施用石灰降低污染稻田上雙季稻鎘積累的效果

周亮，肖峰，肖歡，張玉盛，敖和軍

施用石灰降低污染稻田上雙季稻鎘積累的效果

周亮1,2，肖峰2,3，肖歡2,3，張玉盛2,3，敖和軍2,3

1華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，廣州 510642；2南方糧油協(xié)同創(chuàng)新中心，長沙 410128；3湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，長沙 410128

【】研究在不同鎘（Cd）污染程度稻田上施用石灰（CaO）的效果以及雙季稻稻米Cd積累的差異，為早、晚稻季下不同污染程度稻田上的稻米安全生產(chǎn)提供參考。在湖南省選取43個縣（區(qū)）的典型Cd污染稻田作為試驗點，以常規(guī)栽培作為對照，研究施用石灰（1 200 kg·hm-2）后，輕度污染（土壤有效鎘≤0.2 mg·kg-1）、中度污染（0.2 mg·kg-1＜土壤有效鎘≤0.4 mg·kg-1）、重度污染（0.4 mg·kg-1＜土壤有效鎘≤0.6 mg·kg-1）和嚴重污染（土壤有效鎘＞0.6 mg·kg-1）稻田土壤pH、土壤有效鎘含量、稻米Cd含量以及稻米富集系數(shù)的變化。（1）從Cd污染稻田整體的角度分析，相比常規(guī)栽培，施用石灰能夠極顯著降低早、晚稻米Cd含量均值，降幅分別為31.0%和28.6%。（2）從不同稻季下不同污染程度稻田的角度分析，相比常規(guī)栽培，施用石灰能夠降低早稻季中度、重度和嚴重污染稻田的稻米Cd含量均值，降幅分別為37.0%、38.7%（＜0.05）和22.6%;施用石灰能夠降低晚稻季輕度、中度、重度和嚴重污染稻田的稻米Cd含量均值，降幅分別為2.0%、31.3%（＜0.05）、31.8%和22.9%。不同污染程度稻田施用石灰后能夠提高土壤pH，降低土壤有效鎘含量，使稻米Cd富集系數(shù)明顯下降，實現(xiàn)對稻米Cd含量的調(diào)控。施用石灰能夠有效調(diào)控早稻季的輕度、中度、重度以及晚稻季的輕度Cd污染稻田的稻米Cd含量均值，降至限量標準（0.2 mg·kg-1）以下。因此，以石灰施用為基礎(chǔ)，結(jié)合其他降Cd措施，實施“分稻季分污染程度”和“晚稻優(yōu)先于早稻”的治理思路，能提高大田生產(chǎn)上稻米Cd含量調(diào)控的穩(wěn)定性并降低治理成本。

石灰；雙季稻；Cd；稻米Cd富集系數(shù)

