納米硒和亞硒酸鹽對鎘污染土壤中水稻鎘積累的影響

徐境懋 顧明華 韋燕燕 何冰 王學禮 呂夢婷

摘要：【目的】探究外源納米硒和亞硒酸鈉對鎘污染土壤中水稻的鎘吸收、轉運和積累的影響，為鎘污染農田水稻的安全生產提供參考?！痉椒ā坎捎门柙栽囼?，以不添加外源硒為對照（CK），設4個外源硒處理，分別為每千克土施用納米硒0.5和2.5 mg/kg、亞硒酸鈉（以硒計）0.5和2.5 mg/kg。于水稻灌漿期測定水稻劍葉葉綠素含量，收獲前測定水稻光合指標，收獲后測定水稻生物量、產量及水稻根、莖、葉、糙米中鎘含量和土壤中鎘的形態(tài)，計算鎘在水稻各部位的分配率和水稻體內鎘的遷移率?！窘Y果】與CK相比，納米硒和亞硒酸鈉處理均顯著提高收獲期水稻劍葉的SPAD值和光合速率（P<0.05，下同）;除0.5 mg/kg納米硒處理對水稻產量無顯著性影響外（P>0.05），其余處理的水稻產量均顯著提高。外源納米硒和亞硒酸鈉處理均降低土壤中可溶可交換態(tài)鎘的含量，0.5 mg/kg納米硒處理效果最佳，可溶可交換態(tài)鎘含量降低16.0%。外源納米硒和亞硒酸鈉處理能降低鎘污染土壤中水稻對鎘的吸收、運轉和積累，2.5 mg/kg納米硒處理效果最佳，水稻根鎘含量降低26.8%，水稻糙米鎘含量降低32.7%，鎘從根到莖葉的轉移率降低42.7%，差異均達顯著水平?！窘Y論】在鎘污染土壤中施加適量納米硒和亞硒酸鈉可有效降低土壤中鎘的有效性，減少水稻對鎘的吸收、運轉和積累。每千克土施用納米硒2.5 mg/kg阻控水稻鎘積累的效果較佳，可作為鎘污染區(qū)水稻安全生產的推薦技術。

關鍵詞：水稻;納米硒;鎘含量;鎘形態(tài);轉移率

中圖分類號：S511.31? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼： A 文章編號：2095-1191（2021）10-2727-08

Abstract：【Objective】The effects of exogenous nano-selenium and sodium selenite on cadmium absorption，transport and accumulation in rice in cadmium contaminated soil were studied to provide scientific reference for the regulation of cadmium contaminated farmland and the safe production of rice. 【Method】In this paper，pot experiment was carried out，no exogenous selenium was added as control（CK），and four treatments were set up，0.5 and 2.5 mg/kg of nano-selenium，0.5 and 2.5 mg/kg of sodium selenite （in terms of selenium） were applied per kilogram of soil， respectively. The content of chlorophyll in rice leaves was measured at the grain filling stage，the photosynthetic index of rice was measured before harvest，and the biomass and yield of rice and rice root， stem and leaf were measured after harvest. The content of cadmium in brown rice and the form of cadmium in soil were measured. The distribution rate of cadmium in different parts of rice and the migration rate of cadmium in rice were calculated. 【Result】Compared with CK， nano-selenium and sodium selenite treatments significantly increased SPAD value and photosynthetic rate of rice flag leaves at harvest stage（P<0.05， the same below）; except 0.5 mg/kg nano-selenium treatment had no significant effect on rice yield（P>0.05）， the other treatments significantly promoted the yield of rice. Both exogenous nano-selenium and sodium selenite treatments reduced the content of soluble exchangeable cadmium in soil，and the treatment of applying 0.5 mg/kg Se derived from nano-selenium of soil had the most significant effect，which reduced the content of soluble exchangeable cadmium by 16.0%. The treatments of exogenous nano-selenium and sodium selenite could reduce the absorption，transport and accumulation of cadmium in rice. Cadmium uptake in rice roots，cadmium content in rice grains，and the transfer rate of cadmium from root to stem and leaf treated with applying 2.5 mg/kg selenium derived from nano-selenium of soil decreased significantly by 26.8%，32.7% and 42.7%，respectively. 【Conclusion】The application of nano-selenium and sodium selenite in cadmium contaminated soil can effectively reduce the availability of cadmium in cadmium contaminated soil，and reduce the absorption，transportation and accumulation of cadmium in rice. The application of 2.5 mg/kg of nano-selenium per kilogram of soil has a better effect on preventing the accumulation of cadmium in rice， which can be used as a recommended technique for safe production of rice in cadmium contaminated areas.

