农业现代化研究投稿论文格式参考:关键生育期施加不同形态铁对水稻镉吸收的影响

关键词：关键生育期;螯合态铁;离子态铁;有效态镉;根表铁膜

作者：吴雨含;文琦仁;朱捍华;朱奇宏;许超 ;黄道友;张泉

作者单位：中国科学院;广西大学

　　摘 要：通过盆栽试验，分别在水稻拔节期和灌浆期向土壤中施加 4 种不同形态的铁（Fe），研究其对水稻镉 （Cd）吸收和积累的影响。结果表明，与拔节期不施 Fe 相比，施 Fe 使土壤有效态 Fe 含量先增加后降低， 同时土壤中有效态 Cd（DTPA-Cd）含量整体呈上升趋势，但在培养后期，乙二胺邻二羟基乙酸铁（EDDHAFe）和乙二胺四乙酸铁钠（EDTA-Fe）分别使 DTPA-Cd 含量降低了 35.86% 和 27.38%；EDDHA-Fe 显著降低 了成熟期根表铁膜（IP）Cd 含量和稻米 Cd 含量，分别降低了 13.22% 和 2.3%；EDTA-Fe 也降低了 IP 中 Cd 含 量 14.16%；而柠檬酸铁和硫酸亚铁则增加了 IP 的 Fe/Cd 比值。与灌浆期不施 Fe 相比，施 Fe 后 DTPA-Cd 含 量整体呈增加趋势，但在培养后期，EDDHA-Fe 和 EDTA-Fe 分别使 DTPA-Cd 含量降低了 13.88% 和 13.53%； EDDHA-Fe、EDTA-Fe 和硫酸亚铁使成熟期 IP 中 Cd 含量分别降低了 28.64%、14.83% 和 41.25%；灌浆期施 加 4 种 Fe 后，土壤有效态 Fe 含量缓慢增加。土壤和植物的相关性分析表明，拔节期施 Fe 主要通过影响土壤 DTPA-Cd 含量、IP 对 Cd 的阻隔作用，以及减少根系 Cd 的吸收和转运，从而影响稻米 Cd 的累积；而灌浆期 施 Fe 则主要通过降低 IP 中的 Cd 含量，减少植株对 Cd 的吸收和转运。综上所述，水稻的关键生育期及 Fe 形 态对土壤 - 水稻系统中 Cd 的迁移、根系吸收及地上部转运有显著影响。在拔节期施加螯合态 Fe 以及在灌浆期 施加硫酸亚铁有助于通过 IP 阻隔 Cd，减少根系 Cd 的吸收，进而降低稻米 Cd 含量。  

　　由于地质背景和人类活动的影响，我国耕地土 壤中重金属含量逐渐增加，这不仅影响土地利用， 还威胁作物安全 [1]。其中，重金属镉（Cd）作为一 种剧毒元素，在土壤 - 作物系统中具有较强的流动 性，易被作物吸收并通过食物链转移和富集 [2]，从 而对人类健康构成严重威胁 [3]。与其他作物相比， 稻米中的 Cd 浓度明显更高，是小麦的 3 倍、其他 谷物的 8 倍 [4]。Cd 虽非植物必需营养元素，但水 稻在吸收铁（Fe）等必需元素时，可能同时增加对 Cd 的吸收 [5]。因此，通过调控根际土壤中 Fe 的形 态及水稻对 Fe 的吸收和转运过程，可以影响土壤 - 水稻系统中 Cd 的迁移和转化 [6]。

　　过去十几年，研究者致力于开发高效、操作简 单且不易引发二次污染的土壤 Cd 治理改良剂，包 括生物炭[7]、固定剂[8]、无机钝化剂[9]和Fe改良剂等。 其中，Fe 改良剂一方面通过改善土壤理化性质降低 Cd 的生物有效性，另一方面通过提高植物根表铁 膜（IP）的含量，减少 Cd 的吸收和转运，或调控 相关吸收转运基因的表达，影响 Cd 的积累 [9]。研 究表明，施用螯合 Fe 可使土壤 Fe 含量提高 60%， 土壤有效态 Cd 含量降低 30%，并促进根系对 Fe 的 吸收，从而使稻米 Cd 含量减少 21%[10]。离子态 Fe （如硫酸亚铁，FeSO4）作为一种常用微肥，施用于 Cd 污染土壤时对 pH 值影响不显著，但在水稻孕 穗期能降低土壤提取态 Cd 含量 11.7%，同时使稻 米 Cd 含量减少 18.3%[11]。然而，不同形态 Fe 在水 稻关键生育期的施用效果及作用机理尚需进一步探 究。有研究发现，提高土壤中溶解性 Fe 的含量有助 于促进水稻 IP 的形成 [12]。IP 不仅能固定 Cd，还可 阻隔 Cd 从根部向地上部的转运 [13]。此外，水稻体 内 Fe 的分配变化会影响 Cd 的转运及积累，尤其是 根系 Fe 含量的增加，可抑制 Cd 由根部向地上部的 转运，从而降低稻米 Cd 含量。当土壤 Fe 含量较低 时，水稻会通过提高膜转运蛋白 IRT1 的表达量来 增加对 Fe 的吸收。然而，IRT1 不仅转运 Fe2+，还 可转运 Cd2+，因此当土壤 Fe 含量不足时，水稻对 Fe 的吸收增加可能伴随 Cd 吸收的上升 [14]。水稻的 拔节期、孕穗期、灌浆期和成熟期是 Cd 积累的关 键阶段，不同生育期水稻对 Cd 的吸收和积累存在 差异 [15]。研究表明，在拔节期、孕穗期和灌浆期施 用土壤改良剂，可有效抑制水稻根系对 Cd 的吸收 及其向地上部的转运，从而减少稻米Cd的积累[16-17]。 尽管水稻在营养生长期主动吸收 Cd，其在拔节 - 抽 穗期和抽穗 - 灌浆期的 Cd 积累速率显著高于其他 生育阶段 [18]。在分蘖期施加 Fe 可能因减少 IP 的形 成而降低稻米 Cd 含量 [11] ；同时，分蘖期施用硒被 认为是降低稻米 Cd 含量的最佳时期 [19]。此外，在 拔节期施用外源硅可通过提高土壤 pH 值和调控 Cd 生物有效性，降低稻米 Cd 含量 [20]。因此，结合水 稻关键生育期施用改良剂开展研究，对于优化降 Cd 效果具有重要意义。

