Cd是生物生长发育过程的非必需元素，是自然界中对动植物和人体危害性最大的重金属种类之一，也是生物毒性最强的重金属元素^{[1, 2]}。Cd在较低浓度下便能经由土壤到达植物根部进而迁移至植物地上部^[3]，大量积累后会对植物体造成危害，而由于镉的隐蔽性，植物在不影响生长的情况下往往会积累较高浓度的镉，并且通过食物链的富集作用进入人体，危害人体健康^[4]，对人体具有三致（致病、致癌、致突变）作用，能诱发肾衰变、关节炎、痛痛病、癌症等病^{[5, 6, 7]}。近年来，随着大气沉降、工业废渣堆积、农田污灌、城市垃圾和污泥的农业化利用及化肥、农药和农膜的大量使用等，使农用土壤受到多种重金属不同程度的污染，尤其是Cd在环境中的化学活性强，移动性大，毒性持久，对土壤及农田造成的污染日趋严重^{[8, 9]}。据统计，我国受镉（Cd）污染的耕地面积近130万hm²，涉及11个省市的25个地区^[10]，可见对Cd污染的治理迫在眉睫。

水稻是世界上最重要的粮食作物之一，世界上一半以上的人口以稻米为主食，我国60%以上人口以稻米为主食^[11]。近年来，镉污染稻米事件层出不穷，尤其地处有色重金属之乡的湖南，稻米产业面临着前所未有的挑战^[12]。因此，寻找降低Cd含量效果更好的改良剂，开展对稻米Cd的阻控效果研究，进一步筛选出最佳稻米阻镉配套技术，对湖南稻米Cd污染阻控技术具有十分重要的现实意义和应用价值。

在Cd污染的农田土壤上，施用改良剂来达到降低作物可食部中Cd积累量的目标，从而保障粮食生产安全是较为有效的技术手段之一^[13]。石灰、海泡石、磷酸盐类等常用改良剂^[14]一直是国内外学者的研究热点，近年来探索新型有效改良剂（硅肥、生物碳、微肥类物质等）^{[15, 16, 17]}也成为研究趋势。因此，通过盆栽试验和田间随机区组试验，开展单一施用进口矿物硅、微生物菌剂及其组配施用方式，对稻米Cd的阻控效果进行研究，为探索矿物硅肥及微生物菌剂对阻控稻米Cd污染的机理提供科学依据并为稻米Cd污染控制技术提供科学依据和技术储备。

采用湖南省筛选的相对低镉积累品种，盆栽试验及田间随机区组试验的晚稻品种均为湘晚籼13号，常规晚稻，全生育期124 d。

（1）盆栽试验土壤土壤类型为第四纪红壤，采自株洲市马家河镇新马村。供试土壤pH和重金属含量见表 1。

表 1 土壤理化性质（mg·kg^-1） Table 1 Physical and chemical properties of soil（mg·kg^-1）

表选项

从表 1可知，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Ⅱ级标准，但土壤中Cd的含量已超过Ⅱ级标准的28.8倍，故属于单一重度Cd污染稻田土壤（一般认为土壤总Cd>2 mg·kg^-1归类为重度Cd污染土壤）。

（2）田间随机区组试验选择湖南省茶陵县马江镇为试验点，土壤中Cd含量为0.36 mg·kg^-1，属于轻度污染区。

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。每盆装土壤25 kg，保持表土平整、湿润，于室外淹水等待土壤稳定紧实后备用。

基施硅肥：俄罗斯进口矿物硅肥，奥斯科海外有限公司提供，主要成分是古微生物化石（硅藻、原始海绵体、海龙），富含70%以上二氧化硅和植物可用的氮、磷、钙、镁等微量元素，正常施用量75~150 kg·hm^-2。

