不同纳米硅制剂及不同喷施时期对水稻镉吸收的影响_刘传平
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关键词：镉，水稻，纳米硅，叶面喷施
土壤重金属污染的造成植物重金属毒害并引起食物链中重金属含量水平的 提高已引起人们的广泛关注。Cd 是植物非必需有害元素之一，水稻较易吸收和 积累 Cd 对人们的身体健康造成威胁。如日本有名的痛痛病就是由于食用含 Cd 量很高的稻米所致。如何减少水稻对重金属 Cd 等的吸收及向籽粒中运输是广大 学者关心的问题之一。硅是地球岩石圈中第二丰富的元素，硅可显著提高植物的 抗逆性。硅资源廉价、无害、使用方便，应用硅物质减少植物的重金属毒害已引 起人们的高度重视。虽然目前已有关于硅抑制植物重金属吸收方面的报道，但是绝大多
数是直接将含硅矿物或硅酸盐施入土壤或培养液中。这种施用方式施用量大，会造成资源的 浪费；而且也没有办法实现商品化应用于农业生产。因此，我们采用叶面喷施的方式，研究 了纳米硅制剂对水稻吸收积累 Cd 的影响。
1 实验方法与材料 1.1 纳米硅制剂的制备
纳米硅制剂的制备（见：刘传平等. 2006, 叶面喷施纳米硅制剂抑制水稻吸 收镉, 全国土壤污染控制修复与盐土改良技术交流会会议论文集 27-31）。 1.2 实验设计
重金属含量测定：称取烘干磨细的植物样品 0.500 g 左右放于 150 毫升三角 瓶中，加优级纯 HNO3 25 毫升，放置过夜，盖小漏斗，在可调温加热 30 min。 冷却，加优级纯 HClO4 5 毫升,低温加热，待瓶内白烟消退溶液呈无色透明剩余 2 毫升时，从电炉上取下冷却，用热水洗入 50 毫升容量瓶，用蒸馏水定容、过滤， 待测液在原子吸收分光光度计上测定。
浓 1.0mg/kg 15.9 4.3 0.327 13.8 3.41 0.215 8.5 2.41 0.104 6.14 1.23 0.067 度
2.0mg/kg 29.6 6.6 0.827 17.8 5.94 0.726 10.6 3.78 0.210 7.64 1.54 0.134
表 2 苗期喷施硅制剂处理下镉在水稻体内分布（mg/kg）
2.0mg/kg 29.6 6.3 0.810 17.2 5.14 0.731 11.0 3.82 0.271 7.32 1. 43 0.146
参考文献 1. Hodson M J, Evans D E. Aluminum/Silicon interaction in higher plants. J of Exp Bot., 1995, 46: 161-171 2. Kaufman P B, Dayanandan P, Franklin C I Takeoka Y. Structure and function toughness of silica bodies in the epidermal system of grass shoots. Ann of Bot., 1985, 55: 487-507 3. Liang Y C, Yang C, Shi H. Effects of silicon on growth and mineral composition of barley grown under toxic levels of aluminum [J]. Journal of Plant Nutrition, 2001, 24(2): 1-15. 4. Neumann D U, Nieden Z, Schwieger W. Heavy metal tolerance of Minuartia verna. J of Plant Physiol.,1997, 151: 101-108 5. Neumann D, Zur Nieden U. Silicon and heavy metal tolerance of higher plants [J]. Phytochemistry, 2001, 56: 685-692. 6. Rafi M M, Epstein E, Falk R. Silicon deprivation causes physical abnormalities in wheat. J of Plant Physiol., 1997, 151: 497-501 7. Salt DE, Smith RD, Raskin I. 1998. Phytoremediation[J]. Annu Rev Plant Physiol Plant Mol Biol, 49: 643-668. 8. 蔡德龙, 陈常友, 小林均. 硅肥对水稻镉吸收影响初探[J]. 地域研究与开发, 2000, 19 (4): 69-71. 9. 李建东, 顾 红, 高永刚, 等. 石灰对重金属铅影响玉米生长的抑制效应研究[J]. 生态环境, 2006, 15(2): 312-314. 10. 秦淑琴,黄庆辉. 硅对水稻吸收镉的影响[J]. 塔里木农垦大学学报, 1996, 8(2): 17-20. 11. 尚爱安, 党志等. 土壤中重金属的生物有效性研究进展, 土壤，2000, 6: 294-314 12. 王荔军，郭中满，李铁津等. 生物矿化纳米结构材料和植物硅营养, 化学进展, 1999, 11(2): 119-128 13. 王荔军，李敏，李铁津等. 植物体内的纳米结构 SiO2, 科学通报，2001, 46(8): 625-632 14. 吴启堂，陈卢, 王广涛. 水稻不同品种对 Cd 吸收累积的差异和机理研究, 生态学报, 1999, 19(1): 104-107 15. 杨超光, 豆虎 梁永超, 等. 硅对土壤外源镉活性和玉米吸收镉的影响[J].中国农业科学, 2005, 38 (1): 116-121.
