不同灌溉方式對鎘污染下水稻生長和產量的影響

張艷超， 任艷芳， 林 肖， 王艷玲， 何俊瑜

(貴州大學農學院，貴州貴陽 550025)

不同灌溉方式對鎘污染下水稻生長和產量的影響

張艷超， 任艷芳， 林 肖， 王艷玲， 何俊瑜

(貴州大學農學院，貴州貴陽 550025)

通過盆栽試驗，研究鎘污染下淹水灌溉、干濕交替灌溉和濕潤灌溉3種灌溉方式對水稻根系活力、生長、產量及產量因子的影響。結果表明：1 mg/kg鎘處理對水稻生長和產量無明顯影響，5 mg/kg的鎘處理嚴重抑制水稻的根系活力、株高、分蘗數和產量；鎘污染下，干濕交替灌溉處理相比淹水灌溉處理有效地提高了根系活力，促進前期分蘗，提高生物量、穗數、每穗粒數和結實率，導致產量明顯增加；濕潤灌溉處理與淹水灌當相比雖然提高低鎘污染水稻全生育期和高鎘污染水稻生育前期的根系活力，但莖蘗增長慢，莖蘗數減少，生物量、穗數、每穗粒數和結實率降低，最終導致產量降低。不同灌溉方式對穗長和千粒質量影響不大。綜合研究結果可知，在鎘污染土壤中，干濕交替灌溉處理有利于水稻的生長和產量的形成。

水稻；灌溉方式；鎘污染；生長；產量

隨著工業的快速發展以及人類活動的逐漸加強，鎘(Cd)成為目前我國農田土壤重金屬污染的主要污染物之一。由2014年的《全國土壤污染狀況調查公報》可知，我國耕地土壤污染點位超標率為19.4%，以重金屬污染為主，其中重金屬Cd點位超標率達到7.0%，是重金屬污染物中超標率最高的[1]。Cd在土壤中的有效性高、移動性大、毒性大且持久，極具隱蔽性，不僅會造成作物減產，而且很容易被作物吸收，從而進一步污染食物鏈，危及人類健康[2]。因此，如何降低重金屬污染對農作物的危害及控制重金屬進入農產品，已成為該研究領域的熱點問題。

水稻(OryzasativaL.)是我國乃至全球最主要的糧食作物，我國的水稻種植面積占我國糧食總面積的28%，其耗水量占全國總用水量的54%左右，占農業總用水量的65%以上[3]。然而我國人均水資源量僅為世界平均水平的1/4，是世界上最缺水的國家之一[4]。傳統的水稻淹灌方式耗水量大、水分利用率低，同時我國水資源分布極不均勻，調蓄能力不強，再加上工業和生活用水量不斷增加，致使不少省份每年都有70萬hm2左右的稻田供水不足。另外，傳統的淹灌方式，易使稻田土壤黏重、水稻根系發育不良、植株生長受到抑制、病蟲害加劇、植株倒伏早衰等，不僅影響水稻高產潛力的發揮，而且嚴重浪費了水資源[5-7]，因此，采用適宜的節水灌溉方式對于保證我國的糧食安全及農業的可持續發展具有重大意義。目前關于灌溉方式對水稻生長和產量影響的研究較多[8-15]，但由于試驗條件、水稻品種、水分控制強度及時期的不同，結果也不盡一致。適當的節水灌溉能促進水稻根系生長，使水稻干物質的積累量增加，而旱種則抑制水稻根系的生長和地上部干物質積累[11-12]。鄒君等研究表明，早稻淹灌的產量最高[13]。而聶曉等則認為濕潤-間歇灌溉產量相比淹水灌溉增加了11.9%[14]。徐芬芬等研究表明，間歇灌溉無論是產量還是干物質積累量都高于淹水灌溉[15]。汪妮娜等研究表明，孕穗灌漿等關鍵生育期受旱會直接導致穎花退化，穗粒數、千粒質量和產量降低[16]。

土壤中重金屬Cd對植株的影響與土壤環境條件密切相關。目前通過調節土壤pH值、有機肥施用及合理施用化肥來降低土壤重金屬危害的報道較多[17-18]，而關于不同灌溉方式對土壤中Cd毒害的研究較少。因此，本研究探討不同灌溉方式對鎘污染下水稻生長狀況(水稻株高、莖蘗生長動態、干物質積累)、根系活力、產量及其構成因子的影響，以期為重金屬污染稻田水稻栽培中合理的水分管理提供一定的理論基礎和實踐依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試驗地概況