Key words：rice;nano-selenium;cadmium content;cadmium speciation;transfer rate

Foundation item：National Natural Science Foundation of China（41967048）;Guangxi Natural Science Foundation（2016GXNSFAA380308）;Guangxi Innovation Driven Project（Guike AA17202038）

0 引言

【研究意義】由于礦產開發(fā)污染物、工業(yè)三廢的排放和肥料的盲目施用，我國農田環(huán)境中的鎘污染不斷加?。惥┒嫉龋?013）。水稻是我國居民的主糧，但水稻易于積累鎘，據報道我國每年生產的鎘超標糧食達146億t（龐敏，2018）。鎘超標稻米的攝入對人類健康造成了重大威脅，控制水稻鎘污染，降低稻米鎘含量已迫在眉睫。硒是人體必需的微量元素之一，且少量硒對植物生長有益，有研究發(fā)現(xiàn)外源無機硒能顯著緩解植物的鎘毒害（張美德，2015;斯鑫鑫等，2021）;此外，納米硒與傳統(tǒng)硒肥相比，生物毒性小，具有納米粒子小尺寸效應、表面效應等優(yōu)勢（Wang et al.，2007;徐佰青等，2020），應用前景受到廣泛關注。因此，研究納米硒對鎘污染土壤水稻鎘積累的影響，對稻米的安全生產和保障居民健康均具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】目前已有不少關于施用外源無機硒（亞硒酸鈉、硒酸鈉）降低植物鎘含量的報道。在鎘污染農田種植水稻時施用亞硒酸鈉和硒酸鈉均能降低水稻中的鎘含量（管遠清等，2018）;低濃度亞硒酸鈉可有效緩解黃芪幼苗鎘脅迫，降低鎘吸收和轉運（馬月花，2019）;在5 μmol/L鎘脅迫下，硒改變了鎘在油菜根中的化學形態(tài)和亞細胞分布，增加了細胞壁多糖含量，有利于促進鎘在油菜根中的固定（趙圓圓，2019）;鎘脅迫下施加亞硒酸鈉可降低西葫蘆幼苗中的鎘含量，從而減少鎘毒害（郭鋒等，2020）。納米硒作為一種新興納米單質粒子材料，由于其安全性高，有逐漸替代傳統(tǒng)無機硒肥的趨勢，且大多數研究均表明納米硒對作物品質具有改善作用。劉嘉興等（2019）研究表明，葉面噴施納米硒可促進生菜葉綠素的合成，提高生菜的還原糖和維生素C含量;胡萬行等（2020）研究發(fā)現(xiàn)，紫色馬鈴薯葉面噴施納米硒可顯著提高馬鈴薯塊莖的品質;Li等（2020）研究發(fā)現(xiàn)，葉面噴施納米硒可促進辣椒辣椒素合成，并促進次生代謝物和抗氧化劑積累?！颈狙芯壳腥朦c】目前，關于納米硒對鎘污染土壤中水稻鎘積累影響的研究尚未見報道。【擬解決的關鍵問題】以廣西某地的鎘污染土壤為供試土壤，采用盆栽試驗，探究向土壤施用不同濃度的納米硒和亞硒酸鈉對水稻鎘吸收、轉運及積累的影響，為鎘污染農田中水稻的安全生產提供參考。

1 材料與方法

1. 1 試驗地概況

試驗在廣西大學農學院（東經108°17′21″，北緯22°51′18″）試驗大棚中進行。供試土壤采自廣西某地的鎘污染農田，土壤理化性質：鎘含量1.6 mg/kg，pH 7.1，有機質22.6 g/kg，堿解氮75.4 mg/kg，速效鉀67.2 mg/kg，速效磷12.2 mg/kg，總硒含量0.6 mg/kg。

