水分管理對水稻灌漿期鎘傷流強度和轉(zhuǎn)移的影響

褚軍杰，馬進川，鄒平*，王強，陳照明，葉靜，馬軍偉*

（1.浙江農(nóng)林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，杭州 311300；2.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境資源與土壤肥料研究所，杭州 310021）

鎘（Cd）是一種不參與植物生命活動的非必需元素，被視為毒性最強的重金屬之一，已被歸類為人類慢性致癌物[1]。水稻作為我國主要糧食作物之一，對土壤中的Cd 具較強的吸收和積累能力，且Cd 易轉(zhuǎn)移到籽粒中危害人體健康[2]?！度珖赝寥牢廴緺顩r調(diào)查公報》顯示，中國19%的耕地正面臨重金屬污染，其中Cd 污染點位超標率高達7.0%[3]。在諸多修復(fù)技術(shù)中，科學(xué)水分管理技術(shù)因其操作簡單、清潔環(huán)保等優(yōu)點而備受關(guān)注，但不合理的灌溉會導(dǎo)致水資源浪費、灌溉成本增加，還易造成水土資源的流失。因此合理優(yōu)化水分管理時間、揭示部分降Cd 機理對該技術(shù)的推廣應(yīng)用具有重要意義。

水稻不同生育期對養(yǎng)分和水分的需求不同，植株Cd 吸收和分配也存在差異，對水稻關(guān)鍵生育期水分管理進行研究，滿足水稻自身生長需要的同時也提高了水稻降Cd 的效率。易鎮(zhèn)邪等[4]的研究發(fā)現(xiàn)在齊穗至灌漿中期間歇灌溉能有效降低水稻籽粒Cd 含量。另有研究表明，水稻抽穗期和灌漿期前后淹水對水稻糙米Cd 含量的降低效果顯著[5-6]。水稻糙米Cd 的積累與水稻根系對Cd 的吸收以及轉(zhuǎn)移分配密切相關(guān)，淹水條件下土壤固相的吸附、S2-與Cd2+共沉淀的增加以及共存離子活性的改變導(dǎo)致土壤Cd活性下降[7]，根系對Cd 吸收減少，籽粒Cd 積累下降。目前對不同水分管理下土壤Cd 活性改變對水稻根系Cd 吸收影響的探討較多，但忽略了水分管理對水稻內(nèi)部Cd 轉(zhuǎn)運分配的影響，糙米Cd 的積累是否與莖Cd 的積累有關(guān)，當莖Cd 的積累達到一定量時籽粒Cd 含量是否會超標等問題。灌漿結(jié)實期是水稻籽粒形成和Cd積累的關(guān)鍵時期，對該時期進行不同水分管理下水稻Cd轉(zhuǎn)移及分配情況的探討有助于更全面了解水分管理對水稻籽粒Cd積累的影響。

本文以Cd 污染土壤為研究對象，以水稻灌漿期淹水和濕潤灌溉為切入點，以甬優(yōu)538 為試驗品種，開展盆栽試驗，探究不同水分管理措施下水稻產(chǎn)量、各器官Cd含量、Cd積累量和Cd傷流強度的動態(tài)變化情況，分析水稻Cd 吸收轉(zhuǎn)移及籽粒Cd 積累的規(guī)律，為Cd污染農(nóng)田的水稻安全生產(chǎn)提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗于2020 年7 月至11 月在浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境資源與土壤肥料研究所科研網(wǎng)室中進行。供試Cd 污染土壤于2020 年6 月采自浙江省紹興市某Cd污染稻田，依據(jù)中國土壤發(fā)生分類系統(tǒng)和《浙江土種志》，該稻田屬青粉泥田。土壤基本理化性狀為：pH值為6.78，有機質(zhì)和全氮含量分別為56.14、3.67 g·kg-1，有效磷和速效鉀含量分別為29.49、224.00 mg·kg-1，總Cd 和有效態(tài)Cd 含量分別為1.551、0.852 mg·kg-1。根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標準（試行）》（GB 15618—2018），該試驗土壤Cd 含量高于農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險篩選值（0.6 mg·kg-1），屬Cd輕度污染土壤。供試水稻品種為浙江省2019—2021年主導(dǎo)雜交晚粳稻“甬優(yōu)538”，水稻種子由寧波市種子有限公司提供。

