不同水分管理模式对水稻生长及重金属迁移特性的影响

崔晓荧 ，秦俊豪 ，黎华寿 *

不同水分管理模式对水稻生长及重金属迁移特性的影响

崔晓荧1，2，秦俊豪1，2，黎华寿1，2*

（1.华南农业大学农业部华南热带农业环境重点实验室，广州 510642；2．广东省现代生态农业与循环农业工程技术研究中心，广州510642）

通过水泥池小区试验，研究了淹水（CF）和干湿交替（IF）两种水分管理模式对常规稻（C）与杂交稻（H）生长及重金属Pb、Cr、Cd富集的影响。结果表明，干湿交替（IF）处理能显著提高水稻的生物量及产量，增强了Pb、Cr、Cd在土壤-水稻系统中的迁移能力，并显著促进水稻根系对Cd的富集，提高米粒中Cr的含量。研究结果还表明，水分管理对Cr在水稻体内的迁移特性的影响明显不同于Pb和Cd。Pb、Cd在水稻体内含量呈现根>茎叶>米粒，而Cr则为米粒/茎叶>根，且不同水分管理模式对常规稻（C）米粒富集Cr的影响较杂交稻（H）大。可见，干湿交替模式虽能促进水稻生长和增产，同时却显著提高了Cd和Cr的生物有效性。因此，在采取相应水分管理模式降低重金属生物有效性时应充分考虑水稻对不同重金属类型的响应差异，才能更有效地控制当前农田环境的重金属污染。

水稻；水分管理；重金属迁移特性

水稻（Oryza sativa L.）是我国种植面积大、总产量高的粮食作物之一，但稻田土壤重金属污染问题却十分严峻。2014年环保部与国土资源部发布的《全国土壤污染状况调查公报》[1]表明，耕地土壤点位超标率为10.4%。从污染物超标情况看，重金属镉、铅、铬超标率分别为7.0%（位居第一）、1.5%、1.1%。土壤重金属污染具有范围广、滞留时间长、毒性强、危害大、污染后难以修复的特点。农田重金属污染对作物生长、农产品质量与人体健康造成负面影响[2-3]。土壤重金属污染已成为世界性的环境问题，因而成为当前国内外研究的热点课题[4]。

淹水灌溉为水稻种植的常规灌溉方式，但为了寻求更为节水的灌溉模式，人们开始探究不同水分管理的灌溉模式。近年来关于水分状况对水稻生长的影响与机理已有较多的报道[5-7]，而有关水分管理对水稻富集重金属的研究主要集中于As、Cd。龙水波等[8]研究表明，灌浆期后湿润灌溉、淹水与湿润交替能显著降低水稻茎叶、谷壳、糙米As含量和糙米无机As含量；Spanu等[9]研究表明，喷灌处理下水稻米粒As含量比淹水灌溉处理低约50多倍；李剑睿等[10]研究表明，长期淹水栽培模式能显著降低水稻各部位的Cd含量。此外，Hu等[11]研究表明，在As、Cd复合污染下水分管理对水稻富集As与Cd的影响规律不同。

目前，关于水分管理对水稻Pb、Cr的富集及其在土壤-水稻系统中迁移转化的研究鲜有报道。本研究通过水泥池小区试验探究在重金属污染下，不同水分管理模式（淹水和干湿交替处理）对两个水稻品种（常规稻和杂交稻）的生长及其对重金属Pb、Cr、Cd在土壤-水稻系统中迁移特性的影响，旨在探明两种水分管理模式对重金属胁迫下土壤-水稻系统中Pb、Cr、Cd迁移特性的影响及其差异，为控制当前农田环境的重金属污染提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

1.1.1 供试土壤

供试土壤采集于华南农业大学生态学系农场，试验水泥池（长1.0 m×宽1.0 m×高0.65 m）30～65 cm深度填入农场水稻土30～65 cm土层土壤，5～30 cm填入农场水稻土0～25 cm表层土壤。土壤质地类型为壤土，其基本化学性质见表1。部分土壤采集后去除杂物，自然风干后过2 mm筛，采用土壤农化常规分析方法[12]分析供试土壤pH及有机质、全N、速效P、速效K含量，并采用火焰原子吸收光谱仪（德国耶拿，ZEEnitR700P）测定重金属铅、铬、镉全量。

1.1.2 供试品种

选取常规稻黄华占和杂交稻天优122两个水稻品种（广东省农科院水稻所提供）。种子用30%H2O2浸泡15 min，用去离子水完全洗净，置于潮湿的石英砂中培育。待水稻种子发芽后，转移至华南农业大学生态学农场（23°08′N，113°15′E）育苗池的秧盘中生长。水稻育苗池覆盖一层保温薄膜（28±2℃），期间保持池内湿度。待培育至4叶期，筛选出长势一致的幼苗移栽至华南农业大学生态系学农场温室大棚内水泥池。

