增施硅肥情况下化肥减施对水稻产量及镉吸收的影响

黄 蕊, 林 震, 田发祥, 柳赛花, 彭 华, 谢运河*, 纪雄辉*

1.湖南大学研究生院隆平分院， 湖南 长沙 410125

2.湖南省农业环境生态研究所， 农业部长江中游平原农业环境重点实验室， 农田土壤重金属污染防控与修复湖南省重点实验室， 湖南 长沙 410125

3.埃肯国际贸易(上海)有限公司， 上海 200120

20世纪以来，由于人类的各种工农业生产活动，如矿山开采和冶炼、大气沉降、污水灌溉以及化肥农药和杀虫药的不当使用等，导致重金属成为影响我国耕地土壤环境质量的主要污染物，2014年重金属镉(Cd)污染点位超标率更是高达7.0%，高居我国无机污染物类型的第一位，我国农田土壤正遭受着不同程度的Cd污染问题[1-4]. 作为世界上约一半人口以上主食的水稻比其他大宗谷类作物更易遭受Cd毒害，吸收Cd的能力更强[5-7]；作为中国水稻主产区之一的湖南省，农田土壤Cd污染严重，其矿冶污染区生产的水稻精米中Cd含量高于GB 2762—2017《食品安全国家标准 食品中污染物限量》中所规定的标准限值[8]. 土壤中过量的重金属不仅会影响稻米质量还会降低稻米产量，稻田土壤Cd污染呈现出的整体性和大面积趋势已经给人类社会的可持续发展造成严重威胁[9-10]. 因此，为保障食品安全，在减控水稻籽粒中Cd积累的同时，提高水稻的产量和品质则显得极为迫切.

硅(Si)素是土壤中的第二大元素，也是水稻生长发育必不可少的营养元素[11-12]；水稻是典型富Si植物(干物质中Si含量>10%)，Si可以促进水稻对矿质元素的吸收，在增加水稻产量的同时也可以提高稻米品质[13]；研究表明，含Si物质可以显著降低土壤中Cd的迁移性和生物可利用性，进而降低水稻籽粒中Cd含量，促进粮食安全生产[14-15]. 杨发文等[16]在大田试验中利用Si改性复合肥料，考察其对水稻的降Cd效应时发现，与普通复合肥相比，Si改性复合肥使得稻米Cd含量降低44.2%～86.0%，达到国家安全食用标准；同时该Si肥还促使水稻增产12.1%～20.0%；Ji等[17]发现，Si肥能显著抑制糙米Cd的积累，且随着Si肥施加量的增加，水稻茎秆对Cd的截留更显著，从而抑制地上部Cd向水稻籽粒的运输，达到籽粒降Cd的目的.

近年来，传统常规化肥(如氮、磷、钾复合肥)一直存在着利用率偏低、滥用的问题，同时由于化肥中一般含有重金属，连年的化肥不合理施用会造成重金属在土壤中的积累，危害土壤健康和人类社会的可持续发展，对常规化肥的合理施用甚至减施已迫在眉睫，但如果盲目减施常规化肥可能会造成减产等一系列负面效应. 研究[18-19]表明，施用功能性肥料(如Si肥)不仅有利于水稻等多种高等植物的生长和发育、提高其产量和品质，还可降低重金属对植物的生物毒性. 笔者推测，若在Cd污染稻田土壤中增Si硅肥的同时减施常规化肥，是否可以在阻控水稻籽粒Cd积累的同时，弥补因化肥减施带来的如减产等负面效应，而目前较为缺乏关于此方面的探索. 鉴于此，该研究通过分析化肥全施和化肥减施30%条件下，增施不同浓度的Si肥对湖南省两试验点Cd污染稻田水稻籽粒产量和品质以及土壤和水稻Cd积累的影响，以期为化肥减施和硅肥联用在促进水稻的高产优质方面提供参考，为实现科学施肥和重金属Cd污染防控提供新方向，使经济效益和环境效益达到最大化.

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验点分别位于湖南省岳阳市平江县安定镇(28°34′44″N、113°40′08″E)和郴州市临武县武水镇(25°15′22″N、114°34′02″E)，均位于亚热带季风气候区，为典型的双季稻种植区，试验田灌溉排水条件均较好. 平江县安定镇稻田土壤为第四纪红壤发育的水稻土，临武县武水镇供试稻田土壤则为紫色页岩发育的水稻土，其土壤基本理化性质见表1. 供试Si肥由埃肯国际贸易(上海)有限公司提供.

