重金属镉（Cd）是我国耕地土壤主要的无机污染物。2014年《全国土壤污染状况调查公报》指出在所有土壤污染物中，Cd的超标率为7.0%^[1]。无论浓度高低，土壤中的Cd易被水稻吸收并富集在稻米，导致稻米中Cd含量超过国家食品卫生标准值。2013年据报道，沈阳、广东、湖南、湖北和山西等地均出现“Cd米”问题，其中南方部分地区农产品中Cd含量超标大米占10 %以上^[2]。如果人们长期食用Cd含量超标的食品，将严重影响人体健康，如日本的“痛痛病”就是典型病例。为了降低稻米中Cd的风险，许多学者开展如何阻控土壤中Cd的迁移和降低大米中Cd含量的研究^[3-11]，但是由于土壤Cd具有不能被微生物降解、累积性、持久性和难移动性等特点，以及农田土壤不能轻易改变使用性质，在现阶段土壤Cd含量没有彻底消除和大幅度降低的情况下，添加原位阻控剂来阻控土壤中重金属迁移的措施得到大家的认可而被广泛推广^[3-5]，如王林等^[4] 通过田间试验证明原位阻控剂能显著降低糙米中的Cd和Pb含量。朱雁鸣等^[5] 通过盆栽实验，研究添加阻控剂能够降低大豆苗富集重金属含量。此外，石灰^{[4, 6-7]}、硅肥^[8-10]和喷施叶面肥^[11]等也是备受关注，但是究竟它们之间对降低稻米中Cd含量的效果如何，还鲜有报道。本研究随机在市场购买3种常用的阻控剂，于2014年在衡阳某受到Cd轻度污染的农田进行大田试验，比较研究3种阻控剂对水稻吸收Cd的抑制效果，为有效解决农田土壤Cd污染和食品安全问题提供科学依据和技术支持。

试验地点位于湖省衡阳市衡阳县的农田，其周围曾有化工厂、水泥厂和陶瓷厂等，农田已受到一定的污染。试验实施之前，按照梅花法采集农田土壤样品，经自然风干后，磨细过100目尼龙筛，存储于密封袋内备用。采用电位法（水土比为2.5∶1）^[12] 测定土壤pH值，土壤重金属Cd采用王水（HNO3∶HCl=3∶1）+高氯酸消化法消煮，同时用土壤国家标准参比物质（GSS^-5）和空白样进行分析质量控制，土壤有机质、全氮和全钾含量按照《土壤农业化学分析》方法进行分析^[12]。土壤重金属元素分析用原子吸收分光光度计-石墨炉法（GTA120，美国 Varian）测定。试验农田土壤的平均pH=6.72，Cd的含量为0.353 mg·kg^-1，有机质含量为8.46 g·kg^-1，全N含量为0.302 g·kg^-1，全K含量为10.20 mg·kg^-1。

供试水稻品名为早稻Y俩优792和晚稻农香130（杂交稻，全生育期 114 d），秧苗由衡阳安邦农业科技有限公司试验基地提供。供试的石灰、硅肥和叶面锌肥的基本情况见表 1。

表 1　阻控剂的基本情况 Table 1　Basic situation of inhibitors

表选项

试验设计方案设4个处理：空白对照（CK），石灰处理（SH），基施硅肥处理（GF），喷施叶面锌肥处理（YX），每个处理重复3次，随机分布，共12个小区。每个小区面积20.0 m²，小区之间用田埂隔开，具体试验处理方案见表 2。石灰在水稻种植前3 d撒施于土表，并与表层土壤混匀；叶面锌肥分别在水稻分蘖期、抽穗期和乳熟期按照要求进行喷施，喷液量以作物叶片正背面沾满雾滴为宜。农田基肥为掺混肥料：N-P2O5-K2O=25-12-14，共施加50 kg，灌溉水以当地的稻田管理措施进行管理。试验设计两季水稻连作，时间为2014年5—10月，其中早稻时间为2014年5月8日—7月17日，晚稻时间为2014年8月2日—10月22日。

