稻米镉积累的土壤水分稳定性研究

方宝华，戴 力，龚光明，范芬芳，张玉烛，柏连阳

（1. 湖南省水稻研究所，湖南 长沙 410125；2. 益阳市农科所，湖南 益阳 413046；3. 株洲市农科所，湖南 株洲 412007；4. 湖南杂交水稻研究中心， 湖南 长沙 410125；5. 湖南省农业科学院，湖南 长沙 410125）

近年来，随着稻田镉污染研究的不断推进，一大批表现出镉低积累特性的水稻品种被筛选培育出来。镉低积累水稻品种的应用能够简单、高效地缓解镉污染对水稻生产所带来的一系列问题，成为了镉污染地区水稻绿色生产技术体系的重要组成部分。然而，水稻的镉低积累特性的表达除受控于自身的遗传因素之外，很大程度上还受到环境因素的影响，包括气候、土壤和农艺栽培措施等[1-5]。其中土壤水分含量或农田灌溉状况对水稻的镉积累特性的表达具有显著的作用。土壤水分含量一方面通过影响土壤pH值、Eh值和有机质影响镉及其协同或拮抗离子（如S2-、Zn2+、Fe2+、Fe3+、Mn2+等）的土壤赋存状态，从而影响土壤溶液中可吸收Cd的含量[6-11]，另一方面通过影响水稻根系量和吸收活力，以及蒸腾作用来作用于水稻的镉吸收和转运过程，还可以通过调控根部基因（如OsNramp1和OsLCD）的表达来影响水稻镉吸收[12]；最终很可能使得同一镉低积累品种在不同的稻田水分条件下表现出不同的镉积累状况。

因此，为了探索不同农田土壤水分对水稻镉低积累特性的影响，特别是镉低积累品种的这一特性在不同土壤水分条件下的表达稳定性，笔者在课题组多年的镉低积累水稻品种筛选的工作基础上，对已选出的一批镉低积累早、晚稻品种进行了多点的土壤水分稳定性重复验证试验。现将试验结果报道如下，希望能够为镉低积累水稻品种的栽培应用以及新品种的选育提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试水稻品种均为课题组多年来筛选出的镉低积累品种，具体见表1。2 a共累计使用早、晚稻镉低积累品种13和14个（年际间重复使用的品种仅计数1次）。各年各点所使用供试土壤均来自于不同程度镉污染稻田的耕层土（表层20 cm深度土壤），其镉含量背景值和pH值状况见表2。

表1 参试品种名单

表2 供试土壤调酸前的镉含量及pH值

1.2 试验方法

试验于2015～2016年在株洲市农科所（ZZ）和益阳市农科所（YY）的塑料温室大棚内采用土壤盆栽法进行。使用纯净水灌溉系统进行水分管理，设置分蘖期（I1）、孕穗期（I2）、抽穗期（I3）、乳熟期（I4）脱水及全生育期淹水（I5）5种处理，以全生育期淹水处理为对照。每处理设3次重复，按照随机区组方式排列，各盆之间整齐紧凑摆放。处理设置的开始期到达后，倒去土壤上层积水，去掉盆子下部橡皮塞（盆子下部周边设置4个小排水孔，平时用橡皮塞堵塞），使土壤中的水分自然沥干，当土壤含水量达到40%时（土壤水份速测仪测定），加水至土壤含水量80%，如此往复直到处理期结束后复水。

供试土壤经晒干后用粉碎机粉碎，然后加入肥料，肥料用量为早稻施用纯氮9 kg，晚稻施用纯氮10 kg，N、P、K比例分别为1∶0.5∶0.8，基肥中N、P、K分别占总量的50%、100%和40%，分蘖肥在移栽后7 d使用。基肥施入后用搅拌机充分混匀后装盆，每盆装土15 kg。

供试品种的种子发往各试验点育苗移栽，早稻采用秧田小拱棚保温湿润育秧，3月28日左右（年际间略有变动）播种，4月28日左右移栽；晚稻采用湿润育秧，根据早、中、晚熟的不同分别在6月10日、16日、22日左右分期分批播种，7月12日左右移栽。每盆栽4株，常规稻每株栽插4根本苗，杂交稻每株栽插2根本苗。

追肥时将肥料用灌溉的纯水充分溶解后定量分别施到各盆内。病虫害防治等其余管理措施参考当地的水稻栽培管理技术进行。

1.3 取样与分析

土样：分盆前，随机多点抽取一个2 kg的土样，风干后碾压粉碎，过筛后用干净塑料袋封装。自然风干后采用氢氟酸-高氯酸-硝酸消解法消解和石墨炉原子分光光度法测定土壤全镉含量和有效镉含量。另外使用电位法测定土壤悬液的pH值。

