双季翻耕与免耕条件下水稻产量与镉累积特性比较

王利纳

(宇寰环保科技(上海)有限公司，上海 201101)

水稻是我国最重要的口粮作物，水稻生产在保障粮食安全中具有举足轻重的作用[1].随着社会经济的发展，稻田重金属污染问题日益突显，稻米品质安全受到了严重威胁[2-3].前人就如何降低稻米镉含量开展了大量研究，并已在诸多方面取得了共识.其一，水稻品种镉累积分配特性差异明显，筛选低镉积累品种是一条可行途径.其二，淹水可显著减少土壤有效态镉含量，全生育期灌水显著降低水稻籽粒镉含量[4-5].其三，通过施加石灰[6]、硅肥[7-8]能够提高土壤pH，降低土壤提取态的镉含量，达到钝化土壤有效镉、降低米镉含量的效果.以此为基础，提出了水稻镉污染防控综合技术—“VIP”降镉技术[9].

土壤耕作是一项重要耕作栽培措施，近年来有少量关于土壤耕作方式对土壤有效镉含量的影响研究，常同举等[10]认为不同耕作方式对紫色水稻土壤镉含量影响不显著，崔孝强等[11]发现免耕处理的土壤有效镉含量显著高于翻耕处理，而汤文光等[12]认为长期翻耕和旋耕的土壤中的镉含量显著偏高.可见，关于土壤耕作方式影响土壤有效镉含量的研究结果存在差异.

总的来看，目前从土壤耕作措施角度开展的双季稻镉污染防控技术研究尚少.因此，本研究在湖南省湘潭县镉污染稻田开展大田定位试验，设置双季翻耕与双季免耕处理，通过比较两种土壤耕作方式对双季稻产量与镉积累分配特性的差异，以期初步明确免耕措施在镉污染稻田水稻生产中的适用性，为镉污染稻田水稻安全生产提供技术参考.

1 材料与方法

1.1 试验地点与试验材料

试验地点为湖南省湘潭县易俗河镇镉污染稻田，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.

早稻品种为陵两优211，2015年于3月22日播种，4月22日移栽；2016年于3月24日播种，4月24日移栽；2017年于3月22日播种，4月22日移栽；2018年于3月24日播种，4月24日移栽.

晚稻品种威优46，2015年于6月13日播种，7月10日移栽；2016年于6月12日播种，7月11日移栽；2017年于6月13日播种，7月10日移栽；2018年于6月12日播种，7月11日移栽.

供试土壤pH 6.12，有机质30.82 g/kg，全氮1.70 g/kg，全磷0.77 g/kg，全钾8.47 g/kg，碱解氮163.4 mg/kg，有效磷39.60 mg/kg，速效钾298.60 mg/kg.全镉和有效镉分别为0.913 3 mg/kg和0.432 7 mg/kg.

1.2 试验设计

试验采取大区设计，将试验大田分为2大块，设2个处理，分别为：双季免耕(G1)、双季翻耕(G2).各处理面积均为115 m2，不设重复，每个处理均有独立的排水口与进水口，处理之间有田垄隔开并覆盖薄膜.

早稻栽培技术措施：插秧密度16.7 cm×20 cm，每穴3根苗.施肥方案为：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%.

晚稻栽培技术措施：插秧密度20 cm×20 cm，每穴3根苗.施肥方案为：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%.

1.3 测定项目与方法

产量及其构成因素：水稻成熟期，每区数100穴水稻的有效穗数，计算每穴平均有效穗数，然后按照平均有效穗数取15穴(每5穴为一次重复)，带回实验室考种，考察每穗实粒数、每穗总粒数、结实率、千粒重，最后根据有效穗数×每穗总粒数×结实率×粒重计算理论产量.

