叶面施硅对水稻籽实重金属积累的抑制效应.doc

王世华等：叶面施硅对水稻籽实重金属积累的抑制效应 879
叶面施硅对水稻籽实重金属积累的抑制效应
王世华1，2，3，罗群胜4，刘传平2，李芳柏2 *，沈振国1
1. 南京农业大学生命科学院，江苏 南京 210095；2. 广东省生态环境与土壤研究所，广东 广州 510650；
3. 河南科技大学农学院，河南 洛阳 471003；4. 广东省乐昌市农业技术推广中心，广东 乐昌 512200

摘要：采用盆栽方法，以硅酸钠和正硅酸乙酯为硅源分别配制纳米硅制剂，以水稻（Oryza sativa L.）品种“优优128”为供试植物，在Cd（5 mg·kg-1、10 mg·kg-1、50 mg·kg-1三个水平）、Pb（200 mg·kg-1）、Cu（250 mg·kg-1）、Zn（300 mg·kg-1）复合污染土壤进行种植，在水稻生长期内（苗期、分蘖期、抽穗期）进行叶面喷施纳米硅，研究纳米硅对水稻籽实生长状况及吸收重金属元素的影响，并对两种不同硅源的纳米硅的使用效果进行了比较。结果表明，随Cd污染质量分数增加，水稻百粒质量及单株穗质量均显著降低（P<0.01）；Cd、Pb、Zn在籽实中质量分数均增高，而Cu在籽实中质量分数降低。金属元素在籽实中的吸收系数顺序为Cd >Zn > Cu > Pb，表明Cd极易向籽实中迁移。随土壤Cd质量分数增加，水稻籽实中各金属元素的积累量都有所降低。重金属复合污染条件下，叶面施用两种硅制剂均可以缓解水稻的毒害效应，且和施无机硅相比，施有机硅对水稻重金属毒害的缓解效果更显著。表现为叶面施用硅后，水稻百粒质量及单株穗质量均显著提高（P<0.05）；且籽实中Cd、Pb、Cu、Zn的吸收量在喷施硅制剂后均显著降低（P<0.05）；籽实中重金属元素的吸收系数和积累量均表现出降低的趋势。尤其是随着Cd处理质量分数的增高，施硅对重金属在籽实中积累的抑制效应越显著。这表明叶面施硅在重金属污染的水稻田污染防治中具有应用价值。文章所用的纳米硅制剂，制备简单，对于大面积推广硅肥极为有利。
关键词：水稻；叶面喷施；纳米硅；重金属；复合污染
中图分类号：X56 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2007）03-0875-04
随着工农业的快速发展，环境污染问题日益严重，重金属污染是主要的环境污染之一。土壤一旦受到重金属污染不仅会危害植物的生长和发育，而且会影响农产品的品质，并通过食物链危及人类健康[1]。因而土壤重金属污染的有效控制便成为环境保护工作中十分棘手，亟待解决的问题，也成为研究的热点。目前，对重金属污染土壤修复方法包括客土法、淋溶法和固化法等，这些方法成本昂贵，需要特殊的仪器和经过培训的专业人员，还不能从根本上解决问题。而最新发展的植物修复技术虽然经济环保，但其周期漫长并不适合我国的国情[2-4]。目前，我国农业污染土壤面积很大，但由于我国人多耕地少，不可能对现有的耕地大面地不生产粮食而利用植物修复技术长期进行治理。因此很多污染的土地依然进行着粮食生产，从而带来粮食安全问题。
以往的研究证明，向土壤中施加生石灰、有机肥、硅肥等改良剂可以提高植物对重金属毒害的耐受力、提高农作物的产量和品质[5-9]。目前，利用硅肥提高农作物对铝、锰和镉等重金属毒害抗性的研究较多，但大多数研究是向污染土壤中施加高炉渣等含硅材料，以降低土壤中重金属活性减少植物对重金属的吸收[8-10]。这种施肥方式需要大量的人力，而且对硅的利用率很低。近年来，利用环境材料与生物纳米材料提高作物抗逆性的研究正在形成独特的研究领域，并尝试在农业环境保护上的直接应用[11,12]。我们的研究目的是通过叶面喷施纳米硅制剂来提高水稻（Oryza sativa L.）对重金属的抗性、减少甚至阻断重金属向食物链转移，寻找一种方便、可行、有效的方法提高植物抗重金属毒害能力，减小其对重金属的累积。
1 材料与方法
1.1 试验材料
供试土壤选自广东省生态环境与土壤研究所红壤站0~20 cm的表层土，经自然风干后，过4 mm筛。其理化性质见表1。
1.2 复合污染模拟及试验设计
在风干土壤中加入CuZn、Pb、Cd 4种重金属（具体用量见表2），反复混匀后装桶，每桶装土10 kg，共36桶。重金属分别以CuSO4、ZnSO4、CdCl2、Pb(NO3)2的形式加入，平衡一个月后移苗。
试验设计：采用水稻全生育期的试验方法，在水稻苗期（移苗后一周）、分蘖期（移苗后35 d左右）以及抽穗开花期（移苗后70 d左右）对水稻叶面喷施两种硅制剂进行处理，以不施硅（喷施相同量的清水）为对照。共9个处理，每处理4个重复。
表1 供试土壤基本性质
Table 1 The physical and chemical properties of the soils used in the study
土壤质地
pH值
w(有机质)
/%
w(全N)
/%
w(全P)
/%
w(全K)
/%
w(碱解N)
/(mg·kg-1)
w(有效P)
/(mg·kg-1)
w(有效K)
/(mg·kg-1)
w(重金属背景)/(mg·kg-1)
Cd
Pb
Cu
Zn
中壤土
6.5
2.39
0.128
0.11
1.09
123.56
73.34
220
－
0.51
20.35
54.98

