水稻不同生育期镉吸收与积累特征研究

倪中应，章明奎，王京文，李 丹，石一珺

（1桐庐县农业和林业技术推广中心，浙江桐庐311500；2浙江大学环境与资源学院，杭州310058；3杭州市植保土肥总站，杭州310020）

0 引言

镉是中国稻米生产中最为突出的污染物[1-2]，也是目前中国南方地区农田污染治理最为关注的重金属元素[3-4]。由于稻米中镉主要来自产地土壤[5]，因此控制土壤中的镉进入水稻植株被认为是控制稻米镉积累的有效途径，相关技术包括减少水稻对土壤中镉的吸收[6-7]、降低土壤镉的生物有效性、减少土壤中镉的含量及调控水稻体内镉由根部向籽粒的迁移[8-9]。近10 多年来，中国尝试了多类钝化剂及农业措施等在减控水稻镉积累的效果，提出了诸如推行低吸收水稻品种、工程措施、化学修复、生物修复和农艺调控等技术[10-12]。研究表明[13-15]，晚稻对镉的富集性显著大于早稻，籼稻品种糙米镉含量高于粳稻，生育期较长的高产品种的糙米中镉含量高于生育期较短的中、低产品种，杂交稻的镉含量高于常规稻，普通稻镉含量高于优质稻，超级稻吸收积累镉的能力显著高于普通杂交稻。土壤的Eh 值可通过影响土壤镉的有效态而影响水稻对镉的吸收，因此通过控制土壤水分来调节Eh值可达到降低水稻镉吸收的目的，淹水管理可有效降低水稻茎叶、糙米中的镉含量[16]。然而，由于缺乏对不同水稻品种及不同生育期镉吸收规律的研究，至今对有关以上治理措施在水稻哪个生育期采取最为有效还了解不多。水稻生长包括苗期、分蘖期、孕穗期、齐穗期、灌浆期、乳熟期和黄熟期等多个生长期，而稻米形成于水稻生长后期，因此，稻米中镉的形成和积累与水稻各生长期的水分和矿物质的吸收、干物质的形成、存储、运移及分配存在密切关系。由于各生长期生长特性的差异，水稻不同生长期对镉的吸收、运移和积累可存在较大的差异[17-19]。因此，探明水稻各生长期水稻植株中镉的吸收与积累规律，可为科学制订消减稻谷镉积累的技术提供依据。为此，本研究选择镉轻污染和重污染两种土壤，采用盆栽方法分别栽培镉低吸收（‘秀水519’）和镉高吸收（‘浙优18’）两个水稻品种，观察了水稻不同生育期不同器官中镉的积累特点。

1 材料与方法

1.1 供试材料

采集了镉轻污染和镉重污染2种稻田土壤开展试验，其性状见表1。供试的水稻品种包括‘秀水519’（镉低吸收品种，V1）和‘浙优18’（镉高吸收品种，V2）两个品种。

1.2 盆栽试验

盆栽试验设4个处理，分别为‘秀水519’+轻污染土壤(V1+L)、‘秀水519’+重污染土壤(V1+H)、‘浙优18’+轻污染土壤(V2+L)和‘浙优18’+重污染土壤(V2+H)。试验在直径为30 cm、高为30 cm 的塑料容器中进行，每个处理用土量为10 kg，重复21次。试验前每一处理分别施N（尿素）、P（磷酸二铵）和K（硫酸钾）1.0、0.6、1.0 g作为底肥。水稻采用直播，每盆播种6 粒种子，至出苗15 天后保留3 株。分蘖期加施肥料一次，用量同底肥，采用常规方法管理。分别在苗期、分蘖期、孕穗期、齐穗期、灌浆期、乳熟期和黄熟期从每一处理中随机选择3 个重复，先用自来水冲洗去除土壤和清洗植株，然后中去离子水冲洗植株。经冲洗后的植株按器官分为根部、茎部、叶和谷物等4 部分，在105℃下烘干计重。