1.2 试验方法

1.2.1 水泥池小区试验设计

采用淹水（CF，continuous flood）和干湿交替（IF，interval flood）2种水分管理模式。淹水模式：试验期间一直保持土壤表面有2 cm的水层；干湿交替模式：首先灌水至土壤表面有2 cm水层，待自然落干后再次加水至土壤表面保持2 cm的水层，如此循环。试验设置4个重复，共16个水泥池，每个池种植12株水稻。试验于2013年9月至2014年1月在华南农业大学生态学系农场进行，试验具体处理见表2。

表1 供试土壤的理化性质Table 1 Physical-chemical properties of the experimental soil

表2 水泥池小区试验设计Table 2 The design of pool experiment

1.2.2 样品采集

水稻成熟后，先将水稻根系从土壤中取出，采用“五点取样法”分别采集附着在根系上的土壤（即为根际土壤，Rhizosphere soil，简写 RS）与距离根系2 cm外土壤（即为非根际土壤，Bulk soil，简写BS）；然后将整株水稻的地上部与地下部（根系）分开，用自来水冲洗干净；最后将采集的土壤样品及水稻植株编号后置于封口袋中带回实验室分析备用。

1.2.3 生物量测定方法

将水稻植株地上部与地下部（根系）依次用自来水、去离子水、超纯水完全洗净，再用吸水纸把水稻植株吸干，自然晾干后称鲜重。然后装入信封中，置于70°C烘箱中烘干至恒重，称干重。

1.2.4 水泥池小区水稻理论产量分析方法

水稻成熟收获后，记录每个池水稻的穗重、有效穗数、千粒重、每穗粒数。每个水泥池理论产量=（有效穗数×每穗粒数）/1000×千粒重。

1.2.5 土壤中铅、铬、镉含量分析

准确称取0.15 g左右土样风干过筛（0.15 mm）放入聚四氟乙烯消解管中，加入6 mL优级纯HNO3、2 mL优级纯HF、2 mL分析纯H2O2，加盖后放入微波加速反应系统中进行消解。消解程序如下：首先10 min程序升温到120℃，并保持10 min；然后继续升温至150℃，保持5 min；最后升温至190°C，再保持20 min，待降温冷却至室温后取出，用超纯水稀释定容25 mL。并以试剂空白和国家土壤标准物质GBW07407（GSS-7）进行平行质控（Pb、Cd 及 Cr回收率均在80%以上）。采用火焰原子吸收光谱仪（德国耶拿，型号 ZEEnitR700P）测定稀释液中 Pb、Cr、Cd 浓度，并计算土壤中 Pb、Cr、Cd 含量。

1.2.6 水稻植株根茎叶及米粒中铅、铬、镉含量分析

将烘干后的水稻植株（根、茎叶）与米粒（晾干后脱壳）粉碎。准确称取水稻植株（根、茎叶）样品0.25 g或米粒样品0.50 g放入聚四氟乙烯消解管中，加入8 mL优级纯HNO3、2 mL分析纯H2O2。加盖后放入微波加速反应系统中进行消解。消解程序如下：首先10 min程序升温到120℃，并保持10 min；然后继续升温至150℃，再保持20 min，同上方法制样上机检测。同时以试剂空白和国家大米标准物质GBW（E）100349进行质量控制（Pb、Cd及Cr回收率均在80%以上）。

采用火焰原子吸收光谱仪（德国耶拿，型号ZEEnitR700P）测定稀释液中 Pb、Cr、Cd 的浓度，并计算水稻植株及米粒中Pb、Cr、Cd的含量。

计算公式：某重金属元素转运系数=该元素在某一部位（土壤、根、茎叶或米粒）含量/该元素在另一部位含量。如：Pb从非根际土壤转运到根际土壤的转运系数=根际土壤中Pb含量（mg·kg-1）/非根际土壤中Pb含量（mg·kg-1）。

1.3 数据分析

试验结果用Excel 2013进行处理，利用SPSS 17.0中的单因素方差分析（One-way ANOVA）对每个测定项目统计结果进行显著性方差分析，并采用Origin 9.0对试验结果进行作图分析。

2 结果与分析

2.1 水分管理模式对水稻生长的影响

2.1.1 对水稻生物量的影响

由图1可知，在淹水（CF）或干湿交替（IF）处理下杂交稻（H）地上部和地下部的生物量均高于常规稻（C），且在淹水（CF）条件下杂交稻（H）地上部生物量显著高于常规稻（C）。