对照
Na2SiO3
无机 Si 溶胶
有机 Si 溶胶
茎
茎
茎
根
籽粒 根
籽粒 根
籽粒 根 茎叶 籽粒
叶
叶
叶
镉 0.5mg/kg 13.1 3.1 0.051 9.31 2.21 0.052 5.2 0.31 0.031 2.97 0.235 0.022 浓 1.0mg/kg 15.9 5.2 0.401 15.1 3.65 0.324 9.2 2.67 0.131 6.68 1.48 0.095 度
表 1 三个时期都喷施硅制剂处理下镉在水稻体内分布（mg/kg）
对照
Na2SiO3
无机 Si 溶胶
有机 Si 溶胶
茎
茎
茎
根
籽粒 根
Fra Baidu bibliotek
籽粒 根
籽粒 根 茎叶 籽粒
叶
叶
叶
0.5mg/kg 13.1 2.7 0.045 8.79 2.08 0.043 4.9 0.25 0.023 2.85 0.189 0.011 镉
表 4 孕穗期喷施硅制剂处理下镉在水稻体内分布（mg/kg）
对照
Na2SiO3
无机 Si 溶胶
有机 Si 溶胶
茎
茎
茎
根
籽粒 根
籽粒 根
籽粒 根 茎叶 籽粒
叶
叶
叶
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镉 0.5mg/kg 13.1 2.6 0.043 8.63 2.10 0.037 4.7 0.27 0.027 2.78 0.165 0.019 浓 1.0mg/kg 15.9 4.1 0.312 12.8 3.21 0.221 8.3 2.51 0.125 6.51 1.20 0.083 度
88
三个时期都施加 有机 Si 溶胶使稻米中 Cd 含量从对照的 0.827 mg/kg 分别下降到 0.167、0.101、0.146、0.134 mg/kg。国家食品卫生标准中，大米镉含量要求低于 0.2 mg/kg，通过外源施加硅制剂，有效降低稻米中镉含量，可望在低浓度重金属 污染稻田土壤上生产合格的稻米。
2.0mg/kg 29.6 7.1 0.910 19.2 6.21 0.811 11.5 3.98 0.291 7.97 1.72 0.167
表 3 分蘖期喷施硅制剂处理下镉在水稻体内分布（mg/kg）
对照
Na2SiO3
无机 Si 溶胶
有机 Si 溶胶
茎
茎
茎
根
籽粒 根
籽粒 根
籽粒 根 茎叶 籽粒
叶
叶
90
叶
镉 0.5mg/kg 13.1 2.5 0.041 8.51 1.98 0.034 4.0 0.21 0.019 2.61 0.151 0.008 浓 1.0mg/kg 15.9 4.0 0.301 12.9 3.10 0.195 7.4 2.21 0.091 5.87 1.12 0.059 度 2.0mg/kg 29.6 6.1 0.798 16.7 5.12 0.684 9.3 3.01 0.191 7.21 1.32 0.101
不同纳米硅制剂及不同喷施时期对水稻镉吸收的影响
刘传平，李芳柏，王世华 (广东省生态环境与土壤研究所，广州，510650)
摘要：采用土培实验方法，研究了 Cd 处理下，对水稻叶面进行 3 种不同纳 米硅制剂和 Na2SiO3 喷施，以及在苗期、分蘖期、孕穗期和 3 个时期都喷相同剂 量的纳米硅制剂对水稻吸收 Cd 的影响。试验结果表明，纳米硅制剂可以显著缓 解 Cd 对水稻的毒害作用，降低 Cd 在水稻籽粒中的积累且下降幅度顺序依次为： 有机 Si 溶胶> 无机 Si 溶胶 > 普通 Na2SiO3。在水稻不同生育期施加 Si 制剂的 效果也不相同，其中以在分蘖期喷施效果最佳。土壤 Cd 浓度为 2.0 mg/kg 时， 苗期、分蘖期、孕穗期、三个时期都施加 有机 Si 溶胶使稻米中 Cd 含量从对照 的 0.827 mg/kg 分别下降到 0.167、0.101、0.146、0.134 mg/kg。国家食品卫生标 准中，大米镉含量要求低于 0.2 mg/kg，通过外源施加硅制剂，有效降低稻米中 镉含量，可望在低浓度重金属污染稻田土壤上生产合格的稻米。