1.2 試驗設(shè)計

盆栽所用塑料盆的長、寬、高分別為440、230、190 mm，內(nèi)設(shè)2 個擋板，分3 格。將采集后的土壤樣品于室內(nèi)自然風(fēng)干后研磨，過2 mm篩備用，每盆填土量為12 kg（每格內(nèi)4 kg），填土高度為16 cm。每小格內(nèi)肥料用量按照N∶P2O5∶K2O=15∶5∶8 稱取，肥料與土壤充分混勻后裝盆，填土后注水至淹沒土壤并保持3 cm 水層，放置若干天至所有盆液面均無明顯變化為止。秧苗移栽時選取長勢相似的水稻秧苗3 株（每格內(nèi)1 株），在分蘗初期（三分蘗）移栽，水稻盆栽實物圖如圖1 所示。本試驗共3 個處理，15 次重復(fù)（破壞性取樣，5 次取樣×3 次重復(fù)），共45 格。在水稻分蘗、拔節(jié)、揚花期初期和末期，灌漿期開始后第7、14、21、28、35 天以及曬田期進行盆栽土壤樣品采集，測定土壤含水量，試驗過程中各處理土壤含水量變化情況如圖2所示。

圖1 水稻盆栽實物圖Figure 1 Rice potted plant physical map

圖2 各處理土壤含水量變化情況Figure 2 Soil water content in different water treatments

1.3 樣品采集與處理

灌漿期淹水后第7、14、21、28、35 天，進行水稻植株破壞性取樣，各處理每次取樣1 盆（3 格）。樣品采集后，洗凈水稻根系，將根、莖、葉、籽粒分裝后殺青烘干，稻谷用糙米機去殼后稱質(zhì)量，計干質(zhì)量；最后將植株各器官分別粉碎后保存，用于測定Cd含量。同時，在各時期進行水稻植株傷流液采集，操作如下：將距植株根部5 cm 處的莖剪斷，把專用脫脂棉花放在莖截面上方并套上綁有橡皮圈的塑料袋進行固定（質(zhì)量為m1），收集傷流液后，將棉花和塑料袋取回稱質(zhì)量（質(zhì)量為m2），傷流強度為m2與m1的差值。傷流液提取時間為18：00至次日8：00。

1.4 測定項目及方法

土壤全Cd 和植株根、莖、葉、籽粒等器官Cd 含量均采用HNO3-H2O2微波消解-石墨爐原子吸收光譜儀測定；水稻植株傷流液經(jīng)1.0% HNO3浸提，用石墨爐原子吸收光譜儀測定Cd含量。

1.5 數(shù)據(jù)分析與處理

水稻各部位（根、莖、葉片、糙米和谷殼）Cd 積累量計算公式：

式中：Mi為水稻某一部位Cd 的積累量，μg·格-1；Ci為水稻該部位Cd 含量，mg·kg-1；mi為水稻該部位質(zhì)量，g·格-1。

水稻各部位（根、莖、葉、糙米）Cd轉(zhuǎn)運系數(shù)公式：

式中：TFi-j為轉(zhuǎn)移系數(shù)；Ci為水稻前端部位Cd 含量，mg·kg-1；Cj為水稻后端部位Cd含量，mg·kg-1。

中國人研究《易經(jīng)》研究了幾千年，《易經(jīng)》64卦還潛涵著多少奧秘仍然需要研究。八卦或64卦是哲學(xué)內(nèi)涵深刻、高度智慧、高度文明的成果，7000年或6000年前，人類處于新石器捕獵時期，發(fā)明八卦或64卦這樣高度文明成果的可能性極少，八卦或64卦很可能屬于人類史前文明成果或外星球人文明成果！

水稻Cd傷流強度計算公式：

式中：SLCd為水稻Cd傷流強度，μg·h-1·株-1；PSL為傷流強度，mg·h-1·株-1；CSL為傷流液中Cd質(zhì)量分數(shù)，μg·kg-1。

