水分管理对水稻灌浆期镉伤流强度和转移的影响

2023-07-13褚军杰马进川邹平王强陈照明叶静马军伟

农业环境科学学报 2023年6期

褚军杰，马进川，邹平*，王强，陈照明，叶静，马军伟*

（1.浙江农林大学环境与资源学院，杭州 311300；2.浙江省农业科学院环境资源与土壤肥料研究所，杭州 310021）

镉（Cd）是一种不参与植物生命活动的非必需元素，被视为毒性最强的重金属之一，已被归类为人类慢性致癌物[1]。水稻作为我国主要粮食作物之一，对土壤中的Cd 具较强的吸收和积累能力，且Cd 易转移到籽粒中危害人体健康[2]。《全国耕地土壤污染状况调查公报》显示，中国19%的耕地正面临重金属污染，其中Cd 污染点位超标率高达7.0%[3]。在诸多修复技术中，科学水分管理技术因其操作简单、清洁环保等优点而备受关注，但不合理的灌溉会导致水资源浪费、灌溉成本增加，还易造成水土资源的流失。因此合理优化水分管理时间、揭示部分降Cd 机理对该技术的推广应用具有重要意义。

水稻不同生育期对养分和水分的需求不同，植株Cd 吸收和分配也存在差异，对水稻关键生育期水分管理进行研究，满足水稻自身生长需要的同时也提高了水稻降Cd 的效率。易镇邪等[4]的研究发现在齐穗至灌浆中期间歇灌溉能有效降低水稻籽粒Cd 含量。另有研究表明，水稻抽穗期和灌浆期前后淹水对水稻糙米Cd 含量的降低效果显著[5-6]。水稻糙米Cd 的积累与水稻根系对Cd 的吸收以及转移分配密切相关，淹水条件下土壤固相的吸附、S2-与Cd2+共沉淀的增加以及共存离子活性的改变导致土壤Cd活性下降[7]，根系对Cd 吸收减少，籽粒Cd 积累下降。目前对不同水分管理下土壤Cd 活性改变对水稻根系Cd 吸收影响的探讨较多，但忽略了水分管理对水稻内部Cd 转运分配的影响，糙米Cd 的积累是否与茎Cd 的积累有关，当茎Cd 的积累达到一定量时籽粒Cd 含量是否会超标等问题。灌浆结实期是水稻籽粒形成和Cd积累的关键时期，对该时期进行不同水分管理下水稻Cd转移及分配情况的探讨有助于更全面了解水分管理对水稻籽粒Cd积累的影响。

本文以Cd 污染土壤为研究对象，以水稻灌浆期淹水和湿润灌溉为切入点，以甬优538 为试验品种，开展盆栽试验，探究不同水分管理措施下水稻产量、各器官Cd含量、Cd积累量和Cd伤流强度的动态变化情况，分析水稻Cd 吸收转移及籽粒Cd 积累的规律，为Cd污染农田的水稻安全生产提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验于2020 年7 月至11 月在浙江省农业科学院环境资源与土壤肥料研究所科研网室中进行。供试Cd 污染土壤于2020 年6 月采自浙江省绍兴市某Cd污染稻田，依据中国土壤发生分类系统和《浙江土种志》，该稻田属青粉泥田。土壤基本理化性状为：pH值为6.78，有机质和全氮含量分别为56.14、3.67 g·kg-1，有效磷和速效钾含量分别为29.49、224.00 mg·kg-1，总Cd 和有效态Cd 含量分别为1.551、0.852 mg·kg-1。根据《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018），该试验土壤Cd 含量高于农用地土壤污染风险筛选值（0.6 mg·kg-1），属Cd轻度污染土壤。供试水稻品种为浙江省2019—2021年主导杂交晚粳稻“甬优538”，水稻种子由宁波市种子有限公司提供。

