雙季稻區(qū)鎘污染稻田水稻改制玉米輪作對(duì)鎘吸收的影響

吳家梅，謝運(yùn)河，田發(fā)祥，官 迪，朱 堅(jiān) ，陳 錦，紀(jì)雄輝*

（1.湖南省農(nóng)業(yè)環(huán)境生態(tài)研究所，農(nóng)業(yè)部長(zhǎng)江中游平原農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙410125；2.農(nóng)田土壤重金屬污染防控與修復(fù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410125；3.南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，長(zhǎng)沙 410125）

近年來，我國(guó)的糧食作物遭到大面積污染，重金屬污染事件頻發(fā)，農(nóng)田污染對(duì)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量造成嚴(yán)重隱患，我國(guó)每年因重金屬污染而造成的糧食損失在200億元以上[1]。當(dāng)前，我國(guó)土壤重金屬污染點(diǎn)位超標(biāo)以鎘（Cd）最為嚴(yán)重，其Cd的點(diǎn)位超標(biāo)率達(dá)7.0%。我國(guó)重金屬Cd污染以中輕度污染為主，近幾年統(tǒng)計(jì)Cd污染農(nóng)田面積達(dá)2.80×105hm2，Cd超標(biāo)農(nóng)產(chǎn)品數(shù)量每年超過150萬t[2]。因此，研究Cd污染農(nóng)田的安全利用技術(shù)十分必要。

水稻是我國(guó)第一大糧食作物[3]，作為全國(guó)近三分之二人口主食的稻米，其質(zhì)量安全直接關(guān)系到國(guó)民健康和社會(huì)安定，頻發(fā)的農(nóng)田Cd污染及稻米Cd超標(biāo)問題，已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外對(duì)Cd污染的研究主要集中在土壤污染治理、Cd污染對(duì)植物的影響以及植物修復(fù)等方面。在中輕度污染地區(qū)，為保證糧食安全和不帶入新的污染物，水稻生產(chǎn)一般采取選用低Cd吸收品種[4-5]、水分管理[6]和施用石灰提高酸性稻田土壤pH值等方法[7-8]降低稻米Cd含量，但這在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有一定的局限性，例如水稻品種對(duì)重金屬的吸收和積累受基因型與環(huán)境因子共同影響[5]，田間的水分管理受降雨和田間水分現(xiàn)狀影響，施石灰由于石灰粉末操作性不強(qiáng)，田間很難執(zhí)行到位等因素的影響，致使降低稻米Cd的效果受到抑制。因此在污染農(nóng)田上選用適合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際的安全利用技術(shù)尤為重要。

水旱輪作系統(tǒng)是我國(guó)主要的作物生產(chǎn)系統(tǒng)之一，主要分布在長(zhǎng)江流域[9]。稻田實(shí)行水旱輪作，土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)和非毛管孔隙增加[10-11]，氧化還原電位提高[12]，病害發(fā)生減輕或者受到抑制[13]，雜草生長(zhǎng)被抑制[12]。湖南省雙季稻田改制不僅能解決稻谷過剩、旱糧短缺的結(jié)構(gòu)性矛盾，同時(shí)也能提高稻田綜合生產(chǎn)效應(yīng)并增加農(nóng)民收入[14-15]。近幾年，湖南省針對(duì)重度污染稻田進(jìn)行農(nóng)作物的結(jié)構(gòu)調(diào)整，其中稻田改制玉米也是農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的一個(gè)重要內(nèi)容[15]。有研究表明Cd含量為1.06 mg·kg-1的稻田種植的水稻籽粒存在Cd污染風(fēng)險(xiǎn)，但改制玉米后，玉米籽粒無Cd污染風(fēng)險(xiǎn)[15]，此稻田改制方式是否適合低Cd污染稻田還值得進(jìn)一步探索。因此研究水旱輪作下的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全，以期為雙季稻田低Cd污染的安全利用耕作提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

試驗(yàn)地位于湖南省長(zhǎng)沙縣黃花鎮(zhèn)回龍湖的水稻種植基地（28°18′13.4″N，113°07′23.6″E），該地區(qū)年平均溫度17.1℃，年降水量1500 mm，年≥10℃積溫5300～6500℃，為南方典型的水稻生產(chǎn)區(qū)。土壤類型為第四紀(jì)紅土發(fā)育的紅黃泥（亞類：水稻土，土屬：紅黃泥）。土壤理化性質(zhì)：土壤pH值5.1、有機(jī)質(zhì)29.8g·kg-1、全氮 2.27 g·kg-1、全磷 0.77 g·kg-1、堿解氮 154.8 mg·kg-1、有效磷15.1 mg·kg-1、土壤全Cd 0.35 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和田間管理

