葛穎，馬進(jìn)川，鄒平，潘建清，陳麗芬，石其偉，馬軍偉*

·水土資源與環(huán)境·

水分管理對(duì)鎘輕度污染農(nóng)田水稻鎘積累的影響

葛穎1, 2，馬進(jìn)川2，鄒平2，潘建清3，陳麗芬4，石其偉5，馬軍偉2*

（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；3.長興縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，浙江 長興 313100；4.麗水市蓮都區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，浙江 麗水 323000；5.紹興市柯橋區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，浙江 紹興 312030）

【】研究鎘輕度污染農(nóng)田水稻適宜的水分管理模式。采用盆栽試驗(yàn)，分別設(shè)置水稻全生育期濕潤灌溉（CK）、全生育期淹水（T1）、拔節(jié)期（T2）、孕穗期（T3）、抽穗揚(yáng)花期（T4）、灌漿乳熟期（T5）、蠟熟期（T6）開始淹水7個(gè)處理，對(duì)水稻不同器官鎘積累差異以及土壤氧化還原電位、根際土壤溶液水溶性鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化進(jìn)行研究。土壤氧化還原電位與水溶性Cd呈極顯著正相關(guān)（<0.01），淹水后土壤的氧化還原電位（）顯著降低，土壤還原性增強(qiáng)，淹水時(shí)間越長氧化還原電位越低，其中T1處理最低可降至-159.78 mV，淹水后根際土壤溶液中水溶性Cd也迅速下降，T3處理下降最多，為75.0%。不同水分管理模式下水稻糙米含鎘量均未超過食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限量值（GB2762—2017）。與CK相比，T1處理降低稻米含鎘量達(dá)76.9%，而水稻產(chǎn)量明顯下降，減產(chǎn)19.2%；T6處理明顯抑制鎘從水稻根系向地上部分轉(zhuǎn)移，增加根系鎘質(zhì)量占比15.2%；T6處理降低水稻莖稈的鎘積累，降低莖稈鎘質(zhì)量占比13.0%；淹水通過抑制鎘從水稻葉片向谷物的轉(zhuǎn)移來降低稻米鎘積累，與CK相比，T5處理葉片鎘質(zhì)量占比增加5.0%，T3處理谷物鎘質(zhì)量占比降低4.3%。綜合考慮水稻產(chǎn)量、稻米含鎘量和田間農(nóng)事操作習(xí)慣，鎘輕度污染稻田推薦的水分調(diào)控方式為抽穗揚(yáng)花期淹水至收獲前1周。

水分管理；水稻生育期；鎘；氧化還原電位；根際；水溶性Cd

0 引言

【研究意義】鎘（Cd）是農(nóng)田污染物中一種具有生物高毒性的重金屬。由于人類和植物對(duì)鎘的承受限度存在一定的差異，尚未表現(xiàn)出植物毒性的含鎘量水平可能已經(jīng)危及人類的健康，如引起人體生理功能下降，包括腎病甚至是癌癥[1-3]。水稻是我國主要的糧食作物，超過60%的人以水稻為主食，其消費(fèi)量約占總谷物消費(fèi)量的55%[4]。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部調(diào)查顯示，我國稻米鎘超標(biāo)率高達(dá)10%，嚴(yán)重威脅我國的糧食安全。據(jù)2014年全國土壤污染調(diào)查公報(bào)數(shù)據(jù)顯示[5]，我國耕地土壤污染點(diǎn)位超標(biāo)率高達(dá)19.4%，鎘的污染點(diǎn)位超標(biāo)率為7.0%，且污染日趨嚴(yán)重，極大地威脅著我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展和糧食安全。綜合考慮我國稻田鎘污染面積、修復(fù)成本和農(nóng)民接受度等因素，尋找一種簡單、安全、低成本、便于大面積推廣的措施來減少稻米的含鎘量是實(shí)現(xiàn)重金屬鎘中輕度污染耕地安全利用的當(dāng)務(wù)之急。

