晚稻產量構成與穗鎘累積分配對土壤pH的響應及其品種間差異

陳平平，袁珍貴，郭莉莉，屠乃美，易鎮邪

（湖南農業大學農學院／南方糧油作物協同創新中心，長沙410128）

土壤酸化和重金屬污染是當前土壤退化的兩個重要方面。近年來，我國南方稻田土壤酸化形勢日益嚴峻，而長江中下游地區表現更甚［1，2］，對水稻安全生產構成威脅。有報道稱湖南省土壤酸化程度居全國首位，全省2／3的耕地發生了不同程度的酸化［3］。土壤重金屬污染是近年來備受關注的一個焦點問題。湖南省是有色金屬之鄉，其土壤重金屬污染較為嚴重，其中鎘污染更是焦點中的焦點。土壤酸化能活化土壤中的重金屬元素，二者的累加會更嚴重地影響作物安全生產。因此，在土壤酸化和重金屬污染的雙重威脅下，如何確保作物的安全生產是當前的研究熱點。

近年來，土壤鎘污染對水稻的影響研究越來越多，但主要集中在水稻種子萌發［4］、根系特性［5］、光合特性［6］、葉片保護酶活性［7］等方面。研究者還針對不同水稻品種的鎘積累與分配特性差異開展了研究［8～12］。大量研究表明，pH的改變能打破土壤中原有Cd存在形態的平衡，當pH＜6.5時，土壤中有效態Cd比例隨pH降低而相對增加，從而提高土壤Cd的有效性［13～18］。可見，土壤酸化與重金屬污染是不可分割的兩個方面，而目前在大田條件下開展的不同土壤pH背景下的土壤鎘含量對不同水稻品種鎘累積分配特性的研究罕見報道。本研究同時在湖南長沙地區兩塊土壤pH差異明顯的稻田上開展大田試驗，通過考察晚稻品種產量構成與稻穗鎘累積分配情況，并比較品種間差異，以期明確水稻產量與稻穗鎘累積分配對土壤pH的響應，為南方地區水稻安全生產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試品種為前期研究篩選出的籽粒Cd積累能力不同的3個晚稻品種，分別為天優華占（高Cd積累型）、星2號（中Cd積累型）和湘晚秈13號（低Cd積累型）。

1.2 試驗地點

在長沙縣農業局“稻田土壤酸化監測區”選擇酸性差異明顯的兩塊田（pH4.86和6.75）分別開展試驗。pH6.75的田塊土壤總Cd和有效態Cd含量分別是 0.3812 mg／kg和 0.1304 mg／kg；pH4.86的田塊土壤總Cd和有效態Cd含量分別是0.3878 mg／kg和0.1730 mg／kg。兩塊田均屬輕度鎘污染稻田，肥力水平相當，均屬于中等肥力水平。室內測定在湖南農業大學作物生理與分子生物學教育部重點實驗室進行。

1.3 試驗設計

每塊大田種植3個品種，采用隨機區組試驗設計，3次重復，小區面積25 m2。該試驗于水稻生產晚季開展，6月22日播種，7月23日移栽，株行距16.7 cm×20 cm，每穴插基本苗3根。施肥及田間管理按當地生產習慣進行，兩塊田農事操作一致，直至水稻成熟收獲。

1.4 測定項目與方法

水稻產量與構成因素：成熟期每小區調查連續60穴水稻的有效穗數，計算平均單穴有效穗數；再根據平均單穴有效穗數，每小區取樣5穴，帶回室內按常規方法考察穗粒數、結實率、千粒重等，并計算理論產量。

