鎘污染稻田玉米對(duì)水稻的季節(jié)性替代種植可行性研究

王元元 谷子寒 陳平平 易鎮(zhèn)邪

（1湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，410128，湖南長(zhǎng)沙；2醴陵市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，412200，湖南醴陵；3衡陽市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，421000，湖南衡陽）

2013年湖南鎘稻米事件的發(fā)生使耕地重金屬污染受到了社會(huì)的廣泛關(guān)注。重金屬對(duì)人類具有潛在危害，它能在生物體內(nèi)富集，并被轉(zhuǎn)化為毒性更大的金屬化合物，從而間接地對(duì)人類造成更大的危害[1]。耕地的重金屬污染會(huì)直接影響農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，且給人類的生命安全造成嚴(yán)重威脅[2]。有資料[3]統(tǒng)計(jì)，我國每年的糧食產(chǎn)量因重金屬污染減產(chǎn)約1000萬t，被重金屬污染的糧食每年多達(dá)1200萬t，合計(jì)經(jīng)濟(jì)損失達(dá)200億元。

重金屬中鎘的毒性最高，農(nóng)田鎘污染最普遍。鎘在土壤-植物系統(tǒng)中遷移較活躍，這不僅嚴(yán)重影響了作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，還會(huì)危害人體健康。土壤鎘修復(fù)已成為保證農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全和持續(xù)高效利用資源的一項(xiàng)重要科學(xué)任務(wù)。培育和種植非食用作物或食用器官累積量低的作物品種，是治理鎘污染土壤最有效的途徑之一，既能逐漸吸收移除土壤鎘，又可以合理地利用土地資源，保障土地的持續(xù)產(chǎn)出[4]。前人針對(duì)鎘污染稻田改制進(jìn)行了大量的研究，多數(shù)研究[5-9]認(rèn)為，稻田改制在調(diào)節(jié)土壤結(jié)構(gòu)、改善土壤肥力狀況、促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育、增加作物產(chǎn)量、提高經(jīng)濟(jì)效益方面和降低農(nóng)田環(huán)境污染等方面均有顯著效果[5-9]?？紤]到不同地區(qū)土壤、氣候與作物品種的差異，此方面研究宜因地制宜開展。

自2014年以來，湖南省在鎘污染稻田的修復(fù)與利用上研究力度很大，其中在鎘污染稻田的替代種植上也開展了一些研究，如雙季稻田的棉花[10]、苧麻[11]和桑樹[2]等替代種植研究。然而，作為人口大國，我國將過多稻田水稻替代為非糧作物并非明智之舉。湖南省作為我國第一水稻大省，不能盲目地將鎘污染稻田全部替代種植非糧作物。因此，在鎘污染稻田上開展糧食作物替代種植研究，如以玉米和高粱等旱糧作物替代水稻，以達(dá)到既不影響糧食生產(chǎn)、又能降低農(nóng)產(chǎn)品鎘含量的目的，才是最理想的結(jié)果。在此指導(dǎo)思想下，本研究于2015-2016年在湖南湘潭縣鎘污染雙季稻區(qū)開展了玉米對(duì)水稻的季節(jié)性替代種植大田試驗(yàn)，從種植季節(jié)、產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)效益和農(nóng)產(chǎn)品鎘含量等方面探討玉米對(duì)水稻實(shí)行季節(jié)性替代種植的可行性，為鎘污染雙季稻區(qū)糧食作物替代種植提供理論與技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)與材料

小區(qū)試驗(yàn)于2015-2016年在湖南省湘潭縣易俗河鎮(zhèn)進(jìn)行，生理及化學(xué)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。參試早稻品種為陵兩優(yōu)211，晚稻品種為威優(yōu)46，玉米品種為湘農(nóng)玉14號(hào)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)置3個(gè)種植模式，分別為雙季稻（RR）、春玉米-晚稻（MR）與早稻-秋玉米（RM）模式。采用大區(qū)試驗(yàn)，每小區(qū)面積120m2，各區(qū)設(shè)獨(dú)立進(jìn)水口和排水口，大區(qū)間設(shè)置田埂，覆膜防止串水串肥。作物種植方法按照當(dāng)?shù)厣a(chǎn)習(xí)慣進(jìn)行。

