水分管理對不同季別水稻稻米鎘積累的影響

顏旭，周群豐，廖博通，嚴(yán)天澤，李艷鋒，王凱，楊遠(yuǎn)柱，3*

（1袁隆平農(nóng)業(yè)高科技股份有限公司/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南方水稻品種創(chuàng)制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/抗病蟲水稻育種湖南省工程實(shí)驗(yàn)室，長沙 410127；2華中農(nóng)業(yè)大學(xué)植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，武漢 430070；3湖南亞華種業(yè)科學(xué)研究院，寧鄉(xiāng) 410604；4湖南人文科技學(xué)院農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院，婁底 417099）

鎘為人體非必需元素，過度攝入鎘可導(dǎo)致人發(fā)生鎘中毒［1］。世界衛(wèi)生組織將鎘列為重點(diǎn)關(guān)注的食品污染物；國際癌癥研究機(jī)構(gòu)（IARC）將鎘歸類為人類致癌物，會(huì)對人類健康造成嚴(yán)重的損害；美國毒物和疾病登記署（ATSDR）將鎘列為第7位危害人體健康的物質(zhì)；我國也將鎘列為實(shí)施排放總量控制的重點(diǎn)監(jiān)控指標(biāo)之一。水稻是全球三大糧食作物之一和半數(shù)以上人口的主食，也是強(qiáng)吸收鎘的大宗谷類作物之一［2］。因此，在水稻生產(chǎn)中有效降低稻米的鎘積累量對確保稻米食用安全具有重要意義。

鎘污染稻田中，不同水分管理方式對稻米鎘積累影響顯著，全生育期淹水能顯著降低稻米鎘含量，獲得符合國家安全標(biāo)準(zhǔn)的稻米［3，4］。然而，全生育期淹水管理需水量大，易造成水體面源污染、水稻的抗逆性下降、易發(fā)生病害和倒伏、肥料流失等問題，而且長期淹水在降低稻米鎘含量的同時(shí)會(huì)顯著提高另外一種重金屬元素砷在稻米中的積累［5-7］。在水稻的整個(gè)生育期中，抽穗期對水分敏感程度最高，此時(shí)期的水分管理對稻米鎘含量影響顯著［8］。而不同的水稻品種，對水分管理的響應(yīng)不一。因此，水稻生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)品種特性選擇合適的水分管理模式，在降低糙米鎘和砷含量的同時(shí)節(jié)約水資源。前人對稻米鎘積累特性的研究，有的側(cè)重于水分管理方式，如：全生育期淹水［9］、干濕交替［10］、不同生育期淹水［11］等方面，沒有考慮不同品種類型所需淹水方式不同；有的側(cè)重于不同品種類型糙米鎘積累的差異［12］，沒有考慮淹水方式對不同品種類型的影響。

本研究以袁隆平農(nóng)業(yè)高科技股份有限公司主推的代表性早秈、中秈和一季晚秈品種為對象，研究抽穗后不同淹水天數(shù)對稻米鎘含量的影響，旨在明確不同類型水稻品種不同淹水（天數(shù)）管理?xiàng)l件下稻米鎘含量變化規(guī)律，為市場上主推水稻品種的低鎘生產(chǎn)提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

盆栽試驗(yàn)于2018和2019年6—9月在隆平高科關(guān)山育種基地進(jìn)行，所用土壤采集自湖南省長沙市附近的不同鎘污染區(qū)。根據(jù)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB15618-1995）和《耕地土壤重金屬污染評價(jià)技術(shù)研究：以土壤中鉛和鎘污染為例》中的耕地土壤重金屬累積性污染單項(xiàng)污染指數(shù)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)劃分為未污染、輕度污染和中度污染3個(gè)等級（土壤基本情況見表1）。所采集的土壤經(jīng)風(fēng)干后過5 mm篩，混勻，裝入20 cm×26 cm的塑料桶中，每桶裝土10 kg，標(biāo)記污染程度。

表1 試驗(yàn)土壤基本概況Table 1 Basic situation of trail soil

試驗(yàn)所采用的水稻品種包括5個(gè)早秈雜交稻品種（株兩優(yōu)819、株兩優(yōu)211、鈺兩優(yōu)611、鈺兩優(yōu)771和陵兩優(yōu)268）、8個(gè)中秈或一季晚秈雜交稻品種（隆兩優(yōu)華占、晶兩優(yōu)華占、隆兩優(yōu)534、晶兩優(yōu)534、悅兩優(yōu)2646、豐兩優(yōu)4號、隆晶優(yōu)蒂占和振兩優(yōu)3228）。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)置品種、土壤鎘污染程度及水分管理3個(gè)因素。鎘污染土壤包括未污染（Cd1）、輕度污染（Cd2）和中度污染（Cd3）3個(gè)處理；水分管理方式分為抽穗后7 d（A1）、14 d（A2）、21 d（A3）和28 d（A4）開始干水管理和全生育期淹水（A5）管理，淹水深度5 cm。

