A Review on Silicon: Effect on Rice Growth and Its Mechanism of Relieving Cadmium Toxicity

doi:10.11924/j.issn.1000-6850.casb18100012

Abstract

Abstract:

The aim is to provide references for developing high-efficiency silicon fertilizer and controlling cadmium pollution in farmland. The authors summarized the effects of silicon fertilizer application on rice growth and development, including increasing the yield and quality, improving the resistance to lodging, insect pests, and drought, especially enhancing the resistance to cadmium toxicity. In addition, from the aspect of physiology and soil science, the possible mechanism of silicon fertilizer to alleviating cadmium poisoning was analyzed. From the aspect of the physiological mechanism, by involving in physiological metabolic activities of rice, silicon enhances the enzyme activity in antioxidant system and the scavenging ability of free radicals. Silicon inhibits cadmium uptaking and its transportation in rice. Silicon and cadmium have the chelation and segmentation in rice. From the soil science mechanism, silicon fertilizer changes the physical and chemical properties of soil, reduces the content of available cadmium in soil. Silicon and cadmium have the adsorption and precipitation, which could reduce cadmium uptake by rice. Finally, the prospect of the development and utilization of silicon fertilizer and its technology extension are discussed.

Key words: rice, cadmium, silicon, soil remediation, heavy metal pollution

CLC Number:

S511

Dai Qingyun, Liu Daihuan, Wang Dexin, Li Pengxiang, Zhu Wei, Gui Juan. A Review on Silicon: Effect on Rice Growth and Its Mechanism of Relieving Cadmium Toxicity[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2020, 36(5): 86-92.