【研究進(jìn)展】水分管理作為一種成本較低、操作簡單、無二次污染的農(nóng)藝調(diào)控措施，在降低稻米含鎘量方面具有良好的效果。目前，關(guān)于水分管理降鎘技術(shù)的研究集中在淹水對(duì)稻米鎘累積的影響。孕穗期至抽穗揚(yáng)花期是稻米籽粒鎘積累的關(guān)鍵時(shí)期[6-7]，然而另有研究表明水稻吸收鎘的關(guān)鍵時(shí)期是從灌漿期到成熟期[8-9]。有研究發(fā)現(xiàn)與濕潤灌溉以及旱作相比，稻田長期淹水會(huì)增加水稻產(chǎn)量[10]，然而楊定清等[7]發(fā)現(xiàn)長期淹水處理的產(chǎn)量明顯低于關(guān)鍵期淹水和常規(guī)處理。鑒于水稻生育期水分管理以及淹水時(shí)長對(duì)稻米含鎘量及產(chǎn)量的影響仍未確定，因此明確降低稻米中鎘積累的關(guān)鍵作用期是降低稻米含鎘量和穩(wěn)定產(chǎn)量的關(guān)鍵。另外，目前關(guān)于水分管理降低稻米鎘積累作用途徑的研究主要集中于淹水對(duì)土壤理化性質(zhì)的改變及對(duì)土壤生物有效性鎘的影響。田桃{田桃，曾敏，周航，徐珺，楊文弢，辜嬌峰，鄒佳玲，張平，彭佩欽，廖柏寒, 2017 #88}等[9]通過研究土壤氧化還原電位對(duì)水稻糙米含鎘量的影響發(fā)現(xiàn)較低可以減少水稻Cd的積累；張雪霞等[11]研究表明不同田間持水率通過影響土壤S、Fe2+從而影響Cd活性。

以上研究對(duì)揭示稻田淹水降低稻米鎘積累有一定的參考價(jià)值，但仍具有一定的局限性，不能直接表征鎘從土壤往水稻根系的遷移?？紤]到水稻根系主要從土壤溶液中吸收養(yǎng)分及重金屬鎘，土壤溶液的理化性質(zhì)能直觀反映水稻植株對(duì)鎘的吸收情況[12]。Wan等[13]發(fā)現(xiàn)江西（pH值=5.25）的土壤溶液中Cd在有氧條件下的生物有效性高于淹水條件，與湖南（pH值=7.26）不同，說明Cd的生物有效性受土壤pH值和氧化還原電位共同影響；Honma等[14]研究發(fā)現(xiàn)土壤溶液水溶性Cd在排水后顯著增加，后期再進(jìn)行淹水灌溉后迅速降低?！厩腥朦c(diǎn)】因此明確水稻生育期水分調(diào)控下土壤氧化還原電位及根際土壤溶液水溶性Cd的變化對(duì)充分理解淹水對(duì)水稻鎘吸收的影響至關(guān)重要。目前關(guān)于水分調(diào)控對(duì)根際土壤理化性質(zhì)的影響以及如何影響水稻植株對(duì)鎘的分配等方面研究較少，有待深入研究。

