水分管理對水稻鎘吸收的影響

楊小粉 吳勇俊 張玉盛 汪澤錢 敖和軍

（湖南農業大學農學院/南方糧油協同創新中心，長沙 410128；第一作者：2285316669@qq.com；*通訊作者：aohejun@126.com）

鎘（Cadmium，Cd）是一種危害性極強，極易被人體吸收的有毒重金屬元素[1]。根據2014年環保部與國土資源部發布的《全國土壤污染狀況調查公報》顯示，我國土壤重金屬超標率為16.1%，其中Cd的點位超標率為7.0%，位居無機污染物之首[2]。Cd能夠通過“土壤—水稻”食物鏈系統進入人體，長期大量攝入Cd會影響人體對Ca和P的代謝，引起腎、肝以及骨的病理變化,誘發腎結石、骨質疏松和骨軟化等疾病[3-4]。而水稻是一種Cd積累能力較強的農作物。

近年，針對稻米Cd污染治理，國內外學者已做過大量研究，主要通過品種篩選[5-6]、Cd鈍化[7]、營養調控[8-9]、生物修復[10]等措施來降低稻米對Cd的吸收與積累。化學措施雖然見效快，但其修復效果持久性有待考察，而且也存在二次污染的風險；植物修復耗時長、修復效率低。與其他措施相比，農藝調控因簡單易行而較為切合實際，其中水分調控是最有效的方法之一，無二次污染、可操作性強、無附加經濟投入、有效性高且不影響水稻正常收獲而備受關注，該措施已經得到諸多學者的證實和認同。本試驗在前人研究的基礎上，分析了不同水分管理模式下水稻不同部位在不同時期對鎘的吸收積累情況，以期為控制稻田鎘污染提供行之有效的方法。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2017年7月至11月在湖南農業大學水稻研究所大棚內進行。供試材料為晚稻品種玉針香（V1）和湘晚秈12號（V2），供試土壤從湖南省湘陰縣農科所的試驗田采集。

1.2 試驗設計

試驗采用盆栽，試驗用盆為60 cm×40 cm×25 cm的藍色塑料盆，每盆裝土15 kg。盆栽試驗前土壤淹水處理10 d，使土壤相對含水量達100%。移栽前施用基肥，按施氮量12 kg/667 m2的標準施用復合肥。每盆移栽6叢，每叢1株。返青后開始進行不同水分處理。每個品種設3個處理：W1，長期淹水灌溉，在水稻生長期間田面始終保持2～3 cm深的水層，呈淹水狀態；W2，濕潤灌溉，在水稻生長期間田面始終保持濕潤狀態，即土表無明水，土壤含水量達100%；W3，階段性濕潤灌溉，移栽時先灌2～3 cm水層，待其消耗至無明水，土壤剛出現開裂再灌下一次水，如此循環。每個處理4次重復。除水分管理措施不同外，各處理的病蟲害防治以及其它栽培管理措施一致。

1.3 測定指標及方法

移栽前2個品種各取100株秧苗進行秧苗素質考察。在分蘗期、灌漿期、成熟期取植株樣，洗凈后將其分為根、莖、葉、穗（糙米）四部分，烘干稱重，稱取0.25 g樣品放入錐形瓶中按4∶1的比例加入H2NO3-HCLO4混合酸，放置過夜待第2天進行消化，消化后定容，然后用ICP-MS檢測Cd含量。

1.4 數據處理

采用Excel 2016和SAS 9.3統計分析軟件進行數據處理及分析。

2 結果與分析

2.1 對水稻產量與產量構成的影響

由表1可知，2個品種產量由大到小均表現為W1＞W2＞W3，玉針香 W1處理產量分別比 W2、W3處理提高了3.64%和10.91%；湘晚秈12號W1處理產量分別比W2、W3處理提高了12.15%和14.92%；2個品種3種水分處理間的穗數、每穗粒數、結實率、千粒重及產量有一定差異，但差異均不顯著。

表1 不同處理產量及產量構成因子表現

2.2 對水稻生長不同時期鎘含量的影響

由表2可見，分蘗期，水稻不同部位Cd含量總體以W3處理最高，W1處理最低，但不同處理間差異不顯著。灌漿期，2個品種根、莖、葉和穗Cd含量均隨著灌水量的減少而增加，即W1處理最低，W3處理最高；對于玉針香，根部Cd含量W1、W2處理顯著低于W3處理，莖、葉、穗中Cd含量W1處理顯著低于W2和W3處理；而湘晚秈12號根、莖、葉中Cd含量不同水分處理間差異不顯著。成熟期，2個品種不同部位Cd含量同樣是隨著灌水量的減少而呈現上升趨勢，根部W1處理與W2、W3處理差異顯著，莖部W1處理與W3處理存在顯著差異，葉部各處理間差異不顯著。糙米Cd含量，2個品種均以W1處理最低，并達到國家食品安全標準；玉針香糙米Cd含量W1處理分別比W2、W3處理低56.52%和66.67%，且W1處理與W3處理存在顯著差異。湘晚秈12號糙米Cd含量W1處理分別比W2、W3處理低65.22%和52.94%，但各處理間差異不顯著。

