纳米硒和亚硒酸盐对镉污染土壤中水稻镉积累的影响

徐境懋 顾明华 韦燕燕 何冰 王学礼 吕梦婷

摘要：【目的】探究外源納米硒和亚硒酸钠对镉污染土壤中水稻的镉吸收、转运和积累的影响，为镉污染农田水稻的安全生产提供参考。【方法】采用盆栽试验，以不添加外源硒为对照（CK），设4个外源硒处理，分别为每千克土施用纳米硒0.5和2.5 mg/kg、亚硒酸钠（以硒计）0.5和2.5 mg/kg。于水稻灌浆期测定水稻剑叶叶绿素含量，收获前测定水稻光合指标，收获后测定水稻生物量、产量及水稻根、茎、叶、糙米中镉含量和土壤中镉的形态，计算镉在水稻各部位的分配率和水稻体内镉的迁移率。【结果】与CK相比，纳米硒和亚硒酸钠处理均显著提高收获期水稻剑叶的SPAD值和光合速率（P<0.05，下同）;除0.5 mg/kg纳米硒处理对水稻产量无显著性影响外（P>0.05），其余处理的水稻产量均显著提高。外源纳米硒和亚硒酸钠处理均降低土壤中可溶可交换态镉的含量，0.5 mg/kg纳米硒处理效果最佳，可溶可交换态镉含量降低16.0%。外源纳米硒和亚硒酸钠处理能降低镉污染土壤中水稻对镉的吸收、运转和积累，2.5 mg/kg纳米硒处理效果最佳，水稻根镉含量降低26.8%，水稻糙米镉含量降低32.7%，镉从根到茎叶的转移率降低42.7%，差异均达显著水平。【结论】在镉污染土壤中施加适量纳米硒和亚硒酸钠可有效降低土壤中镉的有效性，减少水稻对镉的吸收、运转和积累。每千克土施用纳米硒2.5 mg/kg阻控水稻镉积累的效果较佳，可作为镉污染区水稻安全生产的推荐技术。

关键词：水稻;纳米硒;镉含量;镉形态;转移率

中图分类号：S511.31                            文献标志码： A 文章编号：2095-1191（2021）10-2727-08

Abstract：【Objective】The effects of exogenous nano-selenium and sodium selenite on cadmium absorption，transport and accumulation in rice in cadmium contaminated soil were studied to provide scientific reference for the regulation of cadmium contaminated farmland and the safe production of rice. 【Method】In this paper，pot experiment was carried out，no exogenous selenium was added as control（CK），and four treatments were set up，0.5 and 2.5 mg/kg of nano-selenium，0.5 and 2.5 mg/kg of sodium selenite （in terms of selenium） were applied per kilogram of soil， respectively. The content of chlorophyll in rice leaves was measured at the grain filling stage，the photosynthetic index of rice was measured before harvest，and the biomass and yield of rice and rice root， stem and leaf were measured after harvest. The content of cadmium in brown rice and the form of cadmium in soil were measured. The distribution rate of cadmium in different parts of rice and the migration rate of cadmium in rice were calculated. 【Result】Compared with CK， nano-selenium and sodium selenite treatments significantly increased SPAD value and photosynthetic rate of rice flag leaves at harvest stage（P<0.05， the same below）; except 0.5 mg/kg nano-selenium treatment had no significant effect on rice yield（P>0.05）， the other treatments significantly promoted the yield of rice. Both exogenous nano-selenium and sodium selenite treatments reduced the content of soluble exchangeable cadmium in soil，and the treatment of applying 0.5 mg/kg Se derived from nano-selenium of soil had the most significant effect，which reduced the content of soluble exchangeable cadmium by 16.0%. The treatments of exogenous nano-selenium and sodium selenite could reduce the absorption，transport and accumulation of cadmium in rice. Cadmium uptake in rice roots，cadmium content in rice grains，and the transfer rate of cadmium from root to stem and leaf treated with applying 2.5 mg/kg selenium derived from nano-selenium of soil decreased significantly by 26.8%，32.7% and 42.7%，respectively. 【Conclusion】The application of nano-selenium and sodium selenite in cadmium contaminated soil can effectively reduce the availability of cadmium in cadmium contaminated soil，and reduce the absorption，transportation and accumulation of cadmium in rice. The application of 2.5 mg/kg of nano-selenium per kilogram of soil has a better effect on preventing the accumulation of cadmium in rice， which can be used as a recommended technique for safe production of rice in cadmium contaminated areas.