Figures/Tables 1

References 72

[1]	林肖, 任艳芳, 张艳超 , 等. 镉污染对水稻分蘖期植株生长及镉积累的影响[J]. 浙江农业科学, 2017,58(5):743-746.
[2]	孙亚莉, 徐庆国, 贾巍 . 镉胁迫对水稻的影响及其调控技术研究进展[J]. 中国农学通报, 2017,33(10):1-6.
[3]	丁园, 宗良纲, 徐晓炎 , 等. 镉污染对水稻不同生育期生长和品质的影响[J]. 生态环境学报, 2009,18(1):183-186.
[4]	龙思斯, 宋正国, 雷鸣 , 等. 不同外源镉对水稻生长和富集的影响研究[J]. 农业环境科学学报, 2016,35(3):419-424.
[5]	孙岩, 韩颖, 李军 , 等. 硅对镉胁迫下水稻生物量及镉的化学形态的影响[J]. 西南农业学报, 2013,26(3):1240-1244.
[6]	杨奕味 . 硅对水稻的作用[J]. 科技简报, 1978(21):21-25.
[7]	朱小平, 王义炳, 李家全 . 水稻硅素营养特性的研究[J]. 土壤通报, 1995,26(5):232-233.
[8]	黄秋婵, 黎晓峰, 沈方科 , 等. 硅对水稻幼苗镉的解毒作用及其机制研究[J]. 农业环境科学学报, 2007,26(4):1307-1311.
[9]	Farooq M A, Detterbeck A, Clemens S , et al. Silicon-induced reversibility of cadmium toxicity in rice[J]. Journal of Experimental Botany, 2016,67(11):3573-85.
[10]	Kim Y H, Khan A L, Kim D H, et al. Silicon mitigates heavy metal stress by regulating P-type heavy metal ATPases, Oryza sativa low silicon genes, and endogenous phytohormones[J]. BMC Plant Biology, 2014,14(1):1-13.
[11]	蔡德龙, 陈常友, 小林均 . 硅肥对水稻镉吸收影响初探[J]. 地域研究与开发, 2000,19(4):69-71.
[12]	秦淑琴, 黄庆辉 . 硅对水稻吸收镉的影响[J]. 新疆环境保护, 1997,19(3):51-53.
[13]	陈喆, 铁柏清, 雷鸣 , 等. 施硅方式对稻米镉阻隔潜力研究[J]. 环境科学, 2014,35(7):2763-2770.
[14]	魏晓, 张鹏博, 赵丹丹 , 等. 水稻土施硅对土壤-水稻系统中镉的降低效果[J]. 生态学报, 2018,38(5):1-6.
[15]	陈喆, 张淼, 叶长城 , 等. 富硅肥料和水分管理对稻米镉污染阻控效果研究[J]. 环境科学学报, 2015,35(12):4003-4011.
[16]	李园星露, 叶长城, 刘玉玲 , 等. 硅肥耦合水分管理对复合污染稻田土壤As-Cd生物有效性及稻米累积阻控[J]. 环境科学, 2018,39(2):944-952.
[17]	李卫国, 任永玲 . 氮、磷、钾、硅肥配施对水稻产量及其构成因素的影响[J]. 山西农业科学, 2001,29(1):53-58.
[18]	周青, 潘国庆, 施怍家 , 等. 不同时期施用硅肥对水稻群体质量及产量的影响[J]. 耕作与栽培, 2001(3):25-27.
[19]	邵泽强, 罗青, 孙丰年 , 等. 高品质硅肥在吉林市优质水稻上的应用效果研究[J]. 基层农技推广, 2017(10):31-33.
[20]	郭彬, 娄运生, 梁永超 , 等. 氮硅肥配施对水稻生长、产量及土壤肥力的影响[J]. 生态学杂志, 2004,23(6):33-36.
[21]	宋合林, 刘兵, 崔占文 , 等. 不同生育时期施用硅肥对水稻产量的影响[J]. 现代化农业, 2009,9:22.
[22]	任海, 付立东, 王宇 , 等. 硅磷肥对水稻生长发育及产量品质的影响[J]. 江苏农业科学, 2017(17):57-61.
[23]	杜同庆, 徐鹏, 刘秀秀 , 等. 淮北地区不同时期喷施硅肥对水稻生育及产量和品质影响研究[J]. 北方水稻. 2018,48(4):24-30.
[24]	He C W, Wang L J, Liu J , et al. Evidence for 'silicon' within the cell walls of suspension-cultured rice cells[J]. New Phytologist, 2013,200(3):700-709.
[25]	Ma J, Cai H M, He C W , et al. A hemicellulose-bound form of silicon inhibits cadmium ion uptake in rice (Oryza sativa) cells[J]. New Phytologist, 2015,206(3):1063-1074.
[26]	柯玉诗, 黄小红, 张壮塔 , 等. 硅肥对水稻氮磷钾营养的影响及增产原因分析[J]. 广东农业科学, 1997(5):25-27.
[27]	水茂兴, 陈德富, 秦遂初 , 等. 水稻新嫩组织的硅质化及其与稻瘟病抗性的关系[J]. 植物营养与肥料学报, 1999,5(4):352-358.
