齐穗期施肥对水稻镉积累的影响

张玉盛 肖欢 敖和军

（湖南农业大学农学院/南方粮油作物协同创新中心，长沙410128；第一作者：877615305＠qq.com；*通讯作者：aohejun＠126.com）

我国土壤污染状况日益严重，据环境保护部联合国土资源部于2014年4月17日公布的《全国土壤污染状况调查公报》指出，全国土壤镉（Cd）污染点位超标率为7.0%，其中轻微、轻度、中度和重度污染分别为5.2%、0.8%、0.5%和0.5%[1]。Cd迁移性强，毒性高，很难被微生物降解，在土壤中滞留时间长。水稻具有富集Cd的习性，吸镉能力强，土壤中的Cd能被水稻吸收和累积并转运至籽粒中，最后通过食物链的途径进入人体内危害身体健康[2-3]。探究水稻Cd吸收与积累的机理，切断Cd的食物链途径是目前研究的热点。研究发现，水稻不同生育期对Cd的吸收、转运和积累的特征不同，不同生育期积累的Cd对籽粒Cd积累的贡献也不同[4-10]。冯雪敏[11]通过稳定性同位素示踪技术发现，水稻抽穗前后两个时期从根部吸收的Cd是籽粒中Cd累积的主要来源，贡献达65%～75%。叶长城等[4-5]研究发现，水稻分蘖期、孕穗期、灌浆期和成熟期是水稻籽粒Cd积累的关键时期，其中灌浆期对成熟期糙米Cd累积相对贡献率为18.2%～39.3%。另有研究表明，水稻不同生育期的Cd净积累量表现为：抽穗至成熟期＞移栽至分蘖期＞分蘖至抽穗期，即后期＞前期＞中期[12]，水稻扬花后积累的Cd对籽粒Cd累积贡献率约40%[13]。探究水稻生育后期对Cd的吸收、积累和转运规律对控制水稻糙米Cd累积具有重要意义。近年来，关于水稻在不同生育期对Cd吸收、转运和积累的报道不在少数，但大多集中在不同生育期定量施肥，关于生育后期施肥量对水稻镉积累的报道较少。本试验通过大田小区试验，在齐穗期施用不同用量的尿素，探究其对水稻成熟后各部位和糙米Cd含量的影响，以为稻米Cd积累机理研究和稻田Cd污染防控技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验地点位于湖南省浏阳市沿溪镇湖南农业大学综合实习基地。供试土壤总镉含量2.32 mg/kg，有效镉含量1.913 mg/kg，土壤pH值5.4。

1.2 试验设计

采用田间小区随机区组排列试验，设5个处理：CK，全生育期不施氮肥；T1，齐穗期施用尿素77.59 kg/hm2；T2，齐穗期施用尿素 116.39 kg/hm2；T3，齐穗期施用尿素155.18 kg/hm2；T4，齐穗期施用尿素193.75 kg/hm2。此外，所有处理在移栽前1～2 d施用尿素115.18 kg/hm2（除CK外）、过磷酸钙889 kg/hm2、钾肥266.7 kg/hm2作基肥；T1～T4处理在移栽后10 d和幼穗分化始期追施蘖肥和穗肥，用量为尿素77.59 kg/hm2。每个处理重复3次，小区面积45 m2。参试水稻品种为玉针香和湘晚籼12号，于2017年6月26日播种，7月24日移栽，2个品种之间留约50 cm宽的走道。为了避免小区间互相窜水，小区田埂采用薄膜覆盖。根据田间病虫害情况来确定是否打药，全生育期浅水层淹水灌溉，其他栽培管理措施与当地习惯保持一致。试验所用肥料：尿素，含N 46.4%；过磷酸钙，含P2O512%；氯化钾，含K2O 60%。