Key words：rice;nano-selenium;cadmium content;cadmium speciation;transfer rate

Foundation item：National Natural Science Foundation of China（41967048）;Guangxi Natural Science Foundation（2016GXNSFAA380308）;Guangxi Innovation Driven Project（Guike AA17202038）

0 引言

【研究意义】由于矿产开发污染物、工业三废的排放和肥料的盲目施用，我国农田环境中的镉污染不断加剧（陈京都等，2013）。水稻是我国居民的主粮，但水稻易于积累镉，据报道我国每年生产的镉超标粮食达146亿t（庞敏，2018）。镉超标稻米的摄入对人类健康造成了重大威胁，控制水稻镉污染，降低稻米镉含量已迫在眉睫。硒是人体必需的微量元素之一，且少量硒对植物生长有益，有研究发现外源无机硒能显著缓解植物的镉毒害（张美德，2015;斯鑫鑫等，2021）;此外，纳米硒与传统硒肥相比，生物毒性小，具有纳米粒子小尺寸效应、表面效应等优势（Wang et al.，2007;徐佰青等，2020），应用前景受到广泛关注。因此，研究纳米硒对镉污染土壤水稻镉积累的影响，对稻米的安全生产和保障居民健康均具有重要意义。【前人研究进展】目前已有不少关于施用外源无机硒（亚硒酸钠、硒酸钠）降低植物镉含量的报道。在镉污染农田种植水稻时施用亚硒酸钠和硒酸钠均能降低水稻中的镉含量（管远清等，2018）;低浓度亚硒酸钠可有效缓解黄芪幼苗镉胁迫，降低镉吸收和转运（马月花，2019）;在5 μmol/L镉胁迫下，硒改变了镉在油菜根中的化学形态和亚细胞分布，增加了细胞壁多糖含量，有利于促进镉在油菜根中的固定（赵圆圆，2019）;镉胁迫下施加亚硒酸钠可降低西葫芦幼苗中的镉含量，从而减少镉毒害（郭锋等，2020）。纳米硒作为一种新兴纳米单质粒子材料，由于其安全性高，有逐渐替代传统无机硒肥的趋势，且大多数研究均表明纳米硒对作物品质具有改善作用。刘嘉兴等（2019）研究表明，叶面喷施纳米硒可促进生菜叶绿素的合成，提高生菜的还原糖和维生素C含量;胡万行等（2020）研究发现，紫色马铃薯叶面喷施纳米硒可显著提高马铃薯块茎的品质;Li等（2020）研究发现，叶面喷施纳米硒可促进辣椒辣椒素合成，并促进次生代谢物和抗氧化剂积累。【本研究切入点】目前，关于纳米硒对镉污染土壤中水稻镉积累影响的研究尚未见报道。【拟解决的关键问题】以广西某地的镉污染土壤为供试土壤，采用盆栽试验，探究向土壤施用不同濃度的纳米硒和亚硒酸钠对水稻镉吸收、转运及积累的影响，为镉污染农田中水稻的安全生产提供参考。

1 材料与方法

1. 1 试验地概况

试验在广西大学农学院（东经108°17′21″，北纬22°51′18″）试验大棚中进行。供试土壤采自广西某地的镉污染农田，土壤理化性质：镉含量1.6 mg/kg，pH 7.1，有机质22.6 g/kg，碱解氮75.4 mg/kg，速效钾67.2 mg/kg，速效磷12.2 mg/kg，总硒含量0.6 mg/kg。