0 引言

【研究意義】水稻（）是我國的主要糧食作物，保障水稻的安全高產(chǎn)，是養(yǎng)活14億人口的關(guān)鍵。水稻產(chǎn)量高是端穩(wěn)飯碗的保障，而水稻食用安全是端穩(wěn)飯碗的前提，但如今稻田Cd污染對水稻安全造成巨大威脅[1]。在極端天氣日益加劇、沙漠蝗蟲卷土重來和新冠病毒暗中潛伏等諸多不確定因素的局勢下，傳統(tǒng)意識上以休耕Cd污染稻田，輔以國外進口糧食的策略，來達到端穩(wěn)自家飯碗的目的是不可行的[2-3]。因此，開展雙季稻區(qū)Cd污染稻田的稻米Cd調(diào)控研究，對于保障我國的糧食安全迫在眉睫。【前人研究進展】國內(nèi)外學(xué)者，以土壤鈍化和生理阻隔為出發(fā)點[4]，從農(nóng)藝措施[5]和物化產(chǎn)品[6-7]的角度已開展大量研究，同時構(gòu)建了一套相對完善的控Cd體系，即“水稻低Cd積累品種（Varieties）+稻田持續(xù)淹水灌溉（Irrigation）+外源添加堿性物質(zhì)（pH）+輔助措施（N）”的“VIP+N”綜合控Cd技術(shù)體系[8-11]。堿性物質(zhì)石灰（CaO）作為“VIP+N”綜合控Cd技術(shù)體系的關(guān)鍵一環(huán)，具備來源廣、價格便宜的優(yōu)點，在治理稻田Cd污染方面得到廣泛的應(yīng)用。張迪和Bolan等通過盆栽試驗揭示，石灰能夠提高pH，促使土壤中的有效鎘向還原態(tài)和殘渣態(tài)轉(zhuǎn)化，削弱土壤Cd的遷移能力，降低作物對Cd的富集能力[12-13]。史磊等[14]研究發(fā)現(xiàn)，在Cd污染稻田的分蘗期施用石灰，能夠有效降低稻米Cd含量，同時保障水稻不減產(chǎn)。鄢德梅等[15]研究后建議，將石灰石、海泡石和鈣鎂磷肥組配后，用于稻田Cd污染（4.98 mg·kg-1）的治理，能夠生產(chǎn)出達標的稻米。以上結(jié)果均表明，石灰能夠有效調(diào)控稻米Cd積累?！颈狙芯壳腥朦c】但這些研究結(jié)果，都是在單一稻季和單一污染程度土壤開展所得，具有相對的局限性。而石灰在調(diào)控水稻Cd積累時，受到土壤有效鎘含量和水稻Cd吸收能力的共同影響。一方面，石灰通過降低土壤有效鎘含量，來降低稻米富集系數(shù)；另一方面，石灰會降低土壤有效鐵和錳的含量，誘導(dǎo)水稻根系OsNramp5和OsIRT1基因的表達，增強水稻吸收Cd的能力[16]。這兩者構(gòu)成一個動態(tài)平衡，共同決定最終稻米的Cd積累。以上結(jié)果表明，石灰在實際應(yīng)用時會受到多重因素的影響。因此，不同稻季下不同污染程度稻田稻米Cd含量在施用石灰后可能存在較大的差異。然而，這一猜想至今未在雙季稻區(qū)的大尺度范圍得到驗證?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究在雙季稻區(qū)的不同污染程度稻田，開展石灰的大規(guī)模應(yīng)用研究，探明石灰對不同Cd污染程度稻田雙季稻米Cd含量的影響，結(jié)合土壤pH、土壤有效鎘含量和稻米富集系數(shù)，闡明石灰的大田降Cd機理，為雙季稻區(qū)的稻米安全生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗點布置

本研究以湖南省農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境保護管理站為實施主體，下轄市（縣、區(qū)）農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境保護管理站為開展試驗的個體，選擇43個縣（區(qū)）的典型雙季稻區(qū)Cd污染稻田作為試驗區(qū)域，每個試驗區(qū)域下設(shè)1—3個試驗點，共計79個試驗點，涵蓋湖南省全省雙季稻Cd污染稻田。

1.2 試驗設(shè)計與田間管理

試驗于2016年在湖南省43個縣（區(qū)）的79個試驗點開展。試驗設(shè)兩個處理：（1）常規(guī)栽培（CK）；（2）施用石灰（CaO）。每個處理設(shè)3次重復(fù)，每個小區(qū)面積為30 m2。小區(qū)間作田埂分隔，田埂高度30 cm，并覆蓋農(nóng)膜，留走道和灌、排水溝，確保每個小區(qū)單灌、單排、小區(qū)間不串水。早、晚兩季在同一試驗田進行，保持小區(qū)排列不變。早、晚稻季的農(nóng)事操作均采用人工，確保小區(qū)田埂不受破壞。

早、晚稻品種采用當?shù)爻Ｒ?guī)品種，同一試驗點，保證兩個處理在相同稻季的水稻品種一致。依據(jù)當?shù)胤N植習(xí)慣，水稻秧苗采用常規(guī)軟盤水育秧或水育秧。播種和移栽時間，參考當?shù)氐霓r(nóng)事季節(jié)，水稻秧苗移栽方式嚴格采用手工移栽。為代表當?shù)氐乃旧a(chǎn)實際情況，施肥類型和施肥量均參考當?shù)爻Ｒ?guī)栽培習(xí)慣，但禁止使用過磷酸鈣等酸性肥料；按當?shù)夭∠x情報進行防治，較常規(guī)病蟲害防治略加大力度。石灰均在早、晚稻季的分蘗末期，按照1 200 kg·hm-2的標準施用。

1.3 樣品的采集與測定

土壤樣品采用“梅花五點法”在各個試驗小區(qū)采集0—20 cm土層的土壤。每個小區(qū)采集約500 g的鮮重土壤，自然陰干后備用。土壤樣品共取3次，取樣時間分別在早稻移栽前、早稻收獲后（晚稻移栽前）和晚稻收獲后。

