鎘污染稻田玉米對水稻的季節性替代種植可行性研究

王元元 谷子寒 陳平平 易鎮邪

（1湖南農業大學農學院，410128，湖南長沙；2醴陵市農業農村局，412200，湖南醴陵；3衡陽市農業農村局，421000，湖南衡陽）

2013年湖南鎘稻米事件的發生使耕地重金屬污染受到了社會的廣泛關注。重金屬對人類具有潛在危害，它能在生物體內富集，并被轉化為毒性更大的金屬化合物，從而間接地對人類造成更大的危害[1]。耕地的重金屬污染會直接影響農作物的產量和品質，造成重大的經濟損失，且給人類的生命安全造成嚴重威脅[2]。有資料[3]統計，我國每年的糧食產量因重金屬污染減產約1000萬t，被重金屬污染的糧食每年多達1200萬t，合計經濟損失達200億元。

重金屬中鎘的毒性最高，農田鎘污染最普遍。鎘在土壤-植物系統中遷移較活躍，這不僅嚴重影響了作物的產量和品質，還會危害人體健康。土壤鎘修復已成為保證農產品質量安全和持續高效利用資源的一項重要科學任務。培育和種植非食用作物或食用器官累積量低的作物品種，是治理鎘污染土壤最有效的途徑之一，既能逐漸吸收移除土壤鎘，又可以合理地利用土地資源，保障土地的持續產出[4]。前人針對鎘污染稻田改制進行了大量的研究，多數研究[5-9]認為，稻田改制在調節土壤結構、改善土壤肥力狀況、促進作物生長發育、增加作物產量、提高經濟效益方面和降低農田環境污染等方面均有顯著效果[5-9]。考慮到不同地區土壤、氣候與作物品種的差異，此方面研究宜因地制宜開展。

自2014年以來，湖南省在鎘污染稻田的修復與利用上研究力度很大，其中在鎘污染稻田的替代種植上也開展了一些研究，如雙季稻田的棉花[10]、苧麻[11]和桑樹[2]等替代種植研究。然而，作為人口大國，我國將過多稻田水稻替代為非糧作物并非明智之舉。湖南省作為我國第一水稻大省，不能盲目地將鎘污染稻田全部替代種植非糧作物。因此，在鎘污染稻田上開展糧食作物替代種植研究，如以玉米和高粱等旱糧作物替代水稻，以達到既不影響糧食生產、又能降低農產品鎘含量的目的，才是最理想的結果。在此指導思想下，本研究于2015-2016年在湖南湘潭縣鎘污染雙季稻區開展了玉米對水稻的季節性替代種植大田試驗，從種植季節、產量、經濟效益和農產品鎘含量等方面探討玉米對水稻實行季節性替代種植的可行性，為鎘污染雙季稻區糧食作物替代種植提供理論與技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地點與材料

小區試驗于2015-2016年在湖南省湘潭縣易俗河鎮進行，生理及化學指標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。參試早稻品種為陵兩優211，晚稻品種為威優46，玉米品種為湘農玉14號。

1.2 試驗設計

設置3個種植模式，分別為雙季稻（RR）、春玉米-晚稻（MR）與早稻-秋玉米（RM）模式。采用大區試驗，每小區面積120m2，各區設獨立進水口和排水口，大區間設置田埂，覆膜防止串水串肥。作物種植方法按照當地生產習慣進行。

1.2.1 雙季稻模式 早稻于3月25日播種，晚稻于6月20日播種；早稻密度為16.7cm×20.0cm，晚稻為20.0cm×20.0cm；早晚季水稻施肥一致，即基肥施復合肥（N:P:K=22:6:12）600kg/hm2，分蘗期追肥尿素（N 46%）150kg/hm2。

1.2.2 春玉米―晚稻模式 3月20日翻耕起壟，壟寬70cm，3月28日播種，每壟播種1行玉米，株（穴）距為30cm，每穴2粒，于3～4葉期每穴定苗1株，定苗48 000株/hm2。基肥施復合肥（N:P:K=22:6:12）600kg/hm2，追肥（拔節肥+穗肥）施尿素300kg/hm2。玉米收獲后翻耕土壤，7月20日移栽晚稻，晚稻栽培技術與雙季晚稻一致。

