2. 湖南农业大学资源环境学院, 湖南 长沙 410128
2. College of Resources and Environment, Hunan Agriculture University, Changsha 410128, China
2014年《全国土壤污染状况调查公报》显示, 我国土壤超标率为16.1%, 其中镉(Cd)的点位超标率为7.0%, 位居无机污染物之首, 且南方污染程度重于北方, 耕地土壤环境质量堪忧[1]。Cd是一种重要的环境污染元素, 在联合国环境规划署列出的12种危险化学物质中占据首位。Cd的生物毒性极强[2-3], 食物链传递是其危害人类健康的主要途径之一。中国是世界上的水稻生产和消费大国, 近年来, 由于南方稻米重金属污染事件频发, 粮食质量安全已受到国家和社会各界的高度关注。据统计, 我国每年因重金属污染导致的粮食减产超过1×107 t, 被重金属污染的粮食多达1.2×107 t, 合计经济损失至少200亿元[4]。当前环境污染与粮食安全问题凸显, 《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020)》早已将“加强农村环境保护”“综合治污与废弃物循环利用”“食品安全”分别列入了农业、环境和公共安全领域的优先主题。
针对于Cd污染土壤的修复利用, 前人已做过大量研究工作[5-12], 目前较为成熟可行的方法主要包括化学钝化修复、富集植物修复以及农艺调控等。化学钝化修复虽然见效快, 但其修复效果的持久性有待考究, 且存在二次污染风险。植物修复也存在一定局限性, 如耗时较长、修复效率偏低等。与其他措施相比, 农艺调控因简单易行而较为切合实际, 其中水分调控是最有效的方法之一, 已得到诸多学者的证实和认同。淹水能显著降低土壤中Cd的生物有效性, 从而减少水稻的Cd累积[13-15]。然而, 除了全生育期淹水外, 不同生育期淹水以及淹水时间对水稻吸收累积Cd的影响如何, 目前尚缺少这方面的研究报道。笔者主要针对水稻分蘖盛期和灌浆期, 采用盆栽方法研究不同淹水时间对水稻产量及吸收累积Cd的影响, 探寻降低稻米Cd累积的最佳淹水调控时间, 为利用农艺调控措施控制稻米Cd累积提供理论依据和技术支持。
1 材料与方法 1.1 试验设计采用盆栽试验方法, 在湖南省土壤肥料研究所栽培网室内进行。供试水稻品种为泰优390, 6月上旬播种, 7月上旬移栽, 每盆3蔸, 每蔸2株, 10月中旬收割。供试土壤为采自湖南省长沙县的清洁水稻土(第四纪红壤发育的红黄泥)。土壤采集后经风干、磨细, 过5 mm孔径筛后待用, 土壤类型为红黄泥, 其他基本理化性质及Cd含量如下:pH值为5.20, w(有机质)为27.6 g·kg-1, w(碱解氮)为115.7 mg·kg-1, w(有效磷)为3.8 mg·kg-1, w(有效钾)为92.0 mg·kg-1, w(全镉)为0.11 mg·kg-1。盆栽器皿为陶土盆, 每盆加入经过前处理的土壤15 kg, 添加硝酸镉调节土壤全镉含量至3.0 mg·kg-1, 充分拌匀, 干湿交替放置3个月, 所有处理重复5次。水稻收获时对稻谷和植株进行取样, 稻谷样品晒干后称重, 最后去糙粉碎; 植株样品洗净泥土后烘干粉碎。