稻谷樣品采用“梅花五點法”在每個小區(qū)采集約500 g的稻谷樣品，手工脫粒曬干后備用。稻谷樣品共取2次，取樣時間分別在早稻成熟期和晚稻成熟期。

各縣（區(qū)）試驗點采集的土壤樣品均送至廣電計量檢測（湖南）有限公司，進行土壤pH和土壤有效鎘的分析測定。稻谷樣品均送至湖南省分析測定中心，進行稻米Cd含量的測定。以確保試驗與檢測過程可復(fù)查、有效降低檢測誤差。

土壤pH：將陰干后的土壤樣品，采用水土比5﹕1的方式，用pH計測定，此過程由廣電計量檢測（湖南）有限公司完成。

土壤有效鎘：將土壤樣品用DTPA提取后，參照《土壤質(zhì)量有效態(tài)鉛和鎘的測定原子吸收法》（GB/T 23739—2009）進行測定，此過程由廣電計量檢測（湖南）有限公司完成。

稻米Cd含量：曬干的稻谷樣品，按照農(nóng)業(yè)農(nóng)村部頒標準《米質(zhì)測定方法》（NY147—88）出糙，隨后參照《食品安全國家標準食品中鎘的測定》（GB 5009.15—2014）進行測定，此過程由湖南省分析測定中心完成。

樣品質(zhì)量控制：100個待測樣品做一批次，其中再插入5個平行樣、2個標準樣和3個空白樣，共構(gòu)成110個樣品上機測定。土壤有效態(tài)標準物質(zhì)采用ASA-7，稻米標準樣品采用GSB-23，土壤和稻米的標準品回收率分別為92%—103%和88%—98%。當平行樣品間超過20%以上的差異時，標注該樣品，下次重新測定。

1.4 計算公式

稻米Cd富集系數(shù)一般用于描述復(fù)雜田間條件下，受多種因素影響后稻米積累Cd的綜合能力強弱。

早季稻米Cd富集系數(shù)=早稻米Cd含量/早稻移栽前土壤有效鎘含量；

晚季稻米Cd富集系數(shù)=晚稻米Cd含量/晚稻移栽前土壤有效鎘含量。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)處理步驟：本研究在43個縣（區(qū)）的79個試驗點開展試驗后，得到一個樣本容量為471的數(shù)據(jù)集，將此數(shù)據(jù)集導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫MySQL 8.0，利用數(shù)據(jù)庫管理軟件Navicat Premium書寫SQL查詢語句，查詢所需數(shù)據(jù)，整理后導(dǎo)入Excel 2016進行作圖，同時利用SPSS 22.0軟件中的單因素ANOVA板塊，進行顯著性檢驗。

數(shù)據(jù)分析方法：研究者以單個縣（區(qū)）所有試驗點CK和石灰處理得到的數(shù)據(jù)，分別計算均值用于代表該縣區(qū)的試驗結(jié)果。同時從描述性統(tǒng)計的角度，分析不同處理下稻米的Cd含量超標情況（圖1和圖2）。本研究參考農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標準（GB 15618—2018），將試驗點的Cd污染稻田程度劃分成：輕度污染（土壤有效鎘≤0.2 mg·kg-1）、中度污染（0.2 mg·kg-1＜土壤有效鎘≤0.4 mg·kg-1）、重度污染（0.4 mg·kg-1＜土壤有效鎘≤0.6 mg·kg-1）和嚴重污染（土壤有效鎘＞0.6 mg·kg-1）。然后，分別以稻田Cd污染程度將79個試驗點歸入相應(yīng)類別，逐類分析輕度、中度、重度和嚴重Cd污染稻田的常規(guī)栽培和石灰處理之間的差異（圖3—6）。誠然，同一污染程度下的不同試驗點之間，存在水稻品種和栽培環(huán)境的差異，但單個試驗點的CK和石灰處理除施用石灰外，其他方面保持一致。因此，由單個試驗點組成的同一污染程度下CK和石灰處理，在總體層面仍保持一一對應(yīng)的關(guān)系。