[28]	Wang H Y, Wen S L, Chen P , et al. Mitigation of cadmium and arsenic in rice grain by applying different silicon fertilizers in contaminated fields[J]. Environmental science and pollution research international, 2016,23(4):3781-3788.
[29]	郑文杰, 卢剑, 刘模发 . 施用液体硅肥降低稻米中镉含量效果研究[J]. 现代化农业, 2016(7):30-31.
[30]	曹胜, 周卫军, 周雨舟 , 等. 硅钙镁土壤调理剂对酸性镉污染土壤及稻米的降镉效果[J]. 河南农业科学, 2017,46(12):54-58.
[31]	黄娟, 纪雄辉, 谢运河 , 等. 镉污染稻田施用钾硅肥对杂交晚稻吸收积累镉的影响[J]. 杂交水稻, 2014(6):73-77.
[32]	高子翔, 周航, 杨文弢 , 等. 基施硅肥对土壤镉生物有效性及水稻镉累积效应的影响[J]. 环境科学, 2017(12):5299-5307.
[33]	罗思颖, 周卫军, 曹胜 , 等. 钾硅钙微孔矿物肥对稻田土壤及稻谷镉污染的阻控效果[J]. 湖南农业科学, 2016(6):30-32.
[34]	赵明柳, 唐守寅, 董海霞 , 等. 硅酸钠对重金属污染土壤性质和水稻吸收CdPbZn的影响[J]. 农业环境科学学报, 2016,35(9):1653-1659.
[35]	Li L F, Ai S Y, Li Y C , et al. Exogenous silicon mediates alleviation of cadmium stress by promoting photosynthetic activity and activities of antioxidative enzymes in rice[J]. Journal of Plant Growth Regulation, 2017,37(2):602-611.
[36]	Nwugo C C, Huerta A J . Silicon-induced cadmium resistance in rice (Oryza sativa)[J]. Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 2008,171(6):841-848.
[37]	张丽娜, 宗良纲, 任偲 , 等. 硅对低镉污染水平下水稻幼苗生长及吸收镉的影响[J]. 农业环境科学学报, 2007,26(2):494-499.
[38]	许佳莹, 朱练峰, 禹盛苗 , 等. 硅肥对水稻产量及生理特性影响的研究进展[J]. 中国稻米, 2012,18(6):18-22.
[39]	王显, 张国良, 霍中洋 , 等. 氮硅配施对水稻叶片光合作用和氮代谢酶活性的影响[J]. 扬州大学学报:农业与生命科学版, 2010,31(3):44-49.
[40]	陶龙兴, 裘小荣, 富符 , 等. 硅肥对国稻6号的生理影响及增产效果[J]. 中国稻米, 2008(3):57-59.
[41]	Gao M, Zhou J, Liu H L, et al. Foliar spraying with silicon and selenium reduces cadmium uptake and mitigates cadmium toxicity in rice[J]. Science of the Total Environment, 2018, 631-632:1100-1108.
[42]	张国良, 戴其根, 张洪程 . 水稻硅素营养研究进展[J]. 江苏农业科学, 2003,3:8-11.
[43]	何俊瑜, 任艳芳, 朱诚期 , 等. 镉胁迫对镉敏感水稻突变体活性氧代谢及抗氧化酶活性的影响[J]. 生态环境, 2008,17(3):1004-1008.
[44]	龚金龙, 张洪程, 龙厚元 , 等. 水稻中硅的营养功能及生理机制的研究进展[J]. 植物生理学报, 2012,48(1):1-10.
[45]	胡瑞芝, 方水娇, 陈桂秋 . 硅对杂交水稻生理指标及产量的影响[J]. 湖南农业大学学报:自然科学版, 2001,27(5):335-338.
[46]	史新慧, 王贺, 张福锁 . 硅提高水稻抗镉毒害机制的研究[J]. 农业环境科学学报, 2006,25(5):1112-1116.
[47]	Wang S H, Wang F Y, Gao S C . Foliar application with nano-silicon alleviates Cd toxicity in rice seedlings[J]. Environmental science and pollution research international, 2015,22(4):2837-45.
[48]	Srivastava R K, Pandey P, Rajpoot R , et al. Exogenous application of calcium and silica alleviates cadmium toxicity by suppressing oxidative damage in rice seedlings[J]. Protoplasma, 2015,252(4):959-75.
[49]	秦淑琴, 黄庆辉 . 硅对水稻吸收镉的影响[J]. 塔里木大学学报, 1996,8(2):17-20.