1.2.1 雙季稻模式 早稻于3月25日播種，晚稻于6月20日播種；早稻密度為16.7cm×20.0cm，晚稻為20.0cm×20.0cm；早晚季水稻施肥一致，即基肥施復(fù)合肥（N:P:K=22:6:12）600kg/hm2，分蘗期追肥尿素（N 46%）150kg/hm2。

1.2.2 春玉米―晚稻模式 3月20日翻耕起壟，壟寬70cm，3月28日播種，每壟播種1行玉米，株（穴）距為30cm，每穴2粒，于3～4葉期每穴定苗1株，定苗48 000株/hm2?；适?fù)合肥（N:P:K=22:6:12）600kg/hm2，追肥（拔節(jié)肥+穗肥）施尿素300kg/hm2。玉米收獲后翻耕土壤，7月20日移栽晚稻，晚稻栽培技術(shù)與雙季晚稻一致。

1.2.3 早稻―秋玉米模式 早稻栽培技術(shù)與雙季稻模式一致。早稻收獲后，經(jīng)曬田、翻耕和起壟后于7月10日播種玉米，秋玉米起壟規(guī)格、播種、定苗、密度、施肥與春玉米相同。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素 于水稻成熟期每個(gè)大區(qū)記錄連續(xù)80蔸的有效穗數(shù)，計(jì)算單穴平均有效穗數(shù)，按照平均有效穗數(shù)取15蔸帶回室內(nèi)（每5蔸為1次重復(fù)），考察穗總粒數(shù)、穗實(shí)粒數(shù)、結(jié)實(shí)率和千粒重，計(jì)算理論產(chǎn)量。同時(shí)，每個(gè)區(qū)選擇3個(gè)點(diǎn)，各收獲100穴水稻，折算標(biāo)準(zhǔn)含水率（13.5%）的實(shí)際產(chǎn)量；在玉米田間考察空稈率，玉米單位面積有效穗數(shù)=單位面積株數(shù)×（1-空稈率）。采收全區(qū)玉米果穗，稱重并計(jì)算單穗鮮重，根據(jù)單穗鮮重取10個(gè)果穗，考察穗總粒數(shù)和千粒重，計(jì)算理論產(chǎn)量，其余果穗脫粒曬干后折算實(shí)際產(chǎn)量（含水率13.5%）。水稻和玉米成熟收獲后秸稈和籽粒全部帶出田間。

1.3.2 經(jīng)濟(jì)效益 水稻、春玉米和秋玉米的生產(chǎn)成本分為3個(gè)方面，首先是農(nóng)資成本（化肥、農(nóng)藥和種子），其次是機(jī)械作業(yè)成本（耕地和收割等），最后是勞動(dòng)力成本（播種、施肥和打藥等）。早稻谷、晚稻谷和玉米價(jià)格分別以2.44、2.5和2.0元/kg計(jì)算；復(fù)合肥和尿素的價(jià)格分別為2.6和2.0元/kg；機(jī)械耕地與收割水稻價(jià)格分別按1350和1200元/hm2計(jì)算；人工成本以120元/d計(jì)算。

1.3.3 鎘含量 于作物成熟期取植株樣，每個(gè)大區(qū)采取對(duì)角線法取3個(gè)點(diǎn)（3次重復(fù)），每點(diǎn)取樣3穴（株），水稻挖根20cm深，玉米挖根30cm深，將泥沖洗后把根系帶回室內(nèi)，洗凈后用0.1mol/L鹽酸浸泡根系15min，去掉根表面吸附的鎘，用自來水和去離子水各沖洗3遍，將表面水分吸干后，將植株分為根、莖、葉、穗和籽粒等部分，于烘箱105℃殺青0.5h后80℃烘干至恒重；用植物樣品粉碎機(jī)粉碎，過100目篩備用。采用硝酸-高氯酸高溫消解植株樣品，使用Agilent 7900ICP-MS檢測(cè)消化液中鎘含量。每個(gè)處理重復(fù)3次。水稻成熟期每個(gè)處理收獲稻谷1kg，曬干儲(chǔ)藏3個(gè)月后，分成谷殼、米糠和精米3個(gè)部分。采用上述方法測(cè)定鎘含量，各部位鎘含量（mg/kg）=各部位測(cè)定液濃度×各自定容體積/各自稱量。