表1 供试土壤基本理化性质

供试水稻：平江县安定镇水稻品种为五优369，临武县武水镇水稻品种为泰优390，均为湖南省大面积推广应用品种.

1.2 试验设计和田间管理

为验证增施Si肥和化肥减施联用在修复Cd污染稻田土壤、降低水稻Cd积累以及提高水稻产量和品质方面的有效性和可重复性，在湖南省境内寻找两处Cd污染稻田土壤并分别种植在湖南省大面积推广应用的不同水稻品种. 田间试验于2019年7—10月在两试验点同时展开，共设置8个处理，每个处理均设4次重复(见表2). 其中，平江县试验点化肥用量100%的处理为基肥施用N、P、K含量比为15∶15∶15的复合肥750 kg/hm2，追施尿素150 kg/hm2；化肥用量70%的处理为基肥施用N、P、K含量比为15∶15∶15的复合肥525 kg/hm2，追施尿素105 kg/hm2. 临武县试验点因前茬作物为烟草，施肥量大，土壤肥力较高，故所有处理均不施基肥，化肥用量100%的处理后期追施尿素150 kg/hm2；化肥用量70%的处理为后期追施尿素105 kg/hm2. 另外，处理CK1与CK2分别为化肥全施与减肥30%条件下，不增施Si肥的对照处理.

表2 各处理设置

水稻试验采取田间试验小区模式，各区组随机排列，试验小区面积为20 m2，为防止交叉污染，各试验小区间设隔离行，用塑料薄膜铺盖至田面30 cm以下，各试验小区单灌单排，避免串灌串排. 各试验小区均采用育秧盘育苗移栽，移栽密度为18穴/m2. Si肥于插秧前3～5 d均匀撒施于土表，然后翻耕，充分耙匀；水稻移栽前1 d施基肥，移栽水稻秧苗7～10 d后追肥. 各试验小区灌溉、晒田落干、病虫害防治等其他农事操作均保持一致.

1.3 样品采集和分析方法

水稻种植前采集各试验小区土壤样品，同时在苗期(插秧后7 d)和水稻成熟收获时于各试验小区采取土壤样品，土壤样品均利用土钻多点混合均匀采取耕层(0～15 cm)土样. 两个水稻品种均于2019年10月中旬左右成熟，并分别于10月23日和24日在平江县和临武县的各试验小区采取水稻植株样品. 土壤样品经自然风干后剔除杂物，并根据所测指标的需要研磨过筛，充分混匀后备用. 植株样品带回实验室后利用自来水和超纯水清洗干净后，分离根、茎叶、籽粒并分别装入信封后，放入烘箱105 ℃下杀青30 min，之后80 ℃下烘干备用. 成熟期采集水稻植株样品后各试验小区单打实收，测定水稻产量、调查水稻生物性状(如有效穗数、有效粒数、千粒重等)，检测稻米品质(稻米整精米率、垩白度、垩白率、胶稠度、蛋白质等指标).

土壤pH利用pH计〔S220，梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司〕测定(土水比为1∶2.5)，土壤有效Cd采用DTPA法提取(GB/T 23739—2009《土壤质量有效态铅和镉的测定 原子吸收法》)并测定其含量，全Cd利用王水法(HNO3/HCl)(HJ 803—2016《土壤和沉积物 12种金属元素的测定 王水提取-电感耦合等离子体质谱法》)消解后过滤定容，之后利用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS，Thermo Fisher，美国)分别测定提取液和消解液中Cd浓度. 土壤养分参考《土壤农业化学分析方法》[20]进行测定：土壤有效态Si采用柠檬酸(0.025 mol/L)浸提，根据Si钼蓝比色法测定；采用扩散法测定土壤水解性N含量；土壤有效P含量采用氟化铵盐酸浸提-分光光度计法测定；土壤速效K含量采用乙酸铵浸提-火焰光度法测定. 土壤有机质采用重铬酸钾氧化还原滴定法(NY/T 85—1988《土壤有机质测定法》)测定. 水稻糙米和秸秆利用HNO3-H2O2微波消解法消解(Mars6，CEM，美国)，消解液过滤定容后利用ICP-MS分别测定Cd、Si全量(GB 5009.268—23016《食品安全国家标准 食品中多元素的测定》).

