雙季翻耕與免耕條件下水稻產(chǎn)量與鎘累積特性比較

王利納

(宇寰環(huán)保科技(上海)有限公司，上海 201101)

水稻是我國最重要的口糧作物，水稻生產(chǎn)在保障糧食安全中具有舉足輕重的作用[1].隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，稻田重金屬污染問題日益突顯，稻米品質(zhì)安全受到了嚴重威脅[2-3].前人就如何降低稻米鎘含量開展了大量研究，并已在諸多方面取得了共識.其一，水稻品種鎘累積分配特性差異明顯，篩選低鎘積累品種是一條可行途徑.其二，淹水可顯著減少土壤有效態(tài)鎘含量，全生育期灌水顯著降低水稻籽粒鎘含量[4-5].其三，通過施加石灰[6]、硅肥[7-8]能夠提高土壤pH，降低土壤提取態(tài)的鎘含量，達到鈍化土壤有效鎘、降低米鎘含量的效果.以此為基礎(chǔ)，提出了水稻鎘污染防控綜合技術(shù)—“VIP”降鎘技術(shù)[9].

土壤耕作是一項重要耕作栽培措施，近年來有少量關(guān)于土壤耕作方式對土壤有效鎘含量的影響研究，常同舉等[10]認為不同耕作方式對紫色水稻土壤鎘含量影響不顯著，崔孝強等[11]發(fā)現(xiàn)免耕處理的土壤有效鎘含量顯著高于翻耕處理，而湯文光等[12]認為長期翻耕和旋耕的土壤中的鎘含量顯著偏高.可見，關(guān)于土壤耕作方式影響土壤有效鎘含量的研究結(jié)果存在差異.

總的來看，目前從土壤耕作措施角度開展的雙季稻鎘污染防控技術(shù)研究尚少.因此，本研究在湖南省湘潭縣鎘污染稻田開展大田定位試驗，設(shè)置雙季翻耕與雙季免耕處理，通過比較兩種土壤耕作方式對雙季稻產(chǎn)量與鎘積累分配特性的差異，以期初步明確免耕措施在鎘污染稻田水稻生產(chǎn)中的適用性，為鎘污染稻田水稻安全生產(chǎn)提供技術(shù)參考.

1 材料與方法

1.1 試驗地點與試驗材料

試驗地點為湖南省湘潭縣易俗河鎮(zhèn)鎘污染稻田，生理及化學(xué)指標在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)作物生理與分子生物學(xué)教育部重點實驗室進行.

早稻品種為陵兩優(yōu)211，2015年于3月22日播種，4月22日移栽；2016年于3月24日播種，4月24日移栽；2017年于3月22日播種，4月22日移栽；2018年于3月24日播種，4月24日移栽.

晚稻品種威優(yōu)46，2015年于6月13日播種，7月10日移栽；2016年于6月12日播種，7月11日移栽；2017年于6月13日播種，7月10日移栽；2018年于6月12日播種，7月11日移栽.

供試土壤pH 6.12，有機質(zhì)30.82 g/kg，全氮1.70 g/kg，全磷0.77 g/kg，全鉀8.47 g/kg，堿解氮163.4 mg/kg，有效磷39.60 mg/kg，速效鉀298.60 mg/kg.全鎘和有效鎘分別為0.913 3 mg/kg和0.432 7 mg/kg.

1.2 試驗設(shè)計

試驗采取大區(qū)設(shè)計，將試驗大田分為2大塊，設(shè)2個處理，分別為：雙季免耕(G1)、雙季翻耕(G2).各處理面積均為115 m2，不設(shè)重復(fù)，每個處理均有獨立的排水口與進水口，處理之間有田壟隔開并覆蓋薄膜.

早稻栽培技術(shù)措施：插秧密度16.7 cm×20 cm，每穴3根苗.施肥方案為：基肥600 kg/hm2，分蘗初期追肥尿素150 kg/hm2.基肥為復(fù)混肥料，N、P2O5、K2O比例為22∶6∶12，尿素含氮46.4%.

晚稻栽培技術(shù)措施：插秧密度20 cm×20 cm，每穴3根苗.施肥方案為：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(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%.

1.3 測定項目與方法

產(chǎn)量及其構(gòu)成因素：水稻成熟期，每區(qū)數(shù)100穴水稻的有效穗數(shù)，計算每穴平均有效穗數(shù)，然后按照平均有效穗數(shù)取15穴(每5穴為一次重復(fù))，帶回實驗室考種，考察每穗實粒數(shù)、每穗總粒數(shù)、結(jié)實率、千粒重，最后根據(jù)有效穗數(shù)×每穗總粒數(shù)×結(jié)實率×粒重計算理論產(chǎn)量.