1.3 分析方法

各器官样品磨细过1 mm，采用HNO3-HClO4联合消煮[20]，用石墨炉-原子吸收光谱法测定Cd。土壤有效Cd 采用DTPA 法(0.005 mol/L DTPA+ 0.1 mol/L TEA+ 0.01 mo/L CaCl2)提取，石墨炉原子吸收光谱法测定。土壤养分用常规方法测定[21]。

2 结果与分析

2.1 水稻各生长期干物质的积累

图1 可知，随着水稻的生长，水稻各器官生物量（干物质积累）逐渐增加。总生物量在水稻乳熟期前一直呈现增加，由乳熟期至黄熟期总生物量略有下降。总生物量增加最为明显的是苗期至分蘖期和孕穗期至齐穗期。在水稻生长过程中各器官生物量的变化有较大的差异，其中，根部、茎部和叶的生物量主要形成于齐穗期前，而稻谷生物量主要形成于灌浆期至乳熟期。灌浆期后根部、茎部和叶的生物量有所下降。图1 结果还表明，水稻品种对水稻各器官生物量有很大的影响，‘浙优18’的生物量明显高于‘秀水519’。但土壤镉污染程度对水稻各器官生物量的影响不明显。

表1 供试土壤性状

2.2 水稻各器官镉含量随生育期的变化

图2 结果表明，各器官中Cd 含量因器官部位、水稻品种和土壤污染程度不同有所差异。‘浙优18’的各器官中Cd含量明显高于‘秀水519’，镉重污染农田中生长的水稻镉积累高于镉轻污染农田中生长的水稻。水稻根部Cd 含量随水稻生长均呈现增加，但茎部、叶和谷物中Cd 含量的变化因土壤镉污染程度不同有所差异。在土壤镉轻度污染的农田中，茎部和叶的Cd含量一般在生长前者呈现增加，但后期明显下降，其中‘秀水519’的茎部和叶的最高Cd 含量分别出现在分蘖期和孕穗期，而‘浙优18’茎部和叶的最高Cd 含量均出现在孕穗期。总体上，‘浙优18’的茎部和叶的Cd增加的持续时间较长。在土壤镉重度污染的农田中，茎部和叶的Cd 含量增加的持续时间远高于在土壤镉轻度污染的农田中，其中‘秀水519’的茎部和叶的最高Cd 含量分别出现在孕穗期和灌浆期，而‘浙优18’茎部和叶的最高Cd含量随水稻生长一直呈现增加，至黄熟期达到最高。在土壤镉轻度污染的农田中，稻谷中最高Cd含量出现在灌浆期，而在土壤镉重度污染的农田中，稻谷中最高Cd含量出现在乳熟期。土壤镉重度污染的农田中各器官增加持续时间较长可能与该农田土壤具有高量的有效镉供应有关，而土壤镉轻度污染的农田中，因土壤有效镉较低，其镉吸收量远低于其干物质积累量。

2.3 水稻各器官镉积累的分布

表2 可知，水稻植株中镉总积累量在水稻生长前期呈现明显的积累，在乳熟期达到最高值，而黄熟期水稻植株中镉总积累量比乳熟期下降是由于部分叶片老化凋落有关。表2 结果表明，水稻植株中镉总积累量因土壤镉污染水平和水稻品种不同有较大的差异，土壤镉重度污染的农田明显高于土壤镉轻度污染的农田，‘浙优18’的生物量明显高于‘秀水519’。镉在水稻各器官积累的分配有较大的差异，根是水稻植株镉积累的主要部位，植株中有50%以上的镉积累在根部，但随着水稻的生长，其比例有所下降；茎部中镉积累比例位于第二，一般占20%以上，以孕穗期的占比为最高。虽然稻谷的生物量也较高，但稻谷中的镉占比较低，在10%以下。表2的结果还表明，在水稻生长中后期，根部镉的占比在土壤镉重度污染的农田明显低于土壤镉轻度污染的农田，而土壤镉重度污染农田生长水稻茎部中镉的占比明显高于土壤镉轻度污染的农田。镉高吸收水稻品种（‘浙优18’）中茎部中镉的占比一般高于镉低吸收水稻品种（‘秀水519’）。这些结果表明，在镉重污染农田和种植镉高吸收水稻的情况下，镉更易向水稻地上部位迁移，积累在地上部位。