为保证数据的可靠性，在土壤与植株样品消解与测定过程中加入土壤标准物质GBW07386(GSS-30)与植株标准物质GBW10049(GSB-27)进行质量控制；土壤有效态成分和土壤有机质含量测定过程中分别加入土壤标准物质NSA-6和NST-5进行质量控制. 在ICP-MS检测过程中采用铑(Rh)做内标，回收率为90%～105%；每批样品检测时标准曲线拟合优度均保证R>0.999，每20个样品带1个质控样品.

1.4 数据分析

所有数据均测定至少4个平行样，并利用Excel 2016 软件处理试验数据得出平均值和标准差，再利用Origin Pro 2015软件进行绘图. 利用SPSS 22.0软件对数据进行Pearson相关性分析以及单因素方差(ANOVA)分析显著性差异.

2 结果与讨论

2.1 增施Si肥情况下化肥减施对水稻产量及稻米品质的影响

无论是化肥全施处理还是减肥30%条件下，Si肥的施用均使得平江县和临武县两试验点的水稻实际产量大幅提升，增产达显著水平(P<0.05)，且随着Si肥用量的增加，水稻产量随之增加(见图1). 在Si肥用量为300～600 kg/hm2时，化肥全施条件下，与对照组(CK1、CK2)相比，使平江县和临武县两试验点水稻实际产量分别增加917.8～1 643.1 和 1 003.3～1 503.4 kg/hm2，增幅分别为15.2%～27.2%和13.1%～19.6%；减肥30%条件下，平江县和临武县两试验点水稻实际产量分别增加 1 037.9～1 345.0 和 1 209.1～1 834.9 kg/hm2，增幅分别为18.0%～23.3%和16.5%～25.1%. 对不同处理下试验点水稻产量提升的原因进行分析发现，化肥全施情况下，平江县试验点稻谷产量主要是提高水稻的有效穗数、穗实粒数和千粒重，而临武县试验点则主要是提高有效穗数；减肥30%情况下，平江县试验点主要是提高结实率，而减肥30%情况下则主要是提高有效穗数、穗实粒数结实率和千粒重. 可见，Si肥施用促进水稻增产的原因在不同地点表现出较大差异，但总的来看，主要是提高有效穗数，并通过增加穗实粒数、结实率和千粒重等的综合效应，进而增加水稻产量(见表3、4)，这与已有研究结果[21-25]一致. 值得注意的是，两试验点的CK2与CK1相比，即减肥30%条件下平江县和临武县两试验点在未施Si肥时水稻产量均比化肥全施时的产量约低281.1～345.8 kg/hm2，这可在一定程度上说明，若盲目减少常规化肥的使用，但未有其他功能性营养肥料的补充，则可能会使水稻减产，不利于粮食安全. 而相比化肥全施，在减肥30%条件下施用Si肥对两试验点水稻的增产效果更为明显，这可在一定程度上弥补因肥料减施带来的减产效应，综合效益更高，这为解决过量或不合理施用化肥，实现科技部国家重点研究计划“化肥农药减施增效技术应用研究”提供一条有效解决途径以及有力的技术支持.

注： 不同小写字母代表处理间差异显著(P<0.05).

表3 施用Si肥对平江县和临武县试验点不同处理下水稻产量构成的影响

表4 水稻实际产量和产量构成因子的相关性

施用Si肥可以改善稻米主要品质，如增加稻米粗蛋白质含量和稻米整精米率，并降低稻米垩白粒率和垩白度，从而提升稻米外观品质[26-27]. 对不同Si肥用量处理的稻米品质进行检测时发现，分别与各自试验点对照组(CK1、CK2)相比，Si肥的施用对化肥全施和减肥30%条件下平江县试验点不同处理的稻米粗蛋白质含量和整精米率均无显著影响，但随着Si肥用量的增加，二者均略有增加；Si肥的施用显著提升临武县不同处理下稻米的粗蛋白质含量(P<0.05)，而对整精米率无显著影响，即在化肥全施条件下，增施Si肥300～600 kg/hm2使得临武县试验点稻米粗蛋白质含量增加7.5～20.9 g/kg，在减肥30%条件下增加12.7～16.7 g/kg，增幅分别为11.0%～30.7%和18.9%～24.8%(见表5). 化肥全施和减肥30%条件下，相比各自试验点对照组(CK1、CK2)，增施Si肥300～600 kg/hm2使得平江县和临武县两试验点稻米垩白粒率和垩白度均显著下降(P<0.05)，且随着Si肥用量增加，其降幅越大(见表5). 综上，Si肥的施用不仅提高了两试验点不同水稻品种的产量，还在一定程度上提升了稻米品质，降低了水稻糙米Cd积累量，这有利于实现水稻生产的高产优质相统一.