1.2 试验设计

盆栽所用塑料盆的长、宽、高分别为440、230、190 mm，内设2 个挡板，分3 格。将采集后的土壤样品于室内自然风干后研磨，过2 mm筛备用，每盆填土量为12 kg（每格内4 kg），填土高度为16 cm。每小格内肥料用量按照N∶P2O5∶K2O=15∶5∶8 称取，肥料与土壤充分混匀后装盆，填土后注水至淹没土壤并保持3 cm 水层，放置若干天至所有盆液面均无明显变化为止。秧苗移栽时选取长势相似的水稻秧苗3 株（每格内1 株），在分蘖初期（三分蘖）移栽，水稻盆栽实物图如图1 所示。本试验共3 个处理，15 次重复（破坏性取样，5 次取样×3 次重复），共45 格。在水稻分蘖、拔节、扬花期初期和末期，灌浆期开始后第7、14、21、28、35 天以及晒田期进行盆栽土壤样品采集，测定土壤含水量，试验过程中各处理土壤含水量变化情况如图2所示。

图1 水稻盆栽实物图Figure 1 Rice potted plant physical map

图2 各处理土壤含水量变化情况Figure 2 Soil water content in different water treatments

1.3 样品采集与处理

灌浆期淹水后第7、14、21、28、35 天，进行水稻植株破坏性取样，各处理每次取样1 盆（3 格）。样品采集后，洗净水稻根系，将根、茎、叶、籽粒分装后杀青烘干，稻谷用糙米机去壳后称质量，计干质量；最后将植株各器官分别粉碎后保存，用于测定Cd含量。同时，在各时期进行水稻植株伤流液采集，操作如下：将距植株根部5 cm 处的茎剪断，把专用脱脂棉花放在茎截面上方并套上绑有橡皮圈的塑料袋进行固定（质量为m1），收集伤流液后，将棉花和塑料袋取回称质量（质量为m2），伤流强度为m2与m1的差值。伤流液提取时间为18：00至次日8：00。

1.4 测定项目及方法

土壤全Cd 和植株根、茎、叶、籽粒等器官Cd 含量均采用HNO3-H2O2微波消解-石墨炉原子吸收光谱仪测定；水稻植株伤流液经1.0% HNO3浸提，用石墨炉原子吸收光谱仪测定Cd含量。

1.5 数据分析与处理

水稻各部位（根、茎、叶片、糙米和谷壳）Cd 积累量计算公式：

式中：Mi为水稻某一部位Cd 的积累量，µg·格-1；Ci为水稻该部位Cd 含量，mg·kg-1；mi为水稻该部位质量，g·格-1。

水稻各部位（根、茎、叶、糙米）Cd转运系数公式：

式中：TFi-j为转移系数；Ci为水稻前端部位Cd 含量，mg·kg-1；Cj为水稻后端部位Cd含量，mg·kg-1。

中国人研究《易经》研究了几千年，《易经》64卦还潜涵着多少奥秘仍然需要研究。八卦或64卦是哲学内涵深刻、高度智慧、高度文明的成果，7000年或6000年前，人类处于新石器捕猎时期，发明八卦或64卦这样高度文明成果的可能性极少，八卦或64卦很可能属于人类史前文明成果或外星球人文明成果！

水稻Cd伤流强度计算公式：

式中：SLCd为水稻Cd伤流强度，µg·h-1·株-1；PSL为伤流强度，mg·h-1·株-1；CSL为伤流液中Cd质量分数，µg·kg-1。

水稻糙米Cd积累贡献率计算公式：式中：Hi-j为糙米Cd 积累贡献率，%；Ri为i时期糙米Cd 的积累量，µg·格-1；Rj为j时期糙米Cd 的积累量，µg·格-1；Rz为灌浆期间糙米Cd的积累量，µg·格-1。

所有数据均采用Excel 2021 和SPSS Statistics 26.0 软件进行统计分析。采用LSD 法对试验数据进行方差分析和显著性检验（P<0.05），图中所标误差线为3次重复数据的标准差。

2 结果与分析

2.1 水分管理对水稻灌浆期籽粒干物质量的影响

水分管理方式是影响水稻产量的关键因子，灌浆期作为决定水稻产量的关键生育期尤为重要。不同水分管理条件下水稻在灌浆期的生长状况呈现一定差异（图3）。水稻籽粒产量随着灌浆时间的增加均呈现出上升的趋势，至第35 天时达到最高水平。T2处理籽粒干物质量在灌浆期内均高于T1、T3处理，在灌浆第14 天和第35 天时显著高于T1、T3 处理，说明T2 处理能促进水稻的生长，增强水稻灌浆能力，提高产量。

图3 不同水分管理条件下水稻灌浆期籽粒的干物质量Figure 3 Grain dry matter quality of rice under water management at grain filling stage