[50]	Guo L, Chen A, He N , et al. Exogenous silicon alleviates cadmium toxicity in rice seedlings in relation to Cd distribution and ultrastructure changes[J]. Journal of Soils and Sediments, 2017,18(4):1691-1700.
[51]	Adrees M, Ali S, Rizwan M , et al. Mechanisms of silicon-mediated alleviation of heavy metal toxicity in plants: A review[J]. Ecotoxicology and environmental safety, 2015,119:186-97.
[52]	Shi X H, Zhang C C, Wang H , et al. Effect of Si on the distribution of Cd in rice seedlings[J]. Plant and Soil, 2005,272(1-2):53-60.
[53]	杨菲, 唐明凤, 朱玉兴 . 水稻对镉的吸收和转运的分子机理[J]. 杂交水稻, 2015,30(3):2-8.
[54]	Liu C, Li F, Luo C , et al. Foliar application of two silica sols reduced cadmium accumulation in rice grains[J]. Journal of Hazardous Materials, 2009,161(2-3):1466-1472.
[55]	Liu J, Ma J, He C W , et al. Inhibition of cadmium ion uptake in rice (Oryza sativa) cells by a wall-bound form of silicon[J]. New Phytologist, 2013,200(3):691-699.
[56]	李江遐, 张军, 马友华 , 等. 硅对镉胁迫条件下两个水稻品种镉亚细胞分布、非蛋白巯基物质含量的影响[J]. 农业环境科学学报, 2018,36(6):1066-1071.
[57]	Jun W L, Wang Y H, Chen Q , et al. Silicon induced cadmium tolerance of rice seedlings[J]. Journal of Plant Nutrition, 2000,23(10):1397-1406.
[58]	靳辉勇, 齐绍武, 熊文晴 , 等. 硅酸盐对镉污染烟田的原位修复效应研究[J]. 青岛农业大学学报:自然科学版, 2017,34(1):56-59.
[59]	武成辉, 李亮, 晏波 , 等. 新型硅酸盐钝化剂对镉污染土壤的钝化修复效应研究[J]. 农业环境科学学报, 2017,36(10):2007-2013.
[60]	王怡璇, 刘杰, 唐云舒 , 等. 硅对水稻镉转运的抑制效应研究[J]. 生态环境学报, 2016,25(11):1822-1827.
[61]	徐胜光, 周建民, 刘艳丽 , 等. 硅钙调控对酸矿水污染农田水稻镉含量的作用机制[J]. 农业环境科学学报, 2007,26(5):1854-1859.
[62]	夏汉平 . 土壤-植物系统中的镉研究进展[J]. 应用与环境生物学报, 1997,3(3):289-298.
[63]	赵颖, 李军 . 硅对水稻吸收镉的影响[J]. 东北农业大学学报, 2010,41(3):59-64.
[64]	Zhao X, Saigusa M . Fractionation and solubility of cadmium in paddy soils amended with porous hydrated calcium silicate[J]. Journal of Environmental Sciences, 2007,19(3):343-347.
[65]	郑煜基, 陈能场, 张雪霞 , 等. 硅肥施用对重金属污染土壤甘蔗镉吸收的影响研究初探[J]. 生态环境学报, 2014,23(12):2010-2012.
[66]	蔡春艳 , 黄壤性水稻土不同粒径上镉和有效硅的分布及其相关性研究[D]. 雅安:四川农业大学, 2012.
[67]	林大松, 刘尧, 徐应明 , 等. 海泡石对污染土壤镉、锌有效态的影响及其机制[J]. 北京大学学报:自然科学版, 2010,46(3):346-350.
[68]	郝红英, 何孟常, 林春野 . 采用XPS研究镉在蒙脱石表面的吸附机理[J]. 环境化学, 2006,26(6):797-800.
[69]	刘鸣达, 李彩, 赵玉婷 , 等. 硅对不同pH值水田土壤吸附——解吸镉的影响[J]. 农业环境科学学报, 2017,26(4):672-677.
[70]	Ji X H, Liu S H, Juan H , et al. Effect of silicon fertilizers on cadmium in rice (Oryza sativa) tissue at tillering stage[J]. Environmental science and pollution research international, 2017,24(11):10740-10748.
[71]	李彩 . 硅对不同品种水稻吸收镉的影响与机制研究[D]. 沈阳:沈阳农业大学, 2017.
[72]	赵玉婷, 王耀晶, 应博 , 等. 硅对不同pH值水田土壤镉吸附热力学特征的影响[J]. 农业环境科学学报, 2017,16(10):2000-2006.

