Inhibition Effects of Foliar Spraying of Nano-Si Fertilizer on Cd Accumulation of Two Pepper Varieties
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摘要:
纳米硅肥可阻控作物对重金属的吸收积累, 但对重金属积累能力不同品种的作用效应少有研究。在镉(Cd)污染设施菜地采用田间小区试验, 研究了叶面喷施纳米硅肥对辣椒Cd低积累品种(JY)和高富集品种(GJ)产量、植株各部位镉含量和果实营养品质的影响。结果表明, 喷施纳米硅肥增产效果显著, 不施纳米硅肥的对照处理2个品种各部位Cd含量存在显著差异, 其中JY果实Cd含量比GJ低44.7%;叶面喷施纳米硅肥显著降低可食部Cd含量, 并使JY果实Cd含量降低至GB 2762-2022《食品安全国家标准食品中污染物限量》规定的限量值以下。进一步分析发现, 叶面喷施纳米硅肥显著增加可溶性蛋白含量和可溶性糖含量。研究结果表明, 叶面喷施纳米硅肥与低积累品种联用不仅可实现该污染设施菜地的安全生产, 而且在增产的同时提高辣椒的营养品质。
Abstract:Nano silicon (Nano-Si) fertilizer can inhibit the absorption and accumulation of heavy metals by crops, but its effects on varieties with different accumulation capacity of heavy metals were rarely studied. In this study, a field plot experiment was conducted in a cadmium (Cd) contaminated greenhouse to study the effects of foliar spraying nano-Si fertilizer on the yield of single plant, Cd concentration in various parts of plants, and fruit nutritional quality of both the variety with low accumulation capacity (JY) and the variety with high accumulation capacity (GJ). The results show that foliar spraying nano-Si fertilizer significantly increased the yield of fruits. And in CK treatments, an obvious difference in Cd concentration in various parts of plants was observed between the two varieties, among which fruit Cd concentration of JY was 44.7%, lower than that of GJ. Foliar spraying of nano-Si fertilizer significantly reduced Cd concentration of the edible part, leading to a lower Cd concentration of JY fruit than the limit value of the National Food Safety Standard (GB 2762-2022). Further analysis reveals that foliar spraying Nano-Si fertilizer significantly increased soluble protein and soluble sugar concentration of fruits. These results indicate that foliar nano-Si fertilizer could not only help to achieve safety production of the polluted greenhouse when combined with low Cd accumulation plant variety, but also improve the nutritional quality and yield of pepper.
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Keywords:
- Si /
- Cd /
- foliar fertilizer /
- safe production /
