水分管理对水稻镉吸收的影响

杨小粉 吴勇俊 张玉盛 汪泽钱 敖和军

（湖南农业大学农学院/南方粮油协同创新中心，长沙 410128；第一作者：2285316669@qq.com；*通讯作者：aohejun@126.com）

镉（Cadmium，Cd）是一种危害性极强，极易被人体吸收的有毒重金属元素[1]。根据2014年环保部与国土资源部发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示，我国土壤重金属超标率为16.1%，其中Cd的点位超标率为7.0%，位居无机污染物之首[2]。Cd能够通过“土壤—水稻”食物链系统进入人体，长期大量摄入Cd会影响人体对Ca和P的代谢，引起肾、肝以及骨的病理变化,诱发肾结石、骨质疏松和骨软化等疾病[3-4]。而水稻是一种Cd积累能力较强的农作物。

近年，针对稻米Cd污染治理，国内外学者已做过大量研究，主要通过品种筛选[5-6]、Cd钝化[7]、营养调控[8-9]、生物修复[10]等措施来降低稻米对Cd的吸收与积累。化学措施虽然见效快，但其修复效果持久性有待考察，而且也存在二次污染的风险；植物修复耗时长、修复效率低。与其他措施相比，农艺调控因简单易行而较为切合实际，其中水分调控是最有效的方法之一，无二次污染、可操作性强、无附加经济投入、有效性高且不影响水稻正常收获而备受关注，该措施已经得到诸多学者的证实和认同。本试验在前人研究的基础上，分析了不同水分管理模式下水稻不同部位在不同时期对镉的吸收积累情况，以期为控制稻田镉污染提供行之有效的方法。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2017年7月至11月在湖南农业大学水稻研究所大棚内进行。供试材料为晚稻品种玉针香（V1）和湘晚籼12号（V2），供试土壤从湖南省湘阴县农科所的试验田采集。

1.2 试验设计

试验采用盆栽，试验用盆为60 cm×40 cm×25 cm的蓝色塑料盆，每盆装土15 kg。盆栽试验前土壤淹水处理10 d，使土壤相对含水量达100%。移栽前施用基肥，按施氮量12 kg/667 m2的标准施用复合肥。每盆移栽6丛，每丛1株。返青后开始进行不同水分处理。每个品种设3个处理：W1，长期淹水灌溉，在水稻生长期间田面始终保持2～3 cm深的水层，呈淹水状态；W2，湿润灌溉，在水稻生长期间田面始终保持湿润状态，即土表无明水，土壤含水量达100%；W3，阶段性湿润灌溉，移栽时先灌2～3 cm水层，待其消耗至无明水，土壤刚出现开裂再灌下一次水，如此循环。每个处理4次重复。除水分管理措施不同外，各处理的病虫害防治以及其它栽培管理措施一致。

1.3 测定指标及方法

移栽前2个品种各取100株秧苗进行秧苗素质考察。在分蘖期、灌浆期、成熟期取植株样，洗净后将其分为根、茎、叶、穗（糙米）四部分，烘干称重，称取0.25 g样品放入锥形瓶中按4∶1的比例加入H2NO3-HCLO4混合酸，放置过夜待第2天进行消化，消化后定容，然后用ICP-MS检测Cd含量。

1.4 数据处理

采用Excel 2016和SAS 9.3统计分析软件进行数据处理及分析。

2 结果与分析

2.1 对水稻产量与产量构成的影响

由表1可知，2个品种产量由大到小均表现为W1＞W2＞W3，玉针香 W1处理产量分别比 W2、W3处理提高了3.64%和10.91%；湘晚籼12号W1处理产量分别比W2、W3处理提高了12.15%和14.92%；2个品种3种水分处理间的穗数、每穗粒数、结实率、千粒重及产量有一定差异，但差异均不显著。

表1 不同处理产量及产量构成因子表现

2.2 对水稻生长不同时期镉含量的影响

由表2可见，分蘖期，水稻不同部位Cd含量总体以W3处理最高，W1处理最低，但不同处理间差异不显著。灌浆期，2个品种根、茎、叶和穗Cd含量均随着灌水量的减少而增加，即W1处理最低，W3处理最高；对于玉针香，根部Cd含量W1、W2处理显著低于W3处理，茎、叶、穗中Cd含量W1处理显著低于W2和W3处理；而湘晚籼12号根、茎、叶中Cd含量不同水分处理间差异不显著。成熟期，2个品种不同部位Cd含量同样是随着灌水量的减少而呈现上升趋势，根部W1处理与W2、W3处理差异显著，茎部W1处理与W3处理存在显著差异，叶部各处理间差异不显著。糙米Cd含量，2个品种均以W1处理最低，并达到国家食品安全标准；玉针香糙米Cd含量W1处理分别比W2、W3处理低56.52%和66.67%，且W1处理与W3处理存在显著差异。湘晚籼12号糙米Cd含量W1处理分别比W2、W3处理低65.22%和52.94%，但各处理间差异不显著。