1.2.3 早稻―秋玉米模式 早稻栽培技術與雙季稻模式一致。早稻收獲后，經曬田、翻耕和起壟后于7月10日播種玉米，秋玉米起壟規格、播種、定苗、密度、施肥與春玉米相同。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 產量及其構成因素 于水稻成熟期每個大區記錄連續80蔸的有效穗數，計算單穴平均有效穗數，按照平均有效穗數取15蔸帶回室內（每5蔸為1次重復），考察穗總粒數、穗實粒數、結實率和千粒重，計算理論產量。同時，每個區選擇3個點，各收獲100穴水稻，折算標準含水率（13.5%）的實際產量；在玉米田間考察空稈率，玉米單位面積有效穗數=單位面積株數×（1-空稈率）。采收全區玉米果穗，稱重并計算單穗鮮重，根據單穗鮮重取10個果穗，考察穗總粒數和千粒重，計算理論產量，其余果穗脫粒曬干后折算實際產量（含水率13.5%）。水稻和玉米成熟收獲后秸稈和籽粒全部帶出田間。

1.3.2 經濟效益 水稻、春玉米和秋玉米的生產成本分為3個方面，首先是農資成本（化肥、農藥和種子），其次是機械作業成本（耕地和收割等），最后是勞動力成本（播種、施肥和打藥等）。早稻谷、晚稻谷和玉米價格分別以2.44、2.5和2.0元/kg計算；復合肥和尿素的價格分別為2.6和2.0元/kg；機械耕地與收割水稻價格分別按1350和1200元/hm2計算；人工成本以120元/d計算。

1.3.3 鎘含量 于作物成熟期取植株樣，每個大區采取對角線法取3個點（3次重復），每點取樣3穴（株），水稻挖根20cm深，玉米挖根30cm深，將泥沖洗后把根系帶回室內，洗凈后用0.1mol/L鹽酸浸泡根系15min，去掉根表面吸附的鎘，用自來水和去離子水各沖洗3遍，將表面水分吸干后，將植株分為根、莖、葉、穗和籽粒等部分，于烘箱105℃殺青0.5h后80℃烘干至恒重；用植物樣品粉碎機粉碎，過100目篩備用。采用硝酸-高氯酸高溫消解植株樣品，使用Agilent 7900ICP-MS檢測消化液中鎘含量。每個處理重復3次。水稻成熟期每個處理收獲稻谷1kg，曬干儲藏3個月后，分成谷殼、米糠和精米3個部分。采用上述方法測定鎘含量，各部位鎘含量（mg/kg）=各部位測定液濃度×各自定容體積/各自稱量。

根據莖稈、葉片、籽粒鎘含量與干物質重計算植株地上部鎘積累量。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2003和DPS 7.05進行數據處理。

2 結果與分析

2.1 不同種植模式下的生育時期比較

各種植模式下作物的生育時期見表1。雙季稻種植模式下，晚稻成熟期在10月17-18日；早稻-秋玉米種植模式下，秋玉米成熟期在10月18-28日；春玉米-晚稻種植模式下，晚稻成熟期在10月22-23日。盡管后兩種種植模式下的晚季作物成熟期較雙季稻種植模式稍遲，但3種種植模式的晚季作物均能在10月下旬成熟。因此，從生育季節來看，3種種植模式均適合在雙季稻區推廣應用。

表1 不同種植模式下作物的生育時期Table 1 Growth period of crops under different planting patterns 月-日month-day

2.2 不同種植模式下的產量比較

由表2可知，2015年，雙季稻種植模式總產量較高，早稻-秋玉米種植模式總產量居其次，較雙季稻種植模式減產1.1%，春玉米-晚稻種植模式總產量最低，較雙季稻種植模式減產6.4%，但3種種植模式總產量間沒有顯著差異。2016年，春玉米-晚稻總產量最高，其次是雙季稻總產量，早稻-秋玉米總產量最低，其中，春玉米-晚稻較雙季稻種植模式增產3.8%，而早稻-秋玉米較雙季稻減產2.7%，但3種種植模式總產量差異不顯著。可見，3種種植模式兩季總產量有一定差異，但差異不顯著。可見，從保證全年糧食總產量來看，用春玉米-晚稻和早稻-秋玉米替代雙季稻是可行的。