水分管理具體實(shí)施措施為：在180 cm×103 cm×67 cm的塑料水池側(cè)面底部安裝排水閥，將20 cm×26 cm的塑料盆底部及側(cè)面各鉆4個(gè)排水孔作為栽培桶，將秧苗移栽進(jìn)栽培桶后放入塑料水池中進(jìn)行統(tǒng)一水分管理（圖1）。淹水處理為將塑料水池灌水至剛好淹沒栽培桶，干水處理為將塑料水池排水閥門擰開將水放干。為防止過度干旱，每天17∶00左右將塑料水池灌水浸泡10 min，然后放干。

圖1 水稻栽培桶（左）、套池（中）、栽培效果圖（右）Fig.1 Bucket for rice planting（left），plastic pool（middle），actual effect（right）

每處理3盆作為3個(gè)重復(fù)，每盆3穴，單株插植。每盆一次性施入12 g復(fù)合肥（N、P、K含量均為15%）作基肥。

1.3 取樣與測定方法

待水稻種子90%黃熟后開始收獲，每盆全收并單獨(dú)裝袋。籽粒曬干后碾成糙米。2018年試驗(yàn)樣品依據(jù)GB 5009.15-2014使用原子吸收分光光度計(jì)檢測鎘含量，2019年試驗(yàn)樣品用稻米重金屬檢測儀鋼研納克NK-100FA檢測。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2019及SPSS 18.0軟件進(jìn)行處理及分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤鎘含量、水分管理和品種與稻米鎘含量的相關(guān)性分析

對稻米鎘積累量進(jìn)行聯(lián)合方差分析，結(jié)果表明，稻米鎘含量在不同品種、土壤污染水平、水分管理方式間差異都達(dá)到極顯著水平，其中土壤污染水平與水分管理方式貢獻(xiàn)的稻米鎘積累量總方差變異最大，2018年和2019年分別達(dá)73%和76%（表2）。多因素互作方面，品種與土壤鎘污染水平、土壤鎘污染水平與水分管理的互作對稻米鎘積累量的影響均達(dá)到極顯著水平，但僅貢獻(xiàn)了稻米鎘積累量總方差變異的5%左右。品種與水分管理、品種與土壤鎘污染水平和水分管理的互作對稻米鎘積累量的影響不顯著。

表2 土壤鎘含量、水分管理和品種對稻米鎘含量影響的三因素方差分析Table 2 Variance analysis of three factors of soil cadmium content，water management and rice varieties on cadmium content in Rice

2.2 不同淹水時(shí)間對早稻稻米鎘積累的影響

在2年的未污染土壤中，早稻品種的稻米鎘含量均未超過國家食品安全標(biāo)準(zhǔn)（0.2 mg/kg），表明在未污染土壤中開展早稻生產(chǎn)不存在稻米鎘污染風(fēng)險(xiǎn)，可以根據(jù)品種本身的栽培要點(diǎn)合理進(jìn)行灌溉管理（圖2）。在輕污染土壤試驗(yàn)中，除株兩優(yōu)819外，所有品種在抽穗后7 d進(jìn)行干水管理均存在稻米鎘污染風(fēng)險(xiǎn)；除鈺兩優(yōu)771外，抽穗14 d后開始干水管理，所有品種的稻米鎘含量均未超過0.2 mg/kg；抽穗后21 d開始干水管理，在輕污染土壤中開展早稻生產(chǎn)不存在稻米鎘污染風(fēng)險(xiǎn)。在中污染土壤試驗(yàn)中，2年試驗(yàn)結(jié)果差異較大，但總體上鈺兩優(yōu)771的稻米鎘積累能力較強(qiáng)，在2年試驗(yàn)所有處理中其稻米鎘含量均超標(biāo)或接近超標(biāo)水平，株兩優(yōu)211、鈺兩優(yōu)611和陵兩優(yōu)268與鎘低積累應(yīng)急性品種株兩優(yōu)819具有相似或更低的稻米鎘低積累能力；除鈺兩優(yōu)771外，其他早稻品種在全生育期淹水的情況下其稻米鎘含量均達(dá)到國家食品安全標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 不同淹水時(shí)間處理雜交早稻稻米鎘含量Fig.2 Cadmium content in early-season hybrid rice treated by different flooding time