2 結(jié)果

2.1 石灰對Cd污染稻田稻米達標的影響

2.1.1 早稻季的稻米達標情況 稻米Cd達標率是指，稻米Cd含量達到食品安全國家標準（GB2762— 2017）的個數(shù)占總數(shù)的百分比。由圖1可知，在早稻季，在輕度污染稻田（土壤有效鎘≤0.2 mg·kg-1），43個縣（區(qū)）CK處理的稻米Cd達標率為75.0%，而石灰處理的稻米Cd達標率提高至87.5%；在中度污染稻田（0.2 mg·kg-1＜土壤有效鎘≤0.4 mg·kg-1），CK處理的稻米Cd達標率不足50%，相比之下石灰處理的稻米Cd達標率能達到66.7%；在重度污染稻田（0.4 mg·kg-1＜土壤有效鎘≤0.6 mg·kg-1），CK處理的稻米Cd達標率僅為33.3%，石灰處理的稻米Cd達標率相比增加33.4個百分點，達到66.7%；在嚴重污染稻田（土壤有效鎘＞0.6 mg·kg-1），CK處理的稻米Cd含量全部超標，而石灰處理的稻米Cd達標率仍有20%。以上結(jié)果表明，在不同污染程度的稻田，石灰均能降低早稻季的稻米Cd含量，提高稻米Cd達標率，使部分原本不能生產(chǎn)合格稻米的Cd污染稻田，滿足安全生產(chǎn)的要求。

2.1.2 晚稻季的稻米達標情況 如圖2所示，在晚稻季，在輕度污染稻田，CK和石灰處理的稻米Cd達標率均為62.5%，但顯然的是，施用石灰后的稻米Cd含量要低于CK處理；在中度污染稻田，CK處理的稻米Cd達標率為25.0%，石灰處理的稻米Cd達標率雖然相比輕度污染稻田有所下降，但也達到50%以上；在重度污染稻田，CK處理的稻米Cd達標率僅為16.7%，而石灰處理的稻米Cd達標率為50.0%，同比增加33.3個百分點；在嚴重污染稻田，CK和石灰處理的稻米Cd含量均全部不達標，但CK處理的稻米Cd含量明顯高于石灰。結(jié)果表明，在不同污染程度的稻田，相比CK處理，石灰能降低晚稻季的稻米Cd含量；但相比早稻季，晚稻季的石灰處理能生產(chǎn)出合格稻米的Cd污染稻田數(shù)目出現(xiàn)下降的趨勢。

食安線代表食品安全國家標準線（稻米cd含量≤0.2 mg·kg-1）。下同 The line represents Chinese National food Safety Standards. The same as below

圖2 石灰對43個縣（區(qū)）鎘污染稻田晚稻米達標的影響

2.2 石灰對稻米Cd含量的影響

如圖3所示，將不同有效鎘含量的Cd污染稻田分級后，進行方差分析得到的結(jié)果如下：（1）在早稻季，相比CK，石灰處理對輕度污染稻田的稻米Cd含量無顯著影響；石灰處理顯著降低中度污染稻田的稻米Cd含量，降幅為37.0%；石灰處理能夠降低重度和嚴重污染稻田的稻米Cd含量，降幅分別為38.7%和22.6%。（2）在晚稻季，相比CK，石灰處理顯著降低中度污染稻田的稻米Cd含量，降幅為31.3%；石灰處理能夠降低輕度、重度和嚴重污染稻田的稻米Cd含量，降幅分別為2.0%、31.8%和22.9%。此外，從圖3不難發(fā)現(xiàn)，隨著稻田污染程度的提高，稻米Cd含量的誤差線不斷延長，說明石灰降低稻米Cd含量的效果穩(wěn)定性在下降，這是由于稻田鎘污染程度過高時，單憑撒施石灰難以將稻米Cd含量控制在穩(wěn)定范圍內(nèi)。

整體而言，相比CK，石灰能夠極顯著降低早、晚季稻米Cd含量，降幅分別為31.0%和28.6%。

2.3 石灰對稻米Cd富集系數(shù)的影響

如圖4所示，在早稻季，在輕度污染稻田，相比CK，石灰處理對輕度污染稻田的稻米富集系數(shù)無顯著影響；石灰處理顯著降低中度污染稻田的稻米富集系數(shù)，降幅為38.7%；石灰處理能夠降低重度和嚴重污染稻田的稻米富集系數(shù)，降幅分別為35.1%和31.2%。在晚稻季，相比CK，石灰處理能夠降低輕度污染稻田的稻米Cd富集系數(shù)，降幅為9.2%；石灰處理顯著降低中度污染稻田的稻米富集系數(shù)，降幅為31.0%；石灰處理能夠降低重度和嚴重污染稻田的稻米富集系數(shù)，降幅分別為27.0%和14.1%。結(jié)果表明，石灰能夠降低稻米的富集系數(shù)，來減少Cd在稻米中的積累。