2.2 水分管理对水稻灌浆期植株各器官Cd含量的影响

水稻灌浆期根系Cd 含量变化情况如图4（a）所示。在第7 天和第14 天时，处理间水稻根系Cd 含量差异显著（P<0.05），与T2 相比，T1、T3 处理水稻根系Cd 含量分别降低10.2%~39.9%、40.5%~45.2%；第21、28、35 天时，T1 与T2、T3 处理差异显著（P<0.05），T2与T3 处理间无显著差异，T1 较T2、T3 处理水稻根系Cd 含量降低7.2%~43.7%、11.6%~44.2%。水稻灌浆期茎、糙米Cd 含量变化情况如图4（b）和图4（d）所示。整个灌浆期间，各处理水稻茎、糙米Cd含量差异显著（P<0.05），T2、T3 处理水稻茎Cd 含量较T1 处理分别降低51.5%~61.9%、84.2%~90.7%，糙米Cd 含量较T1 处理分别降低31.8%~50.1%、75.2%~80.1%。水稻叶Cd含量变化情况见图4（c），在整个灌浆期间，T1与T2、T3 处理水稻叶片Cd 含量差异显著（P<0.05），T2、T3 处理水稻叶Cd 含量较T1 处理分别下降12.8%~53.7%、33.5%~58.6%；第7 和第14 天时，T2 与T3 处理间差异显著（P<0.05），且T2>T3，第21、28、35天时无显著差异。研究表明，不同水分管理下水稻各器官Cd 吸收量存在差异，T2、T3 处理有利于Cd 从土壤界面向根系迁移，促进根Cd的吸收，但明显减少了水稻茎、叶、糙米中Cd的含量。

图4 不同水分管理条件下水稻灌浆期植株各器官的Cd含量Figure 4 Cd content in various organs of rice plants at grain filling stage under different water management conditions

2.3 水分管理对水稻灌浆期Cd伤流强度的影响

在整个灌浆期间，各处理Cd 伤流强度呈现出不同的变化趋势（图5）。T1、T2 处理Cd 伤流强度呈现先上升后下降的趋势，在第14 天时达到最大值，伤流强度分别是第21 天的2.60、3.45 倍。T3 处理Cd 伤流强度呈现逐渐上升的趋势，但始终处于较低水平。第7 天和第14 天时，处理间水稻Cd 伤流强度差异显著（P<0.05），且Cd伤流强度均为T1>T2>T3，其中T2、T3处理水稻Cd 伤流强度较T1 处理分别下降68.6%~73.0%、89.7%~92.7%；灌浆第21、28、35 天时，T1 与T2、T3 处理水稻Cd 伤流强度差异显著（P<0.05），T2与T3 处理无显著差异。研究表明，在水稻整个灌浆期间，水稻Cd由根到地上部转运时间的差异显著，其中灌浆开始至第14 天是水稻Cd 由根向地上部转移的关键时期，T2、T3 处理能显著降低Cd 由根系向地上部的转移。

图5 不同水分管理条件下水稻灌浆期Cd的伤流强度Figure 5 Cd damage flow intensity in rice grain filling stage under different water management conditions

2.4 水分管理对水稻灌浆期各器官Cd转移能力的影响

不同水分管理条件下水稻灌浆期各器官Cd转移系数不同（表1），处理间TF根-茎的转移能力为T1>T2>T3，T1、T2 处理呈现逐渐上升的趋势，第28 天时转移能力最强，T3处理处于较低水平。处理间TF茎-叶的转移能力为T3>T2>T1，T1 处理呈先下降后上升再下降的趋势，第28 天时转移能力最强；T2 处理呈“M”型变化趋势；T3处理呈现逐渐上升的趋势，第28天时达到最大值。TF茎-谷壳的转移能力均呈现先下降后上升的变化趋势，在第7 天时转运能力最强。第7 天时，TF茎-糙米的转移能力为T2>T3>T1；第35 天时，TF茎-糙米的转移能力为T3>T2>T1。以上说明淹水处理（T2、T3）能降低Cd 从根向茎的转移能力，提高Cd 在茎与叶、糙米间的转移。

表1 不同水分管理条件下水稻各器官Cd转移系数Table 1 Cd transport coefficients in various organs of rice under different water management conditions