試驗(yàn)于2015—2016年開展，共4個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)，采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。試驗(yàn)處理分別為：（1）早稻-晚稻（R-R），早晚兩季均種植水稻；（2）早稻-秋玉米（R-C），早稻季種植早稻，晚稻季種植玉米；（3）春玉米-秋玉米（C-C），早晚兩季均種植玉米；（4）春玉米-晚稻（C-R），早稻季種植玉米，晚稻季種植水稻。

水稻試驗(yàn)采用田間小區(qū)試驗(yàn)，每小區(qū)面積32 m2。N、P、K施用量早稻分別為N 150 kg·hm-2、P2O590 kg·hm-2，K2O 120 kg·hm-2，晚稻分別為 N 180 kg·hm-2、P2O545 kg·hm-2、K2O 120 kg·hm-2，N、P、K肥分別為尿素、鈣鎂磷肥和氯化鉀。所有肥料全部作基肥于水稻移栽前1 d施入稻田。所有的玉米處理均施入15-15-15（N-P2O5-K2O）的復(fù)合肥750 kg·hm-2和尿素187.5 kg·hm-2，其中復(fù)合肥于玉米移栽前1 d施入，尿素于苗期和大喇叭口期施入。

在作物生長(zhǎng)季，為了避免小區(qū)相互串水，小區(qū)田埂采用薄膜覆蓋。早晚稻品種分別為湘早秈45號(hào)和H優(yōu)519，春播和夏播玉米品種均為洛玉1號(hào)。2015年早稻于4月15日移栽，7月9日收獲，晚稻于7月18日移栽，10月26日收獲。2015年春玉米于4月28日移栽，7月18日收獲，秋玉米于8月7日移栽，10月26日收獲。2016年早稻于4月13日移栽，7月20日收獲，晚稻于7月26日移栽，10月26日收獲。2016年春玉米于4月15日移栽，7月16日收獲，秋玉米于7月26日移栽，10月26日收獲。由于早晚稻與玉米混種，除降雨外，僅水稻移栽時(shí)灌溉，其他時(shí)期無灌溉水，整個(gè)水稻生產(chǎn)中小區(qū)的水分管理保持一致。水稻田在移栽至分蘗盛期有田面水，其他時(shí)期水稻田表面無水。玉米在出苗前和出苗后各澆灌一次，除降雨外，其他時(shí)期無灌溉，整個(gè)生育期間玉米地表面無水。生產(chǎn)中病蟲害防治與當(dāng)?shù)亓?xí)慣保持一致。2015—2016年作物生育期降雨變化趨勢(shì)見圖1。

1.3 樣品采集與測(cè)定

圖1 2015—2016年作物生育期降水日變化Figure 1 Daily variation of precipitation in 2015—2016 at research station

土壤和植物樣品于作物收獲時(shí)取樣。土壤取樣深度為0～15 cm，土樣經(jīng)自然風(fēng)干，剔除雜物后，研磨，分別過2 mm和0.149 mm尼龍篩，充分混勻，備用。植物樣品經(jīng)過105℃殺青30 min，80℃烘干，分離根、莖葉和籽粒（舍去穎殼）。

土壤pH值采用電位法測(cè)定[16]，土壤堿解氮采用擴(kuò)散法測(cè)定[16]，有效磷采用氟化銨鹽酸浸提-分光光度法測(cè)定[16]，土壤速效鉀采用醋酸銨浸提-火焰光度法測(cè)定[16]，土壤有效Cd采用氯化鈣浸提[17]，電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（Thermo Fisher有限公司）測(cè)定，植物Cd含量采用硝酸雙氧水消解[18]，電感耦合等離子體質(zhì)譜儀測(cè)定。

1.4 水稻Cd生物富集和轉(zhuǎn)移系數(shù)