1.3 植物材料的培养
表2 重金属处理浓度和实验设计
Table 2 The concentration of heavy metals and the design of treatment
编号
处理方式
w(添加重金属)/(mg·kg-1)
Cd
Pb
Cu
Zn
1
2
3
对照
有机硅
无机硅
5
200
250
300
4
5
6
对照
有机硅
无机硅
10
200
250
300
7
8
9
对照
有机硅
无机硅
50
200
250
300

水稻种子由广东省农科院水稻研究所提供，品种为“优优128”。将种子进行表面消毒后于25 ℃催芽，催芽1 d后将发芽种子转移到育苗钵（育苗钵中为未污染的土壤）育苗，25 d后进行移苗。每桶2株，每处理4个重复。移苗后管理同正常种植管理模式。
1.4 纳米硅制剂的制备及施用
无机硅：先称取0.3584 g硅酸钠溶于475 mL蒸馏水，加入10 mL无水乙醇混匀后搅拌0.5 h，然后将10 mL无水乙醇与5 mL吐温80的混合液缓慢滴入，然后充分搅拌2 h。
有机硅：先将10 mL无水乙醇与475 mL蒸馏水充分搅拌0.5 h，然后将0.55 mL 正硅酸乙酯（TEOS）, 10 mL无水乙醇以及5 mL吐温80的混合液缓慢滴入，然后充分搅拌2h。
即分别制得2.5 mmol·L-1的无机硅和有机硅制剂，制备过程在室温下进行，现配现用。
1.5 植物样品的制备及测定
水稻成熟后，按照穗、茎叶、根系3个部位分开进行取样，植物样品经去离子水清洗，80 °C烘干，研碎后用HNO3-HClO4（体积比为87∶13）混合液消煮，用TAS-986火焰原子吸收分光光度计（AAS）测定重金属质量分数[13]。
2 结果与讨论
2.1 叶面施硅对复合污染下水稻产量性状的影响
表3 复合污染条件下叶面施硅对水稻产量性状的影响
Table 3 Effects of Si application to rice leaves on the production
properties of rice under compound heavy metal stress
处理
方式
w(Cd)
/(mg·kg-1)
m(百粒)
/g
单株穗数
m(单株穗)
/g
对照
5
1.67±0.09aA
23.67±1.53 aA
30.38±2.05 aA
有机硅

1.76±0.16a
21.00±5.57a
33.87±5.67a
无机硅

1.69±0.09a
19.25±2.99a
32.85±1.42a
对照
10
1.22±0.11bB
24.33±1.64 aA
18.47±1.13 bB
有机硅

1.33±0.02a
24.67±0.47a
23.75±1.64a
无机硅

1.29±0.04a
25.33±1.88a
21.29±2.93a
对照
50
1.11±0.11bB
15.00±1.00 bB
12.42±1.95 bB
有机硅

1.24±0.05a
20.00±1.00a
18.78±0.75a
无机硅

1.17±0.07a
18.67±2.31a
18.05±1.66a
数据为4个重复的平均值；同一栏中不同小写字母差异达显著水平（P<0.05）；不同大写字母表示差异达极显著水平（P<0.01）。下同

