水分管理对不同季别水稻稻米镉积累的影响

颜旭，周群丰，廖博通，严天泽，李艳锋，王凯，杨远柱，3*

（1袁隆平农业高科技股份有限公司/农业农村部南方水稻品种创制重点实验室/抗病虫水稻育种湖南省工程实验室，长沙 410127；2华中农业大学植物科学技术学院，武汉 430070；3湖南亚华种业科学研究院，宁乡 410604；4湖南人文科技学院农业与生物技术学院，娄底 417099）

镉为人体非必需元素，过度摄入镉可导致人发生镉中毒［1］。世界卫生组织将镉列为重点关注的食品污染物；国际癌症研究机构（IARC）将镉归类为人类致癌物，会对人类健康造成严重的损害；美国毒物和疾病登记署（ATSDR）将镉列为第7位危害人体健康的物质；我国也将镉列为实施排放总量控制的重点监控指标之一。水稻是全球三大粮食作物之一和半数以上人口的主食，也是强吸收镉的大宗谷类作物之一［2］。因此，在水稻生产中有效降低稻米的镉积累量对确保稻米食用安全具有重要意义。

镉污染稻田中，不同水分管理方式对稻米镉积累影响显著，全生育期淹水能显著降低稻米镉含量，获得符合国家安全标准的稻米［3，4］。然而，全生育期淹水管理需水量大，易造成水体面源污染、水稻的抗逆性下降、易发生病害和倒伏、肥料流失等问题，而且长期淹水在降低稻米镉含量的同时会显著提高另外一种重金属元素砷在稻米中的积累［5-7］。在水稻的整个生育期中，抽穗期对水分敏感程度最高，此时期的水分管理对稻米镉含量影响显著［8］。而不同的水稻品种，对水分管理的响应不一。因此，水稻生产中应根据品种特性选择合适的水分管理模式，在降低糙米镉和砷含量的同时节约水资源。前人对稻米镉积累特性的研究，有的侧重于水分管理方式，如：全生育期淹水［9］、干湿交替［10］、不同生育期淹水［11］等方面，没有考虑不同品种类型所需淹水方式不同；有的侧重于不同品种类型糙米镉积累的差异［12］，没有考虑淹水方式对不同品种类型的影响。

本研究以袁隆平农业高科技股份有限公司主推的代表性早籼、中籼和一季晚籼品种为对象，研究抽穗后不同淹水天数对稻米镉含量的影响，旨在明确不同类型水稻品种不同淹水（天数）管理条件下稻米镉含量变化规律，为市场上主推水稻品种的低镉生产提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

盆栽试验于2018和2019年6—9月在隆平高科关山育种基地进行，所用土壤采集自湖南省长沙市附近的不同镉污染区。根据土壤环境质量标准（GB15618-1995）和《耕地土壤重金属污染评价技术研究：以土壤中铅和镉污染为例》中的耕地土壤重金属累积性污染单项污染指数等级划分标准划分为未污染、轻度污染和中度污染3个等级（土壤基本情况见表1）。所采集的土壤经风干后过5 mm筛，混匀，装入20 cm×26 cm的塑料桶中，每桶装土10 kg，标记污染程度。

表1 试验土壤基本概况Table 1 Basic situation of trail soil

试验所采用的水稻品种包括5个早籼杂交稻品种（株两优819、株两优211、钰两优611、钰两优771和陵两优268）、8个中籼或一季晚籼杂交稻品种（隆两优华占、晶两优华占、隆两优534、晶两优534、悦两优2646、丰两优4号、隆晶优蒂占和振两优3228）。

1.2 试验方法

试验设置品种、土壤镉污染程度及水分管理3个因素。镉污染土壤包括未污染（Cd1）、轻度污染（Cd2）和中度污染（Cd3）3个处理；水分管理方式分为抽穗后7 d（A1）、14 d（A2）、21 d（A3）和28 d（A4）开始干水管理和全生育期淹水（A5）管理，淹水深度5 cm。

水分管理具体实施措施为：在180 cm×103 cm×67 cm的塑料水池侧面底部安装排水阀，将20 cm×26 cm的塑料盆底部及侧面各钻4个排水孔作为栽培桶，将秧苗移栽进栽培桶后放入塑料水池中进行统一水分管理（图1）。淹水处理为将塑料水池灌水至刚好淹没栽培桶，干水处理为将塑料水池排水阀门拧开将水放干。为防止过度干旱，每天17∶00左右将塑料水池灌水浸泡10 min，然后放干。

图1 水稻栽培桶（左）、套池（中）、栽培效果图（右）Fig.1 Bucket for rice planting（left），plastic pool（middle），actual effect（right）

每处理3盆作为3个重复，每盆3穴，单株插植。每盆一次性施入12 g复合肥（N、P、K含量均为15%）作基肥。

1.3 取样与测定方法

待水稻种子90%黄熟后开始收获，每盆全收并单独装袋。籽粒晒干后碾成糙米。2018年试验样品依据GB 5009.15-2014使用原子吸收分光光度计检测镉含量，2019年试验样品用稻米重金属检测仪钢研纳克NK-100FA检测。

