淹水条件下叶面喷施硒与海泡...联合降低水稻吸收砷镉的风险_李增飞.pdf
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1、农业环境科学学报Journal of AgroEnvironment Science2023,42(6):1208-12182023年6月李增飞,廖国健,石圣杰,等.淹水条件下叶面喷施硒与海泡石联合降低水稻吸收砷镉的风险J.农业环境科学学报,2023,42(6):1208-1218.LI Z F,LIAO G J,SHI S J,et al.Risks of selenium and sepiolite use to reduce arsenic and cadmium uptake in rice under flooding conditionsJ.Journal ofAgro-Envir
2、onment Science,2023,42(6):1208-1218.淹水条件下叶面喷施硒与海泡石联合降低水稻吸收砷镉的风险李增飞1,廖国健2,石圣杰1,林晓军3,陆芳焘4,刘喜德5,黄驰超6,兰加永7,范稚莲2,冯人伟1*(1.福建农林大学资源与环境学院,福州 350002;2.广西大学农学院,南宁 530000;3.广西都安县高岭镇农业技术推广站,广西河池 530700;4.广西环江毛南族自治县绿色食品发展站,广西 河池 547000;5.广西罗城仫佬族自治县农产品质量安全检测站,广西 河池 547000;6.广西河池市农业生态与资源保护站,广西 河池 547000;7.广西河池市金城江
3、区农业农村局植物保护站,广西 河池 547000)Risks of selenium and sepiolite use to reduce arsenic and cadmium uptake in rice under flooding conditionsLI Zengfei1,LIAO Guojian2,SHI Shengjie1,LIN Xiaojun3,LU Fangtao4,LIU Xide5,HUANG Chichao6,LAN Jiayong7,FAN Zhilian2,FENG Renwei1*(1.College of Resources and Environment,
4、Fujian Agriculture&Forestry University,Fuzhou 350002,China;2.College of Agriculture,Guangxi University,Nanning 530000,China;3.Gaoling Town Agricultural Technology Popularization Station of Du an County,Hechi530700,China;4.Green Food Development Station,Huanjiang Maonan Autonomous County,Hechi 547000
5、,China;5.AgriculturalProduct Quality and Safety Inspection Station,Luocheng Mulam Autonomous County,Hechi 547000,China;6.Hechi Agricultural Ecologyand Resource Protection Station,Hechi 547000,China;7.Plant Protection Station of Agricultural and Rural Bureau of Jinchengjiang收稿日期:2022-11-21录用日期:2023-0
6、2-27作者简介:李增飞(1995),男,硕士研究生,主要研究方向为(类)重金属污染修复研究。E-mail:*通信作者:冯人伟E-mail:基金项目:国家自然科学基金面上项目(41103075,41877497)Project supported:The National Natural Science Foundation of China(41103075,41877497)摘要:硒(Se)能抑制水稻对镉(Cd)和砷(As)的吸收,但针对Se应用风险的研究还较为缺乏。为探究Se在降低重(类)金属吸收实际应用过程中尤其是南方多雨条件下的适用性,本研究采用全生育期淹水的农艺措施,利用根施海泡石
7、30 mgkg-1(SP30)和50mgkg-1(SP50),并配合叶面喷施Se肥(Na2SeO3)1 mgL-1(Se1)和5 mgL-1(Se5),测定根际土壤pH和Eh,水稻籽粒Cd、As、Se、氨基酸的含量以及Se形态等指标,探究Se对水稻生长和重(类)金属吸收的影响。结果表明:与CK处理相比,单独叶面喷施Se和单独根施海泡石处理均在一定程度上对水稻产生了不利影响,同时还一定程度上促进了籽粒中Cd或As的富集。与SP30处理相比,额外添加Se显著增加了株高(Se5SP30处理)、200粒质量(Se5SP30处理)、结实率、籽粒中Cd的含量和部分氨基酸含量,但降低了籽粒中Mg(Se5SP
8、30处理)、Ca、Mn(Se5SP30处理)和Fe的含量。与SP50处理相比,额外添加Se显著降低了茎鲜质量、产量(Se5SP50处理)、籽粒中Mg(Se5SP50处理)、Ca(Se5SP50处理)、Fe、Zn 和缬氨酸(VAL)(Se1SP50处理)的含量;增加了结实率(Se5SP50处理)和籽粒中精氨酸、色氨酸的含量,未显著影响籽粒中As和Cd含量。研究表明,全生育期淹水条件,施用Se和海泡石会增加As和Cd在水稻籽粒中富集的风险。因此,在利用Se和海泡石降低水稻籽粒中的As、Cd含量时,需要注意土壤水分的管理。关键词:氨基酸;硒形态;水稻;复合污染;镉砷富集中图分类号:X173文献标志码