2.5 水分管理对水稻灌浆期各器官Cd积累量的影响

不同水分管理条件下水稻灌浆期各器官Cd 积累情况不同（图6）。T1 处理各器官Cd 积累量大小为茎>根>糙米>叶>谷壳；T2 为根>茎>糙米>叶>谷壳；T3为根>茎>叶>糙米>谷壳。各处理水稻地上部各器官（茎、叶、糙米、谷壳）Cd 积累量大小均为T1>T2>T3。灌浆第35 天时，T2 处理水稻地上部各器官（茎、叶、谷壳、糙米）Cd 积累量分别较T1 降低37.4%、28.3%、42.0%和36.2%，T3 处理水稻地上部各器官（茎、叶、谷壳、糙米）Cd 积累量分别较T1 降低88.6%、35.4%、87.4%和76.3%，说明淹水处理（T2、T3）降低了水稻茎、叶、糙米、谷壳中Cd的积累。

图6 不同水分管理条件下水稻灌浆期各器官的Cd积累量Figure 6 Cd accumulation in various organs in rice grain filling stage under different water management conditions

不同水分管理条件下水稻灌浆期糙米Cd积累情况不同（表2）。灌浆开始至第7 天，处理间糙米Cd 变化量大小为T1>T2>T3；7~14 d 期间，处理间糙米Cd变化量大小为T2、T1>T3；14~35 d 期间，处理间糙米Cd 变化量大小均为T1>T2>T3。整个灌浆期间，T1、T3 处理糙米Cd 积累情况呈现出先上升后下降的趋势，T2 处理呈现出“M”的趋势，且各处理均在7~14 d期间达到最大值，T1、T2、T3 分别为0.94、0.93、0.30µg·格-1，该时期糙米Cd 积累贡献率占整个灌浆期间的29.19%、45.37%、39.47%。在14~21 d 期间，T2、T3处理糙米Cd 积累量较低，而T1 处理仍处于较高水平，其糙米Cd 贡献率是T2、T3 的4.2、1.7 倍，说明T2、T3 处理有效降低了糙米在该时期的Cd 积累。灌浆开始至第21天，T1、T2、T3处理糙米Cd积累的贡献率分别为78.0%、77.2%、72.4%，说明该阶段是水稻糙米Cd积累的高峰期。

表2 不同水分管理下水稻灌浆期不同阶段糙米Cd积累情况Table 2 Cd accumulation in brown rice at different stages of rice grain filling under different water management conditions

2.6 不同水分管理条件下水稻灌浆期茎、叶与糙米Cd含量的相关性分析

不同水分管理条件下水稻灌浆期茎、叶与籽粒Cd 含量的相关性见图7。整个灌浆期间，水稻茎Cd含量与糙米Cd 含量之间呈现显著正相关（P<0.01），相关系数（R）为0.965 6，方程为y=0.144 6x+0.024 4，糙米Cd含量为0.2 mg·kg-1时，茎Cd含量为1.214 mg·kg-1。水稻叶Cd 含量与糙米Cd 含量之间呈显著正相关（P<0.01），R为0.804 4，方程为y=1.011 7x-0.041 9。研究表明，灌浆期间糙米Cd 含量与水稻茎、叶Cd 含量密切相关，Cd从茎向糙米的转运更为重要。

图7 不同水分管理下水稻灌浆期茎、叶与糙米Cd含量的相关性Figure 7 Linear relationship diagram of correlation between Cd content in stem，leaf and brown rice at grain filling stage of rice under different water management conditions

3 讨论

3.1 水分管理与水稻糙米干质量的关系

水稻灌浆期间保持适量土壤水分有利于提高产量，而与连续淹水条件相比，土壤水分严重缺乏会导致产量降低[8]。本研究显示，与湿润灌溉和全生育期淹水相比，灌浆期淹水处理水稻产量显著增加，其原因可能是：灌浆期淹水处理在孕穗期阶段采用湿润灌溉方式，有助于水稻根系与氧气的接触，增强了根系活力；同时土壤养分活性增强，能更好地满足水稻养分需求。水稻灌浆期淹水有利于养分从根系向糙米的运输，提高灌浆效率；水分供应不足，水稻叶片光合速率下降[9]，不利于籽粒干物质的积累。与常规全生育期淹水不同，本研究在水稻分蘖末期进行了适度晒田处理，这不仅改善了土壤根系微环境，促进了根系的生长，也有效减少了无效分蘖，有利于水稻稳产[10]。

