灌溉方式對(duì)土壤有效鎘含量與雙季稻產(chǎn)量形成及鎘累積分配的影響

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(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院／南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，長(zhǎng)沙 410128）

土壤是人類賴以生存的重要資源。根據(jù)2014年《全國(guó)土壤污染調(diào)查公報(bào)》顯示，我國(guó)土壤重金屬污染嚴(yán)重，其中鎘污染物點(diǎn)位超標(biāo)率達(dá)到7.0%。鎘主要通過(guò)工業(yè)“三廢”的排放進(jìn)入土壤。作物籽粒中的鎘主要來(lái)自于土壤，土壤鎘有效性與作物吸收量密切相關(guān)。鎘易被作物吸收，且在作物體內(nèi)易轉(zhuǎn)移，被人類直接食用或通過(guò)食物鏈的其他生物富集到人體內(nèi)，會(huì)對(duì)人體造成慢性毒害［1～3］。水稻是高積累鎘（Cd）的農(nóng)作物，鎘濃度較高時(shí)，水稻呼吸作用、光合作用受到影響，水稻正常生長(zhǎng)發(fā)育受阻［4～6］。受鎘脅迫的水稻植株表現(xiàn)為：生長(zhǎng)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(zhǎng)期食用“鎘米”，會(huì)對(duì)骨骼系統(tǒng)造成嚴(yán)重的不良影響，從而使患“痛痛病”的概率增加，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)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(diǎn)問題。

劉昭賓等［9］研究表明，不同水分管理模式通過(guò)影響土壤Fe2＋和有效S含量變化對(duì)Cd污染土壤水稻吸收積累Cd產(chǎn)生顯著影響。紀(jì)雄輝等［10］研究表明，Cd污染稻田通過(guò)長(zhǎng)期淹水灌溉能顯著降低稻米中的Cd含量。目前，通過(guò)種植富集鎘的植物、施肥、施石灰等方式來(lái)降低土壤鎘有效性的研究較多［11～14］，但關(guān)于不同灌溉方式對(duì)土壤鎘有效性影響的研究較少；關(guān)于鎘在水稻植株中的吸收積累研究較多［15，16］，而關(guān)于水稻各個(gè)器官與籽粒各部分對(duì)鎘的累積研究較少。同時(shí)，不同灌溉方式對(duì)水稻不同生育階段土壤鎘有效性的研究罕見報(bào)道。為此，本研究設(shè)置全生育期淹水灌溉與間歇灌溉兩個(gè)處理，研究了灌溉方式對(duì)水稻各時(shí)期土壤鎘有效性與水稻產(chǎn)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(chǎn)提供技術(shù)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(dāng)?shù)厥┓柿?xí)慣施用：基肥600 kg／hm2，分蘗初期追肥尿素 150 kg／hm2?；蕿閺?fù)混肥料，N、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(dāng)?shù)厥┓柿?xí)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?；蕿閺?fù)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(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)地點(diǎn)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(xué)指標(biāo)在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)作物生理與分子生物學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采取大區(qū)設(shè)計(jì)，不設(shè)重復(fù)。設(shè)2個(gè)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(gè)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(cè)定項(xiàng)目與方法

1.4.1 水稻產(chǎn)量形成特性

莖蘗動(dòng)態(tài)：每個(gè)區(qū)定3個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)定水稻10蔸，自水稻返青后開始每7 d記錄一次莖糵數(shù)，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(zhǎng)寬積系數(shù)法計(jì)算葉面積，即：葉面積＝長(zhǎng)×寬×0.75。

SPAD值：于孕穗期、齊穗期、灌漿中期、成熟期用SPAD－502測(cè)量倒數(shù)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(fù)3次，取平均值，每處理測(cè)量10片。

實(shí)際測(cè)產(chǎn)：水稻成熟后，每處理取3點(diǎn)測(cè)實(shí)際產(chǎn)量，每點(diǎn)割100蔸，脫粒后去除稻草及空粒，稱量谷重，用烘干法測(cè)含水率，折算含水量13.5%的實(shí)際產(chǎn)量。