- solanaceous vegetables
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辣椒(Capsicum annuum)作为蔬菜和重要的调味品深受大家喜爱,其种植面积位居全国蔬菜作物第2位[1],约占全球辣椒种植面积的40%[2]。作为易于在可食部富集镉(Cd)的作物[2-5],辣椒是我国西南重金属地质高背景地区的重要经济来源[1]。调查显示,贵州、云南、重庆等地区辣椒Cd含量为0.233~0.346 mg·kg-1,高于我国其他地区[6]。广东、浙江等南方地区菜地土壤Cd污染较为严重,导致蔬菜作物Cd含量超标事件频发[7]。辣椒Cd含量超标不仅影响其产量、品质和风味,而且给人体健康带来了潜在风险[5-6]。
大量研究证明,施用硅(Si)肥可有效缓解土壤重金属胁迫对植物生长的抑制和毒害作用[8-11],降低可食部重金属含量[11]。研究发现,红壤中施硅钙肥显著增加辣椒产量和经济效益[12]。在Cd胁迫下,叶面喷施Na2SiO3溶液促进辣椒果实发育和产量形成,减少Cd的吸收及向地上部转移[13]。纳米硅是人工合成的直径在1~100 nm之间的晶体二氧化硅颗粒,可附着于植株叶片表皮细胞,形成具有角质双硅层的细胞壁,促进植株细胞分裂、拉长,从而增大生物量的积累[14],也可穿透植物细胞壁和细胞膜,被植物吸收利用[15-16],从而提高植物对逆境胁迫的抗性。TRIPATHI等[17]发现,纳米硅可减少铬(Cr)在豌豆苗体内的积累,降低活性氧含量,减轻铬的毒害作用。CUI等[18]发现,聚集在水稻细胞壁上的纳米硅材料与镉形成了复合物,从而阻碍了细胞对金属镉的吸收。叶面喷施纳米硅通过抑制Cd向籽粒的迁移,促进钾(K)、镁(Mg)和铁(Fe)从最上节向穗轴的迁移,从而减少了Cd在水稻籽粒中的积累[19]。HUSSAIN等[20]发现,硒(Se)和纳米硅联用可以降低糙米Cd和铅(Pb)含量,同时增加Se含量。PAN等[21]发现,叶面施纳米硅在低浓度砷胁迫下对水稻砷吸收的抑制效果显著,主要通过根系液泡固定和节点硅-砷共沉淀2个途径降低稻米砷的累积。HE等[14]发现,纳米二氧化硅(nSiO2)可促进大麦植株生长,提高叶绿素含量,改善光合作用,降低根中丙二醛(MDA)含量和叶片Cd浓度,缓解Cd的胁迫作用。然而,纳米硅肥对作物重金属富集能力迥异的品种作用效应,尤其是与低积累品种的联用效应还少有研究。
因此,研究以2个对镉积累能力差异明显的辣椒品种为材料,通过田间小区试验,比较叶面喷施纳米硅肥对不同品种可食部Cd含量及营养品质的影响,为南方酸性Cd污染农田辣椒安全生产提供参考。
1. 材料与方法
1.1 供试材料
镉低积累品种“金玉2313”(JY)和高富集品种“港椒”(GJ)购自杭州勿忘农种子公司。供试纳米硅肥购自绿油油生物肥料有限公司,ρ(SiO2)>200 g·L-1,pH值为9.0~11.0,加水稀释500倍,每个小区每次施肥1 500 mL。
1.2 田间试验地点和试验设计
小区试验地点位于杭州某农场的设施大棚,为潴育型水稻土泥质田。土壤的基本理化性质为:pH值为5.51(水土质量比为2.5),CEC为8.80 cmol·kg-1,w(有机质)为27.60 g·kg-1,w(全氮)为3.34 g·kg-1,w(全磷)为2.80 g·kg-1,w(全钾)为0.35 g·kg-1,w(有效磷)为66.09 mg·kg-1,w(速效钾)为94.47 mg·kg-1,w(全镉)为0.80 mg·kg-1。
采用完全随机区组设计,设置叶面喷施纳米硅肥处理和喷施清水对照,每个处理设3次重复,每个品种6个小区,共12个小区,每个小区面积6 m2(2 m×3 m),小区之间间隔3行,不作喷肥处理,以避免喷施肥料时互相干扰。2020年1月16日育苗,4月1日移栽,每个小区定植15株,在5月14日、5月23日、6月1日分3次将纳米硅肥或清水均匀喷施在叶片上,现配现用,其他的农艺管理措施与常规管理保持一致,6月20日采样分析。
1.3 样品采集及分析
1.3.1 植物和土壤样品采集
每个小区选择3株辣椒连根拔起,采集土壤,混匀并剔除杂物,自然风干后碾碎过筛密封保存。洗去根上附着的土壤,将植株分成地上部和地下部,用自来水冲洗干净,然后用去离子水洗涤3次。将洗净晾干水分的植物样品按根、茎叶、果实分类后,称量鲜重(FW)。取出一半样品,在105 ℃烘箱中杀青30 min,然后在65 ℃烘干至恒重并称取干重(DW)。
1.3.2 叶绿素含量的测定
用丙酮-乙醇比色法测定新鲜叶片的叶绿素含量。称取0.50 g鲜叶,放入丙酮-乙醇溶液中暗处理24 h,通过紫外分光光度计(Lambda350V vis,PerkinElmer,Singapore)测定663和645 nm波长处的吸光度(A663和A645),用下式计算叶绿素含量(CY):
$$ C_{\mathrm{Y}}=20.2 \times A_{645}+8.02 \times A_{663} 。 $$ (1) 式(1)中,CY为叶绿素含量,mg·kg-1。
