土壤pH值與鎘含量對水稻產量和不同器官鎘累積的影響

易鎮邪 袁珍貴 陳平平 郭莉莉 屠乃美

(湖南農業大學農學院/南方糧油作物協同創新中心，湖南 長沙 410128)

水稻(OryzasativaL.)是我國重要的糧食作物之一。土壤鎘(Cd)污染是近年來備受關注的焦點問題之一。湖南省作為有色金屬之鄉，其土壤重金屬污染。目前，土壤Cd污染對水稻影響的研究已有大量報道，主要集中在水稻種子萌發[1]、根系特性[2]、光合特性[3]、葉片保護酶活性[4]等方面。前人研究水稻的Cd積累與分配特性，認為水稻根系Cd含量最高，其次是莖稈，葉片和籽粒Cd含量遠低于根系[5-7]。還有研究者比較不同水稻品種(親本)的Cd積累分配特性，發現水稻Cd吸收總量與分配特性存在品種間差異[8-12]。同時，也有研究者探討了水稻Cd低積累的生理生化機制[13-15]。

研究表明，pH值的改變能打破土壤中原有Cd存在形態的平衡，當pH值<6.5時，土壤中有效態Cd比例隨著pH值的降低而相對增加，提高了土壤Cd的有效性[16-21]。水稻土壤Cd污染程度不一，勢必影響水稻的Cd積累與分配。目前，土壤Cd含量對水稻Cd累積分配影響的研究較多，但關于品種間Cd積累分配差異尚缺乏較為深入的研究。同時，在大田條件下開展不同土壤pH值背景下土壤Cd含量對不同水稻品種Cd累積分配規律的研究尚鮮見報道。因此，本研究在湖南長沙地區兩塊土壤pH值差異明顯的稻田上，同時開展不同晚稻品種Cd累積分配規律對土壤Cd含量的響應研究，旨在探明水稻產量與器官間Cd累積分配對土壤pH值與Cd含量的響應，為不同水稻品種在不同pH值、不同Cd含量稻田上的應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試品種為前期品種篩選試驗獲得的3個籽粒Cd含量差異明顯的晚稻品種，即天優華占(高Cd積累型品種)、星2號(中Cd積累型品種)和湘晚秈13號(低Cd積累型品種)，3個品種均于2014年6月22號播種，天優華占成熟期為10月22日，后兩者成熟期均為10月29日，3個品種全生育期分別為122、129和129 d。

1.2 試驗地點

在長沙縣稻田土壤酸化監測區兩塊土壤pH值差異明顯的稻田(pH值6.75和4.86)上開展大田試驗。pH值6.75的稻田土壤總Cd和有效Cd含量分別為0.38和0.13 mg·kg-1；pH值4.86的稻田土壤總Cd和有效Cd含量分別為0.39和0.17 mg·kg-1。相關指標的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。在各小區中用直徑40 cm、高35 cm的PVC管設置9個微區(每個Cd水平處理安排3個微區)，PVC管深度至犁底層(泥面以上露出約15 cm)。通過添加超純3CdSO4·8H2O設3個Cd含量水平：Cd1(土壤本底Cd含量)、Cd2(土壤本底Cd含量+0.5 mg·kg-1Cd)、Cd3(土壤本底Cd含量+1.0 mg·kg-1Cd)。具體操作步驟如下：首先采用環刀分別取兩田塊耕作層土壤，帶回室內烘干至恒重，稱重并計算土壤容重；然后測量兩塊田的耕層土壤深度，根據土壤容重、耕層土壤深度及PVC管內徑橫截面積計算微區中土壤重量，計算達到預設Cd水平所需要添加的3CdSO4·8H2O的量，逐一添加并攪拌均勻，2 d后人工插植水稻，每個微區內種植4穴水稻。各品種均于7月23號移栽，株行距16.7 cm × 20 cm，每穴基本苗3株。兩塊大田及微區施肥、灌水與其他管理措施均一致。大田施肥方法：整地前施用15-15-15三元復合肥600 kg·hm-2作基肥，拔節初期施用尿素(含N 46.4%)150 kg·hm-2作穗肥。大田灌水方法：水稻返青后采用干濕交替灌溉方式，即每次灌水5～6 cm，自然落干后再次灌水，如此反復，齊穗20 d后不再灌水。微區內肥料施用時期與大田一致，施肥量根據水稻穴數進行折算后單獨施入；灌水時期和深度與大田一致。試驗區病蟲害防治等其他管理按照常規方法進行。