水稻糙米Cd積累貢獻率計算公式：式中：Hi-j為糙米Cd 積累貢獻率，%；Ri為i時期糙米Cd 的積累量，μg·格-1；Rj為j時期糙米Cd 的積累量，μg·格-1；Rz為灌漿期間糙米Cd的積累量，μg·格-1。

所有數(shù)據(jù)均采用Excel 2021 和SPSS Statistics 26.0 軟件進行統(tǒng)計分析。采用LSD 法對試驗數(shù)據(jù)進行方差分析和顯著性檢驗（P<0.05），圖中所標誤差線為3次重復(fù)數(shù)據(jù)的標準差。

2 結(jié)果與分析

2.1 水分管理對水稻灌漿期籽粒干物質(zhì)量的影響

水分管理方式是影響水稻產(chǎn)量的關(guān)鍵因子，灌漿期作為決定水稻產(chǎn)量的關(guān)鍵生育期尤為重要。不同水分管理條件下水稻在灌漿期的生長狀況呈現(xiàn)一定差異（圖3）。水稻籽粒產(chǎn)量隨著灌漿時間的增加均呈現(xiàn)出上升的趨勢，至第35 天時達到最高水平。T2處理籽粒干物質(zhì)量在灌漿期內(nèi)均高于T1、T3處理，在灌漿第14 天和第35 天時顯著高于T1、T3 處理，說明T2 處理能促進水稻的生長，增強水稻灌漿能力，提高產(chǎn)量。

圖3 不同水分管理條件下水稻灌漿期籽粒的干物質(zhì)量Figure 3 Grain dry matter quality of rice under water management at grain filling stage

2.2 水分管理對水稻灌漿期植株各器官Cd含量的影響

水稻灌漿期根系Cd 含量變化情況如圖4（a）所示。在第7 天和第14 天時，處理間水稻根系Cd 含量差異顯著（P<0.05），與T2 相比，T1、T3 處理水稻根系Cd 含量分別降低10.2%~39.9%、40.5%~45.2%；第21、28、35 天時，T1 與T2、T3 處理差異顯著（P<0.05），T2與T3 處理間無顯著差異，T1 較T2、T3 處理水稻根系Cd 含量降低7.2%~43.7%、11.6%~44.2%。水稻灌漿期莖、糙米Cd 含量變化情況如圖4（b）和圖4（d）所示。整個灌漿期間，各處理水稻莖、糙米Cd含量差異顯著（P<0.05），T2、T3 處理水稻莖Cd 含量較T1 處理分別降低51.5%~61.9%、84.2%~90.7%，糙米Cd 含量較T1 處理分別降低31.8%~50.1%、75.2%~80.1%。水稻葉Cd含量變化情況見圖4（c），在整個灌漿期間，T1與T2、T3 處理水稻葉片Cd 含量差異顯著（P<0.05），T2、T3 處理水稻葉Cd 含量較T1 處理分別下降12.8%~53.7%、33.5%~58.6%；第7 和第14 天時，T2 與T3 處理間差異顯著（P<0.05），且T2>T3，第21、28、35天時無顯著差異。研究表明，不同水分管理下水稻各器官Cd 吸收量存在差異，T2、T3 處理有利于Cd 從土壤界面向根系遷移，促進根Cd的吸收，但明顯減少了水稻莖、葉、糙米中Cd的含量。

圖4 不同水分管理條件下水稻灌漿期植株各器官的Cd含量Figure 4 Cd content in various organs of rice plants at grain filling stage under different water management conditions

2.3 水分管理對水稻灌漿期Cd傷流強度的影響

在整個灌漿期間，各處理Cd 傷流強度呈現(xiàn)出不同的變化趨勢（圖5）。T1、T2 處理Cd 傷流強度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，在第14 天時達到最大值，傷流強度分別是第21 天的2.60、3.45 倍。T3 處理Cd 傷流強度呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，但始終處于較低水平。第7 天和第14 天時，處理間水稻Cd 傷流強度差異顯著（P<0.05），且Cd傷流強度均為T1>T2>T3，其中T2、T3處理水稻Cd 傷流強度較T1 處理分別下降68.6%~73.0%、89.7%~92.7%；灌漿第21、28、35 天時，T1 與T2、T3 處理水稻Cd 傷流強度差異顯著（P<0.05），T2與T3 處理無顯著差異。研究表明，在水稻整個灌漿期間，水稻Cd由根到地上部轉(zhuǎn)運時間的差異顯著，其中灌漿開始至第14 天是水稻Cd 由根向地上部轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵時期，T2、T3 處理能顯著降低Cd 由根系向地上部的轉(zhuǎn)移。

