晚稻全生育期Cd的迁移转化规律及预测模型研究

杨国航，李 琼，和利钊，顾 静，牛 婧，张海欧，郑子健，赵 振

（1广西博世科环保科技股份有限公司，南宁530007；2北京博世科环保科技有限公司，北京100101）

0 引言

近年来，因矿产资源不合理开发、工业“三废”大量排放、污水灌溉、农药及化肥的长期不合理施用等造成中国农田土壤重金属污染问题日益突出[1]。2014年《全国土壤污染状况调查公报》[2]显示，全国土壤总超标率为16.1%，其中镉(Cd)的点位超标率最高，达7%，占土壤总超标点位的36%，是环境中毒性最强的5种元素之一，成为中国农田土壤中优先控制元素[3]。水稻作为中国主要的粮食作物（中国近2/3的人口以稻米为主食），对Cd具有很强的富集能力，土壤Cd超标直接影响粮食安全[4]。尤其是中国长株潭植稻地区，由于土壤Cd背景值高、农田Cd净输入量大及土壤酸化等原因，使得稻田土壤Cd超标，农产品安全风险更为严峻[5]。因此，植稻土壤Cd的安全风险评估与管控尤为重要。

水稻生长需经过苗期、分蘖期、灌浆期和成熟期，每个生育期对Cd的吸收和累积规律具有较大差异[6]。对于土壤-稻田系统，Cd通过食物链对人体的危害程度取决于稻米Cd含量。为了控制Cd进入食物链的浓度，需在水稻生长过程中控制进入籽粒的Cd含量。因此，需对水稻不同生育期Cd的吸收、分配和迁移转化规律进行研究，探寻Cd进入籽粒的关键生育期，进而采取相应措施控制稻米中Cd的累积，降低污染风险。有研究发现，分蘖期对Cd的胁迫最为敏感，根和茎叶中Cd含量最多[7]，分蘖期以后对Cd的耐性和解毒能力得到增强[8]，分蘖期形成的根表铁膜能有效抑制Cd向地上部转运[9]。Wang等[10]在分蘖期、孕穗期、抽穗期和灌浆期采样分析发现，抽穗期是控制Cd分配和转运的重要时期。张振兴[11]提出，分蘖期和成熟期是水稻累积Cd的关键时期，此时采取有效措施降低土壤Cd生物有效性对于降低籽粒Cd的累积具有重要意义。但上述试验多在人工添加Cd的土壤中进行，其土壤环境、Cd赋存形态及生物有效性与大田试验均相差甚远，研究结果可能偏离生产实际。并且，水稻籽粒Cd含量均为实验室仪器分析检测获取，既费时又耗资。近年来，基于大量试验数据统计分析，通过构建数学模型进行风险预测已成为风险评估领域的热点[12]。张厦等[13]基于Cd和Pb在土壤-溶液中的形态分布和分配机理，构建了农田土壤Cd和Pb有效性预测模型；蒋红群等[14]利用统计学与土壤重金属累积通量模型，对北京市土壤重金属潜在风险进行了预警。但关利用水稻某一生育期的土壤理化性质来预测成熟期籽粒Cd含量模型的研究鲜有报道。

本研究以常规中熟晚籼‘黄花粘’为供试品种，利用长沙市望城区大田试验土壤-水稻Cd点对点数据，分析水稻4个典型生育期（苗期、分蘖期、灌浆期和成熟期）及不同部位（根、茎叶及籽粒）对Cd的吸收、累积和分配差异，了解Cd在土壤-根-茎叶-籽粒中的迁移转化规律，探究稻米Cd积累的关键时期，以便适时采取相应措施，控制进入稻米中的Cd含量，降低污染风险；研究土壤理化性质对水稻吸收Cd的影响，量化早期某生育期某部位Cd含量与理化性质的关系，结合此生育期Cd含量与成熟期籽粒Cd含量的关系，最终构建基于某生育期土壤理化性质预测成熟期籽粒Cd含量的量化模型。

1 材料与方法

1.1 试验位点及供试材料

试验地点为长沙市望城区，地处湘中东北部，湘江下游，位于东经112°35′48″—13°02′30″、北纬27°58′28″—28°33′45″之间，属亚热带季风湿润气候。此地物产丰富，主产稻谷，典型农业种植模式为稻-稻轮作。

