張玉盛,肖 歡,吳勇俊,楊小粉, 汪澤錢,伍 湘,向焱赟,張小毅, 敖和軍

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410128；2.南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心,湖南 長(zhǎng)沙 410128)

鎘(Cd)是一種毒性極強(qiáng)的重金屬,植物非必需元素。近年來(lái),工業(yè)生產(chǎn)、汽車尾氣、污染灌溉、過(guò)度施肥等人類活動(dòng)導(dǎo)致農(nóng)田Cd污染日益嚴(yán)重[1]。 水稻是我國(guó)重要的糧食作物[2],而水稻具有富集Cd的習(xí)性,土壤中的Cd易被水稻根系吸收,并向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)后累積在籽粒中,通過(guò)食物鏈途徑進(jìn)入人體,危害人體健康[3]。因此,降低稻米Cd污染實(shí)現(xiàn)稻米安全生產(chǎn)意義重大且亟待解決。

近年來(lái),有關(guān)水稻鎘污染防控的研究很多,其中,通過(guò)合理施肥降低土壤鎘有效性與鎘吸收方面也有了一些研究。研究發(fā)現(xiàn),施用鉀硅肥、硅肥、鐵肥可降低土壤Cd的生物有效性,降低糙米Cd含量[4-9]；土壤高Cd污染條件下,在水稻始穗期-灌漿期葉片噴施鋅肥,鋅鎘交互作用表現(xiàn)為互相抑制,可降低籽粒Cd含量[10]。氮素是作物吸收利用的最主要肥料,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有著舉足輕重的作用。不同氮肥種類和用量對(duì)土壤Cd的活性和水稻吸收Cd有不同的影響,其中尿素顯著降低了土壤有效態(tài)鎘的含量,銨態(tài)氮?jiǎng)t顯著提高土壤有效鎘的含量,且氯化銨的作用大于硝酸鈣和硫酸銨[11]；氯化銨較硫酸銨、硝酸銨可顯著增加水稻對(duì)Cd的吸收,而適量尿素可以降低水稻對(duì)Cd的吸收,施高量尿素或不施尿素處理促進(jìn)水稻對(duì)Cd的吸收[12]。另有研究表明,水稻不同生育期施氮肥對(duì)糙米Cd含量也有顯著影響,分蘗期[13]和齊穗期[14]施氮肥可顯著降低糙米Cd含量。

研究發(fā)現(xiàn),水稻花后的物質(zhì)積累、轉(zhuǎn)運(yùn)、分配是籽粒灌漿的主要來(lái)源[15],保持生育后期一定氮素水平可延緩葉片衰老,延長(zhǎng)灌漿時(shí)間,使籽粒灌漿充分[16-17],延緩葉片衰老還可以抑制生育前期積累貯存在營(yíng)養(yǎng)組織中的Cd向籽粒轉(zhuǎn)移[18-20]?？梢?jiàn),水稻生育后期合理的氮肥施用會(huì)影響其稻米鎘含量。目前,關(guān)于氮肥影響水稻Cd吸收積累的研究多集中在氮肥種類和氮肥施用量對(duì)其Cd積累的影響,有關(guān)生育后期施用氮肥對(duì)水稻Cd吸收積累影響的研究鮮有報(bào)道。本研究通過(guò)大田試驗(yàn),分析水稻不同時(shí)期施用粒肥對(duì)籽粒Cd含量和積累量的影響,考察Cd由根系和莖葉向籽粒的轉(zhuǎn)移系數(shù),明確水稻粒肥施用時(shí)期對(duì)Cd吸收積累的影響,以期為稻米安全生產(chǎn)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)于2018年在湖南省長(zhǎng)沙市福臨鎮(zhèn)同心村進(jìn)行,供試土壤質(zhì)地類型為砂壤土,其基本理化性質(zhì):pH值5.61,全氮3.55 g/kg,全磷0.75 g/kg,全鉀28.67 g/kg,水解氮306.67 mg/kg,有效磷14.40 mg/kg,速效鉀201 mg/kg,有機(jī)質(zhì)55.27 g/kg,陽(yáng)離子交換量12.17 cmol/kg,全鎘0.24 mg/kg,有效鎘0.14 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)材料