【擬解決的關(guān)鍵問題】本研究擬通過室內(nèi)盆栽試驗(yàn)研究不同生育期水分管理對(duì)稻米鎘累積及水稻產(chǎn)量的影響，以明確不同水分管理模式下稻米含鎘量與其產(chǎn)量的相關(guān)性，揭示水稻生育期水分管理降鎘的最佳調(diào)控時(shí)期；通過研究不同水分管理模式下土壤氧化還原電位和水溶性Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化以及不同生育期水分管理對(duì)水稻各部位鎘的分配影響，初步揭示不同生育期水分管理降低稻米鎘積累的機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2019年在浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境資源與土壤肥料研究所網(wǎng)室進(jìn)行，供試水稻土采自浙江省東部典型鎘污染稻田，土壤類型根據(jù)中國土壤發(fā)生分類屬青紫泥田土種，按中國土壤系統(tǒng)分類屬底潛鐵滲水耕人為土[15]。供試土壤基本理化性質(zhì)如下：pH值為5.52，有機(jī)質(zhì)量為36.80 g/kg，陽離子交換量為14.28 cmol/kg，全氮量為0.21%，速效磷為9.83 mg/kg，速效鉀為106.50 mg/kg，有效態(tài)鎘（DTPA提取態(tài)鎘）質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.37 mg/kg，全量鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.54 mg/kg。供試土壤容重為1.13 g/cm3，土壤鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)在《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB15618—2018）所規(guī)定的風(fēng)險(xiǎn)篩選值2倍以內(nèi)[5,16]，屬鎘輕度污染稻田。盆栽采用封底的直徑為20 cm圓柱形PVC桶，桶高30 cm。將采回的土壤自然風(fēng)干后過2 mm篩，在桶底鋪設(shè)2 cm石英，按土壤實(shí)際容重稱取等量土壤，每2.5 cm用橡皮錘錘實(shí)后刮毛，分9層填土，共計(jì)9 kg土壤，填土高度為22.5 cm，填土期間在每盆土壤內(nèi)拌入等量的肥料（N、P2O5、K2O質(zhì)量比為15∶6∶8，P、K全作為基肥，60%N作為基肥，40%N作為追肥，在水稻孕穗期施用），施肥深度為20 cm。填土結(jié)束后對(duì)盆栽持續(xù)加水保持土壤表面3 cm水層，靜置72 h后，水面無明顯下降，視為土壤水分平衡狀態(tài)。供試水稻品種為浙江省近年來主推單季雜交稻甬優(yōu)538，系《浙江省中輕度污染耕地水稻安全利用技術(shù)指南（試行）》（浙耕肥發(fā)〔2020〕15號(hào)）[17]推薦的鎘低積累水稻品種，每盆均選用長勢(shì)相似的4株水稻秧苗，在分蘗初期（三分蘗）移栽。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)7個(gè)處理，每個(gè)處理4次重復(fù)，共28盆。具體方案設(shè)計(jì)如下：CK（長期濕潤灌溉至收獲前1周）、T1（長期淹水至收獲前1周)、T2（前期濕潤灌溉，拔節(jié)期（移栽后27 d）起淹水至收獲前1周）、T3（前期濕潤灌溉，孕穗期（移栽后46 d）起淹水至收獲前1周）、T4（前期濕潤灌溉，抽穗揚(yáng)花期（移栽后59 d）起淹水至收獲前1周）、T5（前期濕潤灌溉，灌漿乳熟期（移栽后63 d）起淹水至收獲前1周）和T6（前期濕潤灌溉，蠟熟期（移栽后73 d）起淹水至收獲前1周）。各個(gè)生育期生長特性主要如下：水稻品種大致為7節(jié)間，水稻拔節(jié)期開始于（伸長節(jié)間數(shù)）-2=5的倒數(shù)葉齡期；孕穗期水稻莖部頂端出現(xiàn)膨脹，且長出頂葉；抽穗揚(yáng)花期主要特征為水稻稻穗破口，開始揚(yáng)花；灌漿乳熟期水稻籽粒中有淀粉沉積呈乳白色，谷殼為綠色；蠟熟期水稻籽粒無乳狀物，手壓籽粒有堅(jiān)硬感，谷殼開始變黃。

在盆中設(shè)置水位控制線（距土表上3 cm），淹水處理為保持土壤表面3 cm可見水層。濕潤灌溉處理設(shè)置為自然落干，保持土壤濕潤且無明顯水層（按照田間農(nóng)民習(xí)慣進(jìn)行灌溉），分蘗末期進(jìn)行1周曬田處理。其他時(shí)期均按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行灌溉，各處理均在收獲期前1周停止灌溉，其余農(nóng)藝措施與農(nóng)民習(xí)慣保持一致。灌溉水使用檢出無鎘污染，pH值為6.78的自來水。

