齊穗期施肥對水稻鎘積累的影響

張玉盛 肖歡 敖和軍

（湖南農業(yè)大學農學院/南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，長沙410128；第一作者：877615305＠qq.com；*通訊作者：aohejun＠126.com）

我國土壤污染狀況日益嚴重，據(jù)環(huán)境保護部聯(lián)合國土資源部于2014年4月17日公布的《全國土壤污染狀況調查公報》指出，全國土壤鎘（Cd）污染點位超標率為7.0%，其中輕微、輕度、中度和重度污染分別為5.2%、0.8%、0.5%和0.5%[1]。Cd遷移性強，毒性高，很難被微生物降解，在土壤中滯留時間長。水稻具有富集Cd的習性，吸鎘能力強，土壤中的Cd能被水稻吸收和累積并轉運至籽粒中，最后通過食物鏈的途徑進入人體內危害身體健康[2-3]。探究水稻Cd吸收與積累的機理，切斷Cd的食物鏈途徑是目前研究的熱點。研究發(fā)現(xiàn)，水稻不同生育期對Cd的吸收、轉運和積累的特征不同，不同生育期積累的Cd對籽粒Cd積累的貢獻也不同[4-10]。馮雪敏[11]通過穩(wěn)定性同位素示蹤技術發(fā)現(xiàn)，水稻抽穗前后兩個時期從根部吸收的Cd是籽粒中Cd累積的主要來源，貢獻達65%～75%。葉長城等[4-5]研究發(fā)現(xiàn)，水稻分蘗期、孕穗期、灌漿期和成熟期是水稻籽粒Cd積累的關鍵時期，其中灌漿期對成熟期糙米Cd累積相對貢獻率為18.2%～39.3%。另有研究表明，水稻不同生育期的Cd凈積累量表現(xiàn)為：抽穗至成熟期＞移栽至分蘗期＞分蘗至抽穗期，即后期＞前期＞中期[12]，水稻揚花后積累的Cd對籽粒Cd累積貢獻率約40%[13]。探究水稻生育后期對Cd的吸收、積累和轉運規(guī)律對控制水稻糙米Cd累積具有重要意義。近年來，關于水稻在不同生育期對Cd吸收、轉運和積累的報道不在少數(shù)，但大多集中在不同生育期定量施肥，關于生育后期施肥量對水稻鎘積累的報道較少。本試驗通過大田小區(qū)試驗，在齊穗期施用不同用量的尿素，探究其對水稻成熟后各部位和糙米Cd含量的影響，以為稻米Cd積累機理研究和稻田Cd污染防控技術提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗地點位于湖南省瀏陽市沿溪鎮(zhèn)湖南農業(yè)大學綜合實習基地。供試土壤總鎘含量2.32 mg/kg，有效鎘含量1.913 mg/kg，土壤pH值5.4。

1.2 試驗設計

采用田間小區(qū)隨機區(qū)組排列試驗，設5個處理：CK，全生育期不施氮肥；T1，齊穗期施用尿素77.59 kg/hm2；T2，齊穗期施用尿素 116.39 kg/hm2；T3，齊穗期施用尿素155.18 kg/hm2；T4，齊穗期施用尿素193.75 kg/hm2。此外，所有處理在移栽前1～2 d施用尿素115.18 kg/hm2（除CK外）、過磷酸鈣889 kg/hm2、鉀肥266.7 kg/hm2作基肥；T1～T4處理在移栽后10 d和幼穗分化始期追施蘗肥和穗肥，用量為尿素77.59 kg/hm2。每個處理重復3次，小區(qū)面積45 m2。參試水稻品種為玉針香和湘晚秈12號，于2017年6月26日播種，7月24日移栽，2個品種之間留約50 cm寬的走道。為了避免小區(qū)間互相竄水，小區(qū)田埂采用薄膜覆蓋。根據(jù)田間病蟲害情況來確定是否打藥，全生育期淺水層淹水灌溉，其他栽培管理措施與當?shù)亓晳T保持一致。試驗所用肥料：尿素，含N 46.4%；過磷酸鈣，含P2O512%；氯化鉀，含K2O 60%。

