不同灌溉方式对镉污染下水稻生长和产量的影响

张艳超， 任艳芳， 林 肖， 王艳玲， 何俊瑜

(贵州大学农学院，贵州贵阳 550025)

不同灌溉方式对镉污染下水稻生长和产量的影响

张艳超， 任艳芳， 林 肖， 王艳玲， 何俊瑜

(贵州大学农学院，贵州贵阳 550025)

通过盆栽试验，研究镉污染下淹水灌溉、干湿交替灌溉和湿润灌溉3种灌溉方式对水稻根系活力、生长、产量及产量因子的影响。结果表明：1 mg/kg镉处理对水稻生长和产量无明显影响，5 mg/kg的镉处理严重抑制水稻的根系活力、株高、分蘖数和产量；镉污染下，干湿交替灌溉处理相比淹水灌溉处理有效地提高了根系活力，促进前期分蘖，提高生物量、穗数、每穗粒数和结实率，导致产量明显增加；湿润灌溉处理与淹水灌当相比虽然提高低镉污染水稻全生育期和高镉污染水稻生育前期的根系活力，但茎蘖增长慢，茎蘖数减少，生物量、穗数、每穗粒数和结实率降低，最终导致产量降低。不同灌溉方式对穗长和千粒质量影响不大。综合研究结果可知，在镉污染土壤中，干湿交替灌溉处理有利于水稻的生长和产量的形成。

水稻；灌溉方式；镉污染；生长；产量

随着工业的快速发展以及人类活动的逐渐加强，镉(Cd)成为目前我国农田土壤重金属污染的主要污染物之一。由2014年的《全国土壤污染状况调查公报》可知，我国耕地土壤污染点位超标率为19.4%，以重金属污染为主，其中重金属Cd点位超标率达到7.0%，是重金属污染物中超标率最高的[1]。Cd在土壤中的有效性高、移动性大、毒性大且持久，极具隐蔽性，不仅会造成作物减产，而且很容易被作物吸收，从而进一步污染食物链，危及人类健康[2]。因此，如何降低重金属污染对农作物的危害及控制重金属进入农产品，已成为该研究领域的热点问题。

水稻(OryzasativaL.)是我国乃至全球最主要的粮食作物，我国的水稻种植面积占我国粮食总面积的28%，其耗水量占全国总用水量的54%左右，占农业总用水量的65%以上[3]。然而我国人均水资源量仅为世界平均水平的1/4，是世界上最缺水的国家之一[4]。传统的水稻淹灌方式耗水量大、水分利用率低，同时我国水资源分布极不均匀，调蓄能力不强，再加上工业和生活用水量不断增加，致使不少省份每年都有70万hm2左右的稻田供水不足。另外，传统的淹灌方式，易使稻田土壤黏重、水稻根系发育不良、植株生长受到抑制、病虫害加剧、植株倒伏早衰等，不仅影响水稻高产潜力的发挥，而且严重浪费了水资源[5-7]，因此，采用适宜的节水灌溉方式对于保证我国的粮食安全及农业的可持续发展具有重大意义。目前关于灌溉方式对水稻生长和产量影响的研究较多[8-15]，但由于试验条件、水稻品种、水分控制强度及时期的不同，结果也不尽一致。适当的节水灌溉能促进水稻根系生长，使水稻干物质的积累量增加，而旱种则抑制水稻根系的生长和地上部干物质积累[11-12]。邹君等研究表明，早稻淹灌的产量最高[13]。而聂晓等则认为湿润-间歇灌溉产量相比淹水灌溉增加了11.9%[14]。徐芬芬等研究表明，间歇灌溉无论是产量还是干物质积累量都高于淹水灌溉[15]。汪妮娜等研究表明，孕穗灌浆等关键生育期受旱会直接导致颖花退化，穗粒数、千粒质量和产量降低[16]。

土壤中重金属Cd对植株的影响与土壤环境条件密切相关。目前通过调节土壤pH值、有机肥施用及合理施用化肥来降低土壤重金属危害的报道较多[17-18]，而关于不同灌溉方式对土壤中Cd毒害的研究较少。因此，本研究探讨不同灌溉方式对镉污染下水稻生长状况(水稻株高、茎蘖生长动态、干物质积累)、根系活力、产量及其构成因子的影响，以期为重金属污染稻田水稻栽培中合理的水分管理提供一定的理论基础和实践依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试验地概况