植物對(duì)重金屬的生物富集系數(shù)（BCF）是指植物體某一重金屬含量與相應(yīng)的土壤重金屬含量的比值，在一定程度上反映了沉積物或土壤中重金屬向植物體內(nèi)遷移的難易程度，表示重金屬在植物體內(nèi)的富集情況。植物對(duì)重金屬的轉(zhuǎn)移系數(shù)（TF）是指植物轉(zhuǎn)移器官中后者重金屬的含量與前者重金屬含量的比值，是描述重金屬在生物體內(nèi)轉(zhuǎn)移能力的重要指標(biāo)。

作物對(duì)Cd的根系富集系數(shù)[19]BCFroot=Croot/Csoil

作物對(duì)Cd的莖葉富集系數(shù)[19]BCFstem=Cstem/Csoil

作物對(duì)Cd的籽粒富集系數(shù)[19]BCFgrain=Cgrain/Csoil

莖葉對(duì)Cd的轉(zhuǎn)移系數(shù)[20]TFstem=Cstem/Croot

籽粒對(duì)Cd的轉(zhuǎn)移系數(shù)[20]TFgrain=Cgrain/Cstem

式中：Croot、Cstem、Cgrain和 Csoil分別表示作物根、莖葉、籽粒和土壤的Cd含量，mg·kg-1。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010和SPSS 13.0軟件進(jìn)行處理和統(tǒng)計(jì)分析，多重比較的顯著性檢驗(yàn)均采用LSD法。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植模式土壤有效Cd含量

連續(xù)2年早稻季節(jié)（R-R和R-C處理中的早稻，下同）稻田土壤有效Cd平均含量分別為0.14 mg·kg-1和0.15 mg·kg-1，晚稻季節(jié)（R-R和C-R處理中的晚稻，下同）分別為0.15 mg·kg-1和0.16 mg·kg-1。連續(xù)2年春玉米（C-C和C-R處理中的春玉米，下同）土壤有效Cd平均含量均為0.16 mg·kg-1，秋玉米（C-C和C-R處理中的秋玉米，下同）土壤均為0.18 mg·kg-1?？梢姡N植晚稻和秋玉米土壤有效Cd平均含量分別比早稻季節(jié)種植相同作物的土壤高6.9%和12.5%。

早稻季節(jié)（表1）：土壤有效Cd為0.13～0.17 mg·kg-1；2015年春玉米土壤有效Cd含量明顯高于水稻處理；2016年C-C的春玉米土壤有效Cd含量明顯高于R-R處理，R-R處理的早稻土壤有效Cd含量最低。

晚稻季節(jié)（表1）：土壤有效Cd為0.15～0.20 mg·kg-1，2015年C-C處理的秋玉米土壤有效Cd含量明顯高于同季種植水稻處理，晚稻土壤有效Cd含量低于秋玉米處理；2016年C-C處理秋玉米的土壤有效Cd含量明顯高于其他處理。

同一年份的土壤有效Cd含量變化不大，不同年份同一處理的2015年土壤有效Cd含量比2016年略低。

2.2 不同種植模式的植株Cd含量

不同作物器官中的Cd含量不同（圖2）。水稻不同器官中Cd含量高于玉米，早、晚季節(jié)的水稻根、莖葉和籽粒中Cd的平均含量分別為3.66、1.30 mg·kg-1和0.36 mg·kg-1，春、秋玉米的根、莖葉和籽粒中Cd平均含量分別為0.50、0.12 mg·kg-1和 0.03 mg·kg-1。水稻根、莖葉和籽粒中的Cd含量分別是玉米相同部位的7.3、10.8倍和12.0倍。水稻根系的Cd含量分別是莖葉和籽粒的2.8倍和10.2倍，玉米根系中的Cd含量分別是莖葉和籽粒的4.2倍和16.7倍。

表1 土壤有效Cd含量（mg·kg-1）Table 1 The content of available cadmium in soil（mg·kg-1）

不同季節(jié)，晚稻各器官的Cd含量高于早稻，晚稻根、莖葉和籽粒中的Cd含量分別比早稻相同器官平均增加7.5%、26.1%和4.9%。秋玉米各器官中Cd的含量也高于春玉米，秋玉米根、莖葉和籽粒中Cd含量分別比春玉米高9.3%、100.3%和417.6%。

同一季節(jié)，種植相同作物的植株根、莖葉和籽粒Cd含量差別不大。不同年份間，2016年的水稻根、莖葉和籽粒Cd含量分別比2015年高0.87、0.17 mg·kg-1和0.04 mg·kg-1，2016年玉米的根、莖葉和籽粒Cd含量分別比 2015年玉米高 0.02、0.09 mg·kg-1和 0.03 mg·kg-1。