試驗于2015年在貴州大學農學院盆栽試驗場進行。供試水稻品種為中優169，供試土壤取自貴州省貴陽市花溪區水稻土耕層土壤，肥力中上等，質地為黃壤，其基本理化性質：pH值7.12，堿解氮含量136.41 mg/kg，速效鉀含量 213.57 mg/kg，速效磷含量57.13 mg/kg，有機質含量 21.51 g/kg，全鎘含量0.324 mg/kg，有效鎘含量0.116 mg/kg。

1.2 試驗設計

試驗設鎘濃度和灌溉方式2個因子，其中鎘濃度包括低鎘(Cd1，1 mg/kg)和高鎘(Cd5，5 mg/kg)2個水平；灌溉方式包括淹水灌溉(FI)、濕潤灌溉(WI)和干濕交替灌溉(AI)3個水平，以未添加鎘和常規淹水灌溉處理作對照(CK)，共計7個處理(Cd1FI、Cd1AI、Cd1WI、Cd5FI、Cd5AI、Cd5WI和CK)。

將田間采來的土壤經風干后過5 mm篩，混勻，裝入 28 cm×35 cm的塑料桶中，每桶裝土15 kg，通過添加 CdCl2·2.5H2O 模擬污染土壤，使土壤鎘濃度為1、5 mg/kg，分別記為Cd1(低鎘污染)、Cd5(高鎘污染)。施入 CdCl2·2.5H2O 后與桶中土攪拌均勻，加入去離子水完全淹水平衡1個月后種植水稻。種植水稻之前，每桶土施用復合肥(N ∶P2O5∶K2O質量比15 ∶15 ∶15)30 g，每桶移栽水稻秧苗3穴，每穴2株。每個處理種植36桶。

在水稻返青后進行不同的水分管理：濕潤灌溉，土壤水勢-25 kPa；干濕交替灌溉，自淺水層自然落干至土壤水勢 -15 kPa，然后灌水1～2 cm，再落干，如此循環[9]；常規淹水灌溉(土表長期保持1～3 cm水層，收獲前1周斷水)。用真空表式土壤負壓計監測土壤水分，埋設深度為陶土頭中心離土表10 cm，每天07：00—8：00、11：00—12：00、16：00—17：00記錄負壓計讀數，當讀數低于設計值時，用噴壺澆去離子水，使土壤水勢維持在試驗設計值范圍內。尿素追肥和病蟲害防治措施同當地水稻高產田。

1.3 測定項目及方法

株高的測定：水稻移栽后定點用卷尺測定株高，抽穗前測定莖基部到所有葉片向上伸展最高點的高度，抽穗后測莖基部至最高穗頂的高度。

分蘗動態的測定：通過定點記錄每穴分蘗數，測定植株的分蘗動態。

地上部生物量的測定：分別于分蘗期、拔節孕穗期、抽穗期、揚花期、乳熟期和成熟期收獲水稻植株，蒸餾水沖洗干凈，分為根系和地上部(莖和葉)、籽粒，105 ℃殺青30 min，70 ℃下烘干至恒質量，測定各部位生物量。

根系活力的測定：采用氯化三苯基四氮唑(TTC)還原法測定根系活力。

產量的測定：成熟期考種，考查每袋有效穗數、穗長、每穗粒數、結實率和千粒質量。每個處理取6桶計產。

1.4 數據處理

所有數據均用SPSS 16.0軟件進行統計分析，用LSD分析不同處理的差異顯著性(α=0.05)。

2 結果與分析

2.1 不同灌溉方式對鎘污染下水稻株高的影響

從圖1可以看出，隨著生育進程推移，株高逐漸增加，各處理均表現為前期株高增長較快，生育中后期增長緩慢，生育后期基本不變。與對照相比，盡管較高濃度鎘污染對水稻株高有一定程度的抑制，在成熟期高鎘污染水稻平均株高較對照降低了 5.54%，但無明顯差異。對于不同灌溉方式而言，在低鎘污染下，干濕交替灌溉處理水稻生長前期株高增加迅速，從抽穗開花期開始變緩，到成熟期干濕交替灌溉相比淹水灌溉株高增加了2.85%，濕潤灌溉相比淹水灌溉降低了 4.53%，但均無顯著差異。高鎘污染下，不同灌溉方式對株高的影響與低鎘基本一致，到成熟期干濕交替灌溉相比淹水灌溉增高了4.39%，而濕潤灌溉相比灌溉處理降低了7.24%，差異明顯。結果表明，干濕交替灌溉增加了水稻的株高，而濕潤灌溉則在一定程度上降低了水稻株高。

