根施伯克氏菌对小麦镉吸收转运的两段式阻控作用

为评估将伯克氏菌Y4（Burkholderia sp.Y4）作为污染农田小麦降镉（Cd）菌的可行性,通过微生物高通量测序、土壤Cd逐级提取、小麦Cd亚细胞分布和赋存形态检测等手段,分析了菌株Y4处理下根际土壤微生物群落和Cd有效态变化,以及小麦根、基节、节间和籽粒Cd含量及其转运特征.结果表明,根施菌株Y4显著降低了小麦根部和籽粒Cd含量,与对照处理相比降幅分别为7.7%和30.3%.小麦营养器官Cd含量及Cd转移因子结果显示,菌株Y4处理使Cd从基节向节间的转移因子降低79.3%,小麦节间Cd含量也随之降低50.9%.Cd赋存形态研究发现,菌株Y4处理增加了根和基节中残渣态Cd占比,降低了根系中无机态和水溶态Cd的含量,并提高了基节中残渣态Cd含量.进一步检测Cd的亚细胞分布发现,根细胞壁和基节细胞液中Cd含量增幅分别达21.3%和98.2%,可见菌株Y4处理提高了根细胞壁和基节细胞液对Cd的固定能力.深入研究根际土壤发现,菌株Y4处理使小麦成熟期根际伯克氏菌的相对丰度由9.6%提高至11.5%,并改变了土著微生物的群落结构,提高了Gemmatimonadales、Pseudomonadales和Chitinophagales等相对丰度,并降低了Acidobacteriota等相对丰度.同时,施加菌株Y4提高了根际土pH值,增幅达8.3%;降低了土壤中的可交换态Cd、碳酸盐结合态Cd和铁锰氧化物结合态Cd含量,其降幅分别达44.4%、21.7%和15.9%,而残渣态Cd比例高达53.6%.根施菌株Y4提高了土壤中硝态氮和铵态氮的含量,增幅可达22.0%和21.4%,并且碱解氮含量也有一定程度提高.由此可见,根施菌株Y4不但提高了土壤氮素可利用性,同时能够通过降低根际土壤中Cd有效性、提高小麦根和基节的Cd拦截固定能力,“两段式”阻控污染土壤中Cd向小麦籽粒的转运积累.故伯克氏菌Y4作为小麦降Cd促生菌剂具有一定的应用潜力.     

不同水分管理模式联合叶面喷施硅肥对水稻Cd累积的影响

在某重度Cd污染稻田(Cd含量2.83 mg·kg~(-1))开展8种水分管理措施联合叶面喷施硅肥的大田试验,研究不同处理对水稻生长及各部位Cd累积的影响.结果表明:①8种水分管理措施联合叶面喷施硅肥处理对水稻株高和分蘖数没有明显影响,但各处理均增加了水稻糙米生物量,增幅为1.7%～25.0%,其中成熟期淹水+叶面喷施硅肥处理(CY)下糙米生物量达到最高.②常规水分管理+叶面喷施硅肥处理(Si)对土壤Cd两种提取态含量无明显影响,而其他处理降低土壤交换态Cd含量7.8%～42.6%,降低土壤TCLP提取态Cd含量20.0%～40.8%.③常规水分管理+叶面喷施硅肥处理(Si)能降低水稻各部位Cd含量,糙米Cd含量下降了19.0%;其他处理显著降低了水稻各部位中Cd含量,其中仅成熟期湿润+叶面喷施硅肥处理(CS)降低糙米Cd含量降幅最大,降低了44.0%,其次为间歇淹水湿润+叶面喷施硅肥处理(JX)和仅灌浆期湿润+叶面喷施硅肥处理(GS),分别降低36.4%和31.8%.④在中重度Cd污染稻田建议采用仅成熟期湿润+叶面喷施硅肥处理(CS)和间歇淹水湿润+叶面喷施硅肥处理(JX),在不影响水稻产量的同时又显著降低糙米Cd含量.     

