硅/砷比对土壤-水稻中砷迁移和累积的影响研究

摘要

水稻是人类主要的粮食作物之一，稻米主要产区土壤砷污染近年来受到广泛关注，砷可在稻米中积累并通过食物链威胁人体健康，稻米砷污染问题已成为亟待解决的问题之一。硅是水稻生长的必需营养元素，可以通过与三价砷和有机砷竞争吸收来抑制砷在水稻体内的吸收和转运。然而在高砷和低砷土壤中施相同量的硅肥，对水稻吸收和累积砷的影响不同，可能是由于土壤溶液中硅/砷比值的不同而引起的。基于此，本研究通过水培试验探索了不同硅/砷比对水稻吸收和转运砷的影响，及对水稻根和剑叶砷亚细胞分布的影响;进而采用土壤培养试验研究了硅砷比在不同施硅时期对水稻砷吸收和富集能力的影响，最终筛选出降低污染土壤-水稻体系中砷迁移和累积的主要可行措施。主要的研究结果如下:
　　(1)硅/砷比对水稻吸收和转运砷的影响研究-根部施硅
　　以2个水稻品种Jiahua-1和Italica carolina为试验材料，研究了水稻生长在含有AsⅢ或AsⅤ介质中1周，不同硅/砷比对水稻吸收和转运砷的影响。结果表明，Italicacarolina砷吸收量显著低于Jiahua-1(P＜0.05)。当水稻生长在含AsⅢ介质中，硅/砷比10∶1显著抑制了其对砷的吸收(P＜0.05)，降幅为20.9％～22.5％;当水稻生长在含AsⅤ介质中，硅/砷比200∶1显著抑制了其对砷的吸收和向地上部的转运(P＜0.05)，因此，水稻中砷浓度随硅/砷比的增加总体均呈下降趋势，且Italica carolina砷含量显著下降27.7％～32.6％(P＜0.05)。总之，AsⅢ，AsⅤ处理条件下，硅/砷比分别为10∶1和200∶1时降低了水稻砷吸收能力及砷的累积。
　　(2)硅/砷比对水稻剑叶和根中砷亚细胞分布的影响
　　采用营养液培养方法和亚细胞组分分级技术，研究了Italica carolina水稻分别生长在含有AsⅢ和AsⅤ介质中3天，不同硅/砷比对水稻剑叶和根中砷亚细胞分布特征的影响。结果显示，水稻无论生长在AsⅢ或AsⅤ条件下，根系和剑叶亚细胞不同组分中砷含量顺序为:胞液＞细胞壁＞细胞器。从水稻根中砷的亚细胞分布来看，AsⅢ处理下加硅明显降低了根中砷在亚细胞各组分中的分布，且硅/砷比10∶1时根细胞器和胞液中砷的含量最低，其他硅/砷比处理对根中砷的亚细胞分布没有显著影响。而在AsⅤ处理下，只有硅/砷比200∶1处理显著降低了根胞液和细胞器组分中的砷含量(P＜0.05);从水稻剑叶中砷的亚细胞分布来看，AsⅢ处理下硅/砷比10∶1显著降低了胞液和细胞壁中的砷含量（P＜0.05）且达到了最低值，而细胞器中砷含量在硅/砷比1∶1时达到最低。AsⅤ处理下，不同硅/砷比并没有明显影响砷在剑叶中的亚细胞分布。
　　(3)硅/砷比对水稻吸收和转运砷的影响研究-叶面施硅
　　结果表明，AsⅢ处理下，DSi处理(叶面喷施Si浓度与溶液中砷浓度的比值为100∶1)显著降低了水稻韧皮部汁液中As含量，GSi处理（叶面喷施Si浓度与溶液中砷浓度的比值为200∶1）显著增加水稻韧皮部汁液中Si含量(P＜0.05);DSi处理可显著降低水稻地上部砷浓度，但会增加水稻根中砷浓度;而DMA处理下，GSi处理会显著增加水稻韧皮部汁液中的Si、As含量(P＜0.05)。总之，叶面喷施低浓度硅肥(Si/As为100∶1)可降低水稻对砷的吸收和转运，效果好于喷施高浓度硅肥（Si/As为200∶1）。
　　(4)硅的施用时期对水稻砷累积的影响研究
　　利用土壤盆栽试验，研究了施硅时期对种植在两种砷水平土壤中水稻砷吸收和转运的影响。结果表明，自然土土壤溶液中硅/砷比的范围500∶1～1500∶1，而污染土土壤溶液中硅/砷比的范围100∶1～500∶1。自然土和污染土中拔节期施硅100mg SiO2/kg均显著增加了水稻的生物量（P＜0.05），增产达79％和65％。砷在水稻不同部位的含量顺序均为:茎叶＞颖壳＞籽粒;自然土上种植水稻，基施100mg SiO2/kg是降低水稻中As转运能力及其累积量的最佳方式(P＜0.05);而污染土中扬花期施硅100mgSiO2/kg不仅显著降低水稻体内砷含量还降低了水稻籽粒中砷的转运系数(P＜0.05)。
　　总之，在水稻种植区施用高于土壤溶液中砷浓度10～200倍的硅可有效抑制水稻对砷的吸收和转运;水稻叶面施硅时，喷施低浓度硅肥（Si/As为100∶1）可显著降低水稻对砷的吸收和转运;对于砷含量不同的土壤而言，砷含量符合我国土壤环境质量标准GB15618-1995的一级和二级标准）的土壤，基施100mg SiO2/kg硅肥或在拔节期追施相同量硅肥既有助于增产还能降低水稻对砷的累积。砷含量约为60mg/kg污染土，在拔节期或扬花期追施100mg SiO2/kg硅肥可以在增产的基础上降低水稻砷吸收和转运，且糙米中砷含量均低于我国粮食中砷的含量标准700μg/kg，降低了稻米对人体所构成的健康风险。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 研究背景