微生物菌剂：CJY微生物菌剂，主要含有多种优势菌群及微量元素，可作底肥，也可作追肥使用，正常施用量1200 mL·hm^-2。

室外盆栽试验及田间区组试验均采用完全随机方案设计，详见表 2和表 3。试验共设计了4个处理水平：空白对照（CK），基施进口矿物硅肥（Si），基施微生物菌剂（F），进口矿物硅肥+微生物菌剂（Si+F），每个处理水平重复3次。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，并于移栽前一周基施氮肥、磷肥及钾肥，移栽后正常水分管理。田间随机区组试验小区面积30 m²（5 m×6 m），各处理设独立灌溉沟渠，采用单一随机种植模式，移栽前施磷肥和氮钾复合肥作基肥，田间管理按大田常规操作进行。

表 2 盆栽试验处理及操作规程 Table 2 Design for pot experiment

表选项

表 3 田间随机区组试验处理及操作规程 Table 3 Design for field experiment

表选项

在试验前，按梅花采样法采集试验田土壤样品，自然风干后，采用电位法（水土比为2.5:1）^[18]测定土壤pH。经HCl-HNO₃-HClO₄^[19]微波法消解土壤样品，用ICP-OES（美国PE8300）检测土样中Cd的含量。

水稻样品采集后，用自来水清洗根部泥土，再手工拆解为根、茎、叶、穗、谷粒等部位，将谷粒样品置于室外阳光下晒干，晒干后称取记录其干重，其他部位样品皆装入编号信封置于103 ℃烘箱内杀青1 h，调至65 ℃烘至恒重后，用植物粉碎机粉碎植物样品，装入密封袋保存。

按混合酸湿法消解^[18]，取水稻样品用消解仪进行消解：称取0.500 0±0.000 2 g水稻粉末样品放入50 mL高温消煮管中，加10 mL混合酸（GR级HNO₃:GR级HClO₄=4:1），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 ℃并保持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。

用ICP-OES（美国PE8300）测定Cd浓度在0.1 mg·kg^-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Varian）测定Cd浓度在0.1 mg·kg^-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。

本文数据图表处理采用Microsoft Excel 2013，多重差异显著性分析采用SPSS（Statistical Product and Service Solutions，19.0）进行。

湘晚籼13从移栽到收割的时间为2014年7月至10月，表 4为不同改良剂对晚稻各部位中Cd含量的影响。

表 4 盆栽试验不同处理对水稻植株各部位Cd含量的影响 Table 4 Effects of different treatments on Cd concentrations in different parts of rice in pot experiment

表选项

从表 4可知，在盆栽试验中，各处理水稻植株不同部位中Cd含量大小依次为根部>茎鞘>叶片，且施用不同改良剂对水稻吸收积累Cd含量呈一定的降低趋势。水稻根部的Cd含量大小依次为CK>Si+F>Si≈F（“≈”表示处理间Cd含量差异不显著，“>”表示处理间差异显著，下同），与CK相比，施用改良剂处理均能显著降低水稻根部Cd的含量，其中以Si和F单独施用处理对根部Cd含量的抑制效果较好，降Cd幅度分别为45.67%和46.19%；水稻茎鞘的Cd含量大小依次为CK>Si+F≈Si>F，与CK相比，施用改良剂处理均能显著降低水稻茎鞘中Cd的含量，其中以F处理对茎鞘Cd含量的抑制效果最佳，降Cd幅度为52.46%；水稻叶片的Cd含量大小依次为CK≈Si+F>F≈Si，与CK相比，F和Si处理均能显著降低水稻叶片中Cd的含量，降Cd幅度分别为45.36%和54.39%，但是Si+F对叶片中Cd含量的降低效果不显著。

由表 5可知，田间随机区组试验中，各处理水稻植株不同部位中Cd含量大小依次为根部>茎鞘>叶片，与盆栽实验的结果一致。水稻根部的Cd含量大小依次为CK>Si+F≈F>Si，与CK相比，施用改良剂处理均能显著降低水稻根部中Cd的含量，其中以Si单独施用处理对根部Cd含量的抑制效果最佳，降Cd幅度分别为73.91%；水稻茎鞘的Cd含量大小依次为CK>Si+F≈F≈Si，与CK相比，施用改良剂处理均能显著降低水稻茎鞘中Cd的含量，其中以F和Si处理对茎鞘Cd含量的抑制效果较好，降Cd幅度分别为63.08%和71.28%；水稻叶片的Cd含量大小依次为CK>Si+F≈F≈Si，与CK相比，施用改良剂处理均能显著降低水稻叶片中Cd的含量，且F和Si单独施用对叶片Cd含量的抑制效果最佳，降Cd幅度分别为74.75%和76.77%。