2.3 土壤養(yǎng)分狀況

土壤的pH值在4.83～5.45之間（表2），其中R-R處理最高，C-C處理顯著低于R-R處理。不同輪作處理堿解氮含量為131.24～147.12 mg·kg-1，同一年不同處理間無顯著性差異，同一年種植不同作物的堿解氮差異不大。土壤有效磷含量以C-C處理最高，其次為R-C和C-R處理，R-R處理最低，兩年C-C處理的土壤有效磷分別比R-R處理高136.5%（P＜0.05）和380.9%（P＜0.05）。2015年和2016年土壤速效鉀分別為 130.62～135.45 mg·kg-1和 120.30～170.28 mg·kg-1，2015年土壤速效鉀間無顯著性差異，2016年土壤速效鉀R-C、C-C處理明顯高于R-R和C-R處理（P＜0.05）。

圖2 不同器官Cd的含量Figure 2 The content of cadmium in plant in different organs

2.4 富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)

由表3可見，水稻（R-R、R-C和C-R中的早稻、晚稻，下同）BCFroot、BCFstem和 BCFgrain分別為 9.83～14.56、3.14～5.18和1.08～1.33，玉米（R-C、C-C和C-R中的春玉米、秋玉米，下同）BCFroot、BCFstem和BCFgrain分別為1.31～1.78、0.18～0.79和0.03～0.26。同一年份，不同處理，水稻各器官的富集系數(shù)均明顯高于玉米。水稻的BCFroot、BCFstem和BCFgrain分別是玉米的5.5～11.1、4.0～28.8倍和4.1～44.3倍。同一處理，水稻和玉米的富集系數(shù)均表現(xiàn)為BCFroot＞BCFstem＞BCFgrain。

水稻和玉米的TFstem為0.31～0.42和0.14～0.38（表4）。2016年早稻季節(jié)的早稻TFstem顯著高于春玉米處理。2015年早稻季節(jié)R-C的TFstem比C-C高77.8%（P＜0.05），其他處理的TFstem間無顯著性差異。2015年晚稻季節(jié)C-R稻處理的TFstem顯著高于R-C處理，2016年晚稻季節(jié)種植水稻的TFstem顯著高于玉米。

水稻和玉米的TFgrain為0.23～0.38和0.10～0.37（表4）。2015、2016年早稻的TFgrain顯著高于春玉米，晚稻季節(jié)不同處理的TFgrain無顯著性差異。

不同季節(jié)同一處理均為TFstem＞TFgrain。

2.5 養(yǎng)分與作物Cd的關(guān)系

水稻根、莖葉和籽粒與土壤有效Cd呈顯著正相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)分別為0.576（P＜0.01）、0.438（P＜0.05）和0.481（P＜0.05）。

農(nóng)作物收獲后土壤堿解氮、速效磷和有效鉀與作物體內(nèi)的Cd含量并無相關(guān)性，可見，水旱輪作中，同一種作物施肥量相同，土壤中的速效養(yǎng)分不影響作物對(duì)Cd的吸收。

2.6 作物產(chǎn)量

水稻和玉米的產(chǎn)量為5808～6682 kg·hm-2和6082～6875 kg·hm-（2表5）。2015年和2016年早稻季節(jié)不同作物的產(chǎn)量無顯著性差異；2015年晚稻季節(jié)以R-C最高，比R-R處理的產(chǎn)量增加7.4%（P＜0.05）；2016年晚稻處理以C-C最高，比R-R處理產(chǎn)量增加16.1%。2年2季作物總產(chǎn)量均以R-R最低。

表2 不同處理土壤養(yǎng)分狀況Table 2 Soil nutrients of different treatments

表3 不同處理Cd富集系數(shù)比較Table 3 Compare of Cd bio-accumulation coefficient in different treatments

表4 不同處理Cd轉(zhuǎn)移系數(shù)比較Table 4 Compare of Cd transfer coefficient in different treatments

