栽培条件对水稻镉积累的影响研究进展

李先喆，徐庆国，刘红梅

（湖南农业大学农学院，湖南长沙410128）

水稻是中国主要的粮食作物之一，我国年均稻谷产量1.85 亿t，稻谷产量占到了我国粮食总产量的40%，约占世界稻谷总产量的35%。我国作为世界最大的稻米生产国与消费国，稻米生产质量与安全直接关系到人们的日常生活与健康[1]。然而随着我国工业化的发展及农业生产中大量化学物质的施用，稻田土壤的重金属污染日益严重，特别是重金属元素镉（Cd）因其具有在土壤中活性强、易转移、高毒性等特点，已成为危害我国水稻生产安全的主要污染物之一[2]。因此，在探明稻田土壤镉污染机理的同时，改善和降低水稻生态栽培环境条件的镉积累，是我国水稻科技领域的重要课题。现将生态栽培条件对水稻镉积累的的影响研究与进展综述成文，以资参考。

1 土壤对水稻镉积累的影响

1.1 土壤类型

我国幅员辽阔，土壤类型繁多，不同类型土壤对水稻镉积累的影响差异显著。Le nidas Carrijo Azevedo Melo 等[3]研究发现，植物的酶活性和抗氧化性因不同土壤理化性质的差异而不同，在一定镉浓度范围内，作物在砂土中的耐镉性比粘土强。孙聪等[4]采用温室盆栽实验测定了不同镉污染土壤对不同水稻品种的生物量、植株镉含量及镉吸收生物富集系数（BCF）的影响，结果发现，在酸性祁阳红壤中，不同水稻品种的生物量随着镉处理浓度的增加而显著下降，在中碱性的广州水稻土中，不同水稻品种的生物量随着镉处理浓度的变化没有显著性差异。而在相同镉浓度处理下，酸性祁阳红壤中水稻的BCF 大于中碱性广州水稻土，不同水稻品种相差2～14 倍。范中亮等[5]研究表明，不同类型土壤中，镉的生物有效性差异明显，水稻土栽培下水稻各器官的镉含量显著高于潮土的水稻各器官的镉含量。黄德乾等[6]研究发现，稻米镉含量在3种不同性质土壤上的含量大小顺序为红壤＞青紫泥＞乌栅土。由此可见，土壤类型对镉的吸附特性和生物有效性有着重要的影响。

1.2 土壤pH

土壤pH 是影响水稻镉积累的重要因素，土壤中镉的有效态含量随着pH 的升高而降低，在碱性土壤环境中，二价镉离子容易生成氢氧化物、硫化物、磷酸盐等沉淀，从而降低土壤中镉对水稻的毒害[7]。有分析发现，当土壤pH 值在1～2 时，水稻植株对镉的吸收随pH 值的升高显著增加；当土壤pH 值在2～6 时，水稻对镉的吸收速率趋于稳定，这说明在一定土壤pH 值范围内，水稻茎秆对镉的吸收不受pH 值的影响[8]。Ye等[9]研究表明，土壤pH 值的大小影响镉的土壤结合位点与吸附的形态、溶解性及移动性；在低pH 值条件下，Cd2+与高浓度的H+竞争土壤重金属载体的结合位点，减少了土壤对镉的吸附，有效态镉含量升高，因而水稻根部的镉浓度增大，从而增加了水稻对镉的吸收。宋文恩等[10]分析了我国8种不同性质土壤的pH值与镉对水稻毒性阀值ECx 的相关关系，结果表明，土壤的pH 值与水稻镉毒性阀值ECx 呈正相关关系，即土壤pH 值升高，毒性阀值ECx 增大，镉对水稻根的毒性降低。因此，应在中碱性土壤上栽培水稻，以降低稻米镉积累对人们健康危害的风险。

2 施肥对水稻镉积累的影响

2.1 有机肥

水稻对镉的吸收和积累受到多方面因素的影响，除了水稻自身基因型差异和土壤类型差异外，施肥是影响水稻植株体内镉含量一个重要因素。江巧君等[11]研究表明，有机肥能通过影响水稻各器官镉含量的分配比例，抑制镉向其地上部分的运输，来降低其根系、稻谷糠层及精米的镉含量。Anita 等[12]研究发现，厩肥能显著降低土壤中镉的生物有效性，从而减少作物可食用部分对镉的吸收积累。王阳等[13]研究指出，紫云英还田对土壤镉的有效态无显著影响，但可显著降低水稻籽粒对镉的积累，并提高土壤肥力，且用量以30 000 kg/hm2为宜。