1.2 试验设置共设置11种水分管理模式:(1)常规灌溉(CI), 在水稻分蘖盛期和乳熟期各晒田1次, 其他时间淹水; (2)全生育期淹水(WF), 在水稻生长期间始终保持淹水状态; (3)全生育期湿润灌溉(WI), 在水稻生长期间始终保持土面处于无明水的湿润状态; (4)分蘖盛期开始淹水1周(T1), 其他时间湿润灌溉; (5)分蘖盛期开始淹水2周(T2), 其他时间湿润灌溉; (6)分蘖盛期开始淹水3周(T3), 其他时间湿润灌溉; (7)分蘖盛期开始淹水4周(T4), 其他时间湿润灌溉; (8)灌浆开始淹水1周(F1), 其他时间湿润灌溉; (9)灌浆开始淹水2周(F2), 其他时间湿润灌溉; (10)灌浆开始淹水3周(F3), 其他时间湿润灌溉; (11)灌浆开始淹水4周(F4), 其他时间湿润灌溉。基肥在水稻移栽前一次性施入, 分别为0.32 g·kg-1尿素、0.14 g·kg-1磷酸二氢钾和0.25 g·kg-1氯化钾。水稻移栽返青后追施1次尿素, 用量为0.07 g·kg-1。除水分管理外, 其他管理措施与田间管理措施相同。水稻生长期间采用自来水灌溉(pH值为6.87, Cd未检出)。
1.3 测定方法基础土壤全量Cd采用HNO3-H2O2-HF微波消解, 土壤基本理化性质采用常规方法进行测定[16], 灌溉水样采用GB 7475—1987《水质铜、锌、铅、镉的测定原子吸收分光光度法》中的螯合萃取法进行测定。糙米和植株样品均以HNO3-H2O2进行微波消解, 并带标准物质(大米粉和灌木枝叶)进行质量控制。分析所用器皿均以φ=10%的稀硝酸溶液浸泡过夜。所有样品Cd含量使用ICP-MS进行测定(iCap-Q, 美国Thermo公司)。
1.4 数据处理数据均使用5次重复试验结果的平均值, 采用Excel 2003和SPSS 13.0软件进行统计和方差分析(LSD法)。
转运系数为糙米Cd含量/茎叶Cd含量; 富集系数为水稻不同器官Cd含量/土壤Cd含量。
2 结果与讨论 2.1 淹水时间对水稻产量的影响图 1为不同淹水时间条件下的水稻产量。由图 1可知, 不同淹水时间条件下的水稻产量差异明显, 其中CI的水稻产量最高, WI的水稻产量最低。与CI相比, 其他不同淹水时间处理均出现一定程度减产, 其中WI、T1、T2、T3、T4这5个处理的水稻产量显著下降, 降幅分别为23.7%、16.0%、15.5%、20.2%和18.6%。水稻在不同生育阶段对水分的敏感程度不同, 因而需水量差异较大。有研究表明, 抽穗扬花期是水稻缺水最为敏感的时期, 其次为拔节抽穗期, 最后为分蘖期和乳熟期[17]。与CI处理相比, WI处理的水稻明显减产, 这与水稻在整个生育期的需水规律有关, 因为湿润灌溉处理的土壤含水率w在40%左右, 难以满足水稻在拔节抽穗期和抽穗扬花期的水分需求。T1、T2、T3和T4处理亦出现明显减产, 这与抽穗扬花期缺水密切相关, 缺水容易使花粉和雌蕊柱头枯萎, 或者抽穗困难, 并极易造成根系、叶片早衰, 最终影响产量。
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图 1 不同淹水条件下的水稻产量 Figure 1 Rice yield relative to waterlogging condition CI表示常规灌溉处理; WF表示全生育期淹水; WI表示全生育期湿润灌溉; T1~T4分别表示分蘖盛期开始淹水1、2、3和4周; F1~F4分别表示灌浆开始淹水1、2、3和4周, 其他时间湿润灌溉。直方柱上方英文小写字母不同表示处理间水稻产量差异显著(P＜0.05)。 |