水样：于灌溉期间，随机取100 mL水样，用干净玻璃瓶装好，使用石墨炉原子分光光度法检测其镉含量，电位法测定pH值。

稻谷样：当90%的谷粒变黄时，分品种分重复收获，晒干后使用小型胶辊砻谷机脱壳，然后将糙米使用万能粉碎机粉碎后装入干净的自封袋中封存以备检测其中的镉含量。糙米镉含量检测使用浓硝酸-高氯酸（v∶v=4∶1）混酸法进行消化，然后使用石墨炉原子吸收分光光度法检测。

1.4 数据处理

使用DPS v7.05和Excel 2003软件进行数据处理、分析和作图。按多因素随机区组法进行方差分析并求得各组数据标准差和均值，以变异系数（CV=标准差s/均值x×100%）表示镉积累稳定性，CV值越小表示镉积累稳定性越强，即品种镉积累受土壤水分的影响越小，反之则越不稳定，受影响越大。以某一品种在5种土壤水分处理下糙米镉积累量变异系数的平均值作为该品种的变异系数来与其他品种进行比较。

2 结果与分析

2.1 不同土壤水分条件下早稻品种糙米镉积累的稳定性

2015～2016年间，13个早稻品种在分蘖期（I1）、孕穗期（I2）、抽穗期（I3）、乳熟期（I4）脱水及全生育期淹水（I5）5种处理下表现出了较强的糙米镉积累稳定性，其米镉积累变异系数CV均在35.37%～47.02%之间（见图1）。其中变异系数相对较小（CV ＜40%），即米镉积累稳定性相对较好的几个品种分别为：两优早17（CV=35.37%）、湘早籼42号（CV=37.08%）、株两优819（CV=37.66%）、株两优211（CV=37.90%）、湘早籼32号（CV=39.40%）和湘早籼45号（CV=39.50%）。表明在不同的土壤水分状况下，这6个早稻品种都能表现出相对较稳定的高镉或低镉积累特性。

2.2 不同土壤水分条件下早稻品种的糙米镉含量

图1 不同土壤水分条件下各早稻品种糙米镉积累量的变异系数

图2 不同土壤水分条件下各早稻品种的糙米镉含量

在分蘖期（I1）、孕穗期（I2）、抽穗期（I3）、乳熟期（I4）脱水及全生育期淹水（I5）5种不同的土壤水分处理下，各早稻品种均以孕穗期脱水（I2）的糙米镉含量最高，其次为抽穗期脱水（I3），以全生育期淹水（I5）处理的最低（见图2）。表明孕穗期的水分管理对调控早稻米镉含量具有着重要作用，其次为抽穗期；也间接证明了孕穗期和抽穗期阶段可能是早稻镉吸收的两个重要时期。

此外，分蘖期（I1）和乳熟期（I4）脱水处理也会对早稻糙米镉含量造成较大影响，其二者的糙米镉含量通常都显著（P＜0.05）高于对照（全生育期淹水I5）处理，只是其影响显著（P＜0.05）小于孕穗期和乳熟期。

2.3 不同土壤水分条件下晚稻品种糙米镉积累的稳定性

2015～2016年间，14个晚稻品种在分蘖期（I1）、孕穗期（I2）、抽穗期（I3）、乳熟期（I4）脱水及全生育期淹水（I5）5种处理下的糙米镉积累稳定性表现出了较大的差异，其变异系数范围为34.34%～81.19%（见图3），其中变异系数最小（CV=34.34%），镉积累稳定性相对最好的品种是象牙香珍，其糙米镉积累量受土壤水分含量的影响相对最小。此外，C两优266（CV=43.06%）、中优9918（CV=46.18%）、湘晚籼12号（CV=46.79%）、金优498（CV=47.41%）、两优336（CV=48.78%）、和H优518（CV=48.91%）的糙米镉积累稳定性也相对较好。C两优7号的糙米镉积累变异性最大，容易受到水分条件的影响。

2.4 不同土壤水分条件下晚稻品种的糙米镉含量

在分蘖期（I1）、孕穗期（I2）、抽穗期（I3）、乳熟期（I4）脱水及全生育期淹水（I5）5种不同的土壤水分处理下，14个晚稻品种的糙米镉积累量以抽穗期（I3）脱水处理时最大，其次为孕穗期（I2）脱水，以全生育期（I5）淹水处理最低（见图4）。表明抽穗期的水分管理对调控早稻米镉含量具有着重要作用，同时也间接证明了抽穗期阶段可能是晚稻镉吸收积累的重要时期，其次为孕穗期。