鎘含量與積累量：(1)于水稻成熟期，根據(jù)平均有效穗數(shù)，每個區(qū)取樣15穴(每5穴為一個重復(fù))，分根、莖、葉、穗(進一步分為枝梗、空粒、實粒)裝袋，置于烘箱中105 ℃殺青30 min，80 ℃烘干至恒重，記錄干物質(zhì)重量后，粉碎裝于塑料自封袋中備用.(2)每處理收稻谷(實粒)1 kg，曬干，儲藏3個月后碾米，分成谷殼、米糠、精米等3部分，烘干稱重后，粉碎裝于塑料自封袋中備用.針對以上材料，采用硝酸-高氯酸高溫消解，用石墨爐檢測消化液中鎘含量.根據(jù)各部分干物重計算鎘累積量.

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有的試驗數(shù)據(jù)均采用Excel 2013和SPSS 22.0統(tǒng)計軟件進行分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 雙季翻耕與免耕處理水稻產(chǎn)量構(gòu)成因素比較

2015年～2018年雙季翻耕與免耕處理雙季稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素見表1.2015年，早、晚稻產(chǎn)量均表現(xiàn)翻耕高于免耕處理的趨勢，早稻免耕處理千粒重較高，但有效穗數(shù)和結(jié)實率低于翻耕處理；晚稻免耕處理千粒重也顯著高于翻耕處理，但其有效穗數(shù)和每穗粒數(shù)顯著降低.2016年，早、晚稻產(chǎn)量仍表現(xiàn)翻耕顯著高于免耕處理的趨勢，早、晚稻免耕處理產(chǎn)量顯著降低主要是由于每穗粒數(shù)顯著降低所致.2017年，早稻產(chǎn)量翻耕處理顯著高于免耕處理，主要原因是免耕處理有效穗數(shù)顯著降低；晚稻免耕處理每穗粒數(shù)顯著降低，但其因有效穗數(shù)略多和千粒重略高，因而兩處理間產(chǎn)量差異并不顯著.2018年，早、晚稻處理間有效穗數(shù)均有顯著差異，早、晚稻產(chǎn)量均以免耕處理較低，但差異不顯著.

可見，土壤耕作方式主要影響有效穗數(shù)和每穗粒數(shù)，對結(jié)實率無明顯影響；實施不同土壤耕作方式1 a～2 a的情況下，翻耕處理具有顯著增產(chǎn)優(yōu)勢，但其產(chǎn)量優(yōu)勢隨年限延長而逐漸削弱，至第4 a翻耕處理已無顯著增產(chǎn)優(yōu)勢.

表1 雙季翻耕與免耕處理水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素

方差分析分年份和季別進行，不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，下同

2.2 雙季翻耕與免耕處理水稻成熟期鎘含量比較

2015年～2018年雙季翻耕與免耕處理雙季稻成熟期根、莖、葉、穗鎘含量見表2.2015年，早稻免耕處理根、莖、葉鎘含量顯著高于翻耕處理，但穗鎘含量低于翻耕處理；晚稻趨勢一致.2016年，早稻葉鎘含量免耕處理顯著低于翻耕處理，而根、莖、穗鎘含量的處理間差異與2015年一致；晚稻根鎘含量以免耕處理顯著較高，其他各器官鎘含量均翻耕處理較高.2017年，早稻根、莖鎘含量以免耕處理顯著較高，但葉、穗鎘含量表現(xiàn)相反；晚稻根、莖鎘含量也以免耕處理顯著較高，但處理間葉、穗鎘含量差異不顯著；2018年，早稻根、莖、葉鎘含量以免耕處理顯著較高，處理間穗鎘含量差異不顯著；晚稻各器官鎘含量均以免耕處理顯著較高.

從2015年～2018年看，處理間根、莖鎘含量始終以免耕處理顯著較高，處理間葉鎘含量差異年際間表現(xiàn)不一致，穗鎘含量起初以免耕處理較低，但隨年限增加有逐漸反超趨勢.

綜上所述，2015年～2017年，免耕水稻營養(yǎng)器官鎘含量顯著提高，但穗鎘含量顯著低于翻耕處理.可見，持續(xù)2 a～3 a的情況下，通過免耕降低雙季稻穗鎘含量是可行的.

表2 雙季翻耕與免耕處理水稻成熟期根、莖、葉、穗鎘含量(mg/kg)

2015年～2018年雙季翻耕與免耕處理雙季稻成熟期穗與籽粒各部位鎘含量見表3.2015年，早、晚稻穗與籽粒各部位鎘含量一般以免耕處理顯著較高(谷殼除外).2016年～2017年，早、晚稻穗與籽粒各部位鎘含量一般以翻耕處理較高；2018年早稻穗與籽粒各部位鎘含量一般也以翻耕處理較高，但晚稻表現(xiàn)不一致，其枝梗、空粒與谷殼鎘含量以免耕處理較高，但處理間糙米、米糠和精米鎘含量差異不顯著.