不同处理的水稻糙米Cd含量见图 2。由图 2可以看出, 不同淹水时间处理的水稻糙米Cd含量存在较大差异, 11个处理中, 以WI处理糙米Cd含量最高, WF处理糙米Cd含量最低, 各处理糙米Cd含量顺序为WI＞F1＞F2＞T1＞CI＞F3＞T2＞F4＞T3＞T4＞WF, 其中WF处理糙米Cd含量为0.16 mg·kg-1, 符合GB 2762—2017《食品安全国家标准食品中污染物限量》标准。与CI处理对比发现, WF、T2、T3、T4和F4这5个处理的糙米Cd含量显著下降(P＜0.05), 降幅分别为91.8%、29.1%、63.3%、75.5%和62.2%。常规灌溉处理除其他时间淹水外, 在水稻分蘖盛期和乳熟期各进行1次晒田, 晒田对土壤Cd活性产生极大影响, 进而影响水稻对Cd的吸收累积。全生育期淹水、分蘖盛期开始淹水2~4周和灌浆开始淹水4周处理的糙米Cd含量显著低于常规灌溉处理(P＜0.05), 证实这2个关键时期开展水分调控对水稻Cd累积有重要影响。
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图 2 不同淹水条件下的水稻糙米Cd含量 Figure 2 Cd content in brown rice relative to waterlogging condition CI表示常规灌溉处理; WF表示全生育期淹水; WI表示全生育期湿润灌溉; T1~T4分别表示分蘖盛期开始淹水1、2、3和4周; F1~F4分别表示灌浆开始淹水1、2、3和4周, 其他时间湿润灌溉。直方柱上方英文小写字母不同表示处理间糙米Cd含量差异显著(P＜0.05)。 |
与WI处理相比, 水稻在整个生育期的淹水时间对糙米Cd累积的影响极大, 所有淹水处理的糙米Cd含量均显著下降(P＜0.05), 且随着淹水时间的延长, 糙米Cd含量呈降低趋势, 其中以WF处理的糙米Cd含量最低, 仅为WI处理的3.4%。将分蘖盛期开始淹水与灌浆开始淹水处理进行对比, 在相同淹水时间条件下, 除淹水4周处理的差异不明显外, 淹水1~3周的水稻糙米Cd含量均存在显著差异(P＜0.05), T1~T4处理的的糙米Cd含量较F1~F4处理分别降低27.1%(P＜0.05)、46.6%(P＜0.05)、56.0%(P＜0.05)和35.2%, 平均降幅为41.2%。从糙米Cd含量降幅来看, 分蘖盛期开始淹水对糙米Cd累积的抑制效果明显优于灌浆开始淹水处理。
不同处理的水稻茎叶Cd含量见图 3。水稻茎叶Cd含量的变化趋势与糙米Cd含量基本相似, 以WI处理最高, WF处理最低。与CI处理相比, WF、T2、T3、T4、F3和F4这6个处理的水稻茎叶Cd含量分别降低90.4%、48.8%、66.3%、73.6%、38.8%和50.7%, 降幅均达到显著水平(P＜0.05), 而WI处理的水稻茎叶Cd含量则高出CI处理80.9%(P＜0.05)。与WI处理相比, 所有淹水处理的水稻茎叶Cd含量均显著下降, 且随着淹水时间的延长, 水稻茎叶Cd含量显著降低, 其中WF处理的水稻茎叶Cd含量仅为WI处理的5.3%。将分蘖盛期开始淹水(T1~T4)与灌浆开始淹水(F1~F4)处理进行对比, 在淹水时间相同条件下, T1~T4处理的水稻茎叶Cd含量低于F1~F4处理, 降幅分别为11.8%、41.1%(P＜0.05)、44.9%(P＜0.05)和46.4%(P＜0.05), 平均为36.0%。
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图 3 不同淹水条件下的水稻茎叶Cd含量 Figure 3 Cd content in shoots of rice relative to waterlogging condition CI表示常规灌溉处理; WF表示全生育期淹水; WI表示全生育期湿润灌溉; T1~T4分别表示分蘖盛期开始淹水1、2、3和4周; F1~F4分别表示灌浆开始淹水1、2、3和4周, 其他时间湿润灌溉。直方柱上方英文小写字母不同表示处理间茎叶Cd含量差异显著(P＜0.05)。 |