圖中小寫字母不同，表示處理間差異顯著（P＜0.05）。下同

圖4 石灰對不同污染程度稻田的稻米Cd富集系數(shù)的影響

2.4 石灰對成熟期稻田土壤pH的影響

石灰能夠提高成熟期的稻田土壤pH，但在不同程度的污染稻田的升幅表現(xiàn)不一致。如圖5所示，在早稻季的成熟期，相比CK，石灰處理能夠提高輕度和中度污染稻田土壤的pH，升幅為2.4%和1.3%；石灰處理顯著提高嚴重污染稻田土壤的pH，升幅為4.0%。

在晚稻季的成熟期，相比CK，石灰處理對輕度和重度污染稻田土壤pH無顯著性影響，但顯著提高中度和嚴重污染稻田土壤pH，升幅均為4.7%。從稻季來看，晚稻季各污染程度稻田的土壤pH，明顯高于早稻季。

2.5 石灰對成熟期稻田土壤有效鎘的影響

如圖6所示，在早稻季的成熟期，相比CK，石灰處理不能降低輕度污染稻田土壤有效鎘含量，但能降低中度、重度和嚴重污染稻田土壤有效鎘含量，降幅分別為2.4%、5.2%、4.8%。在晚稻季的成熟期呈現(xiàn)與早稻季相同的規(guī)律，即相比CK，石灰處理對輕度污染稻田土壤有效鎘含量沒有影響，但能夠降低中度、重度和嚴重污染稻田的土壤有效鎘含量，降幅分別為4.0%、5.2%和7.8%。從稻季來看，晚稻季各污染程度稻田的土壤有效鎘含量，明顯低于早稻季。

圖5 石灰對成熟期不同鎘污染程度稻田土壤pH的影響

圖6 石灰對成熟期不同鎘污染程度稻田土壤有效鎘的影響

3 討論

3.1 石灰通過降低富集系數(shù)，減少稻米的Cd積累

土壤中的Cd能以有效鎘的形式，隨著土壤溶液遷移到水稻根系附近[4]。在水稻根系吸收根周土壤溶液營養(yǎng)元素時，Cd會以“搭便車”的形式和水稻需要的營養(yǎng)元素共同進入水稻根系[17]。一部分進入水稻根系的Cd會被固持和區(qū)室化作用沉積在根系細胞的細胞壁和細胞器中，另一部分Cd在根壓和蒸騰拉力的作用下向地上部轉(zhuǎn)運，最終在成熟期完成稻米的Cd積累過程[18]。石灰（CaO）在施入土壤中后，會與H2O反應(yīng)生產(chǎn)強堿性物質(zhì)Ca(OH)2，造成土壤pH升高[16]。在高pH的環(huán)境下，土壤中游離的有效鎘會以Cd(OH)2和CdCO3的形式鈍化，從而降低土壤中Cd的遷移能力和生物有效性[19-20]，減少水稻根系對Cd的吸收積累。根系是Cd進入稻米的前站，在根系對Cd的獲取難度增加后，會削弱稻米對Cd的富集，最終表現(xiàn)為稻米富集系數(shù)的下降[14,21]。

