水稻不同生育期施用生石灰對稻米鎘含量的影響

張振興，紀(jì)雄輝*，謝運河，官迪，彭華，朱堅，田發(fā)祥

（1.湖南省土壤肥料研究所，長沙410125；2.農(nóng)業(yè)部長江中游平原農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，長沙410125；3.南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，長沙410125）

水稻不同生育期施用生石灰對稻米鎘含量的影響

張振興1，2，3，紀(jì)雄輝1，2，3*，謝運河1，2，3，官迪1，2，3，彭華1，2，3，朱堅1，2，3，田發(fā)祥1，2，3

（1.湖南省土壤肥料研究所，長沙410125；2.農(nóng)業(yè)部長江中游平原農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，長沙410125；3.南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，長沙410125）

為了深入探究鎘污染稻田土壤施用生石灰降低稻米鎘含量的過程機理，采用盆栽試驗，分別在水稻插秧前、分蘗期、孕穗期、灌漿期進(jìn)行生石灰施加處理，水稻成熟后采集植株樣品和土壤樣品進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)測定。試驗結(jié)果顯示，在水稻不同生育期施加生石灰均可顯著提高土壤pH值，降低土壤有效態(tài)鎘及根系鎘含量，同時顯著降低糙米鎘含量（P＜0.05）。分蘗期施加生石灰對糙米鎘含量的降低程度最大，其含量比空白對照下降55.2%，顯著低于其他處理。在分蘗期施加生石灰后發(fā)現(xiàn)，水稻莖稈中的鈣含量最高，顯著高于其他處理（P＜0.05），而其莖稈中的鎘含量反而最低，顯著低于其他處理（P＜0.05）。多變量主成分分析顯示，莖稈鈣含量與鎘含量顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05）。綜上認(rèn)為，在水稻分蘗期施用生石灰不僅可以降低土壤有效態(tài)鎘含量，減少根系對鎘的吸收積累，還可以提高水稻莖稈中的鈣含量，進(jìn)而抑制鎘由根系向莖稈的轉(zhuǎn)移，表明這兩個過程的疊加效應(yīng)可能是水稻分蘗期施用生石灰降低糙米鎘含量的關(guān)鍵因素。

水稻；生育期；生石灰；稻米；鈣；鎘

水稻是我國最重要的糧食作物之一，養(yǎng)活了我國約65%的人口，在國家糧食安全中的地位舉足輕重［1］。目前，我國稻田土壤重金屬鎘（Cd）污染程度和范圍日益嚴(yán)峻，而土壤中的Cd可以通過大米食物鏈在人體內(nèi)積累，并對人體健康產(chǎn)生極大危害［2-3］。因此，修復(fù)稻田Cd污染土壤并降低稻米Cd含量迫在眉睫。

稻田土壤中的生物活性Cd遷移性強且毒性高，可以通過競爭吸收機制進(jìn)入水稻體內(nèi)［4-5］，而向土壤中施入生石灰（CaO）可以提高土壤pH，降低Cd的有效性，進(jìn)而減少水稻對Cd的吸收及向籽粒的運輸，施用CaO已成為修復(fù)稻田Cd污染的重要舉措之一［6］。研究表明，水稻在不同生育期對Cd的吸收、轉(zhuǎn)運、積累特征不同［7-11］，不同生育期的Cd吸收對籽粒中Cd積累的貢獻(xiàn)率也不同。因此，通過在水稻不同生育期施用CaO來降低稻米Cd含量值得研究，但目前鮮見相關(guān)的研究報道。

本試驗以中度Cd污染麻沙泥稻田土壤為供試土壤，采用盆栽試驗研究了水稻不同生育期土壤施加CaO對稻米Cd含量的影響，以及Ca、Cd在水稻植株內(nèi)的分布特征。分析了關(guān)聯(lián)水稻籽粒Cd含量的相關(guān)因素，以進(jìn)一步了解CaO降低稻米Cd含量的過程機理，為Cd污染土壤的稻米安全生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用土壤取自鎘污染水稻田塊（28°26′38″N，113°03′50″E，長沙），是由花崗巖發(fā)育而來的黃紅麻沙土（土屬為耕型花崗巖黃紅壤）。采集表層0～20 cm耕作層土壤，運回實驗室在室內(nèi)自然風(fēng)干后過10目標(biāo)準(zhǔn)篩，去除植物殘體和雜質(zhì)，充分混勻后保存?zhèn)溆?。原始土壤全鎘含量為0.71 mg·kg-1，有效鎘含量為0.33 mg·kg-1，有機質(zhì)含量為29.0 g·kg-1，全N 1.76 g· kg-1，全P 0.64 g·kg-1，全K 12.53 g·kg-1，pH 5.03。試驗用水稻為“玉針香”中熟晚秈稻品種，此品種為鎘高吸收品種。試驗用生石灰為分析純試劑氧化鈣，CaO含量≥98.0%。