叶面调理剂对复合污染农田小麦籽粒Cd、As和Pb累积的阻控效应

针对麦田土壤镉（Cd）、砷（As）和铅（Pb）复合污染问题,采用田间小区试验,于拔节期、孕穗期和灌浆初期对小麦进行叶面单独和混合喷施Zn（0.2% ZnSO₄）、Mg（0.4% MgSO₄）和Mn（0.2% MnSO₄）处理,以期探究叶面调理剂对小麦籽粒Cd、As和Pb累积的阻控效应,最终筛选出适用于北方重金属复合污染区有效阻控小麦籽粒中Cd、As和Pb累积的叶面调理剂.结果表明,与对照相比,叶面喷施Zn+Mg+Mn复配溶液能够显著降低小麦籽粒中Cd、As和Pb含量,降幅分别为18.96%、23.87%和51.31%,TF_{籽粒/秸秆}分别降低了14.62%、27.73%和47.70%,该叶面调理剂能够通过抑制Cd、As和Pb从小麦茎叶到籽粒的转运进而降低其在籽粒的累积;研究还发现,对照的籽粒中Cd和As主要分布在中心胚乳（34.08%~37.08%）,而Pb主要分布在果皮和种皮（27.78%）.喷施Zn+Mg+Mn复配溶液可显著降低Cd和As在糊粉层含量,分别比CK降低81.10%和82.24%,而Pb除果皮和种皮、中心胚乳外,各层次Pb含量均显著降低（降幅为42.85%~91.15%）,各层次面粉只有糊粉层（P2）重金属含量与Zn含量呈显著负相关.综上所述,对于北方石灰性土壤Cd、As和Pb中度复合污染农田,于小麦拔节期、孕穗期和灌浆初期各喷施一次Zn+Mg+Mn复配的叶面调理剂,可有效阻控Cd、As和Pb在小麦籽粒尤其是糊粉层的累积.在此基础上,可通过去除麦麸来进一步降低重金属尤其是Cd的污染,保证小麦安全生产和粮食安全.     

关键生育期施加外源锌灌溉水对水稻镉吸收转运的影响

选取湖南省浏阳市某镉（Cd）污染稻田进行田间试验,研究水稻关键生育期（孕穗期和灌浆期）施加外源锌（Zn）灌溉水对土壤交换态Cd含量、孔隙水Cd浓度以及水稻各部位Cd吸收转运的影响.研究结果表明：①关键生育期施加外源Zn灌溉水可抑制土壤中交换态Cd向孔隙水的释放过程,土壤中交换态Cd含量与对照相比无显著差异,但成熟期土壤孔隙水Cd浓度显著降低16.7%~57.6%.②关键生育期施加外源Zn灌溉水可有效降低水稻各部位Cd含量;其中在孕穗期前和灌浆期前均施加含Zn 20 mg·L^-1的灌溉水处理下（BF1）,水稻根、茎和糙米Cd含量分别显著降低56.0%、83.8%和85.2%.③相较于施加含Zn 100 mg·L^-1的灌溉水,施加含Zn 20 mg·L^-1的灌溉水各处理显著降低水稻对Cd的吸收与转运,水稻根-茎之间的Cd转运系数（TF）降幅为12.5%~56.3%,其中B1和BF1处理下达到显著水平.上述研究表明,施加外源Zn灌溉水显著降低水稻对Cd的吸收积累,在孕穗期前和灌浆期前均施加含Zn 20 mg·L^-1的灌溉水可有效实现Cd污染稻田安全生产.     

