蘇雨婷，趙英杰，谷子寒，王元元，屠乃美，周文新，陳平平，易鎮(zhèn)邪

（湖南農業(yè)大學農學院／南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，長沙 410128）

土壤是人類賴以生存的重要資源。根據2014年《全國土壤污染調查公報》顯示，我國土壤重金屬污染嚴重，其中鎘污染物點位超標率達到7.0%。鎘主要通過工業(yè)“三廢”的排放進入土壤。作物籽粒中的鎘主要來自于土壤，土壤鎘有效性與作物吸收量密切相關。鎘易被作物吸收，且在作物體內易轉移，被人類直接食用或通過食物鏈的其他生物富集到人體內，會對人體造成慢性毒害［1～3］。水稻是高積累鎘（Cd）的農作物，鎘濃度較高時，水稻呼吸作用、光合作用受到影響，水稻正常生長發(fā)育受阻［4～6］。受鎘脅迫的水稻植株表現為：生長滯緩、矮小，葉片失綠、發(fā)黃、卷曲，葉片干重下降，苗鮮重降低［1，7］。人畜如果長期食用“鎘米”，會對骨骼系統(tǒng)造成嚴重的不良影響，從而使患“痛痛病”的概率增加，嚴重時甚至會導致死亡［8］。因此，水稻田的鎘污染問題值得重視，如何降低食物鏈中的重金屬污染已成為熱點問題。

劉昭賓等［9］研究表明，不同水分管理模式通過影響土壤Fe2＋和有效S含量變化對Cd污染土壤水稻吸收積累Cd產生顯著影響。紀雄輝等［10］研究表明，Cd污染稻田通過長期淹水灌溉能顯著降低稻米中的Cd含量。目前，通過種植富集鎘的植物、施肥、施石灰等方式來降低土壤鎘有效性的研究較多［11～14］，但關于不同灌溉方式對土壤鎘有效性影響的研究較少；關于鎘在水稻植株中的吸收積累研究較多［15，16］，而關于水稻各個器官與籽粒各部分對鎘的累積研究較少。同時，不同灌溉方式對水稻不同生育階段土壤鎘有效性的研究罕見報道。為此，本研究設置全生育期淹水灌溉與間歇灌溉兩個處理，研究了灌溉方式對水稻各時期土壤鎘有效性與水稻產量形成及其各器官與籽粒各部分鎘累積特性的影響，旨在明確鎘污染稻田的適宜灌溉方式，為鎘污染稻田的清潔生產提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料

早稻品種‘陵兩優(yōu)211’，2016年3月24日播種，4月24日移栽。插秧密度16.7 cm×20 cm，每蔸3根苗。施肥方案按照當地施肥習慣施用：基肥600 kg／hm2，分蘗初期追肥尿素 150 kg／hm2?；蕿閺突旆柿希琋、P2O5、K2O比例為 22∶6∶12，尿素含氮46.4%。

晚稻品種‘威優(yōu)46’，2016年6月12日播種，7月11日移栽。插秧密度20 cm×20 cm，每蔸3根苗。施肥方案按照當地施肥習慣施用：基肥600 kg／hm2，分蘗初期追肥尿素150 kg／hm2，孕穗期追肥鉀肥120 kg／hm2。基肥為復混肥料，N、P2O5、K2O比例為 22∶6∶12，尿素含氮46.4%，鉀肥為KCl，含K2O 55%。

1.2 試驗地點

試驗地點在湖南省湘潭縣易俗河鎮(zhèn)鎘污染稻田，早稻田 pH 6.15，全 Cd含量1.0156 mg／kg，有效態(tài) Cd含量0.5005 mg／kg；晚稻田 pH6.11，全 Cd含量 1.0654 mg／kg，有效態(tài) Cd含量 0.5062 mg／kg。生理及化學指標在湖南農業(yè)大學作物生理與分子生物學教育部重點實驗室進行。

