稻米镉积累的土壤酸碱度稳定性研究

方宝华，戴 力，方建林，曹清春，张玉烛，柏连阳

（1.湖南省水稻研究所，湖南 长沙 410125；2. 湘潭市农科所，湖南 湘潭 411134；3. 衡阳市农科所，湖南 衡阳 421101；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）

不同基因型的水稻品种之间存在着一定的镉积累差异，利用水稻的这一天然特性，从已育成品种中筛选或新培育出低镉积累品种并进行推广应用，可以简单、高效地缓解中轻度镉污染地区的稻米镉含量超标问题，为水稻绿色生产技术体系提供重要的技术支撑。水稻的镉低积累特性的表达，除受到水稻自身的遗传因素调控之外，还受到环境因素以及环境与基因互作的影响[1]。众多的环境因素均能影响低镉水稻品种镉低积累特性的表达，比如大气温度、湿度、土壤水分、pH值、Eh值和有机质含量，以及各种农艺栽培措施[2-6]。其中土壤pH值是影响水稻植株镉吸收和稻米镉含量的一个重要环境因素。早期研究发现，土壤pH主要通过影响Cd的水解、与H+的互作以及表面吸附—解吸附类型来对土壤镉的吸附量起作用，从而影响土壤溶液中的有效态镉含量，进一步影响植物镉吸收[7]。通过向镉污染稻田中撒施生石灰、硅肥以及钾长石等土壤调理剂可以在一定程度上提高土壤pH值，促进土壤溶液中的Cd2+吸附沉淀，减少土壤溶液中有效镉含量，从而减少水稻镉吸收量和糙米中的镉积累量[8-10]。此外长期淹水灌溉能够提高土壤pH值[11]。虽然当前已有报道明确了酸性条件有利于土壤镉的释放，提高镉在水—土界面的迁移能力和土壤溶液中有效态镉含量，碱性条件则相反，但是对于不同的pH环境对水稻低镉积累特性以及其表达稳定性的影响如何还鲜有明确的报道。

因此，为了探索不同酸碱度土壤环境对水稻镉低积累特性稳定表达的影响，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低镉积累特性土壤酸碱度稳定性验证试验。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理论和技术支持。

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年在衡阳市农科所（HY）和湘潭市农科所（XT）的塑料温室大棚内采用土壤盆栽法进行。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18 kg。之后进行土壤pH值调节。

从移栽前30 d开始调节土壤pH值；将土壤装入大塑料盆中，分别用H2SO4和NaOH将pH值调为3.0、4.0、5.0、6.0、7.0和8.0共6个水平。调节步骤为：用H2SO4和NaOH配成pH值分1.0、2.2、3.4、4.6、7.0和9.2的溶液，将干土加入到相同体积的溶液中，每5 d用土壤pH计检测，并用H2SO4和NaOH溶液进行微调，直到基本稳定。移栽之后，用pH值分别为3.0、4.0、5.0、6.0、7.0和8.0的水进行灌溉，并每2 d用土壤pH计检测与记录土壤的pH值，并用HCl和NaOH进行微调。各不同pH值处理间按随机区组法排列，每个处理重复3次。

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苗，杂交稻每株栽插2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：分别于移栽前（调酸前）、移栽后20 d、移栽后40 d、抽穗期、成熟期采集所有盆的土壤样品。取样时从各盆中用取样器采集全深度的土壤，再将4次重复混合成一个样（湿样），用干净塑料袋装好，风干后碾压粉碎，过筛后用干净自封袋封装。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。2016年早、晚稻衡阳点每个pH值处理取了4个样，湘潭点每个处理取了13个样。

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酸碱度的影响越小，反之则越不稳定，受影响越大。以某一品种在6种不同pH值调节溶液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 pH值调节处理条件下土壤实际pH值及有效镉含量的变化

综合水稻生长过程中几个关键时期——移栽后20 d、移栽后40 d、抽穗期和成熟期的土壤检测结果发现，全生育期持续使用pH值为3～8的酸或碱溶液（盐酸和NaOH溶液）处理，可以使土壤pH值与调酸前（表 2）相比发生 -0.58～0.67（早稻）、-0.57～0.98（晚稻）的高低变化，各处理的土壤实际pH值基本保持在5.60～7.46之间（表3）。土壤有效镉含量则与调酸前相比升高或降低了0.3%～12.9%（早稻）、-18.5%～-5.5%（晚稻）。

表3 不同pH值调节处理下的土壤实际pH值和有效镉含量差异

各处理之间的土壤实际pH值存在着极显著差异（表3），基本表现为随着调控溶液pH值的升高而升高，但是并没有达到预期pH3.0～8.0的调控目的值，这可能与土壤本身具有的强大缓冲功能有关。土壤有效镉含量随着调控溶液pH值的升高，衡阳点的早稻和湘潭点晚稻出现了降低趋势，而衡阳点的晚稻和湘潭点的早稻却发生了升高，对于升高的原因当前还无法解释清楚，仍有待于进一步的研究。

2.2 早稻品种米镉积累的土壤酸碱度稳定性

2015～2016年间，使用pH值分别为3.0、4.0、5.0、6.0、7.0和8.0的酸或碱溶液调控处理水稻盆栽土壤时，各早稻品种在不同pH值条件下的米镉积累变异系数CV间存在着较大差异，其CV值分布范围为：36.36%～97.08%（见图1）。其中CV值最小的品种是株两优15，其次为株两优211（CV=40.66%），最大的品种是湘早籼32号，说明株两优15和株两优211的米镉积累量受土壤pH值的影响相对较小，而湘早籼32号受影响相对较大，其余品种则处于其中间。