研究区土壤为水稻土，中轻度Cd污染，包括10个乡镇、街道（乔口、格塘、靖港、桥驿、茶亭、白箬铺、乌山、铜官、高塘岭及新康乡），共24个采样点。供试水稻为常规中熟晚籼‘黄花粘’。具体样点分布见图1。

图1 取样点位置图

1.2 土壤及水稻样品的采集与制备

分别于晚稻苗期、分蘖期、灌浆期及成熟期在固定点位采集土壤-根-茎叶-籽粒点对点样品。

表层(0～20 cm)土壤样品经自然风干后，碾碎，分别过1 mm和100目尼龙筛，保存待测。各生育期新鲜植株采集后，用去离子水冲洗干净，105℃及时杀青，分离根、茎叶和籽粒，在鼓风干燥箱中70℃下烘干至恒重，测定各部位干生物量，然后粉碎，过100目尼龙筛，保存待测。

1.3 土壤及水稻样品的分析测定

土壤样品经HNO3-HF-HClO4混合酸消解，水稻样品经HNO3-HClO4混合酸消解，土壤有效态镉(ACd)采用0.01 mol/L CaCl2浸提，消解液中全镉(TCd)及浸提液中土壤有效态镉含量采用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)测定。土壤pH（水:土=2.5:1）采用酸度计测定。土壤有机质(OM)采用水合热重铬酸钾氧化-比色法测定。

样品中Cd含量测定过程采用国家标准样品作为内标进行质量控制，土壤和晚稻标样分别选取GBW07406(GSS-6)和GBW10045(GSB-23)，每测定10个样品插入1个内标，要求回收率在90%以上。

1.4 数据处理及预测模型构建

1.4.1 Cd的富集、转运、分配能力 计算见式(1)～(3)。

1.4.2 预测模型构建 利用水稻某生育期某部位Cd含量及其对应的土壤pH、有机质及有效态镉数据，构建多元线性回归预测模型，见式(4)，并结合此生育期Cd含量与成熟期籽粒Cd含量的关系，最终构建利用某生育期土壤理化性质预测成熟期籽粒Cd含量的量化模型。在模型构建前，将土壤及水稻样品数据进行常用对数变换，以满足变量正态性假设要求。模型构建过程中，采用决定系数r2及方差分析P检验构建模型的显著性。

式中，Y为某生育期某部位Cd含量；ACd为土壤有效态镉；OM为土壤有机质；m、n和p为函数参数，分别表征土壤ACd、pH和OM的偏相关系数，q为常数项。

试验数据使用Microsoft Excel 2007统计软件处理；采用Excel 2007和Origin 8.5绘图；采用SPSS 18.0对不同处理中的数据变化进行显著性分析检验，考虑95%的置信水平，进行Duncan单因素方差分析(P＜0.05)。

2 结果与分析

2.1 水稻各部位Cd含量变化及主控因子

2.1.1 土壤理化性质变化 由表1可知，土壤理化性质因生育期的不同而存在较大差异。土壤pH在每个生育期24个采样点中无较大波动，变异系数(CV)仅为1%～2%；灌浆期由于淹水处理使土壤pH显著高于其余生育期(P＜0.001)，其余生育期之间差异不显著。每个生育期的土壤有机质含量波动较小，CV平均约为4%；成熟期有机质含量显著高于其余生育期，并达0.1%显著水平(P＜0.001)。土壤全镉含量波动较小，波动最大的灌浆期CV也仅为9.09%；除苗期外，其余生育期土壤全镉含量无显著差异，说明在水稻种植过程中土壤全镉含量几乎保持不变。而土壤有效态镉含量在分蘖期和成熟期则波动较大，CV分别达15.00%和17.65%，最大值分别是最小值的9.43和15.6倍，并且与苗期和灌浆期有显著差异(P＜0.05)，分蘖期显著升高，灌浆期显著降低，这可能是分蘖期之后淹水或施加钝化剂造成的。对比土壤全镉和有效态镉含量发现，各生育期全镉含量均高于有效态镉，平均全镉含量约为有效态镉的3倍。而在土壤中具有迁移活性、能被作物吸收利用的形态为有效态镉，因此，本试验主要研究水稻植株Cd含量与土壤有效态镉的关系，而非全镉。