有机肥可促使土壤中交换态的镉向结合有机态镉、锰氧化物结合态镉转化。有机肥对镉污染土壤的改良原理包括3 点：（1）土壤施入有机肥后，其中的腐殖质分解形成的腐质酸能与土壤中的镉形成稳定的螯合物和络合物，从而降低土壤镉的毒害；（2）有机肥通过影响土壤的一些基本性状来产生间接的作用，例如施猪粪能提高土壤的pH 值，使土壤胶体负电荷增加，并减弱H+的竞争作用，因而使土壤中的镉与土壤中的镉载体结合得更加牢固[14]；（3）腐熟的有机肥如猪粪增加了土壤中胡敏酸（HA）与富里酸（FA）的比值，加大了土壤腐殖酸芳构化程度，使交换态镉的含量降低[15]。但是，有些研究结论与上述结论相反，如李本银[16]、王美等[17]发现，长期施用有机肥提高了土壤中镉有效态的含量，增加了作物籽粒的镉含量，这可能是由于供试土壤和有机肥种类不同，使其对腐殖酸芳香结构构化程度的差异，而导致结果不尽相同[15]。此外，可能是水溶性有机质（DOM）中富含的羧基和羟基等配位体通过与镉形成的配合物，抑制了土壤对镉的吸附，增加了其移动性，因此施用有机肥后能显著提高土壤溶液中交换态和有机结合态的镉含量[18-19]。

综上所述，有机肥对水稻镉积累的影响因土壤种类、有机肥种类、有机肥用量、施肥时间以及水稻基因型种类而异[20]，不同有机肥对水稻镉有效性的影响机理仍待进一步探究。

2.2 无机肥

2.2.1 氮磷钾肥 氮肥作为农业施肥的主要项目，对土壤中镉的有效性有重要影响，不同氮肥对水稻镉积累的影响效果不一。施入土壤的氮肥能与土壤胶体发生一系列的化学反应，或者形态发生转化，从而影响水稻等植物对镉的吸收[21-22]。楼玉兰等[23]分析表明，硝态氮能提高根际土壤的pH 值，降低土壤镉等重金属的活性，促进水稻等作物对镉等重金属的吸收，而铵态氮的作用则刚好相反。孙磊等[24]通过盆栽试验发现，在污染土壤中加入尿素能有效降低作物体内重金属的含量，并且在酸性土壤中应尽量避免硫酸铵氮肥的使用。但有研究显示，作物对镉的吸收与施氮量呈正相关关系，并强调要控制氮肥的用量（120 kg/hm2），在保证产量的同时，减少重金属的潜在危害[25]。

磷是作物生长所必需的元素之一，适量的磷肥对保障作物的生长发育和产量有不可替代的作用，但过量磷肥却有可能增大土壤重金属的污染[26]。Lambert等[27-29]研究表明，磷酸铵能降低土壤的pH 值，增加土壤中镉的生物有效性，从而增加作物对镉的吸收和积累。由于磷肥对土壤pH 值影响，当加入钙镁磷、磷酸氢钙和磷酸二氢钾等碱性磷肥时，pH 值升高，镉的生物有效性降低[30]。所以，在施用磷肥时，应考虑不同磷肥的化学性质及土壤性质的差异。

钾肥对土壤中镉有效性的影响，同样表现在通过与土壤的化学反应，影响土壤pH 值和理化性质，而在受镉污染的水稻土壤，采用含硫钾肥较为适宜[22]。

综上所述，不同氮磷钾肥对土壤镉有效性影响的差异主要表现为：（1）不同化合态氮磷钾肥本身的酸、碱性；（2）氮磷钾肥料在土壤中发生化学反应使其产生的酸、碱物质及酸碱性；（3）氮磷钾肥料不同阳离子组分与土壤胶体上镉的置换、络合作用[31]。

2.2.2 硅肥 硅可以提高作物的对重金属胁迫的耐性和抗性，在生产中应用较为广泛。当水稻受到重金属毒害时，硅能够增加水稻体内蛋白质和叶绿素的含量，提高根系的活力以及抗氧化酶POD、SOD 的活性，还能够通过降低叶片的质膜通透性，来缓解镉对水稻的毒害作用[32-33]。黄秋婵等[34]、Putwattana 等[35]研究显示，硅能够显著减少水稻对镉的吸收量，抑制镉的向上运输，增加镉在细胞壁中的沉淀和在自由空间中交换态镉的比例，从而减少水稻可食用部分对镉的积累。硅也能被水稻体内特定的硅结合蛋白诱导，沉积在水稻根的内皮层及纤维层细胞附近，阻塞了细胞壁孔隙度，影响镉的质外体运输，抑制了镉的转移，进而减轻镉的毒害[36]。陈喆等[37]研究结果表明，无论基施硅肥、喷施叶面硅肥还是2种硅肥配施，都能显著降低水稻籽粒中镉的含量，又不会明显影响水稻产量，且2种硅肥配施的降镉效果最佳。