而在干湿交替（IF）处理下两种水稻的生物量均明显高于淹水（CF）处理。与淹水（CF）处理相比，干湿交替（IF）处理下杂交稻（H）的地下部生物量与常规稻（C）的地上部生物量分别增加了31.3%和29.5%，且均达显著性差异水平。

2.1.2 对水稻穗部性状的影响

由表3结果可知，在淹水（CF）或干湿交替（IF）处理下常规稻（C）的产量均显著高于杂交稻（H），与生物量的规律相反。

干湿交替（IF）处理下两种水稻的产量均显著高于淹水（CF）处理。在干湿交替（IF）处理下，杂交稻（H）与常规稻（C）的产量分别达 6 335.54、8 026.63 kg·hm-2，较淹水（CF）处理增加28.6%和18.5%，且均达显著性差异水平。就产量构成因素而言，淹水（CF）及干湿交替（IF）处理下水稻的穗重、每穗粒数、千粒重差异不显著，但干湿交替（IF）处理下两种水稻的有效穗数均高于淹水（CF）处理。

图1 不同水分管理模式对水稻地上部和地下部生物量影响Figure 1 Effect of different water management modes on the biomass（dry weight）of shoot and root of rice

2.2 水分管理模式对水稻根际土壤中重金属Pb、Cr、Cd含量的影响

分析图2非根际土壤（BS）部分可知，淹水（CF）处理下两种水稻非根际土壤中Pb、Cr及Cd含量均高于干湿交替（IF）处理，其中杂交稻（H）非根际土壤中Pb、Cd含量分别较干湿交替（IF）处理高21.1%和85.1%；常规稻（C）非根际土壤中Cr、Cd含量分别较干湿交替（IF）处理高15.7%和40.0%。

分析根际土壤（RS）重金属含量可知（图2），淹水（CF）及干湿交替（IF）处理下两种水稻根际土壤中Cr、Cd含量均差异不显著。但在淹水（CF）处理下，杂交稻（H）根际土壤中Pb含量明显高于干湿交替（IF）处理，而常规稻（C）根际土壤中Pb含量却明显低于干湿交替（IF）处理。

2.3 水分管理模式对水稻器官富集重金属Pb、Cr、Cd的影响

由表4结果可知，在同一水分管理模式下杂交稻（H）与常规稻（C）的根和米粒富集Pb、Cd的差异不显著。但在淹水（CF）或干湿交替（IF）处理下，常规稻（C）茎叶与米粒中Cr含量均明显高于杂交稻（H）。其中，在干湿交替（IF）处理下常规稻（C）中米粒Cr含量显著高于杂交稻（H）。

进一步分析可知，淹水（CF）及干湿交替（IF）处理下两种水稻茎叶中Pb、Cr及Cd的含量差异不显著。但在干湿交替（IF）处理下，两种水稻的根与米粒中Pb、Cr、Cd含量均略高于淹水（CF）处理。其中在干湿交替（IF）处理下，杂交稻（H）与常规稻（C）根中Cd含量分别较淹水（CF）处理高91.9%和44.0%，均达显著差异水平；米粒中Cr含量分别较淹水（CF）处理高10.3%和53.5%。

此外，在两种水分管理模式下，杂交稻（H）与常规稻（C）对Pb、Cd的富集均呈现根>茎叶>米粒，而杂交稻（H）对Cr的富集呈现米粒>根>茎叶。但在淹水（CF）处理下常规稻（C）对Cr的富集表现为茎叶>米粒>根，干湿交替（IF）处理下则呈现米粒>茎叶>根。

2.4 水分管理模式对重金属Pb、Cr、Cd在土壤-水稻系统中迁移的影响

分析表 5 可知，干湿交替（IF）处理下，Pb、Cr、Cd从非根际土壤到根际土壤的转运系数明显高于淹水（CF）处理。其中C-IF处理组的Cr从非根际土壤到根际土壤的转运系数显著高于C-CF处理组；H-IF处理组的Cd从非根际土壤到根际土壤的转运系数为H-CF处理组的2倍多，达显著差异水平。

干湿交替（IF）处理下，Cr从根际土壤到根的转运系数明显高于淹水（CF）处理。其中H-IF处理组的Cr从根际土壤到根的转运系数较H-CF处理组高54.1%，达显著差异水平；而干湿交替（IF）处理下常规稻（C）及杂交稻（H）Cd从根际土壤到根的转运系数均略高于淹水（CF）处理，但差异不显著。