表 5 田间试验不同处理对水稻植株各部位Cd含量的影响 Table 5 Effects of different treatments on Cd concentrations in different parts of rice in field experiment

表选项

综上所述，施用单一改良剂及其组配施用对晚稻植株各部位Cd含量有一定的抑制作用，且单一施用矿物硅肥和微生物菌剂处理的效果较好，其中单一施用矿物硅肥的效果最佳，能有效降低根部、茎鞘和叶片中Cd的含量，与盆栽实验结果呈一致趋势。

从表 6可知，晚稻稻谷中谷壳和糙米的Cd含量大小依次为谷壳>糙米；水稻谷壳的Cd含量大小依次为CK>Si+F≈Si>F，与CK相比，施用改良剂处理措施均能显著降低水稻谷壳中Cd的含量，其中Si和F处理对谷壳Cd含量的抑制效果较好，降Cd幅度分别为27.20%和38.39%；水稻糙米的Cd含量大小依次为CK>Si+F≈Si≈F，与CK相比，施用改良剂处理措施均能显著降低糙米中Cd的含量，以F处理对糙米Cd含量的抑制效果最佳，降Cd幅度达到55.31%。结果说明，施用单一改良剂及其组配施用对晚稻稻谷Cd含量有一定的抑制作用，以单一施用微生物菌剂处理的效果最佳，能有效降低谷壳和糙米中Cd的含量，明显抑制Cd向糙米中的吸收转运过程。

表 6 盆栽试验不同处理对稻谷Cd含量及水稻产量的影响 Table 6 Effects of different treatments on grain Cd concentrations and yields of rice in pot experiment

表选项

在水稻产量（以稻谷干重计）方面，与CK相比，单一施用俄罗斯进口矿物硅肥、微生物菌剂及其组配施用处理措施均能使水稻产量有一定的增加，但单一施用硅肥的效果并不显著，只有Si+F处理的效果最佳，使水稻增产28.06%。

从表 7可知，田间随机区组试验晚稻稻谷中谷壳和糙米的Cd含量大小依次为谷壳>糙米。水稻谷壳的Cd含量大小依次为CK>Si+F≈Si≈F，与CK相比，施用改良剂处理措施均能显著降低水稻谷壳中Cd的含量，以Si和F处理对谷壳Cd含量的抑制效果较好，降Cd幅度分别达到62.07%和65.52%；水稻糙米的Cd含量大小依次为CK>Si+F≈Si≈F，与CK相比，施用改良剂处理措施均能显著降低水稻糙米中Cd的含量，且都达到国家食品卫生安全标准，其中Si和F处理对糙米Cd含量的抑制效果较好，降Cd幅度分别达到60.87%和69.57%。综上所述，田间随机区组实验与盆栽实验结果一致，说明施用单一改良剂及其组配施用能有效抑制晚稻稻谷Cd含量，以单一施用微生物菌剂处理的效果最佳，能明显抑制Cd向糙米中的吸收转运过程。

表 7 不同处理对稻谷Cd含量及水稻产量的影响 Table 7 Effects of different treatments on grain Cd concentrations and yields of rice in field experiment

表选项

在水稻产量（以稻谷干重计）方面，与CK相比，单一施用俄罗斯进口矿物硅肥，微生物菌剂及其组配施用处理措施均能使水稻产量有一定的增加，其中Si+F处理的效果最佳，使水稻增产31.10%，与盆栽试验结果一致。