1.2 試驗方法

1.2.1 水稻種植

取3.0 kg風(fēng)干土壤與分析純肥料均勻混合，裝入水稻種植盆中。添加養(yǎng)分表示方式為N、P2O5、K2O，添加量分別為200、130、200 mg·kg-1，所使用的肥料為尿素、磷酸二氫鉀、氯化鉀，均為分析純試劑。土壤裝盆后淹水一周，于2015年7月27日選擇長勢一致的健康秧苗進(jìn)行插秧，每個種植盆內(nèi)移植兩株秧苗，水稻置于簡易網(wǎng)室內(nèi)生長，保持水稻淺層淹水生長至成熟收獲。

1.2.2 試驗處理

試驗設(shè)置5個處理，每個處理重復(fù)3次。處理一（CK）：對照，土壤不添加CaO。處理二（T1）：水稻秧苗插秧前添加CaO（7月20日）。處理三（T2）：水稻植株生長到分蘗期添加CaO（8月28日）。處理四（T3）：水稻植株生長到孕穗期添加CaO（9月21日）。處理五（T4）：水稻植株生長到灌漿期添加CaO（10月5日）。T1、T2、T3、T4處理中CaO添加量均為0.67 g·kg-1干土。CaO施用量是根據(jù)本課題組大田施用量來估算確定的：大田生石灰施用量為1.5 t·hm-2，每公頃耕作層土壤大約為2250 t，最后計算可得每千克土壤施用0.67 g生石灰。盆栽土壤種植水稻后，由于根系的存在使得土壤攪動難以操作，因此，本試驗在水稻不同生育期采用打孔方式向土壤中添加生石灰懸濁液。具體操作如下：把土壤淹水層傾斜倒入燒杯中，再把生石灰加入到燒杯中，充分?jǐn)噭邮股遗c水反應(yīng)，同時在土壤表層向下打孔貫穿整個土層，每1 cm2打一個小孔（孔徑約為5 mm），最后把燒杯內(nèi)的懸濁液充分搖勻后再倒入土壤，懸濁液就會由小孔滲入到土壤中。

1.2.3 樣品采集

水稻成熟后采集植株樣品（10月27日），樣品分為三部分：根系、莖稈、稻谷粒。根系用自來水沖洗干凈，再用純凈水徹底潤洗5次；莖稈用純凈水沖洗掉表面灰塵，于80℃烘干后粉碎；稻谷粒80℃烘干，用糙米機脫掉谷殼后粉碎。全部植株樣品粉碎后過100目標(biāo)準(zhǔn)篩，封存于塑料自封袋中待用。采集植株樣品當(dāng)天采集土壤樣品，使用土鉆在每個種植盆內(nèi)取6鉆土壤混合，土壤樣品自然風(fēng)干后研磨過20目或100目標(biāo)準(zhǔn)篩待用。

1.2.4 樣品分析

土壤養(yǎng)分含量及pH采用常規(guī)方法測定［12］；土壤有效態(tài)Cd采用乙酸銨浸提法測定［13］；植物樣品Cd、Ca全量采用HNO3-HClO4（5∶1）濕解法消煮，定容稀釋后采用ICP-MS測定。全部分析器皿均在稀硝酸溶液中浸泡24 h，純水沖洗3次。

根系Cd吸收系數(shù)=根系Cd含量/土壤Cd全量Cd初級轉(zhuǎn)運系數(shù)=莖稈Cd含量/根系Cd含量Cd次級轉(zhuǎn)運系數(shù)=糙米Cd含量/莖稈Cd含量

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

使用SAS（The SAS system for windows V8）統(tǒng)計分

析軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析（ANOVA），通過最小顯著差異法（LSD）進(jìn)行差異顯著性檢測，顯著性水平P＜0.05，利用Canoco 4.5軟件完成變量之間的PCA相關(guān)性分析，采用Excel軟件制作圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤pH及有效態(tài)Cd含量

與對照CK處理相比，不同時期施用CaO均可顯著提高土壤pH（P＜0.05，圖1a），比對照平均升高1.20個單位，分蘗期T2處理的土壤pH值增加幅度最高，其值為7.18，且顯著高于插秧前T1和灌漿期T4處理（P＜0.05），而與孕穗期T3處理無顯著差異。這表明在水稻分蘗期施用CaO對提高土壤pH的效果最佳。不同時期施用CaO后，土壤有效態(tài)Cd含量較對照均顯著降低（P＜0.05，圖1b），而不同時期施用CaO處理之間沒有顯著性差異。