表1不同粒肥用量对水稻产量及其构成的影响

表2不同粒肥用量对水稻成熟期生物量的影响

1.3 样品采集与测定

水稻成熟后（10月29日）采集植株样品，分成根系、茎秆和稻谷3部分，人工脱粒，根系和茎秆用自来水仔细冲洗干净后用纯水润洗，80℃烘干至恒质量后粉碎，过100目筛，备用。谷粒自然晒干后用小型糙米机去壳后粉碎。样品测定：用1/10000天平准确称取0.2 g 样品，用混酸（HNO3∶HClO4=4∶1）湿法消解；消化至消化液约为1 mL左右，冷却后用2%稀硝酸定容至50 mL，过滤后用ICP-MS测定镉含量。试验所用试剂均为优级纯。

1.4 数据处理及统计

运用Excel 2007和SAS 9.4进行数据整理和统计分析（LSD法进行多重比较）。

2 结果与分析

2.1 对水稻产量及产量构成的影响

从表1可见，与CK相比，T1、T2、T3和T4处理能够增加水稻产量。就玉针香而言，T4处理产量最高，为5261.64kg/hm2，比CK增产18.66%，T1、T2和T3处理增产幅度分别为17.34%、7.82%和13.29%。湘晚籼12号产量在4 496.05～6 051.48 kg/hm2之间，从大到小依次为 T4、T3、T2、T1、CK，与 CK 相比施用粒肥的处理增产幅度为27.12%～34.59%。施用粒肥的处理能提高水稻单位面积有效穗数，且显著高于CK，但处理间差异不显著。与CK相比，施用粒肥的处理对玉针香每穗粒数、结实率和千粒重无显著影响；湘晚籼12号的单位面积有效穗数T4处理比CK显著增加，T2处理的千粒重比CK显著提高。

2.2 对水稻成熟期生物量的影响

表2可见，从茎秆生物量来看，2个品种施粒肥处理与CK均存在显著差异。玉针香茎秆生物量在T2处理下最高，为746.32 g/m2；而根系生物量T1、T2和T3处理均高于CK，其中T2处理显著高于CK。湘晚籼12号茎秆生物量均高于CK，T1、T2和T4处理显著高于CK；根系生物量施粒肥处理均低于CK，但差异不显著。

2.3 对水稻成熟期不同部位Cd含量的影响

从表3可见，施粒肥的处理均降低了玉针香根系Cd含量，降幅随粒肥用量的增加而减小，T1～T4降幅分别为 53.12%、42.17%、38.77%和 5.27%；其中，T1、T2和T3处理与CK差异显著；茎秆Cd含量T1、T2和T3处理均低于CK，其中T1和T2处理与CK差异显著。与CK相比，T1和T2处理降低了湘晚籼12号根系和茎秆Cd含量，其中，T1和T2处理下的根系Cd含量和T1处理下的茎秆Cd含量与CK相比差异达显著水平；而T3和T4处理则提高了湘晚籼12号根系和茎秆Cd含量。

表3不同粒肥用量对水稻成熟期镉含量的影响（mg/kg）

从表3还可看出，玉针香糙米Cd含量各施粒肥处理在0.36～0.73 mg/kg之间，从大到小依次为T4＞T2＞T3＞T1，T1处理较CK降低了18.18%，但未达到显著水平，T2和T4处理下糙米Cd含量较CK提高了13.64%和65.91%，但T4处理显著高于其他处理。湘晚籼12号糙米Cd含量同样以T1处理最低，较CK降低了67.65%，与其他处理差异显著；T2、T3、T4处理显著高于CK和T1处理。由此可见，施用适量的粒肥可以有效地降低水稻根系和茎秆及糙米Cd含量，而过量施用则会提高水稻植株内和糙米Cd含量。

3 讨论与结论

水稻生育后期合理施肥可以使灌浆期保持一定的氮素供应，延缓功能叶的衰老，维持生育后期较高的光合速率和蒸腾速率及灌浆速率，有利于光合产物的积累与运输和库源关系协调，使水稻籽粒灌浆充分，从而提高产量[14]。本试验中，施粒肥处理较CK的增产幅度为7.82%～34.59%，并随粒肥用量增加呈提高的趋势，这与成臣等[15]研究结果一致。