1. 2 试验材料

供试水稻品种为籼型三系杂交水稻宜香99E-4;供试纳米硒参照闫金朋（2019）的方法制备，亚硒酸钠（Na2SeO3）纯度98%（天津市四通化工厂生产）。

1. 3 试验方法

试验采用盆栽法，在直径50 cm、高30 cm的塑料桶中装7.5 kg风干过筛土。以不添加外源硒为对照（CK），设4个外源硒处理，分别为每千克土中施用纳米硒0.5 mg/kg（Se0-0.5）和2.5 mg/kg（Se0-2.5）、亚硒酸钠（以硒计）0.5 mg/kg（SeⅣ-0.5）和2.5 mg/kg（SeⅣ-2.5）。外源硒一次性施加到土壤中并拌匀，每处理4个重复，共20盆。其他肥料各处理一致，每1 kg风干土施加氮肥（尿素）0.5 g、磷肥（磷酸二氢钾）0.7 g、钾肥（氯化钾）0.4 g。将水稻种子置于氯酸钠溶液中浸泡灭菌，播种于消过毒的育苗盘，在温室大棚中催芽，培养一周后，选取3叶1心的水稻幼苗进行移栽，每盆3穴，每穴2株，150 d后收获成熟水稻。其他措施均按照水稻盆栽试验管理规程进行管理。

1. 4 测定指标及方法

水稻灌浆期用叶绿素测定仪（SPAD-502，深圳菲特立科技有限公司）检测水稻剑叶SPAD值;水稻收获前用光合作用测定仪（LI-6400，美国LI-COR公司）测定水稻第3完全展开叶的净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度和蒸腾速率;水稻收获后测定其地上部生物量和产量。采用连续提取法测定土壤中镉的形态（可溶可交换态镉、有机吸附态镉、无机沉淀物吸附态镉和残留态镉）（杨晓磊和朱恩，2016）。将烘干磨碎的水稻根、茎、叶和糙米样品放入消解管中，加入5 mL浓硝酸，置于微波消解仪（CEM Mars6，美国）中消解，消解液中镉含量采用ICP-MS（Agilient 7500a，美国）进行测量。

镉的转移率（TF）计算：

根到茎叶转移率（%）=茎叶镉积累量/根部镉积累量×100

茎叶到籽粒转移率（%）=籽粒镉积累量/茎叶镉积累量×100

水稻各部位镉分配率计算：

分配率（%）=N镉积累量/总镉积累量×100

式中，N代表籽粒、茎、叶、根。

1. 5 统计分析

利用Excel 2016进行数据整理;使用SPPS 21.0进行方差分析及Duncan’s多重比较;采用Origin 2017作图。

2 结果与分析

2. 1 外源硒对镉污染土壤中水稻叶片光合特性的影响

由图1可看出，与CK相比，纳米硒和亚硒酸钠处理均显著提高了收获期水稻剑叶的SPAD值（P<0.05，下同），但4个外源硒处理间无显著差异（P>0.05，下同）。由表1可知，与CK相比，纳米硒和亚硒酸钠处理均可显著提高收获期水稻的光合速率，光合速率提高12.7%～20.6%，但各外源硒处理间差异不显著;亚硒酸钠处理显著提高水稻叶片气孔导度，但纳米硒和亚硒酸钠处理间差异不显著;除0.5 mg/kg纳米硒（Se0-0.5）处理与CK的胞间CO2浓度差异不显著外，其他外源硒处理均显著降低水稻叶片的胞间CO2浓度;纳米硒和亚硒酸钠处理均显著提高水稻叶片的蒸腾速率，2.5 mg/kg亚硒酸钠（SeⅣ-2.5）处理的水稻叶片蒸腾速率最高，较CK提高31.3%。