本研究結(jié)果表明，施用石灰是一種降低稻米Cd積累的有效手段。湖南43個縣（區(qū)）的Cd污染稻田施用石灰后，其中36個縣（區(qū)）的早季稻米Cd含量下降8.2%—83.4%，平均降幅為43.0%，35個縣（區(qū)）晚季稻米Cd含量下降1.9%—79.7%，平均降幅為38.1%（圖1—2）。從稻米富集系數(shù)角度分析，本研究表明，施用石灰能夠降低不同污染程度稻田的稻米富集系數(shù)，阻礙Cd從土壤遷移到稻米的過程，從而影響稻米的Cd積累；從土壤有效鎘和土壤pH角度分析，本研究顯示，施用石灰能夠提高成熟期稻田土壤的pH，降低土壤有效鎘含量，實現(xiàn)土壤Cd的原位鈍化，這表明施用石灰能減弱Cd的遷移能力，進而降低稻米對Cd的富集。然而本研究結(jié)果與前人研究結(jié)果不同的是，在水稻成熟期，相比CK，石灰處理雖能降低土壤有效鎘含量，但并未達到顯著水平。這可能是因為本研究石灰的施用，是在早稻季和晚稻季的分蘗末期。而土壤本身是一個強酸堿緩沖體系，經(jīng)歷分蘗末期至成熟期這一段時間，土壤能將施用石灰后營造的短暫高pH土壤環(huán)境，緩沖至接近原來的pH水平。這就導(dǎo)致先前因為土壤pH提高而降低的土壤有效鎘含量，會隨現(xiàn)在pH的回落而升高，最終接近未施石灰的土壤水平。這與前人的研究認為，在分蘗期施用石灰，能夠通過提高pH來顯著降低稻米Cd含量[22]，但施用石灰后土壤pH會出現(xiàn)先升高后降低，最終趨于穩(wěn)定的結(jié)果類似[23]。但此研究結(jié)果從另一角度來看，以提高土壤pH為切入點來鈍化土壤中的Cd，從而達到降低稻米中Cd積累的目的，僅靠一次石灰的施用是不可持續(xù)的，而是需要重新解構(gòu)目前不良的土壤酸堿平衡體系，即以土壤的堿緩沖物質(zhì)—潛在性酸為“錨”點[24-25]，計算合適的堿性物質(zhì)添加量，通過分批次施加的方式，將酸性的土壤調(diào)理成穩(wěn)定的中性或近中性，才能實現(xiàn)以調(diào)控土壤pH為技術(shù)手段，來長期降低土壤有效鎘含量，滿足稻米安全生產(chǎn)的要求。

3.2 稻季之間的稻米Cd含量差異不是來源于土壤有效鎘

晚稻季的稻米Cd含量普遍高于早稻季是生產(chǎn)上的經(jīng)驗規(guī)律。本研究結(jié)果表明，以43個縣（區(qū)）的79個試驗點得到的所有CK（常規(guī)栽培）作為統(tǒng)計數(shù)據(jù)集，將稻季作為自變量，稻米Cd含量和土壤有效鎘含量作為因變量，進行單因素ANOVA分析后發(fā)現(xiàn)，晚稻季稻米Cd含量極顯著高于早稻季（+48.1%），這與溫娜和帥澤宇等研究結(jié)果一致[26-27]。然而值得注意的是，晚稻季的稻田土壤有效鎘含量卻顯著低于早稻季（-34.1%）。眾所周知，稻米Cd積累是土壤—水稻互作的結(jié)果，土壤有效鎘含量和水稻自身生理活動共同決定稻米Cd含量的高低[28]。在晚稻季的土壤有效鎘含量顯著低于早稻季的同時，晚稻季的稻米Cd含量極顯著卻高于早稻季，這一矛盾說明土壤有效鎘的變化不是早、晚稻季之間稻米Cd含量存在顯著差異的來源。另外，由圖3和圖6可發(fā)現(xiàn)，常規(guī)栽培的中度污染稻田晚稻米Cd含量明顯高于重度污染稻田早稻米（+30.5%），而有效鎘含量卻低于重度污染稻田（-58.4%），這一現(xiàn)象亦佐證上述觀點。因此，早、晚稻季之間稻米Cd含量的差異可能是來源于水稻自身生理活動的變化。水稻的生理活動受溫度影響很大，例如夜間溫度的升高，會顯著導(dǎo)致水稻減產(chǎn)[29]。在重金屬領(lǐng)域，GE等通過室內(nèi)溫度控制試驗，系統(tǒng)地研究了溫度對水稻吸收積累Cd的影響，結(jié)果表明，（1）溫度升高會促進水稻細根生長，提高細根的表面積、體積以及根尖數(shù)，從而增強水稻根系對Cd的吸收能力[30]；（2）隨著溫度的升高，水稻葉片的蒸騰速率不斷加快，所產(chǎn)生的蒸騰拉力會促進根系中的Cd向莖葉轉(zhuǎn)運，莖葉的Cd會通過再分配的過程，最終導(dǎo)致稻米中Cd的高累積[31]；（3）溫度升高會通過抑制水稻根系對鐵的吸收，間接促進Cd的積累[31]。這是因為根系中的鐵含量與Cd呈顯著的負相關(guān)[32]，當水稻根系鐵營養(yǎng)較低時，會促進鐵載體蛋白（phytosiderophore）的分泌，鐵載體蛋白不但能夠直接轉(zhuǎn)運鐵，而且對Cd也有極強的轉(zhuǎn)運能力[33]；（4）不同生育時期升溫對水稻吸收積累Cd的作用機制不同。在水稻營養(yǎng)生長期升溫，主要促進水稻根系中Cd向莖葉的轉(zhuǎn)運，而在成熟期升溫會促進水稻對土壤Cd的吸收以及向籽粒的轉(zhuǎn)運[34]。綜上可知，溫度升高會促進水稻對Cd的吸收積累。湖南省屬于典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，稻季間的氣象環(huán)境相差較大，近30年晚稻季的年均溫度比早稻季高3℃，年均降雨量比早稻季少178 mm[35]。這就導(dǎo)致晚季的水稻生育期相比早季而言，田間整體處于高溫干燥的環(huán)境中，而田間高溫會促進晚季水稻對Cd的吸收，較干燥的田間環(huán)境會加強葉片的蒸騰作用，促進Cd向水稻籽粒的轉(zhuǎn)運。這兩者共同作用，最終導(dǎo)致晚季稻米要顯著高于早季的結(jié)果。