表2 在不同时期不同部位的镉含量 （mg/kg）

表3 镉在不同部位的积累量（mg/kg）

2.3 对镉在水稻植株中积累量的影响

由表3可知，在分蘖期，同一处理不同器官间Cd的积累量依次为根＞茎＞叶，对于茎部和叶部，Cd积累量总体表现为W3＞W2＞W1，并且玉针香W2处理叶中Cd含量与W3处理存在显著差异；灌浆期，根、茎、叶均在W1处理下Cd的积累量最低，W3处理最高，各处理间存在一定的差异，W1处理穗中Cd积累量最低，与W3处理存在显著差异；成熟期，同一处理不同器官Cd积累量表现为茎＞根＞叶，茎部Cd积累量表现为W3＞W2＞W1，并且W1处理显著低于W3处理。可见，灌浆、成熟期2个品种各器官Cd的积累量总体上表现为W3＞W2＞W1，从分蘖期到成熟期同一器官Cd的积累量逐步增加。

2.4 对镉在水稻不同部位间分配比例的影响

由表4可知，分蘖期，Cd在水稻植株不同器官中的分配比例表现为根＞茎＞叶，不同水分处理间差异不显著。灌浆期，Cd在不同器官中的分配比例主要表现为茎＞根＞叶，W2处理降低了Cd在根系中的分配，并且与W1处理存在显著差异；W1处理对茎部Cd的分配影响较大，与W2处理存在显著差异。成熟期，湘晚籼12号根和茎部Cd分配比例处理间差异显著，叶和糙米中Cd的分配比例处理间无显著差异；玉针香不同部位不同处理间Cd的分配比例均无显著差异。在这3个时期，茎部Cd的分配比例总体表现为W3＞W2＞W1，即随着灌水量的减少，茎部Cd的分配比例增加；而叶中Cd的分配比例总体表现为W1＞W2＞W3，随着灌水量的减少，叶中Cd的分配比例减小，并且随着生育进程的推进，叶中Cd的分配比例在减小。

表4 镉在不同部位间的分配比例（%）

表5 镉在不同部位的富集系数

2.5 对镉在水稻不同部位富集系数的影响

由表5可知，在分蘖期，2个水稻品种根、茎、叶各部位Cd的富集系数总体表现为W1处理最低，W3处理最高。灌浆期，根、茎、叶和穗各部位Cd的富集系数与分蘖期呈现相同的规律，对于玉针香，W1处理根、茎部Cd的富集系数与W3处理差异显著；2个品种穗部Cd富集系数W1与W3处理存在显著差异。成熟期，茎部和糙米中Cd富集系数总体以W1处理最小，W3处理最大，2个处理间存在显著差异。

3 讨论

水分作为水稻生产过程中投入量最大的因子，它在土壤中的含量不仅调控着水稻的营养吸收、生理代谢，而且对水稻的抗逆性也起着关键作用[11-12]。陈江民等[13]的研究结果显示，持续淹水显著降低水稻的结实率和产量；傅志强等[14]的试验结果表明，常规灌溉的水稻产量高，全生育期湿润灌溉的水稻产量低。本试验结果表明，不同水分处理对水稻产量及产量性状有一定影响，但差异不显著，这与前人的一些研究结果不一致。

本试验结果显示，在分蘖期、灌浆期和成熟期，水稻各部位Cd含量、富集系数均以阶段性湿润灌溉处理最高，持续淹水处理最低。这与刘昭兵等[15-16]的研究结果一致。持续淹水使得土壤的有效性Cd含量降低，从而降低了水稻对Cd的吸收。也有研究表明，水稻根表铁膜对介质中Cd的吸收及其在水稻体内的富集起重要作用[17-20]，而干湿交替能促进一定量的根表铁膜的形成[21]。陈江民等[13]的研究结果表明，持续淹水通过下调水稻根系OsLCD和OsNramp1基因的相对表达量，降低了水稻对Cd的吸收。前人研究认为，淹水处理降低水稻Cd积累主要是通过硫酸盐转化为硫化物，形成难溶性 CdS，从而降低土壤中有效性 Cd[21-22]，进而使得淹水处理下Cd在水稻不同器官的富集系数减小。

4 结论

长期淹水灌溉能够有效降低水稻糙米Cd含量，与湿润灌溉、阶段性湿润灌溉处理相比，玉针香分别降低56.52%和66.67%，湘晚籼12号分别降低65.22%和52.94%，并且使糙米中Cd含量达到国家安全标准。同时，在长期淹水灌溉下水稻根、茎和叶各器官Cd含量、积累量以及富集系数均最低。可见，长期淹水灌溉是一项能够安全有效降低糙米Cd含量的农艺措施，结合合理施肥、轮作、生物修复等综合调控，能确保水稻安全生产。