表2 在不同時期不同部位的鎘含量 （mg/kg）

表3 鎘在不同部位的積累量（mg/kg）

2.3 對鎘在水稻植株中積累量的影響

由表3可知，在分蘗期，同一處理不同器官間Cd的積累量依次為根＞莖＞葉，對于莖部和葉部，Cd積累量總體表現為W3＞W2＞W1，并且玉針香W2處理葉中Cd含量與W3處理存在顯著差異；灌漿期，根、莖、葉均在W1處理下Cd的積累量最低，W3處理最高，各處理間存在一定的差異，W1處理穗中Cd積累量最低，與W3處理存在顯著差異；成熟期，同一處理不同器官Cd積累量表現為莖＞根＞葉，莖部Cd積累量表現為W3＞W2＞W1，并且W1處理顯著低于W3處理。可見，灌漿、成熟期2個品種各器官Cd的積累量總體上表現為W3＞W2＞W1，從分蘗期到成熟期同一器官Cd的積累量逐步增加。

2.4 對鎘在水稻不同部位間分配比例的影響

由表4可知，分蘗期，Cd在水稻植株不同器官中的分配比例表現為根＞莖＞葉，不同水分處理間差異不顯著。灌漿期，Cd在不同器官中的分配比例主要表現為莖＞根＞葉，W2處理降低了Cd在根系中的分配，并且與W1處理存在顯著差異；W1處理對莖部Cd的分配影響較大，與W2處理存在顯著差異。成熟期，湘晚秈12號根和莖部Cd分配比例處理間差異顯著，葉和糙米中Cd的分配比例處理間無顯著差異；玉針香不同部位不同處理間Cd的分配比例均無顯著差異。在這3個時期，莖部Cd的分配比例總體表現為W3＞W2＞W1，即隨著灌水量的減少，莖部Cd的分配比例增加；而葉中Cd的分配比例總體表現為W1＞W2＞W3，隨著灌水量的減少，葉中Cd的分配比例減小，并且隨著生育進程的推進，葉中Cd的分配比例在減小。

表4 鎘在不同部位間的分配比例（%）

表5 鎘在不同部位的富集系數

2.5 對鎘在水稻不同部位富集系數的影響

由表5可知，在分蘗期，2個水稻品種根、莖、葉各部位Cd的富集系數總體表現為W1處理最低，W3處理最高。灌漿期，根、莖、葉和穗各部位Cd的富集系數與分蘗期呈現相同的規律，對于玉針香，W1處理根、莖部Cd的富集系數與W3處理差異顯著；2個品種穗部Cd富集系數W1與W3處理存在顯著差異。成熟期，莖部和糙米中Cd富集系數總體以W1處理最小，W3處理最大，2個處理間存在顯著差異。

3 討論

水分作為水稻生產過程中投入量最大的因子，它在土壤中的含量不僅調控著水稻的營養吸收、生理代謝，而且對水稻的抗逆性也起著關鍵作用[11-12]。陳江民等[13]的研究結果顯示，持續淹水顯著降低水稻的結實率和產量；傅志強等[14]的試驗結果表明，常規灌溉的水稻產量高，全生育期濕潤灌溉的水稻產量低。本試驗結果表明，不同水分處理對水稻產量及產量性狀有一定影響，但差異不顯著，這與前人的一些研究結果不一致。

本試驗結果顯示，在分蘗期、灌漿期和成熟期，水稻各部位Cd含量、富集系數均以階段性濕潤灌溉處理最高，持續淹水處理最低。這與劉昭兵等[15-16]的研究結果一致。持續淹水使得土壤的有效性Cd含量降低，從而降低了水稻對Cd的吸收。也有研究表明，水稻根表鐵膜對介質中Cd的吸收及其在水稻體內的富集起重要作用[17-20]，而干濕交替能促進一定量的根表鐵膜的形成[21]。陳江民等[13]的研究結果表明，持續淹水通過下調水稻根系OsLCD和OsNramp1基因的相對表達量，降低了水稻對Cd的吸收。前人研究認為，淹水處理降低水稻Cd積累主要是通過硫酸鹽轉化為硫化物，形成難溶性 CdS，從而降低土壤中有效性 Cd[21-22]，進而使得淹水處理下Cd在水稻不同器官的富集系數減小。

4 結論

長期淹水灌溉能夠有效降低水稻糙米Cd含量，與濕潤灌溉、階段性濕潤灌溉處理相比，玉針香分別降低56.52%和66.67%，湘晚秈12號分別降低65.22%和52.94%，并且使糙米中Cd含量達到國家安全標準。同時，在長期淹水灌溉下水稻根、莖和葉各器官Cd含量、積累量以及富集系數均最低。可見，長期淹水灌溉是一項能夠安全有效降低糙米Cd含量的農藝措施，結合合理施肥、輪作、生物修復等綜合調控，能確保水稻安全生產。