组配改良剂联合锌肥对土壤-水稻系统镉迁移转运的影响

选取湖南省长沙市北山镇某中重度Cd污染稻田进行田间试验,通过连续种植早晚两季水稻,研究了组配改良剂LS （石灰石+海泡石）,同时结合土施Zn肥和叶面喷施Zn肥对水稻Cd吸收的影响.结果表明：①施用LS （2250 kg·hm^-2和4500 kg·hm^-2）的各处理均能使早、晚稻土壤pH值增加0.28~1.26个单位,土壤CEC增加7.7%~33.4%,而土施Zn肥（90 kg·hm^-2）和叶面喷施Zn肥（0.2 g·L^-1和0.4 g·L^-1）对土壤pH值无明显影响.②基施LS的各处理能使早、晚稻土壤中TCLP和CaCl₂提取态Cd含量分别降低11.5%~38.8%和24.0%~81.0%,土施Zn肥和叶面喷施Zn肥对土壤Cd两种提取态含量无明显影响.③单一处理均能显著降低糙米Cd含量,但降低效果均不如联合处理,组配改良剂LS联合Zn肥的处理（L1Z1F1、L1Z1F2、L2Z1F1和L2Z1F2）使早稻和晚稻糙米Cd含量分别降低64.9%~67.5%和56.1%~80.6%,其中L2Z1F1（4500 kg·hm^-2的LS+90 kg·hm^-2的Zn肥+叶面喷施0.2 g·L^-1的Zn肥）处理效果最佳.④各处理下水稻各部位Cd/Zn比显著降低,糙米中Cd/Zn比值与Cd含量呈极显著正线性相关,说明各部位中Zn含量的增加是稻米Cd含量显著降低的关键原因之一.组配改良剂联合Zn肥修复技术能有效阻隔水稻对Cd的吸收和转运,降低水稻糙米Cd含量,是一种能有效实现中重度Cd污染稻田安全利用的技术模式.     

叶面喷施2,3-二巯基丁二酸对水稻幼苗镉吸收转运及抗氧化系统的影响

稻米Cd超标问题已成为社会各界广泛关注的热点问题之一,探索降低Cd向地上部转运并缓解水稻Cd胁迫的新方法,对保障食品安全具有重要意义.本研究拟通过在水稻幼苗叶面喷施2,3-二巯基丁二酸(DMSA)评估利用该重金属螯合剂降低Cd向水稻地上部转运并缓解Cd胁迫的可行性.以我国南方水稻主栽品种之一中早35幼苗为研究材料,采用水培法研究了叶面喷施不同浓度DMSA对Cd在水稻幼苗体内吸收转运的影响,同时考察了对水稻幼苗丙二醛(MDA)、谷胱甘肽(GSH)含量以及对抗氧化酶过氧化氢酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)活性的影响.结果表明,叶面喷施DMSA 0.2、 0.4和1.0 mmol·L~(-1) 4次后,水稻幼苗地上部Cd含量随着DMSA喷施浓度增加呈显著降低趋势, 3种处理浓度与对照相比分别降低22.1%、 39.7%和43.5%,但是对水稻幼苗根部Cd含量无显著影响;对地上部及根中K、Ca、Mg、Fe、Zn和Mn这6种矿质元素含量无显著影响;喷施4次DMSA后显著降低了幼苗地上部MDA和GSH含量,同时使CAT和SOD活性显著增加,有效缓解了Cd对水稻幼苗造成的胁迫效应.DMSA能抑制Cd从水稻根部向地上部转运,同时不影响对人体必需矿质营养元素的吸收和转运,具备成为水稻降Cd叶面调理剂的潜力.     

有机酸、 EDTA对不同水稻品种Cd吸收及土壤Cd形态的影响

采用盆栽试验研究了重金属Cd (0、 1和5 mg·kg^-1)污染下,外源有机酸、 EDTA对不同水稻品种产量、 品质、 Cd吸收以及土壤Cd形态和含量的影响.结果表明,加入有机酸、 EDTA提高了高Cd积累型水稻秀水63和常规品种Ⅱ优527产量,作用大小为有机酸、 有机酸+1/2EDTA>EDTA.加入有机酸、 EDTA降低了2个水稻品种的土壤交换态、 碳酸盐结合态和铁锰结合态Cd含量,但增加了土壤有机结合态和残渣态含量.加入有机酸、 EDTA使2个品种水稻秸秆、 根系、 籽粒Cd含量明显降低,其中,籽粒Cd含量分别下降了9.0%～49.3%和16.5%～30.6%(1 mg·kg^-1 Cd污染)、 12.7%～28.5%和4.3%～19.1%(5 mg·kg^-1 Cd污染),效果为EDTA>有机酸+1/2EDTA>有机酸.秸秆、 根、 籽粒Cd含量和积累量及土壤全Cd含量则以秀水63>Ⅱ优527,品种间差异达到显著水平（p<0.05）.有机酸+1/2EDTA既可降低Cd污染土壤上水稻籽粒中Cd含量,同时也提高了水稻的产量和品质.     