此外乳熟期（I4）脱水对晚稻糙米镉积累的影响也较大，其镉含量显著（P＜0.05）高于分蘖期（I1）脱水和全生育期淹水（I5）处理。表明乳熟期的镉吸收对晚稻米镉积累的作用也很重要。

图3 不同土壤水分条件下各晚稻品种糙米镉积累量的变异系数

图4 不同土壤水分条件下各晚稻品种的糙米含量

3 结论与讨论

综上所述，2015～2016年间，在分蘖期（I1）、孕穗期（I2）、抽穗期（I3）、乳熟期（I4）脱水和全生育期淹水（I5）5种不同土壤水分条件处理下，13个早稻品种的米镉积累变异系数CV相差较小，均处在35.37%～47.02%之间，都表现出了较好的镉积累稳定性，其中以两优早17、湘早籼42号、株两优819、株两优211、湘早籼32号和湘早籼45号的米镉稳定性相对较好，其CV值分别为：35.37%、37.08%、37.66%、37.90%、39.40%和39.50%；各早稻品种的糙米镉积累量均以I2处理最大，说明孕穗期的水分管理对早稻米镉含量有着重要的调控作用，其次为抽穗期，分蘖期和乳熟期的作用也较大。14个晚稻品种的变异系数则表现出较大的差异性，其CV值处在34.34%～81.19%之间，其中以象牙香珍的CV值最小，C两优7号的最大，表明象牙香珍的糙米镉积累量受土壤水分条件的影响相对较小。各晚稻品种的糙米镉积累量则基本以I3处理最大，说明抽穗期的水分管理对晚稻米镉含量有着重要作用，其次为孕穗期，乳熟期的作用也较大，分蘖期的水分调控对晚稻米镉含量的影响相对要比早稻小。

研究发现，孕穗期和抽穗期是水稻镉吸收和影响稻米镉含量的两个关键时期，这与前人众多的研究结果一致。对于早、晚稻分蘖期水分条件对糙米镉含量的影响大小差异，可能与温度有关。早稻分蘖期气温较低，土壤脱水后会在一定程度上提高土壤温度，从而促进根系生长，增强根系吸收活力；而晚稻分蘖期气温较高，土壤脱水后较高的气温和土温会在一定程度上抑制根系生长和活力，甚至造成干旱胁迫，严重影响根系离子吸收。

已有研究发现，长期淹水条件下土壤环境中的还原程度增强，土壤中的SO42-转变为S2-，并与Cd2+形成CdS沉淀，降低镉的有效性；同时土壤溶液的pH值也升高，加剧了土壤中还原态阳离子与镉离子的竞争吸附，以及还原态阴离子与镉离子的共沉淀作用，从而降低了土壤中有效镉含量和根膜中的Cd含量。长期淹水还可以抑制Cd从秸秆向籽粒转移，这可能与充足的土壤水分蒸发量提高了冠层湿度且降低了冠层温度，从而降低了水稻植株的蒸腾作用有关。另外，淹水处理还可以使水稻根系中的镉吸收转运相关基因OsNramp1和OsLCD表达显著下调[12]。OsNramp1在内皮层和中柱鞘细胞中表达，参与根系中镉吸收进入中柱鞘和根茎间各转运过程，其在根中的表达量越高，对镉的吸收能力边越强，茎叶中的镉积累量也越大[14-17]。OsLCD则是一种定位与细胞质和细胞核，在植株维管组织和叶片韧皮部伴胞中表达的普通水溶性蛋白基因，参与植物体内镉的吸收和积累过程，其表达下调或缺失可以显著降低水稻茎叶和籽粒中的镉含量[14,18]。

关于水分对水稻镉吸收积累的影响，笔者认为可能存在着如下几条途径：“土壤水分—土壤理化环境—土壤有效镉—植株镉—糙米镉”途径、“土壤水分—植株冠层温湿度—植株蒸腾作用—植株镉吸收转运—糙米镉”途径和“土壤水分—植株根系数量与质量—植株镉吸收—糙米镉”途径，并且各途径之间可能存在着相互干扰或相辅相成的作用。当前报道的比较多的是关于途径一的研究，对于途径二、三的具体影响效果和机制还鲜有报道，因此还需要投入更多的研究。另外，这也在一定程度上体现出了土壤水分与糙米镉关系的复杂性。

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