硅(Si)是土壤中丰度最高的元素，研究已证实它能够帮助植物克服各种环境胁迫.水稻是一种典型的硅富集作物，硅的高积累对水稻的丰产和可持续农耕作业尤为重要.对常规作物和人体而言，镉(Cd)是一种高毒性的重金属元素，Cd可通过食物链进入人体并造成健康危害，如痛痛病等；在现今的农田植物阻隔技术中，在Cd污染的农田土壤上，施用富硅材料(如钢渣、粉煤灰和硅肥等)降低作物可食部中Cd积累量，从而保障粮食生产安全是较为行之有效的手段之一.

环境生态学家普遍认为，施硅主要能够起到3方面的重金属阻控作用：①富硅材料一般呈碱性，施入土壤中不仅能提高土壤的pH，还可降低土壤中重金属的植物有效性，起到金属钝化作用(Qiu et al., 2012)；②施用富硅材料还能提高作物的整体硅含量，硅和重金属很可能会在植物细胞壁和液泡中以Si-Metals复合物形式沉淀，减少伤流液中重金属的运输量，即减少重金属向地上部的转运量，从而起到了区室化阻隔的目的(邓腾灏博等，2011)；③亦有研究认为，植物根表铁膜能够起到吸附-沉淀-阻隔重金属的作用(傅友强等，2010;杨旭健等，2014).与此同时，分子生物学家在Si、As和Cd的水稻转运通道方面有所突破，发现了水稻体内3种关于Si的转运基因：OsLsi1、OsLsi2和OsLsi6；其中，OsLsi1和OsLsi2主要控制水稻根部对Si的吸收过程(Ma et al., 2006，2007)；而OsLsi6主要控制Si在木质部的卸载及Si在内部导管中的转运过程(Yamaji et al., 2009).又因发现Si和As在水稻体内存在相似的吸收转运渠道，故为硅肥阻控稻米As污染技术提供了有利的理论及应用支持(Li et al., 2009)；而关于Cd的研究，科学家鉴定出3种涉及Cd在水稻体内富集的关键转运基因：OsNramp5、OsHMA3和OsHMA2；其中，OsNramp5主要调控水稻对Cd的吸收过程(Sasaki et al., 2012)；OsHMA3主要是调控Cd进入根部细胞的液泡中，从而区室化阻隔Cd向地上部的转运过程(Ueno et al., 2010)；OsHMA2则可调控Cd从水稻根部向地上茎部的转运及Cd向稻穗花序中的再分配过程(Yamaji et al., 2013).综上可知，无论是从物化改良剂材料研发，还是水稻分子生物学层面，Si对Cd的植物阻隔效果都可能有着重要作用.但Si和Cd的转运基因是否也存在Si和As类似的耦合关系仍有待分子生物学家进一步探索.另外，水稻是一种湿地植物，干湿交替的土壤环境使它进化出特殊的生存能力，土壤淹水时，土壤处于还原状态，Cd离子易被还原为CdS沉淀，此时Cd不易被水稻富集；当土壤处于晒田或氧化状态时，CdS易被氧化为Cd离子，则Cd易被水稻富集.因此，稻作的水分管理措施间接影响了稻米中Cd的积累量，研究已证实，不淹水的曝气处理比淹水厌氧处理下的稻米中Cd的含量显著增高(Arao et al., 2009；Meharg et al., 2012).故水分管理对稻米Cd污染的阻控显得尤为关键.

湖南省是我国的农业大省，也是我国的有色金属矿业大省，农田土壤及稻米中重金属污染形势颇为严峻(雷鸣等，2008；2010).在当前无法大幅度削减土壤中重金属含量的前提下，施用物化改良剂对土壤中重金属进行稳定化处理是较好的选择，本研究在筛选出基施并结合叶面喷施硅肥为最优施肥方案的前提下(陈喆等，2014)，选取湖南Cd污染稻田土壤，采用盆栽试验的方法，开展施硅肥结合农艺水分管理对稻米Cd的阻控效果研究，进一步筛选出最佳稻米阻镉配套技术，为湖南省稻米Cd污染控制技术提供科学依据和应用技术储备.

供试早稻品种为湘早籼45号(常规稻，全生育期106 d)，供试晚稻品种为丰源优299(杂交稻，全生育期114 d).水稻种子由湖南农业大学农学院提供.