　　尽管已有许多关于 Fe 改良剂调控作物 Cd 吸收 的研究，但针对不同形态 Fe 改良剂在水稻关键生 育期对 Cd 吸收的影响研究相对较少。外源 Fe 的具 体形态和施用时期对水稻 Cd 积累的调控效应及机 制尚不明确。Fe 是参与土壤氧化还原反应的主要元 素，也是水稻 IP 的关键构成成分。由于 Fe 氧化物 具有较大的比表面积和表面活性，可有效吸附 Cd2+ 或与 Cd2+ 共沉淀，Fe 氧化物的形成与溶解过程直 接影响 Cd 的环境行为和生物有效性 [10]。在土壤中， Fe2+ 连续氧化形成难溶性氧化 Fe[21]，其表面羟基 及比表面积有助于 Cd2+ 的吸附或共沉淀 [22]。此外， Fe 氧化物在微生物作用下被还原为 Fe2+ 时，可消耗 土壤中的H+ ，从而提高土壤pH，降低Cd活性。因此， 本研究以 Cd 污染土壤为对象，在水稻拔节期和灌 浆期施用螯合态 Fe（EDDHA-Fe、EDTA-Fe）和离 子态 Fe（柠檬酸铁和硫酸亚铁）四种外源 Fe，探 讨螯合态和离子态 Fe 在水稻关键生育期对土壤 Cd 活性及水稻 Cd 吸收的影响及作用机理，为外源 Fe 的精准施用提供科学依据。

　　1 材料与方法

　　1.1 供试土壤和材料

　　本研究供试土壤采自湖南省长沙县北山镇 （113°1'11.154'' N，28°24'18.778'' E），为由花岗岩发 育而成的 Cd 污染水稻土。土壤的基础理化性质如下 ：pH 5.47、全氮 2.76 g/kg、全磷 0.70 g/kg、全钾 31.45 g/kg、总 Cd 3.04 mg/kg、总铜 52.54 mg/kg、总 Fe 21.39 g/kg、总锰 163.75 mg/kg、总 Zn 158.54 mg/kg、 有效态 Cd 0.42 mg/kg、有效态锰 10.06 mg/kg。供 试水稻品种为湘早籼 45 号，属于常规中熟早籼稻， 在湖南省双季早稻种植模式中栽培，全生育期为 106 d。

　　1.2 试验设计

　　本试验在中国科学院长沙农业环境观测研究站 （北山站）盆栽场进行，采用盆栽试验方法。试验使 用直径 25 cm、高 20 cm 的塑料桶，每桶装入 5 kg 自然风干并混匀过筛的土壤。作为基肥，分别称取 尿素（N 含量 46%）1.96 g/ 桶、磷酸一铵（P2O5 含 量 61.74%）0.82 g/ 桶、氯化钾（K2O 含量 60%）1.667 g/ 桶，在水稻移栽前一次性施入并与土壤充分混匀。

　　对照组（TCK、GCK）为前期淹水处理，分别 从水稻生长发育至拔节期或灌浆期后开始干湿交替 处理。在水稻拔节期（T）或灌浆期（G），分别施 加 EDDHA-Fe、EDTA-Fe、柠檬酸铁和硫酸亚铁 4 种不同形态的 Fe。为确保外源 Fe 的施加浓度一致 （均为 53 mg/kg），将不同形态的 Fe 溶解或稀释于 去离子水中以便添加（溶液 pH：EDDHA-Fe 为 8.06， EDTA-Fe 为 4.57，柠檬酸铁为 6.27，硫酸亚铁为 5.29）。 具体处理包括 ：1）EDDHA-Fe（T1、G1），施 加量为 2.078 g/ 盆 ；2）EDTA-Fe（T2、G2），施加 量为 2.011 g/ 盆 ；3）柠檬酸铁（T3、G3），施加量 为 1.170 g/ 盆 ；4）硫酸亚铁（T4、G4），施加量为 0.726 g/ 盆。在所有处理前，统一浇水至土壤表面 以上 2~3 cm。在拔节期或灌浆期施加外源 Fe 后， 开始干湿交替处理。此外，增设全生育期淹水处理 （F），即水稻生长期间始终保持土壤表面 2~3 cm 的 水层，直至水稻成熟收获。本试验共设置 11 种处理， 每个处理重复 3 次。