在重金属复合污染条件下，喷硅处理的水稻植株生长发育均表现正常，无明显重金属中毒症状。随Cd处理质量分数增加，水稻产量性状下降（结果见表3），表现为分蘖数下降，穗重质量及百粒质量均显著降低（P<0.01）。叶面施硅对水稻重金属毒害均有所缓解，且与施无机硅相比，施有机硅对水稻重金属毒害的缓解效果更显著。土壤Cd为5.0 mg·kg-1时，施用有机硅和无机硅后，百粒质量的增长率分别为5.4%和1.2％，单株穗质量的增长率分别为11.5%和8.1％；土壤Cd为50.0 mg·kg-1时施用有机硅和无机硅后，百粒质量的增长率分别达到11.74%和5.4％，单株穗质量的增长率分别达到51.2%和45.3％；差异均达显著水平（P<0.05）。
2.2 叶面施硅对复合污染水稻籽实重金属质量分数的影响
重金属复合污染条件下，水稻籽实中的Cd、Pb、Zn质量分数随土壤Cd质量分数的升高而升高（见表4），籽实中Cd质量分数与土壤Cd质量分数呈显著线性正相关，R2＝0.987；而随土壤Cd质量分数增高，Cu在籽实中的积累有所降低。叶面施硅后，水稻籽实中的重金属质量分数均显著下降，且随土壤Cd增加，下降越明显。土壤Cd为5.0 mg·kg-1时，喷施有机硅和无机硅后籽实Cd质量分数下降率分别为17％和22％（P<0.05），而土壤Cd为50.0 mg·kg-1时喷施有机硅和无机硅后籽实Cd下降率分别达到了44％和53％（P<0.05）。土壤Cd为50.0 mg·kg-1时，喷施无机硅水稻籽实中的Pb、Zn、Cu分别降低了41％、29％、45%，喷施有机硅水稻籽实中的Pb、Zn、Cu分别降低了26％、34％、53％。向土壤中施硅肥后，硅肥中所含的硅酸根离子与Cd、Hg、Pb等重金属发生化学反应，形成新的不易被植物吸收的硅酸化合物而沉淀下来，加硅肥能减轻Cd等重金属对作物的毒害作用[14]。而叶面施硅减轻水稻重金属毒害和降低水稻对Cd、Pb、Zn和Cu吸收的机理可能是一种生理作用。硅作为水稻的有益元素，可以提高水稻叶片叶绿素含量、提高根系活力、降低细胞膜的透性，从而提高水稻对重金属毒害的抵抗能力[15]。秦淑琴认为，由于硅在植物地上部的沉淀而阻止了Cd向地上部的迁移，从而可以减少植物地上部Cd的积累，达到降低稻米中Cd含量的目的[10]。
表4 复合污染条件下叶面施硅对水稻籽实重金属积累的影响
Table 4 Effects of Si application to rice leaves on the uptake of heavy metals in grains
处理方式
w(Cd处理)/(mg·kg-1)
w(籽实重金属)/(mg·kg-1)
Cd
Pb
Cu
Zn
对照
5
6.99±0.25aB
0.29±0.00aB
28.99±2.35 a A
38.54±2.30 a C
有机硅

5.81±0.89b
0.27±0.03 a
23.89±4.53 a
31.25±1.15 b
无机硅

5.47±0.24b
0.21±0.01 b
27.21±5.33 a
35.22±5.06 b
对照
10
8.43±1.24aB
0.32±0.08 a B
27.11±0.50a A
51.82±1.97aB
有机硅

7.46±0.78ab
0.21±0.03 b
19.62±1.35b
44.83±3.02b
无机硅

6.26±0.07b
0.19±0.03 b
11.50±3.11c
44.35±3.08b
对照
50
13.40±1.41 aA
0.61±0.05aA
26.77±4.95a
63.48±1.50a A
有机硅

8.16±0.71 b
0.45±0.01 b
12.56±2.61b
41.95±3.50b
无机硅

6.80±1.01 b
0.36±0.07 b
14.87±1.36b
45.32±1.51b

2.3 喷施纳米硅对籽实中重金属吸收系数的影响
表5 喷施纳米硅对重金属吸收系数的影响
Table 5 Effects of Si application to rice leaves on the
accumulation factor of heavy metals in grains
处理方式
w(Cd)
/(mg·kg-1)
重金属吸收系数/%
Cd
Pb
Cu
Zn
对照
5
139
0.145
11.6
12.8
有机硅

116
0.135
9.56
10.4
无机硅

109
0.105
10.9
11.7
对照
10
84.3
0.160
10.8
17. 3
有机硅

74.6
0.105
7.85
14.9
无机硅

62.6
0.095
4.60
14.8
对照
50
26.8
0.305
10.7
21.2
有机硅

16.3
0.225
5.02
14.0
无机硅

13.6
0.180
5.95
15.1

水稻籽实重金属吸收系数是指水稻籽实中某一金属元素质量分数与其生长的土壤中该重金属元素质量分数的比值。在本实验条件下，各金属在水稻籽实中的吸收系数顺序为Cd >Zn > Cu > Pb，这与林大松等（2006）的研究结果是一致的，复合污染条件下，小白菜地上部分对几种重金属的吸收系数大小顺序为Cd > Cu > Pb[16]。这表明Cd极易向籽实中迁移，对人类的潜在危害最大，Pb的吸收系数最低，很难向籽实中迁移，对人类的潜在危害相对最低。施硅后，这4种重金属元素在水稻籽实中的吸收系数也明显降低。
2.4 喷施纳米硅对单株水稻籽实中重金属元素积累的影响
表6 喷施纳米硅对水稻籽实中重金属元素积累量的影响
Table 6 Effects of Si application to rice leaves on the
accumulation amount of heavy metals in grains
处理方式
w(Cd)
/(mg·kg-1)
m(重金属积累)/μg
Cd
Pb
Cu
Zn
对照
5
212
8.81
880
1170
有机硅