在盆栽土柱距表土下7.50 cm處水平放置有膜孔徑約為0.12~0.18 μm根際土壤溶液采集管，采集管上附帶保護(hù)套，待盆栽曬田結(jié)束，土壤環(huán)境穩(wěn)定后（移栽后29 d）每隔10 d用針筒抽取水樣帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定。采集方法如下：采集時(shí)取下保護(hù)套，通過塑料接頭連接塑料注射器抽取空氣，利用小木棍頂住塑料注射器活塞芯桿，保持注射器內(nèi)一定負(fù)壓，使土壤孔隙中的水進(jìn)入注射器，靜置過夜采集水樣。在盆栽土柱距土表10 cm處同一水平面不同位置插有2根傳感器，分別是溫度傳感器和CD-1型鉑復(fù)合電極（南京傳滴儀器設(shè)備有限公司產(chǎn)品），每隔5 min采集1次盆栽氧化還原電位值和內(nèi)部溫度數(shù)據(jù)，用數(shù)據(jù)采集器自動(dòng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，傳感器設(shè)置在包括7個(gè)處理在內(nèi)的7盆盆栽內(nèi)，具體盆栽裝置見圖1。

圖1 盆栽裝置示意

1.3 樣品采集與處理

土壤基本理化性質(zhì)測(cè)定方法如下：pH值采用玻璃電極法（土水比為1∶2.5）測(cè)定，全氮采用凱氏定氮法測(cè)定，有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定，速效磷采用氟化銨浸提法測(cè)定，速效鉀采用乙酸銨浸提法測(cè)定，陽離子交換量采用乙酸銨法測(cè)定。DTPA提取態(tài)鎘采用DTPA（二乙三銨五乙酸）浸提法，全量鎘采用微波消解，石墨爐原子吸收測(cè)定。

對(duì)取回實(shí)驗(yàn)室的水樣過孔徑0.45 μm濾膜后直接用原子吸收光譜儀石墨爐法測(cè)定水溶性Cd。收獲后將水稻各部位（根、莖稈、葉片和谷物）分別裝到尼龍網(wǎng)袋內(nèi)，置于烘箱內(nèi)70 ℃烘干過夜后對(duì)水稻不同部位單獨(dú)稱質(zhì)量。測(cè)產(chǎn)結(jié)束后，對(duì)收集的水稻各部位（根、莖稈和葉片）分別進(jìn)行粉碎，谷物采用礱谷機(jī)進(jìn)行脫粒，保留谷殼并粉碎。植株樣品采用HNO3-H2O2微波消解，待測(cè)液中含Cd量用原子吸收光譜儀石墨爐法測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

水稻各部位（根、莖稈、葉片和谷物）鎘的質(zhì)量計(jì)算式為：

m=C×m， （1）

式中：m為水稻某一部位的鎘質(zhì)量（mg/pot）；C為水稻該部位的鎘濃度（mg/kg）；m為水稻該部位的質(zhì)量（kg/pot）。

氧化還原電位最終結(jié)果根據(jù)測(cè)量溫度值手動(dòng)查表加上參比電位后計(jì)算獲得，氧化還原電位通過求平均值歸一到每2天1個(gè)數(shù)值。試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用Microsoft Excel 2010處理，用SPSS 21.0進(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)和單因素方差分析，采用Sigmaplot 14.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤氧化還原電位的分析

本試驗(yàn)供試水稻土青紫泥田為還原性土壤，總體偏低。由圖2可見，初始較低，這是由于移栽初期對(duì)水稻作淹水處理可以增加水稻有效分蘗，土壤還原性增強(qiáng)，該時(shí)期CK（長期濕潤灌溉）的處于整個(gè)生育期最低值，為59.57 mV；在拔節(jié)期前1周（移栽后20 d），除T1處理（長期淹水）外其余處理的均迅速增加且處于較高的值，這是因?yàn)樵谒痉痔Y后期為控制無效分蘗對(duì)除T1處理外的其余處理均進(jìn)行曬田處理，土壤氧化性增強(qiáng)。