供试土壤为株洲新马土壤，土样按对角线法采自湖南株洲市马家河镇新马村试验示范基地稻田(27°50′1.3″N，113°02′8.4″E)，土壤类型为第四纪红壤.供试土壤pH和重金属含量见表 1.由表 1可知，株洲新马稻田土壤pH<5.0，属于偏酸性红壤，土壤中Pb、Cu和Zn的含量没有超过国家土壤环境质量二级标准，但土壤中Cd的含量已超过二级标准的13.67倍，故属于单一重度Cd污染稻田土壤(一般将土壤总Cd>2.0 mg · kg^-1归类为重度Cd污染土壤).实验设计时考虑选取该重度污染土壤作为试验材料的原因如下：倘若在重度污染的土壤下有处理措施能使稻米Cd含量达标，在轻中度污染土壤上实施该处理措施则更易达标.

表1(Table 1)

表1 土壤理化性质 Table 1 Soil physical and chemical properties

表1 土壤理化性质 Table 1 Soil physical and chemical properties mg · kg-1 土壤类型 pH Pb Zn Cu Cd 新马土壤 4.97±0.51* 125.19±8.35 149.18±3.19 27.06±1.10 4.10±0.42 二级标准* * <6.5 ≤250 ≤200 ≤50 ≤0.3  注: *为平均值±标准差；**为土壤环境质量标准(GB15618—1995，二级).

供试盆栽装置为PE材质40桶，上口径为40 cm，下口径为35 cm，桶高为30 cm.用磅秤称得每盆装新马土壤25 kg，统一将土分层填压至桶高28 cm处，并保持表土平整、湿润，于室外淹水月待土壤稳定紧实后，土层可下沉至桶高25 cm处.土表面积约为0.1526 m².该型桶为试验准备待用.

土施的硅肥为富力邦牌粉状硅钾钙肥(山西富邦肥业有限公司生产，有效硅SiO₂≥30%，氧化钙CaO≥30%，有效钾K₂O≥4%，有效镁MgO≥3%)，正常施入量为45 g · m^-2.

喷施的叶面硅肥为正大叶面肥1号速溶硅肥(郑州正大生物科技有限公司生产，有效成分：可溶硅+微量元素+其它养分≥50%)，推荐配施浓度为3.3 g · L^-1，喷液量以作物叶片正背面沾满雾滴为宜.

本试验采用完全随机区组室外盆栽试验方案，设置了4个处理：不施硅肥+常规间歇淹水措施(CK)、不施硅肥+全生育期淹水措施(CK+W)、2种硅肥配施+常规间歇淹水措施(SiLsi)、2种硅肥配施+全生育期淹水措施(SiLsi+W)，每个处理重复3次，具体试验处理技术见表 2.微肥施肥量均按肥料包装上的推荐使用剂量进行设计，基施硅肥为45 g · m^-2，喷施叶面硅肥浓度为3.3 g · L^-1；在水稻盆栽试验开展前，采集盆栽土壤样品，测定土壤理化性质.微肥改良剂施肥量均按肥料包装上的推荐施用剂量和喷施强度进行设计，施用规程见表 2，并且早晚稻的肥料和改良剂施加方式保持一致.

表2(Table 2)

表2 试验处理及操作规程 Table 2 Treatments and detail of experiment

表2 试验处理及操作规程 Table 2 Treatments and detail of experiment 处理 具体操作规程 CK 不施用任何改良剂，水分管理为常规间歇淹水管理；基本苗、施NPK肥等参考当地的高产管理技术 SiLsi 基施硅肥(45 g · m-2折合5.7 g · 盆-1)，并在孕穗期、抽穗期喷施叶面硅肥(剂量：3.3 g · L-1，强度：使水稻正反叶面覆满雾滴即可)，其他管理措施同CK W 在CK基础上，在孕穗末期持续淹水(Waterflooding)至收获前自然落干 SiLsi+W 在SiLsi基础上，在孕穗末期持续淹水至收获前自然落干

于2012年5月12日和2012年7月18日分别将长势均匀的湘早籼45早稻苗和丰源优299晚稻壮苗栽植，种植期间不打农药，于水稻抽穗前，在试验场地搭建尼龙网室，防止鸟类等动物偷食或破坏籽粒，其他管理措施按当地习惯进行.早稻和晚稻收获时间分别为2012年7月15日和2012年10月15日.早、晚稻的根、茎、叶都是在分蘖期、抽穗期和成熟期随机采集样品，穗部是在抽穗期和成熟期随机采集样品，除成熟期每盆随机采集2兜，其余各时期每盆采集1兜作为样品，经前处理后，上机测定水稻各器官或部位中Cd含量.本实验探究早稻和晚稻三大关键生育期内不同功能器官中Cd的含量及Cd的吸收转运规律；通过施加硅肥及相应的农艺淹水管理措施探索最优的稻米Cd污染阻控技术，以期为湖南省稻米Cd污染控制技术研发提供科学依据.