2.3 不同土壤酸碱度条件下早稻品种米镉积累量的差异

2015～2016年间，使用6种不同pH值的酸、碱溶液调控土壤pH值时，各早稻品种的糙米镉含量基本表现为：以pH值为5.0和6.0的溶液处理时的米镉积累量相对最大，pH值越向两级，米镉含量相对越低（见图2）。同时，各pH值处理下的所有早稻品种的米镉含量均低于0.2 mg/kg的国家安全标准值。

图1 不同土壤酸碱度条件下各早稻品种米镉积累量的变异系数

图2 不同土壤酸碱度条件下早稻品种的米镉含量

2.4 晚稻品种米镉积累的土壤酸碱度稳定性

2015～2016年间，使用pH值分别为3.0～8.0的酸或碱溶液调控处理水稻盆栽土壤时，各晚稻品种在不同pH值条件下的米镉积累变异系数CV间也存在着较大差异，其CV值分布范围为：40.65%～98.91%（见图3）。其中CV值最小的品种是两优336（CV=40.65%），其次为金优284（47.73%），相对最大的品种是湘晚籼12号（98.91%）和金优59（96.85%），说明株两优336和金优284的米镉积累量受土壤pH值的影响相对较小，而湘晚籼12号和金优59受影响相对较大，其余品种处于其中间。

图3 不同土壤酸碱度条件下各晚稻品种米镉积累量的变异系数

2.5 不同土壤酸碱度条件下晚稻品种米镉积累量的差异

2015～2016年间，使用6种不同pH值的酸、碱溶液调控土壤pH值时，各晚稻品种的糙米镉含量同样表现为：以pH值为5.0和6.0的溶液处理时的米镉积累量相对最大，pH值越向两级，米镉含量相对越低（见图4）。同时，各pH值处理下的所有晚稻品种的米镉含量均低于0.2 mg/kg的国家安全标准值。

图4 不同土壤酸碱度条件下晚稻品种的米镉含量

3 结论与讨论

综上所述可以发现，pH值3.0～8.0的酸碱溶液的调控处理可以使土壤实际pH值大小保持在5.60～7.46之间（南方稻田土壤pH值范围主要在5.5～8.0之间），各水稻品种在这一土壤pH值范围内的米镉积累变异系数间的差别较大。13个早稻品种的CV值范围为36.36%～97.08%，其中以株两优15（36.36%，CV最小）和株两优211（40.66%）的米镉积累量受土壤pH值的影响相对较小，而湘早籼32号（97.08%）受影响相对较大；14个晚稻品种的CV则处于40.65%～98.91%之间，株两优336（40.65%）和金优284（47.73%）的米镉积累量受土壤pH值的影响相对较小，而湘晚籼12号（98.91%）和金优59（96.85%）受影响相对较大。同时，各早、晚稻品种的糙米镉含量均表现为：以pH值为5.0和6.0的溶液处理时的米镉积累量相对最高，pH值越向两级，米镉含量相对越低。

由于研究是通过盆栽试验进行的，而且在土壤调酸处理时盆中基本上长期处于淹水状态，水分条件可能会对试验结果造成一定的影响，如使各处理间的稻米镉含量差异不显著，且含量非常低。如何减少水分对pH调控作用的干扰是下一步研究需要考虑的问题。这也从一定程度上体现出了稻田镉污染防治研究的复杂性。

参考文献：

[1] 柯庆明，梁康迳，朱 燕，等. 基因型与环境互作对食用稻米重金属积累特性遗传相关性的影响研究[J]. 中国生态农业学报，2006，14（1）：24-27.

[2] 曹方彬. 水稻重金属积累的品种与环境效应及调控技术研究[D].杭州：浙江大学，2014.

[3] 刘 洋，张玉烛，方宝华，等. 栽培模式对水稻镉积累差异及其与光合生理关系的研究[J]. 农业资源与环境学报，2014，31（5）：450-455.

[4] 沈 欣，朱奇宏，朱捍华，等. 农艺调控措施对水稻镉积累的影响及其机理研究[J]. 农业环境科学学报，2015，34（8）：1449-1454.

[5] 仲晓春，陈京都，郝心宁. 水稻作物对重金属镉的积累、耐性机理以及栽培调控措施进展[J]. 中国农学通报，2015，31（36）：1-5.

[6] 李 鹏. 水分管理对不同积累特性水稻镉吸收转运的影响研究[D].南京：南京农业大学，2011.

[7] Naidu R，Bolan N S，Kookana R S. Ionic-strength and pH effects on the sorption of cadmium and the surface charge of soil [J]. European Journal of Soil Science，1994，（45）：419-429.

[8] 王 科，李 浩，张 成，等. 不同改良剂对水稻镉吸收及土壤有效镉含量的影响[J]. 四川农业科技，2017，（7）：44-46.

[9] 彭 华，田发祥，魏 维，等. 不同生育期施用硅肥对水稻吸收积累镉硅的影响[J]. 农业环境科学学报，2017，36（6）：1027-1033.

[10] 张振兴，纪雄辉，谢运河，等. 水稻不同生育期施用生石灰对稻米镉含量的影响[J]. 农业环境科学学报，2016，35（10）：1867-1872.

[11] 吕银斐. 不同水分管理方式对水稻镉积累的影响[D]. 贵阳：贵州大学，2015.