水稻不同生育期鎘吸收與積累特征研究

倪中應(yīng)，章明奎，王京文，李 丹，石一珺

（1桐廬縣農(nóng)業(yè)和林業(yè)技術(shù)推廣中心，浙江桐廬311500；2浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，杭州310058；3杭州市植保土肥總站，杭州310020）

0 引言

鎘是中國(guó)稻米生產(chǎn)中最為突出的污染物[1-2]，也是目前中國(guó)南方地區(qū)農(nóng)田污染治理最為關(guān)注的重金屬元素[3-4]。由于稻米中鎘主要來(lái)自產(chǎn)地土壤[5]，因此控制土壤中的鎘進(jìn)入水稻植株被認(rèn)為是控制稻米鎘積累的有效途徑，相關(guān)技術(shù)包括減少水稻對(duì)土壤中鎘的吸收[6-7]、降低土壤鎘的生物有效性、減少土壤中鎘的含量及調(diào)控水稻體內(nèi)鎘由根部向籽粒的遷移[8-9]。近10 多年來(lái)，中國(guó)嘗試了多類(lèi)鈍化劑及農(nóng)業(yè)措施等在減控水稻鎘積累的效果，提出了諸如推行低吸收水稻品種、工程措施、化學(xué)修復(fù)、生物修復(fù)和農(nóng)藝調(diào)控等技術(shù)[10-12]。研究表明[13-15]，晚稻對(duì)鎘的富集性顯著大于早稻，秈稻品種糙米鎘含量高于粳稻，生育期較長(zhǎng)的高產(chǎn)品種的糙米中鎘含量高于生育期較短的中、低產(chǎn)品種，雜交稻的鎘含量高于常規(guī)稻，普通稻鎘含量高于優(yōu)質(zhì)稻，超級(jí)稻吸收積累鎘的能力顯著高于普通雜交稻。土壤的Eh 值可通過(guò)影響土壤鎘的有效態(tài)而影響水稻對(duì)鎘的吸收，因此通過(guò)控制土壤水分來(lái)調(diào)節(jié)Eh值可達(dá)到降低水稻鎘吸收的目的，淹水管理可有效降低水稻莖葉、糙米中的鎘含量[16]。然而，由于缺乏對(duì)不同水稻品種及不同生育期鎘吸收規(guī)律的研究，至今對(duì)有關(guān)以上治理措施在水稻哪個(gè)生育期采取最為有效還了解不多。水稻生長(zhǎng)包括苗期、分蘗期、孕穗期、齊穗期、灌漿期、乳熟期和黃熟期等多個(gè)生長(zhǎng)期，而稻米形成于水稻生長(zhǎng)后期，因此，稻米中鎘的形成和積累與水稻各生長(zhǎng)期的水分和礦物質(zhì)的吸收、干物質(zhì)的形成、存儲(chǔ)、運(yùn)移及分配存在密切關(guān)系。由于各生長(zhǎng)期生長(zhǎng)特性的差異，水稻不同生長(zhǎng)期對(duì)鎘的吸收、運(yùn)移和積累可存在較大的差異[17-19]。因此，探明水稻各生長(zhǎng)期水稻植株中鎘的吸收與積累規(guī)律，可為科學(xué)制訂消減稻谷鎘積累的技術(shù)提供依據(jù)。為此，本研究選擇鎘輕污染和重污染兩種土壤，采用盆栽方法分別栽培鎘低吸收（‘秀水519’）和鎘高吸收（‘浙優(yōu)18’）兩個(gè)水稻品種，觀察了水稻不同生育期不同器官中鎘的積累特點(diǎn)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

采集了鎘輕污染和鎘重污染2種稻田土壤開(kāi)展試驗(yàn)，其性狀見(jiàn)表1。供試的水稻品種包括‘秀水519’（鎘低吸收品種，V1）和‘浙優(yōu)18’（鎘高吸收品種，V2）兩個(gè)品種。

1.2 盆栽試驗(yàn)

盆栽試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理，分別為‘秀水519’+輕污染土壤(V1+L)、‘秀水519’+重污染土壤(V1+H)、‘浙優(yōu)18’+輕污染土壤(V2+L)和‘浙優(yōu)18’+重污染土壤(V2+H)。試驗(yàn)在直徑為30 cm、高為30 cm 的塑料容器中進(jìn)行，每個(gè)處理用土量為10 kg，重復(fù)21次。試驗(yàn)前每一處理分別施N（尿素）、P（磷酸二銨）和K（硫酸鉀）1.0、0.6、1.0 g作為底肥。水稻采用直播，每盆播種6 粒種子，至出苗15 天后保留3 株。分蘗期加施肥料一次，用量同底肥，采用常規(guī)方法管理。分別在苗期、分蘗期、孕穗期、齊穗期、灌漿期、乳熟期和黃熟期從每一處理中隨機(jī)選擇3 個(gè)重復(fù)，先用自來(lái)水沖洗去除土壤和清洗植株，然后中去離子水沖洗植株。經(jīng)沖洗后的植株按器官分為根部、莖部、葉和谷物等4 部分，在105℃下烘干計(jì)重。