早稻選用雜交稻株兩優(yōu)819,晚稻選用常規(guī)稻湘晚秈12號(hào)為供試材料。

1.3 試驗(yàn)方法

根據(jù)前期大田試驗(yàn)結(jié)果[14],水稻全生育期施氮量180 kg/hm2,設(shè)粒肥施用量為總氮量20%的3個(gè)粒肥施用時(shí)期處理和對(duì)照不施粒肥處理。處理1、處理2和處理3(用F1、F2、 F3代替)的基肥∶穗肥∶粒肥均為6∶2∶2,分別在始穗期、齊穗期(始穗后9 d)和灌漿期撒施粒肥；對(duì)照(CK),不施粒肥處理,將粒肥用量前移至基肥保證總氮量一致,基肥∶穗肥∶粒肥為8∶2∶0。每個(gè)處理3次重復(fù),小區(qū)隨機(jī)排列,面積為8 m×8 m=64 m2,小區(qū)間留排水溝,覆蓋黑色地膜。

1.4 水肥管理措施

常規(guī)水肥管理,水稻全生育期施氮肥(純N)180 kg/hm2、磷肥(P2O5)90 kg/hm2、鉀肥(K2O)144 kg/hm2；其中氮肥為尿素(含N 46.4%)、磷肥為過(guò)磷酸鈣(含P2O512%)、鉀肥為氯化鉀(含K2O 60%)。氮肥按試驗(yàn)基追肥比例在不同時(shí)期施用,磷肥一次性基施,鉀肥于移栽前1～2 d和幼穗分化始期各施50%。全生育期保持淺水層淹水灌溉(2～3 cm水層),收獲前15 d左右自然落干。其他栽培管理措施與當(dāng)?shù)亓?xí)慣保持一致。

1.5 樣品采集與測(cè)定

水稻成熟后,避開(kāi)邊3行采集5穴生長(zhǎng)勢(shì)一致的植株,用自來(lái)水洗凈根系泥土,自然晾干后,裝入信封中,放入烘箱中用110 ℃殺青30 min,80 ℃烘干至恒質(zhì)量,稱干質(zhì)量。所有樣品粉碎后過(guò)篩密封保存。

土壤理化性質(zhì)采用常規(guī)方法測(cè)定；植株Cd含量采用HNO3-HClO4(V/V,4∶1)濕法消解,采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)測(cè)定。試驗(yàn)所用試劑均為優(yōu)級(jí)純。

1.6 數(shù)據(jù)處理

生物富集系數(shù)(BCF)=水稻某部分鎘的含量/土壤鎘的全量,水稻鎘的富集系數(shù)劃分為 BCF根系、BCF莖葉、BCF籽粒。

Cd從根系向莖葉的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(TF莖葉/根)=水稻莖葉鎘含量/水稻根系鎘含量×100%,Cd從根系向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(TF籽粒/根)=水稻籽粒鎘含量/水稻根系鎘含量×100%,Cd從莖葉向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(TF籽粒/莖葉)=水稻籽粒鎘含量/水稻莖葉鎘含量×100%[21]。

試驗(yàn)結(jié)果用Microsoft Excel 2016和SAS 9.4進(jìn)行數(shù)據(jù)整理統(tǒng)計(jì)分析(LSD多重比較法,α<0.05)和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)水稻成熟期生物量的影響

表1表明,粒肥處理(F1、F2、F3)早晚稻的根系、莖葉和籽粒生物量較不施粒肥處理(CK)均有所提高,早稻根系、莖葉生物量分別在F1和F3處理下最高,而早稻籽粒和晚稻各部位生物量均隨著粒肥施用時(shí)間推遲呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì),在處理F2達(dá)到最大值。其中,早稻根系生物量在處理F1和F2下顯著高于F3和CK(P<0.05),F1和F3處理下的莖葉生物量均顯著高于CK(P<0.05)；籽粒生物量以處理F2最高,顯著高于CK和F1(P<0.05)。不同處理對(duì)晚稻根系、莖葉和籽粒生物量均以處理F2最高,與CK差異達(dá)到顯著水平(P<0.05),且較處理F1和F3有所提高,說(shuō)明施用粒肥對(duì)水稻物質(zhì)積累促進(jìn)效應(yīng)和增產(chǎn)效應(yīng)與粒肥施用時(shí)期有關(guān)。

注:不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。表2-5同。

Note: Different lowercase letters indicate significant difference between the different tested varieties (P<0.05).The same as Tab.2-5.

