水分管理對(duì)不同季別水稻稻米鎘積累的影響

顏旭，周群豐，廖博通，嚴(yán)天澤，李艷鋒，王凱，楊遠(yuǎn)柱，3*

（1袁隆平農(nóng)業(yè)高科技股份有限公司/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南方水稻品種創(chuàng)制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/抗病蟲(chóng)水稻育種湖南省工程實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410127；2華中農(nóng)業(yè)大學(xué)植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，武漢 430070；3湖南亞華種業(yè)科學(xué)研究院，寧鄉(xiāng) 410604；4湖南人文科技學(xué)院農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院，婁底 417099）

鎘為人體非必需元素，過(guò)度攝入鎘可導(dǎo)致人發(fā)生鎘中毒［1］。世界衛(wèi)生組織將鎘列為重點(diǎn)關(guān)注的食品污染物；國(guó)際癌癥研究機(jī)構(gòu)（IARC）將鎘歸類為人類致癌物，會(huì)對(duì)人類健康造成嚴(yán)重的損害；美國(guó)毒物和疾病登記署（ATSDR）將鎘列為第7位危害人體健康的物質(zhì)；我國(guó)也將鎘列為實(shí)施排放總量控制的重點(diǎn)監(jiān)控指標(biāo)之一。水稻是全球三大糧食作物之一和半數(shù)以上人口的主食，也是強(qiáng)吸收鎘的大宗谷類作物之一［2］。因此，在水稻生產(chǎn)中有效降低稻米的鎘積累量對(duì)確保稻米食用安全具有重要意義。

鎘污染稻田中，不同水分管理方式對(duì)稻米鎘積累影響顯著，全生育期淹水能顯著降低稻米鎘含量，獲得符合國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)的稻米［3，4］。然而，全生育期淹水管理需水量大，易造成水體面源污染、水稻的抗逆性下降、易發(fā)生病害和倒伏、肥料流失等問(wèn)題，而且長(zhǎng)期淹水在降低稻米鎘含量的同時(shí)會(huì)顯著提高另外一種重金屬元素砷在稻米中的積累［5-7］。在水稻的整個(gè)生育期中，抽穗期對(duì)水分敏感程度最高，此時(shí)期的水分管理對(duì)稻米鎘含量影響顯著［8］。而不同的水稻品種，對(duì)水分管理的響應(yīng)不一。因此，水稻生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)品種特性選擇合適的水分管理模式，在降低糙米鎘和砷含量的同時(shí)節(jié)約水資源。前人對(duì)稻米鎘積累特性的研究，有的側(cè)重于水分管理方式，如：全生育期淹水［9］、干濕交替［10］、不同生育期淹水［11］等方面，沒(méi)有考慮不同品種類型所需淹水方式不同；有的側(cè)重于不同品種類型糙米鎘積累的差異［12］，沒(méi)有考慮淹水方式對(duì)不同品種類型的影響。

本研究以袁隆平農(nóng)業(yè)高科技股份有限公司主推的代表性早秈、中秈和一季晚秈品種為對(duì)象，研究抽穗后不同淹水天數(shù)對(duì)稻米鎘含量的影響，旨在明確不同類型水稻品種不同淹水（天數(shù)）管理?xiàng)l件下稻米鎘含量變化規(guī)律，為市場(chǎng)上主推水稻品種的低鎘生產(chǎn)提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

盆栽試驗(yàn)于2018和2019年6—9月在隆平高科關(guān)山育種基地進(jìn)行，所用土壤采集自湖南省長(zhǎng)沙市附近的不同鎘污染區(qū)。根據(jù)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB15618-1995）和《耕地土壤重金屬污染評(píng)價(jià)技術(shù)研究：以土壤中鉛和鎘污染為例》中的耕地土壤重金屬累積性污染單項(xiàng)污染指數(shù)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)劃分為未污染、輕度污染和中度污染3個(gè)等級(jí)（土壤基本情況見(jiàn)表1）。所采集的土壤經(jīng)風(fēng)干后過(guò)5 mm篩，混勻，裝入20 cm×26 cm的塑料桶中，每桶裝土10 kg，標(biāo)記污染程度。

表1 試驗(yàn)土壤基本概況Table 1 Basic situation of trail soil

試驗(yàn)所采用的水稻品種包括5個(gè)早秈雜交稻品種（株兩優(yōu)819、株兩優(yōu)211、鈺兩優(yōu)611、鈺兩優(yōu)771和陵兩優(yōu)268）、8個(gè)中秈或一季晚秈雜交稻品種（隆兩優(yōu)華占、晶兩優(yōu)華占、隆兩優(yōu)534、晶兩優(yōu)534、悅兩優(yōu)2646、豐兩優(yōu)4號(hào)、隆晶優(yōu)蒂占和振兩優(yōu)3228）。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)置品種、土壤鎘污染程度及水分管理3個(gè)因素。鎘污染土壤包括未污染（Cd1）、輕度污染（Cd2）和中度污染（Cd3）3個(gè)處理；水分管理方式分為抽穗后7 d（A1）、14 d（A2）、21 d（A3）和28 d（A4）開(kāi)始干水管理和全生育期淹水（A5）管理，淹水深度5 cm。

