中，T2和T3处理下土壤中有效态Cd含量与CK相比显著降低(图1)。这是因为土壤pH值的增大促进了土壤胶体对Cd²⁺的吸附作用，增强土壤中OH-、${\text{PO}}_3^{2-}$ 、${\text{CO}}_3^{2-}$ 等对Cd²⁺的沉淀作用，从而降低Cd的有效性[22]。同时，淹水条件下土壤有机质也有一定的增加，主要是淹水后土壤中的O²⁻减少，降低了有机质的分解速率，从而致使有机质累积[23]。所以，T2和T3处理下土壤有机质含量显著高于对照CK处理和单施叶面阻控剂处理。土壤有机质的提升也在一定程度上降低了土壤Cd的生物有效性。有机质富含各类含氧官能团，能为土壤中Cd²⁺提供吸附位点并与之发生物理化学作用，通过螯合、络合等反应促使土壤中活性态Cd向有机结合态转化[24]，进而使土壤中Cd的有效性降低。因此，在淹水灌溉联合叶面阻控剂的共同应用中，淹水灌溉在降低土壤中Cd的有效性方面发挥了关键作用。

淹水灌溉联合叶面阻控剂技术措施下，水稻体内的Cd含量、各部位的Cd转运能力(除谷壳外)均显著降低(图3和图4)。相比其他处理，淹水处理显著降低了水稻根部的Cd含量，主要是因为在淹水处理下土壤pH和有机质的提升，使Cd的生物有效性显著降低，进而减少了水稻根部对Cd的吸收，这与吴家梅[25]、Wan [26]等的研究结果一致。单施叶面阻控剂和淹水灌溉联合叶面阻控剂处理下，水稻的TF_茎–叶和TF_叶–谷壳显著降低，说明叶面阻控剂主要通过阻控Cd从水稻茎部向叶部、叶部向谷壳的转运来降低水稻体内的Cd含量。而淹水灌溉处理下，水稻各部位的转运系数无明显变化。本试验中使用的叶面阻控剂富含硅元素(Si ≥ 150 g/L)，叶面喷施含硅叶面阻控剂可将茎部、叶片细胞壁及液泡中的Cd²⁺络合形成沉淀，从而减轻了Cd的向上转运[27] [28]。唐乐斌[29]等研究也发现，在水稻叶面喷施流体硅后增强了Cd在茎部的固定和滞留，抑制其向上迁移，减少Cd从水稻茎部向叶片中的运输和分配。因此，在淹水灌溉联合叶面阻控剂对水稻中Cd的阻控作用中，淹水灌溉在降低土壤Cd生物有效性以及减少水稻根部对Cd的吸收上发挥关键作用，而叶面阻控剂则有效阻控了Cd从水稻茎部向叶部、叶部向谷壳的转运。

综上分析，单独喷施叶面阻控剂或进行淹水灌溉均能在一定范围内降低水稻体内的Cd含量，单施叶面阻控剂措施虽不会影响水稻的产量，但未能让糙米中的Cd含量达到显著降低效果；单独进行淹水灌溉时，水稻根部、叶、谷壳和糙米中Cd含量均显著降低，但会导致水稻有一定程度的减产(图5)；而淹水灌溉联合叶面阻控剂的组合措施显著降低了土壤中Cd的生物有效性和水稻Cd吸收，且不会影响水稻的产量。本研究各处理(T1、T2和T3)均没有使糙米中的Cd含量下降到食品安全标准规定的限制内(≤0.2 mg·kg⁻¹)，但淹水灌溉联合叶面阻控剂的组合措施使糙米中Cd含量从0.46 mg·kg⁻¹降低至0.24 mg·kg⁻¹，降幅达到47.8%，降低糙米Cd含量效果达到极显著水平(P < 0.01) (图3)。本试验中使用的叶面阻控剂成本较低，随着植保无人机的广泛应用，其操作也更为便利，淹水灌溉措施经济环保，农户接受程度高。因此，在轻中度Cd污染稻田中可以尝试采用淹水灌溉联合叶面阻控剂的技术措施进行管理，有望实现污染稻田安全利用。在后续研究应用中，一方面可以加大叶面阻控剂的喷施量或喷施次数，另一方面对于水资源较紧张的地区也可考虑在齐穗至灌浆中期采取间歇灌溉方式。

5. 结论

(1) 淹水灌溉联合叶面阻控措施可降低土壤中Cd的生物有效性。在淹水灌溉联合叶面阻控剂处理下，土壤pH提升了0.5个单位，有机质提高了13.8%，有效态Cd含量降低了26.2%。

(2) 淹水灌溉联合叶面阻控剂技术措施可降低水稻对Cd的吸收与转运。在淹水灌溉联合叶面阻控剂处理下，水稻各部位Cd含量均显著(P < 0.05)下降，糙米中的Cd含量较对照降低了47.8%；根–茎、茎–叶和叶–谷壳的转运系数均显著下降了25.7%、39.5%和58.4%。

(3) 淹水灌溉联合叶面阻控剂技术措施可在不影响水稻产量的情况下，有效阻控Cd在水稻体内的迁移转运，显著降低水稻糙米对Cd的吸收。