1.3.3 植株镉含量的测定
准确称量0.20 g干样置于聚四氟乙烯消煮管中,加入1 mL H2O2和5 mL HNO3,160 ℃消煮过夜至完全澄清,过滤后加水定容至30 mL,使用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS,plasma Quant,Germany)测定。采用国家标准物质研究中心植物标准物质GBW(E)100348进行质量控制。采用下列公式计算果实Cd的转运系数(FT)和富集系数(FBC)[22]:
$$ F_{\mathrm{T}}=C_{\mathrm{G}} / C_{\mathrm{R}}, $$ (2) $$ F_{\mathrm{BC}}=C_{\mathrm{G}} / C_{\mathrm{T}}。 $$ (3) 式(2)~(3)中,CG为果实Cd含量,mg·kg-1;CR为根系Cd含量,mg·kg-1;CT为土壤Cd含量,mg·kg-1。
1.3.4 可溶性蛋白、可溶性糖和维生素C含量的测定
采用考马斯亮蓝比色法测定果实可溶性蛋白含量,蒽酮-硫酸比色法在620 nm波长处测定可溶性糖含量,2,6-二氯吲哚酚滴定法测定维生素C(VC)含量[23]。
1.3.5 土壤理化性质和Cd含量的测定
用pH计在质量比1∶2.5的土壤-水悬浮液中测定pH值,用EDTA-铵盐快速法测定阳离子交换量,重铬酸钾氧化-外加热法测定有机质含量,凯氏定氮法测定全氮含量,高氯酸硝酸消化-钼锑抗比色法测定全磷含量,NaOH熔融法测定全钾含量,NaHCO3-钼锑抗比色法测定有效磷含量,NH4OAc-火焰光度法测定有效钾含量[21]。
准确称取0.20 g土壤样品,用5 mL HNO3、1 mL HClO4和1 mL HF在180 ℃下消煮10 h,以土壤标准物质GBW07429为质控样品同步消煮,用于ICP-MS(Plasma Quant,Germany)测定。
1.4 数据分析
采用SPSS 20.0和Excel 2016软件进行数据分析与作图,采用双因素方差分析(ANOVA)和Duncan多重比较法检验进行0.05水平下的差异显著性分析。
2. 结果与分析
2.1 叶面喷施纳米硅肥对2个品种可食部产量和叶绿素含量的影响
双因素方差分析结果显示,相比喷施清水对照,叶面喷施纳米硅肥显著增加了可食部产量,品种“金玉2313”(JY)的小区产量高于“港椒”(GJ),而两者的交互作用则没有显著影响(图 1、表 1)。叶面喷施纳米硅肥处理GJ果实产量较对照增加了6.4%,JY则增加了17.3%,说明叶面硅肥有一定的增产作用。
指标 小区产量 叶绿素含量 可溶性蛋白含量 可溶性糖含量 维生素C含量 果实Cd含量 茎叶Cd含量 根系Cd含量 根际土壤Cd含量 根际土壤pH值 转运系数 富集系数 品种 0.039 0.948 0.000 0.003 0.094 0.000 0.000 0.032 0.626 0.798 0.000 0.000 施肥处理 0.044 0.053 0.034 0.023 0.174 0.007 0.394 0.887 0.246 0.977 0.070 0.149 品种×施肥处理 0.280 0.654 0.187 0.504 0.479 0.186 0.600 0.816 0.749 0.977 0.814 0.724 P < 0.05表示差异显著,P < 0.01表示差异极显著。 2个品种的叶绿素含量没有显著差异,JY为1.50~1.53 mg·g-1(FW),GJ为1.49~1.53 mg·g-1(FW)。尽管喷施硅肥后2个品种叶绿素含量有所增加,但是方差分析发现品种和施肥处理及其交互作用对叶绿素含量的影响均未达显著水平(表 1)。
2.2 叶面喷施纳米硅肥对2个品种不同部位镉含量的影响
方差分析显示,品种对果实Cd含量有极显著影响(表 1),JY果实中Cd含量为0.051 mg·kg-1(FW)和0.674 mg·kg-1(DW),远低于GJ的0.093 mg·kg-1(FW)和1.19 mg·kg-1(DW),两者之间差异达到极显著水平。GB 2762—2017《食品安全国家标准食品中污染物限量》规定的茄果类蔬菜Cd污染限值为0.05 mg·kg-1(FW),可见2个品种均已超标。叶面喷施纳米硅肥极显著降低了果实Cd含量,JY平均含量下降11.9%,分别为0.045 mg·kg-1(FW)和0.580 mg·kg-1(DW),低于0.05 mg·kg-1(FW)的国家标准,实现了安全生产,而GJ港椒则下降到0.079 mg·kg-1(FW)和1.02 mg·kg-1(DW),虽未能实现安全生产,但下降幅度更大且达到了极显著水平(图 2)。而品种和肥料处理的交互效应对果实Cd含量的影响不显著(表 1)。
2个品种茎叶Cd含量差异极显著,其中JY为0.332 mg·kg-1,GJ为0.671 mg·kg-1(表 2)。方差分析显示,施肥处理及其与品种的交互作用对叶片Cd含量的影响均未达到显著水平(表 1)。