表2 不同種植模式下的作物產量Table 2 Yield of crops under different planting patterns kg/hm2

2.3 不同種植模式下作物成熟期器官鎘含量

由表3可見，雙季稻種植模式下，早稻糙米鎘含量在0.344～0.426mg/kg，晚稻糙米鎘含量在0.244～0.823mg/kg，都超過食品安全國家標準（0.2mg/kg）。早稻-秋玉米種植模式下，早稻糙米鎘含量在0.332～0.429mg/kg；春玉米-晚稻種植模式下，晚稻糙米鎘含量在0.231～0.621mg/kg。可見，早稻-秋玉米與春玉米-晚稻種植模式中的水稻糙米鎘含量較雙季稻種植模式下的水稻糙米鎘含量有降低趨勢，尤其以2016年晚稻表現明顯，從0.823mg/kg降到了0.621mg/kg。可見，前作玉米對后作稻米鎘含量有顯著降低作用。

表3 不同種植模式下的水稻成熟期各器官鎘含量Table 3 Cadmium contents in various organs of rice at maturity stage in different planting patterns mg/kg

由表4可見，玉米成熟期各器官鎘含量呈現根 ＞莖＞葉＞籽粒的規律，2年中2種種植模式下玉米籽粒鎘含量在0.036～0.081mg/kg，2016年顯著高于2015年，但均遠低于玉米籽粒鎘含量國家標準（0.5mg/kg）。可見，鎘污染稻田種植玉米可解決農產品（籽粒）鎘含量超標的問題。

表4 玉米成熟期各器官的鎘含量Table 4 Cadmium contents in different organs of maize at maturity stage mg/kg

2.4 不同種植模式下的作物成熟期鎘積累量

由表5可知，水稻鎘積累量遠高于玉米，晚稻鎘積累量遠高于早稻，2年結果一致；3種模式2季作物總鎘積累量表現為雙季稻＞春玉米-晚稻＞早稻-秋玉米，且差異顯著，2年結果一致。同時可見，春玉米-晚稻種植模式下的晚稻鎘積累量低于雙季稻種植模式下的晚稻鎘積累量，2016年降幅達到39.2%，可見前季玉米有降低晚稻鎘積累量的作用。

表5 不同種植模式下作物成熟期地上部的鎘積累量Table 5 Cadmium accumulation of upland of crops under different planting patterns g/hm2

2.5 不同種植模式下的成本投入與經濟效益

2015年和2016年成本投入相同。由表6可見，3種種植模式的總成本表現為雙季稻＞早稻-秋玉米＞春玉米-晚稻，前者與后兩者差異顯著。

表6 不同種植模式下的成本投入Table 6 The investment of different planting patterns 元/hm2yuan/hm2

由表7可知，2015年純收入表現為雙季稻＞早稻-秋玉米＞春玉米-晚稻，其中，雙季稻顯著高于春玉米-晚稻；2016年純收入表現為春玉米-晚稻＞早稻-秋玉米＞雙季稻，三者間差異均達顯著水平。2年總收入表現為春玉米-晚稻（26 310.0元/hm2）＞早稻-秋玉米（25 088.6元/hm2）＞雙季稻（24 268.6元/hm2）的趨勢。因此，綜合2年結果，從純收入來看，春玉米-晚稻和早稻-秋玉米種植模式完全可以替代雙季稻種植模式。

表7 不同種植模式下的產值與純收入Table 7 Output and net income of different planting patterns

由表8可知，2015年純收入/勞動力數表現為早稻-秋玉米＞春玉米-晚稻＞雙季稻，前兩者分別較雙季稻種植模式高15.2%和7.2%；2016年二者比值表現為春玉米-晚稻＞早稻-秋玉米＞雙季稻，前兩者分別較雙季稻種植模式高86.7%和51.2%。可見，從單個勞動力純收入來看，早稻-秋玉米和春玉米-晚稻種植模式均較雙季稻種植模式具有明顯的優勢。