可見翻耕與免耕處理穗和籽粒各部位鎘含量差異明顯，且年際間也有差異.重點關(guān)注糙米鎘含量可以發(fā)現(xiàn)，連續(xù)2 a以上免耕處理可降低糙米鎘含量.

表3 雙季翻耕與免耕處理水稻成熟期穗與籽粒各部位鎘含量(mg/kg)

2.3 雙季翻耕與免耕處理水稻成熟期鎘累積量比較

2015年～2018年雙季翻耕與免耕處理雙季稻成熟期地上部各器官鎘積累量見表4.由表可見，早、晚稻地上部各累積量均表現(xiàn)為莖>穗>葉，但水稻鎘累積量在年際間、早晚稻間差異極大.兩種耕作方式比較，4 a早稻地上部鎘累積量在翻耕與免耕處理間未表現(xiàn)顯著差異，2015年和2018年晚稻也不存在顯著差異，但2016年～2017年晚稻地上部鎘累積量以翻耕處理顯著較高.

表4 雙季翻耕與免耕處理水稻成熟期各器官鎘累積量(g/hm2)

3 討論

土壤耕作是作物生產(chǎn)上的一項常見措施，在當前稻田鎘污染日益嚴重的情況下，已有研究者關(guān)注了土壤耕作方式對土壤有效鎘含量的影響[10-12]，但研究結(jié)果尚存在差異.土壤耕作措施對雙季稻鎘累積的影響研究尚屬空白，因此，本研究在湖南省湘潭縣鎘污染稻田開展大田定位試驗，設(shè)置雙季翻耕與雙季免耕處理，比較了兩種土壤耕作方式對雙季稻產(chǎn)量與鎘積累分配特性的影響，發(fā)現(xiàn)實施不同土壤耕作方式1 a～2 a的情況下，翻耕處理具有顯著增產(chǎn)優(yōu)勢，但其產(chǎn)量優(yōu)勢隨年限延長而逐漸削弱，至第4 a翻耕處理已無顯著增產(chǎn)優(yōu)勢；翻耕與免耕處理穗和籽粒各部位鎘含量差異明顯，且年際間也有差異，連續(xù)2 a以上免耕處理可降低糙米鎘含量.因此，本研究初步認為，鎘污染稻田連續(xù)2 a以上雙季免耕可以獲得與翻耕產(chǎn)量相當、米鎘含量更低的稻谷.

關(guān)于水稻各器官鎘含量，常同舉等[10]認為水稻鎘各部位含量高低依次為根>莖葉>糙米，本研究結(jié)果與之一致.前人就水稻鎘污染防控開展了大量研究，但目前從土壤耕作措施角度開展的雙季稻鎘污染防控技術(shù)研究較少，而其機理研究更少，因此，在湖南省湘潭縣鎘污染稻田上開展的本次大田定位試驗，通過研究不同土壤耕作方式對雙季稻田土壤鎘含量變化以及對雙季稻鎘積累分配特性的影響，探討其影響機制，為實現(xiàn)中度鎘污染稻田水稻安全生產(chǎn)奠定基礎(chǔ).湯文光等[12]研究認為，長期免耕促進水稻地上部分富集鎘的能力，但其糙米鎘含量與長期翻耕處理無顯著差異.這與常同舉等[10]的結(jié)果不同.本研究發(fā)現(xiàn)，翻耕與免耕處理穗和籽粒各部位鎘含量差異明顯，且年際間也有差異，連續(xù)2 a以上免耕處理可降低糙米鎘含量.可見，免耕對稻米鎘含量的影響結(jié)果尚不一致.

前人從土壤有效鎘含量的差異角度探討了土壤耕作方式影響水稻鎘累積的機理，崔孝強等[11]研究認為，免耕處理的土壤有效鎘含量顯著高于翻耕，而湯文光等[12]認為長期翻耕和旋耕的土壤中的鎘含量顯著偏高.可見在此方面尚無一致意見，由此可以看出耕作方式對水稻各器官鎘積累與分配的影響十分復(fù)雜.目前有關(guān)土壤耕作方式對稻田土壤有效鎘含量與稻米鎘含量的影響結(jié)果尚無統(tǒng)一意見，可能與土壤類型、土壤鎘含量、水稻品種等各方面有關(guān)，對此還有待深入研究.

4 結(jié)論

通過連續(xù)4 a比較研究雙季翻耕與雙季免耕對雙季稻產(chǎn)量與鎘積累分配特性的影響，本研究初步認為連續(xù)2 a以上雙季免耕是確保鎘污染稻田稻谷產(chǎn)量與較低鎘含量的可行措施.考慮到土壤類型、土壤鎘含量、水稻品種等各方面的因素，此方面研究還有待深入.