87
土壤制备：取水稻田表层耕作土（0－10cm），风干后过筛，称 10 公斤土装 入桶内，分别施加 0.5、1.0、2.0 mg /kg 重金属镉，进行污染状态模拟。
水稻培育和处理：以 5％次氯酸钠溶液对水稻种子表面消毒 15 分钟，用自 来水冲洗后催芽、育苗，选均匀一致的幼苗进行移栽。每盆 2 株，在苗期（25-35 天），分蘖期（60－70 天），孕穗期（80－90 天）叶面喷施根据本发明制备的铈 掺杂无机纳米二氧化硅溶胶、铈掺杂有机纳米二氧化硅溶胶和普通 Na2SiO3 等硅 制剂，溶胶含 Si 量都调节到 20 µmol L-1。喷施硅处理分以下方案：（1）三个时 期每个时期各自喷施 6 次，隔一天喷施 2 次分早晚喷施，喷到叶面出现水珠但是 不滴下为止；（2）三个时期每个时期都喷施，分个时期喷施 2 次共喷施 6 次。以 清水为对照，其余田间管理同常规管理。收获后分开不同器官，用自来水与去离 子水洗净、烘干、灰化、酸溶，测定 Cd 含量。
2 结果与分析 结果如表 1、表 2、表 3、表 4 所示，实验结果表明，喷施硅制剂加深了水
稻叶片绿色，叶片挺拔且机械力增强；不施加外源硅物质，随重金属浓度升高， 水稻生物量有所下降，重金属在水稻中的积累依土壤浓度而增加，如 0.5、1.0、 2.0 mg Cd/kg 风干土水平上，根中 Cd 含量分别为 13.1、15.9、29.6 mg/kg (dw)， 籽粒中也有相同的趋势递增。在同一重金属水平上，叶面喷施硅物质，对水稻生 物量影响不大，水稻根、茎叶、籽粒各部位中重金属含量均显著下降，下降幅度 顺序依次为：有机 Si 溶胶> 无机 Si 溶胶 > 普通 Na2SiO3。0.5、1.0、2.0 mg Cd/kg 风干土重金属水平时，三个时期都施加 有机 Si 溶胶使籽粒中 Cd 含量分别下降 到对照的 24.33%，20.34%和 16.20%。土壤重金属水平为 2.0 mg Cd/kg 风干土时， 三个时期都施加 有机 Si 溶胶使稻米中 Cd 含量从对照的 0.827 下降到 0.134 mg/kg。在水稻不同生育期施加 有机 Si 溶胶效果也不相同，其中以在分蘖期喷 施效果最佳，土壤重金属水平为 2.0 mg Cd/kg 风干土时，苗期、分蘖期、孕穗期、
土壤重金属污染的造成植物重金属毒害并引起食物链中重金属含量水平的 提高已引起人们的广泛关注。Cd 是植物非必需有害元素之一，水稻较易吸收和 积累 Cd 对人们的身体健康造成威胁。如日本有名的痛痛病就是由于食用含 Cd 量很高的稻米所致。如何减少水稻对重金属 Cd 等的吸收及向籽粒中运输是广大 学者关心的问题之一。硅是地球岩石圈中第二丰富的元素，硅可显著提高植物的 抗逆性。硅资源廉价、无害、使用方便，应用硅物质减少植物的重金属毒害已引 起人们的高度重视。虽然目前已有关于硅抑制植物重金属吸收方面的报道，但是绝大多
数是直接将含硅矿物或硅酸盐施入土壤或培养液中。这种施用方式施用量大，会造成资源的 浪费；而且也没有办法实现商品化应用于农业生产。因此，我们采用叶面喷施的方式，研究 了纳米硅制剂对水稻吸收积累 Cd 的影响。
1 实验方法与材料 1.1 纳米硅制剂的制备
纳米硅制剂的制备（见：刘传平等. 2006, 叶面喷施纳米硅制剂抑制水稻吸 收镉, 全国土壤污染控制修复与盐土改良技术交流会会议论文集 27-31）。 1.2 实验设计
重金属含量测定：称取烘干磨细的植物样品 0.500 g 左右放于 150 毫升三角 瓶中，加优级纯 HNO3 25 毫升，放置过夜，盖小漏斗，在可调温加热 30 min。 冷却，加优级纯 HClO4 5 毫升,低温加热，待瓶内白烟消退溶液呈无色透明剩余 2 毫升时，从电炉上取下冷却，用热水洗入 50 毫升容量瓶，用蒸馏水定容、过滤， 待测液在原子吸收分光光度计上测定。