　　1.3 样品的采集与处理

　　1.3.1 土壤样品采集 在水稻拔节期和灌浆期外源 Fe 施加后，每隔 2 d 连续采集土壤样品 3 次 ；在水稻 培养最后一次干湿交替周期结束时，再次采集土壤 样品，用于测定土壤有效态 Cd（DTPA-Cd）含量、 有效态 Fe（DTPA-Fe）含量以及土壤 pH 的动态变 化。在水稻成熟收获时，采集土壤样品，剔除杂物 后混合均匀，风干、过筛并保存备用，用于测定土 壤 DTPA-Cd 和 DTPA-Fe 含量及土壤 pH 值。 1.3.2 水稻植株样品采集 在水稻成熟期收获植株， 用自来水和去离子水彻底清洗水稻根系和地上部。 根据部位将植株分为稻谷、地上部和根系三部分。 根系部分的鲜样用于立即提取 IP，测定其 Cd 和 Fe 含量 ；其余根系、地上部和稻谷部分分别于 105 ℃ 杀青 30 min 后，在 75 ℃烘干至恒重。稻谷通过小 型砻谷机脱壳成稻米，将稻米、地上部和根系样品 粉碎后备用待测。

　　1.4 主要指标及测定方法

　　1.4.1 土壤pH值 使用上海雷磁pH计在水土比2.5∶1 条件下测定。

　　1.4.2 土壤 DTPA-Cd 和 DTPA-Fe 含量 采用二乙烯 三胺五乙酸（DTPA，pH=7.3）溶液按水土比 2.5 ∶ 1 振荡浸提后过滤，用电感耦合等离子体发射光谱仪 （ICP-OES）测定。

　　1.4.3 水稻 IP 中 Cd 和 Fe 含量 采用亚硫酸盐 - 柠 檬酸盐 - 碳酸氢盐溶液（DCB 溶液）浸提后，使用 ICP-OES 测定 [23]。

　　1.4.4 水稻各部位 Cd 和 Fe 含量 采用硝酸 - 过氧化 氢（HNO3-HClO4）高温消解后，用电感耦合等离 子体质谱仪（ICP-MS）测定，同时制作空白样品， 并利用国家标准物质灌木枝叶（GBW-07602）进行 质控。

　　1.5 数据处理与分析

　　采用 SPSS 26.0 软件对数据进行统计分析。通 过单因素方差分析比较两种关键生育期施加不同 Fe 对土壤 DTPA-Cd 和 DTPA-Fe 含 量、 土 壤 pH、 水 稻植株 Cd 和 Fe 含量的影响差异。采用 Pearson 相 关性分析探讨土壤 DTPA-Cd 含量与稻米、地上部、 根系中的 Cd 含量及 IP 中 Cd 和 Fe 含量之间的关系。 作图使用 Origin 2021 软件完成。

　　2 结果与分析

　　2.1 关键生育期施加外源 Fe 对土壤有效态 Cd/Fe 含量的动态影响

　　水稻拔节期和灌浆期施加外源Fe对土壤DTPACd 和 DTPA-Fe 含量的动态影响如图 1 所示。两个 时期 DTPA-Cd 含量的整体变化趋势较为相似，随 培养时间延长而增加（图 1a、1b）；而 DTPA-Fe 含 量则呈现先增加后降低的趋势（图 1c、1d）。在拔 节期，施加 EDDHA-Fe 处理使得 DTPA-Cd 含量呈 现先增高后降低的趋势，培养结束时 DTPA-Cd 含 量比拔节期对照组低 35.86% ；而施加 EDHA-Fe 和 柠檬酸铁的处理组，DTPA-Cd 含量持续上升，直至 最后一次干湿交替取样时，分别比对照组高 22.47% 和 14.13%（图 1a）。在灌浆期，施加外源 Fe 的各处 理组 DTPA-Cd 含量均呈现先增高后小幅降低的趋势，

灌浆期最后一次取样时，四组处理下的 DTPACd 含量分别比对照组低 13.88%、13.53%、8.96% 和 2.43%（图 1b）。不同生育期的处理使 DTPA-Cd 含量的变化趋势存在差异，拔节期处理下 DTPACd 含量变化波动较大且最终值高于灌浆期。不同 外源 Fe 的施加对 DTPA-Cd 含量的影响不同，其中 EDDHA-Fe 在拔节期时对降低 DTPA-Cd 含量的效 果优于其他外源 Fe，而在灌浆期，螯合态外源 Fe （EDDHA-Fe 和 EDHA-Fe）比离子态 Fe（柠檬酸铁 和硫酸亚铁）效果更好。

　　拔节期施加外源 Fe 的各处理组土壤 DTPA-Fe 含量在培养的第 4 d 达到最大值，随后有所下降， 各处理组培养前后的土壤 DTPA-Fe 含量无显著差 异 ；与对照组相比，施加不同类型的外源 Fe 均能 提高土壤 DTPA-Fe 含量，其中拔节期施加 EDDHAFe 处理组的 DTPA-Fe 含 量 最 高， 比 TCK 高 出 31.59%（图 1c）。在灌浆期，施加外源 Fe 的各处理 组土壤 DTPA-Fe 含量的变化趋势差异较大，施加 EDDHA-Fe、EDHA-Fe、柠檬酸铁和硫酸亚铁的处 理组 DTPA-Fe 含量分别比灌浆期对照组）提高了 152.47%、92.09%、55.13% 和 2.05%。此外，各处理 组的土壤 DTPA-Fe 含量至培养结束时均高于初始值。