镉含量与积累量：(1)于水稻成熟期，根据平均有效穗数，每个区取样15穴(每5穴为一个重复)，分根、茎、叶、穗(进一步分为枝梗、空粒、实粒)装袋，置于烘箱中105 ℃杀青30 min，80 ℃烘干至恒重，记录干物质重量后，粉碎装于塑料自封袋中备用.(2)每处理收稻谷(实粒)1 kg，晒干，储藏3个月后碾米，分成谷壳、米糠、精米等3部分，烘干称重后，粉碎装于塑料自封袋中备用.针对以上材料，采用硝酸-高氯酸高温消解，用石墨炉检测消化液中镉含量.根据各部分干物重计算镉累积量.

1.4 数据处理

所有的试验数据均采用Excel 2013和SPSS 22.0统计软件进行分析.

2 结果与分析

2.1 双季翻耕与免耕处理水稻产量构成因素比较

2015年～2018年双季翻耕与免耕处理双季稻产量及其构成因素见表1.2015年，早、晚稻产量均表现翻耕高于免耕处理的趋势，早稻免耕处理千粒重较高，但有效穗数和结实率低于翻耕处理；晚稻免耕处理千粒重也显著高于翻耕处理，但其有效穗数和每穗粒数显著降低.2016年，早、晚稻产量仍表现翻耕显著高于免耕处理的趋势，早、晚稻免耕处理产量显著降低主要是由于每穗粒数显著降低所致.2017年，早稻产量翻耕处理显著高于免耕处理，主要原因是免耕处理有效穗数显著降低；晚稻免耕处理每穗粒数显著降低，但其因有效穗数略多和千粒重略高，因而两处理间产量差异并不显著.2018年，早、晚稻处理间有效穗数均有显著差异，早、晚稻产量均以免耕处理较低，但差异不显著.

可见，土壤耕作方式主要影响有效穗数和每穗粒数，对结实率无明显影响；实施不同土壤耕作方式1 a～2 a的情况下，翻耕处理具有显著增产优势，但其产量优势随年限延长而逐渐削弱，至第4 a翻耕处理已无显著增产优势.

表1 双季翻耕与免耕处理水稻产量及其构成因素

方差分析分年份和季别进行，不同小写字母表示差异显著(P<0.05)，下同

2.2 双季翻耕与免耕处理水稻成熟期镉含量比较

2015年～2018年双季翻耕与免耕处理双季稻成熟期根、茎、叶、穗镉含量见表2.2015年，早稻免耕处理根、茎、叶镉含量显著高于翻耕处理，但穗镉含量低于翻耕处理；晚稻趋势一致.2016年，早稻叶镉含量免耕处理显著低于翻耕处理，而根、茎、穗镉含量的处理间差异与2015年一致；晚稻根镉含量以免耕处理显著较高，其他各器官镉含量均翻耕处理较高.2017年，早稻根、茎镉含量以免耕处理显著较高，但叶、穗镉含量表现相反；晚稻根、茎镉含量也以免耕处理显著较高，但处理间叶、穗镉含量差异不显著；2018年，早稻根、茎、叶镉含量以免耕处理显著较高，处理间穗镉含量差异不显著；晚稻各器官镉含量均以免耕处理显著较高.

从2015年～2018年看，处理间根、茎镉含量始终以免耕处理显著较高，处理间叶镉含量差异年际间表现不一致，穗镉含量起初以免耕处理较低，但随年限增加有逐渐反超趋势.

综上所述，2015年～2017年，免耕水稻营养器官镉含量显著提高，但穗镉含量显著低于翻耕处理.可见，持续2 a～3 a的情况下，通过免耕降低双季稻穗镉含量是可行的.

表2 双季翻耕与免耕处理水稻成熟期根、茎、叶、穗镉含量(mg/kg)

2015年～2018年双季翻耕与免耕处理双季稻成熟期穗与籽粒各部位镉含量见表3.2015年，早、晚稻穗与籽粒各部位镉含量一般以免耕处理显著较高(谷壳除外).2016年～2017年，早、晚稻穗与籽粒各部位镉含量一般以翻耕处理较高；2018年早稻穗与籽粒各部位镉含量一般也以翻耕处理较高，但晚稻表现不一致，其枝梗、空粒与谷壳镉含量以免耕处理较高，但处理间糙米、米糠和精米镉含量差异不显著.