表5 施用Si肥对平江县和临武县两试验点不同处理下稻米品质的影响

2.2 增施Si肥情况下化肥减施对土壤有效态Cd、Si含量的影响

如图2(A)(B)所示，在化肥全施条件下，增施Si肥300～600 kg/hm2时，相较于各自试验点CK1，在水稻幼苗期，平江县试验点土壤有效态Cd含量无明显下降，而临武县试验点土壤有效态Cd含量显著下降(P<0.05)，且在Si肥用量达600 kg/hm2时的降幅最为显著，达24.5%；在水稻成熟期，相较于各自试验点CK1，平江县和临武县两试验点土壤有效态Cd含量分别显著下降12.7%～16.4%和10.5%～22.1%(P<0.05). 在减肥30%条件下，增施Si肥300～600 kg/hm2时，在水稻幼苗期，平江县、临武县两试验点土壤有效态Cd含量较各自试验点CK2分别下降7.3%～8.7%和6.1%～27.0%，成熟期土壤有效Cd含量分别显著降低14.1%～19.8%和23.9%～27.0%(P<0.05). 综上，与平江县相比，该试验中所用Si肥在降低临武县土壤有效态Cd方面的效果更为显著. 含Si肥料的施用可以显著提升土壤有效Si的含量[28]，该试验中Si肥的施用也显著提升平江县和临武县两试验点土壤的有效态Si含量〔见图2(C)(D)〕. 在化肥全施条件下，增施Si肥300～600 kg/hm2时，在水稻幼苗期，平江县和临武县两试验点土壤有效Si含量较各自试验点CK1分别提高7.7～8.0和0.6～5.2 mg/kg，增幅分别为26.2%～27.4%和1.3%～11.7%；在水稻成熟期，土壤有效Si含量分别较各自试验点CK1提高1.5～2.0和2.6～3.5 mg/kg，增幅分别为4.0%～5.3%和5.2%～7.0%. 在减肥30%条件下，增施Si肥300～600 kg/hm2时，在水稻苗期，平江县和临武县两试验点土壤有效Si含量分别较各自试验点CK2显著提高6.2～9.8和8.5～10.1 mg/kg，增幅分别为21.8%～34.7%和20.7%～24.4%；在水稻成熟期，土壤有效态Si含量分别较各自试验点CK2提高0.1～9.8和4.3～5.9 mg/kg，增幅分别为0.1%～27.2%和8.8%～12.1%.

注： 不同小写字母代表处理间差异显著(P<0.05).

综上，Si肥的施用显著提高了水稻各生育期土壤有效态Si含量，但降低了水稻成熟期土壤有效态Cd含量. 水稻是喜Si作物，而我国大概有1 330×104hm2水稻田出现缺Si现象，尤其是南方稻田土壤[18]，该试验中，通过添加Si肥来增加土壤有效态Si含量对提高水稻产量和品质、保障我国粮食安全具有重要意义. 研究[14,28]表明，添加的Si进入Cd污染土壤后可以有效降低土壤有效态Cd含量，从而缓解Cd的生物毒性. 魏晓等[29]将富Si物质添加到Cd含量为2.05 mg/kg的污染土壤，3周后采集土壤经检测发现，土壤中移动性Cd与潜在移动性Cd含量均显著降低；Rehman等[30]将Si肥以600 kg/hm2的比例添加到土壤后也大幅降低了土壤中生物有效态Cd含量，缓解了Cd的生物有效性，降低了Cd在水稻中的积累. 对该试验中两试验点不同处理下水稻成熟期土壤有效态Si和有效态Cd含量进行相关性分析(见图3)，发现二者呈显著负相关(P<0.05)，说明土壤中有效态Si含量逐步提高是土壤中有效态Cd含量逐步降低的重要原因，主要是因为，土壤中大量的有效态Si可与活性态Cd形成难溶性的Si-Cd络合物，从而抑制Cd在土壤中的迁移[13,28]，通过线性拟合结果可以看出，Si肥在降低临武县试验点土壤有效态Cd含量方面的效果优于平江县试验点(见图3)，可能是由于临武县试验点土壤有效态Cd含量远高于平江县试验点，有效态Si和Cd形成更多难溶性的Si-Cd络合物，因而Si肥在修复临武县试验点Cd污染土壤方面效果更为显著. 值得注意的是，该试验中两试验点不同处理下水稻成熟期土壤pH较各自试验点CK1与CK2并未有明显增加(见表6)，说明土壤有效Cd的降低主要是因为土壤有效态Si和Cd形成难溶性Si-Cd 络合物，而不是受土壤pH的影响.