2.2 不同灌溉方式對鎘污染下水稻分蘗的影響

分蘗是水稻擴大群體的主要方式，水稻莖蘗動態變化規律是由新生分蘗的產生和無效分蘗的消亡過程共同作用形成的[19]。從圖2可以看出，不同處理下水稻莖蘗數隨生育期的變化趨勢總體相似，呈單峰型曲線。鎘污染下水稻的最大莖蘗數有所降低，42 d時莖蘗數最大，此時高鎘污染(Cd5FI)較對照降低了5.96%。不同灌溉方式對鎘污染下水稻分蘗的影響也不同，在低鎘污染下，干濕交替灌溉相比淹水灌溉在前期分蘗速度較快，分蘗峰值提前7 d左右，但峰值略低，后期莖蘗數降低緩慢，減少了無效分蘗數，分蘗成穗率提高了16.71%；與淹水灌溉相比，濕潤灌溉分蘗速度慢，且分蘗峰值低，最大莖蘗數減少2.67個/穴，但有效成穗率提高了12.49%。在高鎘污染下，干濕交替灌溉、濕潤灌溉最大莖蘗數分別比淹水灌溉低1.66、3.0個/穴，其中濕潤灌溉差異明顯；有效成穗率分別提高了12.44%、7.19%。

2.3 不同灌溉方式對鎘污染下水稻植株生物量的影響

干物質量可反映作物生長發育的好壞。由圖3可以看出，隨著水稻生長發育的推進，根系和地上部生物量逐漸增加。與對照相比，低鎘污染下水稻根系和地上部的生物量未受明顯影響；高鎘污染下水稻各生育期根系、地上部的生物量明顯降低，分別降低了9.20%～16.47%、13.04%～17.22%。不同灌溉方式對鎘污染下水稻根系和地上部生物量的影響不同，低鎘污染下，干濕交替灌溉可提高水稻各生育期的根系、地上部生物量，相比淹水灌溉分別提高了 4.06%～5.77%、6.73%～8.43%，而濕潤灌溉處理相比淹水灌溉分別降低了4.57%～6.73%、6.74%～9.16%。低鎘污染下，干濕交替灌溉和濕潤灌溉除分蘗期外，其他時期水稻根系和地上部生物量與淹水灌溉差異明顯。高鎘污染下，與淹水灌溉相比，干濕交替灌溉水稻各生育期的根系、地上部生物量分別增加了3.88%～6.73%、7.51%～9.32%，而濕潤灌溉分別降低了6.14%～8.35%、6.54%～11.16%。

2.4 不同灌溉方式對鎘污染下水稻根系活力的影響

根系是植物吸收養分的主要器官，其活力的強弱直接影響植株的生長和產量水平。由圖4可以看出，隨著水稻的生長，水稻的根系活力呈現出先增高后降低的趨勢，低濃度鎘污染對水稻根系活力無明顯抑制作用，高鎘污染處理(Cd5FI)水稻根系活力明顯低于對照。在低鎘污染下，干濕交替灌溉、濕潤灌溉水稻根系活力在各生育期均高于淹水灌溉，分別比淹水灌溉提高了19.79%～44.22%、 6.08%～13.20%，其中干濕交替灌溉與淹水灌溉差異明顯。在高鎘污染下，干濕交替灌溉可明顯提高水稻根系活力，濕潤灌溉水稻生育前期的根系活力高于淹水灌溉，而后期根系活力略低于淹水灌溉，其中在抽穗開花期差異明顯。

2.5 不同灌溉方式對鎘污染下水稻產量及其構成因子的影響

產量是評估水稻生長的重要指標。由表1可以看出，高鎘污染處理(Cd5FI)水稻產量顯著低于對照(P<0.05)。不同灌溉方式對同一濃度鎘污染下水稻產量的影響為干濕交替灌溉最高，淹水灌溉次之，濕潤灌溉最低。相較于淹水灌溉，低鎘、高鎘污染下干濕交替灌溉的產量分別增加了10.12%、7.49%，差異明顯；濕潤處理相比淹水處理產量分別降低了5.30%、 10.38%。可見，鎘污染及不同灌溉方式對水稻的產量可產生顯著影響。此外，從產量構成方面看，鎘污染和灌溉方式對穗長和千粒質量無明顯影響。低鎘污染時，與淹水灌溉相比，干濕交替灌溉使有效穗數、每穗粒數、結實率顯著提高，分別提高了7.25%、5.52%、7.02%；濕潤灌溉相比淹水灌溉每穗粒數、結實率分別降低了5.01%、3.83%，導致產量下降。高鎘污染時，與淹水灌溉相比，干濕交替灌溉有效穗數、每穗粒數、結實率分別提高了5.35%、3.16%、4.23%；而濕潤灌溉的每穗粒數、結實率相比淹水灌溉分別降低了5.80%、6.75%。可見，不同灌溉方式對鎘污染下水稻有效穗數、每穗粒數和結實率有不同的影響。