圖5 不同水分管理條件下水稻灌漿期Cd的傷流強度Figure 5 Cd damage flow intensity in rice grain filling stage under different water management conditions

2.4 水分管理對水稻灌漿期各器官Cd轉(zhuǎn)移能力的影響

不同水分管理條件下水稻灌漿期各器官Cd轉(zhuǎn)移系數(shù)不同（表1），處理間TF根-莖的轉(zhuǎn)移能力為T1>T2>T3，T1、T2 處理呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，第28 天時轉(zhuǎn)移能力最強，T3處理處于較低水平。處理間TF莖-葉的轉(zhuǎn)移能力為T3>T2>T1，T1 處理呈先下降后上升再下降的趨勢，第28 天時轉(zhuǎn)移能力最強；T2 處理呈“M”型變化趨勢；T3處理呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，第28天時達到最大值。TF莖-谷殼的轉(zhuǎn)移能力均呈現(xiàn)先下降后上升的變化趨勢，在第7 天時轉(zhuǎn)運能力最強。第7 天時，TF莖-糙米的轉(zhuǎn)移能力為T2>T3>T1；第35 天時，TF莖-糙米的轉(zhuǎn)移能力為T3>T2>T1。以上說明淹水處理（T2、T3）能降低Cd 從根向莖的轉(zhuǎn)移能力，提高Cd 在莖與葉、糙米間的轉(zhuǎn)移。

表1 不同水分管理條件下水稻各器官Cd轉(zhuǎn)移系數(shù)Table 1 Cd transport coefficients in various organs of rice under different water management conditions

2.5 水分管理對水稻灌漿期各器官Cd積累量的影響

不同水分管理條件下水稻灌漿期各器官Cd 積累情況不同（圖6）。T1 處理各器官Cd 積累量大小為莖>根>糙米>葉>谷殼；T2 為根>莖>糙米>葉>谷殼；T3為根>莖>葉>糙米>谷殼。各處理水稻地上部各器官（莖、葉、糙米、谷殼）Cd 積累量大小均為T1>T2>T3。灌漿第35 天時，T2 處理水稻地上部各器官（莖、葉、谷殼、糙米）Cd 積累量分別較T1 降低37.4%、28.3%、42.0%和36.2%，T3 處理水稻地上部各器官（莖、葉、谷殼、糙米）Cd 積累量分別較T1 降低88.6%、35.4%、87.4%和76.3%，說明淹水處理（T2、T3）降低了水稻莖、葉、糙米、谷殼中Cd的積累。

圖6 不同水分管理條件下水稻灌漿期各器官的Cd積累量Figure 6 Cd accumulation in various organs in rice grain filling stage under different water management conditions

不同水分管理條件下水稻灌漿期糙米Cd積累情況不同（表2）。灌漿開始至第7 天，處理間糙米Cd 變化量大小為T1>T2>T3；7~14 d 期間，處理間糙米Cd變化量大小為T2、T1>T3；14~35 d 期間，處理間糙米Cd 變化量大小均為T1>T2>T3。整個灌漿期間，T1、T3 處理糙米Cd 積累情況呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，T2 處理呈現(xiàn)出“M”的趨勢，且各處理均在7~14 d期間達到最大值，T1、T2、T3 分別為0.94、0.93、0.30μg·格-1，該時期糙米Cd 積累貢獻率占整個灌漿期間的29.19%、45.37%、39.47%。在14~21 d 期間，T2、T3處理糙米Cd 積累量較低，而T1 處理仍處于較高水平，其糙米Cd 貢獻率是T2、T3 的4.2、1.7 倍，說明T2、T3 處理有效降低了糙米在該時期的Cd 積累。灌漿開始至第21天，T1、T2、T3處理糙米Cd積累的貢獻率分別為78.0%、77.2%、72.4%，說明該階段是水稻糙米Cd積累的高峰期。