表8 不同種植模式下的純收入與勞動力數比值Table 8 Ratio of net income to labour number of different planting patterns

3 討論

多熟制地區種植模式的替代，首先要看生育季節上是否可行。本研究發現，從生育期來看，雙季稻、春玉米-晚稻和早稻-秋玉米種植模式的晚季作物均能在10月下旬成熟。因此，從生育季節來看，3種模式都適合在湘潭推廣應用。

產量表現是考慮替代模式一個很重要的方面。本研究發現，2015年早稻-秋玉米和春玉米-晚稻的總產量較雙季稻模式低，但2016年春玉米-晚稻的總產量較雙季稻高，而早稻-秋玉米較雙季稻產量低，這與謝運河等[12]的研究結論相似。但本研究發現，3種種植模式的糧食總產量并不具有顯著差異，早稻-秋玉米和春玉米-晚稻替代雙季稻不會導致糧食產量大幅度下降。

當前作物生產越來越重視經濟效益，因此經濟效益也是考慮替代種植模式的一個重要方面。本研究發現，2015年純收入表現為雙季稻（16 347.7元/hm2）＞早稻-秋玉米（15 332.1元/hm2）＞春玉米-晚稻（14 260.8元/hm2)，2016年純收入表現為春玉米-晚稻（12 049.2元/hm2）＞早稻-秋玉米（9756.5元/hm2）＞雙季稻（7920.9元/hm2），而2年總收入表現為春玉米-晚稻（26 310.0元/hm2）＞早稻-秋玉米（25 088.6元/hm2）＞雙季稻（24 268.6元/hm2）的趨勢。綜合2年結果，從純收入角度來看，春玉米-晚稻和早稻-秋玉米種植模式完全可以替代雙季稻種植模式。

實施鎘污染稻田雙季稻的替代種植，最大目的是獲得鎘含量達標的農產品。本研究發現，雙季稻模式下，早稻糙米鎘含量在0.344～0.426mg/kg，晚稻在0.244～0.823mg/kg，均超過食品安全國家標準（0.2mg/kg)。早稻-秋玉米種植模式下，早稻鎘含量在0.332～0.429mg/kg；春玉米-晚稻種植模式下，晚稻糙米鎘含量在0.231～0.621mg/kg。可見，早稻-秋玉米與春玉米-晚稻種植模式中的水稻糙米鎘含量較雙季稻模式下的水稻糙米鎘含量有降低趨勢，尤其以2016年晚稻表現明顯，從0.823mg/kg降到了0.621mg/kg。可見，前作玉米對后作稻米鎘含量有降低作用。同時，本研究發現，2種種植模式下玉米籽粒鎘含量在0.036～0.081mg/kg。因此，在鎘污染稻田上，以春玉米-晚稻和早稻-秋玉米替代雙季稻種植模式，不但可以獲得鎘含量符合國家標準的玉米產品，同時還可以有效降低稻谷鎘含量。

本研究發現，春玉米-晚稻種植模式下玉米籽粒鎘含量低，且地上部鎘積累移除量較早稻-秋玉米種植模式多，因此認為春玉米-晚稻種植模式替代雙季稻種植模式更有利于鎘污染稻田的修復和農產品的安全。利用富集植物修復重金屬污染土壤被認為是一項有效措施。本研究移除作物秸稈也是修復鎘污染稻田的有效措施，但是，有關移除的作物秸稈如何處理，尚值得深入探討。

本研究發現，2016年晚稻各器官鎘含量明顯高于2015年晚稻，這應該是當地灌溉水造成的，試驗地水源為附近溝渠，溝渠水鎘含量超標，這也是當地耕地鎘超標的原因。2016年溝渠水鎘含量遠高于2015年，因此使得2016年晚稻各器官鎘含量明顯高于2015年。

4 結論

綜合生育季節、產量、純收入和籽粒鎘含量等因素，在湖南湘潭鎘污染稻田上，春玉米-晚稻與早稻-秋玉米種植模式替代雙季稻種植模式是完全可行的，其中春玉米-晚稻種植模式植株地上部鎘積累移除量較多，因此，宜首先選擇春玉米-晚稻種植模式。