1. 2 試驗材料

供試水稻品種為秈型三系雜交水稻宜香99E-4;供試納米硒參照閆金朋（2019）的方法制備，亞硒酸鈉（Na2SeO3）純度98%（天津市四通化工廠生產）。

1. 3 試驗方法

試驗采用盆栽法，在直徑50 cm、高30 cm的塑料桶中裝7.5 kg風干過篩土。以不添加外源硒為對照（CK），設4個外源硒處理，分別為每千克土中施用納米硒0.5 mg/kg（Se0-0.5）和2.5 mg/kg（Se0-2.5）、亞硒酸鈉（以硒計）0.5 mg/kg（SeⅣ-0.5）和2.5 mg/kg（SeⅣ-2.5）。外源硒一次性施加到土壤中并拌勻，每處理4個重復，共20盆。其他肥料各處理一致，每1 kg風干土施加氮肥（尿素）0.5 g、磷肥（磷酸二氫鉀）0.7 g、鉀肥（氯化鉀）0.4 g。將水稻種子置于氯酸鈉溶液中浸泡滅菌，播種于消過毒的育苗盤，在溫室大棚中催芽，培養(yǎng)一周后，選取3葉1心的水稻幼苗進行移栽，每盆3穴，每穴2株，150 d后收獲成熟水稻。其他措施均按照水稻盆栽試驗管理規(guī)程進行管理。

1. 4 測定指標及方法

水稻灌漿期用葉綠素測定儀（SPAD-502，深圳菲特立科技有限公司）檢測水稻劍葉SPAD值;水稻收獲前用光合作用測定儀（LI-6400，美國LI-COR公司）測定水稻第3完全展開葉的凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度和蒸騰速率;水稻收獲后測定其地上部生物量和產量。采用連續(xù)提取法測定土壤中鎘的形態(tài)（可溶可交換態(tài)鎘、有機吸附態(tài)鎘、無機沉淀物吸附態(tài)鎘和殘留態(tài)鎘）（楊曉磊和朱恩，2016）。將烘干磨碎的水稻根、莖、葉和糙米樣品放入消解管中，加入5 mL濃硝酸，置于微波消解儀（CEM Mars6，美國）中消解，消解液中鎘含量采用ICP-MS（Agilient 7500a，美國）進行測量。

鎘的轉移率（TF）計算：

根到莖葉轉移率（%）=莖葉鎘積累量/根部鎘積累量×100

莖葉到籽粒轉移率（%）=籽粒鎘積累量/莖葉鎘積累量×100

水稻各部位鎘分配率計算：

分配率（%）=N鎘積累量/總鎘積累量×100

式中，N代表籽粒、莖、葉、根。

1. 5 統(tǒng)計分析

利用Excel 2016進行數據整理;使用SPPS 21.0進行方差分析及Duncan’s多重比較;采用Origin 2017作圖。

2 結果與分析

2. 1 外源硒對鎘污染土壤中水稻葉片光合特性的影響

由圖1可看出，與CK相比，納米硒和亞硒酸鈉處理均顯著提高了收獲期水稻劍葉的SPAD值（P<0.05，下同），但4個外源硒處理間無顯著差異（P>0.05，下同）。由表1可知，與CK相比，納米硒和亞硒酸鈉處理均可顯著提高收獲期水稻的光合速率，光合速率提高12.7%～20.6%，但各外源硒處理間差異不顯著;亞硒酸鈉處理顯著提高水稻葉片氣孔導度，但納米硒和亞硒酸鈉處理間差異不顯著;除0.5 mg/kg納米硒（Se0-0.5）處理與CK的胞間CO2濃度差異不顯著外，其他外源硒處理均顯著降低水稻葉片的胞間CO2濃度;納米硒和亞硒酸鈉處理均顯著提高水稻葉片的蒸騰速率，2.5 mg/kg亞硒酸鈉（SeⅣ-2.5）處理的水稻葉片蒸騰速率最高，較CK提高31.3%。