　　无论是对照组还是处理组，随着培养时间的延 长，DTPA-Cd 和 DTPA-Fe 的含量均不同程度地提高， 但不同生育期施加 Fe 以及 Fe 的形态均影响了土壤 Cd 和 Fe 的变化幅度。拔节期时，EDDHA-Fe 处理 组的土壤 DTPA-Cd 变化幅度最小，说明 EDDHAFe 对降低土壤 DTPA-Cd 含量的效果较为显著。灌 浆 期 时，EDDHA-Fe、EDHA-Fe 和柠檬酸铁处理 组的 DTPA-Cd 含量与对照组差异较大，表明在灌 浆期施加 EDDHA-Fe、EDHA-Fe 和柠檬酸铁能更 有效地降低土壤 DTPA-Cd 含量。拔节期处理前后DTPA-Fe 的变化较小，表明施加四种 EDHA-Fe 的 处理未对土壤 DTPA-Fe 造成显著影响，而灌浆期 施加外源 Fe 的处理更有助于提高土壤 DTPA-Fe 含 量。通过对比图 1a 和图 1b，可以看出，拔节期施 加外源 Fe 激活了土壤中的 Cd，而在灌浆期时，土 壤 DTPA-Cd 含量又有所下降。水稻植株在生长发 育过程中吸收土壤中的营养元素的同时，也提高了 对 Cd 的吸收量。由于水稻生长时期的变化，土壤 Cd 的活性也随之波动。两种关键生育期施加的不 同外源 Fe 均不同程度地提高了土壤 Fe 的含量，促 进了水稻根系对 Fe 的吸收。螯合态 EDHA-Fe 进入 土壤后，与 Cd 形成螯合态 Cd，同时将 Fe 离子释 放到土壤中 ；而离子态 EDHA-Fe 进入土壤后，离 子键断裂产生铁离子和酸根离子，柠檬酸根离子和 硫酸根离子与土壤H+ 结合，生成少量柠檬酸和硫酸， 最终对土壤的 Cd 和 Fe 含量及其活性，以及 pH 值 产生影响。

　　拔节期施加外源 Fe 的 EDDHA-Fe 和 EDHA-Fe 处理组土壤 pH 值在第 2 d 至第 50 d 呈缓慢下降趋 势，而柠檬酸铁和硫酸亚铁处理组土壤 pH 值在第 2 d 至第 4 d 呈下降趋势，第 4 d 至第 6 d pH 值小幅 度增加，之后在第 6 d 至第 50 d 持续下降。灌浆期 施加外源 Fe 的各处理组土壤 pH 值在第 4 d 至第 6 d 表现出不同程度的波动，随后均持续下降。

　　2.2 关键生育期施加外源 Fe 对水稻 IP 中 Cd/Fe 含 量的影响

　　水稻拔节期和灌浆期施加外源 Fe 对 IP 中 Cd 和 Fe 的影响如图 2 所示。结果表明，与拔节期对照组 和灌浆期对照组相比，F 处理显著降低了 IP 中 Cd 含量，分别减少了 60.11% 和 75.23%。

　　与拔节期对 照组相比，施加 EDDHA-Fe 和柠檬酸铁分别使 IP 中 Cd 含量下降 13.22% 和 14.66%，而施加 EDTA-Fe 和硫酸亚铁则显著提高了 IP 中 Cd 含量，分别增加 了 51.48% 和 22.67%（P ＜ 0.05）。与灌浆期对照组 相比，施加 EDDHA-Fe、EDTA-Fe 和柠檬酸铁处理 分别使灌浆期对照组含量下降 28.64%、14.82% 和 41.25%，其中仅柠檬酸铁处理达到了显著差异（P ＜ 0.05）。F 处理对降低 IP 中 Cd 含量的效果最为显著； 拔节期施加外源 Fe 时，IP 中 Cd 含量的降低较为有 限，甚至在某些情况下显著提高了 IP 中 Cd 含量 ； 而在灌浆期，柠檬酸铁处理能够显著降低 IP 中 Cd 含量，且 EDDHA-Fe 和 EDTA-Fe 也能显著降低 IP 中 Cd 含量，表明在灌浆期施加外源 Fe 更有利于降 低 IP 中 Cd 含量，且 EDDHA-Fe 和柠檬酸铁的效果 优于 EDTA-Fe 和硫酸亚铁。 与拔节期对照组相比，F 处理显著提高了 IP 中 Fe 含量（P ＜ 0.05），但与灌浆期对照组相比则未 观察到显著差异。与拔节期对照组相比，柠檬酸铁 处理显著提高了 IP 中 Fe 含量 46.57%（P ＜ 0.05）， 而硫酸亚铁处理虽然也提高了 IP 中 Fe 含量，但未 达到显著水平。与灌浆期对照组相比，在灌浆期施 加不同外源 Fe 处理均导致 IP 中 Fe 含量下降，但各 处理与对照组之间的差异不显著。

　　2.3 关键生育期施加外源 Fe 对土壤 pH 与有效态 Cd/Fe 含量的影响

　　水稻拔节期和灌浆期施加外源Fe对成熟期土壤 酸碱度（pH）和土壤 DTPA-Cd 及 DTPA-Fe 含量的影 响如图 3 所示。试验结果表明，与拔节期对照组和灌浆期对照组相比，