水分管理具體實(shí)施措施為：在180 cm×103 cm×67 cm的塑料水池側(cè)面底部安裝排水閥，將20 cm×26 cm的塑料盆底部及側(cè)面各鉆4個(gè)排水孔作為栽培桶，將秧苗移栽進(jìn)栽培桶后放入塑料水池中進(jìn)行統(tǒng)一水分管理（圖1）。淹水處理為將塑料水池灌水至剛好淹沒(méi)栽培桶，干水處理為將塑料水池排水閥門擰開(kāi)將水放干。為防止過(guò)度干旱，每天17∶00左右將塑料水池灌水浸泡10 min，然后放干。

圖1 水稻栽培桶（左）、套池（中）、栽培效果圖（右）Fig.1 Bucket for rice planting（left），plastic pool（middle），actual effect（right）

每處理3盆作為3個(gè)重復(fù)，每盆3穴，單株插植。每盆一次性施入12 g復(fù)合肥（N、P、K含量均為15%）作基肥。

1.3 取樣與測(cè)定方法

待水稻種子90%黃熟后開(kāi)始收獲，每盆全收并單獨(dú)裝袋。籽粒曬干后碾成糙米。2018年試驗(yàn)樣品依據(jù)GB 5009.15-2014使用原子吸收分光光度計(jì)檢測(cè)鎘含量，2019年試驗(yàn)樣品用稻米重金屬檢測(cè)儀鋼研納克NK-100FA檢測(cè)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2019及SPSS 18.0軟件進(jìn)行處理及分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤鎘含量、水分管理和品種與稻米鎘含量的相關(guān)性分析

對(duì)稻米鎘積累量進(jìn)行聯(lián)合方差分析，結(jié)果表明，稻米鎘含量在不同品種、土壤污染水平、水分管理方式間差異都達(dá)到極顯著水平，其中土壤污染水平與水分管理方式貢獻(xiàn)的稻米鎘積累量總方差變異最大，2018年和2019年分別達(dá)73%和76%（表2）。多因素互作方面，品種與土壤鎘污染水平、土壤鎘污染水平與水分管理的互作對(duì)稻米鎘積累量的影響均達(dá)到極顯著水平，但僅貢獻(xiàn)了稻米鎘積累量總方差變異的5%左右。品種與水分管理、品種與土壤鎘污染水平和水分管理的互作對(duì)稻米鎘積累量的影響不顯著。

表2 土壤鎘含量、水分管理和品種對(duì)稻米鎘含量影響的三因素方差分析Table 2 Variance analysis of three factors of soil cadmium content，water management and rice varieties on cadmium content in Rice

2.2 不同淹水時(shí)間對(duì)早稻稻米鎘積累的影響

在2年的未污染土壤中，早稻品種的稻米鎘含量均未超過(guò)國(guó)家食品安全標(biāo)準(zhǔn)（0.2 mg/kg），表明在未污染土壤中開(kāi)展早稻生產(chǎn)不存在稻米鎘污染風(fēng)險(xiǎn)，可以根據(jù)品種本身的栽培要點(diǎn)合理進(jìn)行灌溉管理（圖2）。在輕污染土壤試驗(yàn)中，除株兩優(yōu)819外，所有品種在抽穗后7 d進(jìn)行干水管理均存在稻米鎘污染風(fēng)險(xiǎn)；除鈺兩優(yōu)771外，抽穗14 d后開(kāi)始干水管理，所有品種的稻米鎘含量均未超過(guò)0.2 mg/kg；抽穗后21 d開(kāi)始干水管理，在輕污染土壤中開(kāi)展早稻生產(chǎn)不存在稻米鎘污染風(fēng)險(xiǎn)。在中污染土壤試驗(yàn)中，2年試驗(yàn)結(jié)果差異較大，但總體上鈺兩優(yōu)771的稻米鎘積累能力較強(qiáng)，在2年試驗(yàn)所有處理中其稻米鎘含量均超標(biāo)或接近超標(biāo)水平，株兩優(yōu)211、鈺兩優(yōu)611和陵兩優(yōu)268與鎘低積累應(yīng)急性品種株兩優(yōu)819具有相似或更低的稻米鎘低積累能力；除鈺兩優(yōu)771外，其他早稻品種在全生育期淹水的情況下其稻米鎘含量均達(dá)到國(guó)家食品安全標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 不同淹水時(shí)間處理雜交早稻稻米鎘含量Fig.2 Cadmium content in early-season hybrid rice treated by different flooding time