1.3 試驗設計

試驗采取大區(qū)設計，不設重復。設2個處理：5 cm淹水灌溉（T1）：即全生育期保持5 cm水層；5 cm間歇灌溉（T2）：即每次灌溉5 cm水層，自然落干后再灌溉5 cm水層，直至成熟。早稻每個處理面積為115 m2，晚稻面積為48 m2。水分處理從水稻拔節(jié)初期（分蘗末期）開始，分蘗期均保持淺水狀態(tài)。

1.4 測定項目與方法

1.4.1 水稻產量形成特性

莖蘗動態(tài)：每個區(qū)定3個點，每個點定水稻10蔸，自水稻返青后開始每7 d記錄一次莖糵數，直至齊穗。

葉面積：于分蘗盛期、孕穗期、齊穗期、灌漿中期、成熟期取水稻植株樣，長寬積系數法計算葉面積，即：葉面積＝長×寬×0.75。

SPAD值：于孕穗期、齊穗期、灌漿中期、成熟期用SPAD－502測量倒數第一片葉距離葉基部1／3處、1／2處及2／3處的SPAD值，每片葉重復3次，取平均值，每處理測量10片。

實際測產：水稻成熟后，每處理取3點測實際產量，每點割100蔸，脫粒后去除稻草及空粒，稱量谷重，用烘干法測含水率，折算含水量13.5%的實際產量。

理論測產：水稻成熟后每個大區(qū)數80蔸，記錄有效穗數，計算單穴平均有效穗數，按照平均有效穗數取15蔸，帶回室內考種（每5蔸為一次重復），考察每穗總粒數、每穗實粒數、結實率、千粒重、穗長，計算理論產量。

1.4.2 土壤有效鎘含量

土壤于早稻耕作施肥前、早晚兩季水稻的分蘗盛期、孕穗期、齊穗期、灌漿中期、成熟期按5點取樣法取0～20 cm土樣，自然風干后過10目篩備用，測定土壤有效態(tài)鎘含量。土壤測定全鎘含量過100目篩，采用鹽酸－硝酸－氫氟酸－高氯酸全消解的方法；測定有效鎘含量過10目篩，用0.1 mol／L CaC12溶液浸提，提取條件為：土壤與提取液比1∶5，在速度250 r／min和25℃恒溫振蕩器振蕩2 h，石墨爐原子吸收光譜儀測定。

1.4.3 水稻鎘積累分布特性

將取回的各時期植株洗凈，然后用0.1 mol／L鹽酸浸泡根系15 min，去掉根表面吸附的鎘，用自來水沖洗3遍，再用去離子水沖洗3遍，吸干表面水分后，將各處理植株分為根、莖、葉、穗、粒等部分，放入烘箱105℃殺青0.5 h，80℃烘干至恒重。成熟期每處理另收獲稻穗約200穗，曬干后分為枝梗、空粒與實粒，實粒儲藏3個月后，用小型糙米機和小型精米機分為谷殼、糙米、糠層、精米等部分；以上材料在80℃下烘干，粉碎后過100目篩，密封保存?zhèn)溆?。植株采用硝酸－高氯酸高溫消解方法，使用石墨爐原子吸收光譜儀測定消化液中鎘含量。每個處理重復3次。

1.5 數據處理

所有試驗數據均采用Excel 2013和SPSS 22.0統(tǒng)計軟件進行分析。

2 結果與分析

2.1 灌溉方式對大田土壤有效鎘含量的影響

由表1可見，土壤有效鎘含量早、晚稻均在齊穗期達到最大值。分蘗盛期，土壤有效鎘含量以T1處理（淹水灌溉）略高，早、晚稻表現一致；孕穗期至齊穗期，早、晚稻土壤有效鎘含量均以T2處理（間歇灌溉）較高，且差異顯著；灌漿中期至成熟期，早、晚稻土壤有效鎘含量均表現T1處理顯著高于T2處理趨勢。可見，灌溉方式對稻田土壤有效鎘含量的影響在不同生育時期間表現不一致，但早、晚稻間表現一致，即：分蘗盛期處理間無顯著差異，孕穗至齊穗期以T2處理顯著較高，而灌漿期以T1處理顯著較高。

表1 不同灌溉方式下稻田土壤有效鎘含量動態(tài)（mg/kg）Table 1 Dynamics of available cadmium content in paddy soil under different irrigation methods（m g/kg）