2. 2 外源硒對鎘污染土壤中水稻生長的影響

由圖2可知，在鎘污染土壤中，納米硒和亞硒酸鈉處理均可提高水稻的地上部生物量和產量，0.5 mg/kg納米硒（Se0-0.5）處理提高水稻地上部生物量的效果最好，較CK顯著提高21.0%，且同時顯著高于其他外源硒處理;0.5 mg/kg亞硒酸鈉（SeⅣ-0.5）處理提高水稻產量的效果最佳，較CK顯著提高23.9%，0.5 mg/kg納米硒（Se0-0.5）處理的水稻產量與CK差異不顯著。

2. 3 外源硒對鎘污染土壤中鎘形態(tài)的影響

由圖3可看出，無機沉淀物吸附態(tài)鎘在土壤中所占比例最高，其余依次為殘渣態(tài)鎘、有機吸附態(tài)鎘和可溶可交換態(tài)鎘。與CK相比，4種外源硒處理均降低了土壤中可溶可交換態(tài)鎘的比例，降幅為3.6%～16.0%，0.5 mg/kg納米硒（Se0-0.5）處理效果最佳;除0.5 mg/kg亞硒酸鈉（SeⅣ-0.5）處理外，其余外源硒處理均提高了殘渣態(tài)鎘的比例，升幅為4.0%～10.4%;0.5 mg/kg納米硒（Se0-0.5）降低可溶可交換態(tài)鎘含量比例最高，達16.0%。總的來說，適量施用納米硒和亞硒酸鈉對污染水稻土壤中的鎘均可起到鈍化作用，且納米硒的鈍化效果相對較佳。

2. 4 外源硒對鎘污染土壤中水稻鎘含量的影響

由圖4可看出，添加外源硒處理均可降低水稻各部位的鎘含量。與CK相比，添加外源硒處理顯著降低水稻根部鎘含量19.4%～26.8%，其中2.5 mg/kg納米硒（Se0-2.5）處理的鎘含量最低，同一添加量水平納米硒與亞硒酸鈉處理的水稻根鎘含量差異不顯著（圖4-A）。外源硒處理也顯著降低了水稻莖、葉及糙米中的鎘含量，與CK相比，水稻莖、葉和糙米鎘含量分別降低38.0%～55.7%、31.1%～47.2%和17.3%～32.7%，且納米硒處理的降鎘效果優(yōu)于亞硒酸鈉處理（圖4-B、圖4-C和圖4-D）。整體來看，2.5 mg/kg納米硒（Se0-2.5）處理的水稻根、莖、葉及糙米鎘含量均最低，降鎘效果最佳。

2. 5 外源硒對鎘污染土壤中水稻體內鎘分配率的影響

由圖5可知，水稻中的鎘主要分布在根部，占整株的48.3%～58.5%;其次是莖和葉，鎘分配率分別是17.7%～23.4%和9.7%～17.0%;籽粒的鎘分配率最低，僅6.0%～7.3%。與CK相比，外源硒顯著影響鎘在水稻根、莖、葉的分配，且施加納米硒的的效果優(yōu)于亞硒酸鈉，其中2.5 mg/kg納米硒（Se0-2.5）處理將根部鎘的分配比例提高10.1%，0.5 mg/kg納米硒（Se0-0.5）處理則將莖、葉鎘的比例依次減少5.7%和7.3%。

2. 6 外源硒對鎘污染土壤中對水稻體內鎘轉移率的影響

為進一步分析納米硒和亞硒酸鈉對水稻體內鎘積累的影響，采用轉運系數來反映鎘在水稻植株不同部位的轉移分配。由圖6-A可知，在鎘污染土壤中，CK中鎘從根到莖葉的轉移率高達83.6%，外源硒處理顯著降低鎘從根到莖葉的轉移率，0.5 mg/kg納米硒（Se0-0.5）、2.5 mg/kg納米硒（Se0-2.5）、0.5 mg/kg亞硒酸鈉（SeⅣ-0.5）和2.5 mg/kg亞硒酸鈉（SeⅣ-2.5）處理的鎘從根到莖葉的轉移率分別為47.1%、47.9%、67.2%和64.6%，分別較CK降低43.7%、42.7%、19.6%和22.7%。但鎘從莖葉到籽粒的轉移率差異并不顯著（圖6-B）?？偟膩碚f，納米硒降低水稻根中鎘向莖葉轉移的效果較好。

