矿业活动、工业生产、金属和含金属化合物的农用导致重金属释放到土壤环境中，世界多数国家土壤重金属污染问题突出^[1]。镉（Cd）是一种毒性高、移动性大的金属元素，土壤中的Cd易被作物吸收，进入食物链危害人体健康^[2]。水稻是世界上最主要的粮食作物之一，也是对Cd吸收能力最强的大宗谷类作物^[3]，糙米Cd污染问题备受关注。因此，有必要采取高效措施降低稻米Cd含量，减少人体对Cd的摄入。

利用竞争性阳离子与Cd²⁺的拮抗效应来抑制Cd吸收或转移到作物可食部的农艺调控方法，已逐渐成为Cd污染治理研究的焦点^[4-11]。锌（Zn）是植物生长必需的微量元素，由于Zn和Cd两种元素的相似性，使植物对其吸收具有拮抗作用^{[5, 7, 9, 12-13]}。土施和喷施ZnSO₄都可降低作物Cd含量，且喷施处理的效果优于土施处理^{[7, 9, 14-15]}。研究表明，喷施Zn肥可通过抑制根部Cd吸收^{[7, 16]}和降低作物体内Cd转运而降低其可食部Cd含量^{[5, 9, 12, 17-18]}，但两者所起的作用在不同作物中表现并不一致^{[5, 7, 18]}。

水稻根、第一节和穗轴在Cd吸收和向籽粒转运中起着关键性的作用^[19-25]，Huang等^[22]研究表明，叶面喷施纳米Si显著降低了根到第一节和第一节到穗轴的Cd转运系数，从而降低稻米Cd含量。近年来研究表明，喷施ZnSO₄可有效降低水稻稻米Cd含量、提高其Zn含量^{[14, 17-18, 26]}，然而其作用机制尚不明确，喷施ZnSO₄对水稻吸收转运Cd关键节点影响的研究尚未见报道。为此，本研究采用田间试验，研究叶面喷施不同浓度的ZnSO₄对水稻产量、籽粒、穗轴和其他营养器官Cd和Zn含量的影响及籽粒Cd含量与Cd转运系数的关系，确定水稻籽粒降Cd增Zn效果最佳的Zn肥施用量，并探讨其作用机制，以期为稻米Cd污染的农艺防治提供理论依据。

田间试验选址为湖南省长沙市长沙县北山镇（112°56' 15″ ~113°30' 00″E，27°54'55″N）某Cd污染稻田。北山镇属于亚热带季风气候，气候温和，降雨充沛，当地年平均气温为16~20 ℃，年平均降水量为1200~1500 mm。供试稻田土壤基本理化性质见表 1。

表 1 供试土壤基本理化性质 Table 1 Basic physical and chemical properties of the tested soil

表选项

供试水稻品种为株两优189（两系杂交籼稻，湖南希望种业有限公司）。供试ZnSO₄为ZnSO₄·7H₂O，由国药集团化学试剂有限公司生产。

设置6个叶面喷施处理：（1）CK，不施Zn；（2）Zn1，1 g·L^-1 Zn（ZnSO₄）；（3）Zn2，2 g·L^-1 Zn（ZnSO₄）；（4）Zn3，3 g·L^-1 Zn（ZnSO₄）；（5）Zn4，4 g·L^-1 Zn（ZnSO₄）；（6）Zn5，5 g·L^-1 Zn（ZnSO₄）。每个处理5次重复，共30个小区，每个小区面积为6 m²。所有小区随机区组排列，水稻植株间距为20 cm × 20 cm，每小区种植126兜水稻（每兜3株）。每公顷基施复合肥（10-5-10）1200 kg（即基施N 120 kg·hm^-2、P₂O₅ 60 kg·hm^-2、K₂O 120 kg·hm^-2），在水稻移栽前1 d施入。水稻的耕作管理与当地农民的耕作管理保持一致。2017年4月19日进行水稻移栽，6月6日和6月9日（灌浆初期）待叶片水干后进行喷施处理，每次叶面喷施水量为1500 L·hm^-2（对照喷施等量清水）。2017年7月18日水稻成熟收获时测产。