水稻样品采集后，用自来水洗净泥土，再手工肢解为根、茎、叶、穗 、谷粒等部位，经自然风干后，根据常规农业生产习惯，将谷粒样品置于室外阳光下晒干，其他部位样品皆装入编号信封并置于103 ℃烘箱内杀青1 h，调至65 ℃烘至恒重后，再称取和记录各部位样品的干重;晒干谷粒用糙米机和精米机再细分为谷壳、糙米和精米，然后用植物粉碎机粉碎植物样品后，装入密封袋保存. 2.3.2 水稻样品中Cd的测定方法 混合酸湿法消解(刘凤枝，2001)：水稻样品用ED36(美国Labtech)可调温电热消解仪进行消解.称取(0.5000±0.0002)g水稻粉末样品放入50 mL高温消煮管中，加10 mL混合酸(HNO₃ ∶ HClO₄=4 ∶ 1，均为GR级)的同时注意将消煮管边缘的残留样品冲刷至底部，然后每根管中放入1粒小玻璃珠，盖上弯颈小漏斗后插入消解孔中放置过夜.次日，开通风橱，先将消解仪温度设置为95 ℃，缓慢解热使样品起泡，保持95 ℃恒温10 min；升温到120 ℃，使酸回流并保持30 min；再次升温到170 ℃，保持60 min，彻底消解样品.如果溶液不透明，冷却后补加5 mL混合酸，或滴加H₂O₂，升温并保持温度，至溶液透明.最后升温至190 ℃，赶酸至溶液3~5 mL左右消解完毕.待消解液冷却后，用去离子水定容至25 mL，过滤至干净50型PE瓶中即完成消解.进行室内分析时每个样品重复3次，每批样品做3个空白样和3个灌木枝叶质控样(国家一级标准物质GBW07603(GSV-2))，按上述方法消解、定容后用原子吸收分光光度计-火焰法(TAS-990，北京普析)测Cd浓度在0.1 mg · L^-1以上的水稻样品，用原子吸收分光光度计-石墨炉法(GTA120，美国Varrian)测定Cd浓度在100 μg · L^-1以下的水稻样品.未能及时测定的消解液放入冰柜冷藏保存.

用Microsoft Excel 2003处理试验数据，用DPS v7.05统计软件进行试验数据统计分析.

湘早籼45从移栽到收割的时间为2012年5—7月，5月12日幼苗移栽，5月22日水稻属于秧苗期；6月5日水稻进入分蘖期，水稻生长表征情况正常；6月22日前后开始进入抽穗期，水稻植株生长更加茂盛且齐时抽穗；7月15日水稻成熟，稻穗变黄且籽粒饱满.表 3为改良剂与淹水措施对早稻不同生育期各部位中Cd含量动态变化状况.

表3(Table 3)

表3 早稻不同生育期各部位中Cd的含量 Table 3 Cd concentrations of early rice organs at different stages

表3 早稻不同生育期各部位中Cd的含量 Table 3 Cd concentrations of early rice organs at different stages mg · kg-1 处理 Cd(根部) Cd(茎部) Cd(叶部) Cd(穗部) 分蘖期 抽穗期 成熟期 分蘖期 抽穗期 成熟期 分蘖期 抽穗期 成熟期 抽穗期 成熟期 CK 5.54a 17.25a 33.57a 1.42a 6.49a 19.30a 0.98a 2.97a 6.36a 1.67a 3.29a W 4.39a 15.72a 31.68a 1.54a 2.98b 4.07c 1.11a 2.40a 3.10b 1.02b 0.66c SiYsi 2.90b 7.14c 16.45c 0.60b 2.74b 7.81b 0.56b 1.51b 1.73c 0.50c 1.67b SiYsi+W 3.06b 5.47d 5.53d 0.75b 1.09c 2.10d 0.46b 1.21b 0.91d 0.86b 0.54c

由表 3可知，湘早籼45在三大关键生育期内器官间Cd的含量跨度较大，尤其以水稻根部对Cd的积累量异常突出，水稻根部中Cd的含量大部分样品都超过土壤中Cd的总量(4.10 mg · kg^-1)，变化范围在2.90~46.68 mg · kg^-1之间；水稻茎部中Cd的含量变化范围为0.60~19.30 mg · kg^-1；水稻叶部中Cd的含量变化范围为0.46~6.36 mg · kg^-1；水稻穗部中Cd的含量变化范围为0.50~3.29 mg · kg^-1.水稻各部位中Cd含量大小关系在三大生育期内呈现出的总体规律为：根系>茎秆>叶片>穗部，并且水稻根、茎、叶和穗部中Cd含量都随着水稻的生长而逐渐增加.

