早稻產(chǎn)量與各器官鎘含量動(dòng)態(tài)對(duì)少免耕的響應(yīng)

易鎮(zhèn)邪，谷子寒，帥澤宇，陳平平

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院/南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南長(zhǎng)沙 410128）

水稻是我國(guó)最重要的口糧作物，全國(guó)60%以上的人口以稻米為主食。但是，由金屬污染的稻田生產(chǎn)的稻谷，對(duì)我國(guó)稻米品質(zhì)安全形成了嚴(yán)重威脅［1-3］。前人就如何安全利用鎘污染稻田、降低稻米鎘含量開(kāi)展了較多研究，并已在低鎘積累品種篩選［4-5］、淹水灌溉降鎘［6-7］、施加石灰降鎘［8］、施加硅肥降鎘［9-10］等方面取得了大量的成果，并已在各地稻田鎘污染防控上發(fā)揮了重要指導(dǎo)作用。

近年來(lái)，有關(guān)土壤耕作方式對(duì)土壤鎘含量與作物鎘吸收的影響有一些研究。常同舉等［11］認(rèn)為不同耕作方式對(duì)紫色水稻土壤鎘含量影響不顯著；崔孝強(qiáng)等［12］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［13］認(rèn)為長(zhǎng)期翻耕和旋耕的土壤中的鎘含量顯著偏高。易鎮(zhèn)邪等［14］研究表明，翻耕促進(jìn)水稻鎘積累，而免耕可降低水稻鎘累積量；王利納［15］研究表明，翻耕與免耕處理的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。為進(jìn)一步探究土壤耕作方式對(duì)水稻產(chǎn)量與各器官鎘含量動(dòng)態(tài)的影響，本研究在湖南省湘潭縣鎘污染稻田上開(kāi)展大田定位試驗(yàn)，設(shè)置翻耕、旋耕與免耕處理，比較研究了3種土壤耕作方式對(duì)早稻產(chǎn)量與各器官鎘含量動(dòng)態(tài)的影響，以期明確鎘污染稻田水稻生產(chǎn)適宜的耕作方式，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(yàn)地點(diǎn)與試驗(yàn)材料

試驗(yàn)地點(diǎn)在湖南省湘潭縣易俗河鎮(zhèn)鎘污染稻田進(jìn)行，樣本的生理生化指標(biāo)測(cè)定在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)作物生理與分子生物學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

供試土壤全Cd和有效Cd分別為0.91 mg/kg和0.43 mg/kg，其它基本理化性狀為：pH 6.12，有機(jī)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。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采取大區(qū)設(shè)計(jì)，將試驗(yàn)大田分為3大塊，設(shè)3個(gè)處理，分別為：翻耕(即耕翻-耙地-平地-插秧)、旋耕（即一次性旋耕后插秧）、免耕（即不進(jìn)行土壤耕作直接插秧）。各處理面積均為115 m2，不設(shè)重復(fù)，每個(gè)處理均有獨(dú)立的排水口與進(jìn)水口，處理之間有田壟隔開(kāi)并覆蓋薄膜。

供試早稻品種為陵兩優(yōu)211。4年間的播種與移栽期分別為：2015年3月22日播種，4月22日移栽；2016年3月24日播種，4月24日移栽；2017年3月22日播種，4月22日移栽；2018年3月24日播種，4月24日移栽。插秧密度株行距為16.7 cm×20 cm，每穴3根苗。基肥施用量600 kg/hm2（復(fù)混肥料，N∶P∶K=22∶6∶12），分蘗初期追肥尿素（含氮46.4%）150 kg/hm2。其它栽培管理措施同一般大田。

1.3 測(cè)定項(xiàng)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（根據(jù)大區(qū)對(duì)角線分3點(diǎn)，每點(diǎn)分別數(shù)連續(xù)的30、40和30穴）的有效穗數(shù)，計(jì)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)），帶回室內(nèi)，考察每穗實(shí)粒數(shù)、每穗總粒數(shù)、結(jié)實(shí)率、千粒重；根據(jù)單位面積有效穗數(shù)×每穗總粒數(shù)×結(jié)實(shí)率×粒重，計(jì)算理論產(chǎn)量。