1.4 測定項目與方法

水稻各器官干物重：分別于水稻孕穗期(劍葉全展)、灌漿中期和成熟期取樣，每個小區內每個處理取1個微區(3次取樣后樣品全部取完)，帶土取出植株，將泥巴沖洗干凈后，將水稻植株分為根、葉、莖、穗等部位，分別裝袋后于105℃殺青30 min，然后于80℃烘至恒重，稱重后粉碎過篩，備用。

水稻產量及其構成因素：水稻成熟后，將微區內水稻收獲后帶回室內，按照常規方法考察有效穗數、穗粒數、結實率、千粒重等產量構成因素，按照公式計算經濟系數：

經濟系數=經濟產量/生物產量

(1)。

水稻各器官Cd含量：用HNO3-HClO4消解水稻根、葉、莖、穗等器官粉碎樣品，采用原子吸收光譜法(石墨爐法)[22]測定Cd含量，同時添加消解空白和標準樣品處理進行質量控制，按照公式計算水稻各器官Cd積累量(μg·穴-1)。

水稻各器官Cd積累量=Cd含量×各器官干物重

(2)。

1.5 數據處理

采用Microsoft Excel 2003整理數據；SPSS軟件進行顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同pH值條件下土壤Cd含量對3個品種產量及其構成的影響

由表1可知，土壤pH值6.75條件下，天優華占的Cd1與Cd2處理間產量無顯著差異，但Cd3處理顯著下降，每穗實粒數隨著Cd濃度的增加而降低，Cd2和Cd3處理的結實率和經濟系數較Cd處理顯著下降，而千粒重則隨著Cd濃度的增加而增加，各處理間有效穗數差異與產量表現一致。土壤pH值4.86條件下，天優華占產量以Cd2處理最高，Cd3處理最低；各處理間每穗實粒數差異與產量表現一致，有效穗數表現為Cd2、Cd3處理顯著低于Cd1，處理間千粒重、結實率均無顯著差異，經濟系數以Cd3處理最高，Cd1與Cd2處理間差異不顯著。比較天優華占在兩塊不同pH值稻田的表現，發現其在酸化稻田上產量明顯下降，降幅達17.52%～22.40%，這主要由有效穗數和經濟系數下降所致。

土壤pH值6.75條件下，星2號產量隨著Cd濃度增加而下降，其中Cd3處理下降顯著，各處理間千粒重、經濟系數均無顯著差異，有效穗數、結實率均隨著Cd濃度增加而下降，而每穗實粒數整體呈增大趨勢。土壤pH值4.86條件下，星2號產量隨著Cd濃度增加而顯著下降，每穗實粒數和結實率變化趨勢與產量變化一致，Cd3處理千粒重顯著高于Cd1和Cd2處理；Cd2和Cd3處理經濟系數較Cd1處理顯著下降，而有效穗數則顯著增加。比較星2號在兩塊不同pH值稻田的表現，發現其在酸化稻田上產量明顯下降，降幅達21.72%～33.81%，且主要由每穗實粒數、結實率和經濟系數下降所致。

土壤pH值6.75條件下，湘晚秈13號產量隨著Cd濃度的增加而下降，其中Cd3處理下降顯著，各處理間結實率幾乎無變化，有效穗數、每穗實粒數、經濟系數均以Cd1處理最高，千粒重以Cd2處理最高。土壤pH值4.86條件下，產量以Cd2處理最高，Cd3處理最低，每穗實粒數以Cd2處理最高，有效穗數、千粒重、結實率、經濟系數均隨著土壤Cd濃度增加而降低。比較湘晚秈13號在兩塊不同pH值稻田的表現，發現其在酸化稻田上產量明顯下降，降幅達3.05%～17.71%，且主要由有效穗數下降所致。

注：同品種、同地點、同列不同小寫字母表示相同地點的同一品種的不同處理間差異顯著。下同。

Note: Different lowercase letters indicate significant difference at 0.05 level in the same column for the same variety and site. The same as following.