水稻灌浆期是籽粒Cd积累的关键时期[4]。FUJIMA等[16]研究认为，水稻灌浆期从土壤中吸收的Cd可以被快速的运送到籽粒。KASHIWAGI等[17]则认为，水稻籽粒中的Cd主要来源于水稻抽穗前积累在茎秆和叶片中的Cd，在抽穗后被转运至籽粒中，抽穗后根系吸收的Cd被转运至地上部分除糙米外的所有器官中，不影响糙米中Cd的累积。而喻华等[18]认为，在水稻生育后期，籽粒中Cd的来源取决于生长介质中是否存在可利用的Cd，当生长介质不存在可利用Cd时，籽粒中的Cd来源于水稻各器官在前期积累的Cd；当生长介质中存在可利用Cd时，籽粒中的Cd一部分来源于水稻各器官在前期积累的Cd，同时根系吸收土壤中的Cd直接转运至籽粒中。

本试验仅对水稻生育后期施用氮肥对水稻镉积累的影响进行探讨，其作用机理仍需进一步深入研究。试验结果表明，不同粒肥施用量对水稻不同部位Cd含量影响不同，玉针香糙米Cd含量大小依次为T4＞T2＞CK＞T3＞T1，T1、T2和 T3处理根部和茎秆 Cd含量低于CK，其中T1、T2和T3处理的根部Cd含量和T1、T2处理茎秆Cd含量与CK差异显著。湘晚籼12号糙米Cd含量大小依次为T2=T3＞T4＞CK＞T1，根部和茎秆的Cd含量与玉针香变化规律基本吻合。可见，与不施肥处理相比，施用适用量粒肥可有效地抑制水稻对Cd的富集，降低水稻不同部位的Cd含量，T1处理下的水稻各部位Cd含量均为最低，T2、T3和T4处理较高，说明施用适量的粒肥可以减少根部和茎叶中积累的Cd向籽粒转移，而过量的粒肥则起到促进营养器官中积累的Cd向籽粒中转移。氮肥主要通过间接作用影响土壤Cd的有效性，尿素的加入可显著提高土壤中水溶性Cd和EDTA提取态Cd含量，除此外，氮肥的加入还有可能增加土壤中的Ca2+以及土壤中阳离子的交换能力，增强土壤对重金属离子的吸附能力，降低其移动性等，导致水稻根系对Cd的吸收增加或降低[19]。本试验中，T1～T4处理下的水稻成熟期根系与茎秆镉含量随粒肥用量增加而增加，其可能原因为尿素的增加促进了根系对土壤Cd的吸收。氮肥间接影响水稻Cd积累的另一方式为：影响根系分泌物的组分和总量，根系分泌物中的有机酸影响植物对土壤Cd的吸收。徐国伟等[20]研究发现，同氮肥条件下，水层灌溉和轻度干湿交替灌溉及同灌溉条件下施用氮肥可增加水稻根系分泌物总量。根系分泌物对土壤中Cd具有双层作用，当土壤溶液中的根系分泌物浓度较低时，对土壤中的Cd具有活化作用，而当土壤中的根系分泌物浓度较高时，则起到抑制Cd活性和迁移性的作用[21]。张敬锁等[22]研究发现，在水稻开花期，向土壤中添加有机酸类物质，会提高土壤中Cd的移动性，但却可以降低水稻籽粒中Cd含量。本试验中，施用粒肥可能促进了水稻根系分泌物的释放，对土壤Cd具有解吸作用，促进了水稻根系对土壤Cd的吸收并向地上部运输，经水稻自身的转运系统再分配至籽粒中。T1处理下的产量较CK有所提高，且糙米Cd含量最低。综合来看，在大田生产中施用粒肥77.59kg/hm2对水稻产量和品质安全都有不错效果。