表2 不同水分管理下水稻灌漿期不同階段糙米Cd積累情況Table 2 Cd accumulation in brown rice at different stages of rice grain filling under different water management conditions

2.6 不同水分管理條件下水稻灌漿期莖、葉與糙米Cd含量的相關(guān)性分析

不同水分管理條件下水稻灌漿期莖、葉與籽粒Cd 含量的相關(guān)性見圖7。整個灌漿期間，水稻莖Cd含量與糙米Cd 含量之間呈現(xiàn)顯著正相關(guān)（P<0.01），相關(guān)系數(shù)（R）為0.965 6，方程為y=0.144 6x+0.024 4，糙米Cd含量為0.2 mg·kg-1時，莖Cd含量為1.214 mg·kg-1。水稻葉Cd 含量與糙米Cd 含量之間呈顯著正相關(guān)（P<0.01），R為0.804 4，方程為y=1.011 7x-0.041 9。研究表明，灌漿期間糙米Cd 含量與水稻莖、葉Cd 含量密切相關(guān)，Cd從莖向糙米的轉(zhuǎn)運更為重要。

圖7 不同水分管理下水稻灌漿期莖、葉與糙米Cd含量的相關(guān)性Figure 7 Linear relationship diagram of correlation between Cd content in stem，leaf and brown rice at grain filling stage of rice under different water management conditions

3 討論

3.1 水分管理與水稻糙米干質(zhì)量的關(guān)系

水稻灌漿期間保持適量土壤水分有利于提高產(chǎn)量，而與連續(xù)淹水條件相比，土壤水分嚴重缺乏會導(dǎo)致產(chǎn)量降低[8]。本研究顯示，與濕潤灌溉和全生育期淹水相比，灌漿期淹水處理水稻產(chǎn)量顯著增加，其原因可能是：灌漿期淹水處理在孕穗期階段采用濕潤灌溉方式，有助于水稻根系與氧氣的接觸，增強了根系活力；同時土壤養(yǎng)分活性增強，能更好地滿足水稻養(yǎng)分需求。水稻灌漿期淹水有利于養(yǎng)分從根系向糙米的運輸，提高灌漿效率；水分供應(yīng)不足，水稻葉片光合速率下降[9]，不利于籽粒干物質(zhì)的積累。與常規(guī)全生育期淹水不同，本研究在水稻分蘗末期進行了適度曬田處理，這不僅改善了土壤根系微環(huán)境，促進了根系的生長，也有效減少了無效分蘗，有利于水稻穩(wěn)產(chǎn)[10]。

3.2 水分管理與水稻Cd傷流強度的關(guān)系

水稻傷流強度作為作物地上部與地下部聯(lián)系的關(guān)鍵指標，其強弱能直接反映營養(yǎng)物質(zhì)運輸狀態(tài)[11]，有助于更全面地了解不同階段物質(zhì)運輸?shù)那闆r。本研究表明，不同水分管理下水稻Cd 傷流強度存在較大差異，且濕潤處理明顯大于淹水處理。這一方面可能是與突發(fā)性淹水條件下水稻根系泌氧能力的改變[12]引起水稻根系有氧呼吸減弱，降低了Cd 的轉(zhuǎn)移效率有關(guān)；另一方面可能是與水稻根系液泡滯留作用有關(guān)[13]。本研究發(fā)現(xiàn)，整個灌漿階段，水稻Cd 傷流強度存在明顯的變化且灌漿開始前兩周Cd 含量較高，說明該階段是Cd 轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵期。俄勝哲等[14]對水稻灌漿過程籽粒中Fe、Mn、Cu、Zn、Ca、Mg等元素的動態(tài)研究表明，在開花后礦質(zhì)營養(yǎng)元素快速降低，開花20 d 后基本保持穩(wěn)定，這與本研究結(jié)果相一致。另外，灌漿末期水稻Cd 傷流強度明顯降低，但水稻葉片Cd含量仍處于較高水平，這可能與后期植株內(nèi)部存在Cd的再分配有關(guān)，其中濕潤灌溉下較為明顯。