淹水导致土壤Cd活性降低是影响水稻Cd累积的一个重要原因[18]。淹水影响土壤氧化还原状况, 进而影响Cd的形态转化, 这种变化与还原条件下Cd的硫化物形成以及Fe等氧化物对Cd的不同吸附特性有关[19]。淹水还原条件下, 土壤中的SO42-还原为S2-, 有机物不能完全分解而产生硫化氢, Cd在土壤中具有很强的亲硫性质, 可与S2-共沉淀, 从而降低Cd的活性[20]。笔者前期的研究结果也证实, 淹水条件下土壤中S是影响Cd活性的一个重要因子[21]。除土壤因素外, Cd在水稻各器官中的再分配也影响稻米的Cd累积。有研究认为, 调控Cd在水稻茎叶和籽粒中积累的机制包括3个主要过程:根系的吸收，木质部运输，通过韧皮部向籽粒中转运[22]。而糙米中的Cd含量受水稻植株吸收Cd的总量和茎叶Cd向籽粒转移效率的双重影响。已有研究证实, 水稻籽粒Cd含量与Cd从茎叶向籽粒的转运能力存在显著正相关[23]。RODDA等[24]的研究表明, 糙米中60%的Cd含量是由剑叶、茎秆等在水稻开花灌浆前累积的Cd重新活化, 通过韧皮部输入籽粒。TANAKA等[25]研究发现, 90%的Cd通过韧皮部输送实现水稻籽粒的积累。文志琦等[26]的研究证实, 水稻根系和叶片在灌浆期对穗轴的Cd输出量基本接近, 认为根系吸收的Cd一部分通过穗轴直接进入籽粒, 另一部分转运到叶片储存起来, 在灌浆期通过穗轴进入籽粒。由此可见, 水稻茎叶在营养生长阶段累积的Cd在后期的转运输出中对籽粒Cd累积的贡献极大。对水稻糙米Cd含量与茎叶Cd含量进行的回归分析表明, 两者呈显著线性正相关(R2=0.939 4, P=0.000 1), 说明茎叶中Cd的转运输出对糙米的Cd累积影响较大。
对分蘖盛期和灌浆期淹水的不同处理进行比较, 水稻在不同生长阶段淹水的效果存在明显差异, 分蘖盛期开始淹水对糙米Cd累积的抑制效果优于灌浆期开始淹水处理。分析认为, 分蘖盛期开始淹水抑制了水稻在营养生长阶段植株对Cd的吸收累积, 由于植株Cd累积量的减少导致糙米Cd含量的下降。灌浆期开始淹水则抑制了水稻生殖生长阶段茎叶中Cd向籽粒的转运, 这从其茎叶—糙米Cd转运系数的变化可以得到证实(图 4), 因为水稻在营养生长期累积的Cd已达到较高水平, 灌浆期茎叶对Cd转运效率的降低最终导致糙米Cd含量下降。相同淹水时间条件下, 分蘖盛期开始淹水的糙米Cd含量均低于灌浆期开始淹水处理, 由此推断造成这种差异的原因是淹水对水稻营养生长期Cd累积的影响大于生殖生长期对Cd转运的影响。这与王凯荣等[27]研究认为水稻吸收Cd速率表现为幼穗分化至抽穗期(中期)最高, 其次为抽穗之后(后期)的结论基本相符。
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图 4 不同淹水条件下水稻茎叶—糙米的Cd转运系数 Figure 4 Cd translocation factor from shoots to brown rice relative to waterlogging condition CI表示常规灌溉处理; WF表示全生育期淹水; WI表示全生育期湿润灌溉; T1~T4分别表示分蘖盛期开始淹水1、2、3和4周; F1~F4分别表示灌浆开始淹水1、2、3和4周, 其他时间湿润灌溉。直方柱上方英文小写字母不同表示处理间Cd转运系数差异显著(P＜0.05)。 |