表1不同粒肥用量對水稻產量及其構成的影響

表2不同粒肥用量對水稻成熟期生物量的影響

1.3 樣品采集與測定

水稻成熟后（10月29日）采集植株樣品，分成根系、莖稈和稻谷3部分，人工脫粒，根系和莖稈用自來水仔細沖洗干凈后用純水潤洗，80℃烘干至恒質量后粉碎，過100目篩，備用。谷粒自然曬干后用小型糙米機去殼后粉碎。樣品測定：用1/10000天平準確稱取0.2 g 樣品，用混酸（HNO3∶HClO4=4∶1）濕法消解；消化至消化液約為1 mL左右，冷卻后用2%稀硝酸定容至50 mL，過濾后用ICP-MS測定鎘含量。試驗所用試劑均為優(yōu)級純。

1.4 數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計

運用Excel 2007和SAS 9.4進行數(shù)據(jù)整理和統(tǒng)計分析（LSD法進行多重比較）。

2 結果與分析

2.1 對水稻產量及產量構成的影響

從表1可見，與CK相比，T1、T2、T3和T4處理能夠增加水稻產量。就玉針香而言，T4處理產量最高，為5261.64kg/hm2，比CK增產18.66%，T1、T2和T3處理增產幅度分別為17.34%、7.82%和13.29%。湘晚秈12號產量在4 496.05～6 051.48 kg/hm2之間，從大到小依次為 T4、T3、T2、T1、CK，與 CK 相比施用粒肥的處理增產幅度為27.12%～34.59%。施用粒肥的處理能提高水稻單位面積有效穗數(shù)，且顯著高于CK，但處理間差異不顯著。與CK相比，施用粒肥的處理對玉針香每穗粒數(shù)、結實率和千粒重無顯著影響；湘晚秈12號的單位面積有效穗數(shù)T4處理比CK顯著增加，T2處理的千粒重比CK顯著提高。

2.2 對水稻成熟期生物量的影響

表2可見，從莖稈生物量來看，2個品種施粒肥處理與CK均存在顯著差異。玉針香莖稈生物量在T2處理下最高，為746.32 g/m2；而根系生物量T1、T2和T3處理均高于CK，其中T2處理顯著高于CK。湘晚秈12號莖稈生物量均高于CK，T1、T2和T4處理顯著高于CK；根系生物量施粒肥處理均低于CK，但差異不顯著。

2.3 對水稻成熟期不同部位Cd含量的影響

從表3可見，施粒肥的處理均降低了玉針香根系Cd含量，降幅隨粒肥用量的增加而減小，T1～T4降幅分別為 53.12%、42.17%、38.77%和 5.27%；其中，T1、T2和T3處理與CK差異顯著；莖稈Cd含量T1、T2和T3處理均低于CK，其中T1和T2處理與CK差異顯著。與CK相比，T1和T2處理降低了湘晚秈12號根系和莖稈Cd含量，其中，T1和T2處理下的根系Cd含量和T1處理下的莖稈Cd含量與CK相比差異達顯著水平；而T3和T4處理則提高了湘晚秈12號根系和莖稈Cd含量。

表3不同粒肥用量對水稻成熟期鎘含量的影響（mg/kg）

從表3還可看出，玉針香糙米Cd含量各施粒肥處理在0.36～0.73 mg/kg之間，從大到小依次為T4＞T2＞T3＞T1，T1處理較CK降低了18.18%，但未達到顯著水平，T2和T4處理下糙米Cd含量較CK提高了13.64%和65.91%，但T4處理顯著高于其他處理。湘晚秈12號糙米Cd含量同樣以T1處理最低，較CK降低了67.65%，與其他處理差異顯著；T2、T3、T4處理顯著高于CK和T1處理。由此可見，施用適量的粒肥可以有效地降低水稻根系和莖稈及糙米Cd含量，而過量施用則會提高水稻植株內和糙米Cd含量。

3 討論與結論

水稻生育后期合理施肥可以使灌漿期保持一定的氮素供應，延緩功能葉的衰老，維持生育后期較高的光合速率和蒸騰速率及灌漿速率，有利于光合產物的積累與運輸和庫源關系協(xié)調，使水稻籽粒灌漿充分，從而提高產量[14]。本試驗中，施粒肥處理較CK的增產幅度為7.82%～34.59%，并隨粒肥用量增加呈提高的趨勢，這與成臣等[15]研究結果一致。