浓 1.0mg/kg 15.9 4.3 0.327 13.8 3.41 0.215 8.5 2.41 0.104 6.14 1.23 0.067 度
2.0mg/kg 29.6 6.6 0.827 17.8 5.94 0.726 10.6 3.78 0.210 7.64 1.54 0.134
表 2 苗期喷施硅制剂处理下镉在水稻体内分布（mg/kg）
2.0mg/kg 29.6 6.3 0.810 17.2 5.14 0.731 11.0 3.82 0.271 7.32 1. 43 0.146
参考文献 1. Hodson M J, Evans D E. Aluminum/Silicon interaction in higher plants. J of Exp Bot., 1995, 46: 161-171 2. Kaufman P B, Dayanandan P, Franklin C I Takeoka Y. Structure and function toughness of silica bodies in the epidermal system of grass shoots. Ann of Bot., 1985, 55: 487-507 3. Liang Y C, Yang C, Shi H. Effects of silicon on growth and mineral composition of barley grown under toxic levels of aluminum [J]. Journal of Plant Nutrition, 2001, 24(2): 1-15. 4. Neumann D U, Nieden Z, Schwieger W. Heavy metal tolerance of Minuartia verna. J of Plant Physiol.,1997, 151: 101-108 5. Neumann D, Zur Nieden U. Silicon and heavy metal tolerance of higher plants [J]. Phytochemistry, 2001, 56: 685-692. 6. Rafi M M, Epstein E, Falk R. Silicon deprivation causes physical abnormalities in wheat. J of Plant Physiol., 1997, 151: 497-501 7. Salt DE, Smith RD, Raskin I. 1998. Phytoremediation[J]. Annu Rev Plant Physiol Plant Mol Biol, 49: 643-668. 8. 蔡德龙, 陈常友, 小林均. 硅肥对水稻镉吸收影响初探[J]. 地域研究与开发, 2000, 19 (4): 69-71. 9. 李建东, 顾 红, 高永刚, 等. 石灰对重金属铅影响玉米生长的抑制效应研究[J]. 生态环境, 2006, 15(2): 312-314. 10. 秦淑琴,黄庆辉. 硅对水稻吸收镉的影响[J]. 塔里木农垦大学学报, 1996, 8(2): 17-20. 11. 尚爱安, 党志等. 土壤中重金属的生物有效性研究进展, 土壤，2000, 6: 294-314 12. 王荔军，郭中满，李铁津等. 生物矿化纳米结构材料和植物硅营养, 化学进展, 1999, 11(2): 119-128 13. 王荔军，李敏，李铁津等. 植物体内的纳米结构 SiO2, 科学通报，2001, 46(8): 625-632 14. 吴启堂，陈卢, 王广涛. 水稻不同品种对 Cd 吸收累积的差异和机理研究, 生态学报, 1999, 19(1): 104-107 15. 杨超光, 豆虎 梁永超, 等. 硅对土壤外源镉活性和玉米吸收镉的影响[J].中国农业科学, 2005, 38 (1): 116-121.
