水分管理對不同季別水稻稻米鎘積累的影響

顏旭，周群豐，廖博通，嚴天澤，李艷鋒，王凱，楊遠柱，3*

（1袁隆平農業高科技股份有限公司/農業農村部南方水稻品種創制重點實驗室/抗病蟲水稻育種湖南省工程實驗室，長沙 410127；2華中農業大學植物科學技術學院，武漢 430070；3湖南亞華種業科學研究院，寧鄉 410604；4湖南人文科技學院農業與生物技術學院，婁底 417099）

鎘為人體非必需元素，過度攝入鎘可導致人發生鎘中毒［1］。世界衛生組織將鎘列為重點關注的食品污染物；國際癌癥研究機構（IARC）將鎘歸類為人類致癌物，會對人類健康造成嚴重的損害；美國毒物和疾病登記署（ATSDR）將鎘列為第7位危害人體健康的物質；我國也將鎘列為實施排放總量控制的重點監控指標之一。水稻是全球三大糧食作物之一和半數以上人口的主食，也是強吸收鎘的大宗谷類作物之一［2］。因此，在水稻生產中有效降低稻米的鎘積累量對確保稻米食用安全具有重要意義。

鎘污染稻田中，不同水分管理方式對稻米鎘積累影響顯著，全生育期淹水能顯著降低稻米鎘含量，獲得符合國家安全標準的稻米［3，4］。然而，全生育期淹水管理需水量大，易造成水體面源污染、水稻的抗逆性下降、易發生病害和倒伏、肥料流失等問題，而且長期淹水在降低稻米鎘含量的同時會顯著提高另外一種重金屬元素砷在稻米中的積累［5-7］。在水稻的整個生育期中，抽穗期對水分敏感程度最高，此時期的水分管理對稻米鎘含量影響顯著［8］。而不同的水稻品種，對水分管理的響應不一。因此，水稻生產中應根據品種特性選擇合適的水分管理模式，在降低糙米鎘和砷含量的同時節約水資源。前人對稻米鎘積累特性的研究，有的側重于水分管理方式，如：全生育期淹水［9］、干濕交替［10］、不同生育期淹水［11］等方面，沒有考慮不同品種類型所需淹水方式不同；有的側重于不同品種類型糙米鎘積累的差異［12］，沒有考慮淹水方式對不同品種類型的影響。

本研究以袁隆平農業高科技股份有限公司主推的代表性早秈、中秈和一季晚秈品種為對象，研究抽穗后不同淹水天數對稻米鎘含量的影響，旨在明確不同類型水稻品種不同淹水（天數）管理條件下稻米鎘含量變化規律，為市場上主推水稻品種的低鎘生產提供技術參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

盆栽試驗于2018和2019年6—9月在隆平高科關山育種基地進行，所用土壤采集自湖南省長沙市附近的不同鎘污染區。根據土壤環境質量標準（GB15618-1995）和《耕地土壤重金屬污染評價技術研究：以土壤中鉛和鎘污染為例》中的耕地土壤重金屬累積性污染單項污染指數等級劃分標準劃分為未污染、輕度污染和中度污染3個等級（土壤基本情況見表1）。所采集的土壤經風干后過5 mm篩，混勻，裝入20 cm×26 cm的塑料桶中，每桶裝土10 kg，標記污染程度。

表1 試驗土壤基本概況Table 1 Basic situation of trail soil

試驗所采用的水稻品種包括5個早秈雜交稻品種（株兩優819、株兩優211、鈺兩優611、鈺兩優771和陵兩優268）、8個中秈或一季晚秈雜交稻品種（隆兩優華占、晶兩優華占、隆兩優534、晶兩優534、悅兩優2646、豐兩優4號、隆晶優蒂占和振兩優3228）。

1.2 試驗方法

試驗設置品種、土壤鎘污染程度及水分管理3個因素。鎘污染土壤包括未污染（Cd1）、輕度污染（Cd2）和中度污染（Cd3）3個處理；水分管理方式分為抽穗后7 d（A1）、14 d（A2）、21 d（A3）和28 d（A4）開始干水管理和全生育期淹水（A5）管理，淹水深度5 cm。

水分管理具體實施措施為：在180 cm×103 cm×67 cm的塑料水池側面底部安裝排水閥，將20 cm×26 cm的塑料盆底部及側面各鉆4個排水孔作為栽培桶，將秧苗移栽進栽培桶后放入塑料水池中進行統一水分管理（圖1）。淹水處理為將塑料水池灌水至剛好淹沒栽培桶，干水處理為將塑料水池排水閥門擰開將水放干。為防止過度干旱，每天17∶00左右將塑料水池灌水浸泡10 min，然后放干。

圖1 水稻栽培桶（左）、套池（中）、栽培效果圖（右）Fig.1 Bucket for rice planting（left），plastic pool（middle），actual effect（right）

每處理3盆作為3個重復，每盆3穴，單株插植。每盆一次性施入12 g復合肥（N、P、K含量均為15%）作基肥。

1.3 取樣與測定方法

待水稻種子90%黃熟后開始收獲，每盆全收并單獨裝袋。籽粒曬干后碾成糙米。2018年試驗樣品依據GB 5009.15-2014使用原子吸收分光光度計檢測鎘含量，2019年試驗樣品用稻米重金屬檢測儀鋼研納克NK-100FA檢測。