2.2 不同處理對(duì)水稻成熟期各部位鎘含量的影響

由表2可知,施用粒肥提高早稻的根系Cd含量,處理F1、F2、F3之間沒(méi)有顯著差異,但處理F3的根系Cd最低；而處理F1、F2和F3莖葉Cd含量均顯著升高(P<0.05),處理F2的莖葉Cd含量最低；與對(duì)照相比,籽粒Cd含量均顯著降低(P<0.05),3個(gè)處理分別降低了40.71%,44.87%,44.23%。3個(gè)處理對(duì)晚稻根系Cd含量的影響不同,其中處理F1的根系Cd含量最高,顯著高于CK和處理F2及F3(P<0.05),而處理F2和F3的根系Cd含量較CK有所下降,但差異不顯著；3個(gè)處理均顯著提高了莖葉Cd含量(P<0.05),以F2處理的莖葉Cd含量最低；晚稻籽粒在處理F1、F2下較CK有所提高,其中處理F1的Cd含量與CK差異顯著(P<0.05),而處理F3的Cd含量較CK降低22.31%,但與CK差異不顯著。

表2 成熟期水稻不同部位的Cd含量Tab.2 Effect of different treatments on Cd content in various parts of rice during maturity mg/kg

2.3 不同處理對(duì)水稻成熟期各部位鎘轉(zhuǎn)移系數(shù)的影響

轉(zhuǎn)移系數(shù)是指重金屬在植株體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn),其值越高說(shuō)明重金屬在體內(nèi)的遷移能力越強(qiáng)。由表3可知,施用粒肥處理后,早稻植株TF莖葉/根較CK顯著提高(P<0.05),其中處理F3的增幅最大,為對(duì)照的2.18倍,且其值顯著高于處理F2；而TF籽粒/根和TF籽粒/莖葉較CK顯著下降,但粒肥處理間差異不顯著(P<0.05),其中TF籽粒/根在處理F2最低,較CK下降了54.87%；TF籽粒/莖葉以處理F3最低,較CK下降了 74.34%。對(duì)晚稻而言,施用粒肥顯著提高了TF莖葉/根(P<0.05),以處理F3增幅最大,是CK的1.62倍。與早稻有所不同的是,TF籽粒/根在處理F1和F2反而升高,且顯著高于F3處理(P<0.05)。晚稻TF籽粒/莖葉和TF莖葉/根呈相反的趨勢(shì),TF籽粒/莖葉在處理F3顯著降低(P<0.05)。這表明合理施用粒肥,不僅可以降低水稻體內(nèi)的Cd由根系向籽粒轉(zhuǎn)移,還可以降低Cd由莖葉向籽粒轉(zhuǎn)移。

表3 成熟期水稻不同部位鎘的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)Tab.3 Cadmium transport coefficient in different parts of rice at maturity

2.4 不同處理對(duì)水稻成熟期各部位鎘生物富集系數(shù)的影響

生物富集系數(shù)代表植株對(duì)土壤鎘的吸收富集能力,富集系數(shù)越大其吸收富集能力越強(qiáng)。由表4可知,不同時(shí)期粒肥處理提高了早稻植株根系和莖葉對(duì)土壤鎘的富集系數(shù),降低了籽粒對(duì)土壤鎘的富集系數(shù)；其中，早稻BCF莖葉大小順序?yàn)镕1>F2>CK,F3介于F1和F2之間，但與二者差異均不顯著,BCF根大小順序?yàn)镕2、F1、F3、CK,BCF籽粒大小順序?yàn)镃K>F1、F2=F3(“、”表示差異不顯著,“>”表示差異顯著,下同)。晚稻BCF根系大小順序?yàn)镕1>CK>F2、F3；BCF莖葉大小順序?yàn)镕1、F2、F3>CK；BCF籽粒大小順序?yàn)镕1>F2、CK、F3。與對(duì)照相比,早晚稻的籽粒富集系數(shù)最大降幅分別為44.62%,22.22%。

表4 成熟期水稻不同部位鎘的生物富集系數(shù)Tab.4 Bio-concentration factors of Cd in different rice parts at mature period