表 2　试验处理 Table 2　Each treatments of the experiment

表选项

植株样品于每季水稻收获期进行采集，每个小区随机取3株。采集后，用自来水洗净泥土，分为根、茎、叶和籽实。将籽实样品置于室外阳光下晒干，其他部位样品皆装入A4信封袋编号后置于102 ℃烘箱内杀青2 h，再调至65 ℃ 烘至恒重。水稻的根、茎、叶用植物粉碎机粉碎后，装入密封袋保存待用。植株样品（根、茎、叶、谷壳和糙米）采用混合酸硝酸-高氯酸（体积比为4∶1）消化法消煮，同时用植物国家标准参比物质[灌木枝叶GBW07603（GSV^-2）、大米植物国家标准参比物质GBW10010（GSB^-1）]和空白样进行分析质量控制。分析过程中所用试剂均为优级纯。Cd全量测定采用原子吸收分光光度计-石墨炉法（GTA120，美国 Varian）测定。

本研究利用 Microsoft Excel 2003进行均值、标准差计算和作图，利用SPSS（ Statistical Product and Service Solutions，18.0）的 ANOVA 模块（LSD 法，α=0.05）试验处理进行方差分析和均值比较。

土壤中Cd的含量为0.353±0.02 mg·kg^-1，与国家土壤环境质量标准（GB 15618—1995，0.3 mg·kg^-1）相比，实验区稻田土壤属于轻度Cd污染区。此外，由表 1和表 2 可知，中国肥料标准（GB/T 23349—2009）中重金属Cd的指标为≤0.001 0%，本供试硅肥中总Cd含量为0.571±0.02 mg·kg^-1，表明在市场购买的硅肥符合国家的农用标准，但它的长期施用是否会对农田土壤和水稻富集Cd存在风险有待商榷。王起超等^[13]研究表明，绝大多数化肥中Cu、Pb、Zn、Cd不超过土壤环境质量二级标准，但个别复合肥料中Hg和Zn含量过高，具有一定的环境风险。但是王美等^[14]认为施用化肥对农作物重金属富集的影响不明确，而施用有机肥可提高作物可食部位Cu、Pb、Zn、Cd的含量。

由表 3可知，与CK相比，除了早稻SH处理和晚稻的SH、YX处理外，其他处理下的供试水稻产量都有不同程度的提高，其增幅为16.81%~32.39%，差异显著（P<0.05）。在本试验条件下，产量最高的是GF，较对照增产了32.39%。这是由于水稻是典型的喜硅植物，硅肥的施加能够增加水稻植株对硅的吸收和利用^[15]。随着硅元素进入水稻叶片，增加叶绿素的含量^[16]，从而通过提高叶片光合能力来促进水稻的生长发育。石灰对水稻产量无显著影响，但也有研究表明^[17-18]过量的施用石灰能使土壤质地日趋黏重，导致土壤氮元素的缺失。而氮的吸收量与水稻产量显著正相关，最终可能限制水稻的增产。锌能提高水稻成穗率、结实率和千粒重^[19]，从而促使水稻增产。本实验叶面锌肥对稻谷的产量均有促进作用，宋科等^[20] 研究也表明锌肥处理能显著提高水稻产量，增产率达到10%以上。

表 3　3种处理对早稻和晚稻产量的影响 Table 3　Impact of treatments on the yields of early rice and late rice

表选项

对早稻Y俩优792和晚稻农香130成熟期各部位的Cd含量进行处理间多重比较分析，结果见表 4。由表 4可知，无论是否施加阻控剂，水稻根系都可吸收和累积大量的Cd，而水稻的茎叶储存的Cd相对较少。土壤中的Cd离子通过根的表皮细胞空隙以及根表皮细胞膜上的运输蛋白进入细胞内，水稻地下部分的根系直接接触土壤，是最容易吸收和积累Cd的器官；茎部连接着地下部分和地上部分，向叶片及以上运输着根部积累的物质。叶片是进行光合作用和蒸腾作用的主要器官，也是水稻籽实营养的重要供给者，其从茎部和外界接触的Cd对籽实的Cd积累有密切关系。由早晚稻籽实中Cd含量可知，Cd越往上迁移含量越少，一般是新陈代谢旺盛的器官的富集量高于营养贮藏器官中的富集量^[21]。因此，在一般情况下，Cd在水稻植株的分布是：根＞茎＞叶＞籽实。