可见翻耕与免耕处理穗和籽粒各部位镉含量差异明显，且年际间也有差异.重点关注糙米镉含量可以发现，连续2 a以上免耕处理可降低糙米镉含量.

表3 双季翻耕与免耕处理水稻成熟期穗与籽粒各部位镉含量(mg/kg)

2.3 双季翻耕与免耕处理水稻成熟期镉累积量比较

2015年～2018年双季翻耕与免耕处理双季稻成熟期地上部各器官镉积累量见表4.由表可见，早、晚稻地上部各累积量均表现为茎>穗>叶，但水稻镉累积量在年际间、早晚稻间差异极大.两种耕作方式比较，4 a早稻地上部镉累积量在翻耕与免耕处理间未表现显著差异，2015年和2018年晚稻也不存在显著差异，但2016年～2017年晚稻地上部镉累积量以翻耕处理显著较高.

表4 双季翻耕与免耕处理水稻成熟期各器官镉累积量(g/hm2)

3 讨论

土壤耕作是作物生产上的一项常见措施，在当前稻田镉污染日益严重的情况下，已有研究者关注了土壤耕作方式对土壤有效镉含量的影响[10-12]，但研究结果尚存在差异.土壤耕作措施对双季稻镉累积的影响研究尚属空白，因此，本研究在湖南省湘潭县镉污染稻田开展大田定位试验，设置双季翻耕与双季免耕处理，比较了两种土壤耕作方式对双季稻产量与镉积累分配特性的影响，发现实施不同土壤耕作方式1 a～2 a的情况下，翻耕处理具有显著增产优势，但其产量优势随年限延长而逐渐削弱，至第4 a翻耕处理已无显著增产优势；翻耕与免耕处理穗和籽粒各部位镉含量差异明显，且年际间也有差异，连续2 a以上免耕处理可降低糙米镉含量.因此，本研究初步认为，镉污染稻田连续2 a以上双季免耕可以获得与翻耕产量相当、米镉含量更低的稻谷.

关于水稻各器官镉含量，常同举等[10]认为水稻镉各部位含量高低依次为根>茎叶>糙米，本研究结果与之一致.前人就水稻镉污染防控开展了大量研究，但目前从土壤耕作措施角度开展的双季稻镉污染防控技术研究较少，而其机理研究更少，因此，在湖南省湘潭县镉污染稻田上开展的本次大田定位试验，通过研究不同土壤耕作方式对双季稻田土壤镉含量变化以及对双季稻镉积累分配特性的影响，探讨其影响机制，为实现中度镉污染稻田水稻安全生产奠定基础.汤文光等[12]研究认为，长期免耕促进水稻地上部分富集镉的能力，但其糙米镉含量与长期翻耕处理无显著差异.这与常同举等[10]的结果不同.本研究发现，翻耕与免耕处理穗和籽粒各部位镉含量差异明显，且年际间也有差异，连续2 a以上免耕处理可降低糙米镉含量.可见，免耕对稻米镉含量的影响结果尚不一致.

前人从土壤有效镉含量的差异角度探讨了土壤耕作方式影响水稻镉累积的机理，崔孝强等[11]研究认为，免耕处理的土壤有效镉含量显著高于翻耕，而汤文光等[12]认为长期翻耕和旋耕的土壤中的镉含量显著偏高.可见在此方面尚无一致意见，由此可以看出耕作方式对水稻各器官镉积累与分配的影响十分复杂.目前有关土壤耕作方式对稻田土壤有效镉含量与稻米镉含量的影响结果尚无统一意见，可能与土壤类型、土壤镉含量、水稻品种等各方面有关，对此还有待深入研究.

4 结论

通过连续4 a比较研究双季翻耕与双季免耕对双季稻产量与镉积累分配特性的影响，本研究初步认为连续2 a以上双季免耕是确保镉污染稻田稻谷产量与较低镉含量的可行措施.考虑到土壤类型、土壤镉含量、水稻品种等各方面的因素，此方面研究还有待深入.