土壤重金属污染已成为世界性的环境问题。我国受重金属污染的耕地面积约占全国总耕地面积的19.4%，约为26×10⁵ hm²，对我国粮食安全生产构成巨大威胁^[1]。据《全国土壤污染调查公报》指出，我国西南、中南地区土壤重金属超标范围较大，重金属污染主要涉及Cd、As、Pb等污染物质，土壤镉超标率为7%，位居第一位^[2]。镉活性强、毒性高且不能被微生物降解，在土壤中滞留时间长，被作物根系吸收后易向其他部位转移，收获作物可食部位进入食物链，这对食品安全和人类健康构成严重威胁^[3]。湖南是有色金属之乡，镉是湖南省稻田土壤中最为普遍的重金属污染元素，镉污染导致区域稻米产量和品质下降，影响着地区经济和社会的和谐发展。湖南洞庭湖区是我国双季稻主产区，也是全国商品粮基地，在我国粮食生产安全上占有举足轻重的地位，区域稻米质量安全备受关注。因此，修复区域重金属镉污染稻田是亟待解决的问题。

稻米镉污染控制消减等的研究成为稻田重金属污染修复的研究热点之一。由于重金属污染农田土壤养分缺乏、结构较差等限制因素，通过施加石灰、白云石、含磷矿物、粉煤灰、有机肥等改良剂辅助农作物减少重金属吸收的技术，以其见效快、低成本、易操作等特点，在重金属污染农田土壤修复实践中得到了较为广泛的应用。一般认为，硅对植物重金属胁迫具有一定的缓解作用^[4-6]。施用富硅改良剂已成为镉污染农田稻米安全生产的重要技术措施。在硅肥施用技术上，前人研究的硅肥叶面喷施和土壤撒施^[7-9]对降低水稻吸收积累镉具有较好效果，不同生育期施硅肥对水稻产量及其硅素吸收效率差异也已有报道^[10-11]，然而水稻不同生育期施用硅肥对水稻吸收积累镉的影响鲜有报道，同时稻田镉污染修复的硅肥施用技术的组配、集成仍需通过大量的试验研究得出。

因此，本实验采用田间试验研究了水稻不同生育期施硅肥对稻米镉含量的影响，以期为区域典型镉污染稻田提供并完善硅肥施用技术，探讨硅对降低稻米镉污染的机理提供科学依据。

1 材料与方法 1.1 试验地点

水稻试验地点位于湖南省长沙县北山镇农技站试验田，该地属于中亚热带季风湿润气候区，具有热量丰富、降水充沛、日照充足的特点，是南方典型的水稻生产区。土壤基本理化性质为：土壤pH 5.15（土:水为1:2.5），有机质27.6 g·kg^-1，碱解氮274.7 mg·kg^-1，有效磷16.3 mg·kg^-1，速效钾85.8 mg·kg^-1，土壤中全镉含量0.56 mg·kg^-1，超过土壤环境质量二级标准（GB 15618—2008），有效态镉含量0.233 mg·kg^-1。

1.2 试验设计

采用田间小区试验，设置4个处理，每个处理重复3次，小区面积30 m²。（1）对照处理（CK）：常规施肥，不添硅肥；（2）移栽前基施硅肥（T1）：常规施肥，与基肥同时施入，其SiO₂量为225 kg·hm^-2；（3）分蘖期追施硅肥（T2）：常规施肥，分蘖期追施SiO₂量为225 kg·hm^-2；（4）孕穗期追施硅肥（T3）：常规施肥，孕穗期追施SiO₂量为225 kg·hm^-2。

施肥情况：以水稻专用复合肥（24-6-10）作基肥，施用量为525 kg·hm^-2，分蘖期追施尿素112.5 kg·hm^-2。硅肥：淄博金禾肥料有限公司提供（SiO₂≥24%，CaO≥32%，硼锌铁铜钛钼钾≥15%，MgO≥5%）。在水稻生长季，为了避免小区相互串水，小区田埂采用薄膜覆盖。化学肥料于作物移栽前1 d施入并耙匀。水稻品种为湘晚籼12号，生产中病虫害防治与当地习惯保持一致。