开花后小麦地上部镉、砷分布及其转运特征

为了探明小麦开花后叶片和茎节对籽粒中镉(Cd)和砷(As)累积的影响效应,采用田间小区试验,研究了山农28(SN28)和济麦22(JM22)两个小麦品种地上部各器官Cd和As的分布规律和迁移特征.结果表明,在灌浆期,小麦地上部的Cd主要分布在节中,Cd由节间3到节2、节间2到节1和叶鞘1到节1的转运能力显著强于其他部位.在成熟期,Cd主要分布于叶片中,Cd由叶鞘到叶片和由节1到穗轴的转运能力显著增强.此外,JM22中颖壳到穗轴和穗轴到籽粒的Cd转运能力显著低于SN28,使JM22的穗轴、颖壳和籽粒中Cd含量与SN28相比分别显著降低了22.3%、 40.8%和44.4%.同时,从灌浆期到成熟期小麦地上部的As主要分布于叶片中,且JM22颖壳和籽粒中As含量显著低于SN28,降幅分别为25.8%和33.3%.在灌浆期和成熟期,小麦中As转运系数由叶鞘到节显著高于叶到叶鞘和节到节间,平均增幅为438%和190%.此外,JM22中As由颖壳到籽粒和穗轴到籽粒的转运系数分别比SN28显著降低40.6%和44.4%.总之,开花后小麦旗叶、节1和穗轴调控了Cd转运及其在籽粒的累积,而小麦的叶3、旗...     

不同有机物料对水稻根表铁膜及砷镉吸收转运的影响

通过盆栽试验研究了油菜秸秆、蚕豆秸秆、泥炭、猪粪堆肥和生物炭这5种有机物料对贵州石灰岩黄壤区某砷（As）和镉（Cd）复合污染稻田土壤As/Cd有效性、水稻根表铁膜及As/Cd吸收转运的影响.结果表明,施用有机物料显著提高了有机质和水稻生物量;除油菜秸秆对土壤pH值影响不明显外,施用有机物料显著提高土壤pH值,使土壤有效Cd含量降低34.77%~82.69%;猪粪堆肥和生物炭使土壤有效As含量显著提高,油菜秸秆和泥炭处理使土壤有效As含量显著降低;施用有机物料有助于水稻根表铁膜的形成,并使其中Cd、As含量分别提高17.73%~151.03%和28.49%~94.86%,使水稻糙米Cd含量降低15.87%~79.45%,As含量降低27.04%~82.51%,降幅以生物炭处理最大;有机物料还显著降低Cd在根-茎-叶-籽粒的转运系数及As从茎向籽粒转运系数.相关分析表明,土壤pH、有效Cd和铁膜Cd含量是影响籽粒Cd累积的主要因素,土壤pH、有机质和铁膜As含量是影响籽粒As累积的主要因素.有机物料通过改变土壤pH、有机质含量及铁膜中As和Cd含量,影响水稻对As和Cd的吸收和转运.     

叶面喷施纳米MnO2对水稻富集镉的影响机制

镉（Cd）容易被水稻富集,从而造成稻米中Cd含量超标,严重威胁人类健康.锰（Mn）是植物必需元素,为了探究叶面喷施纳米MnO₂对水稻富集Cd的影响机制,本研究在酸性Cd污染土壤上进行田间小区试验,在水稻抽穗早期叶面喷施0.1%、0.3%和0.5%的纳米MnO₂溶液.结果表明与对照组相比,叶面喷施不同浓度的纳米MnO₂可以有效降低水稻叶、壳和糙米中的Cd含量,增加所有部位的Mn含量,但对水稻的产量影响不大.叶面喷施纳米MnO₂后,提高了叶片光合作用效果,抑制了叶片脂质过氧化,增加了氧化应激酶的含量,从而缓解Cd对水稻的胁迫.此外,叶面喷施纳米MnO₂增加了水稻根表铁锰胶膜的含量,强化了铁锰胶膜对Cd的吸附/共沉淀作用,从而限制水稻根系吸收Cd.因此,在水稻抽穗早期叶面喷施纳米MnO₂是一种增加糙米中Mn含量和减少Cd含量的有效措施.     