綜上所述，3個品種均因土壤pH值下降而減產，但降幅存在明顯的品種間差異，其中星2號降幅最大，天優華占其次，湘晚秈13號降幅最小；3個品種產量在不同Cd濃度下的變化與Cd處理濃度有關，其中Cd2處理下降幅不顯著，而Cd3處理下均顯著下降，且其降幅與品種和土壤pH值有關，星2號和湘晚秈13號在酸化條件下降幅較大，而天優華占在正常pH值條件下降幅較大。

2.2 不同pH值條件下土壤Cd含量對水稻植株Cd含量的影響

2.2.1 水稻植株Cd含量 由表2可知，3個品種3個時期植株Cd含量均隨著土壤Cd濃度的增加而顯著提高，且兩塊稻田上表現趨勢一致。比較同一品種在兩塊大田上的表現，發現在土壤pH值4.86條件下植株Cd含量明顯較高，3個品種在不同Cd處理下，其孕穗期、灌漿中期和成熟期的植株Cd含量變化趨勢一致。不同生育時期間比較發現，pH值6.75條件下，以成熟期植株Cd含量最高，而pH值4.86條件下多以灌漿中期或孕穗期最高。品種間比較發現，植株Cd含量一般以星2號最高，天優華占次之，湘晚秈13號最低。結果表明，晚稻植株Cd含量存在品種間差異，但各品種植株Cd含量均隨著土壤Cd濃度增加而顯著提高，且均因土壤酸化而進一步提高，同時各品種植株Cd含量峰值因土壤酸化而提前。

2.2.2 水稻植株各器官Cd含量 由表3可知，天優華占在孕穗期，pH值6.75條件下，葉、莖、根等器官Cd含量均隨著土壤Cd濃度增加而顯著增大，葉、莖、根Cd含量分別增大1.0～1.8倍、6.4～12.9倍、4.4～11.1倍；pH值4.86條件下，葉、莖、根等器官Cd含量也均隨著土壤Cd濃度增加呈顯著增大的趨勢，葉、莖、根Cd含量分別增大9.7～17.8倍、4.7～6.5倍、5.6～7.7倍。各器官間Cd含量存在較大差異，以根最高，莖次之，葉最低；pH值6.75條件下，Cd1處理下的根Cd含量分別是葉、莖Cd含量的44.0倍和15.5倍，Cd2處理下的根Cd含量分別是葉、莖Cd含量的118.8倍和11.3倍，Cd3處理下的根Cd含量分別是葉、莖Cd含量的187.7倍和13.5倍；pH值4.86條件下，Cd1處理下的根Cd含量分別是葉、莖Cd含量的91.5倍和6.3倍，Cd2處理根Cd含量分別是葉、莖Cd含量的56.8倍和7.3倍，Cd3處理根Cd含量分別是葉、莖Cd含量的42.2倍和7.3倍。灌漿中期與成熟期，各器官Cd含量隨著土壤Cd濃度增加而增大，與孕穗期基本一致，除天優華占在灌漿中期，pH值4.86條件下外，其器官間Cd含量均表現為根>莖>穗>葉。此外，不同器官在3個時期間的Cd含量存在差異，其中，葉Cd含量自孕穗期后增大；灌漿中期與成熟期基本相當，莖Cd含量自孕穗期后持續增大，穗Cd含量至成熟期達最大；根Cd含量在pH值6.75條件下以灌漿中期最高，pH值4.86條件下以孕穗期最高。

星2號、湘晚秈13號植株各器官Cd含量在器官間、Cd濃度間、土壤pH間、時期間的變化趨勢與天優華占基本一致。結果表明，3個品種間器官Cd含量差異明顯，各時期各條件下變化趨勢基本一致，營養器官(葉、莖、根)Cd含量表現為星2號>天優華占>湘晚秈13號，而穗Cd含量表現為天優華占>星2號>湘晚秈13號。

表3 不同pH值條件下土壤Cd含量對3個品種植株各器官Cd含量的影響

表3(續)

注：“-”表示未檢測到或不存在。下同。

Note: ‘-’ indicates not tested or not existed. The same as following.

綜上所述，水稻葉、莖、根等器官Cd含量差異較大，各器官Cd含量均隨著土壤Cd濃度增加而顯著增大，且受到土壤pH值的影響；水稻植株各器官Cd含量隨著生育進程的推進表現出不同的變化趨勢；品種間Cd含量差異明顯。

2.3 不同pH值條件下土壤Cd含量對水稻植株Cd累積量的影響

由表4可知，天優華占在孕穗期，兩塊不同pH值稻田上，水稻葉、莖、根、全株Cd累積量均隨著土壤Cd濃度增加而顯著增大；pH值6.75條件下器官間Cd累積量均表現為根>莖>葉，而pH值4.86條件下則表現為莖>根>葉；土壤酸化條件下，水稻植株Cd累積量明顯增大，pH值4.86條件下全株Cd累積量較pH值6.75條件下提高2.4～2.6倍。灌漿中期與成熟期，除pH值6.75條件下葉Cd積累量的Cd2處理最大外，各器官及全株Cd積累量均隨著土壤Cd濃度增大而顯著增加；灌漿中期各器官累積量在pH值6.75條件下表現為根>莖>穗>葉，在pH值4.86條件下表現為莖>根>穗>葉，而成熟期除Cd1處理各器官Cd累積量在2種土壤pH條件下均表現為莖>穗>根>葉。