圖2 不同生育期水分管理土壤氧化還原電位

總體上看，淹水處理的明顯低于濕潤灌溉處理。拔節(jié)期（移栽后27 d）開始后，CK的均相對(duì)較高，平均值為192.88 mV，最高至207.60 mV，而T1處理則相對(duì)較低，平均值為9.37 mV，最低至-159.78 mV，T2處理的平均值為57.09 mV，最低至-76.47 mV；各處理的均在對(duì)應(yīng)時(shí)期開始淹水后迅速下降，T3處理在孕穗期（移栽后46 d）前平均值為150.20 mV，開始淹水后平均值為18.28 mV，最低至-69.92 mV，T4處理在抽穗揚(yáng)花期（移栽后59 d）前平均值為115.60 mV，開始淹水后平均值為46.26 mV，最低至-84.90 mV，T5處理在灌漿乳熟期（移栽后63 d）前平均值為184.69 mV，開始淹水后平均值為88.61 mV，最低至57.09 mV；T6處理在蠟熟期（移栽后73 d）前平均值為154.38 mV，開始淹水后迅速降低，最低至139.22 mV。

2.2 根際土壤溶液中水溶性Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分析

土壤溶液中水溶性Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)是評(píng)估土壤中Cd生物有效性的有效指標(biāo)。由圖3可見，T1和T2處理的平均水溶性Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.04和0.02 μg/L，CK的平均水溶性Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.29 μg/L，T1、T2處理的水溶性Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯低于CK，淹水處理的水溶性Cd明顯低于濕潤灌溉處理。不同淹水處理的水溶性Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)均在對(duì)應(yīng)時(shí)期進(jìn)行淹水后下降。其中，T3處理在孕穗期（移栽后46 d）開始淹水前平均水溶性Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.12 μg/L，淹水后平均水溶性Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03 μg/L，下降75.0%；T4處理在抽穗揚(yáng)花期（移栽后59 d）開始淹水前平均水溶性Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.09 μg/L，淹水后平均水溶性Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.04 μg/L，下降55.5%；T5處理在灌漿乳熟期（移栽后63 d）開始淹水前平均水溶性Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15 μg/L，淹水后平均水溶性Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05 μg/L，下降66.7%；T6處理在蠟熟期（移栽后73 d）開始淹水前平均水溶性Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.09 μg/L，淹水后平均水溶性Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05 μg/L，下降44.4%。

圖3 土壤水溶性Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化

注 不同小寫字母表示不同處理差異顯著（p<0.05）。下同。

2.3 稻米含鎘量及水稻產(chǎn)量的分析

不同水分管理模式下水稻糙米含Cd量及水稻產(chǎn)量如圖4所示。不同水分管理模式下水稻糙米含Cd量均未超過食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限量值0.2 mg/kg[18]，這可能與供試水稻土為鎘輕度污染土壤、供試水稻品種為稻米鎘低積累品種有關(guān)。其中，與CK相比，淹水處理最高降低稻米含Cd量76.9%，CK糙米含鎘量顯著高于其他處理，而其余處理之間差異不顯著。

各處理水稻產(chǎn)量從高到低的順序?yàn)椋篊K處理>T5處理>T4處理>T6處理>T3處理>T2處理>T1處理，變化范圍在90.1~111.5 g/pot，CK處理水稻產(chǎn)量顯著高于其他處理，淹水時(shí)間越長水稻產(chǎn)量越低，最高減產(chǎn)19.2%。其中，T4、T5處理的水稻產(chǎn)量顯著高于T1、T2、T3和T6處理。由此推斷T4處理和T5處理可能是適合浙東地區(qū)鎘輕度污染青紫泥田的最佳水分管理方式，但抽穗揚(yáng)花期持續(xù)時(shí)間短，與灌漿乳熟期的時(shí)間接近甚至重合，為了便于農(nóng)民實(shí)際生產(chǎn)中準(zhǔn)確判斷水稻生育期，維持較高水稻產(chǎn)量，并同時(shí)保證水稻糙米鎘低積累，實(shí)現(xiàn)鎘輕度污染稻田安全生產(chǎn)的推薦田間水分管理方式為從抽穗揚(yáng)花期開始淹水至收獲前1周。