1.3 样品采集与测定

水稻成熟期采集土壤和水稻地上部（茎秆、叶片、稻米）样品。用土钻在每小区随机采集5点土样，混合作为一个土壤样品，土样自然风干后研磨分别过20目和100目筛，备用。植株样品用自来水冲洗干净，并用纯水冲洗，于80 ℃烘干后粉碎，备用。土壤有效态镉采用DTPA浸提，火焰原子吸收分光光度仪测定，有效硅采用0.5 mol·L^-1 HCl浸提（NY/T 2272—2012），硅钼蓝比色法测定；植株样品镉含量用微波消解仪消解，ICP-MS测定。水稻植株全硅测定^[12]：将100 mg样品放入100 mL耐高压塑料管中，加入3 mL 50% NaOH溶液，盖上盖子，振荡器上摇匀，高压灭菌锅中121 ℃下灭菌20 min后，用漏斗转移至50 mL容量瓶中，蒸馏水定容，摇匀，用钼蓝比色法测定硅含量。

1.4 数据处理与统计分析

试验数据采用Microsoft Excel 2007软件进行处理，SPSS 17.0软件进行统计分析和处理间差异显著性检验（LSD法）。

2 结果与分析 2.1 不同处理对水稻产量的影响

不同处理对水稻产量的影响如图 1。可以看出，与CK处理相比，T1、T2和T3处理能够增加水稻产量，其中T1处理增产幅度为9.7%（P < 0.05），T2和T3处理对水稻增产效果低于T1。结果表明，水稻不同生育期施用硅肥能够增加水稻产量，但硅肥施用时期对水稻的产量有较大影响，这与硅在稻田中释放、水稻吸硅时期及硅对水稻产量构成因子的影响关系密切。

2.2 不同施肥处理对土壤pH及有效态镉、硅的影响

不同施肥处理下成熟期土壤pH值变化如图 2所示。可以看出，硅肥能够提高成熟期土壤pH值，与CK处理相比，T1、T2和T3处理分别提高了0.290、0.263、0.160个pH单位，T1和T2处理提高土壤pH达显著水平。结果表明，施用硅肥能够提高土壤pH值，但随着硅肥施用时期延后，对土壤pH提高效果减弱。

不同施肥处理土壤有效态镉、硅含量差异见图 3。与CK处理相比，T1、T2和T3处理能够降低土壤DTPA-Cd含量，降低顺序为T1>T2>T3，其中T1处理显著降低土壤有效态镉含量，降低幅度为7.4%（P < 0.05）。施用硅肥的T1、T2和T3处理土壤有效硅显著增加了295.3%~399.2%（P < 0.01），不同时期施用硅肥处理土壤有效硅含量大小顺序为T1>T2>T3，各处理之间差异没有达到显著水平，随硅肥施用时间的延后，土壤有效硅含量具有逐渐降低的趋势，这可能与硅肥在稻田中的释放、转化及水稻吸收有关。

2.3 不同施肥处理对水稻植株镉、硅含量的影响

总体而言，不同时期施用硅肥均能降低水稻对镉的吸收和积累，如图 4所示。与CK处理相比，T1、T2和T3处理降低了水稻茎中的镉含量，其中T1处理降幅为31.9%（P < 0.05），差异达到显著水平。T1、T2和T3处理均显著降低水稻叶片中镉含量，降低幅度为60.0%~65.8%（P < 0.05），同时，显著降低了水稻稻壳中镉含量，降幅为26.5%~46.1%（P < 0.05）。稻米中镉含量与稻壳中镉含量趋势一致，与CK处理（稻米镉含量0.431 mg·kg^-1）相比，T1、T2处理稻米镉含量分别显著降低25.3%（P < 0.05）和16.7%（P < 0.05）。表明施用硅肥能够降低水稻地上部各器官对镉的吸收积累，水稻不同生育期施硅降低地上部镉积累的差异较大。