理論測(cè)產(chǎn)：水稻成熟后每個(gè)大區(qū)數(shù)80蔸，記錄有效穗數(shù)，計(jì)算單穴平均有效穗數(shù)，按照平均有效穗數(shù)取15蔸，帶回室內(nèi)考種（每5蔸為一次重復(fù)），考察每穗總粒數(shù)、每穗實(shí)粒數(shù)、結(jié)實(shí)率、千粒重、穗長(zhǎng)，計(jì)算理論產(chǎn)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(diǎn)取樣法取0～20 cm土樣，自然風(fēng)干后過(guò)10目篩備用，測(cè)定土壤有效態(tài)鎘含量。土壤測(cè)定全鎘含量過(guò)100目篩，采用鹽酸－硝酸－氫氟酸－高氯酸全消解的方法；測(cè)定有效鎘含量過(guò)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(cè)定。

1.4.3 水稻鎘積累分布特性

將取回的各時(shí)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(lái)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(shí)粒，實(shí)粒儲(chǔ)藏3個(gè)月后，用小型糙米機(jī)和小型精米機(jī)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(guò)100目篩，密封保存?zhèn)溆谩Ｖ仓瓴捎孟跛幔呗人岣邷叵夥椒?，使用石墨爐原子吸收光譜儀測(cè)定消化液中鎘含量。每個(gè)處理重復(fù)3次。

1.5 數(shù)據(jù)處理

所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用Excel 2013和SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 灌溉方式對(duì)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(dá)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(xiàn)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(xiàn)T1處理顯著高于T2處理趨勢(shì)?？梢姡喔确绞綄?duì)稻田土壤有效鎘含量的影響在不同生育時(shí)期間表現(xiàn)不一致，但早、晚稻間表現(xiàn)一致，即：分蘗盛期處理間無(wú)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(dòng)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(duì)水稻產(chǎn)量形成特性的影響

2.2.1 莖蘗動(dòng)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(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中起重要作用的農(nóng)藝特性，分蘗數(shù)量直接決定水稻有效穗數(shù)量，從而影響水稻產(chǎn)量［17］。從圖1可見，早、晚稻在不同處理下莖蘗數(shù)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(xiàn)日期一致。兩種灌溉處理下，早稻最大莖蘗數(shù)與有效莖蘗數(shù)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(shù)與有效莖蘗數(shù)也以T1處理較多，分別比T2處理多3.85個(gè)／穴和2.03個(gè)／穴?？梢姡谘退喔忍幚韺?duì)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(shù)動(dòng)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(dòng)態(tài)

由表2可見，隨著水稻的生長(zhǎng)，株高逐漸增加，各處理的表現(xiàn)均為前期增長(zhǎng)較快，中后期增長(zhǎng)緩慢，達(dá)到峰值后基本不變。在兩種灌溉方式下，晚稻的株高增長(zhǎng)趨勢(shì)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(dá)顯著水平。

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

2.2.3 葉面積動(dòng)態(tài)

由圖2可知，早稻分蘗盛期葉面積指數(shù)以T2處理較大，但孕穗期、齊穗期、灌漿中期的葉面積指數(shù)均以 T1處理較大，其中孕穗期 T1比 T2高26.64%。晚稻各時(shí)期葉面積指數(shù)均以T1處理較大，其中孕穗期T1比T2高28.25%?？梢姡驹囼?yàn)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(chǎn)量奠定了基礎(chǔ)。

圖2 不同灌溉方式下早稻（左）和晚稻（右）葉面積指數(shù)動(dòng)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(duì)水稻葉片SPAD值的影響在早、晚稻間表現(xiàn)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(zhì)積累動(dòng)態(tài)

由表4可見，隨著水稻生育進(jìn)程的推進(jìn)，干物質(zhì)量逐漸增加。早稻除分蘗盛期外，其他時(shí)期干物質(zhì)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(shí)期的干物質(zhì)量均表現(xiàn)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(zhì)積累動(dòng)態(tài)（g/m2）Table 4 Dynamics of dry matter accumulation of rice under different irrigation methods

2.2.6 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成

由表5可知，不同灌溉方式對(duì)產(chǎn)量有顯著影響。早稻，兩個(gè)灌溉方式處理間每穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率、千粒重均無(wú)顯著差異，但T1處理的有效穗數(shù)、理論產(chǎn)量、實(shí)際產(chǎn)量分別較 T2處理高5.8%、6.5%和7.0%。晚稻，兩個(gè)灌溉方式處理間結(jié)實(shí)率、千粒重?zé)o顯著差異，T2處理每穗粒數(shù)顯著高于T1處理，但T1處理有效穗數(shù)、理論產(chǎn)量、實(shí)際產(chǎn)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(guò)顯著提高有效穗數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量的顯著提高。