图3 平江县和临武县两试验点水稻成熟期土壤有效Si和有效Cd之间的相关性

表6 平江县和临武县两试验点不同处理下水稻成熟期土壤pH

2.3 增施Si肥情况下化肥减施对水稻籽粒和茎叶Cd、Si含量的影响

施用Si肥300～600 kg/hm2显著降低了平江县和临武县两试验点不同处理下水稻糙米和茎叶的Cd含量，提高了水稻糙米和茎叶的Si含量(见图4). 在化肥全施下，随着Si肥用量的增加，相比各自试验点CK1，平江县和临武县两试验点糙米Cd含量分别降低23.0%～39.2%和11.7%～34.7%，减肥30%条件下，较各自试验点CK2则分别降低32.8%～41.9%和29.5%～57.2%〔见图4(A)〕. 可以看出，相较于化肥全施，减肥30%条件下，增施不同量Si肥后水稻籽粒Cd含量的下降趋势更为明显. 不同处理下增施Si肥后稻米Cd含量显著下降，一方面，是因为随着Si肥用量增加，土壤中有效态Cd含量不断降低，Cd的生物有效性随之降低，水稻Cd吸收量逐渐减少；另一方面，由于施用Si肥显著增加水稻各部位中Si含量〔见图4(C)(D)〕，而有研究表明，Si可与水稻细胞壁基质上的半纤维素形成Si-半纤维素并促进Cd的络合与沉淀，从而将大量Cd2+区隔化在细胞壁和液泡中，减少Cd2+向水稻籽粒运输，从而降低Cd的生物毒害作用[31-32]，Si还可抑制植物地上部Cd向籽粒的转运[33]，平江县和临武县两试验点不同处理下水稻茎叶中Si含量和糙米Cd含量均呈显著负相关(见图5)，这进一步说明茎叶中Si含量的增加可抑制Cd由茎叶向籽粒中转运，降低水稻糙米中Cd含量；同时，随着Si肥用量的增加，水稻产量也在逐步增加，从而对Cd在水稻籽粒内的积累起到稀释作用，降低单位质量中糙米Cd含量[34]. 平江县试验点土壤总Cd含量和有效态Cd含量均远低于临武县试验点，但是平江县试验点糙米Cd含量却远高于临武县试验点，这可能是与临武县试验点土壤pH、有机质含量在一定程度上高于平江县试验点有关，土壤有机质和pH较高的土壤对Cd的吸附能力较强，导致临武县试验点水稻Cd含量低于平江县试验点[35-36]，但其具体产生机制仍需进一步探索. 这进一步反映出水稻对不同性质土壤中Cd的吸收机制极其复杂，并不能单纯依靠土壤总Cd和有效态Cd含量来衡量其生物毒性.

注： 不同小写字母代表处理间差异显著(P<0.05).

图5 平江县和临武县两试验点糙米Cd浓度和茎叶Si含量的相关性

3 结论

a) 增施Si肥300～600 kg/hm2使得平江县和临武县两试验点不同品种水稻产量和品质都得到显著提升，且水稻产量随着Si肥用量的增加而增加，在减肥30%基础上增施Si肥对水稻产量的提升效果更为显著，综合效益更高.

b) 增施Si肥300～600 kg/hm2显著提高了平江县和临武县两试验点土壤有效态Si、水稻糙米和茎叶Si含量，同时显著降低了两试验点土壤有效态Cd、糙米和茎叶Cd含量(P<0.05)；在减肥30%条件下，糙米Cd含量下降趋势更为明显. 该试验中，Si肥对两试验点土壤pH未有明显提升作用，表明土壤有效态Cd含量降低的主要原因之一是大量有效态Si和可溶态Cd形成难溶性Si-Cd络合物，而不是土壤pH的影响，土壤中有效态Cd含量的降低可有效促使水稻中Cd含量下降；茎叶Si含量和糙米Cd含量呈显著负相关，水稻各部位Si含量的增加抑制Cd向水稻糙米内的运输.

c) 相比于化肥全施，在减肥30%的处理下，Si肥对水稻的品质、产量以及土壤和水稻糙米的降Cd效应与提升效益更为显著. 该研究提出的在增施功能性肥料(如Si肥)的同时减施常规化肥的农艺调控措施，可为实现科技部重点研究计划“化肥农药减施增效技术应用研究”提供一条有效的解决途径以及有力的技术支持.