2.2 水稻植株內(nèi)Cd含量分布及Cd的吸收轉(zhuǎn)運系數(shù)

土壤施加CaO可以顯著降低水稻根系Cd含量（P＜0.05，表1），其中T1、T2、T3處理之間的根系Cd含量沒有顯著差異，但T2處理的根系Cd含量最低，且顯著低于CK和T4處理（P＜0.05）；而莖稈Cd含量僅在分蘗期施用CaO后顯著降低（P＜0.05），在T3和T4處理中反而顯著升高（P＜0.05），插秧前施加CaO沒有變化；糙米Cd含量在所有施加CaO處理中均顯著降低（P＜0.05），比對照降低22.1%～55.2%，其中分蘗期T2處理對糙米Cd含量的降低程度最明顯，其值僅為對照的44.8%，其次是T1處理。這表明土壤施加CaO可明顯降低水稻根系對Cd的吸收量，同時降低糙米Cd含量，而對莖稈中的Cd含量影響因施用時期不同而有差異。

施加CaO處理后，根系對Cd的吸收系數(shù)均比對照顯著降低（P＜0.05，表2），其中T2處理的降低幅度最大，為對照的59.9%，且其值顯著低于T4處理（P＜0.05）；與對照CK相比，分蘗期T2處理的Cd初級轉(zhuǎn)運系數(shù)下降9.5%，但差異不顯著。其他3個處理在添加CaO后，水稻體內(nèi)的Cd初級轉(zhuǎn)運系數(shù)反而顯著升高（P＜0.05），最高可達(dá)到對照的1.9倍。與Cd吸收系數(shù)相似，Cd次級轉(zhuǎn)運系數(shù)在添加CaO后均降低，且除分蘗

期T2處理外均顯著降低（P＜0.05）。這表明水稻不同生育期施加CaO不僅可以降低根系對Cd的吸收系數(shù)，還可以降低莖稈中的Cd向籽粒中的轉(zhuǎn)移系數(shù)。

圖1 水稻不同生育期施用生石灰對土壤pH及有效態(tài)Cd含量的影響Figure 1 Effects of lime application on the soil pH and available Cd contents in soil

表1 不同生育期施用生石灰對水稻植株內(nèi)Cd含量分布的影響Table 1 Effects of lime application on the Cd contents in different parts of rice plant

2.3 水稻植株內(nèi)Ca含量分布

不同時期施加CaO后，水稻根系Ca含量顯著升高（P＜0.05，表3），除灌漿期T4處理與對照沒有顯著差異；莖稈Ca含量僅在分蘗期T2處理中顯著升高（P＜0.05），其他處理沒有顯著變化。此外，糙米Ca含量在施加CaO后反而降低，在孕穗期T3和灌漿期T4處理中顯著性下降（P＜0.05），而插秧前T1和分蘗期T2處理中的糙米Ca含量與對照無顯著差異，但施加CaO的4個處理之間沒有顯著性差異。2.4糙米Cd含量與其他變量之間的相關(guān)性分析

分析表4可知，糙米Cd含量與根系Cd含量、根系Cd吸收系數(shù)、土壤有效態(tài)Cd含量、莖稈Cd含量呈顯著或極顯著正相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)分別為0.795、0.794、0.745、0.569，與土壤pH、根系Ca含量呈極顯著負(fù)相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)分別為-0.746、-0.707。因此，上述變量可能是控制糙米中Cd含量的關(guān)鍵因素，其他因素對糙米Cd含量的影響可能較小。

變量因子PCA相關(guān)性分析顯示，軸1和軸2的變量解釋因子為86.0%，糙米Cd含量在軸1方向上與根系Cd含量、根系Cd吸收系數(shù)、土壤有效態(tài)Cd含量、土壤pH、根系Ca含量、莖稈Cd含量等變量的相關(guān)性較高（圖2）。這與表4相關(guān)系數(shù)的分析結(jié)果相似。土壤有效態(tài)Cd含量與土壤pH的負(fù)相關(guān)性很高，表明土壤pH的升高可以有效降低土壤有效態(tài)Cd含量。此外，根系Cd含量、根系Cd吸收系數(shù)均與根系Ca含量的負(fù)相關(guān)性很高，且莖稈Cd含量、Cd初級轉(zhuǎn)運系數(shù)均與莖稈Ca含量的負(fù)相關(guān)性很高，表明植株體內(nèi)Ca含量的積累可能降低了水稻對Cd的吸收和轉(zhuǎn)移，最終降低莖稈中Cd向糙米的轉(zhuǎn)移和積累。