1.4 數據處理

所有試驗數據采用Microsoft Excel 2019及SPSS 18.0軟件進行處理及分析。

2 結果與分析

2.1 土壤鎘含量、水分管理和品種與稻米鎘含量的相關性分析

對稻米鎘積累量進行聯合方差分析，結果表明，稻米鎘含量在不同品種、土壤污染水平、水分管理方式間差異都達到極顯著水平，其中土壤污染水平與水分管理方式貢獻的稻米鎘積累量總方差變異最大，2018年和2019年分別達73%和76%（表2）。多因素互作方面，品種與土壤鎘污染水平、土壤鎘污染水平與水分管理的互作對稻米鎘積累量的影響均達到極顯著水平，但僅貢獻了稻米鎘積累量總方差變異的5%左右。品種與水分管理、品種與土壤鎘污染水平和水分管理的互作對稻米鎘積累量的影響不顯著。

表2 土壤鎘含量、水分管理和品種對稻米鎘含量影響的三因素方差分析Table 2 Variance analysis of three factors of soil cadmium content，water management and rice varieties on cadmium content in Rice

2.2 不同淹水時間對早稻稻米鎘積累的影響

在2年的未污染土壤中，早稻品種的稻米鎘含量均未超過國家食品安全標準（0.2 mg/kg），表明在未污染土壤中開展早稻生產不存在稻米鎘污染風險，可以根據品種本身的栽培要點合理進行灌溉管理（圖2）。在輕污染土壤試驗中，除株兩優819外，所有品種在抽穗后7 d進行干水管理均存在稻米鎘污染風險；除鈺兩優771外，抽穗14 d后開始干水管理，所有品種的稻米鎘含量均未超過0.2 mg/kg；抽穗后21 d開始干水管理，在輕污染土壤中開展早稻生產不存在稻米鎘污染風險。在中污染土壤試驗中，2年試驗結果差異較大，但總體上鈺兩優771的稻米鎘積累能力較強，在2年試驗所有處理中其稻米鎘含量均超標或接近超標水平，株兩優211、鈺兩優611和陵兩優268與鎘低積累應急性品種株兩優819具有相似或更低的稻米鎘低積累能力；除鈺兩優771外，其他早稻品種在全生育期淹水的情況下其稻米鎘含量均達到國家食品安全標準。

圖2 不同淹水時間處理雜交早稻稻米鎘含量Fig.2 Cadmium content in early-season hybrid rice treated by different flooding time

2.3 不同淹水時間對一季雜交稻稻米鎘含量的影響

從圖3可見，在未污染土壤中，一季雜交稻稻米鎘含量與早稻結果一致；在輕污染土壤中，隆兩優534、晶兩優534、悅兩優2646、隆晶優蒂占和豐兩優4號稻米鎘含量在所有水分管理條件下均未超過國家食品安全標準；在中污染土壤中，在抽穗后28 d開始干水管理，所有品種都不存在稻米鎘污染風險。悅兩優2646、隆晶優蒂占和豐兩優4號在輕污染和中污染土壤中均表現出較低的鎘積累能力，在抽穗7 d后開始干水管理，其稻米鎘含量仍可達到國家食品安全標準。

圖3 不同淹水時間處理一季雜交稻稻米鎘含量Fig.3 Cadmium content in single-season hybrid rice treated by different flooding time

3 討論

研究表明，土壤微環境條件可通過影響鎘的存在形式而影響水稻對鎘的吸收［13，14］。張麗娜等［9］研究了不同水分管理方式對水稻產量和稻米鎘積累的影響，發現全生育期淹水處理的水稻糙米鎘含量最低，而旱作栽培處理最高。Arao等［15］研究了不同時期水分管理對稻米鎘和砷積累的影響，發現抽穗前后3周長時間淹水對降低稻米中的鎘含量最有效，全生育期淹水處理的稻米鎘含量最低，而抽穗后淹水3周比抽穗前淹水3周更為有效。張磊等［12］發現，不同品種類型的糙米鎘含量表現為雜交稻＞超級雜交稻＞常規稻。陳光輝等［8］發現，晚稻品種糙米鎘含量比早稻品種低，約為早稻品種的1/2。本研究發現不論是早稻、中稻還是晚稻，抽穗后隨著淹水天數的增加糙米鎘含量顯著下降，且都可以通過特定的水分管理方式，在輕度、中度鎘污染稻田上生產出符合國家安全標準的稻米。在無絕對鎘低積累品種的情況下，在稻米鎘污染土壤中開展水稻生產，有必要針對各品種開展最佳水分管理方式研究，進而在確保稻米鎘含量符合國家食品安全標準的前提下，兼顧高產和節約水資源。

4 結論

本試驗分析了不同的淹水時間對鎘含量不同的土壤中早稻和一季雜交稻稻米鎘含量的影響，結果顯示，在無污染土壤中種植的水稻糙米鎘含量均符合國家安全標準，可以根據其高產優質栽培措施選擇合適的水分管理方式；在輕污染地區采取抽穗后淹水21 d的處理方式，生產的水稻均能達到國家安全標準；在中污染地區，采取早稻全生育期淹水、中稻以及一季晚稻抽穗后淹水28 d處理，生產的稻米也基本上都能符合國家安全標準；鎘低積累品種在中污染地區有較好的表現，淹水7 d就能符合安全標準。株兩優211、鈺兩優611、隆兩優534、晶兩優534、悅兩優2646、隆晶優蒂占和豐兩優4號等品種稻米鎘積累能力與湖南省應急性鎘低積累水稻品種（株兩優819和晶兩優華占）相當或比其更低。研究結果對試驗品種株兩優819、株兩優211、鈺兩優611、鈺兩優771、陵兩優26、隆兩優華占、晶兩優華占、隆兩優534、晶兩優534、悅兩優2646、豐兩優4號、隆晶優蒂占和振兩優3228以及其他水稻品種的推廣和低鎘生產具有重要指導意義。