表3 不同水分管理模式对水稻穗部性状的影响Table 3 Effect of different water management modes on panicle traits of grain

进一步分析可知，在淹水（CF）或干湿交替（IF）处理下，Cr从根到茎叶的转运系数常规稻（C）显著高于杂交稻（H），而Cr从茎叶到米粒的转运系数则呈相反规律。其中，常规稻（C）Cr从根到茎叶及杂交稻（H）Cr从茎叶到米粒的转运系数均大于10，明显高于Pb、Cd的转运系数。

图2 不同水分管理模式对水稻非根际土壤和根际土壤富集Pb、Cr和Cd的影响Figure 2 Effect of different water management modes on concentration of Pb，Cr and Cd in bulk soil and rhizosphere soil

表4 不同水分管理模式下水稻根、茎叶和谷粒中重金属Pb、Cr、Cd的含量差异Table 4 Concentration of Pb，Cr and Cd in the root，stem and leaf，grain tissues of the rice plants under different water management modes

表5 不同水分管理模式下根际土壤和水稻根、茎叶和谷粒的重金属Pb、Cr、Cd的转运系数Table 5 Transfer coefficient of Pb，Cr and Cd in rhizosphere soil，root，stem，leaf and grain tissues of the rice plants under different water management modes

3 讨论

3.1 不同水分管理模式对水稻生长影响的差异分析

本研究结果表明干湿交替模式能显著提高水稻的地上部和地下部生物量（尤其是地下部生物量）及产量，促进了水稻的生长。其原因在于干湿交替处理能有效改良土壤的氧化还原性和通透性，一方面有利于土壤微生物和水稻根系的生长，进而促进有机质分解和养分的吸收[13-15]，提高水稻的生物量；另一方面土壤微生物能促进水稻分蘖发生[16]，提高了单位面积的有效穗数，从而提高水稻产量。此外，干湿交替还有利于刺激水稻生长，徐芬芬等[17]研究表明，水稻旱后复水会存在一定的补偿性效应，一定程度的水分亏缺可提高水稻产量。因此，干湿交替模式有利于改善水稻生长的土壤环境，从而促进了水稻的生长。

3.2 不同水分管理模式对土壤-水稻系统中重金属迁移特性的差异分析

本研究结果表明淹水模式下，非根际土壤的Pb、Cr、Cd含量明显高于干湿交替模式，且根际土壤的富集系数明显低于淹水模式。这说明淹水模式下土壤中Pb、Cr、Cd的迁移能力明显弱于干湿交替模式。其原因在于，一方面淹水模式下氧化还原电位（Eh）和土壤氢离子（H+）浓度降低[18-19]，氢氧根（OH-）浓度增加，造成有效态Pb、Cd形成氢氧化物沉淀，并使大量Cr（Ⅵ）被还原成Cr（Ⅲ）并以Cr（OH）3的形态存在于土壤中[20-22]；同时，H+竞争作用减弱，有机结合态、铁锰氧化物结合态Pb、Cd、Cr与其载体结合更牢固，从而显著降低非根际土壤中 Pb、Cd、Cr的活性[19，21-22]。然而，干湿交替处理却能够提高水田土壤细菌的数量和细菌的多样性[15，23-24]。程东祥等[25]研究表明，土壤微生物结构能反映重金属在土壤中的活性，土壤中非残渣态Pb、Cd含量与土壤中细菌的数量呈正相关。因此，干湿交替模式通过提高Pb、Cr、Cd在土壤中的活性，增强Pb、Cr、Cd从非根际土壤往根际土壤迁移，增加了水稻富集 Pb、Cr、Cd 的风险。

进一步研究发现，干湿交替模式会提高水稻对Cd的吸收，并显著提高水稻根系对Cd的富集。干湿交替模式下Cd在土壤-水稻系统内的迁移能力强于淹水模式，表现为水稻根、茎叶及米粒中Cd含量均高于淹水处理，且水稻根部中Cd含量显著高于淹水处理。前人研究也表明，淹水模式能显著降低水稻对Cd的吸收和米粒对Cd的富集[26-27]。其原因在于淹水模式能使土壤中Cd的生物有效性明显降低[20]，从而降低水稻对Cd的吸收。也有研究表明，水稻根表铁膜对介质中Cd的吸收及其在水稻体内的富集起重要作用[20，26]，而干湿交替能促进一定量的根表铁膜的形成[28]，在一定程度内根表铁膜数量的增加对水稻吸收Cd有促进作用[29]。