水稻地上部各部位硅含量如图 4所示。总体而言，施用硅肥增加水稻地上部硅的吸收和积累，茎秆、叶片和稻壳中硅含量大小顺序均为T1>T2>T3>CK。与CK处理相比，T1、T2和T3处理均能够增加茎、叶和壳中硅含量，T1和T2处理在茎秆、叶片和稻壳增加幅度分别为42.3%~44.1%（P < 0.05）、33.8%~71.5%（P < 0.05）、18.8%~28.8%（P < 0.05），T3处理显著增加了叶片中硅含量，增幅为13.9%（P < 0.05），其茎秆和稻壳硅含量增加没有达到显著水平。表明水稻供硅时间对水稻吸收积累硅具有较大影响，随着施硅时间延后，水稻对硅的吸收呈递减趋势，表明水稻对硅的吸收积累与水稻吸硅时期和硅肥在土壤中释放有关。

2.4 水稻植株体内镉、硅转运系数

施用硅肥对水稻镉、硅转运的影响见表 1。可以看出，与CK处理相比，T1、T2和T3显著降低水稻镉由茎秆向叶片的转运系数，降低幅度为30.8%~50.6%（P < 0.05）。水稻植株茎秆向稻壳转运系数降低，但没有达到显著水平。T1、T2和T3处理显著增加水稻镉由稻壳向稻米镉转运系数，增加7.7%~24.2%（P < 0.05），随着硅肥施用时期的延后，稻米镉由稻壳向稻米转运系数加大，表明硅对水稻体内镉的阻隔作用降低，并对稻米镉积累具有一定促进作用，但这种转运积累过程对稻米镉积累影响较植株整体对镉的吸收效果小。综上表明，稻米镉的积累与水稻镉的吸收以及镉在植株体内的转运关系密切。

对水稻植株体内硅而言，与CK处理相比，T1、T2增加了硅由茎秆向叶片的转运，其中，T1处理达到显著水平，增幅为13.9%（P < 0.05），而T3处理降低了硅由茎秆向叶片的转运系数，差异没有达到显著水平，可以看出土壤硅素释放过程和水稻对硅的吸收时期及其转运共同决定了水稻对硅素营养的吸收积累。另外，各施硅处理硅由茎秆向稻壳的转运系数差异并不显著，但较CK处理均显著降低，降低幅度为15.8%~33.1%（P < 0.05），这可能是本试验中稻壳中硅较叶片中低的原因。

2.5 土壤、水稻各变量之间相互关系

土壤、水稻各变量之间相互关系见表 2。可以看出，土壤有效硅含量与茎秆硅含量和土壤pH呈显著正相关，相关系数分别为0.926和0.969，与土壤DTPA-Cd呈极显著负相关，表明施硅肥能够提升土壤pH值，增加有效硅含量，降低土壤镉生物有效性，促进茎秆对硅的吸收积累。茎秆硅含量与叶片硅含量呈显著相关，与水稻茎秆、叶片和稻壳镉含量呈显著负相关，相关系数分别为-0.735、-0.734和-0.729，表明水稻茎秆中硅的积累能够抑制水稻地上部镉的积累，这种抑制效应可能主要是通过降低土壤中镉的生物有效性或是在水稻根部与镉形成了难迁移结合态。叶片中硅含量与稻壳硅含量呈显著正相关，而与叶片、稻壳和稻米镉含量呈显著负相关，相关系数达0.728、0.956和0.995，表明地上部植株硅的大量累积，降低了地上部镉向末端的迁移转运。土壤有效镉与土壤pH呈极显著负相关，相关系数为-0.995，而与茎秆、叶片、稻壳和稻米镉含量呈显著正相关，表明土壤中镉的生物有效性决定了水稻对镉的吸收积累，其生物有效性与土壤pH关系密切。茎秆镉含量与叶片、稻壳和稻米镉含量呈显著正相关，相关系数分别为0.625、0.773和0.959，这与镉在水稻体内的迁移转运有关。稻米镉含量受限于土壤有效镉和茎秆镉含量，与叶片硅含量呈显著负相关，相关系数为-0.995，表明上述因素是控制稻米镉含量的关键因素。