调理剂+淹水措施对Cd污染稻田控Cd效果分析

为探明淹水措施、基施湘润邦土壤调理剂、矿物硅肥+喷施叶面肥、石膏粉以及综合处理对不同污染土壤修复效果和作用机制,通过在3个不同类型Cd污染耕地布置小区试验,研究了单一处理及综合措施对阻控污染耕地稻米吸收累积Cd的影响.结果表明,淹水措施、单一施用调理剂、综合施用结合淹水处理能降低土壤有效态Cd和水稻各器官Cd含量,土壤有效态Cd降低6. 58%～30. 01%,糙米Cd含量降低12. 65%～68. 68%,降低效果为综合处理(T6)基施石膏粉(T5)基施湘润邦土壤调理剂(T3)矿物硅肥+喷施叶面肥(T4)淹水处理(T2)(以两季水稻糙米Cd含量降低效果平均值计算).试验中5个处理使水稻各部位富集系下降,是引起糙米Cd含量下降的主要原因之一.根据田间小区试验显示,基施湘润邦土壤调理剂、矿物硅肥+喷施叶面肥和石膏粉组配施用结合淹水措施可作为Cd污染耕地稻米Cd阻控的有效方法.     

施硅方式对稻米镉阻隔潜力研究

选取重金属复合污染荒田土壤,采用室外水稻盆栽试验的方法,设计了4个施硅措施:不施用硅肥(CK)、基施硅肥(Tsi)、喷施叶面硅肥(Ysi)和2种硅肥配施(Tsi+Ysi),研究了硅肥不同施肥方式对杂交晚稻(丰源优299)5个生育期内各部位中Cd的含量、器官间转运系数以及对水稻成熟期生物量的影响.结果表明,与CK处理相比,硅肥施肥处理组都能显著降低水稻籽粒中Cd的含量且不会明显影响水稻产量,其中以2种硅肥配施对籽粒的降Cd效果最佳,分别使谷壳、糙米和精米降Cd幅度达到62.59%、58.33%和65.83%,基施硅肥处理和喷施叶面硅肥处理的降Cd潜力次之.因此,研究结果表明无论是基施硅肥还是喷施叶面硅肥都能作为一种很有潜力的稻米Cd污染控制技术.     

颗粒有机质对水稻镉吸收及转运的影响

采用盆栽试验,通过测定不同颗粒有机质(POM)添加量下土壤、POM中有机碳(POM-C)和Cd(POM-Cd)含量及水稻各部位Cd含量,研究了POM对紫色水稻土水稻镉吸收的影响及机制.结果表明:添加POM提高了土壤有机碳(SOC)、溶解性有机碳(DOC)、POM-C、POM-Cd、POM对Cd的富集系数和土壤有效Cd含量,在POM添加量达2. 5 g·kg~(-1)时可显著提高土壤POM-C和POM-Cd比例.添加POM提高了水稻植株生物量及Cd在水稻植株中的总累积量,但使水稻根Cd含量降低24%～42%,茎叶Cd含量提高9%～30%,籽粒Cd含量在POM添加量为0. 5 g·kg~(-1)和1. 0 g·kg~(-1)时分别降低了17%和36%,添加量为2. 5 g·kg~(-1)时提高了39%.添加POM对Cd在水稻根和茎叶中的分配不显著,但POM添加量较少时可抑制Cd从水稻茎叶向籽粒转运,POM添加达到一定量时,促进Cd从茎叶向籽粒转运,最终提高籽粒中Cd含量.相关分析结果表明,土壤有效Cd是影响茎叶Cd累积的主要因素,POM-Cd总量是影响籽粒中Cd累积的主要因素.因此,添加POM可通过改变土壤SOC、DOC、POM-C、POM-Cd及有效镉含量,影响水稻对Cd的吸收.     