2.3 不同淹水時(shí)間對一季雜交稻稻米鎘含量的影響

從圖3可見，在未污染土壤中，一季雜交稻稻米鎘含量與早稻結(jié)果一致；在輕污染土壤中，隆兩優(yōu)534、晶兩優(yōu)534、悅兩優(yōu)2646、隆晶優(yōu)蒂占和豐兩優(yōu)4號稻米鎘含量在所有水分管理?xiàng)l件下均未超過國家食品安全標(biāo)準(zhǔn)；在中污染土壤中，在抽穗后28 d開始干水管理，所有品種都不存在稻米鎘污染風(fēng)險(xiǎn)。悅兩優(yōu)2646、隆晶優(yōu)蒂占和豐兩優(yōu)4號在輕污染和中污染土壤中均表現(xiàn)出較低的鎘積累能力，在抽穗7 d后開始干水管理，其稻米鎘含量仍可達(dá)到國家食品安全標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 不同淹水時(shí)間處理一季雜交稻稻米鎘含量Fig.3 Cadmium content in single-season hybrid rice treated by different flooding time

3 討論

研究表明，土壤微環(huán)境條件可通過影響鎘的存在形式而影響水稻對鎘的吸收［13，14］。張麗娜等［9］研究了不同水分管理方式對水稻產(chǎn)量和稻米鎘積累的影響，發(fā)現(xiàn)全生育期淹水處理的水稻糙米鎘含量最低，而旱作栽培處理最高。Arao等［15］研究了不同時(shí)期水分管理對稻米鎘和砷積累的影響，發(fā)現(xiàn)抽穗前后3周長時(shí)間淹水對降低稻米中的鎘含量最有效，全生育期淹水處理的稻米鎘含量最低，而抽穗后淹水3周比抽穗前淹水3周更為有效。張磊等［12］發(fā)現(xiàn)，不同品種類型的糙米鎘含量表現(xiàn)為雜交稻＞超級雜交稻＞常規(guī)稻。陳光輝等［8］發(fā)現(xiàn)，晚稻品種糙米鎘含量比早稻品種低，約為早稻品種的1/2。本研究發(fā)現(xiàn)不論是早稻、中稻還是晚稻，抽穗后隨著淹水天數(shù)的增加糙米鎘含量顯著下降，且都可以通過特定的水分管理方式，在輕度、中度鎘污染稻田上生產(chǎn)出符合國家安全標(biāo)準(zhǔn)的稻米。在無絕對鎘低積累品種的情況下，在稻米鎘污染土壤中開展水稻生產(chǎn)，有必要針對各品種開展最佳水分管理方式研究，進(jìn)而在確保稻米鎘含量符合國家食品安全標(biāo)準(zhǔn)的前提下，兼顧高產(chǎn)和節(jié)約水資源。

4 結(jié)論

本試驗(yàn)分析了不同的淹水時(shí)間對鎘含量不同的土壤中早稻和一季雜交稻稻米鎘含量的影響，結(jié)果顯示，在無污染土壤中種植的水稻糙米鎘含量均符合國家安全標(biāo)準(zhǔn)，可以根據(jù)其高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)栽培措施選擇合適的水分管理方式；在輕污染地區(qū)采取抽穗后淹水21 d的處理方式，生產(chǎn)的水稻均能達(dá)到國家安全標(biāo)準(zhǔn)；在中污染地區(qū)，采取早稻全生育期淹水、中稻以及一季晚稻抽穗后淹水28 d處理，生產(chǎn)的稻米也基本上都能符合國家安全標(biāo)準(zhǔn)；鎘低積累品種在中污染地區(qū)有較好的表現(xiàn)，淹水7 d就能符合安全標(biāo)準(zhǔn)。株兩優(yōu)211、鈺兩優(yōu)611、隆兩優(yōu)534、晶兩優(yōu)534、悅兩優(yōu)2646、隆晶優(yōu)蒂占和豐兩優(yōu)4號等品種稻米鎘積累能力與湖南省應(yīng)急性鎘低積累水稻品種（株兩優(yōu)819和晶兩優(yōu)華占）相當(dāng)或比其更低。研究結(jié)果對試驗(yàn)品種株兩優(yōu)819、株兩優(yōu)211、鈺兩優(yōu)611、鈺兩優(yōu)771、陵兩優(yōu)26、隆兩優(yōu)華占、晶兩優(yōu)華占、隆兩優(yōu)534、晶兩優(yōu)534、悅兩優(yōu)2646、豐兩優(yōu)4號、隆晶優(yōu)蒂占和振兩優(yōu)3228以及其他水稻品種的推廣和低鎘生產(chǎn)具有重要指導(dǎo)意義。