水稻各器官鎘含量：根據(jù)平均每穴莖蘗數(shù)或有效穗數(shù)，于水稻分蘗盛期、孕穗期、齊穗期、灌漿中期、成熟期取樣，每個(gè)區(qū)取樣15穴（每5穴為一個(gè)重復(fù)），分根、莖、葉、穗（進(jìn)一步分為枝梗、空粒、實(shí)粒）裝袋，置于烘箱中105℃殺青30 min，80℃烘至恒重，粉碎裝于塑料自封袋中備用。采用硝酸-高氯酸高溫消解，用石墨爐檢測(cè)消化液中鎘含量［16］。

水稻籽粒鎘含量：水稻成熟期，處理收稻谷（實(shí)粒）1 kg，曬干，儲(chǔ)藏3個(gè)月后碾米，分成谷殼和糙米，糙米進(jìn)一步分成糠層和精米，烘干后，粉碎裝于塑料自封袋中備用。采用硝酸-高氯酸高溫消解，用石墨爐檢測(cè)消化液中鎘含量［14］。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用Excel 2013和SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 早稻產(chǎn)量對(duì)少免耕的響應(yīng)

由表1可見(jiàn)，2015年，有效穗數(shù)，免耕處理顯著低于翻耕和旋耕處理，后兩者差異不大；每穗總粒數(shù)，翻耕與免耕處理差異不大，但都顯著高于旋耕處理；結(jié)實(shí)率表現(xiàn)與有效穗數(shù)較一致；千粒重以免耕處理較高，在3個(gè)處理間差異不顯著；產(chǎn)量以翻耕處理最高，免耕與旋耕處理顯著減產(chǎn)，降幅分別為9.9%和9.2%。

表1 不同土壤耕作方式下水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成Table 1 Yield and yield components of rice under different soil tillage methods

2016年，有效穗數(shù)，免耕處理略低于翻耕處理，但兩者均顯著高于旋耕處理；每穗總粒數(shù)，翻耕與旋耕處理差異不大，但都顯著高于免耕耕處理；結(jié)實(shí)率與千粒重在3個(gè)處理間差異不顯著；產(chǎn)量以翻耕處理最高，旋耕處理略低，免耕處理顯著減產(chǎn)，較翻耕和免耕處理分別降低8.9%和7.8%。

2017年，有效穗數(shù)，免耕和旋耕處理均顯著低于翻耕處理；每穗總粒數(shù)以旋耕處理最高，免耕處理最少；結(jié)實(shí)率與千粒重在3個(gè)處理間差異不顯著；產(chǎn)量趨勢(shì)與2016年相似，即翻耕處理最高，旋耕處理略低，免耕處理顯著減產(chǎn)。

2018年，有效穗數(shù)表現(xiàn)出旋耕＞免耕＞翻耕趨勢(shì)，且差異顯著；每穗總粒數(shù)表現(xiàn)出翻耕＞免耕＞旋耕趨勢(shì)，3個(gè)處理間均差異顯著；結(jié)實(shí)率表現(xiàn)與有效穗數(shù)較一致；千粒重以旋耕處理較高，3個(gè)處理間差異不顯著；產(chǎn)量以翻耕處理最高，免耕處理次之，產(chǎn)量降低5.1%，減產(chǎn)不顯著，而旋耕處理產(chǎn)量顯著低于翻耕處理，降幅為11.2%。

綜上所述，3種土壤耕作方式對(duì)早稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素影響顯著，少免耕處理產(chǎn)量較翻耕處理均有所降低，但具體表現(xiàn)有年際間差異，產(chǎn)量差異主要由有效穗數(shù)和每穗總粒數(shù)差異所致；隨年限延長(zhǎng)，免耕處理減產(chǎn)幅度逐漸減小。

2.2 早稻各器官鎘含量動(dòng)態(tài)對(duì)少免耕的響應(yīng)

2.2.1 根鎘含量動(dòng)態(tài)