2. 2 外源硒对镉污染土壤中水稻生长的影响

由图2可知，在镉污染土壤中，纳米硒和亚硒酸钠处理均可提高水稻的地上部生物量和产量，0.5 mg/kg纳米硒（Se0-0.5）处理提高水稻地上部生物量的效果最好，较CK显著提高21.0%，且同时显著高于其他外源硒处理;0.5 mg/kg亚硒酸钠（SeⅣ-0.5）处理提高水稻产量的效果最佳，较CK显著提高23.9%，0.5 mg/kg纳米硒（Se0-0.5）处理的水稻产量与CK差异不显著。

2. 3 外源硒对镉污染土壤中镉形态的影响

由图3可看出，无机沉淀物吸附态镉在土壤中所占比例最高，其余依次为残渣态镉、有机吸附态镉和可溶可交换态镉。与CK相比，4种外源硒处理均降低了土壤中可溶可交换态镉的比例，降幅为3.6%～16.0%，0.5 mg/kg纳米硒（Se0-0.5）处理效果最佳;除0.5 mg/kg亚硒酸钠（SeⅣ-0.5）处理外，其余外源硒处理均提高了残渣态镉的比例，升幅为4.0%～10.4%;0.5 mg/kg納米硒（Se0-0.5）降低可溶可交换态镉含量比例最高，达16.0%。总的来说，适量施用纳米硒和亚硒酸钠对污染水稻土壤中的镉均可起到钝化作用，且纳米硒的钝化效果相对较佳。

2. 4 外源硒对镉污染土壤中水稻镉含量的影响

由图4可看出，添加外源硒处理均可降低水稻各部位的镉含量。与CK相比，添加外源硒处理显著降低水稻根部镉含量19.4%～26.8%，其中2.5 mg/kg纳米硒（Se0-2.5）处理的镉含量最低，同一添加量水平纳米硒与亚硒酸钠处理的水稻根镉含量差异不显著（图4-A）。外源硒处理也显著降低了水稻茎、叶及糙米中的镉含量，与CK相比，水稻茎、叶和糙米镉含量分别降低38.0%～55.7%、31.1%～47.2%和17.3%～32.7%，且纳米硒处理的降镉效果优于亚硒酸钠处理（图4-B、图4-C和图4-D）。整体来看，2.5 mg/kg纳米硒（Se0-2.5）处理的水稻根、茎、叶及糙米镉含量均最低，降镉效果最佳。

2. 5 外源硒对镉污染土壤中水稻体内镉分配率的影响

由图5可知，水稻中的镉主要分布在根部，占整株的48.3%～58.5%;其次是茎和叶，镉分配率分别是17.7%～23.4%和9.7%～17.0%;籽粒的镉分配率最低，仅6.0%～7.3%。与CK相比，外源硒显著影响镉在水稻根、茎、叶的分配，且施加纳米硒的的效果优于亚硒酸钠，其中2.5 mg/kg纳米硒（Se0-2.5）处理将根部镉的分配比例提高10.1%，0.5 mg/kg纳米硒（Se0-0.5）处理则将茎、叶镉的比例依次减少5.7%和7.3%。

2. 6 外源硒对镉污染土壤中对水稻体内镉转移率的影响

为进一步分析纳米硒和亚硒酸钠对水稻体内镉积累的影响，采用转运系数来反映镉在水稻植株不同部位的转移分配。由图6-A可知，在镉污染土壤中，CK中镉从根到茎叶的转移率高达83.6%，外源硒处理显著降低镉从根到茎叶的转移率，0.5 mg/kg纳米硒（Se0-0.5）、2.5 mg/kg纳米硒（Se0-2.5）、0.5 mg/kg亚硒酸钠（SeⅣ-0.5）和2.5 mg/kg亚硒酸钠（SeⅣ-2.5）处理的镉从根到茎叶的转移率分别为47.1%、47.9%、67.2%和64.6%，分别较CK降低43.7%、42.7%、19.6%和22.7%。但镉从茎叶到籽粒的转移率差异并不显著（图6-B）。总的来说，纳米硒降低水稻根中镉向茎叶转移的效果较好。