1.4 数据处理

所有试验数据采用Microsoft Excel 2019及SPSS 18.0软件进行处理及分析。

2 结果与分析

2.1 土壤镉含量、水分管理和品种与稻米镉含量的相关性分析

对稻米镉积累量进行联合方差分析，结果表明，稻米镉含量在不同品种、土壤污染水平、水分管理方式间差异都达到极显著水平，其中土壤污染水平与水分管理方式贡献的稻米镉积累量总方差变异最大，2018年和2019年分别达73%和76%（表2）。多因素互作方面，品种与土壤镉污染水平、土壤镉污染水平与水分管理的互作对稻米镉积累量的影响均达到极显著水平，但仅贡献了稻米镉积累量总方差变异的5%左右。品种与水分管理、品种与土壤镉污染水平和水分管理的互作对稻米镉积累量的影响不显著。

表2 土壤镉含量、水分管理和品种对稻米镉含量影响的三因素方差分析Table 2 Variance analysis of three factors of soil cadmium content，water management and rice varieties on cadmium content in Rice

2.2 不同淹水时间对早稻稻米镉积累的影响

在2年的未污染土壤中，早稻品种的稻米镉含量均未超过国家食品安全标准（0.2 mg/kg），表明在未污染土壤中开展早稻生产不存在稻米镉污染风险，可以根据品种本身的栽培要点合理进行灌溉管理（图2）。在轻污染土壤试验中，除株两优819外，所有品种在抽穗后7 d进行干水管理均存在稻米镉污染风险；除钰两优771外，抽穗14 d后开始干水管理，所有品种的稻米镉含量均未超过0.2 mg/kg；抽穗后21 d开始干水管理，在轻污染土壤中开展早稻生产不存在稻米镉污染风险。在中污染土壤试验中，2年试验结果差异较大，但总体上钰两优771的稻米镉积累能力较强，在2年试验所有处理中其稻米镉含量均超标或接近超标水平，株两优211、钰两优611和陵两优268与镉低积累应急性品种株两优819具有相似或更低的稻米镉低积累能力；除钰两优771外，其他早稻品种在全生育期淹水的情况下其稻米镉含量均达到国家食品安全标准。

图2 不同淹水时间处理杂交早稻稻米镉含量Fig.2 Cadmium content in early-season hybrid rice treated by different flooding time

2.3 不同淹水时间对一季杂交稻稻米镉含量的影响

从图3可见，在未污染土壤中，一季杂交稻稻米镉含量与早稻结果一致；在轻污染土壤中，隆两优534、晶两优534、悦两优2646、隆晶优蒂占和丰两优4号稻米镉含量在所有水分管理条件下均未超过国家食品安全标准；在中污染土壤中，在抽穗后28 d开始干水管理，所有品种都不存在稻米镉污染风险。悦两优2646、隆晶优蒂占和丰两优4号在轻污染和中污染土壤中均表现出较低的镉积累能力，在抽穗7 d后开始干水管理，其稻米镉含量仍可达到国家食品安全标准。

图3 不同淹水时间处理一季杂交稻稻米镉含量Fig.3 Cadmium content in single-season hybrid rice treated by different flooding time

3 讨论

研究表明，土壤微环境条件可通过影响镉的存在形式而影响水稻对镉的吸收［13，14］。张丽娜等［9］研究了不同水分管理方式对水稻产量和稻米镉积累的影响，发现全生育期淹水处理的水稻糙米镉含量最低，而旱作栽培处理最高。Arao等［15］研究了不同时期水分管理对稻米镉和砷积累的影响，发现抽穗前后3周长时间淹水对降低稻米中的镉含量最有效，全生育期淹水处理的稻米镉含量最低，而抽穗后淹水3周比抽穗前淹水3周更为有效。张磊等［12］发现，不同品种类型的糙米镉含量表现为杂交稻＞超级杂交稻＞常规稻。陈光辉等［8］发现，晚稻品种糙米镉含量比早稻品种低，约为早稻品种的1/2。本研究发现不论是早稻、中稻还是晚稻，抽穗后随着淹水天数的增加糙米镉含量显著下降，且都可以通过特定的水分管理方式，在轻度、中度镉污染稻田上生产出符合国家安全标准的稻米。在无绝对镉低积累品种的情况下，在稻米镉污染土壤中开展水稻生产，有必要针对各品种开展最佳水分管理方式研究，进而在确保稻米镉含量符合国家食品安全标准的前提下，兼顾高产和节约水资源。

4 结论

本试验分析了不同的淹水时间对镉含量不同的土壤中早稻和一季杂交稻稻米镉含量的影响，结果显示，在无污染土壤中种植的水稻糙米镉含量均符合国家安全标准，可以根据其高产优质栽培措施选择合适的水分管理方式；在轻污染地区采取抽穗后淹水21 d的处理方式，生产的水稻均能达到国家安全标准；在中污染地区，采取早稻全生育期淹水、中稻以及一季晚稻抽穗后淹水28 d处理，生产的稻米也基本上都能符合国家安全标准；镉低积累品种在中污染地区有较好的表现，淹水7 d就能符合安全标准。株两优211、钰两优611、隆两优534、晶两优534、悦两优2646、隆晶优蒂占和丰两优4号等品种稻米镉积累能力与湖南省应急性镉低积累水稻品种（株两优819和晶两优华占）相当或比其更低。研究结果对试验品种株两优819、株两优211、钰两优611、钰两优771、陵两优26、隆两优华占、晶两优华占、隆两优534、晶两优534、悦两优2646、丰两优4号、隆晶优蒂占和振两优3228以及其他水稻品种的推广和低镉生产具有重要指导意义。