对照
Na2SiO3
无机 Si 溶胶
有机 Si 溶胶
茎
茎
茎
根
籽粒 根
籽粒 根
籽粒 根 茎叶 籽粒
叶
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镉 0.5mg/kg 13.1 3.1 0.051 9.31 2.21 0.052 5.2 0.31 0.031 2.97 0.235 0.022 浓 1.0mg/kg 15.9 5.2 0.401 15.1 3.65 0.324 9.2 2.67 0.131 6.68 1.48 0.095 度
表 1 三个时期都喷施硅制剂处理下镉在水稻体内分布（mg/kg）
对照
Na2SiO3
无机 Si 溶胶
有机 Si 溶胶
茎
茎
茎
根
籽粒 根
Fra Baidu bibliotek
籽粒 根
籽粒 根 茎叶 籽粒
叶
叶
叶
0.5mg/kg 13.1 2.7 0.045 8.79 2.08 0.043 4.9 0.25 0.023 2.85 0.189 0.011 镉
表 4 孕穗期喷施硅制剂处理下镉在水稻体内分布（mg/kg）
对照
Na2SiO3
无机 Si 溶胶
有机 Si 溶胶
茎
茎
茎
根
籽粒 根
籽粒 根
籽粒 根 茎叶 籽粒
叶
叶
叶
89
镉 0.5mg/kg 13.1 2.6 0.043 8.63 2.10 0.037 4.7 0.27 0.027 2.78 0.165 0.019 浓 1.0mg/kg 15.9 4.1 0.312 12.8 3.21 0.221 8.3 2.51 0.125 6.51 1.20 0.083 度
88
三个时期都施加 有机 Si 溶胶使稻米中 Cd 含量从对照的 0.827 mg/kg 分别下降到 0.167、0.101、0.146、0.134 mg/kg。国家食品卫生标准中，大米镉含量要求低于 0.2 mg/kg，通过外源施加硅制剂，有效降低稻米中镉含量，可望在低浓度重金属 污染稻田土壤上生产合格的稻米。
2.0mg/kg 29.6 7.1 0.910 19.2 6.21 0.811 11.5 3.98 0.291 7.97 1.72 0.167
表 3 分蘖期喷施硅制剂处理下镉在水稻体内分布（mg/kg）
对照
Na2SiO3
无机 Si 溶胶
有机 Si 溶胶
茎
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根
籽粒 根
籽粒 根
籽粒 根 茎叶 籽粒
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镉 0.5mg/kg 13.1 2.5 0.041 8.51 1.98 0.034 4.0 0.21 0.019 2.61 0.151 0.008 浓 1.0mg/kg 15.9 4.0 0.301 12.9 3.10 0.195 7.4 2.21 0.091 5.87 1.12 0.059 度 2.0mg/kg 29.6 6.1 0.798 16.7 5.12 0.684 9.3 3.01 0.191 7.21 1.32 0.101
不同纳米硅制剂及不同喷施时期对水稻镉吸收的影响
刘传平，李芳柏，王世华 (广东省生态环境与土壤研究所，广州，510650)