表4 糙米Cd含量與其他變量之間的相關(guān)性Table 4 The correlation between Cd contents in brown rice and other variables

表2 不同生育期施用生石灰對水稻植株Cd吸收和轉(zhuǎn)運系數(shù)的影響Table 2 Effects of lime application on the uptake and transfer index of Cd in rice plant

表3 不同生育期施用生石灰對水稻植株內(nèi)Ca含量分布的影響Table 3 Effects of lime application on the Ca contents in different parts of rice plant

3 討論

稻田酸性土壤施加生石灰后，土壤溶質(zhì)pH升高將增加土壤膠體表面的負(fù)電荷容量，從而增強對重金

屬陽離子的吸附能力。同時，pH升高也會促進(jìn)重金屬陽離子羥基態(tài)的形成，而羥基態(tài)金屬陽離子與土壤吸附點位的親和力高于自由陽離子，故有利于重金屬形成碳酸鹽等沉淀物［14-16］。本試驗發(fā)現(xiàn)，在水稻不同生育期添加生石灰均可提高土壤pH值，降低土壤有效態(tài)Cd含量，進(jìn)而降低糙米Cd含量，且土壤pH值與糙米Cd含量呈極顯著負(fù)相關(guān)性，說明生石灰對土壤pH的提高作用是降低糙米Cd含量的關(guān)鍵因素［17］。本試驗還發(fā)現(xiàn)，在水稻分蘗期施用生石灰時，糙米Cd含量最低且顯著低于其他處理，同時糙米Cd含量與根系及莖稈Ca含量呈明顯負(fù)相關(guān)性。而在水稻中發(fā)現(xiàn)，低親和性的Ca離子跨膜轉(zhuǎn)運載體LCT1參與調(diào)控Cd向水稻籽粒中的運輸［18］。據(jù)此推斷，分蘗期施用生石灰對稻米Cd含量的阻控效應(yīng)可能與水稻植株Ca營養(yǎng)的生理代謝緊密相關(guān)［19-20］。

研究表明，土壤中Ca含量的升高會降低砂質(zhì)土壤對Cd的吸附能力，增加Cd在土壤體系中的移動性［21-22］。本試驗添加生石灰后并未發(fā)現(xiàn)Cd有效性的升高，反而顯著下降，但水稻根系對Ca的吸收積累量卻顯著增加。因此，生石灰添加可能提高了土壤中Ca的生物有效性，同時沒有影響土壤對Cd的吸附性。在禾本科植物小麥中發(fā)現(xiàn)［23］，低親和性的Ca離子跨膜轉(zhuǎn)運載體LCT1可以轉(zhuǎn)運Cd離子至細(xì)胞中，但當(dāng)土壤溶質(zhì)中Ca離子和Cd離子共存時會產(chǎn)生離子吸收拮抗作用［24］，Ca有效性的增加使得Ca離子的競爭吸收更強，進(jìn)而減少根系對Cd的吸收，降低Cd在植株體內(nèi)的積累［20，25-26］。這與本試驗的結(jié)果恰好相符。

水稻根系對重金屬Cd的吸收過程，莖稈中Cd的長距離運輸過程，以及Cd在籽粒中的積累過程都是控制稻米中Cd含量的可能機理［27］。水稻莖稈中的Cd含量對不同生育期施用石灰的響應(yīng)變化不同，在分蘗期施用生石灰處理時，莖稈中的Cd含量最低，同時發(fā)現(xiàn)莖稈中的Ca含量卻顯著高于其他處理，而莖稈Ca含量與Cd含量、Cd初級轉(zhuǎn)運系數(shù)均呈顯著負(fù)相關(guān)性。這表明分蘗期施用生石灰對莖稈中Ca含量的增加作用可能抑制了根系中Cd向地上部的運輸［20，24］。此外，與分蘗期施用生石灰相比，灌漿期施用生石灰后根系及莖稈Ca含量無顯著性變化，但其莖稈及籽粒中的Cd含量卻顯著升高，表明水稻不同生育時期Ca與Cd的相互作用差異可能是影響稻米Cd含量的因素［8，28］。