表 4　早稻和晚稻各器官中 Cd 的含量 Table 4　Cd contents in organs at early rice and late rice

表选项

由表 4早稻各部位Cd含量可知，与对照相比，3种阻控剂对水稻根茎叶吸收Cd具有一定抑制作用。根部Cd含量变化范围为0.452~1.003 mg·kg^-1；茎部中Cd的含量变化范为0.064~0.137 mg·kg^-1；叶部中Cd含量变化范围为0.045~0.081 mg·kg^-1；籽实中Cd含量变化范围为0.019~0.039 mg·kg^-1。其中，GF和SH对水稻根茎叶和籽实中Cd含量作用明显，而YX处理下的根部Cd含量无显著变化。根部Cd含量大小关系为CK＞YX＞GF≈SH（“＞”代表差异显著（P<0.05），“≈”代表差异不显著，下同。)；茎部Cd含量大小关系为CK＞YX≈GF＞SH；叶部Cd含量大小关系为CK＞SH＞YX≈GF；籽实Cd含量大小关系为CK＞SH≈GF＞YX。

由表 4晚稻各部位Cd含量可知，与对照相比，3种阻控剂对水稻根茎叶吸收Cd有一定抑制作用。根部Cd含量变化范围为0.295~0.453 mg·kg^-1；茎部中Cd的含量变化范为0.062~0.107 mg·kg^-1；叶部中Cd含量变化范围为0.051~0.088 mg·kg^-1；籽实中Cd含量变化范围为0.008~0.014 mg·kg^-1。其中，GF和SH对水稻根茎叶和籽实中Cd含量作用明显，而YX处理下的根部Cd含量无显著变化。根部Cd含量大小关系为CK＞YX≈GF≈SH；茎部Cd含量大小关系为CK＞YX＞SH＞GF；叶部Cd含量大小关系为CK≈YX＞SH＞GF；籽实中Cd含量大小关系为CK＞GF≈SH≈YX 。

因此，施硅肥和石灰、喷施锌肥都能显著降低水稻各部位Cd含量，其中石灰降低水稻根部Cd含量效果最好，这是由于石灰一方面调节土壤pH值，另外一方面由于其主要的成分为钙的化合物，对土壤中Cd离子起到较好的固化作用，可以大大减少水稻根系对Cd的吸收积累^[7]。基施硅肥降低水稻茎部和叶部Cd含量效果最好，且晚稻时期对降低籽实Cd含量与叶面锌肥的效果无显著差异。基施硅肥后，除了能提高土壤pH值，降低Cd活性^[22]外，硅还能与重金属形成共沉淀，沉积在土壤和根系表面^[23]。也有研究显示^[3]，硅在水稻地上部分的积累能阻止Cd的质外体运输途径，减少水稻地上部分Cd的沉积，最终降低稻米中Cd的含量；另外，基施硅肥是多元素的混合肥料，其中含有的有效钾、有效钙和有效镁等中微量元素均对Cd有一定拮抗作用。叶面锌肥对降低籽实Cd含量处理效果最好，但对晚稻叶部的作用效果存在差异。本实验喷施叶面锌肥对水稻根部作用不明显，说明叶面喷施锌肥后锌元素极少向地下迁移，从而对地下部分的Cd没有明显的作用效果。有研究表明^[24-25]，叶面锌肥对降低水稻叶片Cd含量的作用是由锌镉共用亲和性质膜转运蛋白所产生的Zn/Cd拮抗作用，从而阻控了早稻（Y俩优792）茎部和叶部Cd向上的迁移；而对晚稻（农香130）叶片中Cd富集起到促进作用，且高于茎部，这与索炎炎等^[26]的试验研究有一定相似之处。水稻中锌元素含量存在显著的基因型差异^[24]，最终对水稻中Cd的分布影响也会存在差异。且Adiloglu^[27]研究证明施用锌肥可以降低了谷类作物中Cd积累，竞争Cd在细胞上的结合位点，而在缺锌土壤上锌肥的施用却导致Cd的含量增加，说明植物对Cd和锌之间的吸收极易发生改变。本实验2个品种在相同的叶面锌肥浓度下表现的锌镉交互作用也不同，锌在水稻植株中与Cd的作用体现的拮抗和协同并没有一致的结论。