处理 茎叶Cd含量/(mg·kg-1) 根系Cd含量/(mg·kg-1) 土壤Cd含量/(mg·kg-1) JY GJ JY GJ JY GJ 对照 0.332±0.290 0.671±0.013** 1.660±0.130 1.900±0.043 0.777±0.024 0.773±0.021 纳米硅 0.323±0.030 0.636±0.019** 1.670±0.095 1.870±0.022 0.760±0.015 0.744±0.011 处理 pH值 转运系数 富集系数 JY GJ JY GJ JY GJ 对照 5.520±0.041 5.510±0.064 0.409±0.049 0.625±0.015* 0.872±0.115 1.540±0.088* 纳米硅 5.520±0.078 5.510±0.305 0.347±0.002 0.547±0.043** 0.766±0.056 1.370±0.078** *表示P < 0.05,* *表示P < 0.01。JY为“金玉2313”,GJ为“港椒”。 与茎叶类似,2个品种根系Cd含量差异显著,其中JY为1.66 mg·kg-1,GJ为1.90 mg·kg-1(表 2)。方差分析显示,施肥处理及其与品种的交互作用对根系Cd含量的影响也未达到显著水平(表 1)。
2.3 不同处理下可食部营养品质比较
方差分析显示,2个品种可食部营养品质差异极显著(表 3),其中JY的果实可溶性蛋白和可溶性糖含量均极显著低于GJ,而两者VC含量相当。叶面喷施纳米硅肥显著提高了果实可溶性蛋白和可溶性糖含量,但对VC含量的影响未达显著水平。品种和肥料处理的交互效应对果实营养品质的影响均不显著(表 1)。
指标处理 叶绿素含量/(mg·g-1) 可溶性蛋白含量/(mg·g-1) 可溶性糖含量/% 维生素C含量/(mg·g-1) JY GJ JY GJ JY GJ JY GJ 对照 1.500±0.004 1.530±0.024 1.580±0.014 1.860±0.038** 2.150±0.089 2.43±0.059 0.621±0.004 0.637±0.021 纳米硅 1.480±0.010 1.540±0.023 1.610±0.011 1.960±0.030** 2.340±0.033 2.55±0.016** 0.631±0.005 0.669±0.018 * *表示P < 0.01。JY为“金玉2313”,GJ为“港椒”。 2.4 叶面喷施纳米硅肥对土壤镉含量和pH值的影响
收获后土壤Cd平均含量为0.76 mg·kg-1,pH值为5.51(表 2)。双因素方差分析发现,品种、施肥处理及两者的交互效应对土壤Cd含量和pH值的影响均未达显著水平(表 1)。
2.5 不同处理可食部Cd的转运系数和富集系数比较
计算不同处理可食部Cd的转运系数和富集系数并进行双因素方差分析,发现品种间差异显著,施肥处理及其与品种的交互效应对转运系数和富集系数的影响均未达到显著水平(表 1)。JY根-果Cd的转运系数为0.41,喷施叶面纳米硅肥后降至0.35;GJ根-果转运系数在喷施硅肥后由0.63降至0.55。喷施叶面纳米硅肥使果实Cd富集系数在一定程度上下降,其中JY由0.87降至0.77,而GJ由1.54降至1.37(表 2)。
3. 讨论
大量研究结果表明,同种作物不同品种对重金属吸收积累能力存在较大差异,因而可以筛选重金属低积累品种用于污染农田的安全利用[7]。刘峰等[24]采用盆栽试验和小区试验比较71个辣椒品种对Cd累积的差异,发现5个可在镉含量低于0.58 mg·kg-1条件下安全种植的低积累品种资源;刘青栋[25]研究发现朝天椒果实Cd含量高于线椒和杂交椒,这一结果被赵首萍等[5]证实。柴冠群等[2]的大田试验结果显示,在0.42 mg·kg-1轻度镉污染农田,11个辣椒品种果实Cd含量均已超标,其中10个品种果实镉富集系数≥1。研究发现,在0.8 mg·kg-1镉污染农田,2个品种果实Cd含量均超过了食品安全国家标准的限量值,且各部位Cd含量表现为根>果实>茎叶,说明辣椒果实易于富集镉[2-4]。低积累品种JY各部位(包括根系、茎叶和果实)Cd含量显著低于高富集品种GJ,果实Cd的转运系数和富集系数也极显著低于GJ(表 1~3)。刘青栋[25]发现,酸性镉污染土壤中辣椒的根-果转运系数小于1,果实Cd富集系数大于1。与其类似,该研究发现2个品种根-果转运系数均小于,GJ果实富集系数大于1,而JY果实富集系数小于1(表 2),这些结果说明低积累品种对Cd吸收、转运、积累能力均低于高富集品种。