从水稻分蘖期各部位的Cd含量大小关系来看，分蘖期各处理间水稻根部的Cd含量大小关系为：CK，W > SiLsi+W，SiLsi(“，”表示各处理间Cd含量从大到小排列但差异不显著，“>”表示各处理间差异显著，下同)；分蘖期各处理间水稻茎部的Cd含量大小关系为：W，CK > SiLsi+W，SiLsi；分蘖期各处理间水稻叶部的Cd含量大小关系为：W，CK > SiLsi，SiLsi+W.在分蘖期，水稻根、茎和叶部中Cd的积累量在CK和W处理间差异都不显著，这主要归因于在水稻分蘖期W处理暂时与CK处理的操作规程一样，且硅肥和淹水措施在分蘖期暂时尚未介入产生影响；与上述2种处理相比，SiLsi和SiLsi+W处理在分蘖期水稻各部位中Cd的含量显著降低，说明基施硅肥处理能有效的降低水稻分蘖期根、茎、叶部中Cd的含量，明显抑制Cd在水稻体内的吸收转运过程.

从水稻抽穗期各部位的Cd含量大小关系来看，抽穗期各处理间水稻根部的Cd含量大小关系为：CK，W > SiLsi > SiLsi+W，表明与CK相比，除W处理外，其他处理都能显著降低水稻根部中Cd的含量，且以SiLsi+W处理对根部中Cd的阻控效果最佳；抽穗期各处理间水稻茎部的Cd含量大小关系为：CK > W，SiLsi > SiLsi+W，表明与CK相比，各处理都能显著降低水稻茎部中Cd的含量，并以SiLsi+W处理对茎部中Cd的阻控效果最佳；抽穗期各处理间水稻叶部的Cd含量大小关系为：CK，W >SiLsi，SiLsi+W，表明与CK相比，各处理措施都能显著降低水稻叶部中Cd的含量，并以SiLsi和SiLsi+W处理对叶部中Cd的阻控效果最佳；抽穗期各处理间水稻穗部的Cd含量大小关系为：CK>W，SiLsi+W>SiLsi，表明与CK相比，各处理措施都能显著降低水稻穗部中Cd的含量，以SiLsi处理对穗部中Cd的阻控效果最佳.综上，说明硅肥及淹水的配套处理措施都能有效地降低水稻抽穗期根、茎、叶部中Cd的含量，从而明显抑制Cd在根部的吸收、Cd向地上部的转运、Cd向籽粒的再转运过程.

从早稻成熟期各部位的Cd含量大小关系来看，成熟期各处理间水稻根部的Cd含量大小关系为：CK，W> SiLsi>SiLsi+W，表明与CK相比，除W处理外，其他处理都显著降低了水稻根部中Cd的含量，并以SiLsi+W处理对水稻根部Cd含量的抑制效果最佳；成熟期各处理间水稻茎部的Cd含量大小关系为：CK>SiLsi>W> SiLsi+W，说明与CK相比，其他措施都能显著降低水稻茎部中Cd的含量，并以SiLsi+W处理对水稻茎部Cd含量的抑制效果最佳；成熟期各处理间水稻叶片的Cd含量大小关系为：CK>W>SiLsi>SiLsi+W，说明与CK处理相比，其他处理都能显著降低水稻叶部中Cd的含量，并以SiLsi+W处理对水稻叶部中Cd的含量抑制效果最佳.成熟期各处理间水稻穗部的Cd含量大小关系为：CK>SiLsi>W，SiLsi+W，说明与CK处理相比，其他处理措施都能显著降低水稻穗部中Cd的含量，并以W和SiLsi+W处理对水稻穗部Cd含量的抑制效果最佳.

综上所述，施硅处理、淹水处理及施硅结合淹水处理都能显著降低水稻地上部中Cd的含量，其中，SiLsi+W处理在三大关键生育期都有显著的降Cd效果.

晚稻丰源优299从种植到收割的时间为2012年7—10月，7月18日幼苗移栽，8月12日水稻属于秧苗期；9月11日水稻进入分蘖期，水稻生长情况旺盛；9月28日前后开始进入抽穗期，水稻植株生长更加茂盛；10月15日水稻成熟.表 4为改良剂与淹水措施对晚稻不同生育期各部位中Cd含量动态变化状况.