成熟期取水稻植株样品，用自来水洗净后再用去离子水清洗，清洗后的水稻植株分为稻谷、穗轴（包括小穗轴和穗节）、旗叶（包括叶片和叶鞘）、第一节间、第一节、其他叶（除旗叶外的其他叶片和叶鞘）、其他节和节间（除第一节外的其他节和节间）和根，于105 ℃下杀青30 min，70 ℃烘干至恒质量。稻谷烘干后利用脱壳机（JLGJ 4.5，Taizhou Grain Meter Factor，Zhejiang，China）分为糙米和稻壳。水稻各器官样品粉碎后备用。

植株各器官Cd、Zn含量采用HNO₃-HClO₄（V_HNO3: V_HClO4为5:1）消解，滤液用电感耦合等离子光谱发生仪（ICP-OES，720ES）测定。

转运系数（TF）（Transfer Factor）是指植物上部某元素的质量分数与植物下部某元素质量分数之比，用来评价植物将重金属从下部向上部运输的能力^[27]。用Excel 2010软件进行试验数据的处理及表格制作，SPSS 19.0软件进行统计分析，Tukey' s HSD（Honest Significant Difference）法做多重比较和差异显著性检验，Person法进行相关性分析。

随着叶面喷施Zn浓度的提高稻谷产量呈降低趋势，但各处理间水稻产量无显著差异（P >0.05）（图 1）。

不同字母表示处理间差异显著（P < 0.05）。下同 Different letters represent significant difference among different treatments(P < 0.05). The same below 图 1 叶面喷施不同浓度Zn对水稻产量的影响 Figure 1 Effect of foliar application different concentrations of zinc on rice yield

图选项

水稻不同器官Cd含量表现为根>第一节>旗叶>其他叶>其他节和节间>穗轴>稻壳>第一节间>糙米（图 2）。随着喷Zn浓度的增加，各器官Cd含量呈现先降低后增加的变化趋势。与CK处理相比，叶面喷Zn使糙米、稻壳、穗轴、第一节间、第一节、旗叶、其他叶、其他节和节间、根Cd含量分别降低9.0%~47.8%、10.7%~27.5%、3.7%~29.4%、5.5%~47.0%、9.5%~ 53.6%、7.6%~44.1%、5.7%~45.4%、16.1%~62.7%和4.2%~18.9%，表明叶面喷施1~5 g·L^-1 ZnSO₄可在一定程度上降低水稻各器官Cd含量，其中喷施4 g·L^-1 ZnSO₄糙米Cd含量降低最大，达47.8%。糙米Cd与稻壳Cd、穗轴Cd、旗叶Cd、第一节间Cd、第一节Cd、其他叶Cd、其他节和节间Cd、根Cd均呈显著正相关关系（P < 0.01），相关系数分别为0.653、0.856、0.878、0.857、0.853、0.876、0.861和0.745（图 3）。

图 2 喷施不同浓度Zn对水稻植株Cd和Zn含量的影响 Figure 2 Effect of foliar application of different concentrations of zinc on cadmium and zinc concentrations in rice plants

图选项

**表示在P < 0.01水平极显著相关。下同 **indicates extremely significant correlation at P < 0.01. The same below 图 3 糙米Cd与其他器官Cd含量的关系 Figure 3 Relationship between brown rice Cd and Cd in other organs

图选项

水稻不同器官Zn含量表现为：第一节>其他叶>旗叶>其他节和节间>根>第一节间>穗轴>稻壳>糙米（图 2）。随着喷Zn浓度的增加，水稻各器官Zn含量呈逐渐升高的变化趋势。与CK处理相比，叶面喷Zn使糙米、稻壳、穗轴、第一节间、第一节、旗叶、其他叶、其他节和节间、根Zn含量分别显著提高31.7%~55.6%、68.3%~188.0%、81.7%~150.8%、100.7%~172.7%、144.7%~ 214.7%、588.6%~1 571.3%、1 035.7%~2 068.4%、92.6%~ 149.8%和63.1%~205.5%（P < 0.05），表明叶面喷施1~ 5 g·L^-1 ZnSO₄显著提高水稻各器官Zn含量。

旗叶到第一节Cd转运系数（TF_{第一节/旗叶}）>穗轴到糙米Cd转运系数（TF_{糙米/穗轴}）>根到第一节Cd转运系数（TF_{第一节/根}）>第一节到穗轴Cd转运系数（TF_{穗轴/第一节}）（图 4）。叶面喷Zn处理TF_{第一节/旗叶}降低1.0%~30.3%、TF_{第一节/根}降低5.8%~43.7%、TF_{糙米/穗轴}降低4.7%~ 26.7%、而TF_{穗轴/第一节}提高5.0%~47.1%。叶面喷Zn降低了Cd从旗叶和根向第一节及穗轴向糙米的转运、促进了Cd从第一节向穗轴的转运，喷施3~5 g·L^-1 ZnSO₄时尤为明显。