叶面喷施阻控剂或微量元素肥料是重金属污染农田安全利用的重要调控措施[26-27]。Si主要通过形成二氧化硅作为物理屏障和形成硅酸溶液进入植物体[11]。外源施Si通过增加叶片Si含量提高抗氧化系统活性,改善光合作用特性,提高叶片NO、脯氨酸和H2S等物质含量,降低辣椒叶片Cd含量,增强植物对Cd的耐受性[14, 28]。在Cd胁迫下,叶面喷施有机Si或无机Si明显减少Cd在2个辣椒品种果实中的蓄集[3]。叶面施Si还降低Cd胁迫下番茄叶片的最小荧光值(Fo)和K相对可变荧光(Vk),稳定Cd胁迫下番茄叶片光合系统的结构和功能,缓解Cd胁迫对番茄叶片光合性能的抑制[29],增强黄瓜叶片光合作用,提高抗氧化酶系统活性[30]。纳米硅由于其独特的物理性质,在阻控作物重金属吸收积累方面优于离子硅[31],已用于阻控水稻对As、Cd等重金属的吸收[18, 20-21, 31-32]。与上述这些研究结果一致,研究发现叶面施用纳米硅肥降低了辣椒可食部Cd含量,尤其是高富集品种降低了15.5%,达到极显著水平(表 1、图 2),并使低积累品种实现了安全生产,同时增加了辣椒产量(表 1、图 1),提升了可食部可溶性蛋白含量和可溶性糖含量(表 3)。这些结果说明,低积累品种和叶面纳米硅肥联用可以实现污染土壤辣椒的安全生产,提高产量和营养品质。后续应进一步开展深入研究,以探明叶面纳米硅肥阻控辣椒低积累品种镉吸收积累的分子生理机制,为低积累品种和叶面阻控剂联用技术的发展应用提供理论依据。
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表 1 各指标品种和施肥处理两因素方差分析的P值
Table 1 P value of two factors variance analysis of plant varieties and fertilization treatments for each indicator
指标 小区产量 叶绿素含量 可溶性蛋白含量 可溶性糖含量 维生素C含量 果实Cd含量 茎叶Cd含量 根系Cd含量 根际土壤Cd含量 根际土壤pH值 转运系数 富集系数 品种 0.039 0.948 0.000 0.003 0.094 0.000 0.000 0.032 0.626 0.798 0.000 0.000 施肥处理 0.044 0.053 0.034 0.023 0.174 0.007 0.394 0.887 0.246 0.977 0.070 0.149 品种×施肥处理 0.280 0.654 0.187 0.504 0.479 0.186 0.600 0.816 0.749 0.977 0.814 0.724 P < 0.05表示差异显著,P < 0.01表示差异极显著。 表 2 叶面纳米硅肥对不同部位Cd含量以及果实Cd转运系数和富集系数的影响
Table 2 Effect of foliar nano-Si on Cd concentration of different parts of plants, and on Cd transfer factor and bio-concentration factor of fruits
处理 茎叶Cd含量/(mg·kg-1) 根系Cd含量/(mg·kg-1) 土壤Cd含量/(mg·kg-1) JY GJ JY GJ JY GJ 对照 0.332±0.290 0.671±0.013** 1.660±0.130 1.900±0.043 0.777±0.024 0.773±0.021 纳米硅 0.323±0.030 0.636±0.019** 1.670±0.095 1.870±0.022 0.760±0.015 0.744±0.011 处理 pH值 转运系数 富集系数 JY GJ JY GJ JY GJ 对照 5.520±0.041 5.510±0.064 0.409±0.049 0.625±0.015* 0.872±0.115 1.540±0.088* 纳米硅 5.520±0.078 5.510±0.305 0.347±0.002 0.547±0.043** 0.766±0.056 1.370±0.078** *表示P < 0.05,* *表示P < 0.01。JY为“金玉2313”,GJ为“港椒”。 表 3 叶面纳米硅肥对不同品种叶绿素含量和营养品质的影响
Table 3 Effects of foliar nano-Si on chlorophyll content and nutritional quality of pepper with different varieties
指标处理 叶绿素含量/(mg·g-1) 可溶性蛋白含量/(mg·g-1) 可溶性糖含量/% 维生素C含量/(mg·g-1) JY GJ JY GJ JY GJ JY GJ 对照 1.500±0.004 1.530±0.024 1.580±0.014 1.860±0.038** 2.150±0.089 2.43±0.059 0.621±0.004 0.637±0.021 纳米硅 1.480±0.010 1.540±0.023 1.610±0.011 1.960±0.030** 2.340±0.033 2.55±0.016** 0.631±0.005 0.669±0.018 * *表示P < 0.01。JY为“金玉2313”,GJ为“港椒”。 -
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