2.1.2 水稻各部位Cd含量变化 由表2可知，水稻不同生育期及部位Cd含量差异较大。根Cd含量在分蘖期波动较大(0.46～5.01 mg/kg)，CV为15.38%，最大值约为最小值的11倍，其余生育期波动相对较小(CV≈7.56%)；根Cd含量在4个生育期之间差异十分显著(P＜0.001，F=27.73)，从苗期到成熟期逐渐增加，具体表现为成熟期＞灌浆期＞分蘖期＞苗期。茎叶Cd含量在4个生育期内均具有较大波动，尤其是分蘖期，CV达15.15%(0.27～3.17 mg/kg)，最大值约为最小值的12倍；茎叶Cd含量在苗期与分蘖期、成熟期之间差异显著，灌浆期和成熟期之间差异显著，具体表现为成熟期＞分蘖期＞灌浆期＞苗期。而成熟期各采样点籽粒Cd含量变化范围为0.11～0.75 mg/kg，CV为9.68%，最大值约为最小值的7倍。

表2 不同生育期及部位Cd含量变化

对水稻不同部位来说，在苗期、分蘖期和灌浆期，各部位Cd含量均为根＞茎叶；成熟期为根(3.77 mg/kg)＞茎叶(1.16 mg/kg)＞籽粒(0.31 mg/kg)，且差异显著，根Cd含量约为茎叶的3.25倍、约为籽粒的12.16倍，而茎叶中Cd均值约为籽粒的3.74倍。

2.1.3 土壤理化性质对水稻Cd含量的影响 经表3相关分析发现，土壤理化性质（pH、有机质、全镉及有效态镉）对水稻Cd含量的影响因生育期和部位的不同而不同。苗期和灌浆期土壤有效态镉含量、分蘖期根和茎叶Cd含量均与土壤pH呈显著负相关关系（P＜0.05或P＜0.01）；仅灌浆期茎叶Cd含量与土壤有机质有显著正相关关系(P＜0.05)；苗期有效态镉，分蘖期根、茎叶Cd和土壤有效态镉，灌浆期茎叶Cd，及成熟期茎叶、籽粒Cd及土壤有效态镉含量均与土壤全镉呈显著正相关关系（P＜0.05或P＜0.01）；分蘖期根和茎叶Cd含量、成熟期茎叶和籽粒Cd含量与土壤有效态镉呈极显著正相关关系(P＜0.01)；分蘖期和灌浆期茎叶Cd、成熟期籽粒Cd与根Cd呈显著正相关关系（P＜0.05或P＜0.01）。

表3 水稻不同生育期及部位Cd含量与土壤理化性质的相关分析R2

对比可知，土壤pH、全镉及有效态镉含量对分蘖期根和茎叶Cd含量的影响最大，pH的影响为负效应，即随pH增加，Cd含量显著降低；全镉及有效态镉的影响为正效应，即随全镉和有效态镉含量增加，同等土壤条件下，根和茎叶Cd含量显著增加；且各因子的影响程度为有效态镉＞全镉＞pH。但是，由于土壤全镉含量在各生育期均无显著变化（表1），全镉不能很好地预测Cd的生物有效性；而有效态镉在土壤中具有较大的迁移活性，能被作物直接吸收利用，对Cd在植株内的富集起决定性因素，因此本研究仅考虑土壤pH和有效态镉含量对水稻植株Cd含量的影响。

与分蘖期根Cd含量与理化性质的相关性相比，分蘖期茎叶Cd含量与土壤pH和有效态镉含量的相关性最好，即分蘖期茎叶Cd含量受土壤理化性质的影响最大，是控制Cd进入籽粒的关键生育时期，在后续预测模型构建时可选用分蘖期茎叶Cd含量来预测成熟期籽粒Cd含量。

2.2 土壤-水稻系统中Cd的迁移转化及主控因子

2.2.1 Cd富集系数 富集系数(BCF)是衡量植株各部位对Cd吸收和积累的重要指标。不同生育期水稻Cd的富集能力存在较大差异（图2）：灌浆期根BCF波动最大(CV=12.38%)，成熟期籽粒波动最小(CV=8.00%)。根BCF在苗期和分蘖期无显著差异，但这2个生育期与灌浆期和成熟期之间具有显著差异(P＜0.001，F=20.04)，富集能力为成熟期＞灌浆期＞分蘖期＞苗期。成熟期茎叶BCF与其余生育期之间具有显著差异(P＜0.05，F=3.35)，富集能力为成熟期＞分蘖期＞灌浆期≈苗期。根和茎叶中Cd的富集能力与其Cd含量在不同生育期中具有相同的变化规律。

