灌溉方式对土壤有效镉含量与双季稻产量形成及镉累积分配的影响

苏雨婷，赵英杰，谷子寒，王元元，屠乃美，周文新，陈平平，易镇邪

（湖南农业大学农学院／南方粮油作物协同创新中心，长沙 410128）

土壤是人类赖以生存的重要资源。根据2014年《全国土壤污染调查公报》显示，我国土壤重金属污染严重，其中镉污染物点位超标率达到7.0%。镉主要通过工业“三废”的排放进入土壤。作物籽粒中的镉主要来自于土壤，土壤镉有效性与作物吸收量密切相关。镉易被作物吸收，且在作物体内易转移，被人类直接食用或通过食物链的其他生物富集到人体内，会对人体造成慢性毒害［1～3］。水稻是高积累镉（Cd）的农作物，镉浓度较高时，水稻呼吸作用、光合作用受到影响，水稻正常生长发育受阻［4～6］。受镉胁迫的水稻植株表现为：生长滞缓、矮小，叶片失绿、发黄、卷曲，叶片干重下降，苗鲜重降低［1，7］。人畜如果长期食用“镉米”，会对骨骼系统造成严重的不良影响，从而使患“痛痛病”的概率增加，严重时甚至会导致死亡［8］。因此，水稻田的镉污染问题值得重视，如何降低食物链中的重金属污染已成为热点问题。

刘昭宾等［9］研究表明，不同水分管理模式通过影响土壤Fe2＋和有效S含量变化对Cd污染土壤水稻吸收积累Cd产生显著影响。纪雄辉等［10］研究表明，Cd污染稻田通过长期淹水灌溉能显著降低稻米中的Cd含量。目前，通过种植富集镉的植物、施肥、施石灰等方式来降低土壤镉有效性的研究较多［11～14］，但关于不同灌溉方式对土壤镉有效性影响的研究较少；关于镉在水稻植株中的吸收积累研究较多［15，16］，而关于水稻各个器官与籽粒各部分对镉的累积研究较少。同时，不同灌溉方式对水稻不同生育阶段土壤镉有效性的研究罕见报道。为此，本研究设置全生育期淹水灌溉与间歇灌溉两个处理，研究了灌溉方式对水稻各时期土壤镉有效性与水稻产量形成及其各器官与籽粒各部分镉累积特性的影响，旨在明确镉污染稻田的适宜灌溉方式，为镉污染稻田的清洁生产提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 供试材料

早稻品种‘陵两优211’，2016年3月24日播种，4月24日移栽。插秧密度16.7 cm×20 cm，每蔸3根苗。施肥方案按照当地施肥习惯施用：基肥600 kg／hm2，分蘖初期追肥尿素 150 kg／hm2。基肥为复混肥料，N、P2O5、K2O比例为 22∶6∶12，尿素含氮46.4%。

晚稻品种‘威优46’，2016年6月12日播种，7月11日移栽。插秧密度20 cm×20 cm，每蔸3根苗。施肥方案按照当地施肥习惯施用：基肥600 kg／hm2，分蘖初期追肥尿素150 kg／hm2，孕穗期追肥钾肥120 kg／hm2。基肥为复混肥料，N、P2O5、K2O比例为 22∶6∶12，尿素含氮46.4%，钾肥为KCl，含K2O 55%。

1.2 试验地点

试验地点在湖南省湘潭县易俗河镇镉污染稻田，早稻田 pH 6.15，全 Cd含量1.0156 mg／kg，有效态 Cd含量0.5005 mg／kg；晚稻田 pH6.11，全 Cd含量 1.0654 mg／kg，有效态 Cd含量 0.5062 mg／kg。生理及化学指标在湖南农业大学作物生理与分子生物学教育部重点实验室进行。