试验于2015年在贵州大学农学院盆栽试验场进行。供试水稻品种为中优169，供试土壤取自贵州省贵阳市花溪区水稻土耕层土壤，肥力中上等，质地为黄壤，其基本理化性质：pH值7.12，碱解氮含量136.41 mg/kg，速效钾含量 213.57 mg/kg，速效磷含量57.13 mg/kg，有机质含量 21.51 g/kg，全镉含量0.324 mg/kg，有效镉含量0.116 mg/kg。

1.2 试验设计

试验设镉浓度和灌溉方式2个因子，其中镉浓度包括低镉(Cd1，1 mg/kg)和高镉(Cd5，5 mg/kg)2个水平；灌溉方式包括淹水灌溉(FI)、湿润灌溉(WI)和干湿交替灌溉(AI)3个水平，以未添加镉和常规淹水灌溉处理作对照(CK)，共计7个处理(Cd1FI、Cd1AI、Cd1WI、Cd5FI、Cd5AI、Cd5WI和CK)。

将田间采来的土壤经风干后过5 mm筛，混匀，装入 28 cm×35 cm的塑料桶中，每桶装土15 kg，通过添加 CdCl2·2.5H2O 模拟污染土壤，使土壤镉浓度为1、5 mg/kg，分别记为Cd1(低镉污染)、Cd5(高镉污染)。施入 CdCl2·2.5H2O 后与桶中土搅拌均匀，加入去离子水完全淹水平衡1个月后种植水稻。种植水稻之前，每桶土施用复合肥(N ∶P2O5∶K2O质量比15 ∶15 ∶15)30 g，每桶移栽水稻秧苗3穴，每穴2株。每个处理种植36桶。

在水稻返青后进行不同的水分管理：湿润灌溉，土壤水势-25 kPa；干湿交替灌溉，自浅水层自然落干至土壤水势 -15 kPa，然后灌水1～2 cm，再落干，如此循环[9]；常规淹水灌溉(土表长期保持1～3 cm水层，收获前1周断水)。用真空表式土壤负压计监测土壤水分，埋设深度为陶土头中心离土表10 cm，每天07：00—8：00、11：00—12：00、16：00—17：00记录负压计读数，当读数低于设计值时，用喷壶浇去离子水，使土壤水势维持在试验设计值范围内。尿素追肥和病虫害防治措施同当地水稻高产田。

1.3 测定项目及方法

株高的测定：水稻移栽后定点用卷尺测定株高，抽穗前测定茎基部到所有叶片向上伸展最高点的高度，抽穗后测茎基部至最高穗顶的高度。

分蘖动态的测定：通过定点记录每穴分蘖数，测定植株的分蘖动态。

地上部生物量的测定：分别于分蘖期、拔节孕穗期、抽穗期、扬花期、乳熟期和成熟期收获水稻植株，蒸馏水冲洗干净，分为根系和地上部(茎和叶)、籽粒，105 ℃杀青30 min，70 ℃下烘干至恒质量，测定各部位生物量。

根系活力的测定：采用氯化三苯基四氮唑(TTC)还原法测定根系活力。

产量的测定：成熟期考种，考查每袋有效穗数、穗长、每穗粒数、结实率和千粒质量。每个处理取6桶计产。

1.4 数据处理

所有数据均用SPSS 16.0软件进行统计分析，用LSD分析不同处理的差异显著性(α=0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉方式对镉污染下水稻株高的影响

从图1可以看出，随着生育进程推移，株高逐渐增加，各处理均表现为前期株高增长较快，生育中后期增长缓慢，生育后期基本不变。与对照相比，尽管较高浓度镉污染对水稻株高有一定程度的抑制，在成熟期高镉污染水稻平均株高较对照降低了 5.54%，但无明显差异。对于不同灌溉方式而言，在低镉污染下，干湿交替灌溉处理水稻生长前期株高增加迅速，从抽穗开花期开始变缓，到成熟期干湿交替灌溉相比淹水灌溉株高增加了2.85%，湿润灌溉相比淹水灌溉降低了 4.53%，但均无显著差异。高镉污染下，不同灌溉方式对株高的影响与低镉基本一致，到成熟期干湿交替灌溉相比淹水灌溉增高了4.39%，而湿润灌溉相比灌溉处理降低了7.24%，差异明显。结果表明，干湿交替灌溉增加了水稻的株高，而湿润灌溉则在一定程度上降低了水稻株高。