2.2 灌溉方式對水稻產量形成特性的影響

2.2.1 莖蘗動態(tài)

分蘗是單子葉植物特殊的一種分枝，也是水稻植株生長發(fā)育過程中起重要作用的農藝特性，分蘗數量直接決定水稻有效穗數量，從而影響水稻產量［17］。從圖1可見，早、晚稻在不同處理下莖蘗數隨生育期的變化程度基本相似，呈單峰型曲線，分蘗峰值出現日期一致。兩種灌溉處理下，早稻最大莖蘗數與有效莖蘗數差異不大，但均以T1處理較多；而晚稻前期分蘗速度以T1處理較快，最大莖蘗數與有效莖蘗數也以T1處理較多，分別比T2處理多3.85個／穴和2.03個／穴?？梢?，全生育期淹水灌溉處理對水稻分蘗較為有利。

圖1 不同灌溉方式下早稻（左）與晚稻（右）莖蘗數動態(tài)Fig.1 Dynamics of tiller number of early rice（left）and late rice（right）under different irrigation methods

2.2.2 株高動態(tài)

由表2可見，隨著水稻的生長，株高逐漸增加，各處理的表現均為前期增長較快，中后期增長緩慢，達到峰值后基本不變。在兩種灌溉方式下，晚稻的株高增長趨勢基本一致，差異不大；而早稻分蘗盛期株高以T2處理較高，但孕穗期后均以T1處理較高，其中孕穗期差異達顯著水平。

表2 不同灌溉方式下水稻株高動態(tài)（cm）Table 2 Dynam ic of plant height of rice under different irrigation methods（cm）

2.2.3 葉面積動態(tài)

由圖2可知，早稻分蘗盛期葉面積指數以T2處理較大，但孕穗期、齊穗期、灌漿中期的葉面積指數均以 T1處理較大，其中孕穗期 T1比 T2高26.64%。晚稻各時期葉面積指數均以T1處理較大，其中孕穗期T1比T2高28.25%?？梢?，本試驗條件下全生育期淹水灌溉有利于葉面積的增大，從而為提高產量奠定了基礎。

圖2 不同灌溉方式下早稻（左）和晚稻（右）葉面積指數動態(tài)Fig.2 Dynam ics of LAI of early rice（left）and late rice（right）under different irrigation methods

2.2.4 葉片SPAD值

葉片SPAD值可以反映葉片葉綠素含量。表3顯示，早稻孕穗期SPAD值以T2處理較高，但齊穗以后均以T1處理較高，且差異顯著。晚稻孕穗期、齊穗期、灌漿中期葉片SPAD值均以T2處理較高，但差異不顯著?？梢?，灌溉方式對水稻葉片SPAD值的影響在早、晚稻間表現有差異。

表3 不同灌溉方式下水稻葉片SPAD值Table 3 Leaf SPAD of rice under different irrigation methods

2.2.5 干物質積累動態(tài)

由表4可見，隨著水稻生育進程的推進，干物質量逐漸增加。早稻除分蘗盛期外，其他時期干物質量均以T1處理較高，其中，成熟期T1比T2處理高10.43%，差異顯著。晚稻各時期的干物質量均表現為T1＞T2，灌漿中期差異最大，T1比 T2處理高7.15%，差異顯著。

表4 不同灌溉方式下水稻干物質積累動態(tài)（g/m2）Table 4 Dynamics of dry matter accumulation of rice under different irrigation methods

2.2.6 產量及產量構成

由表5可知，不同灌溉方式對產量有顯著影響。早稻，兩個灌溉方式處理間每穗粒數、結實率、千粒重均無顯著差異，但T1處理的有效穗數、理論產量、實際產量分別較 T2處理高5.8%、6.5%和7.0%。晚稻，兩個灌溉方式處理間結實率、千粒重無顯著差異，T2處理每穗粒數顯著高于T1處理，但T1處理有效穗數、理論產量、實際產量分別較T2處理高20.8%、3.7%和4.2%?？梢?，全生育期淹水灌溉處理主要通過顯著提高有效穗數來實現產量的顯著提高。