在拔节期和灌浆期施加四种不同 形态的外源 Fe 对土壤 pH 值均未产生显著影响，各 处理与对照组之间的土壤 pH 值差异较小（图 3a）。

　　图 3b 显示，在拔节期处理下，不同外源 Fe 对 土壤 DTPA-Cd 含量的影响有所不同。与拔节期对 照组相比，仅 EDTA-Fe 处理使土壤 DTPA-Cd 含量 降低，而 EDDHA-Fe、柠檬酸铁和硫酸亚铁处理则 显著提高了 DTPA-Cd 含量。在灌浆期处理下，与 拔节期对照组相比，EDDHA-Fe 和硫酸亚铁处理下 土壤 DTPA-Cd 含量有所降低，而 EDTA-Fe 和柠檬 酸铁处理下土壤 DTPA-Cd 含量有所增加，尽管这 些变化的差异均未达到显著水平。

　　图 3c 显示，与拔节期对照组相比，拔节期施 加的四种外源 Fe 均增加了土壤 DTPA-Fe 含量，但 仅 EDTA-Fe 处理的增加幅度（30.38%）达到了显 著性差异（P ＜ 0.05）。与灌浆期对照组相比，在灌 浆期施加外源 Fe 后，EDDHA-Fe 和 EDTA-Fe 显著 提高了土壤 DTPA-Fe 含量，分别增加了 20.05% 和 13.25%（P ＜ 0.05），而柠檬酸铁和硫酸亚铁处理则 使土壤 DTPA-Fe 含量略微降低，且差异不显著。因 此，拔节期施加 EDTA-Fe 显著降低了土壤 DTPACd 含量，四种外源 Fe 均可增加土壤 DTPA-Fe 含 量 ；灌浆期施加 EDDHA-Fe 与硫酸亚铁分别使土 壤 DTPA-Cd 含量降低了 15.05% 和 13.32%，而仅螯 合态 Fe（EDDHA-Fe、EDTA-Fe）显著增加了土壤 DTPA-Fe 含量。总体而言，拔节期施加外源 Fe 在降 低土壤 DTPA-Cd 含量方面的效果优于灌浆期施加。

　　2.4 关键生育期施加外源 Fe 对植株各器官 Cd/Fe 含量影响

　　水稻拔节期和灌浆期施加外源 Fe 对植株各器 官 Cd 和 Fe 含量的影响如图 4 所示。拔节期施加外 源 Fe 显著增加了稻米的 Cd 含量，但 EDTA-Fe 显 著降低了根系 Cd 的吸收（21.66 mg/kg）及地上部 Cd 的累积。灌浆期施加外源 Fe 对根系 Cd 的吸收 具有一定影响，外源 Fe 的施加促进了植物各组织 部位 Fe 的积累。 拔节期，与对照组相比，仅 EDDHA-Fe 降低了 稻米 Cd 含量 2.3% ；而施加 EDTA-Fe、柠檬酸铁和 硫酸亚铁的处理则提高了稻米 Cd 含量，且仅柠檬 酸铁和硫酸亚铁处理的稻米 Cd 含量出现了显著性 变化（P < 0.05）。灌浆期与对照组相比，各处理均 促进了水稻米 Cd 的积累（图 4a）。EDDHA-Fe 和 EDTA-Fe 处理降低了地上部 Cd 含量，而柠檬酸铁 和硫酸亚铁处理则增加了地上部 Cd 含量，但所有 处理均未使地上部 Cd 含量达到显著变化。灌浆期 各处理均提高了地上部 Cd 含量（图 4b）。

　　与拔节 期对照组相比，EDDHA-Fe 显著降低了根系 Cd 含 量，其余处理差异不显著 ；与灌浆期对照组相比， EDTA-Fe 显著提高了根系 Cd 含量，其余处理差异 不显著（图 4c）。

　　拔节期施加外源 Fe 对水稻各部位 Fe 含量有 显著影响（图 4d、4e、4f）。与拔节期对照组相比， 施加外源 Fe 的各处理均提高了稻米 Fe 含量，其中 EDTA-Fe 和柠檬酸铁处理使稻米 Fe 含量显著增加 了 66.91% 和 72.93%。与灌浆期对照组相比，外源 Fe 均提高了稻米 Fe 含量，仅 EDTA-Fe 处理显著提 高了稻米 Fe 含量 25.82%（P ＜ 0.05）（图 4d）。与拔 节期对照组相比，EDDHA-Fe、EDTA-Fe 和柠檬酸铁 处理分别显著提高了地上部 Fe 含量 51.55%、55.43% 和 12.15%（P ＜ 0.05），而硫酸亚铁处理对地上部 Fe 含量未产生显著影响 ；四种外源 Fe 处理下，地 上部 Fe 含量存在差异，但与灌浆期对照组之间未达 到显著差异（图 4e）。与拔节期对照组相比，EDTAFe 处理显著提高

了根系 Fe 含量，其余处理则降低了根系 Fe 含量，但所有处理下根系 Fe 含量均未达 到显著变化 ；与灌浆期对照组相比，EDDHA-Fe、 EDTA-Fe 和柠檬酸铁处理均降低了根系 Fe 含量， 仅灌浆期施加硫酸亚铁处理显著提高了根系 Fe 含 量，其余处理下根系 Fe 含量无显著变化。