稻米中的Cd含量除了与种植土壤的Cd污染程度密切相关外, 也在很大程度上取决于水稻自身对Cd的转运效率。水稻茎叶—糙米的Cd转运系数表征的是重金属Cd由茎叶转运至糙米的难易程度, 不仅与水稻基因型有关, 也受外界条件影响。图 4为不同淹水处理的水稻Cd转运系数。F1处理的水稻Cd转运效率最高, 而F4处理的效率最低。与CI处理相比, F1和F2处理的水稻Cd转运效率显著提高(P＜0.05), 分别升高56.1%和52.4%。WF、T4和F4处理的水稻Cd转运效率较CI处理略有下降, 但差异未达显著水平。比较T1~T4与F1~F4这2组处理发现, 随着淹水时间的延长Cd转运效率下降, 说明淹水处理能在一定程度上抑制Cd由茎叶向糙米的转运, 这种抑制效果与时间呈正相关。
2.4 淹水时间对水稻富集Cd的影响图 5~6分别为不同淹水处理水稻糙米和茎叶对Cd的富集系数。
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图 5 不同淹水条件下水稻糙米对Cd的富集系数 Figure 5 Cd enrichment factor of brown rice relative to waterlogging condition CI表示常规灌溉处理; WF表示全生育期淹水; WI表示全生育期湿润灌溉; T1~T4分别表示分蘖盛期开始淹水1、2、3和4周; F1~F4分别表示灌浆开始淹水1、2、3和4周, 其他时间湿润灌溉。直方柱上方英文小写字母不同表示处理间糙米Cd富集系数差异显著(P＜0.05)。 |
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图 6 不同淹水条件下水稻茎叶对Cd的富集系数 Figure 6 Cd enrichment factor of shoots of rice relative to waterlogging condition CI表示常规灌溉处理; WF表示全生育期淹水; WI表示全生育期湿润灌溉; T1~T4分别表示分蘖盛期开始淹水1、2、3和4周; F1~F4分别表示灌浆开始淹水1、2、3和4周, 其他时间湿润灌溉。直方柱上方英文小写字母不同表示处理间茎叶Cd富集系数差异显著(P＜0.05)。 |
不同淹水条件下水稻茎叶和糙米对土壤中Cd的富集能力差异极大。WI处理的糙米Cd富集系数大于1, 达到富集水平, 而其他处理的糙米Cd富集系数均在1以下。从茎叶Cd的富集系数来看, 除WF和T4处理的茎叶Cd富集系数小于1外, 其他处理的茎叶Cd富集系数均大于1, 表明水稻茎叶对Cd的富集能力明显高于糙米。通过比较T1~T4与F1~F4这2组处理, 发现淹水时间显著影响水稻茎叶和糙米对土壤Cd的富集能力, 且随着淹水时间的延长, 水稻对Cd的富集能力下降。11个处理中以WI处理的Cd富集系数最高, WF处理最低, 前者糙米和茎叶Cd富集系数分别是后者的29.0和18.8倍。
3 结论(1) 水稻对水分需求的敏感性因不同生育期而异。所有处理中, 常规灌溉处理的产量最高, 说明适时晒田有利于保障水稻产量, 分蘖盛期淹水1~4周处理的减产明显, 说明灌浆期缺水对水稻产量的影响大于分蘖期缺水。
(2) 在水稻整个生育期内, 淹水时间显著影响水稻对Cd的吸收累积。淹水时间越长水稻茎叶和糙米中的Cd含量越低, 而这种影响也因水稻生育期而异, 分蘖盛期开始淹水处理对水稻Cd累积的抑制效果明显优于灌浆开始淹水处理。
(3) 水稻茎叶—糙米的Cd转运系数代表Cd由茎叶转运至糙米的难易程度, 不同淹水时间处理的水稻Cd转运效率随淹水时间的延长而下降, 表明淹水能在一定程度上降低水稻对Cd的转运效率, 且这种抑制效果与淹水时间呈正相关。
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