图 4 喷施不同浓度Zn对水稻Cd转运系数的影响 Figure 4 Effect of foliar application of different concentrations of zinc on the translocation factors of cadmium in rice

图选项

糙米Cd含量与第一节/根和糙米/穗轴Cd转移系数显著正相关，与穗轴/第一节Cd转运系数显著负相关（图 5）。

图 5 糙米Cd含量与水稻Cd转运系数的关系 Figure 5 Relationship between cadmium concentrations in brown rice and translocation factors of cadmium in rice

图选项

本研究结果表明，Cd污染土壤上叶面喷施不同浓度的ZnSO₄对水稻产量无显著影响，这与前人的研究结果类似^{[9, 16, 18]}，这可能是由于供试土壤有效Zn含量较高，不属于缺Zn土壤，不能通过提高作物Zn营养来促进作物生长。

叶面喷施1~5 g·L^-1 ZnSO₄显著提高水稻各器官Zn含量，且随着喷Zn浓度的提高各器官Zn含量逐渐上升（图 2）。这可能是由于叶片中的Zn能够通过韧皮部运到其他器官进行再分配^[28-29]，随着喷Zn浓度的增加，叶片对Zn的吸收量增加，其他器官的Zn含量会增加；喷施过程中有雾滴落入土壤中导致根部土壤Zn含量及有效性增加，植株对Zn的吸收量增加，Zn由根到地上部的转运增加，进而水稻各个器官的Zn含量增加^[30]；喷施Zn增加了叶片上Zn的附着吸附量。与对照相比，叶面喷Zn糙米Zn含量提高31.7%~55.6%（图 2），因此，叶面喷Zn是生物强化稻谷Zn含量的一种有效措施。

叶面喷施1~5 g·L^-1 ZnSO₄在一定程度上降低水稻各器官Cd含量，叶面喷施Zn后水稻器官中Cd浓度的降低部分归因于水稻器官中Zn浓度的显著增加，水稻各器官（稻壳除外）Cd与Zn含量之间显著负相关（糙米、穗轴、第一节间、第一节、旗叶、其他叶、其他节和节间、根中Cd与Zn之间相关系数分别为-0.435*、-0.375*、-0.456*、-0.654**、-0.651**、-0.701**、-0.741**和-0.430*）；水稻各器官中Cd与Zn之间表现为拮抗作用。有研究结果表明喷Zn能降低作物Cd含量、Cd与Zn之间表现为拮抗效应^{[7, 12, 31-33]}。Zn、Cd之间的拮抗作用会抑制根系对镉的吸收及Cd从根到地上部的转运^[26]：一方面Zn与Cd竞争水稻细胞膜表面的吸收位点，Zn吸收量增加，Cd吸收量减少^[31]；另一方面Zn与Cd在植物体运输中可以利用相同的转运蛋白，当植物体内Zn含量增加时就会与Cd竞争这些转运蛋白上的重金属结合位点，最终导致植物体内的Cd含量减少^[7]。水稻用同一转运蛋白吸收和转运Cd和Zn，如转运蛋白OsZNT1^[33]和金属ATPase 2（OsHMA2）转运蛋白^[34-35]。本研究结果表明，糙米Cd含量与根Cd含量、第一节/根和糙米/穗轴Cd转移系数显著正相关，与穗轴/第一节Cd转运系数显著负相关，表明叶面喷Zn降低糙米Cd含量主要是由于降低根Cd吸收和根与旗叶向第一节及穗轴向糙米Cd的转运引起的。代晶晶等^[16]研究同样表明喷施Zn肥主要是通过减少根部Cd吸收和向地上部Cd转运来降低油菜华俊地上部Cd含量。然而，叶面喷施Zn调控水稻Cd吸收与转运的分子机制需要进一步探讨。

（1）喷施1~5 g·L^-1 ZnSO₄对水稻产量无显著影响。

（2）喷施3~5 g · L^-1 ZnSO₄显著降低糙米Cd含量，同时显著提高稻米Zn含量，是叶面调控稻米Cd含量积累的适宜用量。

（3）叶面喷Zn降低糙米Cd含量主要是由于根Cd吸收和降低根和旗叶向第一节及穗轴向糙米的转运引起的。