水稻Cd含量：分根、葉、莖、穗等部位測定水稻植株Cd含量，用 HNO3—HClO4消解，同時添加消煮空白和標準樣品進行質量控制，原子吸收光譜法測定。

水稻植株Cd積累量（g／穴）＝Cd含量×干物質量。

1.5 數據處理

試驗數據用Microsoft Excel 2003和SPSS進行處理。

2 結果與分析

2.1 土壤pH對水稻產量及其構成的影響

從表1可見，與pH6.75稻田相比，3個品種在pH4.86稻田上產量均顯著下降，但是3個品種的產量下降幅度有差異，天優華占、星2號和湘晚秈13號產量分別下降22.40%、21.72%和11.55%。從產量構成因素來看，3個品種在pH4.86稻田上有效穗數顯著下降；每穗實粒數，天優華占顯著下降，而另兩個品種則顯著提高；千粒重下降，其中星2號和湘晚秈13號顯著下降；3個品種結實率變化不一致，其中天優華占變化不大，星2號顯著下降，而湘晚秈13號顯著提高；收獲指數，天優華占和星2號顯著下降，而湘晚秈13號略有提高。可見，3個品種在酸化稻田上產量均顯著下降，但產量下降的原因有所不同：天優華占產量下降主要由有效穗數、每穗實粒數和收獲指數下降引起，星2號產量下降由有效穗數、千粒重、結實率與收獲指數下降引起，而湘晚秈13號產量下降主要與有效穗數和千粒重顯著下降有關。

表1 不同pH土壤上的水稻產量及其構成Table 1 Effect of soil pH on rice yield and yield com ponents

2.2 土壤pH對稻穗各部分Cd含量的影響

將稻穗分為實粒、空粒和枝梗3個部分，比較了其在兩塊大田上的Cd含量差異。由表2可見，水稻稻穗3個部分Cd含量表現枝梗＞空粒＞實粒的趨勢；3個品種間稻穗各部分Cd含量差異明顯，均呈現天優華占＞星2號＞湘晚秈13號的趨勢。以實粒Cd含量為例，pH6.75條件下天優華占、星2號和湘晚秈13號的含量分別為0.3311、0.2075和0.0983 mg／kg，pH4.86條 件 下 分 別 為 0.5440、0.4425和0.2845 mg／kg。與pH 6.75稻田相比，3個品種在pH4.86稻田上稻穗各部分Cd含量均顯著提高，從提高幅度來看，呈現湘晚秈13號＞星2號＞天優華占的趨勢，且實粒、空粒與枝梗表現趨勢完全一致。可見，3個品種稻穗各部分Cd含量差異明顯，呈現天優華占＞星2號＞湘晚秈13號的趨勢；稻穗各部分Cd含量在酸化稻田上均呈顯著提高趨勢，但提高幅度與其本身Cd含量呈負相關，即本身Cd含量高的提高幅度相對較小。

表2 不同pH土壤上稻穗各部分Cd含量Table 2 Effect of soil pH on Cd content in different parts of panicle

2.3 土壤pH對水稻籽粒各部分Cd含量的影響

將籽粒分為谷殼、糙米和精米3個部分，比較了其在兩塊大田上的Cd含量差異。由表3可見，籽粒3個部分Cd含量一般表現糙米＞精米＞谷殼的趨勢；品種間籽粒各部分Cd含量差異明顯，均呈天優華占＞星2號＞湘晚秈13號趨勢。以糙米Cd含量為例，pH6.75條件下天優華占、星2號和湘晚秈13號的Cd含量分別為0.3342、0.21625和0.1033 mg／kg，而 pH4.86條件下 3個品種分別提高到0.5562、0.4447和 0.2933 mg／kg。與 pH6.75稻田相比，3個品種在pH4.86稻田上籽粒各部分Cd含量均顯著提高，從提高幅度來看，天優華占提高67%左右，星2號提高約106%，而湘晚秈13號提高約184%，且實粒、空粒與枝梗表現趨勢一致。可見，3個品種籽粒各部分Cd含量差異明顯，呈天優華占＞星2號＞湘晚秈13號趨勢，且在酸化稻田上顯著提高，但提高幅度表現湘晚秈13號＞星2號＞天優華占趨勢。

表3 不同pH土壤上水稻籽粒各部分Cd含量Table 3 Effect of soil pH on Cd content in different parts of rice grains

2.4 土壤pH對稻穗各部分Cd積累量的影響

由表4可見，稻穗3個部分Cd累積量均因土壤酸化而顯著提高，提高幅度表現為湘晚秈13號＞星2號＞天優華占；品種間稻穗Cd累積量差異明顯，兩塊大田上均表現天優華占＞星2號＞湘晚秈13號的趨勢。從稻穗3個部分Cd積累量占稻穗Cd積累量的比例來看，稻穗Cd主要累積在實粒當中（約占稻穗Cd總累積量的75%～85%），空粒與枝梗中較少。