1.3 分析方法

各器官樣品磨細(xì)過(guò)1 mm，采用HNO3-HClO4聯(lián)合消煮[20]，用石墨爐-原子吸收光譜法測(cè)定Cd。土壤有效Cd 采用DTPA 法(0.005 mol/L DTPA+ 0.1 mol/L TEA+ 0.01 mo/L CaCl2)提取，石墨爐原子吸收光譜法測(cè)定。土壤養(yǎng)分用常規(guī)方法測(cè)定[21]。

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻各生長(zhǎng)期干物質(zhì)的積累

圖1 可知，隨著水稻的生長(zhǎng)，水稻各器官生物量（干物質(zhì)積累）逐漸增加?？偵锪吭谒救槭炱谇耙恢背尸F(xiàn)增加，由乳熟期至黃熟期總生物量略有下降。總生物量增加最為明顯的是苗期至分蘗期和孕穗期至齊穗期。在水稻生長(zhǎng)過(guò)程中各器官生物量的變化有較大的差異，其中，根部、莖部和葉的生物量主要形成于齊穗期前，而稻谷生物量主要形成于灌漿期至乳熟期。灌漿期后根部、莖部和葉的生物量有所下降。圖1 結(jié)果還表明，水稻品種對(duì)水稻各器官生物量有很大的影響，‘浙優(yōu)18’的生物量明顯高于‘秀水519’。但土壤鎘污染程度對(duì)水稻各器官生物量的影響不明顯。

表1 供試土壤性狀

2.2 水稻各器官鎘含量隨生育期的變化

圖2 結(jié)果表明，各器官中Cd 含量因器官部位、水稻品種和土壤污染程度不同有所差異。‘浙優(yōu)18’的各器官中Cd含量明顯高于‘秀水519’，鎘重污染農(nóng)田中生長(zhǎng)的水稻鎘積累高于鎘輕污染農(nóng)田中生長(zhǎng)的水稻。水稻根部Cd 含量隨水稻生長(zhǎng)均呈現(xiàn)增加，但莖部、葉和谷物中Cd 含量的變化因土壤鎘污染程度不同有所差異。在土壤鎘輕度污染的農(nóng)田中，莖部和葉的Cd含量一般在生長(zhǎng)前者呈現(xiàn)增加，但后期明顯下降，其中‘秀水519’的莖部和葉的最高Cd 含量分別出現(xiàn)在分蘗期和孕穗期，而‘浙優(yōu)18’莖部和葉的最高Cd 含量均出現(xiàn)在孕穗期?？傮w上，‘浙優(yōu)18’的莖部和葉的Cd增加的持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。在土壤鎘重度污染的農(nóng)田中，莖部和葉的Cd 含量增加的持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)高于在土壤鎘輕度污染的農(nóng)田中，其中‘秀水519’的莖部和葉的最高Cd 含量分別出現(xiàn)在孕穗期和灌漿期，而‘浙優(yōu)18’莖部和葉的最高Cd含量隨水稻生長(zhǎng)一直呈現(xiàn)增加，至黃熟期達(dá)到最高。在土壤鎘輕度污染的農(nóng)田中，稻谷中最高Cd含量出現(xiàn)在灌漿期，而在土壤鎘重度污染的農(nóng)田中，稻谷中最高Cd含量出現(xiàn)在乳熟期。土壤鎘重度污染的農(nóng)田中各器官增加持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)可能與該農(nóng)田土壤具有高量的有效鎘供應(yīng)有關(guān)，而土壤鎘輕度污染的農(nóng)田中，因土壤有效鎘較低，其鎘吸收量遠(yuǎn)低于其干物質(zhì)積累量。

2.3 水稻各器官鎘積累的分布

表2 可知，水稻植株中鎘總積累量在水稻生長(zhǎng)前期呈現(xiàn)明顯的積累，在乳熟期達(dá)到最高值，而黃熟期水稻植株中鎘總積累量比乳熟期下降是由于部分葉片老化凋落有關(guān)。表2 結(jié)果表明，水稻植株中鎘總積累量因土壤鎘污染水平和水稻品種不同有較大的差異，土壤鎘重度污染的農(nóng)田明顯高于土壤鎘輕度污染的農(nóng)田，‘浙優(yōu)18’的生物量明顯高于‘秀水519’。鎘在水稻各器官積累的分配有較大的差異，根是水稻植株鎘積累的主要部位，植株中有50%以上的鎘積累在根部，但隨著水稻的生長(zhǎng)，其比例有所下降；莖部中鎘積累比例位于第二，一般占20%以上，以孕穗期的占比為最高。雖然稻谷的生物量也較高，但稻谷中的鎘占比較低，在10%以下。表2的結(jié)果還表明，在水稻生長(zhǎng)中后期，根部鎘的占比在土壤鎘重度污染的農(nóng)田明顯低于土壤鎘輕度污染的農(nóng)田，而土壤鎘重度污染農(nóng)田生長(zhǎng)水稻莖部中鎘的占比明顯高于土壤鎘輕度污染的農(nóng)田。鎘高吸收水稻品種（‘浙優(yōu)18’）中莖部中鎘的占比一般高于鎘低吸收水稻品種（‘秀水519’）。這些結(jié)果表明，在鎘重污染農(nóng)田和種植鎘高吸收水稻的情況下，鎘更易向水稻地上部位遷移，積累在地上部位。