根據(jù)莖稈、葉片、籽粒鎘含量與干物質(zhì)重計(jì)算植株地上部鎘積累量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2003和DPS 7.05進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植模式下的生育時(shí)期比較

各種植模式下作物的生育時(shí)期見表1。雙季稻種植模式下，晚稻成熟期在10月17-18日；早稻-秋玉米種植模式下，秋玉米成熟期在10月18-28日；春玉米-晚稻種植模式下，晚稻成熟期在10月22-23日。盡管后兩種種植模式下的晚季作物成熟期較雙季稻種植模式稍遲，但3種種植模式的晚季作物均能在10月下旬成熟。因此，從生育季節(jié)來看，3種種植模式均適合在雙季稻區(qū)推廣應(yīng)用。

表1 不同種植模式下作物的生育時(shí)期Table 1 Growth period of crops under different planting patterns 月-日month-day

2.2 不同種植模式下的產(chǎn)量比較

由表2可知，2015年，雙季稻種植模式總產(chǎn)量較高，早稻-秋玉米種植模式總產(chǎn)量居其次，較雙季稻種植模式減產(chǎn)1.1%，春玉米-晚稻種植模式總產(chǎn)量最低，較雙季稻種植模式減產(chǎn)6.4%，但3種種植模式總產(chǎn)量間沒有顯著差異。2016年，春玉米-晚稻總產(chǎn)量最高，其次是雙季稻總產(chǎn)量，早稻-秋玉米總產(chǎn)量最低，其中，春玉米-晚稻較雙季稻種植模式增產(chǎn)3.8%，而早稻-秋玉米較雙季稻減產(chǎn)2.7%，但3種種植模式總產(chǎn)量差異不顯著?？梢?，3種種植模式兩季總產(chǎn)量有一定差異，但差異不顯著?？梢?，從保證全年糧食總產(chǎn)量來看，用春玉米-晚稻和早稻-秋玉米替代雙季稻是可行的。

表2 不同種植模式下的作物產(chǎn)量Table 2 Yield of crops under different planting patterns kg/hm2

2.3 不同種植模式下作物成熟期器官鎘含量

由表3可見，雙季稻種植模式下，早稻糙米鎘含量在0.344～0.426mg/kg，晚稻糙米鎘含量在0.244～0.823mg/kg，都超過食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)（0.2mg/kg）。早稻-秋玉米種植模式下，早稻糙米鎘含量在0.332～0.429mg/kg；春玉米-晚稻種植模式下，晚稻糙米鎘含量在0.231～0.621mg/kg?？梢?，早稻-秋玉米與春玉米-晚稻種植模式中的水稻糙米鎘含量較雙季稻種植模式下的水稻糙米鎘含量有降低趨勢(shì)，尤其以2016年晚稻表現(xiàn)明顯，從0.823mg/kg降到了0.621mg/kg?？梢姡白饔衩讓?duì)后作稻米鎘含量有顯著降低作用。

表3 不同種植模式下的水稻成熟期各器官鎘含量Table 3 Cadmium contents in various organs of rice at maturity stage in different planting patterns mg/kg

由表4可見，玉米成熟期各器官鎘含量呈現(xiàn)根 ＞莖＞葉＞籽粒的規(guī)律，2年中2種種植模式下玉米籽粒鎘含量在0.036～0.081mg/kg，2016年顯著高于2015年，但均遠(yuǎn)低于玉米籽粒鎘含量國家標(biāo)準(zhǔn)（0.5mg/kg）?？梢?，鎘污染稻田種植玉米可解決農(nóng)產(chǎn)品（籽粒）鎘含量超標(biāo)的問題。