　　在灌浆期处理的水稻植物各部位 Cd 含量均低 于拔节期处理。但与对照组相比，拔节期施加外源 Fe 对水稻 Cd 含量的降低效果更好，且螯合态 Fe 的 效果优于离子态铁。除根系 Fe 含量外，水稻同一 部位 Fe 含量在拔节期和灌浆期的处理下变化较小， 拔节期处理下的根系 Fe 含量低于灌浆期处理。

　　2.5 水稻植株各器官 Cd 与土壤 DTPA-Cd、IP 中 Cd 的相关性分析

　　相关性分析表明，水稻不同生育期下各部位 Cd 含量与土壤指标之间的相关性存在显著差异。拔 节期处理的相关性分析结果显示（图 5a），DTPACd 与 IP 中 Cd 之间呈显著正相关，相关系数为 0.510 （P ＜ 0.05）；IP 中 Cd 与稻米 Cd 也呈显著正相关， 相关系数为 0.552（P ＜ 0.05）。稻米 Cd 与地上部 Cd、根 Cd 以及地上部 Cd 与根 Cd 的含量之间均呈 正相关，相关系数分别为 0.709、0.697 和 0.797（P ＜ 0.05）。

　　灌浆期处理的相关性分析结果显示（图 5b）， DTPA-Cd 与 IP 中 Cd、根 Cd 及地上部 Cd 之间均呈 显著正相关，相关系数分别为 0.616、0.607 和 0.721 （P ＜ 0.05）；IP 中 Cd 与根 Cd、地上部 Cd 及稻米 Cd 均显著正相关，相关系数分别为 0.852、0.678 和 0.524 （P ＜ 0.05）；稻米 Cd 与地上部 Cd、稻米 Cd 与根 Cd 以及地上部 Cd 与根 Cd 的含量之间也均为正相关， 相关系数分别为 0.555、0.505 和 0.703（P ＜ 0.05）。

　　使用主成分分析（PCA）评估了 Fe 肥与土壤 和植物指标之间的关系（图 6a）。第一主成分和第 二主成分分别解释了 38.9% 和 34.4% 的方差。拔 节期时，IP 中 Cd 含量与稻米 Cd 含量呈负相关 ； 灌浆期各指标之间差异较大，IP 中 Cd 与 IP 中 Fe （Fe）含量相关性较强，稻米 Cd 含量与 IP 中 Cd 及 DTPA-Cd 含量之间则呈负相关。灌浆期施加硫酸亚 铁和拔节期施加硫酸亚铁形成同一聚类，表明在不 同生育期施加硫酸亚铁的效果较为相似。灌浆期施 加 EDTA-Fe 和拔节期施加 EDDHA-Fe 在图中的位 置较为接近，显示这两种处理对水稻 Cd 吸收的影 响较为相似。此外，灌浆期施加 EDTA-Fe 和拔节期 施加柠檬酸铁同样形成一个聚类，表明这两种处理 对稻米 Cd 吸收具有类似的作用。

　　拔节期施加外源 Fe 后，稻米 Cd 含量显著高于 灌浆期施加 ；与 CK 相比，四种外源 Fe 处理均不同程度地提高了稻米 Cd 含量，且离子态外源 Fe 对稻 米 Cd 含量的增加效果大于螯合态外源 Fe（图 6b）。

　　3 讨论

　　3.1 水稻关键生育期施加外源 Fe 对水稻 Cd 含量的 影响

　　水稻植株对镉（Cd）的积累受外部环境和内部 生理分子因素的影响 [24]，而这些因素在不同生育期 对水稻 Cd 积累的影响差异显著。在传统栽培过程 中，水稻拔节期的土壤水分含量通常高于其他生育 期，且随着土壤铁（Fe）含量的增加，微生物会促 进 Fe2+ 与亚硝酸盐的化学反应，生成针铁矿或赤铁 矿等沉淀物 [25]，从而固定更多的 Cd2+，降低土壤中 Cd 的生物有效性。施加外源 Fe 能够提高土壤中的 Fe 含量，进而促进 Fe2+ 与腐殖质（HS）形成复合 物，利用其较大的比表面积吸附 Cd2+，限制植物对 Cd 的吸收 [26]。本研究表明，拔节期施加螯合态 Fe （EDDHA-Fe）后，土壤 DTPA-Cd 含量比对照组低 35.86%，有效降低了土壤中 Cd 的生物有效性。有 研究指出，水稻灌浆期的根系活性较高，根系向土 壤中释放氧气增多，导致土壤的氧化还原电位（Eh） 值上升，而 Eh 值的增加促进了 Cd 的溶解，进而影响其在土壤中的生物有效性 [27]。然而，本研究发现 拔节期和灌浆期施加四种外源 Fe 与对照相比，对 土壤 pH 的影响较小。尽管部分研究表明螯合态外 源 Fe 会提高土壤 pH 值，但由于本研究采用干湿交 替的水分管理方式，土壤 pH 值有所下降。此外， 外源 Fe 施加还促进了水稻根系生长，增加了根系 有机酸的分泌，从而进一步降低了土壤 pH 值 [28]， 这可能解释了螯合态 Fe 施加未能显著改变土壤 pH 值。另一研究表明，离子态外源 Fe 的酸性特征使 其在水解过程中能降低土壤pH值约2.58%~5.31%[8]。 因此，拔节期施加外源 Fe 相比灌浆期更显著降低 土壤中 Cd 的生物有效性，可能是因为灌浆期水稻 根系分泌的有机酸增加，限制了外源 Fe 通过提高 土壤 pH 值来降低 Cd 的效果。