表1 不同灌溉方式對鎘污染下水稻產量及其構成因子的影響

注：同列數據后不同小寫字母表示各處理存在顯著差異(P<0.05)。

3 討論

近年來，由于城市化和工業化的發展，工業“三廢”(廢水、廢氣、固體廢棄物)的不合理排放、固體廢棄物處理不當以及化肥用量的不斷增加，導致土壤中Cd含量急劇增加。低濃度Cd能促進植物的生長發育，使其生物量顯著增加[2，20]，但當Cd達到一定濃度時會降低植物的光合生產力，使植物生物量減少[21]。水稻作為我國重要的農作物，在整個國民經濟發展和社會安定中起著重要作用。稻田重金屬污染導致水稻生長發育受阻，造成產量下降。本試驗表明，與對照相比，淹水環境下，在1 mg/kg Cd污染下，水稻的分蘗、生物量、根系活力和產量均未受到明顯的影響；但在5 mg/kg Cd污染下，水稻的生長(分蘗、生物量和根系活力)和產量受到明顯的抑制，呈現出較為明顯的Cd毒害特征，這與劉春梅等的研究結果相一致[22]。

土壤水分狀況不僅影響水稻的生長發育和產量的形成，而且影響鎘的毒性。近年來關于節水灌溉、旱作及土壤水分脅迫對水稻的生長發育和產量影響的研究較多[8-14]，但有關鎘污染下節水灌溉對水稻生長發育影響的研究很少。研究表明，長期淹水導致氧化還原電位(Eh)降低，酸性土壤pH值升高，土壤對鎘的吸附量減少[23]，降低鎘的生物有效性和毒性。此外，適宜的水分狀況有利于鎘在土壤中的移動。對鎘污染土壤進行節水灌溉，通過改善土壤中的通氣狀況，使土壤處于好氣狀態，減輕了還原物質的毒害效應，同時有利于有機物質的礦化，從而增強根系活力，延緩衰老。因此，不同灌溉方式對稻田中鎘毒性的影響較復雜。本研究表明，在鎘污染下，與淹水灌溉相比，干濕交替灌溉加快分蘗進程、提高有效分蘗數，還可提高水稻生物量和產量，這是由于干濕交替灌溉使稻田土壤通氣條件改善，為根系生長發育提供了有利的環境條件，根系活力增強，尤其在生長后期仍能維持較高的根系活力，根系吸收功能較強，并通過根系的生長促進了地上部的生長，較好地協調了產量形成與根系衰老之間的矛盾，這與徐芬芬等的研究結果[15]相一致。前人研究表明，水稻產量差異主要來自穗粒數和有效穗數[8]。本研究表明，在鎘污染下，干濕交替灌溉提高了有效穗數、每穗粒數和結實率；濕潤灌溉使分蘗進程延長，提高有效成穗率，但產量明顯低于淹水灌溉，這可能是因為濕潤灌溉雖然通過增加土壤空氣含量使水稻根系保持活力，但是在一定程度上影響了植株體內的生理過程(如蒸騰作用)，抑制了水稻生長和地上部干物質積累[8，11，24]，導致每穗粒數、結實率相對較低，最終影響了水稻產量，這與徐國偉等的研究結果[10，16，24]一致。此外，在濕潤條件下，可能一方面促進了水稻體內鎘的積累[25]，加重了其毒性，另一方面減少了溶于土壤水溶液的各種營養物質含量，在一定程度上妨礙了植株的吸收[26]。

4 結論

本研究表明，5 mg/kg鎘處理嚴重抑制水稻的生長和產量形成。在鎘污染土壤上，不同灌溉方式不但影響水稻生長，而且影響產量；干濕交替灌溉提高了分蘗成穗率，可保持較高的根系活力，提高生物量和產量；濕潤灌溉加重了高鎘污染的危害，使水稻生長不良，產量降低。

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10.15889/j.issn.1002-1302.2017.02.013

2016-07-20

國家自然科學基金(編號：31460100、41261095)；貴州大學研究生創新基金(編號：研農2015039)；貴州省科學技術基金(編號：黔科合J字[2012]2144號)。

張艷超(1987—)，男，河南周口人，碩士研究生，主要從事水分管理與植物營養方面的研究。E-mail：371245510@qq.com。

何俊瑜，博士，教授，主要從事環境生理生態方面的研究。E-mail：junyuhe0303@sina.com。

S274.1；S511.07

A

1002-1302(2017)02-0051-04

張艷超，任艷芳，林 肖，等. 不同灌溉方式對鎘污染下水稻生長和產量的影響[J]. 江蘇農業科學，2017，45(2)：51-54.