表4(Table 4)

表4 晚稻不同生育期各部位中Cd的含量 Table 4 Cd concentrations of late rice organs at different stages

表4 晚稻不同生育期各部位中Cd的含量 Table 4 Cd concentrations of late rice organs at different stages mg · kg-1 处理 Cd(根部) Cd(茎部) Cd(叶部) Cd(穗部) 分蘖期 抽穗期 成熟期 分蘖期 抽穗期 成熟期 分蘖期 抽穗期 成熟期 抽穗期 成熟期 CK 17.14a 23.53a 26.13a 4.73a 6.65a 10.67a 1.94a 8.34a 5.70a 3.05a 3.90a W 18.35a 19.75a 25.33a 4.66a 3.56b 5.58b 2.32a 2.98b 4.67b 0.52c 0.48c SiLsi 6.33b 11.84b 14.11b 2.92b 4.33b 6.29b 1.37b 0.94c 1.37c 1.15b 2.01b SiLsi+W 6.24b 7.43c 7.20c 2.35b 0.34c 0.41c 1.26b 0.21d 0.33d 0.16d 0.26d

由表 4可知，丰源优299在三大生育期内不同部位中Cd的含量跨度较大，尤其以水稻根部对Cd的积累量异常突出，试验组中水稻根部的Cd含量都超过土壤中Cd本底含量(4.10 mg · kg^-1)，变化范围在6.24~26.13 mg · kg^-1之间；水稻茎部中Cd的含量变化范围为0.34~10.67 mg · kg^-1；水稻叶部中Cd的含量变化范围为0.21~8.34 mg · kg^-1；水稻穗部中Cd的含量变化范围为0.16~3.90 mg · kg^-1.水稻各部位中Cd含量大小关系在三大生育期内所呈现出的规律为：根系>茎秆>叶片>穗部，并且水稻根、茎、叶和穗部中Cd含量都随着水稻的生长而逐渐增加，与早稻试验结论基本一致.

从晚稻分蘖期各部位的Cd含量大小关系来看，分蘖期各处理间水稻根部的Cd含量大小关系为：W，CK>SiLsi，SiLsi+W，表明与CK相比，除W处理与之差异不显著外，其他处理都能显著降低分蘖期水稻根部中Cd的含量，并以SiLsi和SiLsi+W处理对水稻根部Cd含量的抑制效果最佳；分蘖期各处理间水稻茎部的Cd含量大小关系为：W，CK>SiLsi，SiLsi+W，表明除W处理与CK差异不显著外，其他处理措施都能显著降低分蘖期水稻茎部中Cd的含量，并以SiLsi和SiLsi+W处理对水稻茎部Cd含量的抑制效果最佳；分蘖期各处理间水稻叶部的Cd含量大小关系为：W，CK>SiLsi，SiLsi+W，表明与CK相比，除W处理与之差异不显著外，其他措施都能显著降低分蘖期水稻叶部中Cd的含量，以SiLsi和SiLsi+W处理对水稻叶部Cd含量的阻控效果最佳.综上可知，在分蘖期，水稻根、茎和叶部中Cd的含量在CK和W各处理间差异不显著，而其他2种施硅处理(SiLsi+W和SiLsi)对分蘖期水稻各部位中Cd的含量有显著阻控作用，说明施硅处理措施都能有效地降低水稻分蘖期根、茎、叶部中Cd的含量，明显抑制Cd的吸收.

从晚稻抽穗期各部位的Cd含量大小关系来看，抽穗期各处理间水稻根部的Cd含量大小关系为：CK，W>SiLsi>SiLsi+W，表明与CK相比，除W处理与之差异不显著外，其他处理措施都能显著降低抽穗期水稻根部中Cd的含量，以SiLsi+W处理对水稻根部Cd含量的抑制效果最佳；抽穗期各处理间水稻茎部的Cd含量大小关系为：CK >SiLsi，W>SiLsi+W，表明与CK相比，其他处理都能显著降低抽穗期水稻茎部中Cd的含量，并以SiLsi+W处理对水稻茎部Cd含量的抑制效果最佳；抽穗期各处理间水稻叶部的Cd含量大小关系为：CK>W>SiLsi>SiLsi+W，表明与CK相比，其他处理都能显著降低抽穗期水稻叶部中Cd的含量，并以SiLsi+W处理对水稻叶部Cd含量的抑制效果最佳.综上可知，在抽穗期，水稻根、茎和叶部中Cd的含量在CK和W2个试验各处理间差异都不显著，而其他施硅处理(SiLsi+W和SiLsi)显著降低了抽穗期水稻各部位中Cd的含量，说明硅肥等处理措施都能有效的降低水稻抽穗期根、茎、叶部中Cd的含量，明显抑制Cd的吸收.