表5 不同處理的作物產(chǎn)量（kg·hm-2）Table 5 Crop yield of different treatments（kg·hm-2）

3 討論

3.1 作物吸收的Cd

早晚稻中，晚稻各器官中Cd的含量均高于早稻。不同研究者[18，21]發(fā)現(xiàn)晚稻籽粒中Cd含量高于早稻籽粒，可能的原因是一般早稻季節(jié)降雨量和降雨頻次大于晚稻，本研究中，兩年的降雨也如此（圖1），這致使早稻季節(jié)土壤中的水分和淹水時(shí)間高于晚稻季節(jié)。土壤中的水分狀況影響Cd的形態(tài)轉(zhuǎn)化，主要是在淹水條件下，Cd與硫生成硫化鎘而降低Cd的有效性[22-23]，致使早稻土壤的有效Cd減少，并減少了向籽粒的轉(zhuǎn)移，因而早稻籽粒Cd含量低于晚稻。

水稻和玉米不同器官Cd含量均是根系高于莖葉高于稻米，與其他研究結(jié)果相同[24-25]。水稻各器官中的Cd含量均高于玉米，其根、莖葉和稻米分別是玉米的7.3～12.0倍，早、晚稻根系的富集系數(shù)達(dá)12.0，是玉米富集系數(shù)的6.9倍，可見同一栽培和管理措施下，玉米對(duì)Cd的吸收能力小于水稻。水稻是相對(duì)高累積Cd的農(nóng)作物[26]，相同的栽培條件和管理措施下，水稻吸Cd能力高于玉米，容易造成輕度污染土壤上的水稻稻米Cd含量超過食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[27]的食品中污染物限量，而玉米籽粒Cd含量低于國(guó)家飼料衛(wèi)生指標(biāo)[28]規(guī)定的最低限量和食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[27]。由于晚稻籽粒Cd含量高于早稻，因此，為保障雙季稻區(qū)低Cd污染農(nóng)田的糧食安全，建議采用早稻-秋玉米的種植模式，但種植早稻需要采用Cd污染農(nóng)田防控措施，以保證稻米安全生產(chǎn)。

富集系數(shù)越高，說明植物體內(nèi)積累重金屬的能力越強(qiáng)。轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)越高，表示重金屬?gòu)母D(zhuǎn)運(yùn)到地上部位的能力越強(qiáng)[29]。水稻根、莖葉和籽粒的富集系數(shù)均＞1，玉米根系的富集系數(shù)＞1，說明水稻各器官和玉米根系富集Cd能力強(qiáng)。玉米與水稻富集Cd的能力均為根系＞莖葉＞籽粒[30-32]。玉米和水稻的TFstem＞TFgrain，可見水稻和玉米的Cd從根系轉(zhuǎn)運(yùn)到莖葉的能力大于莖葉轉(zhuǎn)運(yùn)到籽粒的能力。

3.2 土壤Cd含量、養(yǎng)分狀況和作物產(chǎn)量

土壤有效Cd與玉米籽粒、水稻根、水稻莖葉和水稻籽粒呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與前人研究結(jié)果保持一致[34-35]。不同養(yǎng)分與植物吸收Cd含量無顯著性差異，可見在本實(shí)驗(yàn)條件下，土壤中的堿解氮、有效磷和速效鉀不影響作物對(duì)Cd的吸收。

4 結(jié)論

水稻和玉米不同器官對(duì)Cd的累積規(guī)律為根系＞莖葉＞籽粒。水稻根、莖葉和籽粒吸收的Cd含量分別是玉米相同器官的7.3、10.8倍和12.0倍。水稻根系的富集吸收明顯高于玉米。

水稻和玉米各器官的富集系數(shù)均為BCFroot＞BCFstem＞BCFgrain。水稻各器官的富集系數(shù)高于玉米。同一處理各器官的轉(zhuǎn)移系數(shù)均為TFstem＞TFgrain。

水旱輪作土壤中的稻田和玉米土壤有效Cd與作物籽粒呈顯著相關(guān)關(guān)系。農(nóng)田土壤中的堿解氮、有效磷和速效鉀含量不影響作物對(duì)Cd的吸收。

早、晚稻季節(jié)種植玉米分別比種植水稻增產(chǎn)4.2%和6.4%。稻田改種玉米不同輪作制中，為保持一定的水稻面積和糧食作物產(chǎn)量，在雙季稻區(qū)晚稻改種玉米，早稻采用措施降低稻米Cd的吸收，有利于糧食作物的安全生產(chǎn)。

致謝：感謝黃曦老師對(duì)文章英文摘要的修改。