196
9.14
809
1058
无机硅

179

6.90
893
1156
对照
10
155
5.91
500
956
有机硅

177
4.99
466
1064
无机硅

133
4.04
244
944
对照
50
166
7.57
332
787
有机硅

153
8.45
235
787
无机硅

122
6.50
268
818

由表6可见，随土壤Cd质量分数增加，对照中各金属元素在水稻籽实中的积累量都有所降低，这主要是由于随重金属质量分数增高，水稻产量降低造成的。叶面施硅后，总体来说水稻籽实的元素积累量均下降（施用无机硅后Cu、Zn积累量有所增加，但这种增加是由于施硅后产量的增长造成的）。从总体上来说，施硅增加了水稻籽实产量，而且减少了重金属从复合污染的农田的输出，降低了重金属进入食物链的风险。这表明施硅对于在重金属污染的水稻田中进行绿色生产具有一定的现实意义。
3 结论
（1）在重金属复合污染农田上，随Cd污染质量分数增加，水稻产量下降，表现为水稻百粒质量及单株穗质量均显著降低。
（2）不同元素在水稻体内的迁移、积累特性不同，表现为Cd >Zn > Cu > Pb，说明 Cd、Zn、Cu等元素迁移能力强，易于在籽实中积累，而Pb难于向地上部迁移，因而在籽实中含量较低，其中Cd最易于进入食物链，对人类的潜在危害最大。
（3）叶面喷施硅后，可以显著缓解重金属对水稻的毒害作用。与喷施无机硅相比，叶面喷施有机硅对水稻重金属毒害的缓解作用更为显著。叶面喷施硅后，单株有效穗数、百粒质量和单株穗质量均显著增加；而水稻籽实中Cd、Pb、Zn、Cu含量均显著下降。随着土壤Cd污染浓度的增加，施硅对水稻重金属毒害的缓解效果越显著。
（4）叶面施硅可以降低重金属复合污染条件下水稻籽实中重金属吸收系数和积累量，降低了重金属向食物链的输出风险。因此，叶面施硅是一种有效的抑制水稻吸收重金属的方法，加大喷硅力度，将有望在复合污染的水稻田生产出合格的大米。

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Effects of leaf application of nanometer silicon to the accumulation
of heavy metals in rice grains

WANG Shihua 1, 2, 3, LUO Qunsheng4, LIU Chuanping2, LI Fangbai2, SHEN Zhenguo1
1. College of Life Sciences, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China;
2. Guangdong Institute of Eco- Environment and Soil Science, Guangzhou 510650, China;
3. Agricultural College ,Henan University of Science and Technology, Luoyang, Henan 471003, China
4. The Popularization Centre of Agricultural Technology of Lechang City, Lechang, Guangdong 512200, China

Abstract: A pot experiment was conducted to investigate the effects of leaf application of Si on the accumulation of Cd, Pb, Cu and Zn uptake in rice (Oryza sativa L. cv. youyou 128) grains. The results showed that the weight of per 100 grains, weight of per spike, spike number of rice and the accumulation of Cu in grains were decreased significantly (P<0.01), but the accumulation of Cd, Zn, Pb in the grains increased with the increasing of Cd concentration in the soil. The accumulation factor of heavy metals in grains was in the order: Cd >Zn > Cu > Pb. Leaf application of Si alleviated the toxicity of heavy metals on rice. Compared with leaf application of inorganic Si, organic Si was more positive in alleviating heavy metal toxicity. The leaf application of Si increased significantly (P<0.05) the weight of per 100 grains and weight of per spike, and decreased significantly (P<0.05) accumulation of Cd, Pb, Cu, Zn in the grain, the accumulation factor and the accumulate amount of heavy metals in grains. With the increasing of Cd concentration in soil, the alleviating of Si application on heavy metal toxicity was more pronounced in the soils contaminated with higher level of Cd. These indicated that leaf application of Si might be an efficient alternative to alleviate heavy metal toxicity and to decrease accumulation of heavy metal in rice grains.
Key words: rice (Oryza sativa L.); leaf application; nanometer silicon; heavy metals; compound contamination