从晚稻成熟期各部位的Cd含量大小关系来看，成熟期各处理间水稻根部的Cd含量大小关系为： CK，W>SiLsi>SiLsi+W，表明与CK相比，除W处理与之差异不显著外，其他措施都能显著降低水稻根部中Cd的含量，并以SiLsi+W处理对水稻根部Cd含量的抑制效果最佳；成熟期各处理间水稻茎部的Cd含量大小关系为：CK>SiLsi，W>SiLsi+W，说明与CK相比，其他措施都能显著降低水稻茎部中Cd的含量，并以SiLsi+W处理对水稻茎部Cd含量的抑制效果最佳；成熟期各处理间成熟期各处理间水稻茎部的Cd含量大小关系为：CK>W>SiLsi>SiLsi+W，说明与CK处理相比，其他处理都能显著降低水稻叶部中Cd的含量，并以SiLsi+W处理对水稻叶部Cd含量的抑制效果最佳.成熟期各处理间水稻穗部的Cd含量大小关系为：CK>SiLsi>W>SiLsi+W，说明与CK处理相比，其他处理措施都能显著降低水稻穗部中Cd的含量，并以SiLsi+W处理对水稻穗部Cd含量的抑制效果最佳.综上可知，在水稻成熟期，与CK相比，其他处理都能显著降低水稻成熟期根、茎、叶和穗部中Cd的含量，起到良好的阻控效果.

稻谷是水稻的可食用部分，稻谷可以分解为谷壳、糙米和精米，糙米和精米中Cd含量的大小基本决定了稻米食用风险的高低.

从表 5可知，早稻成熟期稻谷各部位Cd含量大小的分配关系如下：谷壳>糙米；与CK相比，其他处理措施都能显著降低水稻谷壳中Cd的含量，以SiLsi+W处理对谷壳Cd含量的抑制效果最佳，降Cd幅度达到84.16%，谷壳Cd含量为0.37 mg · kg^-1.与CK相比，其他处理都能显著降低糙米中Cd的含量，以SiLsi+W处理对糙米Cd含量的抑制效果最佳，降Cd幅度达到82.70%，糙米Cd含量为0.30 mg · kg^-1.总体来看，淹水系列处理比相应的不淹水系列处理对水稻稻谷降Cd的效果更明显，如CK和W间差异达显著水平，与CK相比，W处理明显使得谷壳和糙米中Cd含量分别降低77.62%和71.86%，淹水处理的水稻谷壳和糙米中Cd的含量分别为0.53 mg · kg^-1和0.49 mg · kg^-1.

表5(Table 5)

表5 不同处理对早稻成熟期稻谷Cd的含量及水稻产量的影响 Table 5 Impact of treatments on Cd accumulation in early rice grains and yields

表5 不同处理对早稻成熟期稻谷Cd的含量及水稻产量的影响 Table 5 Impact of treatments on Cd accumulation in early rice grains and yields 处理 谷壳Cd/(mg · kg-1) 谷壳Cd升降幅度 糙米Cd/(mg · kg-1) 糙米Cd升降幅度 产量/(g · 兜-1) 产量升降幅度 CK 2.36a 0 1.76a 0 14.29b 0 W 0.53c 77.62%↓ 0.49c 71.86%↓ 13.18b 7.77%↓ SiLsi 0.93b 60.50%↓ 0.85b 51.48%↓ 15.28ab 6.93%↑ SiLsi+W 0.37d 84.16%↓ 0.30d 82.70%↓ 16.71a 16.93%↑

在水稻产量(以成熟期穗部干重计)方面，与CK相比，除SiLsi+W处理使得水稻显著增产且增产16.93%，其他处理与之差异不显著.总体来说，淹水处理与相应的不淹水处理对水稻产量的影响不明显.

从表 6可知，晚稻稻谷各部中Cd含量大小关系为：谷壳>糙米>精米；与CK相比，其他处理措施都能显著降低水稻谷壳中Cd的含量，以SiLsi+W和W处理对谷壳Cd含量的抑制效果最佳，降Cd幅度分别达到93.65%和88.67%，谷壳中Cd的含量分别为0.21 mg · kg^-1和0.38 mg · kg^-1；与CK相比，其他处理措施都能显著降低糙米中Cd的含量，以SiLsi+W处理对糙米Cd含量的抑制效果最佳，降Cd幅度分别达到86.70%，糙米中Cd的含量为0.20 mg · kg^-1，基本等于国家大米安全生产标准，而其他处理仍超过该大米生产标准；与CK相比，其他处理措施都能显著降低精米中Cd的含量，以SiLsi+W处理对精米Cd含量的抑制效果最佳，对精米的降Cd幅度达到91.18%，精米中Cd的含量为0.12 mg · kg^-1，已达到国家大米安全生产标准.总体来看，其他淹水处理比不淹水相应处理对水稻稻谷降Cd的效果更明显，如与CK相比，W处理明显使得谷壳、糙米和精米中Cd含量分别降低88.67%、76.50%和78.45%，淹水处理的水稻谷壳、糙米和精米中Cd的含量分别为0.38、0.36和0.30 mg · kg^-1.