表4 不同pH土壤上稻穗各部分Cd積累量與所占比例Table 4 Effect of soil pH on Cd accumulation and its proportion of different parts of panicle

3 小結與討論

土壤酸化是影響作物生產的一個重要逆境因素。本試驗結果表明，3個水稻品種產量在兩個pH條件下差異顯著，表現為正常pH條件下產量較高，酸化條件下產量顯著下降。這與周娟等［19］研究結果相符。進一步從產量構成因素角度分析其產量下降的原因，發現3個品種產量下降的原因有所不同：天優華占產量下降主要由有效穗數、每穗實粒數和收獲指數下降引起，星2號產量下降由有效穗數、千粒重、結實率與收獲指數下降引起，而湘晚秈13號產量下降主要與有效穗數和千粒重顯著下降有關。可見酸化條件下水稻減產的主要原因是有效穗數顯著降低，而其他產量構成因素的變化具有明顯的品種間差異。

土壤鎘污染問題，尤其近年來的南方稻田鎘污染問題，已經引起人們的高度重視。前人就水稻的鎘吸收運轉特性開展了大量研究。關于水稻品種間Cd的吸收運轉差異，研究認為水稻品種間Cd累積總量存在明顯差異［8，9］，且Cd在水稻不同器官間分布不均勻，一般以根系Cd含量較高，其次是莖稈，而葉片和籽粒Cd含量遠低于根系［10～12］。前人也就水稻品種間Cd累積分配差異開展了研究，湖南省農業委員會組織相關研究力量對此開展了多年研究，并從籽粒Cd含量角度將水稻品種劃分為高Cd積累型、中Cd積累型和低Cd積累型等類型。

盡管前人已就水稻鎘累積分配特性進行了一些研究，但是目前有關水稻Cd在稻穗與籽粒不同部分的分配差異研究罕見報道。為此，本研究以高Cd積累型、中Cd積累型和低Cd積累型各1個水稻品種為材料，研究了稻穗與籽粒各部分的鎘含量與累積量差異，發現稻穗3個部分Cd含量一般表現枝梗＞空粒＞實粒的趨勢，籽粒各部分Cd含量表現糙米＞精米＞谷殼的趨勢，3種類型品種表現一致；從稻穗Cd累積量在3個部分的分配來看，稻穗Cd主要累積在實粒當中（約占稻穗Cd總累積量的75%～85%），空粒與枝梗中較少，這主要跟實粒重量占穗總重比例高有關，雖然枝梗和空粒Cd含量高于實粒，但其重量遠輕于實粒重量，因此枝梗和空粒Cd積累量百分比較小。本研究同時發現，品種間稻穗和籽粒各部分Cd含量與累積量差異明顯，表現天優華占＞星2號＞湘晚秈13號。

本研究的重點在于以籽粒Cd積累能力不同的3個晚稻品種（高Cd積累型品種天優華占、中Cd積累型品種星2號和低Cd積累型水稻品種湘晚秈13號）為材料，分別在pH差異明顯（4.86和6.75）但總Cd含量相當（0.3812和0.3878mg／kg）的兩塊稻田上開展大田試驗，研究晚稻稻穗與籽粒鎘累積分配對土壤pH的響應及其品種間差異。本研究結果表明，稻穗和籽粒各部分Cd含量與稻穗各部分Cd累積量在酸化稻田上均顯著提高，但品種間提高幅度差異明顯，表現湘晚秈13號＞星2號＞天優華占趨勢。

綜上所述，不同水稻品種本身對Cd的吸收累積與分配特性差異明顯，且稻穗和籽粒Cd含量與累積量均因土壤酸化而顯著提高，但品種間稻穗和籽粒Cd含量與累積量對土壤酸化的響應具有明顯的差異，因此，通過選擇適宜水稻品種來實現輕度鎘污染稻田的水稻安全生產是可能的。

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