序号	土壤状况	水稻品种	试验方式	硅肥种类及施加量	降镉效果	参考文献
1	红壤：pH 4.97±0.51、全镉4.10±0.42 mg/kg	湘早籼45和丰源优299	盆栽	2种硅肥配施（富力邦牌粉状硅钾钙肥450 kg/hm²、正大叶面肥1号速溶硅肥 3.3 g/L）,全生育期淹水措施。	精米中镉的含量为0.12 mg/kg,分别使谷壳、糙米和精米的降镉幅度达到95%、86.7%和91.18%。	[14]
2	紫砂壤：pH 6.86±0.27、全镉216.89 ±3.13mg/kg	丰源优 299	盆栽	富力邦牌粉状硅钾钙肥450 kg/hm²、正大叶面肥1号速溶硅肥3.3 g/L	谷壳、糙米和精米降镉幅度达到62.59%、58.33%和65.83%。	[12]
3	pH 6.00 ±0.23;全镉0.4±0.04 mg/kg	湘丰优186	大田	硅钾肥、硅钾肥的半成品、硅钙肥和硅酸钠,添加量分别为900 kg/hm²和9000 kg/hm²	硅钙肥的效果最好（9000 kg/hm²,稻米降镉率71.5%）,其次为,硅酸钾的半成品和硅酸钾,硅酸钠的降镉效果不明显。	[28]
4	红壤发育的水稻土：pH 6.35、全镉11.42 mg/kg	荆楚优233	大田	富田牌液体硅肥6 L/hm²（分3次喷施）	水稻精米中的镉含量平均值为0.52 mg/kg,比对照降低了45.26%。	[29]
5	红黄泥：pH 5.22,土壤全镉0.75 mg/kg、有效态镉 0.48 mg/kg。	五优308	大田	硅钙镁土壤调理剂为山西凯盛肥业集团有限公司生产的探路先锋土壤调理剂（颗粒）,施用量1500、2250、3000 kg/hm²	施用量1500、2250、3000 kg/hm²的土壤有效镉含量分别降低了10.64%、40.43%、44.68%,糙米镉含量分别降低了13.85%、36.92%、40.00%。	[30]
6	潮泥田：大同桥和网岭（pH 4.90、5.30,全镉0.51 mg/kg、0.58 mg/kg、有效镉0.36 mg/kg、0.45 mg/kg）	五优308和天优998	大田	钾硅肥由山西紫光钾业有限公司提供,25%为水溶性钾,75%为枸溶性钾,有效硅总量为2257 mg/kg,包括去离子水提取态和盐酸提取态,均为单硅酸,为植物可利用态。施用钾硅肥750和1200 kg/hm²	晚稻成熟期土壤有效态镉含量,网岭和大同桥土壤有效镉含量分别比对照下降5.3%、10.5%和30.2%、32.6%。糙米镉含量比对照分别降低9.8%、27.5%和14.3%、25.0%	[31]
7	红壤：pH 5.5、土壤全镉含量5.08 mg/kg	威优46	盆栽	硅肥溶液（山梨糖醇:甘露糖醇:甘油:水= 4:5:8:20,搅拌均匀,加入75份硅酸钠,于70℃下反应40 min,冷却后即为硅肥溶液）。施加量为75 kg/hm²	糙米镉含量为0.23~0.28 mg/kg,糙米、谷壳、茎叶的镉含量分别降低38.7%~48.5%、35.7%~70.7%、30.9%~40.7%	[32]
8	红黄泥：pH 5.4,土壤全镉0.75 mg/kg,有效镉0.38 mg/kg	威优644	大田	钾硅钙微多元素微孔矿物肥含SiO₂ ≥20%,Mg ≥3%。分别施加600、750、1125和95 kg/hm²	土壤有效镉降低7.9%~26.3%,从而使稻谷中镉含量降低37.8%~42.4%。	[33]
9	矿区土壤：pH 6.02,全镉5.88 mg/kg,有效镉3.7 mg/kg	宜优673	盆栽	硅酸钠购自国药集团化学试剂有限公司,分析纯,添加量分别为0、2.5、5、7.5、10、12.5 g/kg。	水稻成熟期对土壤镉则表现为轻微活化,与对照相比,施用硅酸钠的糙米中镉含量升高了16%~145%	[34]