表4 玉米成熟期各器官的鎘含量Table 4 Cadmium contents in different organs of maize at maturity stage mg/kg

2.4 不同種植模式下的作物成熟期鎘積累量

由表5可知，水稻鎘積累量遠(yuǎn)高于玉米，晚稻鎘積累量遠(yuǎn)高于早稻，2年結(jié)果一致；3種模式2季作物總鎘積累量表現(xiàn)為雙季稻＞春玉米-晚稻＞早稻-秋玉米，且差異顯著，2年結(jié)果一致。同時(shí)可見，春玉米-晚稻種植模式下的晚稻鎘積累量低于雙季稻種植模式下的晚稻鎘積累量，2016年降幅達(dá)到39.2%，可見前季玉米有降低晚稻鎘積累量的作用。

表5 不同種植模式下作物成熟期地上部的鎘積累量Table 5 Cadmium accumulation of upland of crops under different planting patterns g/hm2

2.5 不同種植模式下的成本投入與經(jīng)濟(jì)效益

2015年和2016年成本投入相同。由表6可見，3種種植模式的總成本表現(xiàn)為雙季稻＞早稻-秋玉米＞春玉米-晚稻，前者與后兩者差異顯著。

表6 不同種植模式下的成本投入Table 6 The investment of different planting patterns 元/hm2yuan/hm2

由表7可知，2015年純收入表現(xiàn)為雙季稻＞早稻-秋玉米＞春玉米-晚稻，其中，雙季稻顯著高于春玉米-晚稻；2016年純收入表現(xiàn)為春玉米-晚稻＞早稻-秋玉米＞雙季稻，三者間差異均達(dá)顯著水平。2年總收入表現(xiàn)為春玉米-晚稻（26 310.0元/hm2）＞早稻-秋玉米（25 088.6元/hm2）＞雙季稻（24 268.6元/hm2）的趨勢(shì)。因此，綜合2年結(jié)果，從純收入來看，春玉米-晚稻和早稻-秋玉米種植模式完全可以替代雙季稻種植模式。

表7 不同種植模式下的產(chǎn)值與純收入Table 7 Output and net income of different planting patterns

由表8可知，2015年純收入/勞動(dòng)力數(shù)表現(xiàn)為早稻-秋玉米＞春玉米-晚稻＞雙季稻，前兩者分別較雙季稻種植模式高15.2%和7.2%；2016年二者比值表現(xiàn)為春玉米-晚稻＞早稻-秋玉米＞雙季稻，前兩者分別較雙季稻種植模式高86.7%和51.2%。可見，從單個(gè)勞動(dòng)力純收入來看，早稻-秋玉米和春玉米-晚稻種植模式均較雙季稻種植模式具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

表8 不同種植模式下的純收入與勞動(dòng)力數(shù)比值Table 8 Ratio of net income to labour number of different planting patterns

3 討論

多熟制地區(qū)種植模式的替代，首先要看生育季節(jié)上是否可行。本研究發(fā)現(xiàn)，從生育期來看，雙季稻、春玉米-晚稻和早稻-秋玉米種植模式的晚季作物均能在10月下旬成熟。因此，從生育季節(jié)來看，3種模式都適合在湘潭推廣應(yīng)用。

產(chǎn)量表現(xiàn)是考慮替代模式一個(gè)很重要的方面。本研究發(fā)現(xiàn)，2015年早稻-秋玉米和春玉米-晚稻的總產(chǎn)量較雙季稻模式低，但2016年春玉米-晚稻的總產(chǎn)量較雙季稻高，而早稻-秋玉米較雙季稻產(chǎn)量低，這與謝運(yùn)河等[12]的研究結(jié)論相似。但本研究發(fā)現(xiàn)，3種種植模式的糧食總產(chǎn)量并不具有顯著差異，早稻-秋玉米和春玉米-晚稻替代雙季稻不會(huì)導(dǎo)致糧食產(chǎn)量大幅度下降。