此外，Cr在水稻中的富集特点与Pb、Cd有所不同：Pb、Cd在水稻中的富集为根>茎叶>米粒，而Cr在水稻中的富集为米粒/茎叶>根。与Pb、Cd相比，Cr在水稻地上部的迁移能力较强，两种水分管理下水稻茎叶和米粒富集Cr的系数均远大于1。在淹水处理下常规稻对Cr的富集呈现茎叶>米粒，但在干湿交替处理下却呈现米粒>茎叶。可见，干湿交替模式明显促进Cr在土壤-水稻系统中的迁移，并显著提高米粒对Cr的富集。研究认为水稻对Cr（Ⅵ）的吸收强于Cr（Ⅲ）[30]，而干湿交替模式增加了土壤中Cr（Ⅵ）含量、提高了土壤中Cr的有效性[18]，从而显著增加水稻对Cr的吸收。同时，由于Cr往水稻地上部迁移的能力较强，干湿交替模式提高了Cr往水稻地上部迁移及米粒中Cr的浓度。

4 结论

不同水分管理模式对水稻生长及重金属Pb、Cr、Cd在土壤-水稻系统中的迁移作用影响显著。干湿交替模式显著提高水稻的生物量及产量，促进水稻的生长，但却增强了重金属Pb、Cr、Cd在土壤-水稻系统的迁移能力，同时促进了水稻根系对Cd的富集，并显著提高米粒中Cr的含量。进一步研究发现，干湿交替模式下重金属Cr往水稻地上部迁移能力较强，其富集在茎叶、米粒中浓度均明显高于同组织下的Pb、Cd。因此，在采取相应水分管理模式降低重金属生物有效性时应充分考虑水稻对不同重金属类型的响应差异，才能更有效地控制当前农田环境的重金属污染。

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Effect of different water management modes on rice（Oryza sativa L.）growth and heavy metal transport characteristics

CUI Xiao-yin
g1,2,QIN Jun-hao1,2,LI Hua-shou1,2*
（1.Key Laboratory of Agro-Environment in the Tropics,Ministry of Agriculture,P.R.China,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China;2.Guangdong Engineering Research Center for Modern Eco-agriculture and Circular Agriculture,Guangzhou 510642,China）

A pool experiment was conducted to study the effects of two water management modes as continuous flood（CF）and interval flood（IF）on the growth and Pb,Cd,and Cr accumulation of two kinds of Oryza sativa L.（conventional rice and hybrid rice）cultivars.The results showed that the irrigation mode of IF signicantly increased the rice biomass and yield.However,this irrigation mode enhanced the mobilization of Pb,Cd,and Cr in the soil-rice system and signicantly increased the accumulation of Cd in the roots and Cr in the grains.Furthermore,the transport characteristics of Cr were different from those of Pb and Cd in the rice system during the water management modes.The accumulation order of Pb and Cd in the rice was root>stem and leaf>grain,whereas grain/stem and leaf>root was the order for Cr.In addition,the water management modes had a greater impact on the accumulation of Cr in the grain of conventional rice than in the grain of hy－brid rice.Although the IF irrigation mode could significantly promote the growth of rice,it significantly increased the bioavailabilities of Cd and Cr as well.Therefore,the different responses of rice to different heavy metals should be considered when water management is conducted to reduce heavy metal bioavailability and heavy metal pollution,in order to effectively mitigate heavy metal pollution in farmland environment systems.

rice（Oryza sativa L.）;water management;heavy metal transport characteristics

S511

A

1672-2043（2017）11-2177-08

10.11654/jaes.2017-0665

崔晓荧，秦俊豪，黎华寿.不同水分管理模式对水稻生长及重金属迁移特性的影响[J].农业环境科学学报,2017,36（11）：2177-2184.

CUI Xiao-ying,QIN Jun-hao,LI Hua-shou.Effect of different water management modes on rice（Oryza sativa L.） growth and heavy metal transport charac teristics[J].Journal of Agro-Environment Science,2017,36（11）:2177-2184.

2017－05－07 录用日期：2017－07－07

崔晓荧（1995—），女，广东番禺人，本科生，从事污染生态学研究。E-mail：y_cuixiaoying@163.com

*通信作者：黎华寿 E-mail：lihuashou@scau.edu.cn

国家高技术研究发展计划（“863计划”）项目（2013AA102402）；国家自然科学基金资助项目（41271469）；广东省科技计划项目（2013B020303001,2015B090903077）

Project supported：The National High Technology Research and Development Program of China（2013AA102402）；The National Natural Science Foundation of China（41271469）；The Science and Technology Planning Project of Guangdong Province，China（2013B020303001，2015B090903077）