3 討論

3.1 降低稻米中鎘積累的關(guān)鍵時(shí)期

如果以乳熟期植株鎘積累量達(dá)到最大值作為水稻的最大吸收量（表2），那么可以認(rèn)為水稻植株中的鎘基本上是灌漿期以前吸收的，其占總吸收量的92.28%～99.00%，其中齊穗期以前吸收的鎘占植株吸收的總鎘量的69.82%～84.53%。中國(guó)目前推行的污染農(nóng)田安全利用技術(shù)中，鈍化土壤鎘的活性和深水灌溉是控制水稻對(duì)土壤鎘吸收的有效技術(shù)[22-23]，從本研究的結(jié)果來(lái)看，這二項(xiàng)技術(shù)應(yīng)在水稻灌漿期以前（特別是齊穗期以前）進(jìn)行，這樣才能有效地降低水稻對(duì)土壤中鎘的吸收。

在灌漿期至黃熟期（特別是從灌漿期至乳熟期），水稻莖葉中的鎘具有明顯地向籽粒轉(zhuǎn)移的特點(diǎn)（表2），因此，灌漿期至乳熟期是控制水稻植株中莖葉鎘向籽粒轉(zhuǎn)移的最佳時(shí)期。目前，在中國(guó)許多地方推行利用葉面噴施含硅、硒、營(yíng)養(yǎng)元素等生理阻控劑來(lái)降低水體植株中的鎘向籽粒轉(zhuǎn)移[24-26]，并取得了較好的效果。從本研究的結(jié)果來(lái)看，灌漿期至乳熟期是應(yīng)用葉面生理阻控劑最佳的時(shí)期。

表2 水稻不同生育期鎘的積累與分配

3.2 秸稈還田對(duì)農(nóng)田土壤鎘平衡的影響

有關(guān)污染農(nóng)田秸稈還田是否會(huì)影響土壤中鎘的積累一直是人們關(guān)心的問(wèn)題[27-28]，從本研究結(jié)果來(lái)看，水稻地下部分是積累鎘最大的器官，但這部分鎘無(wú)法通過(guò)水稻收獲從土壤中移除。從本研究的結(jié)果來(lái)看，對(duì)于鎘污染較輕的農(nóng)田，特別是種植鎘低吸收水稻品種時(shí)，其地上部分秸稈中鎘積累占整個(gè)水稻植株的比例較低，其還田與否對(duì)農(nóng)田土壤鎘的平衡影響較小。但對(duì)于鎘重度污染農(nóng)田，特別是種植鎘高吸收水稻品種的情況下，其在地上部分秸稈中有較高的鎘積累，且其占整個(gè)水稻植株的鎘積累的比例較高，移除這些秸稈可明顯降低農(nóng)田鎘的積累。

4 結(jié)論

（1）水稻總生物量在乳熟期前一直呈現(xiàn)增加，增加最為明顯的是苗期至分蘗期和孕穗期至齊穗期。土壤鎘污染程度對(duì)水稻各器官生物量的影響不明顯，但各器官中Cd含量因器官部位、水稻品種和土壤污染程度不同有所差異，鎘積累由高至低依次為：根＞莖＞葉＞谷，鎘高吸收品種（‘浙優(yōu)18’）明顯高于鎘低吸收品種（‘秀水519’）；鎘重污染農(nóng)田中生長(zhǎng)的水稻鎘積累高于鎘輕污染農(nóng)田中生長(zhǎng)的水稻。

（2）水稻根部Cd含量呈現(xiàn)隨水稻生長(zhǎng)期有增加而增加，但莖部、葉和谷物中Cd 含量的變化因土壤鎘污染程度不同有所差異，在土壤鎘輕度污染的農(nóng)田中生長(zhǎng)水稻莖部和葉的Cd 含量一般分蘗期和孕穗期達(dá)到高值，而在土壤鎘重度污染的農(nóng)田中生長(zhǎng)水稻莖部和葉的Cd 含量最高值出現(xiàn)在孕穗期至黃熟期。鎘在水稻各器官積累的分配有較大的差異，根是水稻植株鎘積累的主要部位，其次為莖部。在鎘重污染農(nóng)田和種植鎘高吸收水稻（‘浙優(yōu)18’）的情況下，鎘更易向水稻地上部位遷移，積累在地上部位。

（3）齊穗期以前是控制植株吸收土壤鎘的關(guān)鍵時(shí)期，灌漿期至乳熟期是控制水稻植株中莖葉鎘向籽粒轉(zhuǎn)移的最佳時(shí)期。在鎘重污染農(nóng)田種植鎘高吸收水稻品種（‘浙優(yōu)18’），其地上部分秸稈中有較高的鎘積累，且其占整個(gè)水稻植株的鎘積累的比例較高，移除這些秸稈可明顯降低農(nóng)田鎘的積累。