3 討論

3. 1 外源硒對鎘污染土壤中水稻生長的影響

前人研究表明，硒可減少重金屬脅迫的不利影響。適宜濃度的硒可減輕鎘毒害從而促進植物生長（于淑慧等，2013）。鎘含量升高會誘導植物體內產生過量的活性氧（ROS）（郭鋒等，2020），ROS會損害光合器官，從而對植物光合作用產生毒害（Christian and Michel，2009）。硒不是植物生長的必需營養(yǎng)元素，但硒可提高植物體內的抗氧化酶活性，從而調節(jié)活性氧代謝（Djanaguiraman et al.，2010），增強作物抵御脅迫的能力（鐘松臻等，2017）。郭鋒等（2020）研究表明，硒可顯著提高西葫蘆幼苗抗氧化酶活性，從而緩解鎘毒害。本研究中，2種形態(tài)的外源硒處理均顯著提高了水稻劍葉的葉綠素含量，改善了葉片的光合作用能力，與孫協(xié)平等（2020）研究鎘脅迫下硒對柑橘葉片葉綠素含量也有提高作用的結果相似;此外，外源硒處理其他光合指標的變化均優(yōu)于對照，說明施加外源硒對植物的光合作用具有明顯提高，與鐘松臻等（2017）的研究結論一致，其增強水稻葉片光合作用的主要原因可能得益于外源硒減輕了鎘對葉綠素的破壞，從而緩解鎘脅迫對水稻生長的影響。

前人關于外源硒肥對作物產量影響的研究結果存在差異，姜漢峰等（2020）研究表明外源硒對作物產量無顯著影響，而張妮等（2015）研究發(fā)現(xiàn)施用外源硒可促進小麥增產。本研究發(fā)現(xiàn)，鎘污染土壤中施加納米硒和亞硒酸鈉均可提高水稻產量，但0.5 mg/kg納米硒對水稻產量的影響不顯著，原因可能是納米硒緩解了鎘對水稻的毒害，促進了水稻的營養(yǎng)生長，但該濃度下對水稻的生殖生長影響不顯著，而亞硒酸鈉的增產效果優(yōu)于納米硒。納米材料具有表面效應、小尺寸效應等獨特的物理化學特性，被認為更易與有機體作用而產生組織損傷（Nowack and Bucheli，2007）。本研究中的納米硒粒徑為50～100 nm，未對水稻生長產生不良影響。總的來說，施用納米硒和亞硒酸鈉均可通過緩解鎘對水稻光合作用的抑制，提高葉片光合作用能力，緩解鎘脅迫對水稻生長的影響，進而提高水稻產量。

3. 2 外源硒對鎘污染土壤中鎘形態(tài)的影響

土壤鎘形態(tài)與水稻鎘含量密切相關，其中水溶交換態(tài)鎘是土壤鎘形態(tài)中的有效部分，能被植物吸收利用，與水稻籽粒鎘含量顯著正相關，可作為土壤污染的評判指標（喻華等，2017;劉道榮和周漪，2020）。本研究發(fā)現(xiàn)，2種形態(tài)外源硒均可降低土壤中可溶可交換態(tài)鎘含量，且在土壤中施加0.5 mg/kg納米硒和亞硒酸鈉，可顯著降低可溶可交換態(tài)鎘所占比例，提高殘渣態(tài)鎘所占比例，與劉達等（2016）報道的外源硒降低非根際土壤交換態(tài)鎘含量43.79%的結果相似。土壤中可交換態(tài)重金屬最易被生物利用，而殘渣態(tài)活性最小，最難被生物利用（馬麗等，2019）。由此可見，施加適量的外源硒可降低土壤中的有效態(tài)鎘含量，提高土壤殘渣態(tài)鎘含量。進一步分析發(fā)現(xiàn)，納米硒處理對土壤鎘的鈍化效果優(yōu)于亞硒酸鈉處理。納米顆粒產生的量子效應會影響物質的性能和結構，表現(xiàn)出比宏觀結構更加優(yōu)越的理化性質（Gong et al.，2018）;特別是納米顆粒擁有更大的比表面積，比一般單質的表面能更高，由于表面配位原子數不足，因此更能吸附土壤中的其他原子（徐麗君，2009）。已有報道表明，鐵、錳等元素的納米材料可作為鈍化材料應用于重金屬污染土壤的修復當中（Chen et al.，2016;徐佰青等，2020 ）。本研究同樣表明外源施用納米硒有利于減少鎘在土壤中的有效性。