3 讨论

3.1 降低稻米中镉积累的关键时期

如果以乳熟期植株镉积累量达到最大值作为水稻的最大吸收量（表2），那么可以认为水稻植株中的镉基本上是灌浆期以前吸收的，其占总吸收量的92.28%～99.00%，其中齐穗期以前吸收的镉占植株吸收的总镉量的69.82%～84.53%。中国目前推行的污染农田安全利用技术中，钝化土壤镉的活性和深水灌溉是控制水稻对土壤镉吸收的有效技术[22-23]，从本研究的结果来看，这二项技术应在水稻灌浆期以前（特别是齐穗期以前）进行，这样才能有效地降低水稻对土壤中镉的吸收。

在灌浆期至黄熟期（特别是从灌浆期至乳熟期），水稻茎叶中的镉具有明显地向籽粒转移的特点（表2），因此，灌浆期至乳熟期是控制水稻植株中茎叶镉向籽粒转移的最佳时期。目前，在中国许多地方推行利用叶面喷施含硅、硒、营养元素等生理阻控剂来降低水体植株中的镉向籽粒转移[24-26]，并取得了较好的效果。从本研究的结果来看，灌浆期至乳熟期是应用叶面生理阻控剂最佳的时期。

表2 水稻不同生育期镉的积累与分配

3.2 秸秆还田对农田土壤镉平衡的影响

有关污染农田秸秆还田是否会影响土壤中镉的积累一直是人们关心的问题[27-28]，从本研究结果来看，水稻地下部分是积累镉最大的器官，但这部分镉无法通过水稻收获从土壤中移除。从本研究的结果来看，对于镉污染较轻的农田，特别是种植镉低吸收水稻品种时，其地上部分秸秆中镉积累占整个水稻植株的比例较低，其还田与否对农田土壤镉的平衡影响较小。但对于镉重度污染农田，特别是种植镉高吸收水稻品种的情况下，其在地上部分秸秆中有较高的镉积累，且其占整个水稻植株的镉积累的比例较高，移除这些秸秆可明显降低农田镉的积累。

4 结论

（1）水稻总生物量在乳熟期前一直呈现增加，增加最为明显的是苗期至分蘖期和孕穗期至齐穗期。土壤镉污染程度对水稻各器官生物量的影响不明显，但各器官中Cd含量因器官部位、水稻品种和土壤污染程度不同有所差异，镉积累由高至低依次为：根＞茎＞叶＞谷，镉高吸收品种（‘浙优18’）明显高于镉低吸收品种（‘秀水519’）；镉重污染农田中生长的水稻镉积累高于镉轻污染农田中生长的水稻。

（2）水稻根部Cd含量呈现随水稻生长期有增加而增加，但茎部、叶和谷物中Cd 含量的变化因土壤镉污染程度不同有所差异，在土壤镉轻度污染的农田中生长水稻茎部和叶的Cd 含量一般分蘖期和孕穗期达到高值，而在土壤镉重度污染的农田中生长水稻茎部和叶的Cd 含量最高值出现在孕穗期至黄熟期。镉在水稻各器官积累的分配有较大的差异，根是水稻植株镉积累的主要部位，其次为茎部。在镉重污染农田和种植镉高吸收水稻（‘浙优18’）的情况下，镉更易向水稻地上部位迁移，积累在地上部位。

（3）齐穗期以前是控制植株吸收土壤镉的关键时期，灌浆期至乳熟期是控制水稻植株中茎叶镉向籽粒转移的最佳时期。在镉重污染农田种植镉高吸收水稻品种（‘浙优18’），其地上部分秸秆中有较高的镉积累，且其占整个水稻植株的镉积累的比例较高，移除这些秸秆可明显降低农田镉的积累。