　　拔节期是水稻的营养生长阶段，主要进行主茎 和大分蘖的生长发育，需要大量养分，因此，重金 属 Cd 也随之在水稻各组织中逐渐积累 [29]。虽然有 研究表明 Fe 与 Cd 竞争转运蛋白（如 OsZIP6），从 而减少根系对 Cd 的吸收，但在高 Fe 浓度环境下， Fe 与 Cd 可能协同作用，反而促进 Cd 的积累。一 些研究也指出，拔节期水稻对 Cd 的转运能力较弱， 更多的 Cd 积累在根和秸秆中，而非向籽粒转运 [30]。

　　本研究发现，拔节期施加四种外源 Fe 提高了 土壤 DTPA-Fe、植株 Fe 及 IP 中 Fe 的含量，但也提 高了稻米的 Cd 含量。尽管 EDTA-Fe 显著降低了 IP 中 Cd、根系 Cd 和地上部 Cd 的含量，仅 EDDHAFe 处理使稻米 Cd 含量降低了 2.3%。这表明，拔节 期施加外源 Fe 主要通过影响 IP 中 Fe 的含量，改变 了水稻植株各部位 Cd 的积累。灌浆期是水稻的生 殖生长阶段，也是谷物养分积累的关键时期 [31]。在 此阶段，根系大量吸收养分，并增强对 Fe 和 Cd 离 子的吸收。基因如 OsPCS1、OsGS1 和 OsHMA2 的 表达增加，促进了 Fe 和 Cd 在水稻根部的积累，这 些 Fe 和 Cd 离子随后通过木质部向地上部转运，最 终导致水稻根和地上部 Fe、Cd 含量的增加 [18]。在 此期间，籽粒蛋白质合成活动加剧，促进了根系对 土壤中 Cd 的吸收，并促进 Cd 向籽粒转运并固定于 其中 [32]。Cd 从水稻根系向植株内部迁移时，水稻 IP 能够有效阻止 Cd 的进一步迁移。IP 不仅能将 Cd 隔离在根表面，还能作为 Fe“储存库”提供额外的 Fe，从而减轻 Cd 的影响。研究表明，IP 在分蘖期 显著增加，在籽粒灌浆期显著减少，其含量主要受 到 Fe2+ 浓度的影响 [33]。土壤中 Fe 浓度的增加通过 提高水稻 IP 中 Fe 含量，吸附并固定更多的土壤重 金属，进而影响 IP 中 Cd 的浓度 [34]。

　　本研究结果表明，在灌浆期施加外源 Fe 后， 水稻植株的 Fe 含量提高了 25.82%~56.71%。其中， EDDHA-Fe 处理还显著提高了稻米 Fe 含量，同时 使稻米 Cd、地上部 Cd 和根 Cd 的含量分别提高了 37.87%、38.80% 和 28.74%。土壤 DTPA-Cd 与 IP 中 Cd 含量显著正相关，IP 中 Cd 与稻米、地上部和根 中的 Cd 含量也显著正相关。因此，灌浆期施加外 源 Fe 主要通过降低土壤 DTPA-Cd 和 IP 中 Cd 的含 量，减少了水稻植株各部位 Cd 的积累。尽管 IP 减 少了对 Cd 的吸附固定作用，限制了水稻根系和地 上部 Cd 的积累，并降低了稻米 Cd 的积累，但研究 表明，当 IP 较薄时，根系表面吸收的 Cd 可能会向 根系内部转运，从而增加 Cd 向地上部的转运量。

　　3.2 外源 Fe 形态对土壤和水稻 Cd 含量的影响

　　研究表明，螯合态 Fe、铁氧化物等能够有效 降低土壤中 Cd 的生物有效性，进而减少水稻对 Cd 的吸收、转运与积累 [10]。螯合态 Fe 不仅影响土壤 溶液中 Cd 和 Fe 的形态，还能促进水稻 IP 的形成， 从而保护根部免受 Cd 的毒害，抑制 Cd 进入根系 [35]。 此外，螯合态 Fe 通过影响水稻中参与 Fe 和 Cd 运 输的基因表达 [9]，进一步调控水稻植株内 Cd 和 Fe 的吸收、运输与重新分配。研究显示，EDTA-Fe 施 用可一方面提高土壤中 Fe 的含量 [8, 18]，降低土壤提 取态 Cd 含量，另一方面通过 Fe3+ 与 Cd2+ 竞争根部 转运蛋白，抑制水稻根系对 Cd 的吸收。