1.3 试验设计

试验采取大区设计，不设重复。设2个处理：5 cm淹水灌溉（T1）：即全生育期保持5 cm水层；5 cm间歇灌溉（T2）：即每次灌溉5 cm水层，自然落干后再灌溉5 cm水层，直至成熟。早稻每个处理面积为115 m2，晚稻面积为48 m2。水分处理从水稻拔节初期（分蘖末期）开始，分蘖期均保持浅水状态。

1.4 测定项目与方法

1.4.1 水稻产量形成特性

茎蘖动态：每个区定3个点，每个点定水稻10蔸，自水稻返青后开始每7 d记录一次茎糵数，直至齐穗。

叶面积：于分蘖盛期、孕穗期、齐穗期、灌浆中期、成熟期取水稻植株样，长宽积系数法计算叶面积，即：叶面积＝长×宽×0.75。

SPAD值：于孕穗期、齐穗期、灌浆中期、成熟期用SPAD－502测量倒数第一片叶距离叶基部1／3处、1／2处及2／3处的SPAD值，每片叶重复3次，取平均值，每处理测量10片。

实际测产：水稻成熟后，每处理取3点测实际产量，每点割100蔸，脱粒后去除稻草及空粒，称量谷重，用烘干法测含水率，折算含水量13.5%的实际产量。

理论测产：水稻成熟后每个大区数80蔸，记录有效穗数，计算单穴平均有效穗数，按照平均有效穗数取15蔸，带回室内考种（每5蔸为一次重复），考察每穗总粒数、每穗实粒数、结实率、千粒重、穗长，计算理论产量。

1.4.2 土壤有效镉含量

土壤于早稻耕作施肥前、早晚两季水稻的分蘖盛期、孕穗期、齐穗期、灌浆中期、成熟期按5点取样法取0～20 cm土样，自然风干后过10目筛备用，测定土壤有效态镉含量。土壤测定全镉含量过100目筛，采用盐酸－硝酸－氢氟酸－高氯酸全消解的方法；测定有效镉含量过10目筛，用0.1 mol／L CaC12溶液浸提，提取条件为：土壤与提取液比1∶5，在速度250 r／min和25℃恒温振荡器振荡2 h，石墨炉原子吸收光谱仪测定。

1.4.3 水稻镉积累分布特性

将取回的各时期植株洗净，然后用0.1 mol／L盐酸浸泡根系15 min，去掉根表面吸附的镉，用自来水冲洗3遍，再用去离子水冲洗3遍，吸干表面水分后，将各处理植株分为根、茎、叶、穗、粒等部分，放入烘箱105℃杀青0.5 h，80℃烘干至恒重。成熟期每处理另收获稻穗约200穗，晒干后分为枝梗、空粒与实粒，实粒储藏3个月后，用小型糙米机和小型精米机分为谷壳、糙米、糠层、精米等部分；以上材料在80℃下烘干，粉碎后过100目筛，密封保存备用。植株采用硝酸－高氯酸高温消解方法，使用石墨炉原子吸收光谱仪测定消化液中镉含量。每个处理重复3次。

1.5 数据处理

所有试验数据均采用Excel 2013和SPSS 22.0统计软件进行分析。

2 结果与分析

2.1 灌溉方式对大田土壤有效镉含量的影响

由表1可见，土壤有效镉含量早、晚稻均在齐穗期达到最大值。分蘖盛期，土壤有效镉含量以T1处理（淹水灌溉）略高，早、晚稻表现一致；孕穗期至齐穗期，早、晚稻土壤有效镉含量均以T2处理（间歇灌溉）较高，且差异显著；灌浆中期至成熟期，早、晚稻土壤有效镉含量均表现T1处理显著高于T2处理趋势。可见，灌溉方式对稻田土壤有效镉含量的影响在不同生育时期间表现不一致，但早、晚稻间表现一致，即：分蘖盛期处理间无显著差异，孕穗至齐穗期以T2处理显著较高，而灌浆期以T1处理显著较高。

表1 不同灌溉方式下稻田土壤有效镉含量动态（mg/kg）Table 1 Dynamics of available cadmium content in paddy soil under different irrigation methods（m g/kg）