图2 各生育期各部位对Cd的富集系数

同一生育期不同部位对Cd的富集能力也存在较大差异。根和茎叶对Cd的富集能力在苗期、分蘖期和灌浆期表现为根＞茎叶；成熟期为根＞茎叶＞籽粒；且根BCF明显高于其他部位，尤其是灌浆期和成熟期，说明水稻根系对Cd的富集能力远大于地上部。

由表4可知，仅分蘖期茎叶BCF与土壤pH和有效态镉具有显著相关性(P＜0.05)，pH为负效应，有效态镉为正效应，且影响程度相近（pH 0.434；有效态镉0.470）。这与土壤pH和有效态镉对分蘖期茎叶Cd含量的影响一致，但对比相关系数（表3～4）发现，茎叶Cd含量与pH和有效态镉的相关性更高（pH 0.439，有效态镉0.832），因此在预测模型推导时，选用分蘖期茎叶Cd含量变化，而非BCF。

表4 各生育期各部位BCF与土壤理化性质的相关性R2

分蘖期和灌浆期的茎叶BCF与根BCF具有极显著相关性(P＜0.01)，系数分别达0.820和0.731。在成熟期，土壤理化性质对水稻各部位BCF均无显著影响，而籽粒与根、茎叶则具有极显著相关性(P＜0.01)，且与茎叶(0.608)的相关性高于根(0.531)，说明成熟期时Cd从土壤到地上部的转移已经趋缓，主要进行水稻体内根-茎叶-籽粒之间的转化，并且籽粒中Cd大部分来自于茎叶的转化。

2.2.2 Cd转运系数 转运系数(TF)是地上各部位重金属含量与地下部位重金属含量之比，可以用来反映植株向地上各部位转运重金属的能力，其值越大，表示重金属在植株中的迁移能力越强。不同生育期Cd在土壤-根-茎叶-籽粒之间的转运系数变化规律如图3所示。每个生育期24个采样点Cd从土壤向根的转运系数(TF土-根)和根向茎叶的转运系数(TF根-茎叶)变幅均不大，CV分别为8.72%～12.38%和8.08%～13.83%。水稻植株各部位的转运系数因生育期而异：TF土-根随生育时间的增加而增大，具体表现为成熟期＞灌浆期＞分蘖期＞苗期，且灌浆期和成熟期与苗期和灌浆期差异达显著性水平(P＜0.05)；TF根-茎叶随生育时间的延长而减小，到成熟期时最低，说明在苗期和分蘖期Cd从根部向茎叶的转移速度较成熟期更快。

图3 各生育期各部位Cd的转运系数

4个生育期各部位Cd的转运系数为TF土-根＞TF根-茎叶，成熟期Cd从根向籽粒的转运系数(TF根-籽粒)较低，仅为0.09，茎叶向籽粒的转运系数(TF茎叶-籽粒)较大，为0.30，说明Cd从根部转移到籽粒的速度较慢、转移量较少，且籽粒中的Cd大部分都是来自于茎叶的转移。因此，在实际修复Cd污染土壤时要采取相应措施尽可能减小Cd的转运系数，是土壤修复的重要研究方向。

2.2.3 Cd积累量 对不同生育期水稻各部位进行Cd含量测定，并结合各部位生物量，计算各生育期各部位的Cd积累量，如图4所示。每个生育期24个采样点根、茎叶及籽粒Cd的积累量变化幅度均不大，CV分别为9.63%～12.24%、10.48%～12.79%及11.81%。根Cd积累量在苗期与灌浆期，分蘖期与成熟期无显著差异，而苗期与分蘖期和成熟期具有显著性差异，根Cd积累量为成熟期＞分蘖期＞灌浆期＞苗期。茎叶Cd积累量变化规律与根相似。