表5 不同灌溉方式下水稻產量及產量構成Table 5 Yield and yield components of rice under different irrigation methods

2.3 灌溉方式對水稻植株各器官鎘含量與累積量的影響

2.3.1 植株各器官鎘含量

如表6所示，隨生育進程的推進，水稻各器官的鎘含量一般均呈逐漸增加趨勢（早稻根系齊穗期至成熟期、晚稻根系灌漿中期至成熟期除外）。鎘在水稻各器官中分布不均勻，一般以根系鎘含量最高，其次為莖鞘，再次是葉片，稻穗鎘含量最低。

兩種灌溉方式間，早、晚稻分蘗盛期各器官鎘含量均無顯著差異；孕穗期、齊穗期、灌漿中期各器官鎘含量均表現T2大于T1趨勢，且差異顯著，早、晚稻表現一致；成熟期，早稻根系鎘含量表現T1大于T2處理、晚稻T1與T2處理根系鎘含量無顯著差異，而莖鞘、葉片鎘含量均表現T2顯著大于T1趨勢?？梢姡墒炱诟低?，間歇灌溉條件下早、晚稻生育中后期各器官鎘含量均顯著高于淹水灌溉處理。

表6 不同灌溉方式的水稻各器官鎘含量（mg/kg）Table 6 Cd content in different organs of rice under different irrigation methods（mg/kg）

2.3.2 成熟期稻穗與籽粒各部位鎘含量

由表7可知，成熟期稻穗與籽粒各部分鎘含量差異較大，一般早稻表現為枝梗＞糠層＞空粒＞谷殼＞精米，晚稻表現為枝梗＞空粒＞糠層＞谷殼＞糙米＞精米。兩種灌溉方式處理比較，早稻T1處理枝梗鎘含量顯著高于T2處理，而空粒鎘含量表現相反，谷殼、糠層、精米鎘含量均以T2處理較高，其中T2處理精米鎘含量顯著高于T1處理。晚稻各部位鎘含量均以T2處理較高，其中枝梗、空粒差異不顯著，但谷殼、糙米、糠層、精米的鎘含量差異均達顯著水平。同時可見，早、晚稻糠層鎘含量差異極大，前者為后者的2.1～2.8倍；早稻谷殼鎘含量也為晚稻的1.6～2.0倍，早稻枝梗鎘含量也是晚稻的1.2～1.3倍；但是，早稻空粒與精米鎘含量低于晚稻。可見，間歇灌溉使水稻籽粒鎘含量明顯增大，且晚稻增加更明顯。

表7 不同灌溉方式的水稻成熟期穗及籽粒各部位鎘含量（mg/kg）Table 7 Cd content in spike and grain of rice atmaturity stage under different irrigation methods（mg/kg）

2.3.3 成熟期植株各部位鎘累積量

由表8可知，水稻成熟期地上部鎘積累量均以T2處理較高，早、晚稻分別高出 20.49%和11.81%，差異顯著。早稻T2處理地上部鎘累積量顯著高于T1處理主要是其莖、葉鎘積累量顯著提高所致，而晚稻T2處理地上部鎘累積量顯著高于T1處理主要是其莖鎘積累量顯著提高所致。同時發(fā)現，早稻地上部鎘累積量明顯高于晚稻。

表8 不同灌溉方式的大田水稻成熟期植株各部位鎘累積量（g/hm2）Table 8 Cd accumulation in different parts of rice at maturity stage under different irrigation methods（g/hm2）

3 小結與討論

研究表明，長期淹水導致土壤氧化還原電位（Eh）降低，酸性土壤pH值升高，能夠降低鎘的生物有效性和毒性［18］。本研究比較了全生育期5 cm淹水灌溉與間歇灌溉對土壤有效鎘含量的影響，發(fā)現分蘗盛期土壤有效鎘含量在兩種灌溉方式處理間無顯著差異，孕穗至齊穗期以間歇灌溉處理顯著較高，而灌漿期以淹水灌溉處理顯著較高?？梢姡喔确绞綄υ?、晚稻稻田土壤有效鎘含量有影響，但在不同生育時期間表現不一致，對此還有待多年試驗予以驗證。