摘要：采用土培实验方法，研究了 Cd 处理下，对水稻叶面进行 3 种不同纳 米硅制剂和 Na2SiO3 喷施，以及在苗期、分蘖期、孕穗期和 3 个时期都喷相同剂 量的纳米硅制剂对水稻吸收 Cd 的影响。试验结果表明，纳米硅制剂可以显著缓 解 Cd 对水稻的毒害作用，降低 Cd 在水稻籽粒中的积累且下降幅度顺序依次为： 有机 Si 溶胶> 无机 Si 溶胶 > 普通 Na2SiO3。在水稻不同生育期施加 Si 制剂的 效果也不相同，其中以在分蘖期喷施效果最佳。土壤 Cd 浓度为 2.0 mg/kg 时， 苗期、分蘖期、孕穗期、三个时期都施加 有机 Si 溶胶使稻米中 Cd 含量从对照 的 0.827 mg/kg 分别下降到 0.167、0.101、0.146、0.134 mg/kg。国家食品卫生标 准中，大米镉含量要求低于 0.2 mg/kg，通过外源施加硅制剂，有效降低稻米中 镉含量，可望在低浓度重金属污染稻田土壤上生产合格的稻米。
87
土壤制备：取水稻田表层耕作土（0－10cm），风干后过筛，称 10 公斤土装 入桶内，分别施加 0.5、1.0、2.0 mg /kg 重金属镉，进行污染状态模拟。
水稻培育和处理：以 5％次氯酸钠溶液对水稻种子表面消毒 15 分钟，用自 来水冲洗后催芽、育苗，选均匀一致的幼苗进行移栽。每盆 2 株，在苗期（25-35 天），分蘖期（60－70 天），孕穗期（80－90 天）叶面喷施根据本发明制备的铈 掺杂无机纳米二氧化硅溶胶、铈掺杂有机纳米二氧化硅溶胶和普通 Na2SiO3 等硅 制剂，溶胶含 Si 量都调节到 20 µmol L-1。喷施硅处理分以下方案：（1）三个时 期每个时期各自喷施 6 次，隔一天喷施 2 次分早晚喷施，喷到叶面出现水珠但是 不滴下为止；（2）三个时期每个时期都喷施，分个时期喷施 2 次共喷施 6 次。以 清水为对照，其余田间管理同常规管理。收获后分开不同器官，用自来水与去离 子水洗净、烘干、灰化、酸溶，测定 Cd 含量。
2 结果与分析 结果如表 1、表 2、表 3、表 4 所示，实验结果表明，喷施硅制剂加深了水
稻叶片绿色，叶片挺拔且机械力增强；不施加外源硅物质，随重金属浓度升高， 水稻生物量有所下降，重金属在水稻中的积累依土壤浓度而增加，如 0.5、1.0、 2.0 mg Cd/kg 风干土水平上，根中 Cd 含量分别为 13.1、15.9、29.6 mg/kg (dw)， 籽粒中也有相同的趋势递增。在同一重金属水平上，叶面喷施硅物质，对水稻生 物量影响不大，水稻根、茎叶、籽粒各部位中重金属含量均显著下降，下降幅度 顺序依次为：有机 Si 溶胶> 无机 Si 溶胶 > 普通 Na2SiO3。0.5、1.0、2.0 mg Cd/kg 风干土重金属水平时，三个时期都施加 有机 Si 溶胶使籽粒中 Cd 含量分别下降 到对照的 24.33%，20.34%和 16.20%。土壤重金属水平为 2.0 mg Cd/kg 风干土时， 三个时期都施加 有机 Si 溶胶使稻米中 Cd 含量从对照的 0.827 下降到 0.134 mg/kg。在水稻不同生育期施加 有机 Si 溶胶效果也不相同，其中以在分蘖期喷 施效果最佳，土壤重金属水平为 2.0 mg Cd/kg 风干土时，苗期、分蘖期、孕穗期、