2.4 水稻各部位鎘分配的分析

由表1可見，不同水稻器官含鎘量表現(xiàn)為：根>莖稈>葉片>谷殼>糙米。與CK相比，不同時(shí)期淹水處理水稻糙米、谷殼、根、莖稈和葉片等各部位的含鎘量均有顯著降低，但不同生育期淹水處理（T1—T6）之間水稻各部位含鎘量卻并沒有顯著差異。由圖5可見，淹水處理的水稻鎘質(zhì)量明顯低于CK，在本試驗(yàn)水稻稻米的含鎘量不超標(biāo)的情況下，通過進(jìn)一步分析水稻各個(gè)器官Cd質(zhì)量分配，發(fā)現(xiàn)不同生育期淹水處理對(duì)水稻不同器官Cd積累有顯著影響。不同水稻器官累積鎘的質(zhì)量表現(xiàn)為：根>莖稈>谷物>葉片。與CK相比，T1—T6處理的根系鎘質(zhì)量占比分別高出13.4%、10.7%、6.8%、14.9%、6.2%和15.2%，這可能是因?yàn)檠退幚淼乃苄訡d明顯低于CK；CK中莖稈的鎘質(zhì)量占比高達(dá)42.1%，T1—T6處理莖稈鎘質(zhì)量占比較CK分別低12.9%、8.0%、5.7%、11.9%、8.5%和13.0%，由此可見，淹水明顯抑制鎘從水稻根系向地上部分轉(zhuǎn)移并且可以降低水稻莖稈中鎘的積累。不同處理水稻葉片鎘質(zhì)量占比變化范圍為3.7%~8.7%，不同處理谷物鎘質(zhì)量占比變化范圍為8.6%~12.9%。與CK相比，T5處理葉片鎘質(zhì)量占比增加5.0%，T3處理谷物鎘質(zhì)量占比降低4.3%，這說明淹水可以抑制鎘從水稻葉片向谷物轉(zhuǎn)移。

注 不同小寫字母表示不同處理差異顯著（p<0.05）。

與CK相比，T6處理水稻莖葉的鎘質(zhì)量占比下降11.0%，這說明在成熟期淹水減少水稻莖葉鎘積累。與T6處理相比，T5處理根系鎘質(zhì)量占比下降9.0%，這意味著灌漿乳熟期淹水可以降低根系鎘吸收?？傮w上看，T2、T3、T4和T5處理水稻累積總鎘質(zhì)量沒有明顯差異，這表明從水稻拔節(jié)期到灌漿乳熟期，淹水時(shí)間長短對(duì)水稻植株鎘積累沒有明顯差異，但T4處理水稻根系鎘質(zhì)量占比為46.5%，高于T2、T3和T5處理，表明抽穗揚(yáng)花期開始持續(xù)淹水可以抑制鎘從水稻地下部分向水稻地上部分轉(zhuǎn)移；與T2處理相比，T1處理水稻植株積累鎘質(zhì)量下降27.9%，這說明分蘗期保持淹水可以降低水稻鎘積累。

表1 不同水分管理模式下水稻不同器官的含Cd量

注 不同小寫字母表示同一列不同處理間差異顯著（<0.05），下同。

3 討論

3.1 氧化還原電位Eh與土壤溶液水溶性Cd的關(guān)系

本研究中，淹水后土壤的氧化還原電位顯著降低，淹水時(shí)間越長的處理氧化還原電位越低，土壤還原性越強(qiáng)，這與Wang等[19]研究結(jié)果保持一致，這可能是因?yàn)橥寥浪诛柡突蛴兴畬訒r(shí)，鐵錳氧化物等在還原過程中消耗大量電子，土壤的顯著下降[20-21]。本研究中淹水處理能夠明顯減少根際土壤溶液中水溶性Cd，這可能是由于土壤在淹水條件下處于較強(qiáng)的還原狀態(tài)，SO42-被還原為S2-[22]，Cd2+與S2-形成CdS沉淀，或者是淹水后的稀釋效果。其中CK的水溶性Cd在孕穗期后大幅下降, 這可能與該時(shí)期CK氧化還原電位下降有關(guān)，經(jīng)過相關(guān)分析得到Pearson相關(guān)系數(shù)為0.560（<0.01），二者極顯著正相關(guān)，這與前人研究結(jié)論一致[23-24]。研究還發(fā)現(xiàn)整個(gè)生育期中同一處理土壤溶液水溶性Cd變化較大，Honma等[14]研究同樣發(fā)現(xiàn)，在水稻中期排水后，溶解性Cd濃度顯著增加，再灌溉后迅速降低，因此水溶性Cd的變化直接受土壤淹水情況的影響。