图4 不同生育期根、茎叶及籽粒Cd积累量

同一生育期不同部位Cd的积累量存在较大差异：苗期、分蘖期及灌浆期根和茎叶Cd积累量为茎叶＞根，成熟期为茎叶＞根≈籽粒。

2.2.4 Cd分配差异 由图5可知，Cd在不同生育期及部位的分配系数不尽相同。每个生育期24个采样点同一部位Cd的分配系数变化幅度均不大，尤其是苗期茎叶，CV仅为2.05%。每个生育期各部位Cd的分配系数表现出较大差异：Cd在灌浆期根中的分配系数显著高于其余生育期，其余生育期之间无显著差异性；Cd在苗期和分蘖期茎叶中的分配系数无显著差异性，而灌浆期和成熟期与这2个生育期之间差异性显著。

图5 不同生育期不同部位Cd的分配系数

对比同一生育期根、茎叶及籽粒Cd的分配系数发现，苗期、分蘖期和灌浆期各部位Cd的分配系数均为茎叶(＞70%)＞根(20%～30%)，成熟期为茎叶(60%)＞根(20%)≈籽粒(20%)，且茎叶明显高于其他部位，说明水稻吸收的Cd主要分配于茎叶，其次为根和籽粒，这种分配差异与各部位Cd累积量的差异变化一致。

2.3 成熟期籽粒Cd含量预测模型

由表1可知，分蘖期茎叶Cd含量相对较高，且与土壤pH和有效态镉含量均呈显著相关性（表2），是控制Cd进入籽粒的关键生育期。叶长城等[15]认为，与灌浆期和成熟期相比，在水稻分蘖期采用植物阻隔技术对籽粒Cd含量的削减尤为重要。为了提前预知成熟期籽粒Cd含量是否超过食品安全国家标准(GB 2726—2012)规定的污染物限值，可以通过建立数学模型，利用分蘖期茎叶Cd含量预测成熟期籽粒Cd含量。若籽粒Cd含量超标，则立即在分蘖期采取相应措施降低Cd的生物有效性，减少其向籽粒的转运，以保证籽粒Cd含量不超标。

利用SPSS 18.0对分蘖期茎叶Cd含量与土壤pH和有效态镉含量进行多元线性回归分析，采用式(4)拟合，量化茎叶Cd含量与土壤pH和有效态镉的关系，获得茎叶Cd含量的预测模型（单因子和双因子），如表5所示。单因子预测模型再次证明了影响水稻茎叶吸收Cd的主要因子为土壤pH及有效态镉含量，决定系数分别为31.7%和44.9%，且模型均达极显著水平(P＜0.01)。在决定系数r2和显著性水平P的控制下，比较各预测模型（表5），得出大田条件下利用分蘖期土壤理化性质预测茎叶Cd含量的最优预测模型为lgCd茎叶=2.124-0.310pH+0.817lgACd，决定系数达68.4%，模型达十分显著水平(P≤0.001)。根据预测模型可知，因子影响程度为土壤有效态镉含量(0.817)＞pH(-0.310)，其中土壤有效态镉为正效应，pH为负效应，与表3结果一致。因此，在确定水稻茎叶Cd含量时，要综合考虑土壤pH和有效态镉的共同影响，这可能与南方稻田生长过程中分蘖期后淹水有关。其他因素如土壤Zn含量[16]、有机质含量等虽然对稻米吸收Cd有一定影响，但因与前2类因子存在明显共线性或影响不显著等原因而未能用于表征土壤-水稻系统Cd预测模型。

表5 分蘖期根和茎叶Cd含量预测模型

分析发现，成熟期茎叶Cd含量与分蘖期茎叶Cd含量呈一定线性关系（图6a），如式(5)。

成熟期籽粒Cd含量与茎叶Cd含量也具有一定转化关系（图6b），如式(6)。

图6 Cd含量关系

将式(5)代入式(6)推出成熟期籽粒Cd含量和分蘖期茎叶Cd含量的线性方程，如式(7)。

将分蘖期茎叶Cd含量的预测模型lgCd茎叶=2.124-0.310pH+0.817lgACd代入式(7)得到成熟期Cd含量的预测模型如式(8)，即为利用分蘖期土壤pH和有效态镉含量来预测成熟期籽粒Cd含量的模型。