　　本研究发现，在水稻拔节期施加 EDTA-Fe 以 及在灌浆期施加 EDDHA-Fe，能使土壤成熟期的 DTPA-Cd 含量低于对照组（不施加 Fe 处理）。且螯 合态外源 Fe 对土壤 DTPA-Fe 含量的提升效果显著 优于离子态外源 Fe。同时，螯合态外源 Fe 提高了 IP 中的 Fe 含量，而 EDDHA-Fe 则有效降低了 IP 中 的 Cd 含量。离子态硫酸亚铁在水稻根际容易被氧 化生成 Fe2O3 和 H2SO4 [15]，这会导致土壤 pH 值降 低、Eh 值升高，进而影响土壤 Cd 的有效性。此外， 离子态 Fe 对 IP 中的 Fe 含量的影响更为显著。本研 究中，灌浆期施加离子态硫酸亚铁使土壤成熟期的 DTPA-Cd 含量低于对照组，而离子态柠檬酸铁则 降低了 IP 中的 Cd 含量。根据外源 Fe 施加后土壤 DTPA-Fe 的动态变化推测，外源施加螯合态和离子 态 Fe 均可向土壤中释放 Fe3+ 和 Fe2+，促进 Fe 形态 从溶解态转变为吸附态、结晶态及游离铁氧化物 [36]， 从而固定土壤中的Cd2+，降低土壤Cd的生物有效性。

　　已有研究表明，Fe 是植物中 Fe 氧还原蛋白的 重要组成部分，参与植物的光合作用、生物固氮以 及氧化还原过程中的电子转移等生理化学过程 [37]。外源 Fe 施用能够提高土壤中的 Fe 含量，通过促进 植物光合作用和改善植物的养分运输，进而促进植 株的生长 [11]。重金属 Cd 是植物的非必需营养元素， Cd 通过 Fe 的转运系统从土壤向水稻根系转移，而 这一转运过程受土壤中Fe浓度的影响。更重要的是， 水稻根系除了具有吸收 Fe3+ 的载体外，还存在直接 吸收 Fe2+ 的系统，特别是在淹水环境中发挥重要作 用 [38]。土壤中 Fe2+ 和 Fe3+ 含量的增加可促进水稻 IP 的形成，增强根系对 Fe3+ 的吸收，诱导结晶 Fe3+ 氧化物的形成，尤其是表面积较大、富含羟基官能 团的水铁矿，这些矿物能有效富集根状平面上的大 部分 Cd [25]。通常，Fe2+ 比 Fe3+ 更有效地促进 IP 的 形成，并且不同类型的 Fe 源对 IP 的形成和水稻对 Fe 的吸收有不同的影响。研究还发现，施用离子态 Fe 时，Fe 离子主要在水稻根系表面沉积积累，而 施用螯合态 EDDHA-Fe 时，部分 Fe 沉积于根系表 面，另外的 Fe 则被根系吸收并迁移至柱鞘、韧皮 部和木质部，从而提高了水稻根系中的 Fe 含量 [39]。 更重要的是，在水稻生长过程中，IP 中 Cd 浓度的 增加促进了 Cd 从水稻根部向地上部的转运 [40]。

　　在本研究中，与对照组相比，施用离子态外源 Fe 显著降低了水稻 IP 中的 Cd 含量。尤其在拔节期 施加外源 Fe 时，IP 中的 Cd 含量降低效果较弱，甚 至会显著增加 IP 中的 Cd 含量 ；而在灌浆期施加柠 檬酸铁处理时，IP 中的 Cd 含量显著降低。此外， 离子态 Fe 也显著降低了 IP 中的 Cd 含量，表明在 灌浆期施加外源 Fe 更有助于降低 IP 中的 Cd 含量， 而 EDDHA-Fe 和柠檬酸铁的效果强于 EDTA-Fe 和 硫酸亚铁。螯合态外源 Fe 施用后水稻中的 Cd 含量 降低，部分原因可能是植物通过化学形式吸收 Fe 离子，并且在离子之间存在竞争吸收。

　　研究结果表明，稻米、地上部和根系中 Cd 含 量与 IP 中 Fe 含量之间存在显著的负相关关系，说 明水稻 Cd 积累量的减少与 IP 中 Fe 含量密切相关。 拔节期施加 EDDHA-Fe 和 EDTA-Fe 处理使地上部 和根部的 Cd 含量降低，且 EDDHA-Fe 处理有效 降低了稻米中的 Cd 含量。虽然柠檬酸铁和硫酸亚 铁的施用也能降低水稻对 Cd 的积累 [28, 38]，但在拔 节期施用时，它们的降 Cd 效果不如螯合态 Fe。此 外，土壤 DTPA-Cd 含量与 IP 中 Cd 含量显著相关， 而 IP 中的 Cd 含量显著影响稻米中的 Cd 含量。这 表明外源 Fe 不仅通过改变水稻理化性质影响土壤 DTPA-Cd 含量，还通过 IP 的形成固定 Cd，并通过 提高水稻对 Fe 的吸收，进而影响水稻对 Cd 的吸收、 转运和积累。

　　4 结论

　　1）与在水稻拔节期施加外源 Fe 相比，在灌浆 期施加外源 Fe 能显著降低稻米中的 Cd 积累。

　　2）与施加离子态 Fe 相比，施加螯合态 Fe 对 降低稻米 Cd 含量的效果更加显著。

　　3）在拔节期，施加螯合态 Fe 能显著降低水稻 根系与地上部的Cd含量，效果优于离子态Fe。然而， 在灌浆期，施加离子态 Fe 则可能增加根系和地上 部 Cd 积累的风险。

　　4）在水稻拔节期，外源 Fe 的作用主要通过影 响 IP 中 Fe 含量，进而改变水稻各部位的 Cd 积累。 而在灌浆期，外源 Fe 的作用则主要通过降低土壤 中有效态 Cd 及 IP 中 Cd 含量，减少水稻植株各部 位的 Cd 积累。