国内对土壤-水稻系统镉富集影响因素的研究主要集中在特定区域的土壤上，土壤性质的差异会影响水稻对土壤中镉的吸附能力^{[1, 2, 3, 4, 5]}，主要结论有：水稻吸镉量与土壤镉含量呈显著正相关关系^{[5, 6, 7, 8, 9, 10, 11]}；土壤pH是影响水稻吸镉量的主要因素，一般情况下，水稻吸镉量与土壤pH呈负相关关系^{[11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27]}；土壤质地影响土壤对镉的吸附能力，进而影响水稻吸镉量，土壤中粘粒含量越多，对镉的吸附固定能力越强，促使水稻吸镉量也增加^{[18, 21, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35]}；土壤有机质是影响水稻吸镉量的又一主要因素，一般情况下，水稻吸镉量与土壤有机质含量呈负相关关系^{[5, 18, 19, 21, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45]}；土壤阳离子交换量（CEC）对水稻吸镉量也有一定的影响，一般情况下，水稻吸镉量与土壤CEC含量呈正相关关系^{[5, 18, 21, 27]}；水稻不同类型及品种间对土壤中镉的吸收、分配存在很大差异，多数研究结果表明^{[46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60]}，在水稻类型上，籼稻比粳稻的平均吸镉能力更强，但同一类型内品种间差异很大，造成类型间差异不显著。这些研究主要针对特定土壤进行，就全国范围而言，因土壤性质差别明显，其研究结果还不能代表全国尺度，故缺乏整体系统的研究。本文总结国内公开发表论文中的大量数据，以土壤-作物系统重金属生物富集的“土壤重金属含量-作物特性-土壤属性”关系理论^[62]作为分析依据，研究全国多个地区不同土壤性质和水稻类型对土壤-水稻系统Cd富集的影响规律，并按照土壤模式划分方法，划分出两个土壤模式进行对比分析，使研究结果具有更强的针对性。

本文收集了国内主要期刊所发表的土壤镉与水稻籽粒含镉量的相关论文^[62]，包括不同时间、不同空间的各类盆栽试验、大田试验及野外取样的数据，最终确定51篇公开发表的论文中的土壤全镉量与水稻籽粒含镉量的对应数据作为数据挖掘的样本。数据的筛选原则为，文章中既有水稻籽粒含镉量，又有与之相对应的数据，包括土壤含镉量、土壤pH、土壤质地、有机质（SOM）含量、土壤阳离子交换量（CEC）、水稻类型。因为可用数据少，所以复合污染条件下的数据也参与统计，以便揭示整体趋势。数据来源与分布情况见表 1。

表 1 水稻籽粒样本分布情况 Table 1 Distribution of rice grain samples

表选项

以样本土壤含镉量（横坐标）与水稻籽粒含镉量（纵坐标）制作散点图，基于不同pH范围、不同土壤质地、不同SOM、不同CEC以及不同水稻类型情况下，分析水稻籽粒含镉量与土壤含镉量的关系。

建模时为了尽量使用较少的自变量，简化土壤属性的影响，需要进行土壤模式划分，然后在不同模式下研究土壤模式-水稻系统含镉量的关系。土壤模式划分主要考虑三个土壤属性，即土壤pH、土壤质地和土壤有机质。本文以样本数量大于30个为筛选原则，依据土壤模式划分方法，将样本划分为中（中等有机质含量）-壤（壤土）-酸（酸性）和中（中等有机质含量）-壤（壤土）-碱（碱性）两个模式下进行对比。模式划分方法详见文献^[62]。

2.1 土壤pH对土壤-水稻籽粒系统镉富集的影响

按常用单位的土壤镉和水稻籽粒含镉量作图，存在数据过于集中，不利于具体分析的问题。对此，将土壤镉与水稻籽粒含镉量分别乘以1和1000后取以10为底的对数作图（水稻籽粒含镉量乘以1000后单位变为μg·kg^-1）。以下各图均以此方法制作散点图。

将参考文献中明确给出土壤pH的样本作为一个数据集，共计389个样本，其中 pH＜6.5的样本232个，6.5≤pH≤7.5的样本65个，pH>7.5的样本92个。绘制散点 图获得图 1，在散点图上分别作回归直线，得到线性回归方程如下：

pH＜6.5：y=0.535 8x+2.432（n=232，r=0.668 1^**，r_0.01=0.153 3）

6.5≤pH≤7.5：y=0.528 7x+2.047 1（n=65，r=0.516 3^**，r_0.01=0.315 0）

pH>7.5：y=0.639 5x+1.299 7（n=92，r=0.813 6^**，r_0.01=0.265 9）

全部样本：y=0.404 7x+2.048 8（n=389，r=0.457 9^**，r_0.01=0.129 1）

图 1 不同土壤 pH水稻籽粒含镉量与土壤含镉量关系 Figure1 Relationship between Cdrice grain and Cdsoil content under different soil pH