由表2可見(jiàn)，2015年，早稻全生育期中，翻耕與旋耕處理根鎘含量表現(xiàn)出先增大后減小再增大再減小的趨勢(shì)，最高峰出現(xiàn)在灌漿中期，而免耕處理呈現(xiàn)先增大后減小再增大的趨勢(shì)，最高峰出現(xiàn)在成熟期。2016年，翻耕與免耕處理根鎘含量高峰出現(xiàn)在灌漿中期，而旋耕處理高峰出現(xiàn)在成熟期。2017年，翻耕與旋耕處理根鎘含量表現(xiàn)先增大后減小再增大的趨勢(shì)，最高峰出現(xiàn)在孕穗期，而免耕處理最高峰出現(xiàn)在成熟期。2018年，翻耕處理根鎘含量最高峰出現(xiàn)在齊穗期，而免耕與旋耕處理最高峰分別出現(xiàn)在成熟期和孕穗期。

表2 不同土壤耕作方式下水稻根鎘含量動(dòng)態(tài)(mg/kg)Table 2 Dynamics of Cd content in rice roots under different soil tillage methods(mg/kg)

就成熟期而言，根鎘含量在2015、2017和2018年均以免耕處理最高，2016年以旋耕處理最高，且一般均顯著高于翻耕處理?？梢?jiàn)，少免耕處理有利于鎘在早稻根部的積累。

2.2.2 莖鞘鎘含量動(dòng)態(tài)

由表3可見(jiàn)，不同耕作方式下，早稻莖鞘鎘含量在分蘗盛期至孕穗期呈降低趨勢(shì)，而孕穗期之后呈持續(xù)增大趨勢(shì)，4 a表現(xiàn)大體一致。比較成熟期各處理莖鞘鎘含量，2015年表現(xiàn)旋耕＞免耕＞翻耕趨勢(shì)，且旋耕顯著高于翻耕處理；2016年也表現(xiàn)出旋耕＞免耕＞翻耕趨勢(shì)，但處理間差異不顯著；2017年表現(xiàn)出免耕＞翻耕＞旋耕趨勢(shì)，且免耕處理顯著高于旋耕處理；2018年表現(xiàn)趨勢(shì)與2015、2016年基本一致?？梢?jiàn)，多數(shù)年份下，少免耕處理有利于鎘在早稻莖鞘部位的積累。

表3 不同土壤耕作方式下水稻莖鞘鎘含量動(dòng)態(tài)(mg/kg)Table 3 Dynamics of Cd content in rice stems and sheathes under different soil tillage methods(mg/kg)

續(xù)表

2.2.3 葉鎘含量動(dòng)態(tài)

由表4可見(jiàn)，不同耕作方式下，早稻葉鎘含量在分蘗盛期至孕穗期呈增大趨勢(shì)，孕穗期之后呈持續(xù)增大趨勢(shì)，4 a表現(xiàn)較一致。比較各處理成熟期莖鞘鎘含量，2015年表現(xiàn)出免耕＞翻耕＞旋耕趨勢(shì)，且旋耕顯著低于免耕和翻耕處理；2016年表現(xiàn)出旋耕＞翻耕＞免耕趨勢(shì)，且前者顯著高于后兩者；2017年表現(xiàn)出旋耕＞翻耕＞免耕趨勢(shì)，且免耕處理顯著低另兩個(gè)處理；2018年表現(xiàn)出旋耕＞免耕＞翻耕趨勢(shì)，翻耕處理顯著較低?？梢?jiàn)，不同土壤耕作方式對(duì)早稻葉鎘含量有明顯影響。

表4 不同土壤耕作方式下水稻葉鎘含量動(dòng)態(tài)(mg/kg)Table 4 Dynamics of Cd content in rice leaves under different soil tillage methods(mg/kg)

2.2.4 穗鎘含量動(dòng)態(tài)

由表5可見(jiàn)，3個(gè)處理間早稻穗鎘含量，在2015—2017年，一般以免耕處理較高，但至2018年，表現(xiàn)出了以免耕處理最低的趨勢(shì)，且其顯著低于旋耕處理?？梢?jiàn)，隨年限延長(zhǎng)，免耕處理逐步表現(xiàn)出了降低穗鎘含量的效果。

表5 不同土壤耕作方式下水稻穗鎘含量動(dòng)態(tài)(mg/kg)Table 5 Dynamics of Cd content in rice panicles under different soil tillage methods(mg/kg)

續(xù)表

2.3 早稻成熟期籽粒各部分鎘含量對(duì)少免耕的響應(yīng)