3.3 稻米Cd積累應(yīng)實施分稻季分污染程度調(diào)控

不同污染程度稻田稻米Cd含量調(diào)控難度具有較大差別，因此面對不同污染程度稻田Cd污染治理，需按污染程度采用相應(yīng)的治Cd措施。李娜等在渝西地區(qū)，采用低Cd積累品種聯(lián)合鈍化劑使輕度污染稻田稻米Cd含量達到安全食用標準[36]；封文利等研究后發(fā)現(xiàn)，通過控源及改良措施，能夠保障中輕度Cd污染稻田的安全生產(chǎn)[37]；而當?shù)咎顲d污染在中度以上時，需要綜合多種降Cd措施才能滿足水稻安全生產(chǎn)的要求[38-39]。

本研究進一步發(fā)現(xiàn)，施用石灰不但在不同污染程度稻田的阻Cd效果和穩(wěn)定性表現(xiàn)不一，而且在早、晚稻季之間也體現(xiàn)出較大的差異。這是因為隨著稻田Cd污染程度的提高，稻米Cd污染調(diào)控的難度會逐漸增大。而早、晚稻季間溫度和降水的差異，也會致使水稻生理活動發(fā)生明顯變化，進而影響Cd的吸收積累。因此，施用石灰在調(diào)控早、晚稻季下不同污染程度稻田稻米Cd積累間均會存在明顯不同。本研究表明，在早稻季的輕度、中度和重度污染稻田，施用石灰的稻米Cd平均含量都在0.2 mg·kg-1以下，符合食品安全國家標準（GB2762—2017）；在晚稻季的輕度污染稻田，施用石灰后的稻米Cd含量均值滿足安全生產(chǎn)的要求，中度、重度和嚴重污染稻田施用石灰后，稻米Cd含量均值達到22.9%—31.8%的降幅（圖3），但未達到稻米Cd含量≤0.2 mg·kg-1的標準。由以上可知，施用石灰可以滿足雙季稻區(qū)部分污染程度稻田稻米安全生產(chǎn)，但是單施石灰的治Cd效果，難以完全抵消稻季和稻田Cd污染共同帶來稻米Cd含量的變異。

因此，針對不同稻季下的不同污染程度稻田，應(yīng)按分污染程度分稻季的治理思路，組配相應(yīng)的治Cd措施。從早稻季而言，按常規(guī)栽培或配施石灰（1 200 kg·hm-2），即可保障輕度污染稻田的稻米Cd含量均值符合安全生產(chǎn)的標準；中度污染稻田在施用石灰（1 200 kg·hm-2）后，稻米Cd含量均值能達到安全標準，且穩(wěn)定性較強；重度污染稻田在施用石灰（1200 kg·hm-2）后，稻米Cd含量均值滿足安全標準，但穩(wěn)定性還需要組配“VIP+N”技術(shù)體系的一項或多項技術(shù)，進一步加強；嚴重污染稻田在單施石灰（1 200 kg·hm-2）后，稻米Cd含量均值未滿足安全標準，需在石灰的施用基礎(chǔ)上，組配其他降Cd措施。從晚稻季而言，輕度污染稻田在常規(guī)栽培或配施石灰（1 200 kg·hm-2）下，即可達到安全生產(chǎn)的要求；但在其他污染程度的稻田，需要在施用石灰的基礎(chǔ)上，組配“VIP+N”技術(shù)體系中的其他技術(shù)，以技術(shù)集成的方式來提高降Cd效果。將早、晚稻季進行比較，可發(fā)現(xiàn)晚稻季的稻米Cd污染治理難度要高于早稻季，故可在整體治理成本保持不變的情況下，適當將治理費用向晚稻季傾斜。