表5 不同灌溉方式下水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成Table 5 Yield and yield components of rice under different irrigation methods

2.3 灌溉方式對(duì)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(jìn)程的推進(jìn)，水稻各器官的鎘含量一般均呈逐漸增加趨勢(shì)（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(wú)顯著差異；孕穗期、齊穗期、灌漿中期各器官鎘含量均表現(xiàn)T2大于T1趨勢(shì)，且差異顯著，早、晚稻表現(xiàn)一致；成熟期，早稻根系鎘含量表現(xiàn)T1大于T2處理、晚稻T1與T2處理根系鎘含量無(wú)顯著差異，而莖鞘、葉片鎘含量均表現(xiàn)T2顯著大于T1趨勢(shì)?？梢?，除成熟期根系外，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(xiàn)為枝梗＞糠層＞空粒＞谷殼＞精米，晚稻表現(xiàn)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(xiàn)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(dá)顯著水平。同時(shí)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?？梢?，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(shí)發(fā)現(xiàn)，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(jié)與討論

研究表明，長(zhǎng)期淹水導(dǎo)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(duì)土壤有效鎘含量的影響，發(fā)現(xiàn)分蘗盛期土壤有效鎘含量在兩種灌溉方式處理間無(wú)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。可見，灌溉方式對(duì)早、晚稻稻田土壤有效鎘含量有影響，但在不同生育時(shí)期間表現(xiàn)不一致，對(duì)此還有待多年試驗(yàn)予以驗(yàn)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(fèi)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(chǎn)，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(zhǎng)，而且影響產(chǎn)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(chǎn)量；濕潤(rùn)灌溉會(huì)加重高鎘污染的危害，使水稻生長(zhǎng)不良，產(chǎn)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(chǎn)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(shù)、株高、葉面積和干物質(zhì)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(chǎn)量，以濕潤(rùn)灌溉處理產(chǎn)量最高，間歇灌溉次之，淹水灌溉最低。傅志強(qiáng)等［22］在湖南衡陽(yáng)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(yàn)表明，水稻產(chǎn)量以淺水灌溉最高，間歇灌溉產(chǎn)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(yàn)中，間歇灌溉產(chǎn)量顯著低于淹水灌溉，與前人結(jié)果［21，22］都不相同，其原因可能與各試驗(yàn)中的操作方法不完全相同有關(guān)，如本試驗(yàn)采取的是全生育期間歇灌溉，而傅志強(qiáng)等［22］采取的間歇灌溉是在水稻進(jìn)入孕穗期以后。因此，有關(guān)灌溉方式，包括淹水深度、淹水時(shí)期等對(duì)水稻產(chǎn)量的影響還有待因地制宜地開展研究。

水稻的主要收獲產(chǎn)品為籽粒，籽粒中的鎘含量是稻米品質(zhì)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(rèn)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(yuǎn)低于根系［23～25］。本研究表明，水稻各器官鎘含量呈現(xiàn)根系＞莖鞘＞葉片＞稻穗的趨勢(shì)，與前人結(jié)果一致。本研究研究了水稻籽粒各部分的鎘含量，發(fā)現(xiàn)籽粒不同部位鎘含量呈糠層＞谷殼＞糙米＞精米。

紀(jì)雄輝等［10］認(rèn)為，長(zhǎng)期淹水處理導(dǎo)致水稻根系、莖葉、糙米中的Cd含量均極顯著低于濕潤(rùn)灌溉處理，與 Takijima［26］、Kashem［27］等的觀點(diǎn)一致。本研究也發(fā)現(xiàn)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(yīng)該是長(zhǎng)期淹水導(dǎo)致土壤氧化還原電位降低，不利于根系生長(zhǎng)，而間歇灌溉能改善土壤通氣狀況，使水稻根系生長(zhǎng)旺盛，根系活力增強(qiáng)且增加下扎深度［28，29］，從而加大了對(duì) 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(yīng)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(jī)質(zhì)礦質(zhì)化［30］，而理化性質(zhì)的改變?cè)鰪?qiáng)了Cd的遷移能力，再加上水稻根系活性的增強(qiáng)，增加了水稻植株對(duì)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(lái)看，灌溉方式能影響土壤有效鎘含量與早晚稻產(chǎn)量及鎘含量。本試驗(yàn)條件下，實(shí)行全生育期5 cm淹水灌溉能獲得較高產(chǎn)量，且籽粒鎘含量顯著降低。

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