2.2 不同灌溉方式对镉污染下水稻分蘖的影响

分蘖是水稻扩大群体的主要方式，水稻茎蘖动态变化规律是由新生分蘖的产生和无效分蘖的消亡过程共同作用形成的[19]。从图2可以看出，不同处理下水稻茎蘖数随生育期的变化趋势总体相似，呈单峰型曲线。镉污染下水稻的最大茎蘖数有所降低，42 d时茎蘖数最大，此时高镉污染(Cd5FI)较对照降低了5.96%。不同灌溉方式对镉污染下水稻分蘖的影响也不同，在低镉污染下，干湿交替灌溉相比淹水灌溉在前期分蘖速度较快，分蘖峰值提前7 d左右，但峰值略低，后期茎蘖数降低缓慢，减少了无效分蘖数，分蘖成穗率提高了16.71%；与淹水灌溉相比，湿润灌溉分蘖速度慢，且分蘖峰值低，最大茎蘖数减少2.67个/穴，但有效成穗率提高了12.49%。在高镉污染下，干湿交替灌溉、湿润灌溉最大茎蘖数分别比淹水灌溉低1.66、3.0个/穴，其中湿润灌溉差异明显；有效成穗率分别提高了12.44%、7.19%。

2.3 不同灌溉方式对镉污染下水稻植株生物量的影响

干物质量可反映作物生长发育的好坏。由图3可以看出，随着水稻生长发育的推进，根系和地上部生物量逐渐增加。与对照相比，低镉污染下水稻根系和地上部的生物量未受明显影响；高镉污染下水稻各生育期根系、地上部的生物量明显降低，分别降低了9.20%～16.47%、13.04%～17.22%。不同灌溉方式对镉污染下水稻根系和地上部生物量的影响不同，低镉污染下，干湿交替灌溉可提高水稻各生育期的根系、地上部生物量，相比淹水灌溉分别提高了 4.06%～5.77%、6.73%～8.43%，而湿润灌溉处理相比淹水灌溉分别降低了4.57%～6.73%、6.74%～9.16%。低镉污染下，干湿交替灌溉和湿润灌溉除分蘖期外，其他时期水稻根系和地上部生物量与淹水灌溉差异明显。高镉污染下，与淹水灌溉相比，干湿交替灌溉水稻各生育期的根系、地上部生物量分别增加了3.88%～6.73%、7.51%～9.32%，而湿润灌溉分别降低了6.14%～8.35%、6.54%～11.16%。

2.4 不同灌溉方式对镉污染下水稻根系活力的影响

根系是植物吸收养分的主要器官，其活力的强弱直接影响植株的生长和产量水平。由图4可以看出，随着水稻的生长，水稻的根系活力呈现出先增高后降低的趋势，低浓度镉污染对水稻根系活力无明显抑制作用，高镉污染处理(Cd5FI)水稻根系活力明显低于对照。在低镉污染下，干湿交替灌溉、湿润灌溉水稻根系活力在各生育期均高于淹水灌溉，分别比淹水灌溉提高了19.79%～44.22%、 6.08%～13.20%，其中干湿交替灌溉与淹水灌溉差异明显。在高镉污染下，干湿交替灌溉可明显提高水稻根系活力，湿润灌溉水稻生育前期的根系活力高于淹水灌溉，而后期根系活力略低于淹水灌溉，其中在抽穗开花期差异明显。

2.5 不同灌溉方式对镉污染下水稻产量及其构成因子的影响

产量是评估水稻生长的重要指标。由表1可以看出，高镉污染处理(Cd5FI)水稻产量显著低于对照(P<0.05)。不同灌溉方式对同一浓度镉污染下水稻产量的影响为干湿交替灌溉最高，淹水灌溉次之，湿润灌溉最低。相较于淹水灌溉，低镉、高镉污染下干湿交替灌溉的产量分别增加了10.12%、7.49%，差异明显；湿润处理相比淹水处理产量分别降低了5.30%、 10.38%。可见，镉污染及不同灌溉方式对水稻的产量可产生显著影响。此外，从产量构成方面看，镉污染和灌溉方式对穗长和千粒质量无明显影响。低镉污染时，与淹水灌溉相比，干湿交替灌溉使有效穗数、每穗粒数、结实率显著提高，分别提高了7.25%、5.52%、7.02%；湿润灌溉相比淹水灌溉每穗粒数、结实率分别降低了5.01%、3.83%，导致产量下降。高镉污染时，与淹水灌溉相比，干湿交替灌溉有效穗数、每穗粒数、结实率分别提高了5.35%、3.16%、4.23%；而湿润灌溉的每穗粒数、结实率相比淹水灌溉分别降低了5.80%、6.75%。可见，不同灌溉方式对镉污染下水稻有效穗数、每穗粒数和结实率有不同的影响。