2.2 灌溉方式对水稻产量形成特性的影响

2.2.1 茎蘖动态

分蘖是单子叶植物特殊的一种分枝，也是水稻植株生长发育过程中起重要作用的农艺特性，分蘖数量直接决定水稻有效穗数量，从而影响水稻产量［17］。从图1可见，早、晚稻在不同处理下茎蘖数随生育期的变化程度基本相似，呈单峰型曲线，分蘖峰值出现日期一致。两种灌溉处理下，早稻最大茎蘖数与有效茎蘖数差异不大，但均以T1处理较多；而晚稻前期分蘖速度以T1处理较快，最大茎蘖数与有效茎蘖数也以T1处理较多，分别比T2处理多3.85个／穴和2.03个／穴。可见，全生育期淹水灌溉处理对水稻分蘖较为有利。

图1 不同灌溉方式下早稻（左）与晚稻（右）茎蘖数动态Fig.1 Dynamics of tiller number of early rice（left）and late rice（right）under different irrigation methods

2.2.2 株高动态

由表2可见，随着水稻的生长，株高逐渐增加，各处理的表现均为前期增长较快，中后期增长缓慢，达到峰值后基本不变。在两种灌溉方式下，晚稻的株高增长趋势基本一致，差异不大；而早稻分蘖盛期株高以T2处理较高，但孕穗期后均以T1处理较高，其中孕穗期差异达显著水平。

表2 不同灌溉方式下水稻株高动态（cm）Table 2 Dynam ic of plant height of rice under different irrigation methods（cm）

2.2.3 叶面积动态

由图2可知，早稻分蘖盛期叶面积指数以T2处理较大，但孕穗期、齐穗期、灌浆中期的叶面积指数均以 T1处理较大，其中孕穗期 T1比 T2高26.64%。晚稻各时期叶面积指数均以T1处理较大，其中孕穗期T1比T2高28.25%。可见，本试验条件下全生育期淹水灌溉有利于叶面积的增大，从而为提高产量奠定了基础。

图2 不同灌溉方式下早稻（左）和晚稻（右）叶面积指数动态Fig.2 Dynam ics of LAI of early rice（left）and late rice（right）under different irrigation methods

2.2.4 叶片SPAD值

叶片SPAD值可以反映叶片叶绿素含量。表3显示，早稻孕穗期SPAD值以T2处理较高，但齐穗以后均以T1处理较高，且差异显著。晚稻孕穗期、齐穗期、灌浆中期叶片SPAD值均以T2处理较高，但差异不显著。可见，灌溉方式对水稻叶片SPAD值的影响在早、晚稻间表现有差异。

表3 不同灌溉方式下水稻叶片SPAD值Table 3 Leaf SPAD of rice under different irrigation methods

2.2.5 干物质积累动态

由表4可见，随着水稻生育进程的推进，干物质量逐渐增加。早稻除分蘖盛期外，其他时期干物质量均以T1处理较高，其中，成熟期T1比T2处理高10.43%，差异显著。晚稻各时期的干物质量均表现为T1＞T2，灌浆中期差异最大，T1比 T2处理高7.15%，差异显著。

表4 不同灌溉方式下水稻干物质积累动态（g/m2）Table 4 Dynamics of dry matter accumulation of rice under different irrigation methods

2.2.6 产量及产量构成

由表5可知，不同灌溉方式对产量有显著影响。早稻，两个灌溉方式处理间每穗粒数、结实率、千粒重均无显著差异，但T1处理的有效穗数、理论产量、实际产量分别较 T2处理高5.8%、6.5%和7.0%。晚稻，两个灌溉方式处理间结实率、千粒重无显著差异，T2处理每穗粒数显著高于T1处理，但T1处理有效穗数、理论产量、实际产量分别较T2处理高20.8%、3.7%和4.2%。可见，全生育期淹水灌溉处理主要通过显著提高有效穗数来实现产量的显著提高。