1．2 文献综述

1．2．1 土壤中砷的来源及含量

1．2．2 水稻对砷的吸收及其体内代谢

1．2．3 砷在植物体内的亚细胞分布

1．2．4 硅对水稻砷吸收的影响

1．3 研究目标

1．4 研究内容

1．5 技术路线

2 生长介质中硅／砷比对水稻吸收和转运砷的影响研究

2．1 材料与方法

2．1．1 试验材料

2．1．2 试验处理

2．1．3 样品的采集与测定

2．1．4 数据分析

2．2 结果与分析

2．2．1 生长介质中硅／砷比对水稻吸收砷的影响

2．2．2 硅／砷比对砷在水稻根系及地上部分布的影响

2．2．3 硅／砷比对水稻体内砷转运的影响

2．3 小结

3 硅／砷比对水稻剑叶和根中砷亚细胞分布的影响

3．1 材料与方法

3．1．1 植物培养

3．1．2 试验处理

3．1．3 水稻剑叶与根系的亚细胞组分分离

3．1．4 样品采集与测定

3．1．5 数据分析

3．2 结果

3．2．1 硅／砷比对水稻根系中砷亚细胞分布特征的影响

3．2．2 硅／砷比对水稻剑叶中砷亚细胞分布特征的影响

3．3 讨论

3．4 小结

4 叶面施硅对水稻吸收和转运砷的影响研究

4．1 材料与方法

4．1．1 植物培养

4．1．2 试验设计

4．1．3 样品的采集与测定

4．1．4 数据分析

4．2 结果与分析

4．2．1 叶面施硅对水稻韧皮部汁液中砷、硅含量的影响

4．2．2 叶面施硅对砷在水稻根系及地上部分布的影响

4．2．3 叶面施硅对水稻体内砷转运的影响

4．3 讨论

4．4 小结

5 施硅时期对水稻中砷累积的影响研究

5．1 材料与方法

5．1．1 供试土壤

5．1．2 水稻培养

5．1．3 试验设置

5．1．4 样品的采集和测定

5．1．5 统计分析

5．2 结果与分析

5．2．1 施硅时期对水稻生物量的影响

5．2．2 整个生育期土壤溶液砷、硅含量的动态变化

5．2．3 不同施硅期对水稻组织砷的影响

5．2．4 不同施硅期对水稻中As转运系数的影响

5．3 讨论

5．4 小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

在读期间发表的学术论文

作者简介

致谢