Cd在水稻籽实中的富集不仅仅与土壤中Cd含量相关，也依赖于各个器官对Cd的转运能力。转运系数是植物上部某元素质量分数与植物下部某元素质量分数之比，用来评价植物将重金属从下部向上部的迁移能力^{[3, 28]}，也常用来作为筛选最佳阻控剂的施用量的指标。水稻下部与上部Cd的转运系数越小，说明Cd越容易被固定在植株下部中，转运到植株上部中的Cd越少^[29]；同理，籽实与叶部Cd转运系数越小，Cd进入食物链的可能性就越低。本研究中早稻和晚稻中Cd的转运系数如表 5所示。从表 5可看出，早稻中Cd转运系数普遍规律是（茎∶根）<（籽实∶叶）<（叶∶茎），晚稻的转运系数普遍规律是（籽实∶叶）<（茎∶根）<（叶∶茎）。根到茎的转运系数范围为0.127~0.260，表明地下部分向地上部分输送能力非常弱；茎到叶的转运系数范围为0.399~1.197；叶到籽实的转运系数为0.114~0.486。其中，叶∶茎转运系数最大，说明水稻茎部Cd极易迁移至叶部。文志琦等^[30]研究证明水稻吸收的Cd主要集中在根系和叶片中，是Cd主要的储存器官，且通过分析赵步洪等^[31]研究中不同部位茎叶Cd浓度发现，基部叶的Cd含量显著大于茎部的倒一节间。因此，特定情况下，叶部的Cd含量是极可能大于茎部的。

表 5　水稻中Cd的转运系数 Table 5　Transfer coefficient of cadmium in rice organs

表选项

石灰与对照的转运系数相差相对不大，说明石灰对水稻植株内部的Cd迁移影响不大。与CK相比，基施硅肥在水稻各部位转运中都有一定抑制作用，史新慧等^[32]研究表明水稻叶片中含有一种能参与控制水稻内部硅沉积的结合蛋白，说明在该品种下沉积的硅能与Cd发生沉淀反应或区室化效应或分解与有机酸结合在液泡中^[33]，最终将Cd滞留在运输途径中，降低其向上的转运系数。叶面锌肥各部位转运系数相对其他处理最低，说明其与Cd的拮抗作用明显，但在晚稻（叶∶茎）中却表现出促进作用，运输系数远远大于CK值，且>1。说明在晚稻（农香130）中叶面锌肥处理下茎部向叶部的迁移能力相对较强，而其向籽实中的迁移能力相对减弱，表明叶面锌肥处理下锌镉拮抗作用更能使Cd积累在叶部。

石灰与对照的转运系数相差相对不大，说明石灰对水稻植株内部的Cd迁移影响不大。与CK相比，基施硅肥在水稻各部位转运中都有一定抑制作用，史新慧等^[32]研究表明水稻叶片中含有一种能参与控制水稻内部硅沉积的结合蛋白，说明在该品种下沉积的硅能与Cd发生沉淀反应或区室化效应或分解与有机酸结合在液泡中^[33]，最终将Cd滞留在运输途径中，降低其向上的转运系数。叶面锌肥各部位转运系数相对其他处理最低，说明其与Cd的拮抗作用明显，但在晚稻（叶∶茎）中却表现出促进作用，运输系数远远大于CK值，且>1。说明在晚稻（农香130）中叶面锌肥处理下茎部向叶部的迁移能力相对较强，而其向籽实中的迁移能力相对减弱，表明叶面锌肥处理下锌镉拮抗作用更能使Cd积累在叶部。

（1）从水稻产量来看，除石灰之外，其他阻控剂对稻谷产量有一定促进作用，增产范围为16.81%~32.39%，其中施硅肥能明显提高稻谷的产量。

（2）3种阻控剂均能显著降低早晚稻植株中Cd的含量。其中以石灰和硅肥对根部Cd积累的阻控效果最好，分别降低了早稻根部Cd含量55.58 %、44.48 %和晚稻根部Cd含量47.50 %、35.56 %；基施硅肥对降低叶中Cd含量作用显著，分别降低了早稻叶部37.50 %和晚稻叶部44.44 %；叶面锌肥对阻控籽实富集Cd贡献最大，分别降低了早稻籽实51.28 %和晚稻籽实50.92 %，硅肥次之。

（3）水稻植株内各部位间的转运系数在0.114~1.197之间，叶∶茎转运系数最大，说明水稻叶部也是Cd的主要存储器官，具有富集Cd的潜力。

（4）叶面锌肥的作用主要集中在水稻的叶部，对籽实积累Cd的阻控效果最好。从农业发展来看，叶面锌肥成本低，但其与Cd交互作用的复杂性仍需进一步的探讨，施加硅肥是目前最理想的阻控技术。