2.2.3 钙肥与其他肥料 钙肥（主要为石灰）能提高土壤的pH 值，促进镉形成氢氧化物、碳酸盐等沉淀，减少土壤中镉的有效态含量，从而抑制水稻等作物对镉的吸收，并且在酸性土壤中效果更加显著[38]。刘昭兵等[39]指出，石灰氮与石灰一样可降低污染土壤镉的生物有效性及水稻镉积累，而在等量条件下（600 kg/hm2），石灰氮对土壤的改良修复效果优于石灰。陈喆等[40]研究还发现，在水稻孕穗末期添加石灰，能减少镉向水稻可食用部分的转移，并且能作为钙肥和杀虫剂促使水稻增产。

钙、镁、硫、铁、锰、硼等作物必需的中微量营养元素，对水稻镉积累也有不同程度的影响。胡坤等[41]采用盆栽试验发现，在Ca、Mg、S 3种中量元素中，Ca 增加了水稻籽粒中的镉浓度和吸收量，Mg 和S 则能通过抑制镉从秸秆向水稻籽粒的转移来降低籽粒的镉浓度和吸收量；在微量元素中，Zn 相比于Cu 等元素对水稻镉的吸收抑制作用更为显著，此外，FeSO4、CuCl2、MnCl2、H3BO3和Na2B4O7等处理都能有效的抑制镉从茎秆向籽粒的转移，从而减少水稻籽粒的镉含量；值得注意的是上述碳酸钙增加了水稻对镉的吸收和积累，其原因有待探究。庞晓辰等[42]研究表明，硒（Se）能够增加水稻地下部分非蛋白巯基（NPT）的含量，促进镉的络合；Se 还能改变镉在根亚细胞的分布，增强镉在根细胞壁上的吸附，从而降低水稻对镉的吸收。

3 水分对水稻镉积累的影响

除了施肥对水稻镉积累的影响外，水分管理也会影响水稻对镉的吸收和积累。土壤淹水缺氧条件下，水稻根可以分泌氧气和氧化性物质，将土壤中的Fe2+氧化成Fe3+，使其在水稻根表形成三价铁沉淀进而形成铁氧化膜，而根表铁膜可以通过吸附土壤中的镉来减少水稻对镉的吸收[43-44]。在淹水的条件下，土壤的氧化还原电位降低，土壤中溶液的被还原成S2-，不仅消耗了土壤中的一些H+，提高了土壤pH 值，而且S2-与镉生成CdS（硫化镉）沉淀，降低了镉的生物有效性；排水后的土壤处于氧化状态，S 被氧化成，土壤pH 值降低，增加了镉的生物有效性，从而促进了水稻根系对镉的吸收和积累[22,45]。纪雄辉等[46]研究表明，随着淹水时间和水量的增加，水稻根表吸附的还原态Fe2+、Mn2+以及S2-含量显著提高，因而加强了重金属离子与Cd2+的竞争吸附土壤胶体及水稻根表不同的吸附位点，从而降低了镉在土壤中的有效性。张雪霞等[47]通过盆栽试验，研究了不同水分管理模式下水稻籽粒镉含量差异，水稻籽粒的镉含量结果为80%的最大田间持水量>最大田间持水量>前期淹水+抽穗扬花期烤田>全生育期淹水，即全生育期淹水管理在能保证水稻产量的同时，可有效降低水稻茎叶、糙米中的镉含量。

4 展望

无论是施肥还是淹水，都是通过影响土壤的pH值、氧化还原电位（Eh）、有机质含量和土壤中的共存阳离子等影响水稻的镉积累，其不同的影响机理还有待进一步研究。而随着我国经济社会的发展，人们对稻米的品质要求日益提高，卫生安全意识逐渐加强，在认清当前镉污染现状的同时应采取积极措施来改善当前农田污染所面临的严峻形势：（1）运用先进的生态栽培方式，针对不同地区土壤种类、水稻基因型的差异，采取合理的施肥、灌溉方式；（2）加强受污染地区农田的治理和修复，在保证水稻产量的同时，降低水稻籽粒的镉积累，提高稻米卫生与商品品质；（3）探明镉胁迫对水稻生长发育、生理生化及品质的影响机理，加快耐镉、低镉富集水稻品种的选育。

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