由表6可見(jiàn)，早稻成熟期谷殼鎘含量，2015—2017年在3個(gè)處理間差異不顯著，2018年旋耕處理顯著高于免耕處理。糙米鎘含量，2015年表現(xiàn)免耕＞旋耕＞翻耕趨勢(shì)，且免耕處理顯著高于翻耕處理；2016和2017年3個(gè)處理間無(wú)顯著差異，而2018年免耕處理顯著低于旋耕處理?？穼渔k含量，2015年免耕處理最高，顯著高于翻耕處理，但2016—2018年均以免耕處理最低。精米鎘含量，處理間表現(xiàn)趨勢(shì)與糙米類似?？梢?jiàn)，隨年限延長(zhǎng)，免耕處理逐步表現(xiàn)出了糙米和精米鎘含量降低的效果。

表6 土壤耕作方式對(duì)水稻成熟期籽粒各部分鎘含量的影響(mg/kg)Table 6 Effects of soiltillage methods on Cd content in different parts of rice grain atmaturity(mg/kg)

3 小結(jié)與討論

土壤耕作是作物生產(chǎn)上的一項(xiàng)常見(jiàn)措施，水稻生產(chǎn)上，傳統(tǒng)的耕作措施是翻耕，其包含耕翻、耙地、平地等多項(xiàng)作業(yè)。20世紀(jì)90年代，我國(guó)引進(jìn)并系統(tǒng)研究了保護(hù)性耕作技術(shù)，從而使得保護(hù)性耕作的核心內(nèi)容之一，少免耕在我國(guó)得到了大面積的推廣應(yīng)用，我國(guó)南方稻田也開(kāi)展了大量少免耕研究。

湖南省是我國(guó)最重要的水稻主產(chǎn)地區(qū)，但是近年來(lái)的水稻生產(chǎn)受到了土壤鎘污染的顯著影響。為了安全利用鎘污染稻田，獲得安全的稻谷，前人針對(duì)稻田鎘污染防控開(kāi)展了大量的研究，在低鎘積累品種篩選［4-5］、淹水灌溉降鎘［6-7］、施加石灰降鎘［8］、施加硅肥降鎘［9-10］等方面取得了大量的成果，并集成低鎘品種、淹水灌溉和土壤pH調(diào)節(jié)，形成了“VIP”技術(shù)。

關(guān)于少免耕對(duì)水稻產(chǎn)量的影響，前人已有相關(guān)研究。本研究通過(guò)連續(xù)4 a定位試驗(yàn)比較了翻耕、旋耕和免耕對(duì)早稻產(chǎn)量的影響，發(fā)現(xiàn)土壤耕作方式對(duì)早稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素影響顯著，少免耕處理產(chǎn)量較翻耕處理均有所降低，主要由有效穗數(shù)和每穗總粒數(shù)減少所致；隨年限延長(zhǎng)，免耕處理減產(chǎn)幅度逐漸減小，至第4年，免耕處理產(chǎn)量仍低于翻耕處理（降幅5.1%），但下降不顯著。

關(guān)于少免耕對(duì)水稻鎘含量的影響，湯文光等［13］認(rèn)為長(zhǎng)期免耕促進(jìn)水稻地上部分富集鎘的能力，但其糙米鎘含量與長(zhǎng)期翻耕處理無(wú)顯著差異。這與常同舉等［11］的研究結(jié)果差異較大。本研究同時(shí)比較了翻耕、旋耕和免耕對(duì)早稻各器官鎘含量動(dòng)態(tài)的影響，發(fā)現(xiàn)少免耕處理有利于鎘在早稻根、莖鞘和葉部位的富集，且隨年限延長(zhǎng)，免耕處理逐步表現(xiàn)出了穗與稻米鎘含量降低的效果，至第4年，免耕處理糙米和精米鎘含量明顯低于翻耕和旋耕處理。

綜上所述，連續(xù)4 a的定位試驗(yàn)表明，少免耕對(duì)早稻產(chǎn)量和稻米鎘含量有顯著影響，鎘污染稻田連續(xù)4 a以上免耕可以獲得與翻耕產(chǎn)量相當(dāng)、米鎘含量更低的早稻谷。