湘晚秈13號植株各器官Cd累積量在器官間、Cd濃度間、土壤pH間、時期間的變化趨勢與天優華占基本一致，而星2號在器官間Cd累積則表現出一定差異，其在各時期、2種土壤pH值條件下均以莖Cd累積量最大，而另外2個品種在孕穗期與灌漿中期pH值6.75條件下以根Cd累積量最大。

3個品種比較發現，營養器官和整株Cd累積量均表現為星2號>湘晚秈13號>天優華占，而穗Cd累積量表現為天優華占>星2號>湘晚秈13號。可見，3個品種的Cd累積特性差異較大，星2號Cd累積總量最大，但穗Cd累積量居中，天優華占Cd累積總量最小，但穗Cd累積量最大，而湘晚秈13號總累積量居中，但穗Cd積累量最小。

綜上，水稻葉、莖、根、全株Cd累積量均隨著土壤Cd濃度增加和土壤pH值降低而顯著增大，孕穗期與灌漿中期器官間累積量差異在不同pH值稻田上與不同品種間表現有差異，而成熟期均表現為莖>穗>根>葉；品種間Cd累積量差異明顯。

表4 不同pH值條件下土壤Cd含量對3個品種植株各器官Cd累積量的影響

表4(續)

2.4 不同pH值條件下土壤Cd含量對水稻植株Cd分配的影響

由表5可知，天優華占在pH值6.75條件下，Cd1處理的穗、莖Cd累積量占總量比例相當，其次是根，葉最低；隨著土壤Cd濃度的增大，穗、葉Cd累積比例均有所降低，而根呈先下降后上升的趨勢，莖呈上升趨勢；pH值4.86條件下，Cd1處理下的莖Cd累積量占總量比例為64.08%，穗為24.46%，葉、根Cd所占比例分別為6.60%和4.86%；隨著土壤Cd濃度的增大，莖、葉Cd比例均呈先下降后上升的趨勢，穗、根Cd比例則呈先上升后下降的趨勢。星2號在pH值6.75條件下，莖Cd累積量占總量比例最高，葉Cd比例最低；隨著土壤Cd濃度的增大，穗Cd比例略有增加，但變化不明顯，葉、根Cd比例均有所降低，而莖Cd比例明顯增大；pH值4.86條件下，器官間Cd所占比例表現為莖>穗>根>葉。湘晚秈13號在pH值6.75條件下，器官間Cd所占比例均表現為莖>根>穗>葉；pH值4.86條件下，除Cd1處理外，各器官間Cd所占比例表現為莖>穗>根>葉，其中莖Cd比例高達70%以上，不同Cd濃度處理間差異不大。

品種間Cd分配比例存在一定差異，天優華占與星2號一般表現為莖>穗>根>葉，而湘晚秈13號在不同pH值稻田上存在差異，pH值6.75條件下表現為莖>根>穗>葉，而pH值4.86條件下(除Cd1處理外)表現為莖>穗>根>葉。比較各品種穗Cd所占比例發現，天優華占最高(24.46%～41.71%)，且處理間差異較大，其次為星2號(15.75%～21.55%)，湘晚秈13號最低(11.54%～14.14%)，且處理間差異較小。

綜上所述，水稻Cd在不同器官的比例，一般以莖最高，葉最低；土壤酸化條件下，水稻莖、葉Cd所占比例增大，根、穗Cd所占比例降低；品種間Cd分配比例存在一定差異，穗Cd所占比例表現為天優華占>星2號>湘晚秈13號。

3 討論

3.1 水稻植株Cd含量與累積量對土壤pH值與Cd含量的響應

水稻對Cd的吸收運轉受諸多因素影響，包括水稻品種[23-24]、土壤理化性質[25]及栽培措施[26]等。本試驗發現，在土壤pH值4.86條件下水稻植株及各器官Cd含量與累積量均顯著高于pH值6.75的大田，說明土壤酸化促進了水稻對Cd的吸收。研究表明，pH值對土壤Cd有效性有較大影響，能打破土壤中原有Cd存在形態的平衡，提高有效態Cd含量[27]。可見，土壤酸化條件下植株Cd含量與累積量增加，應是pH值降低提高了土壤有效態Cd含量，從而促進了植株對Cd的吸收。王美娥等[12]也認為，土壤 Cd 含量與 pH 值是影響稻米對 Cd 吸收的重要因素。這與本研究結果相同。本研究表明，同一pH條件下水稻植株各器官Cd含量與累積量均隨著土壤Cd含量提高而增加，但并未成倍增長，即未呈線性增長趨勢，這種特性可被認為是植物生長在污染環境中的一種環境生理響應。胡寧靜等[28]研究土壤中植物有效態Cd提取方法時也得到類似結果，即青菜對Cd的吸收能力隨著土壤中Cd濃度及植株Cd積累濃度的增加而逐漸減弱。