4 結(jié)論

施用石灰能夠提高Cd污染稻田的土壤pH、降低土壤有效鎘含量，進而減少稻米中Cd積累。研究發(fā)現(xiàn)，Cd污染稻田晚稻季的稻米Cd含量顯著高于早稻季，施用石灰能夠有效調(diào)控早稻季的輕度、中度、重度以及晚稻季的輕度污染稻田的稻米Cd含量均值，使之達到食品安全國家標準。因此，調(diào)控不同稻季、不同Cd污染程度稻田稻米Cd含量，應(yīng)以石灰為基礎(chǔ)，結(jié)合其他降Cd措施，實施“分稻季分污染程度”和“晚稻優(yōu)先于早稻”的治理思路。

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ZHOU Liang1, 2, XIAO Feng2, 3, XIAO Huan2, 3, ZHANG YuSheng2, 3, AO HeJun2, 3

1College of Natural Resources and Environment, South China Agricultural University, Guangzhou 510642;2South Regional Collaborative Innovation Center for Grain and Oil in China, Changsha 410128;3College of Agriculture, Hunan Agricultural University, Changsha 410128

【】The purpose of this study was to explore the effects of applicating liming in the double-season rice in paddy fields with varying degrees of cadmium pollution, and then to provide a reference for rice safety productionin different polluted paddy fields with early and late rice seasons.【】43 typical cadmium polluted paddy fields in counties (districts) of Hunan province were used as experimental sites, and the lime was applied according to the standard of 1 200 kg·hm-2, to explore the change of four values such as soil pH, soil available Cd content, rice Cd content and rice enrichment coefficient, that were respectively researched in lightly polluted paddy fields (soil available Cd≤0.2 mg·kg-1), moderately polluted paddy fields (0.2 mg·kg-1＜soil available Cd≤0.4 mg·kg-1), severely polluted paddy fields (0.4 mg·kg-1＜soil available Cd≤0.6 mg·kg-1), and super severely polluted paddy fields (soil available Cd＞0.6 mg·kg-1). The conventional cultivation was used as control.【】The multi-point experiment results showed that: (1) From the perspective of integral Cd polluted paddy fields, compared with conventional cultivation, the average Cd content in early and late rice was significantly reduced by applying lime, with a decrease of 31.0% and 28.6%, respectively. (2) From the perspective of different rice seasons in diverse pollution levels rice fields, the mean rice Cd content in paddy fields with moderately, severely, and seriously polluted rice fields in early rice seasons was decreased by 37.0%, 38.7% (＜0.05) and 22.6%, respectively, compared with that in conventional cultivation. Application of lime could also reduce the mean Cd content of rice in lightly, moderately, severely and super severely polluted paddy fields in late rice season by 2.0% ,31.3% (＜0.05), 31.8% and 22.9%, respectively. The lime couldregulate Cd content in rice, because it could lower the Cd enrichment coefficient of rice in paddy fields with different degrees of pollution and the available Cd content in soil, ,and increase the soil pH. 【】The application of lime could effectively control the mean Cd content of rice in the paddy fields polluted by light, moderate and severe Cd in early rice season and lightly Cd polluted paddy fields in late rice season to below the limit standard (0.2 mg·kg-1). Therefore, on the basis of lime application and in combination with other measures to reduce Cd as the main ideas of “separating the degree of pollution in rice season” and “l(fā)ate rice is prior to early rice” could improve the stability of controlling rice Cd content in field production and the economy of governance costs.

lime; double-season rice; cadmium; Cd enrichment coefficient

10.3864/j.issn.0578-1752.2021.04.010

2020-05-24；

2020-10-12

國家水稻產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系栽培與土肥崗位專家項目（CARS-01）

周亮，E-mail：1294786194@qq.com。通信作者敖和軍，E-mail：aohejun@126.com

（責(zé)任編輯 李云霞）