3. 3 外源硒對鎘污染土壤中水稻吸收轉運鎘的影響

根系是水稻吸收鎘的第一道屏障。鎘通過根系細胞中的載體蛋白運輸進入植物體內，之后轉移至根系維管柱，最后向地上部轉運（Li et al.，2017）。鎘在水稻根部內外皮層間的運輸則需借助其他金屬轉運蛋白的介導，如OsIRT1（鐵離子轉運蛋白）、OsIRT2、OsHMA2（重金屬ATP酶）和OsNramp5（自然抗性相關巨噬細胞蛋白）等（馬卉等，2020）。有研究發(fā)現(xiàn)，OsNramp5參與鎘在根木質部的裝載，OsHMA2也參與鎘在水稻根冠之間的轉運，綜合影響著鎘的向上轉運（Takahashi et al.，2011;Satoh-Nagasawa et al.，2012）。本研究顯示，在鎘污染土壤施加納米硒與亞硒酸鈉后，水稻根部鎘含量顯著下降，與張生榮（2019）研究發(fā)現(xiàn)施加低濃度的納米硒與亞硒酸鈉能降低上海青根部鎘含量60%以上的研究結果一致。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)水稻中的鎘主要分布在根部，占植物總鎘含量的48.3%～58.5% ，與對照相比，納米硒和亞硒酸鈉處理均提高了根部鎘的分配率，說明外源納米硒和亞硒酸鹽不僅降低鎘的吸收，還增加鎘在根系的固定，減少鎘向地上部分的遷移。Cui等（2018）報道指出外源硒處理能下調表達水稻細胞鎘相關轉運基因OsIRT1、OsIRT2、OsLCT1和OsNramp5，從而影響鎘的運輸。龐曉辰等（2014）的研究也證實外源硒可増加根部NPT（非蛋白巰基）細胞生成，促進鎘與根部細胞壁、NPT等結合，抑制鎘向植物地上部轉運。由此可見，降低有效態(tài)鎘含量，調控鎘吸收轉運基因表達可能是外源硒降低水稻鎘吸收并抑制鎘向地上部轉運的主要原因。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)，納米硒在降低水稻根系鎘吸收、促進鎘在根部固定及抑制鎘從根向莖葉轉移的作用效果優(yōu)于亞硒酸鈉，其原因可能與納米硒具有獨特的巨大比表面積和微界面等特性有關。

稻米是人體鎘攝入的主要途徑之一，GB 2762—2017《食品安全國家標準 食品中污染物限量》規(guī)定稻米鎘含量不得超過0.2 mg/kg。本研究中，鎘脅迫下對照處理糙米鎘含量高于0.2 mg/kg，而4個外源硒處理的糙米鎘含量均低于0.2 mg/kg，且顯著低于對照的鎘含量，與管遠清等（2018）的研究結果一致。施加納米硒降低稻米中鎘含量的效果優(yōu)于亞硒酸鈉處理，2.5 mg/kg納米硒處理的降幅最高，達32.7%。因此，選擇適合形態(tài)的硒及其濃度均可有效降低水稻籽粒中的鎘含量。但考慮到納米硒的施用安全性優(yōu)于亞硒酸鈉，因此推薦按2.5 mg/kg納米硒用量作為稻田鎘污染的阻控技術。但本研究中盆栽試驗的水稻生長環(huán)境與大田環(huán)境條件有所不同，納米硒對鎘污染區(qū)水稻的鎘阻控效果還待進一步研究。

4 結論

在鎘污染土壤中施加適量的納米硒和亞硒酸鈉均可降低土壤中鎘的有效性，緩解水稻鎘毒害，抑制水稻根系鎘的向上運輸并降低籽粒鎘積累。每千克土施用納米硒2.5 mg/kg阻控水稻鎘積累的效果較佳，可作為鎘污染區(qū)水稻安全生產的推薦技術。

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（責任編輯 王 暉）