3.2 水分管理与水稻Cd伤流强度的关系

水稻伤流强度作为作物地上部与地下部联系的关键指标，其强弱能直接反映营养物质运输状态[11]，有助于更全面地了解不同阶段物质运输的情况。本研究表明，不同水分管理下水稻Cd 伤流强度存在较大差异，且湿润处理明显大于淹水处理。这一方面可能是与突发性淹水条件下水稻根系泌氧能力的改变[12]引起水稻根系有氧呼吸减弱，降低了Cd 的转移效率有关；另一方面可能是与水稻根系液泡滞留作用有关[13]。本研究发现，整个灌浆阶段，水稻Cd 伤流强度存在明显的变化且灌浆开始前两周Cd 含量较高，说明该阶段是Cd 转移的关键期。俄胜哲等[14]对水稻灌浆过程籽粒中Fe、Mn、Cu、Zn、Ca、Mg等元素的动态研究表明，在开花后矿质营养元素快速降低，开花20 d 后基本保持稳定，这与本研究结果相一致。另外，灌浆末期水稻Cd 伤流强度明显降低，但水稻叶片Cd含量仍处于较高水平，这可能与后期植株内部存在Cd的再分配有关，其中湿润灌溉下较为明显。

3.3 水分管理与水稻各器官Cd转移和积累的关系

Cd 被水稻根系吸收后，经过水稻根、茎、叶维管组织转运到籽粒。研究表明[15]，淹水条件可以降低水稻根系Cd 向上运输，地上部各器官（茎、叶、糙米）Cd含量均低于根系。本研究也显示，湿润灌溉处理水稻茎、叶Cd 含量高于淹水处理，成熟期叶片Cd 含量呈明显下降趋势而茎Cd 含量明显上升，但叶片Cd 在淹水条件下再分配情况较不明显。推断原因可能与水稻成熟期叶片逐渐枯黄，叶绿体减少而使叶片蒸腾作用减弱[16]，Cd 移动性减小有关；土壤淹水条件有利于营养物质的供给，叶片衰老减慢。另外，Wan 等[17]认为水稻Cd 主要通过两种途径从土壤转移至籽粒：一个是从根部吸附，通过木质部转移到芽，运输到叶片，最后通过韧皮部重新分配到籽粒的复杂过程；另一个是大多数籽粒Cd 的转运途径，即在水稻灌浆期通过木质部和维管由根部直接转移到发育中的籽粒。

水稻营养器官（根、茎、叶）对Cd的转移与积累是决定糙米中Cd 含量的关键[18]。本研究表明，在整个灌浆期，淹水处理水稻茎、叶、糙米Cd 含量均低于湿润处理，并且Cd 从根系向地上部的转移和糙米Cd 积累能力明显下降，灌浆期淹水处理能有效降低水稻籽粒Cd 的积累，这与已有报道相一致[19-20]。淹水条件下，Cd 以在根系积累为主，水稻茎Cd 积累量明显下降。吴佳等[21]和张雨婷等[22]也有类似发现。其原因可能是淹水条件有利于根表皮细胞层质外体的形成[23]，叶片气孔部分关闭，叶片光合速率减弱[24]，进而影响Cd 向地上部的转移。另有研究表明，淹水条件下水稻籽粒Cd 含量的减少与茎叶间Cd 流动性的改变有关[25]。水稻灌浆期淹水处理对籽粒Cd 积累的减少具有良好的效果，使糙米Cd 含量低于0.2 mg·kg-1，符合《食品安全国家标准食品中污染物限量》（GB 2762—2017），实现了Cd 轻度污染稻田的安全利用。本研究发现，水稻籽粒Cd 含量与水稻茎Cd 含量呈显著正相关，当茎Cd 含量≥1.214 mg·kg-1时，籽粒Cd 含量存在超标风险，说明水稻茎Cd 的含量是决定水稻籽粒Cd 积累量的关键，这与前人研究相一致[26]。淹水处理水稻茎和糙米Cd 含量显著降低，说明水稻茎Cd 含量的减少是籽粒Cd 积累量下降的主要原因之一。