2.3 不同淹水時(shí)間對(duì)一季雜交稻稻米鎘含量的影響

從圖3可見(jiàn)，在未污染土壤中，一季雜交稻稻米鎘含量與早稻結(jié)果一致；在輕污染土壤中，隆兩優(yōu)534、晶兩優(yōu)534、悅兩優(yōu)2646、隆晶優(yōu)蒂占和豐兩優(yōu)4號(hào)稻米鎘含量在所有水分管理?xiàng)l件下均未超過(guò)國(guó)家食品安全標(biāo)準(zhǔn)；在中污染土壤中，在抽穗后28 d開(kāi)始干水管理，所有品種都不存在稻米鎘污染風(fēng)險(xiǎn)。悅兩優(yōu)2646、隆晶優(yōu)蒂占和豐兩優(yōu)4號(hào)在輕污染和中污染土壤中均表現(xiàn)出較低的鎘積累能力，在抽穗7 d后開(kāi)始干水管理，其稻米鎘含量仍可達(dá)到國(guó)家食品安全標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 不同淹水時(shí)間處理一季雜交稻稻米鎘含量Fig.3 Cadmium content in single-season hybrid rice treated by different flooding time

3 討論

研究表明，土壤微環(huán)境條件可通過(guò)影響鎘的存在形式而影響水稻對(duì)鎘的吸收［13，14］。張麗娜等［9］研究了不同水分管理方式對(duì)水稻產(chǎn)量和稻米鎘積累的影響，發(fā)現(xiàn)全生育期淹水處理的水稻糙米鎘含量最低，而旱作栽培處理最高。Arao等［15］研究了不同時(shí)期水分管理對(duì)稻米鎘和砷積累的影響，發(fā)現(xiàn)抽穗前后3周長(zhǎng)時(shí)間淹水對(duì)降低稻米中的鎘含量最有效，全生育期淹水處理的稻米鎘含量最低，而抽穗后淹水3周比抽穗前淹水3周更為有效。張磊等［12］發(fā)現(xiàn)，不同品種類型的糙米鎘含量表現(xiàn)為雜交稻＞超級(jí)雜交稻＞常規(guī)稻。陳光輝等［8］發(fā)現(xiàn)，晚稻品種糙米鎘含量比早稻品種低，約為早稻品種的1/2。本研究發(fā)現(xiàn)不論是早稻、中稻還是晚稻，抽穗后隨著淹水天數(shù)的增加糙米鎘含量顯著下降，且都可以通過(guò)特定的水分管理方式，在輕度、中度鎘污染稻田上生產(chǎn)出符合國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)的稻米。在無(wú)絕對(duì)鎘低積累品種的情況下，在稻米鎘污染土壤中開(kāi)展水稻生產(chǎn)，有必要針對(duì)各品種開(kāi)展最佳水分管理方式研究，進(jìn)而在確保稻米鎘含量符合國(guó)家食品安全標(biāo)準(zhǔn)的前提下，兼顧高產(chǎn)和節(jié)約水資源。

4 結(jié)論

本試驗(yàn)分析了不同的淹水時(shí)間對(duì)鎘含量不同的土壤中早稻和一季雜交稻稻米鎘含量的影響，結(jié)果顯示，在無(wú)污染土壤中種植的水稻糙米鎘含量均符合國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)，可以根據(jù)其高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)栽培措施選擇合適的水分管理方式；在輕污染地區(qū)采取抽穗后淹水21 d的處理方式，生產(chǎn)的水稻均能達(dá)到國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)；在中污染地區(qū)，采取早稻全生育期淹水、中稻以及一季晚稻抽穗后淹水28 d處理，生產(chǎn)的稻米也基本上都能符合國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)；鎘低積累品種在中污染地區(qū)有較好的表現(xiàn)，淹水7 d就能符合安全標(biāo)準(zhǔn)。株兩優(yōu)211、鈺兩優(yōu)611、隆兩優(yōu)534、晶兩優(yōu)534、悅兩優(yōu)2646、隆晶優(yōu)蒂占和豐兩優(yōu)4號(hào)等品種稻米鎘積累能力與湖南省應(yīng)急性鎘低積累水稻品種（株兩優(yōu)819和晶兩優(yōu)華占）相當(dāng)或比其更低。研究結(jié)果對(duì)試驗(yàn)品種株兩優(yōu)819、株兩優(yōu)211、鈺兩優(yōu)611、鈺兩優(yōu)771、陵兩優(yōu)26、隆兩優(yōu)華占、晶兩優(yōu)華占、隆兩優(yōu)534、晶兩優(yōu)534、悅兩優(yōu)2646、豐兩優(yōu)4號(hào)、隆晶優(yōu)蒂占和振兩優(yōu)3228以及其他水稻品種的推廣和低鎘生產(chǎn)具有重要指導(dǎo)意義。