水稻植株體內(nèi)的Cd由莖稈向籽粒的轉(zhuǎn)移可以用Cd次級轉(zhuǎn)運系數(shù)來表征［29］。施用生石灰后發(fā)現(xiàn)，Cd次級轉(zhuǎn)運系數(shù)明顯降低，而分蘗期施用生石灰的Cd次級轉(zhuǎn)運系數(shù)與對照無顯著差異，但是分蘗期施用生石灰的糙米Cd含量卻顯著低于對照。這說明糙米Cd含量與莖稈Cd含量的關(guān)聯(lián)性更強，而與Cd次級轉(zhuǎn)運系數(shù)的關(guān)聯(lián)性較弱。因此我們推測，分蘗期施用生石灰可以增加莖稈Ca含量，進(jìn)而抑制Cd由根系向莖稈的運輸積累，最終降低稻米Cd含量。但水稻植株體內(nèi)Ca對Cd的這種阻控機理有待深入研究。

圖2 基于PCA分析的土壤植株指標(biāo)變量之間的相關(guān)性Figure 2 The correlations among parameters of soil and plant based on PCA analysis

4 結(jié)論

在水稻分蘗期施用生石灰后，一方面可以提高土壤pH值，降低有效態(tài)Cd含量，減少根系對Cd的吸收積累量；另一方面，增加了莖稈中的Ca含量，抑制了Cd由根系向莖稈的轉(zhuǎn)移積累。因此，水稻分蘗期施用生石灰引發(fā)的這兩種過程的疊加效應(yīng)可能是降低糙米Cd含量的主要因素。

致謝：感謝長株潭重金屬污染耕地修復(fù)及農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)整試點工作。

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Effects of quicklime aPPlication at different rice growing stage on the cadmium contents in rice grain

ZHANG Zhen-xing1，2，3，JI Xiong-hui1，2，3*，XIE Yun-he1，2，3，GUAN Di1，2，3，PENG Hua1，2，3，ZHU Jian1，2，3，TIAN Fa-xiang1，2，3
（1.Soil and Fertilizer Institute of Hunan Province，Changsha 410125，China；2.Key Laboratory for Agro-Environment in Midstream of Yangtze Plain，Ministry of Agriculture，Changsha 410125，China；3.Southern Regional Collaborative Innovation Center for Grain and Oil Crops in China，Changsha 410125，China）

The pot experiment was carried out to further explore the process mechanism that how quicklime applications reduce Cd contents in rice grain cultivated in the Cd-contaminated paddy soils.In the control treatment no quicklime was applied into soil.While in other four treatments，the quicklime was added into soil as lime suspension before the transplanting and at tillering，booting and filling stages，respectively.The plant samples and soil samples were collected after the harvest and then were subjected to analyze aimed indexes.Results showed that soil pH was significantly increased，but available Cd contents in soil and total Cd contents in roots and brown rice were significantly（P＜0.05）decreased after soil was amended with quicklime at different growing stages.However，after the quicklime was applied at tillering stage，the total Cd contents in brown rice was decreased with a maximum reduction that was 55.2%below the control，which was significantly（P＜0.05）lower than other treatments.Meanwhile，the total Ca contents in rice stem-leave was found to be significantly（P＜0.05）higher than others，but the total Cd contents in rice stem-leave was significantly lower than others.Besides，the multivariate principal component analysis showed that Cd content in rice stem-leave was significantly（P＜0.05）negatively correlated with Ca contents.Therefore，the results indicate that applying quicklime at tillering stage not only reduce available Cd contents in soil and decrease Cd absorption and accumulation in root，but also can improve Ca contents in rice stem-leave and then inhibit the Cd translocation from root to stem-leave.The two processes may be key factors reducing Cd contents in the brown rice when quicklime is applied at tillering stage.

Oryza sativa L.；growing stage；quicklime；rice grain；calcium（Ca）；cadmium（Cd）

S511

A

1672-2043（2016）10-1867-08

10.11654/jaes.2016-0432

張振興，紀(jì)雄輝，謝運河，等.水稻不同生育期施用生石灰對稻米鎘含量的影響［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2016，35（10）：1867-1872.

ZHANG Zhen-xing，JI Xiong-hui，XIE Yun-he，et al.Effects of quicklime application at different rice growing stage on the cadmium contents in rice grain［J］. Journal of Agro-Environment Science，2016，35（10）:1867-1872.

2016-03-30

國家科技支撐計劃項目（2013BAD15B04，2013BAD03B02）；農(nóng)業(yè)部自由申報項目（2014-S20）

張振興（1984—），男，博士，助理研究員，主要研究方向為農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境。E-mail：357953669@qq.com

*通信作者：紀(jì)雄輝E-mail：jixionghui@yahoo.com