3.3 水分管理與水稻各器官Cd轉(zhuǎn)移和積累的關(guān)系

Cd 被水稻根系吸收后，經(jīng)過水稻根、莖、葉維管組織轉(zhuǎn)運到籽粒。研究表明[15]，淹水條件可以降低水稻根系Cd 向上運輸，地上部各器官（莖、葉、糙米）Cd含量均低于根系。本研究也顯示，濕潤灌溉處理水稻莖、葉Cd 含量高于淹水處理，成熟期葉片Cd 含量呈明顯下降趨勢而莖Cd 含量明顯上升，但葉片Cd 在淹水條件下再分配情況較不明顯。推斷原因可能與水稻成熟期葉片逐漸枯黃，葉綠體減少而使葉片蒸騰作用減弱[16]，Cd 移動性減小有關(guān)；土壤淹水條件有利于營養(yǎng)物質(zhì)的供給，葉片衰老減慢。另外，Wan 等[17]認為水稻Cd 主要通過兩種途徑從土壤轉(zhuǎn)移至籽粒：一個是從根部吸附，通過木質(zhì)部轉(zhuǎn)移到芽，運輸?shù)饺~片，最后通過韌皮部重新分配到籽粒的復(fù)雜過程；另一個是大多數(shù)籽粒Cd 的轉(zhuǎn)運途徑，即在水稻灌漿期通過木質(zhì)部和維管由根部直接轉(zhuǎn)移到發(fā)育中的籽粒。

水稻營養(yǎng)器官（根、莖、葉）對Cd的轉(zhuǎn)移與積累是決定糙米中Cd 含量的關(guān)鍵[18]。本研究表明，在整個灌漿期，淹水處理水稻莖、葉、糙米Cd 含量均低于濕潤處理，并且Cd 從根系向地上部的轉(zhuǎn)移和糙米Cd 積累能力明顯下降，灌漿期淹水處理能有效降低水稻籽粒Cd 的積累，這與已有報道相一致[19-20]。淹水條件下，Cd 以在根系積累為主，水稻莖Cd 積累量明顯下降。吳佳等[21]和張雨婷等[22]也有類似發(fā)現(xiàn)。其原因可能是淹水條件有利于根表皮細胞層質(zhì)外體的形成[23]，葉片氣孔部分關(guān)閉，葉片光合速率減弱[24]，進而影響Cd 向地上部的轉(zhuǎn)移。另有研究表明，淹水條件下水稻籽粒Cd 含量的減少與莖葉間Cd 流動性的改變有關(guān)[25]。水稻灌漿期淹水處理對籽粒Cd 積累的減少具有良好的效果，使糙米Cd 含量低于0.2 mg·kg-1，符合《食品安全國家標準 食品中污染物限量》（GB 2762—2017），實現(xiàn)了Cd 輕度污染稻田的安全利用。本研究發(fā)現(xiàn)，水稻籽粒Cd 含量與水稻莖Cd 含量呈顯著正相關(guān)，當莖Cd 含量≥1.214 mg·kg-1時，籽粒Cd 含量存在超標風(fēng)險，說明水稻莖Cd 的含量是決定水稻籽粒Cd 積累量的關(guān)鍵，這與前人研究相一致[26]。淹水處理水稻莖和糙米Cd 含量顯著降低，說明水稻莖Cd 含量的減少是籽粒Cd 積累量下降的主要原因之一。

4 結(jié)論

（1）分蘗末期濕潤灌溉-灌漿期至成熟期淹水的水分管理方式能夠提高水稻籽粒產(chǎn)量，降低籽粒Cd含量，在水資源高效利用方面具有較強的適應(yīng)性，更符合稻田農(nóng)事習(xí)慣。

（2）灌漿開始至第21 天是Cd 由根向地上部運輸和水稻籽粒Cd 積累的高峰期，水稻籽粒Cd 的積累與水稻莖Cd 含量密切相關(guān)，淹水處理水稻莖Cd 含量的減少是水稻籽粒Cd積累量下降的主要原因之一。