硅（Si）是土壤中丰度最高的元素，是对植物生长有益的元素，能促进茎鞘壁加厚，有利于抗倒伏，增强植物对生物胁迫和非生物胁迫的抗性，研究已证实它能够帮助植物克服各种环境胁迫^[19]。富硅材料一般呈碱性，施入土壤中不仅能提高土壤的pH，降低土壤中重金属的植物有效性，起到钝化镉的作用，并且减少重金属向地上部的转运量，从而达到了区室化阻隔之目的^{[20, 21]}。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，史新慧等^[22]通过水稻水培试验结果证实：施硅能显著抑制Cd向水稻地上部的运输，加硅也降低了质外体内不同形态Cd的含量，特别是结合态的Cd，施硅显著降低了Cd毒害所诱导的过氧化物酶活性，说明加硅缓解了高浓度Cd对水稻的毒害作用；陈喆等^[23]通过室外盆栽试验得出，施用含硅肥料能有效控制水稻植株各部位Cd含量的迁移，并能明显降低水稻各部位及糙米中Cd的含量；黄道友等^[24]研究发现，向镉污染土壤施用熔渣硅肥能够抑制水稻对镉吸收，降低稻米中的镉含量；龚光明等^[25]研究结果表明，施用俄罗斯硅肥能抑制水稻对土壤中镉的吸收，降低镉对水稻的毒害作用，降低稻米的镉含量，提高水稻的产量。

微生物菌剂是由一种或数种有益微生物、经工业化培养发酵而成的生物性肥料，是以微生物生命活动产生肥力效应的制品，有研究表明施用生物菌肥能够明显增强土壤生化作用强度，提高土壤酶活性、呼吸强度、氨化作用强度^[26]。微生物菌肥配施一定数量的化学肥料可以提高水稻产量，有利于提高土壤供肥能力，增强根系活力，改善植物的营养，促进矿质营养释放，协助养分吸收，刺激植株生长，减少病虫害，使作物增产，对水稻各项生育指标有较好影响^{[27, 28]}。就生物菌肥本身而言，在细胞壁及周围区域形成大量颗粒状镉沉积物，在菌体表面形成附着的沉淀物，利用胞内外沉积作用可能是对镉的抗性和富集作用的重要途径，从而减少土壤中可溶态镉含量^[29]。秦礼宝等^[30]研究表明，微生物肥可以改善土壤的松散性，土壤个体的生长环境得到了改善，有利于提高水稻的成穗率、结实率、千粒重，对产量的提高有一定的帮助，并且具有良好的减肥稳产效果，在改良土壤、保护农业生态环境方面也有积极意义。

本试验研究结果表明，施用单一矿物硅肥、微生物菌剂及其组配方式均能降低水稻各部位Cd含量，但单一施用改良剂方式效果优于组配施用效果，说明这两组改良剂组配施用并没有起到协同作用，可能是由于两种改良剂产生了拮抗作用的原因，具体原因还有待进一步的研究与探索。对于水稻稻谷，施用改良剂处理方式均可使糙米含量明显降低，尤其是对轻度污染农田的稻米，均能达到国家食品卫生标准，也能提高水稻产量。因此，矿物硅肥与微生物菌在米镉污染治理与控制方面使用简单、效果良好，具有较好的应用前景。

（1）通过分析盆栽试验和田间随机区组试验晚稻植株各部位中Cd的含量变化情况，发现水稻各部位间Cd含量大小规律为根部>茎鞘>叶片>谷壳>糙米。

（2）研究表明，无论是盆栽试验还是田间随机区组试验，改良剂单一施用及组配施用均能降低晚稻植株各部位Cd含量，其中单一施用硅肥与微生物菌剂对降低根部、茎鞘和叶片的效果要优于组配施用的效果。

（3）在盆栽试验中，单一施用改良剂及其配施都能对稻米Cd的含量起到阻控效果，显著降低了水稻稻谷中Cd的含量，其中以微生物菌剂处理的效果最佳。在轻度污染区的田间随机区组试验中，根据各种改良剂对糙米阻控潜力来看，与CK相比，所有处理措施都能显著降低水稻糙米中Cd的含量，且均可达到国家食品卫生标准，其中以微生物菌剂处理的效果最为显著，与盆栽实验结果一致。

（4）在两组实验中，水稻产量与CK相比，单一施用改良剂及其组配施用均能使水稻有一定程度的增产作用，其中以矿物硅肥+微生物菌剂组配处理的效果最佳。