3 讨论

3.1 Cd在土壤-水稻系统中的迁移转化规律及预测模型

土壤Cd对水稻体内Cd含量的影响因水稻生育期、部位、生物量及生长条件等的不同而存在较大差异[17]。水稻Cd的累积差异受到根系吸收Cd能力和Cd从根部向地上部转运强度及地上部向籽粒输送能力的双重影响[18]。本研究发现，不同生育期及部位的Cd含量及富集能力均存在较大差异：苗期、分蘖期和灌浆期的根和茎叶Cd含量及富集能力均为根＞茎叶；成熟期为根＞茎叶＞籽粒，且根部明显高于其他部位，说明根系是水稻吸收Cd的主要部位，根系Cd吸收能力直接影响到地上部的迁移能力[19]，籽粒由于生长时间最短，距离污染源最远，Cd的吸收量最低。周静等[20]发现，水稻各部位Cd富集效率为根系＞茎秆＞叶＞糙米，Cd转运效率为TF土-根＞TF茎-叶＞TF茎-糙米＞TF根-茎，说明土壤Cd先富集于根部(＞90%)，再逐步向地上各部位转运，但根-茎叶Cd转运能力较小，最终转运到籽粒中的Cd含量更少。而本研究中，各部位Cd的转运系数为土-根＞根-茎叶＞茎叶-籽粒＞根-籽粒，成熟期Cd从土壤向根部的转移系数为9.39，从根向茎叶、茎叶向籽粒和根向籽粒的转移系数较小，分别为0.35、0.30和0.09，验证了周静等[20]的结论，且籽粒中Cd大部分都来自于茎叶的转移，来自于根部的较少。Nocito等[21]也发现，Cd在土壤-稻田系统迁移转化过程中，进入植株体内的Cd约49%～79%富集于根部，潜在移动的Cd2+仅为24%。

水稻各部位Cd的富集和转运能力在不同生育期也不尽相同。根部Cd的富集及转移能力差异变化规律相同，均为成熟期＞灌浆期＞分蘖期＞苗期。这与龙小林等[22]水稻生长后期吸收Cd速率快于前期的报道一致。研究Cd在水稻中的分配、转运机制发现，Cd通过根系吸收从土壤进入水稻，一部分被封存到根系液泡中，另一部分经木质部导管装载进入茎秆或叶片中，然后再被转运至茎的韧皮部，最后通过韧皮部的介导再转运至籽粒[23]。但唐非等[24]认为，在水稻苗期、分蘖期、抽穗期及完熟期4个生育期中，茎叶Cd含量呈先升高后降低再升高的趋势，在成熟期达到最大值。刘昭兵等[25]也得出与唐非一致的结论，即水稻各部位Cd含量均表现为分蘖期＞成熟期＞抽穗期。这些研究结果的差异可能是土壤Cd浓度、供试品种及当时试验环境差异造成的。

水稻各部位Cd的积累量不仅与该部位Cd含量有关，还与其生物量有关。本研究中，水稻不同部位的积累量为茎叶＞根≈籽粒。不同生育期水稻根部对Cd积累量变化显著，成熟期根部Cd积累量最多，分蘖期次之，灌浆期和苗期最少；茎叶是水稻的功能器官，其吸收营养物质的能力随植物不同时期能量的改变而改变，分蘖期和成熟期对茎叶Cd的积累贡献最大。根据水稻各部位积累量得出Cd在水稻苗期、分蘖期和灌浆期各部位的分配比例为茎叶(＞70%)＞根(20%～30%)，成熟期为茎叶(60%)＞根(20%)≈籽粒(20%)，且茎叶明显高于其他部位，说明水稻吸收的Cd主要分配于茎叶，其次为根和籽粒，这种分配差异与各部位Cd累积量的差异变化一致。Liu等[26]通过外源添加Cd(100 mg/kg)的盆栽试验得出了不一致的结果：不同部位Cd的分配比例为根系(88%)＞茎(9.15%)＞叶(0.76%)＞籽粒(0.73%)，这种差异性变化可能与水稻各部位的生物量有关。并且每个生育期各部位Cd的分配系数表现出较大差异，灌浆期根中Cd的分配系数显著高于其余生育期，分蘖期茎叶中Cd的分配系数显著高于灌浆期和成熟期。分蘖期是水稻生长发育的关键时期，营养物质需求量高，生理活动旺盛，此时茎叶生物量最大，积累了最多的Cd。另外，成熟期茎叶中Cd的分配系数有所降低，并出现了籽粒，说明成熟期茎叶中的部分Cd向籽粒进行了转移。