3.2 水稻植株Cd在器官間的分配特性

研究表明，Cd在水稻植株各器官間的分配不均勻[8-9]，一般以根系Cd含量較高，其次是莖稈，葉片和籽粒Cd含量遠低于根系[5-7]。這與本研究結果一致。本研究也發現水稻各器官間Cd含量表現為根>莖>穗>葉。此外，本研究還分析了水稻各器官Cd累積量的差異，發現孕穗期與灌漿中期器官間Cd累積量差異在不同pH值稻田上與不同品種間存在差異，而成熟期均表現為莖>穗>根>葉。一般認為，水稻秸稈還田是提高土壤有機質含量、培肥土壤的有效措施。而對Cd污染稻田來說，因其莖稈Cd累積量最大，所以從Cd移除的角度考慮，Cd污染稻田中秸稈是否還田尚需商榷。

3.3 不同土壤pH值與Cd含量下水稻產量變化的品種間差異

土壤pH值對植物的生長有較大影響。研究表明，土壤酸化脅迫造成植株株高變矮，產量降低[29]，各時期植株干物質量在酸化條件下顯著降低[30-31]。本研究發現水稻產量因土壤pH值下降而下降，且品種間降幅差異明顯，星2號最大，其次天優華占，湘晚秈13號最小。進一步分析其產量構成因素發現，酸化條件下天優華占產量下降主要與有效穗數和經濟系數的下降有關，湘晚秈13號產量的下降主要由有效穗數減少所致，而引起星2號產量下降的因素在不同土壤Cd含量條件下存在差異，即不添加外源Cd條件下，產量下降主要由有效穗減少所致；添加外源Cd條件下，產量下降主要由每穗實粒數和結實率下降所致。表明不同水稻品種在土壤酸化條件下產量下降的原因存在差異。因此，在酸化稻田的水稻生產中，需針對不同品種來制定減損與穩產栽培措施。

Cd脅迫對水稻生長的影響不盡一致。研究表明，低濃度Cd脅迫對水稻的生長具有促進作用[32]。本試驗中，3個水稻品種產量在添加0.5 mg·kg-1Cd條件下整體均有所下降，但不顯著，但在添加1.0 mg·kg-1Cd條件下均顯著下降，且其降幅與品種和土壤pH值有關。其中星2號和湘晚秈13號以酸化條件下降幅較大，而天優華占在正常pH值條件下降幅較大。可見，不同水稻品種對土壤Cd含量的敏感程度不同，應因地制宜開展研究。

3.4 水稻Cd累積分配的品種間差異

前人研究表明，水稻Cd吸收總量存在品種間差異，且Cd在植株各器官間的分配不均勻[8-9]。因此，在稻田Cd污染防控措施中，選用低Cd積累水稻品種是一項重要措施。本研究選用的試驗材料是前期品種篩選試驗獲得的3個籽粒Cd含量差異明顯的晚稻品種，即高Cd積累型品種天優華占、中Cd積累型品種星2號和低Cd積累型品種湘晚秈13號，表明3個水稻品種的Cd積累能力差異明顯。

本試驗發現天優華占整株Cd累積能力最弱，但其向稻穗分配比例最大，導致其穗Cd含量與累積量最大；星2號整株Cd累積能力最強，但是其分配到稻穗的比例相對較低，因而稻穗Cd含量較天優華占低；湘晚秈13號整株Cd累積能力居中，但是其分配到稻穗的比例最低，因而稻穗Cd含量最低。可見，水稻在Cd積累與分配特性上存在明顯的品種間差異，因此，在考察和評價水稻品種Cd累積能力的同時，還應關注整株及稻穗Cd含量與累積量，為生產上篩選低(穗)鎘積累水稻品種提供科學依據。

4 結論

本研究結果表明，水稻產量與器官間Cd累積分配規律受土壤Cd含量和pH值的影響顯著，同時也存在明顯的品種間差異，該結果為不同酸化程度與鎘污染程度稻田的水稻品種選擇提供了參考依據。同時，在考察和評價水稻品種Cd累積能力時，應關注整株及稻穗Cd含量與累積量。