表5 不同灌溉方式下水稻产量及产量构成Table 5 Yield and yield components of rice under different irrigation methods

2.3 灌溉方式对水稻植株各器官镉含量与累积量的影响

2.3.1 植株各器官镉含量

如表6所示，随生育进程的推进，水稻各器官的镉含量一般均呈逐渐增加趋势（早稻根系齐穗期至成熟期、晚稻根系灌浆中期至成熟期除外）。镉在水稻各器官中分布不均匀，一般以根系镉含量最高，其次为茎鞘，再次是叶片，稻穗镉含量最低。

两种灌溉方式间，早、晚稻分蘖盛期各器官镉含量均无显著差异；孕穗期、齐穗期、灌浆中期各器官镉含量均表现T2大于T1趋势，且差异显著，早、晚稻表现一致；成熟期，早稻根系镉含量表现T1大于T2处理、晚稻T1与T2处理根系镉含量无显著差异，而茎鞘、叶片镉含量均表现T2显著大于T1趋势。可见，除成熟期根系外，间歇灌溉条件下早、晚稻生育中后期各器官镉含量均显著高于淹水灌溉处理。

表6 不同灌溉方式的水稻各器官镉含量（mg/kg）Table 6 Cd content in different organs of rice under different irrigation methods（mg/kg）

2.3.2 成熟期稻穗与籽粒各部位镉含量

由表7可知，成熟期稻穗与籽粒各部分镉含量差异较大，一般早稻表现为枝梗＞糠层＞空粒＞谷壳＞精米，晚稻表现为枝梗＞空粒＞糠层＞谷壳＞糙米＞精米。两种灌溉方式处理比较，早稻T1处理枝梗镉含量显著高于T2处理，而空粒镉含量表现相反，谷壳、糠层、精米镉含量均以T2处理较高，其中T2处理精米镉含量显著高于T1处理。晚稻各部位镉含量均以T2处理较高，其中枝梗、空粒差异不显著，但谷壳、糙米、糠层、精米的镉含量差异均达显著水平。同时可见，早、晚稻糠层镉含量差异极大，前者为后者的2.1～2.8倍；早稻谷壳镉含量也为晚稻的1.6～2.0倍，早稻枝梗镉含量也是晚稻的1.2～1.3倍；但是，早稻空粒与精米镉含量低于晚稻。可见，间歇灌溉使水稻籽粒镉含量明显增大，且晚稻增加更明显。

表7 不同灌溉方式的水稻成熟期穗及籽粒各部位镉含量（mg/kg）Table 7 Cd content in spike and grain of rice atmaturity stage under different irrigation methods（mg/kg）

2.3.3 成熟期植株各部位镉累积量

由表8可知，水稻成熟期地上部镉积累量均以T2处理较高，早、晚稻分别高出 20.49%和11.81%，差异显著。早稻T2处理地上部镉累积量显著高于T1处理主要是其茎、叶镉积累量显著提高所致，而晚稻T2处理地上部镉累积量显著高于T1处理主要是其茎镉积累量显著提高所致。同时发现，早稻地上部镉累积量明显高于晚稻。

表8 不同灌溉方式的大田水稻成熟期植株各部位镉累积量（g/hm2）Table 8 Cd accumulation in different parts of rice at maturity stage under different irrigation methods（g/hm2）

3 小结与讨论

研究表明，长期淹水导致土壤氧化还原电位（Eh）降低，酸性土壤pH值升高，能够降低镉的生物有效性和毒性［18］。本研究比较了全生育期5 cm淹水灌溉与间歇灌溉对土壤有效镉含量的影响，发现分蘖盛期土壤有效镉含量在两种灌溉方式处理间无显著差异，孕穗至齐穗期以间歇灌溉处理显著较高，而灌浆期以淹水灌溉处理显著较高。可见，灌溉方式对早、晚稻稻田土壤有效镉含量有影响，但在不同生育时期间表现不一致，对此还有待多年试验予以验证。