當(dāng)前作物生產(chǎn)越來越重視經(jīng)濟(jì)效益，因此經(jīng)濟(jì)效益也是考慮替代種植模式的一個(gè)重要方面。本研究發(fā)現(xiàn)，2015年純收入表現(xiàn)為雙季稻（16 347.7元/hm2）＞早稻-秋玉米（15 332.1元/hm2）＞春玉米-晚稻（14 260.8元/hm2)，2016年純收入表現(xiàn)為春玉米-晚稻（12 049.2元/hm2）＞早稻-秋玉米（9756.5元/hm2）＞雙季稻（7920.9元/hm2），而2年總收入表現(xiàn)為春玉米-晚稻（26 310.0元/hm2）＞早稻-秋玉米（25 088.6元/hm2）＞雙季稻（24 268.6元/hm2）的趨勢(shì)。綜合2年結(jié)果，從純收入角度來看，春玉米-晚稻和早稻-秋玉米種植模式完全可以替代雙季稻種植模式。

實(shí)施鎘污染稻田雙季稻的替代種植，最大目的是獲得鎘含量達(dá)標(biāo)的農(nóng)產(chǎn)品。本研究發(fā)現(xiàn)，雙季稻模式下，早稻糙米鎘含量在0.344～0.426mg/kg，晚稻在0.244～0.823mg/kg，均超過食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)（0.2mg/kg)。早稻-秋玉米種植模式下，早稻鎘含量在0.332～0.429mg/kg；春玉米-晚稻種植模式下，晚稻糙米鎘含量在0.231～0.621mg/kg。可見，早稻-秋玉米與春玉米-晚稻種植模式中的水稻糙米鎘含量較雙季稻模式下的水稻糙米鎘含量有降低趨勢(shì)，尤其以2016年晚稻表現(xiàn)明顯，從0.823mg/kg降到了0.621mg/kg?？梢?，前作玉米對(duì)后作稻米鎘含量有降低作用。同時(shí)，本研究發(fā)現(xiàn)，2種種植模式下玉米籽粒鎘含量在0.036～0.081mg/kg。因此，在鎘污染稻田上，以春玉米-晚稻和早稻-秋玉米替代雙季稻種植模式，不但可以獲得鎘含量符合國家標(biāo)準(zhǔn)的玉米產(chǎn)品，同時(shí)還可以有效降低稻谷鎘含量。

本研究發(fā)現(xiàn)，春玉米-晚稻種植模式下玉米籽粒鎘含量低，且地上部鎘積累移除量較早稻-秋玉米種植模式多，因此認(rèn)為春玉米-晚稻種植模式替代雙季稻種植模式更有利于鎘污染稻田的修復(fù)和農(nóng)產(chǎn)品的安全。利用富集植物修復(fù)重金屬污染土壤被認(rèn)為是一項(xiàng)有效措施。本研究移除作物秸稈也是修復(fù)鎘污染稻田的有效措施，但是，有關(guān)移除的作物秸稈如何處理，尚值得深入探討。

本研究發(fā)現(xiàn)，2016年晚稻各器官鎘含量明顯高于2015年晚稻，這應(yīng)該是當(dāng)?shù)毓喔人斐傻?，試?yàn)地水源為附近溝渠，溝渠水鎘含量超標(biāo)，這也是當(dāng)?shù)馗劓k超標(biāo)的原因。2016年溝渠水鎘含量遠(yuǎn)高于2015年，因此使得2016年晚稻各器官鎘含量明顯高于2015年。

4 結(jié)論

綜合生育季節(jié)、產(chǎn)量、純收入和籽粒鎘含量等因素，在湖南湘潭鎘污染稻田上，春玉米-晚稻與早稻-秋玉米種植模式替代雙季稻種植模式是完全可行的，其中春玉米-晚稻種植模式植株地上部鎘積累移除量較多，因此，宜首先選擇春玉米-晚稻種植模式。