2.5 不同處理對(duì)水稻鎘積累量的影響

由表5可知,晚稻各部位的Cd積累量大于早稻。其中早晚稻根系Cd積累量均在處理F1最高,其次是處理F2,處理F3最低,但處理F3與CK差異未達(dá)到顯著水平,處理F1和F2的根系積累量顯著高于處理F3和CK(P<0.05)。施用粒肥,早稻和晚稻的莖葉Cd積累量均顯著提高,分別是CK的2.76,2.14,2.76倍和1.85,1.84,1.83倍； 其中早稻處理F1和F3較處理F2差異顯著(P<0.05)；晚稻的莖葉Cd積累量以處理CK最低,但其余處理間差異不顯著。早晚稻的籽粒Cd積累量在不同生育期粒肥處理表現(xiàn)不同,其中早稻的籽粒Cd積累量均顯著降低(P<0.05),以處理F3最低,較CK降低32.77%,但F1、F2、F3處理間差異不顯著；而晚稻的籽粒Cd積累量?jī)H在處理F3較CK有所降低,但差異不顯著,處理F1和F2的籽粒Cd積累量提高,與處理F3和CK差異顯著(P<0.05)。籽粒中Cd的積累量與籽粒Cd含量的變化趨勢(shì)一致,粒肥處理下的籽粒生物量均高于對(duì)照,而籽粒Cd積累量并沒(méi)有相應(yīng)提高,說(shuō)明水稻籽粒生物量并非籽粒Cd積累量的決定因素。

2.6 籽粒鎘含量與其他變量的關(guān)系

由表6可知,早稻的籽粒Cd含量與莖葉Cd含量、TF籽粒/根、TF籽粒/莖葉、籽粒Cd積累量呈顯著或極顯著正相關(guān)性,其相關(guān)系數(shù)分別為0.895,0.960,0.977,0.899；與根系Cd含量、TF莖葉/根、根系Cd積累量、莖葉Cd積累量也呈正相關(guān)性,但不顯著。推測(cè),上述變量中前四者是控制早稻籽粒中Cd含量的關(guān)鍵因素,而后四者對(duì)早稻籽粒Cd含量的影響可能較小。對(duì)晚稻而言,籽粒的Cd含量與根系Cd積累量和籽粒Cd積累量呈顯著正相關(guān)性,其他因素僅有根系Cd含量的相關(guān)系數(shù)較高,為0.808,剩余因素的相關(guān)系數(shù)在0.049～0.465,均未達(dá)顯著水平。

表5 成熟期水稻不同的部位鎘積累量Tab.5 Cadmium accumulation in different parts of rice during maturity μg/m2

表6 籽粒Cd含量與其他變量之間的相關(guān)性Tab.6 The correlation between Cd contents in grain rice

注:*.0.05水平上顯著相關(guān)；**. 0.01 水平上極顯著相關(guān)。

Note:*. Significant correlation at the 0.05 level；**. Extremely significant correlation at the 0.01 level.

3 討論與結(jié)論

水稻生育后期施入氮素可以延緩葉片衰老,提高葉片有效光合面積和光合速率,促進(jìn)物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)和積累,延長(zhǎng)灌漿時(shí)間,使籽粒灌漿充分,提高水稻產(chǎn)量[16-17,22]。本研究結(jié)果表明,不同時(shí)期粒肥處理的水稻各部位生物量均有所提高,可知,施用粒肥可以增加水稻產(chǎn)量,這與楊安中等[17]研究結(jié)果一致；齊穗期施用粒肥的水稻各部位生物量高于其他2個(gè)時(shí)期施粒肥,且顯著高于不施粒肥處理,說(shuō)明齊穗期施用粒肥更有利于促進(jìn)水稻物質(zhì)積累,提高產(chǎn)量。