9、:A文章编号:1672-2043(2023)06-1208-11doi:10.11654/jaes.2022-1187李增飞,等:淹水条件下叶面喷施硒与海泡石联合降低水稻吸收砷镉的风险2023年6月水稻是世界一半以上人口的主要粮食作物,特别是亚洲1,然而这些地域的许多国家都面临着农田镉(Cd)和砷(As)的污染,导致它们在作物中过量积累。据报道,我国19%的农田土壤受到重(类)金属污染,其中以 Cd、镍(Ni)、铜(Cu)、As、汞(Hg)和铅(Pb)为主2。据调查,我国南方某矿区稻田土壤中Cd、As含量分别为11.7 mgkg-1和35.1 mgkg-1,均高于农业土壤环境质量标准(GB 1
10、56182018);而稻米中Cd和As含量达1.1 mgkg-1和0.7 mgkg-13,分别是食品安全国家标准(GB 27622017)的 5.5 倍和 3.5 倍。同时,西班牙4、韩国5和越南6等国也有 As、Cd单独或复合污染的问题。因此,对农田Cd和As污染亟需治理。土壤重(类)金属污染修复技术主要包括:原位钝化7、叶面喷施8和生物修复9等。原位钝化主要通过沉淀10、竞争吸附11、络合12和调节土壤 pH13等机制来降低植物对重(类)金属的吸收。硒(Se)是人体必需的营养元素,缺Se可导致甲状腺功能减退症、心血管疾病、免疫系统减弱等疾病14。通过土壤施用Se15和叶面喷施Se16可提高
11、作物中Se含量,从而达到提高人体Se摄入量的目的。同时,适量浓度的Se可缓解各种逆境胁迫,如盐、低温、高温和重(类)金属胁迫17。此外,Se还能抑制植物对多种重(类)金属的吸收,包括Cd和As18。但是,在利用Se降低农作物重(类)金属吸收的过程中,一些外在的不利条件可能会限制这一技术的适用性,但到目前为止,上述问题还未引起重视。例如,Cd在土壤中以阳离子形态存在,而As则以中性分子(三价)或阴离子(五价)形态存在,这些特性导致单独使用Se较难同时降低植物对Cd、As吸收。因此,必须采用联合技术措施以同时降低植物对Cd、As的吸收富集。研究者通过根施Se结合水分管理的方式,试图同时降低水稻对A
12、s、Cd的吸收;然而,长期淹水降低了Cd的有效性,却增加了土壤中As的有效性19-21,使得稻米As含量仍超过其国家标准(0.2 mgkg-1)19。我国水稻种植区域一般降雨较多,经常会面临晒田不充分的情况,而不恰当的晒田时间会影响植物对As、Cd的吸收富集8。综上所述,在实践中利用Se降低植物重(类)金属吸收这一技术可能存在条件限制,需针对其适用范围开展研究,但相关研究还十分缺乏。海泡石降低植物Cd吸收的效果较好,常被用于土壤Cd的钝化修复22-23。本研究试图在前期Se配合水分调控的基础上,向水稻根系施加海泡石,探究排水不畅条件下,叶面喷施Se(Na2SeO3)降低水稻As、Cd吸收的适用
13、性及其风险。本研究的主要内容包括:水稻生长的响应;水稻籽粒中Cd、As和必需元素的含量;氨基酸含量和Se在籽粒中的形态差异。1材料与方法1.1 植物培育及土壤处理将取自广西河池地区都安县的复合污染土壤,放District,Hechi City,Hechi 547000,China)Abstract:Selenium(Se)can inhibit the absorption of cadmium(Cd)and arsenic(As)in rice,and combined Se and passivatortechnologies have been applied in rice soil
14、remediation.However,the risks of Se application with passivators have not been investigated.Using a full flooding condition,this study explored the applicability and risks of Se combined with passivators under rainy weather in thesouth of China.Either 30 mgkg-1or 50 mgkg-1sepiolite(SP30 and SP50,res
15、pectively)was used as a base fertilizer and 1 mgL-1or 5mgL-1Se(Na2SeO3;Se1 and Se5,respectively)as a foliar fertilizer.Indexes were measured for soil rhizosphere(pH and Eh)and rice grain(mainly concentrations of Se speciation,amino acids,cadmium,arsenic,and selenium).The results showed that compared
16、 to the CKtreatment,adding Se or sepiolite alone had adverse effects on rice and promoted the enrichment of Cd or As in grains.Compared totreatment with SP30,Se1SP30 and Se5SP30 significantly increased seed setting rate and Cd concentration.Se5SP30 also significantlyincreased plant height and 200 gr
17、ain weight.While the rice grain concentration of some amino acids increased with both treatments,adecrease in Ca and Fe was observed with both treatments,and Mg and Mn decreased in Se5SP30.Compared to treatment with SP50,Se1SP50 and Se5SP50 significantly reduced the shoot fresh weight,while treatmen