传统的水稻淹水灌溉（尤其是深水灌溉）增加水稻蒸腾量，浪费水资源。研究表明，在水分非亏缺条件下，合理灌溉可获得水稻高产，提高水分利用效率［19］。张艳超等［20］研究表明，在镉污染土壤上，灌溉方式不但影响水稻生长，而且影响产量；干湿交替灌溉可提高分蘖成穗率，保持较高的根系活力，提高生物量和产量；湿润灌溉会加重高镉污染的危害，使水稻生长不良，产量降低。本研究表明，大田全生育期5 cm淹水灌溉下，早、晚稻产量均高于间歇灌溉，其原因主要是淹水灌溉处理具有较高的有效穗数、株高、叶面积和干物质积累量。朱士江等［21］在黑龙江省主要稻区开展的研究表明，灌溉方式影响水稻产量，以湿润灌溉处理产量最高，间歇灌溉次之，淹水灌溉最低。傅志强等［22］在湖南衡阳开展的深水灌溉（全生育期水深5 cm）、浅水灌溉（全生育期水深1 cm）、间歇灌溉（分蘖期浅水灌溉，后期每灌1次水，待其自然消耗后再灌水）、受旱灌溉（分蘖期浅水灌溉，之后不留水层，土壤保持饱和含水率的50%～70%）比较试验表明，水稻产量以浅水灌溉最高，间歇灌溉产量与深水灌溉次之，受旱灌溉最低，处理间差异显著。而本试验中，间歇灌溉产量显著低于淹水灌溉，与前人结果［21，22］都不相同，其原因可能与各试验中的操作方法不完全相同有关，如本试验采取的是全生育期间歇灌溉，而傅志强等［22］采取的间歇灌溉是在水稻进入孕穗期以后。因此，有关灌溉方式，包括淹水深度、淹水时期等对水稻产量的影响还有待因地制宜地开展研究。

水稻的主要收获产品为籽粒，籽粒中的镉含量是稻米品质优劣和安全的决定因素。赵步洪等［23］研究表明，稻米中镉含量主要取决于镉在籽粒中的分配。一般认为，水稻根系Cd含量较高，其次是茎秆，而叶片和籽粒Cd含量远低于根系［23～25］。本研究表明，水稻各器官镉含量呈现根系＞茎鞘＞叶片＞稻穗的趋势，与前人结果一致。本研究研究了水稻籽粒各部分的镉含量，发现籽粒不同部位镉含量呈糠层＞谷壳＞糙米＞精米。

纪雄辉等［10］认为，长期淹水处理导致水稻根系、茎叶、糙米中的Cd含量均极显著低于湿润灌溉处理，与 Takijima［26］、Kashem［27］等的观点一致。本研究也发现了类似规律，即相比淹水灌溉，间歇灌溉使水稻籽粒镉含量明显增大，且晚稻增加更明显。其原因应该是长期淹水导致土壤氧化还原电位降低，不利于根系生长，而间歇灌溉能改善土壤通气状况，使水稻根系生长旺盛，根系活力增强且增加下扎深度［28，29］，从而加大了对 Cd的吸收。本研究中，水稻抽穗后，淹水灌溉处理的土壤有效镉含量高于间歇灌溉处理，但穗部镉含量低于间歇灌溉处理，究其原因应该是间歇灌溉条件下，土壤氧化还原电位提高，加速了土壤有机质矿质化［30］，而理化性质的改变增强了Cd的迁移能力，再加上水稻根系活性的增强，增加了水稻植株对Cd的吸收，从而致使间歇灌溉处理的土壤有效镉含量低于淹水灌溉处理，但穗部镉含量高于淹水灌溉［31］。

综合来看，灌溉方式能影响土壤有效镉含量与早晚稻产量及镉含量。本试验条件下，实行全生育期5 cm淹水灌溉能获得较高产量，且籽粒镉含量显著降低。

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