富硅肥料和水分管理对稻米镉污染阻控效果研究

在已筛选出的施硅方式(基施和叶面喷施相结合)基础上,选择典型单一镉污染稻田土壤(pH=4.97,总Cd 4.1 mg·kg~(-1)),并结合2种稻田水分管理方式,进一步开展不同水肥管理方式对常规早稻(湘早籼45)和杂交晚稻(丰源优299)的3个生育期内各部位中Cd含量及成熟期生物量的影响研究.实验设计4个处理:不施硅肥+常规间歇淹水措施(CK)、不施硅肥+全生育期淹水措施(W)、2种硅肥配施+常规间歇淹水措施(SiLsi)、2种硅肥配施+全生育期淹水措施(SiLsi+W).结果表明,4个处理下,早晚稻试验结果基本一致,但各试验处理对晚稻的阻镉效果更加明显;与CK相比,各处理都能显著降低水稻籽粒中Cd的含量且不会明显影响水稻产量,其中以SiLsi+W对籽粒的降Cd效果最佳(晚稻精米中Cd的含量为0.12 mg·kg~(-1),达到了国家粮食安全生产标准:Cd0.2 mg·kg~(-1)),分别使晚稻谷壳、糙米和精米的降Cd幅度达到93.65%、86.70%和91.18%,W和Si Lsi处理的降Cd效果次之.因此,SiLsi+W可作为一种有效的稻米镉污染控制技术.     

外源锌刺激下水稻对土壤镉的累积效应

采用水稻盆栽实验研究不同含量外源Zn对模拟Cd中度污染和重度污染土壤中水稻低累积品种湘晚籼12和高累积品种威优46水稻各部位累积Cd的影响.结果表明,在Cd中度污染水平,外源Zn分别增大2种水稻各部位Cd含量,湘晚籼12和威优46糙米Cd含量分别增加125.0%~275.0%和6.6%~91.2%,但各处理糙米Cd含量不高于0.2 mg·kg~(-1);在Cd重度污染水平,外源Zn有降低水稻各部位中Cd含量的作用,湘晚籼12和威优46糙米Cd含量相应降低了16.6%~63.5%和15.6%~74.4%,且威优46糙米Cd含量随外源Zn施用含量的增大而逐渐降低,使得糙米中Cd含量低于0.2 mg·kg~(-1).水稻糙米累积Cd含量与土壤中Cd、Zn交换态含量的相关关系,因Cd污染程度和水稻品种的不同而不同.在Cd中度污染水平,湘晚籼12水稻糙米Cd含量与土壤中交换态Zn含量正线性相关,而威优46水稻糙米Cd含量与土壤中交换态Cd和Zn含量正线性相关;在Cd重度污染水平,威优46水稻糙米Cd含量与土壤中交换态Cd和Zn含量为负线性相关.在不造成土壤Zn污染的前提下,可向Cd重度污染土壤施用一定量的Zn肥,以降低糙米Cd含量,提高糙米品质.     

镉胁迫对不同杂交水稻品种Cd、Zn吸收与积累的影响

土壤-作物-食品是人类摄取Cd的重要途径.水稻是Cd积累能力最强的粮食作物,且水稻对Cd的吸收常伴随Zn缺乏,这对人类健康具有潜在的暴露风险.因此,本文选择2种杂交水稻(普通杂交稻材料"J196"和超级稻品种"中浙优1号")为供试水稻,以红壤性水稻土为供试土壤,采用添加Cd(2.5 mg·kg^-1)和不添加Cd(0 mg·kg^-1)处理进行盆栽试验,研究了水稻在成熟期对土壤中Cd的吸收分配及籽粒中Cd、Zn的积累特点.结果表明,添加Cd处理的水稻籽粒Cd积累量为未加Cd处理的6~10倍.在供试土壤Cd污染条件下,超级稻表现出对Cd具有较强的吸收能力,其籽粒中的Cd积累量也可高达1.83 mg·kg^-1,就地消费人群的籽粒Cd暴露风险水平为人体安全临界摄入剂量水平的数倍,Zn存在相对缺乏的食物安全风险.中浙优1号具有较强的籽粒Cd分配能力和较弱的籽粒Zn转运能力,而加Cd处理下,其对Cd、Zn的根部、茎叶滞留能力更强,这也正是高籽粒含量品种籽粒Cd积累强而Cd/Zn比高的原因.因此,在高产水稻育种中必须考虑水稻对Cd、Zn吸收的品种差异与籽粒Cd暴露、Zn缺乏的风险.为降低镉暴露风险,推广高产杂交水稻时应考虑Cd的吸收特性,同时在土壤-品种间进行合理布局,并进行膳食结构优化以增加人体对Zn的摄入.