表6(Table 6)

表6 不同处理对晚稻成熟期稻谷Cd的含量及水稻产量的影响 Table 6 Impact of treatments on Cd accumulation in late rice grains and yields

表6 不同处理对晚稻成熟期稻谷Cd的含量及水稻产量的影响 Table 6 Impact of treatments on Cd accumulation in late rice grains and yields 处理 谷壳Cd/(g · 兜-1) 谷壳Cd升降幅度 糙米Cd/(mg · kg-1) 糙米Cd升降幅度 精米Cd/(mg · kg-1) 升降幅度 产量/(g · 兜-1) 产量升降幅度 CK 3.36a 0 1.52a 0 1.39a 0 16.71a 0 W 0.38c 88.67%↓ 0.36c 76.50%↓ 0.30c 78.45%↓ 16.54a 1.01%↓ SiLsi 0.99b 70.59%↓ 0.73b 52.34%↓ 0.50b 63.71%↓ 17.61a 5.39%↑ SiLsi+W 0.21c 93.65%↓ 0.20d 86.70%↓ 0.12d 91.18%↓ 18.98a 13.61%↑

在水稻产量(以成熟期穗部干重计)方面，与CK相比，其他处理与之差异并不显著.总体来说，淹水系列处理与相应的不淹水系列处理对水稻产量的影响不明显.

水稻根系对硅的吸收是主动运输过程，并受蒸腾作用影响(Liang et al., 2006).硅在水稻生长过程中以单硅酸的形式被根系吸收到根部，硅被转运到木质部后运往地上部.不同植物种类和品种积累硅的能力差异很大，其含量范围为0.1%~10%，且植物不同种类和品种的吸硅能力存在差异，主要由根吸收能力和向木质部装载能力的差异导致(Ma et al., 2006).OsLsi1和OsLsi2(分别分布在根系内皮层细胞膜的远轴端和外皮层细胞膜的近轴端)是控制根系吸收和向木质部装载硅的控制基因(Ma et al., 2006;2007).如果说OsLsi1是控制硅进入水稻根部的门户，那么OsLsi2则是控制硅从根部运输到地上部的门户.Ma等(2008)的研究还表明，水稻之所以易富集As，主要是因为亚砷酸通过硅的运输途径，运输到水稻体内.被运输到木质部的硅随蒸腾流运输至地上部后聚合成无定形的SiO₂ · nH₂O，水稻中的SiO₂含量占地上部干重的10%~15%.沉积于植株体内的硅在提高细胞壁强度的同时增强了水稻抗病虫和抗倒伏的抗逆性能，改善了群体的受光度，降低了水稻的蒸腾作用，减轻了水分胁迫等作用(Mitani et al., 2005).硅不仅可以改善作物的生长，而且有研究表明硅能提高作物抗重金属毒害的能力，如减轻Mn、Al、Cd等毒害.施硅可以降低水稻对Mn的吸收，通过区室化作用使Mn更多地结合在细胞壁上，或者使Mn更均匀地分布在叶片中(Iwasaki et al., 2002).Wang等(2004)的研究表明，施硅可以增加细胞壁结合Al的量，进而降低Al对植物的毒害.Kidd等(2001)发现，施硅可以促进玉米根部释放出酚类物质，从而螫合根际的Al，减少根系的吸收.Gu等(2011)利用钢渣作为富硅改良剂施入重金属污染稻田，显著降低了水稻根、茎、叶和稻米中镉、铅等重金属的含量.近年来，最佳农艺调控方式对水稻镉污染阻控潜力的研究也有相关报道，研究表明，基施硅肥并结合叶面喷施硅肥的施硅方式能更好地降低稻米中镉的含量(陈喆等，2014).因此，在本课题组前期研究的基础上，本文进一步开展施硅结合水分管理措施对稻米镉污染配套阻控技术研究，结果表明，SiLsi和SiLsi+W处理显著降低了水稻三大关键生育期中根、茎、叶及稻米中Cd的含量，这与前人的研究结果一致(Gu et al., 2011).Zhang等(2008)采用长期水培水稻的方法监测水稻三大生育期内各部位中硅和镉的含量，结果表明，与对照相比，外源硅的添加不仅促进了水稻植株的生长，而且使茎部中镉的含量降低了30%~50%，从而降低了稻米镉污染的风险.Shi等(2005)通过扫描电镜(SEM)和能量色散X射线扫描(EDX)也发现，施硅可以增加镉在水稻根部的沉积作用，并揭示根中的镉主要分布在内皮层和外皮层中.硅不仅可以增加镉在水稻根部的滞留，对镉在茎和叶的分配也有影响(黄秋婵等，2007; Yamaji et al., 2008).Shi等(2005)通过PTS示踪剂示踪试验，发现硅降低了示踪剂PTS和镉向地上部的转运，但细胞壁的孔隙未发生明显变化，这说明硅不是通过改变了细胞壁的孔隙度而减少镉的向上运输，而可能是硅改变了镉的存在形态.此研究还发现，硅改变了根细胞中镉的分布，增加镉在细胞壁中沉积，减少镉在共质体中的比重，并促进了质外体自由空间中镉向交换态转化，而镉进入共质体的受阻和对自由空间中的镉的束缚和钝化，对于提高根细胞对镉毒害的抵御能力无疑是有益的(Shi et al., 2005).施硅降低植株中镉移动性的原因可能是，硅修饰的细胞壁对Cd²⁺有较强的亲合性，Si(OH)₄上的羟基与细胞壁多糖上的羟基通过分子间的相互作用，在细胞质外体空间内形成了有序的SiO₂胶体，可与镉等金属离子配合形成Cd-Si复合物(Takijima et al., 1973; Neumann et al., 2001).因此，本研究的结果表明，施硅是一种非常有效的水稻镉污染阻控技术.与此同时，土壤有效硅含量通常被作为衡量土壤供硅能力的指标.它受土壤pH值、成土母质、施用有机肥、土壤水分等因素的影响.就多数水稻土而言，在一定pH值范围内，土壤有效硅含量随pH值升高而增加.在淹水还原的条件下，土壤E_h降低，铁、锰等元素被还原，因而被其固定的硅释放出来，导致土壤溶液中硅的浓度升高.一般在土壤淹水后的开始几天内硅的浓度上升较快，以后渐趋平衡或有所下降(胡定金等，1995).因此，恰当的水分管理措施不仅能够降低E_h，而且还能增加土壤中有效硅的含量，从而降低土壤中镉的植物有效性，达到降低稻米中镉含量的最终目的.因此，施硅结合水分管理的综合农艺调控措施既具备良好的理论基础，又简单可行，有广阔的应用前景，能为湖南省稻米镉污染修复提供知识储备和技术支持.