3 讨论

3. 1 外源硒对镉污染土壤中水稻生长的影响

前人研究表明，硒可减少重金属胁迫的不利影响。适宜浓度的硒可减轻镉毒害从而促进植物生长（于淑慧等，2013）。镉含量升高会诱导植物体内产生过量的活性氧（ROS）（郭锋等，2020），ROS会损害光合器官，从而对植物光合作用产生毒害（Christian and Michel，2009）。硒不是植物生长的必需营养元素，但硒可提高植物体内的抗氧化酶活性，从而调节活性氧代谢（Djanaguiraman et al.，2010），增强作物抵御胁迫的能力（钟松臻等，2017）。郭锋等（2020）研究表明，硒可显著提高西葫芦幼苗抗氧化酶活性，从而缓解镉毒害。本研究中，2种形态的外源硒处理均显著提高了水稻剑叶的叶绿素含量，改善了叶片的光合作用能力，与孙协平等（2020）研究镉胁迫下硒对柑橘叶片叶绿素含量也有提高作用的结果相似;此外，外源硒处理其他光合指标的变化均优于对照，说明施加外源硒对植物的光合作用具有明显提高，与钟松臻等（2017）的研究结论一致，其增强水稻叶片光合作用的主要原因可能得益于外源硒减轻了镉对叶绿素的破坏，从而缓解镉胁迫对水稻生长的影响。

前人关于外源硒肥对作物产量影响的研究结果存在差异，姜汉峰等（2020）研究表明外源硒对作物产量无显著影响，而张妮等（2015）研究发现施用外源硒可促进小麦增产。本研究发现，镉污染土壤中施加纳米硒和亚硒酸钠均可提高水稻产量，但0.5 mg/kg纳米硒对水稻产量的影响不显著，原因可能是纳米硒缓解了镉对水稻的毒害，促进了水稻的营养生长，但该浓度下对水稻的生殖生长影响不显著，而亚硒酸钠的增产效果优于纳米硒。纳米材料具有表面效应、小尺寸效应等独特的物理化学特性，被认为更易与有机体作用而产生组织损伤（Nowack and Bucheli，2007）。本研究中的纳米硒粒径为50～100 nm，未对水稻生长产生不良影响。总的来说，施用纳米硒和亚硒酸钠均可通过缓解镉对水稻光合作用的抑制，提高叶片光合作用能力，缓解镉胁迫对水稻生长的影响，进而提高水稻产量。

3. 2 外源硒对镉污染土壤中镉形态的影响

土壤镉形态与水稻镉含量密切相关，其中水溶交换态镉是土壤镉形态中的有效部分，能被植物吸收利用，与水稻籽粒镉含量显著正相关，可作为土壤污染的评判指标（喻华等，2017;刘道荣和周漪，2020）。本研究发现，2种形态外源硒均可降低土壤中可溶可交换态镉含量，且在土壤中施加0.5 mg/kg纳米硒和亚硒酸钠，可显著降低可溶可交换态镉所占比例，提高残渣态镉所占比例，与刘达等（2016）报道的外源硒降低非根际土壤交换态镉含量43.79%的结果相似。土壤中可交换态重金属最易被生物利用，而残渣态活性最小，最难被生物利用（马丽等，2019）。由此可见，施加适量的外源硒可降低土壤中的有效态镉含量，提高土壤残渣态镉含量。进一步分析发现，纳米硒处理对土壤镉的钝化效果优于亚硒酸钠处理。纳米颗粒产生的量子效应会影响物质的性能和结构，表现出比宏观结构更加优越的理化性质（Gong et al.，2018）;特别是纳米颗粒拥有更大的比表面积，比一般单质的表面能更高，由于表面配位原子数不足，因此更能吸附土壤中的其他原子（徐丽君，2009）。已有报道表明，铁、锰等元素的纳米材料可作为钝化材料应用于重金属污染土壤的修复当中（Chen et al.，2016;徐佰青等，2020 ）。本研究同样表明外源施用纳米硒有利于减少镉在土壤中的有效性。