氮不僅可以促進(jìn)水稻的生長(zhǎng)、提高產(chǎn)量,而且能降低水稻糙米Cd含量[13-14,23]。本研究結(jié)果表明,施粒肥顯著降低早稻籽粒Cd含量,而晚稻籽粒Cd含量?jī)H在灌漿期施粒肥處理有小幅度降低,這與土壤有效Cd含量有一定關(guān)系,也與水稻不同生育期對(duì)Cd的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)能力有關(guān)。范中亮等[24]認(rèn)為稻米Cd含量與土壤Cd含量呈顯著正相關(guān),楊錨等[11]認(rèn)為尿素可以提高土壤pH值、降低土壤中水溶態(tài)Cd和有效態(tài)Cd含量,低量尿素水平能顯著降低籽粒中的Cd含量[25]。水稻籽粒中Cd的積累主要受根系向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)、莖葉再分配的影響[18,20],彭鷗等[26]認(rèn)為施硅肥能降低Cd從莖鞘進(jìn)入籽粒中,王怡璇等[27]、吳勇俊等[13]認(rèn)為硅肥和氮肥的施用可促進(jìn)根表鐵膜的形成,加強(qiáng)鐵膜對(duì)Cd的吸附作用,并有效抑制Cd從根部向地上部轉(zhuǎn)運(yùn),從而降低水稻糙米Cd含量；張振興等[28]認(rèn)為糙米Cd含量與Cd在植株內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系,水稻灌漿期施用生石灰能顯著提高土壤pH值,降低土壤有效態(tài)鎘含量,降低Cd向籽粒中遷移。本試驗(yàn)結(jié)果表明,不同生育期施用粒肥對(duì)水稻籽粒的Cd含量影響不同,早稻籽粒的Cd含量大小順序?yàn)?始穗期施粒肥>灌漿期施粒肥>齊穗期施粒肥,晚稻的Cd含量大小順序?yàn)?始穗期施粒肥>齊穗期施粒肥>灌漿期施粒肥,可以看出,齊穗期或者灌漿期施粒肥處理對(duì)降低水稻籽粒Cd含量的效果要大于始穗期施粒肥。

水稻不同生育期對(duì)Cd的吸收、積累、再分配特性不同,致使不同生育期Cd積累量與其對(duì)籽粒Cd積累的貢獻(xiàn)率存在差異[19,29]。報(bào)道指出,水稻孕穗-灌漿階段以及水稻在成熟吸收積累的Cd是籽粒中Cd的主要來(lái)源[19,30-31],灌漿期根系吸收的Cd可被快速的運(yùn)輸至籽粒中[32]。本試驗(yàn)中,不同處理的籽粒Cd含量存在差異的原因可能為:氮素施入后,隨處理時(shí)間的延長(zhǎng)對(duì)土壤pH值的提升作用減弱,土壤有效鎘的含量短期內(nèi)下降幅度較大,而后回升并與施氮后根系分泌有機(jī)酸對(duì)土壤Cd的氧化還原交叉影響[11,33-34],致使水稻灌漿-成熟階段土壤有效鎘含量存在差異。另有研究發(fā)現(xiàn),水稻抽穗后,生育前期積累貯存在莖葉中的Cd伴隨光合產(chǎn)物和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)傳輸進(jìn)入到籽粒當(dāng)中[18],葉片的衰老會(huì)加速營(yíng)養(yǎng)元素的再分配,顯著提高了葉片中如氮、Fe2+、Cu2+等從營(yíng)養(yǎng)組織向籽粒中轉(zhuǎn)移[35-37]。本研究發(fā)現(xiàn),始穗期、齊穗期、灌漿期施粒肥顯著降低了早稻Cd從莖葉向籽粒中轉(zhuǎn)移及籽粒對(duì)Cd的富集,這與張振興等[28]的研究結(jié)果較吻合。

植物修復(fù)技術(shù)是清除土壤鎘污染的有效途徑[38]。本研究發(fā)現(xiàn),不同生育期施用粒肥處理的莖葉Cd積累量較對(duì)照均顯著提高,為對(duì)照莖葉Cd積累量的1.83～2.76倍,從施用粒肥對(duì)水稻籽粒的生物量、Cd含量和莖葉的Cd積累量的影響三方面綜合來(lái)看,在早稻齊穗期、晚稻灌漿期施用粒肥施不僅可以提高水稻生物量、降低籽粒Cd含量還能通過(guò)秸稈移除帶走較高量的Cd以達(dá)到一定的修復(fù)效果。

施粒肥能顯著提高水稻各部位生物量,齊穗期施粒肥對(duì)水稻增產(chǎn)效果最明顯。施粒肥雖提高了根系對(duì)鎘的吸收、根系中的Cd向莖葉轉(zhuǎn)運(yùn),但能顯著降低莖葉向籽粒轉(zhuǎn)移；齊穗期施粒肥顯著降低鎘從根系和莖葉中向籽粒中轉(zhuǎn)移,顯著降低早稻籽粒的鎘含量,灌漿期施粒肥顯著降低了莖葉向籽粒的轉(zhuǎn)移,降低晚稻籽粒鎘含量；早稻籽粒鎘含量與Cd從根系和莖葉向籽粒的轉(zhuǎn)移系數(shù)呈極顯著正相關(guān)。