傳統(tǒng)的水稻淹水灌溉（尤其是深水灌溉）增加水稻蒸騰量，浪費水資源。研究表明，在水分非虧缺條件下，合理灌溉可獲得水稻高產，提高水分利用效率［19］。張艷超等［20］研究表明，在鎘污染土壤上，灌溉方式不但影響水稻生長，而且影響產量；干濕交替灌溉可提高分蘗成穗率，保持較高的根系活力，提高生物量和產量；濕潤灌溉會加重高鎘污染的危害，使水稻生長不良，產量降低。本研究表明，大田全生育期5 cm淹水灌溉下，早、晚稻產量均高于間歇灌溉，其原因主要是淹水灌溉處理具有較高的有效穗數、株高、葉面積和干物質積累量。朱士江等［21］在黑龍江省主要稻區(qū)開展的研究表明，灌溉方式影響水稻產量，以濕潤灌溉處理產量最高，間歇灌溉次之，淹水灌溉最低。傅志強等［22］在湖南衡陽開展的深水灌溉（全生育期水深5 cm）、淺水灌溉（全生育期水深1 cm）、間歇灌溉（分蘗期淺水灌溉，后期每灌1次水，待其自然消耗后再灌水）、受旱灌溉（分蘗期淺水灌溉，之后不留水層，土壤保持飽和含水率的50%～70%）比較試驗表明，水稻產量以淺水灌溉最高，間歇灌溉產量與深水灌溉次之，受旱灌溉最低，處理間差異顯著。而本試驗中，間歇灌溉產量顯著低于淹水灌溉，與前人結果［21，22］都不相同，其原因可能與各試驗中的操作方法不完全相同有關，如本試驗采取的是全生育期間歇灌溉，而傅志強等［22］采取的間歇灌溉是在水稻進入孕穗期以后。因此，有關灌溉方式，包括淹水深度、淹水時期等對水稻產量的影響還有待因地制宜地開展研究。

水稻的主要收獲產品為籽粒，籽粒中的鎘含量是稻米品質優(yōu)劣和安全的決定因素。趙步洪等［23］研究表明，稻米中鎘含量主要取決于鎘在籽粒中的分配。一般認為，水稻根系Cd含量較高，其次是莖稈，而葉片和籽粒Cd含量遠低于根系［23～25］。本研究表明，水稻各器官鎘含量呈現根系＞莖鞘＞葉片＞稻穗的趨勢，與前人結果一致。本研究研究了水稻籽粒各部分的鎘含量，發(fā)現籽粒不同部位鎘含量呈糠層＞谷殼＞糙米＞精米。

紀雄輝等［10］認為，長期淹水處理導致水稻根系、莖葉、糙米中的Cd含量均極顯著低于濕潤灌溉處理，與 Takijima［26］、Kashem［27］等的觀點一致。本研究也發(fā)現了類似規(guī)律，即相比淹水灌溉，間歇灌溉使水稻籽粒鎘含量明顯增大，且晚稻增加更明顯。其原因應該是長期淹水導致土壤氧化還原電位降低，不利于根系生長，而間歇灌溉能改善土壤通氣狀況，使水稻根系生長旺盛，根系活力增強且增加下扎深度［28，29］，從而加大了對 Cd的吸收。本研究中，水稻抽穗后，淹水灌溉處理的土壤有效鎘含量高于間歇灌溉處理，但穗部鎘含量低于間歇灌溉處理，究其原因應該是間歇灌溉條件下，土壤氧化還原電位提高，加速了土壤有機質礦質化［30］，而理化性質的改變增強了Cd的遷移能力，再加上水稻根系活性的增強，增加了水稻植株對Cd的吸收，從而致使間歇灌溉處理的土壤有效鎘含量低于淹水灌溉處理，但穗部鎘含量高于淹水灌溉［31］。

綜合來看，灌溉方式能影響土壤有效鎘含量與早晚稻產量及鎘含量。本試驗條件下，實行全生育期5 cm淹水灌溉能獲得較高產量，且籽粒鎘含量顯著降低。

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