水稻灌漿期是籽粒Cd積累的關鍵時期[4]。FUJIMA等[16]研究認為，水稻灌漿期從土壤中吸收的Cd可以被快速的運送到籽粒。KASHIWAGI等[17]則認為，水稻籽粒中的Cd主要來源于水稻抽穗前積累在莖稈和葉片中的Cd，在抽穗后被轉運至籽粒中，抽穗后根系吸收的Cd被轉運至地上部分除糙米外的所有器官中，不影響糙米中Cd的累積。而喻華等[18]認為，在水稻生育后期，籽粒中Cd的來源取決于生長介質中是否存在可利用的Cd，當生長介質不存在可利用Cd時，籽粒中的Cd來源于水稻各器官在前期積累的Cd；當生長介質中存在可利用Cd時，籽粒中的Cd一部分來源于水稻各器官在前期積累的Cd，同時根系吸收土壤中的Cd直接轉運至籽粒中。

本試驗僅對水稻生育后期施用氮肥對水稻鎘積累的影響進行探討，其作用機理仍需進一步深入研究。試驗結果表明，不同粒肥施用量對水稻不同部位Cd含量影響不同，玉針香糙米Cd含量大小依次為T4＞T2＞CK＞T3＞T1，T1、T2和 T3處理根部和莖稈 Cd含量低于CK，其中T1、T2和T3處理的根部Cd含量和T1、T2處理莖稈Cd含量與CK差異顯著。湘晚秈12號糙米Cd含量大小依次為T2=T3＞T4＞CK＞T1，根部和莖稈的Cd含量與玉針香變化規(guī)律基本吻合。可見，與不施肥處理相比，施用適用量粒肥可有效地抑制水稻對Cd的富集，降低水稻不同部位的Cd含量，T1處理下的水稻各部位Cd含量均為最低，T2、T3和T4處理較高，說明施用適量的粒肥可以減少根部和莖葉中積累的Cd向籽粒轉移，而過量的粒肥則起到促進營養(yǎng)器官中積累的Cd向籽粒中轉移。氮肥主要通過間接作用影響土壤Cd的有效性，尿素的加入可顯著提高土壤中水溶性Cd和EDTA提取態(tài)Cd含量，除此外，氮肥的加入還有可能增加土壤中的Ca2+以及土壤中陽離子的交換能力，增強土壤對重金屬離子的吸附能力，降低其移動性等，導致水稻根系對Cd的吸收增加或降低[19]。本試驗中，T1～T4處理下的水稻成熟期根系與莖稈鎘含量隨粒肥用量增加而增加，其可能原因為尿素的增加促進了根系對土壤Cd的吸收。氮肥間接影響水稻Cd積累的另一方式為：影響根系分泌物的組分和總量，根系分泌物中的有機酸影響植物對土壤Cd的吸收。徐國偉等[20]研究發(fā)現(xiàn)，同氮肥條件下，水層灌溉和輕度干濕交替灌溉及同灌溉條件下施用氮肥可增加水稻根系分泌物總量。根系分泌物對土壤中Cd具有雙層作用，當土壤溶液中的根系分泌物濃度較低時，對土壤中的Cd具有活化作用，而當土壤中的根系分泌物濃度較高時，則起到抑制Cd活性和遷移性的作用[21]。張敬鎖等[22]研究發(fā)現(xiàn)，在水稻開花期，向土壤中添加有機酸類物質，會提高土壤中Cd的移動性，但卻可以降低水稻籽粒中Cd含量。本試驗中，施用粒肥可能促進了水稻根系分泌物的釋放，對土壤Cd具有解吸作用，促進了水稻根系對土壤Cd的吸收并向地上部運輸，經(jīng)水稻自身的轉運系統(tǒng)再分配至籽粒中。T1處理下的產量較CK有所提高，且糙米Cd含量最低。綜合來看，在大田生產中施用粒肥77.59kg/hm2對水稻產量和品質安全都有不錯效果。