1)在水稻试验中，研究表明，与CK相比，除淹水处理(W)个别情况外，其他处理几乎都能显著降低水稻根、茎、叶和穗部中Cd的含量，起到良好的阻控效果，尤其SiLsi和SiLsi+W的阻镉效果最为显著，可以有效控制水稻植株各部位Cd含量的迁移，基本适用于轻中度镉污染(0.3 mg · kg^-1<Cd<2.0 mg · kg^-1)稻田土壤的修复.

2)从早稻试验结果可知，与CK相比，其他处理措施都能显著降低水稻谷壳中Cd的含量，以SiLsi+W处理对谷壳Cd含量的抑制效果最佳，降Cd幅度达到84.16%，谷壳Cd含量为0.37 mg · kg^-1.与CK相比，其他处理都能显著降低糙米中Cd的含量，以SiLsi+W处理对糙米Cd含量的抑制效果最佳，降Cd幅度达到82.70%，糙米Cd含量为0.30 mg · kg^-1.总体来看，淹水系列处理比相应的不淹水系列处理对水稻稻谷降Cd的效果更明显，如CK和W间差异达显著水平，与CK相比，W处理明显使得谷壳和糙米中Cd含量分别降低77.62%和71.86，淹水处理的水稻谷壳和糙米中Cd的含量分别为0.53 mg · kg^-1和0.49 mg · kg^-1.

3)从第二季连作的晚稻试验结果可知，与CK相比，其他处理措施都能显著降低水稻谷壳中Cd的含量，以SiLsi+W和W处理对谷壳Cd含量的抑制效果最佳，降Cd幅度分别达到93.65%和88.67%，谷壳中Cd的含量分别为0.21 mg · kg^-1和0.38 mg · kg^-1；与CK相比，其他处理措施都能显著降低糙米中Cd的含量，以SiLsi+W处理对糙米Cd含量的抑制效果最佳，降Cd幅度达到86.70%，糙米中Cd的含量为0.20 mg · kg^-1，基本等于国家粮食安全生产标准(Cd<0.2 mg · kg^-1)，而其他处理仍超过该大米生产标准；与CK相比，其他处理措施都能显著降低精米中Cd的含量，以SiLsi+W处理对精米Cd含量的抑制效果最佳，SiLsi+W处理对精米的降Cd幅度达到91.18%，精米中Cd的含量分别为0.12 mg · kg^-1，已达到国家粮食安全生产标准.总体来看，与不淹水处理相比，淹水处理对降低稻谷中Cd含量有更显著的效果.

4)在早稻产量方面，与CK相比，除SiLsi+W处理使得水稻显著增产且增产16.93%，其他处理与之差异不显著.在晚稻产量方面，与CK相比，其他处理与之差异并不显著.总体来说，淹水系列处理和相应的不淹水处理对水稻产量无负面影响.