3.2 水分管理與水稻鎘積累和水稻產(chǎn)量的關(guān)系

本研究中，不同生育期淹水對(duì)水稻不同器官鎘積累的影響不同。成熟期淹水主要降低水稻莖葉向稻米中轉(zhuǎn)運(yùn)Cd，這與史磊等[8]研究結(jié)果一致。在水稻總鎘質(zhì)量相近的情況下，T4處理水稻根系鎘質(zhì)量占比低于其他處理，抑制鎘從水稻地下部分向地上部分轉(zhuǎn)移，這與陳光輝等[25]研究發(fā)現(xiàn)抽穗揚(yáng)花期土壤脫水的糙米含鎘量最高，與其他時(shí)期脫水處理相比對(duì)稻米含鎘量影響最大的結(jié)果一致。T2處理水稻植株積累鎘質(zhì)量高于T1處理，分蘗期淹水可以降低水稻鎘積累，這與劉昭兵等[10]研究發(fā)現(xiàn)水稻在分蘗期曬田比長期淹水積累更多Cd的結(jié)論相似。

淹水時(shí)間較長的處理水稻產(chǎn)量較低，其中T1處理的水稻產(chǎn)量最低，這可能是因?yàn)槿谘退幚硗寥赖耐笟庑圆钤斐伤靖蛋l(fā)育較差[26]，水稻養(yǎng)分吸收率、水分利用效率低以及水稻無效分蘗偏多[27]，而間歇灌溉可以減少水稻無效分蘗，增加有效穗數(shù)[28]。T6處理水稻產(chǎn)量顯著低于T4和T5處理，這可能是因?yàn)門6處理在水稻抽穗揚(yáng)花期和灌漿乳熟期濕潤灌溉，造成水稻相對(duì)缺水，影響水稻籽粒灌漿，造成水稻結(jié)實(shí)率和千粒重降低，這與已有研究發(fā)現(xiàn)抽穗揚(yáng)花期水分脅迫產(chǎn)量下降最嚴(yán)重[25, 29]結(jié)論一致。雖然現(xiàn)在有部分研究持相反觀點(diǎn)，劉昭兵等[10]、高敏等[30]認(rèn)為與濕潤灌溉以及旱作處理相比，稻田長期淹水會(huì)增加水稻產(chǎn)量。但總而言之，適當(dāng)?shù)耐笟夂脱退欣谒井a(chǎn)量的形成[31]，長期淹水導(dǎo)致水稻無效分蘗，有效穗減少和產(chǎn)量下降是較為普遍的現(xiàn)象[32]。

4 結(jié)論

1）水稻土氧化還原電位與根際土壤溶液中水溶性Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈極顯著正相關(guān)。土壤淹水后氧化還原電位迅速下降，還原性增強(qiáng)。淹水后根際土壤溶液中水溶性Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)也迅速下降，T3處理淹水后最多下降75.0%。

2）淹水抑制鎘從水稻根系向地上部分轉(zhuǎn)移，降低水稻莖稈的鎘積累，抑制鎘從水稻葉片向谷物部分的轉(zhuǎn)移來降低稻米鎘積累。

3）淹水處理顯著降低糙米含鎘量，與CK相比，T1處理降低稻米含鎘量76.9%，但長時(shí)間淹水造成水稻產(chǎn)量下降，最高減產(chǎn)19.2%。綜合考慮以上因素以及稻田管理實(shí)際，從抽穗揚(yáng)花期開始淹水至收獲前一周淹水有助于實(shí)現(xiàn)水稻降鎘穩(wěn)產(chǎn)的雙贏。