除水稻根系吸收、累积及转运Cd的效率差异等植物本身遗传特性对水稻Cd累积的影响外，土壤Cd浓度、pH、Cd形态等环境因素也会影响Cd生物有效性和代谢机制，进而影响水稻各部位对Cd的富集及转移[27]。Yu等[28]发现水稻籽粒Cd积累差异受土壤Cd浓度的影响，龙新宪等[29]发现水稻对Cd的吸收量与土壤Cd含量呈正相关关系。而本研究发现，水稻根和茎叶Cd含量与土壤pH呈显著负相关关系，与土壤有效态镉呈显著正相关关系，说明土壤pH和有效态镉含量是影响水稻Cd含量的主控因子。且分蘖期茎叶Cd含量与土壤性质的相关性最高，受土壤理化性质的影响最大，是控制Cd进入籽粒的关键生育时期。

在Cd污染农田修复时，为提前预测修复后水稻籽粒Cd含量是否达到食品安全国家标准(GB 2726—2012)规定的污染物限值，利用水稻某生育期土壤理化性质预测籽粒Cd含量，以便及时采取相应措施降低Cd生物有效性，减少其向籽粒的转运，保证籽粒Cd含量达标。本研究利用SPSS 18.0对分蘖期茎叶Cd含量与土壤pH和有效态镉含量进行多元线性回归分析，量化茎叶Cd含量与对应土壤pH和有效态镉之间的关系，获得茎叶Cd含量的最优预测模型，然后利用成熟期籽粒-成熟期茎叶-分蘖期茎叶之间的线性关系，推导出成熟期籽粒Cd的预测模型。此预测模型对进行实地农田修复具有指导作用。

3.2 预测模型的局限性

本试验仅选用长沙市望城区水稻土污染土壤，土壤类型单一；预测模型推导过程中仅考量了pH和有效态镉2个土壤因子的影响，且土壤因子差异区间较窄（pH 4.94～6.35，有效态镉0.05～0.78 mg/kg）；另外，仅选用一种水稻作为供试品种，忽略了水稻品种对各生育期各部位Cd含量的影响，因此构建的预测模型在一定程度上具有适用局限性。该预测模型仅可应用于中国长株潭地区稻田土壤Cd风险预警和管控，而对北方偏碱性土壤适用性较差。并且还需对预测模型进行田间验证，探究本预测模型应用于大田条件下土壤Cd安全预警的可行性。

4 结论

不同生育期根、茎叶及籽粒的Cd含量和富集能力均为根＞茎叶＞籽粒，且根部明显高于其他部位，说明根系是水稻吸收Cd的主要部位；且不同生育期差异显著，具体为成熟期＞灌浆期＞分蘖期＞苗期。

土壤-稻田系统中Cd大部分先富集于根部，再逐步向地上各部位转运，但根-茎叶Cd转运能力较小，最终转运到籽粒中的Cd含量更少，具体转运能力为土-根＞根-茎叶＞茎叶-籽粒＞根-籽粒；且分蘖期转运能力显著高于其余生育期。

Cd在水稻中的积累量和分配差异为茎叶＞根＞籽粒，且分蘖期和成熟期远大于苗期和灌浆期；另外，成熟期茎叶中Cd的分配系数有所降低，并出现了籽粒，说明成熟期茎叶中的部分Cd向籽粒进行了转移。

土壤pH和有效态镉含量是影响水稻Cd含量的主控因子，其中pH为负效应，有效态镉为正效应，分蘖期茎叶Cd含量受其影响最大，是控制Cd进入籽粒的关键时期。利用SPSS 18.0量化了成熟期籽粒Cd含量与分蘖期土壤pH和有效态镉含量的关系，拟合出成熟期籽粒Cd含量的预测模型lgCd成熟期籽粒=0.158-0.099pH分蘖期+0.261lgACd分蘖期。研究结果对进行实地农田修复具有重要作用，可为中国长株潭地区稻田土壤Cd污染风险评估和管控提供理论依据和数据支撑。