18、t with Se5SP50 also reduced shoot yield and increasedseed setting rate.Decreased grain concentrations of Fe and Zn were observed for both treatments,Mg and Ca with Se5SP50,and valine withSe1SP50.Increased grain concentrations of arginine and tryptophan were observed with both treatments.The concentr
19、ations of As and Cdin grains were not significantly affected with either treatment.The results of this study indicate that the use of Se or sepiolite increase therisk of As and Cd enrichment in rice grains under flooding conditions during the whole growth period.In practice,attention to watermanagem
20、ent is needed when using Se and sepiolite to remediate As or Cd contaminated soils.Keywords:amino acid;selenium morphology;rice;combined pollution;cadmium and arsenic enrichment1209农业环境科学学报第42卷第6期置于试验大棚内自然风干,磨细过20目筛,充分混合均匀后放置于暗处。取部分过20目筛的土壤过100目筛,用于测定土壤基本理化性质。土壤中重金属含量(mgkg-1)为 Cd 1.45、As 53.46、Cr 22
21、.64、Ni 9.72、Cu 12.34、Zn 95.57、Pb 80.36,Se含量为0.38 mgkg-1,N、P、K2O分别为2.22、1.02、10.04 gkg-1、速效氮、速效磷、速效钾含量分别为118.25、63.80、151.88 mgkg-1、有机质含量为33.55 gkg-1、pH为6.16。根据 土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)(GB156182018),本研究中土壤Cd和As均超过各自的标准(在 5.5pH6.5 条件下,稻田中的 As:30 mgkg-1,Cd:0.4 mgkg-1)。土培试验采用塑料桶,每桶装风干土5 kg。每桶土中施用基肥NCO(NH
22、)2 0.20 g、P(KH2PO4)0.12 g、K(K2SO4)0.26 g,并按照试验设计施加海泡石。根据前人的研究19,Se肥设2个处理浓度1 mgL-1(Se1)和5 mgL-1(Se5)(叶面肥喷施);海泡石设2个处理浓度30 mgkg-1(SP30)和50 mgkg-1(SP50),因此,本试验有 CK、Se1、Se5、SP30、SP50、Se1SP30、Se1SP50、Se5SP30、Se5SP50 共 9 个处理,每个处理3个重复。选取大小均匀、颗粒饱满的水稻种子,放入 2%的NaClO溶液中消毒20 min,先后用自来水及去离子水各清洗2遍,然后播种于培养基质(蛭石与珍珠岩
23、为体积比1 1),加入去离子水湿润后置于玻璃温室内培养 3周,培养期间视幼苗长势情况用 50%Hoagland营养液滴浇。移苗前一周对塑料桶中的风干土进行淹水,保持3 cm的淹水层。3周后,选择大小均匀的水稻幼苗,用去离子水清洗幼苗根系并移栽到塑料桶中,每桶2株。在水稻的整个生育期间,保持淹水层34 cm。Se肥作为叶面肥另外喷施,在水稻抽穗期和灌浆期喷施,每次每桶喷施已配制的Se肥100mL。水稻后续整个生长栽培过程均在玻璃温室内进行,采用自然光源,温度1538。1.2 样品采集、处理及测定水稻成熟收获前测其株高并原位测定水稻根际土Eh和pH,待盆中土壤水分减少至土壤稀松后,收获水稻并置于尼
24、龙网袋,同时采集相应的根际土壤带回实验室。采集的水稻植株分为根、茎叶和稻穗三部分,称量其茎叶鲜质量。用去离子水对根、茎叶仔细清洗,放入 70 烘箱烘干至质量恒定,称茎叶干质量。对稻穗进行脱粒,称200粒质量。统计每桶水稻产量,收集糙米和稻壳。将根系、茎叶、稻壳和稻米用小型粉碎机进行粉碎后用塑料密封袋保存待测。采回的根际土壤样品自然风干,磨碎,过100目筛,用塑料密封袋保存待测。1.3 样品中元素含量测定土壤及植物样品消解均采用莱伯泰科DigiBlockED54电热消解仪消解。土壤样品:称取0.250 0 g土样至消煮管中,加入10 mL浓 HNO3和 4 mL HF,静置一夜后,先以 120
25、加热2 h,再升温至150,揭盖并将温度调至170,使管内液体剩余约1 mL,冷却,定容、过滤到50 mL容量瓶中24。每批样品加入空白样品及土壤标准样品(GBW07456,地球物理地球化学勘查研究院 IGGE)从而进行质量控制。各样品的相对标准偏差(RSD)均小于10%,回收率在85%120%之间。植物样品:称取0.200 0 g植物样品至消煮管中,加入 15 mL 浓 HNO3,静置一夜。先以 80 加热 1.5h,再升温至120 加热1.5 h,最后以150 加热3 h,揭盖并将温度调至180,蒸发至管内液体剩余约1mL,冷却,过滤后定容到50 mL容量瓶中25。消解后的植物及土壤样品用
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