3 讨论

施用硅肥能够增加水稻产量^[13-15]。本研究得出，施用硅肥能够增加水稻产量，增产幅度为3.3%~9.7%，其中基施增产效果达显著水平，增产结果与龚金龙等^[10]研究结果吻合，即幼穗分化-抽穗期供硅能够提高穗数、穗粒数、结实率等，最终达到增产效果。硅肥属于碱性物质，施入稻田能够增加土壤pH值，土壤pH升高会使带负电荷的土壤胶体对带正电荷的重金属离子吸附能力增加，土壤中的Fe、Mn等离子与OH^-结合形成羟基化合物为重金属提供更多的吸附点位^[16-17]，且羟基态阳离子与土壤吸附点位的亲和力高于自由阳离子，更加有利于重金属形成碳酸盐^[18-19]、硅酸盐^[20]等沉淀物，降低土壤镉生物有效性。本试验研究，在水稻不同生育期施用硅肥均可提高土壤pH值，从而降低了土壤有效态镉含量，同时，土壤有效态镉含量与水稻茎、叶、壳和稻米镉含量显著正相关，表明硅肥提高土壤pH值、降低土壤镉生物有效性是降低水稻稻米镉积累的原因之一。该结果与诸多研究报道相一致^[21-22]。然而，不同时期施用硅肥对土壤pH提升效果不同，可能由于随着水稻的生长，根系分泌有机酸逐渐增多^[23]，导致硅肥对土壤pH值增加效果降低。

本研究得出茎秆硅含量与水稻茎秆、叶片、稻壳镉含量，叶片硅含量与叶片、稻壳和稻米镉含量均呈负相关关系。表明施硅增加水稻对硅的吸收，降低了水稻地上各部位对镉的积累，可能是因为加硅使镉沉淀在根部内皮细胞壁，增加了锰膜对镉的积累，减少其向上转运^[24]。另外，加硅能够抑制质外体运输途径，阻塞细胞壁孔隙度，影响镉的质外体运输，从而降低镉向地上部运输^[25-26]，同时，加硅使硅、镉主要积累在植物茎秆细胞壁边缘或以植硅体形态存在于茎秆中，降低了稻米潜在风险^[27]，富硅改良剂增加了水稻中硅的含量，促进了硅与重金属形成复合物沉淀，进而减少了重金属转运^[28-29]。硅对水稻体内镉不同迁移态影响研究也表明，硅降低水稻根和茎叶中迁移性较强的乙醇提取态和去离子水提取态的镉含量，促进难迁移的醋酸提取态和盐酸提取态镉形态的生成，降低水稻体内镉的迁移性^[30]。综上表明，施硅降低土壤镉生物有效性、抑制镉向上运输及镉在地上部的迁移转运过程共同决定了镉在水稻地上部的积累。

在本试验条件下，施用硅肥能够降低稻米中镉含量，但其含量仍超过GB 2762—2005《食品中污染物限量》的标准限值（0.2 mg·kg^-1），在本实验镉污染水平下（0.56 mg·kg^-1），仅单独依靠施用硅肥措施可能无法解决稻米镉超标问题，还需寻求其他措施加以综合利用。在施用硅肥修复稻田镉污染时，外源镉污染如大气沉降、灌溉水等因子也会对修复结果造成一定干扰。对于低浓度Cd污染农田，也许可以通过施用硅肥来降低稻米中Cd含量，控制其浓度在国家限量标准值内。我们在治理修复稻田镉污染工作中，在控制和隔绝污染源的同时，采用高效合理修复技术措施才是稻田镉污染修复的可持续发展道路。

4 结论

中度镉污染稻田施用硅肥能够增加水稻产量，施用硅肥可增加土壤有效硅含量，提高土壤pH值，从而降低镉生物有效性，降低镉在水稻体内的迁移转运，从而降低水稻地上部镉的积累，同时，增加了水稻地上部对硅的吸收积累，但不同时期施用硅肥对水稻增产效率、稻米降镉率和硅的积累差异明显。基施硅肥不仅增产效果明显，且消减稻米镉效果最佳，是一项值得推荐的硅肥施用技术。