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Improving Water Management to Reduce Cd Accumulation in Rice in Lightly Cd-Polluted Paddy Soils

GE Ying1,2, MA Jinchuan2, ZOU Ping2, PAN Jianqing3, CHEN Lifen4, SHI Qiwei5, MA Junwei2*

(1. School of Environmental and Resource Sciences, Zhejiang A＆F University, Hangzhou 311300, China; 2. Institute of Environment, Resource, Soil and Fertilizer, Zhejiang Academy of Agricultural Sciences, Hangzhou 310021, China; 3. Agriculture and Rural Affairs Bureau of Changxing County, Changxing 313100, China; 4. Agriculture and Rural Affairs Bureau, Liandu District, Lishui City,Lishui 323000, China; 5. Agricultural Technology Extension Center of Keqiao District, Shaoxing City, Shaoxing 312030, China)

【】Soil pollution by cadmium has become an increasing concern not only because of its toxicity after entering the food chain but also due to its detrimental impact on soil quality and developing sustainable agriculture. As all biogeochemical processes controlling Cd bioavailability in soil are modulated by soil moisture, we conjecture that improving water management should be able to immobilize Cd and reduce its root uptake and translocation in crop.【】The purpose of this paper is to experimentally explore the appropriate water management to reduce Cd uptake and translocation in rice grown in lightly Cd-polluted paddy soils.【】The experiment was conducted in pots and consisted of seven treatments: Keeping the soil moist at a predefined level during the whole growth season (CK); keeping the pot flooded during the whole growth season (T1), flooding from the stem elongation stage onwards (T2), flooding from the panicle initiation to booting stage onwards (T3), flooding from the heading and flowering stage onwards (T4), flooding from milk grain stage onwards (T5), and flooding from dough grain stage onwards (T6). All treatments were drained one week before harvest. In each treatment, we measured Cd accumulation in different plant tissues, as well as the changes in redox potential and soluble Cd in the rhizosphere.【】Both redox potential and soluble Cd in soil were positively correlated at significant level (<0.01). Both redox potential and soluble Cd in soil dropped steadily after flooding, making the soil more reductive. The longer the flooding lasted, the lower the redox potential was. The redox potential in T1 could drop as low as -159.78 mV, and T3 reduced the soluble Cd in the rhizosphere by 75.0%. The cadmium content in the rice grains did not exceed the criterion set in the national food safety standard (GB2762—2017) regardless of the treatments. Compared with CK, T1 reduced Cd content in the rice by 76.9% while in the meantime increasing rice yield by 19.2%. T6 impeded Cd translocation from the roots to the shoots, by increasing the Cd fraction in the roots by 15.2% and reducing the Cd accumulation in the stems by 13.0%. On average, flooding impeded Cd translocation from leaves to grains. Compared with CK, T5 increased the fraction of Cd in leaves by 5.0% while T3 reduced the fraction of Cd in grains by 4.3%.【】Considering the balance of yield, Cd content in grain and ease of implementation, the best water management for the lightly Cd-contaminated paddy soils was to flood the fields from the heading and flowering stage until one week prior to the harvest.

water management; rice growth stage; cadmium; redox potential; rhizosphere; soluble Cd

S511；X53

A

10.13522/j.cnki.ggps. 2020471

1672 - 3317（2021）03 - 0079 - 08

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2020-09-20

浙江省重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目（2018C03047，2015C03020）；浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（LY17D010010）；湖州市公益性應(yīng)用研究項(xiàng)目（2017GY16）

葛穎（1995-），女，浙江紹興人。碩士研究生，主要從事農(nóng)田重金屬污染安全利用研究。E-mail：635456225@qq.com

馬軍偉（1972-），男。研究員，主要從事施肥與環(huán)境效應(yīng)研究。E-mail：majuwe111@163.com

責(zé)任編輯:韓 洋