表1 不同灌溉方式对镉污染下水稻产量及其构成因子的影响

注：同列数据后不同小写字母表示各处理存在显著差异(P<0.05)。

3 讨论

近年来，由于城市化和工业化的发展，工业“三废”(废水、废气、固体废弃物)的不合理排放、固体废弃物处理不当以及化肥用量的不断增加，导致土壤中Cd含量急剧增加。低浓度Cd能促进植物的生长发育，使其生物量显著增加[2，20]，但当Cd达到一定浓度时会降低植物的光合生产力，使植物生物量减少[21]。水稻作为我国重要的农作物，在整个国民经济发展和社会安定中起着重要作用。稻田重金属污染导致水稻生长发育受阻，造成产量下降。本试验表明，与对照相比，淹水环境下，在1 mg/kg Cd污染下，水稻的分蘖、生物量、根系活力和产量均未受到明显的影响；但在5 mg/kg Cd污染下，水稻的生长(分蘖、生物量和根系活力)和产量受到明显的抑制，呈现出较为明显的Cd毒害特征，这与刘春梅等的研究结果相一致[22]。

土壤水分状况不仅影响水稻的生长发育和产量的形成，而且影响镉的毒性。近年来关于节水灌溉、旱作及土壤水分胁迫对水稻的生长发育和产量影响的研究较多[8-14]，但有关镉污染下节水灌溉对水稻生长发育影响的研究很少。研究表明，长期淹水导致氧化还原电位(Eh)降低，酸性土壤pH值升高，土壤对镉的吸附量减少[23]，降低镉的生物有效性和毒性。此外，适宜的水分状况有利于镉在土壤中的移动。对镉污染土壤进行节水灌溉，通过改善土壤中的通气状况，使土壤处于好气状态，减轻了还原物质的毒害效应，同时有利于有机物质的矿化，从而增强根系活力，延缓衰老。因此，不同灌溉方式对稻田中镉毒性的影响较复杂。本研究表明，在镉污染下，与淹水灌溉相比，干湿交替灌溉加快分蘖进程、提高有效分蘖数，还可提高水稻生物量和产量，这是由于干湿交替灌溉使稻田土壤通气条件改善，为根系生长发育提供了有利的环境条件，根系活力增强，尤其在生长后期仍能维持较高的根系活力，根系吸收功能较强，并通过根系的生长促进了地上部的生长，较好地协调了产量形成与根系衰老之间的矛盾，这与徐芬芬等的研究结果[15]相一致。前人研究表明，水稻产量差异主要来自穗粒数和有效穗数[8]。本研究表明，在镉污染下，干湿交替灌溉提高了有效穗数、每穗粒数和结实率；湿润灌溉使分蘖进程延长，提高有效成穗率，但产量明显低于淹水灌溉，这可能是因为湿润灌溉虽然通过增加土壤空气含量使水稻根系保持活力，但是在一定程度上影响了植株体内的生理过程(如蒸腾作用)，抑制了水稻生长和地上部干物质积累[8，11，24]，导致每穗粒数、结实率相对较低，最终影响了水稻产量，这与徐国伟等的研究结果[10，16，24]一致。此外，在湿润条件下，可能一方面促进了水稻体内镉的积累[25]，加重了其毒性，另一方面减少了溶于土壤水溶液的各种营养物质含量，在一定程度上妨碍了植株的吸收[26]。

4 结论

本研究表明，5 mg/kg镉处理严重抑制水稻的生长和产量形成。在镉污染土壤上，不同灌溉方式不但影响水稻生长，而且影响产量；干湿交替灌溉提高了分蘖成穗率，可保持较高的根系活力，提高生物量和产量；湿润灌溉加重了高镉污染的危害，使水稻生长不良，产量降低。

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10.15889/j.issn.1002-1302.2017.02.013

2016-07-20

国家自然科学基金(编号：31460100、41261095)；贵州大学研究生创新基金(编号：研农2015039)；贵州省科学技术基金(编号：黔科合J字[2012]2144号)。

张艳超(1987—)，男，河南周口人，硕士研究生，主要从事水分管理与植物营养方面的研究。E-mail：371245510@qq.com。

何俊瑜，博士，教授，主要从事环境生理生态方面的研究。E-mail：junyuhe0303@sina.com。

S274.1；S511.07

A

1002-1302(2017)02-0051-04

张艳超，任艳芳，林 肖，等. 不同灌溉方式对镉污染下水稻生长和产量的影响[J]. 江苏农业科学，2017，45(2)：51-54.