序号	土壤状况	水稻品种	试验方式	硅肥种类及施加量	降镉效果	参考文献
1	红壤：pH 4.97±0.51、全镉4.10±0.42 mg/kg	湘早籼45和丰源优299	盆栽	2种硅肥配施（富力邦牌粉状硅钾钙肥450 kg/hm²、正大叶面肥1号速溶硅肥 3.3 g/L）,全生育期淹水措施。	精米中镉的含量为0.12 mg/kg,分别使谷壳、糙米和精米的降镉幅度达到95%、86.7%和91.18%。	[14]
2	紫砂壤：pH 6.86±0.27、全镉216.89 ±3.13mg/kg	丰源优 299	盆栽	富力邦牌粉状硅钾钙肥450 kg/hm²、正大叶面肥1号速溶硅肥3.3 g/L	谷壳、糙米和精米降镉幅度达到62.59%、58.33%和65.83%。	[12]
3	pH 6.00 ±0.23;全镉0.4±0.04 mg/kg	湘丰优186	大田	硅钾肥、硅钾肥的半成品、硅钙肥和硅酸钠,添加量分别为900 kg/hm²和9000 kg/hm²	硅钙肥的效果最好（9000 kg/hm²,稻米降镉率71.5%）,其次为,硅酸钾的半成品和硅酸钾,硅酸钠的降镉效果不明显。	[28]
4	红壤发育的水稻土：pH 6.35、全镉11.42 mg/kg	荆楚优233	大田	富田牌液体硅肥6 L/hm²（分3次喷施）	水稻精米中的镉含量平均值为0.52 mg/kg,比对照降低了45.26%。	[29]
5	红黄泥：pH 5.22,土壤全镉0.75 mg/kg、有效态镉 0.48 mg/kg。	五优308	大田	硅钙镁土壤调理剂为山西凯盛肥业集团有限公司生产的探路先锋土壤调理剂（颗粒）,施用量1500、2250、3000 kg/hm²	施用量1500、2250、3000 kg/hm²的土壤有效镉含量分别降低了10.64%、40.43%、44.68%,糙米镉含量分别降低了13.85%、36.92%、40.00%。	[30]
6	潮泥田：大同桥和网岭（pH 4.90、5.30,全镉0.51 mg/kg、0.58 mg/kg、有效镉0.36 mg/kg、0.45 mg/kg）	五优308和天优998	大田	钾硅肥由山西紫光钾业有限公司提供,25%为水溶性钾,75%为枸溶性钾,有效硅总量为2257 mg/kg,包括去离子水提取态和盐酸提取态,均为单硅酸,为植物可利用态。施用钾硅肥750和1200 kg/hm²	晚稻成熟期土壤有效态镉含量,网岭和大同桥土壤有效镉含量分别比对照下降5.3%、10.5%和30.2%、32.6%。糙米镉含量比对照分别降低9.8%、27.5%和14.3%、25.0%	[31]
7	红壤：pH 5.5、土壤全镉含量5.08 mg/kg	威优46	盆栽	硅肥溶液（山梨糖醇:甘露糖醇:甘油:水= 4:5:8:20,搅拌均匀,加入75份硅酸钠,于70℃下反应40 min,冷却后即为硅肥溶液）。施加量为75 kg/hm²	糙米镉含量为0.23~0.28 mg/kg,糙米、谷壳、茎叶的镉含量分别降低38.7%~48.5%、35.7%~70.7%、30.9%~40.7%	[32]
8	红黄泥：pH 5.4,土壤全镉0.75 mg/kg,有效镉0.38 mg/kg	威优644	大田	钾硅钙微多元素微孔矿物肥含SiO₂ ≥20%,Mg ≥3%。分别施加600、750、1125和95 kg/hm²	土壤有效镉降低7.9%~26.3%,从而使稻谷中镉含量降低37.8%~42.4%。	[33]
9	矿区土壤：pH 6.02,全镉5.88 mg/kg,有效镉3.7 mg/kg	宜优673	盆栽	硅酸钠购自国药集团化学试剂有限公司,分析纯,添加量分别为0、2.5、5、7.5、10、12.5 g/kg。	水稻成熟期对土壤镉则表现为轻微活化,与对照相比,施用硅酸钠的糙米中镉含量升高了16%~145%	[34]