3. 3 外源硒对镉污染土壤中水稻吸收转运镉的影响

根系是水稻吸收镉的第一道屏障。镉通过根系细胞中的载体蛋白运输进入植物体内，之后转移至根系维管柱，最后向地上部转运（Li et al.，2017）。镉在水稻根部内外皮层间的运输则需借助其他金属转运蛋白的介导，如OsIRT1（铁离子转运蛋白）、OsIRT2、OsHMA2（重金属ATP酶）和OsNramp5（自然抗性相關巨噬细胞蛋白）等（马卉等，2020）。有研究发现，OsNramp5参与镉在根木质部的装载，OsHMA2也参与镉在水稻根冠之间的转运，综合影响着镉的向上转运（Takahashi et al.，2011;Satoh-Nagasawa et al.，2012）。本研究显示，在镉污染土壤施加纳米硒与亚硒酸钠后，水稻根部镉含量显著下降，与张生荣（2019）研究发现施加低浓度的纳米硒与亚硒酸钠能降低上海青根部镉含量60%以上的研究结果一致。此外，本研究还发现水稻中的镉主要分布在根部，占植物总镉含量的48.3%～58.5% ，与对照相比，纳米硒和亚硒酸钠处理均提高了根部镉的分配率，说明外源纳米硒和亚硒酸盐不仅降低镉的吸收，还增加镉在根系的固定，减少镉向地上部分的迁移。Cui等（2018）报道指出外源硒处理能下调表达水稻细胞镉相关转运基因OsIRT1、OsIRT2、OsLCT1和OsNramp5，从而影响镉的运输。庞晓辰等（2014）的研究也证实外源硒可増加根部NPT（非蛋白巯基）细胞生成，促进镉与根部细胞壁、NPT等结合，抑制镉向植物地上部转运。由此可见，降低有效态镉含量，调控镉吸收转运基因表达可能是外源硒降低水稻镉吸收并抑制镉向地上部转运的主要原因。此外，本研究还发现，纳米硒在降低水稻根系镉吸收、促进镉在根部固定及抑制镉从根向茎叶转移的作用效果优于亚硒酸钠，其原因可能与纳米硒具有独特的巨大比表面积和微界面等特性有关。

稻米是人体镉摄入的主要途径之一，GB 2762—2017《食品安全国家标准 食品中污染物限量》规定稻米镉含量不得超过0.2 mg/kg。本研究中，镉胁迫下对照处理糙米镉含量高于0.2 mg/kg，而4个外源硒处理的糙米镉含量均低于0.2 mg/kg，且显著低于对照的镉含量，与管远清等（2018）的研究结果一致。施加纳米硒降低稻米中镉含量的效果优于亚硒酸钠处理，2.5 mg/kg纳米硒处理的降幅最高，达32.7%。因此，选择适合形态的硒及其浓度均可有效降低水稻籽粒中的镉含量。但考虑到纳米硒的施用安全性优于亚硒酸钠，因此推荐按2.5 mg/kg纳米硒用量作为稻田镉污染的阻控技术。但本研究中盆栽试验的水稻生长环境与大田环境条件有所不同，纳米硒对镉污染区水稻的镉阻控效果还待进一步研究。

4 结论

在镉污染土壤中施加适量的纳米硒和亚硒酸钠均可降低土壤中镉的有效性，缓解水稻镉毒害，抑制水稻根系镉的向上运输并降低籽粒镉积累。每千克土施用纳米硒2.5 mg/kg阻控水稻镉积累的效果较佳，可作为镉污染区水稻安全生产的推荐技术。

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（責任编辑 王 晖）