图选项

由图 1可以得出，土壤pH对土壤-水稻籽粒系统镉富集的影响显著，中性土壤和碱性土壤上的水稻籽粒吸镉能力与全部样本平均吸镉能力区别显著，水稻籽粒吸镉量顺序是中性土壤>酸性土壤>碱性土壤。这与公开发表的文献研究结果略有不同，多数研究表明^{[11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27]}，pH越高，土壤对镉的吸附和固定作用越强，因此水稻籽粒吸收的镉越少，图 1中的数据显示，在酸性土壤中水稻籽粒吸镉量比在中性土壤的吸镉量少，说明土壤质地、土壤SOM和CEC等土壤属性对水稻籽粒吸镉量产生一定的影响，数据中的两种土壤的有机质含量差别不明显，但中性土壤的质地大多是粘土，酸性土壤的质地大多是壤土。有研究表明水稻在粘土中比在壤土中籽粒的吸镉量高^[34]，这可能是导致水稻籽粒在酸性土壤中比中性土壤中的吸镉量少的主要原因。

将参考文献中明确给出土壤质地的样本作为一个数据集进行统计分析，其中砂土33个、壤土154个、粘土64个，共计251个样本。绘制散点图获得图 2，在散点图上分别作回归直线，得到线性回归方程如下：

砂土：y=0.409 9x+1.687 8（n=33，r=0.603 2^**，r_0.01=0.435 73）

壤土：y=0.242x+2.005 2（n=154，r=0.395 5^**，r_0.01=0.206 3）

粘土：y=0.500 7x+2.446 7（n=64，r=0.727 1^**，r_0.01=0.317 4）

全部样本：y=0.233 7x+2.127 5 （n=251，r= 0.348 9^**，r_0.01=0.153 5）

图 2 同土壤质地水稻籽粒含镉量与土壤含镉量关系 Figure2 Relationship between Cdrice grain and Cdsoil content under different soil texture

图选项

由图 2可以总结出，砂土和粘土上水稻籽粒吸镉能力与全部样本平均吸镉能力区别显著。土壤质地为粘土的样本水稻籽粒吸镉量明显比土壤质地为砂土和壤土的样本高，与陈京都等^[34]的数据分析结果基本一致，即添加外源镉后籽粒中镉含量升高，升高幅度粘土大于砂土。然而，一些研究指出^{[18, 21, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35]}，土壤粘粒越多对游离态镉的吸附能力越强，致使植物能够吸取的镉相对减少，与本文结果不一致。砂性土壤由于保水保肥能力差，处于生物有效性的镉容易被雨水淋溶而流失，尽管这类土壤生物有效性镉占全镉的比例较大，但生物有效性镉总量往往不高，因而植物能够吸取的镉相对减少，与本文结果一致，即砂土中水稻籽粒吸镉量偏少。可见，由于土壤pH、有机质和CEC等其他因素的影响，导致粘土上的样本水稻籽粒吸镉量明显偏高，砂土和壤土上的样本水稻籽粒吸镉量差异并不显著。

将参考文献中明确给出土壤有机质的样本作为一个数据集进行统计分析，共计380个样本，其中SOM＜20 g·kg^-1（简称低）的样本182个、20 g·kg^-1≤SOM≤30 g·kg^-1（简称中）的样本120个、SOM>30 g·kg^-1（简称高）的样本78个。绘制散点图获得图 3，在散点图上分别作回归直线，得到线性回归方程如下：

SOM＜20 g·kg^-1：y=0.452 3x+1.987 2（n=182，r=0.473 1^**，r_0.01=0.190 0 ）

20 g·kg^-1≤SOM≤30 g·kg^-1：y=0.107 6x+2.296 9（n=120，r=0.179 4^**，r_0.05=0.178 6）

SOM>30 g·kg^-1：y=1.042 5x+1.669 8（n=78，r=0.769 2^**，r_0.01=0.288 2 ）

全部样本：y=0.405 8x+2.061 2（n=380，r=0.466 2^**，r_0.01=0.130 5）

图 3 不同土壤有机质水稻籽粒含镉量与土壤含镉量关系 Figure3 Relationship between Cdrice grain and Cdsoil content under different SOM

图选项

由图 3可以得出，低档有机质含量土壤上的样本吸镉能力与全部样本的平均吸镉能力相近，土壤有机质含量对土壤-水稻籽粒系统镉富集的影响规律与以往研究结果有所不同，在土壤镉含量约低于5 mg·kg^-1[图上土壤镉单位为lg（mg·kg^-1），在图上为0.7附近]时，水稻籽粒吸镉量顺序为中档SOM>低档SOM>高档SOM，但土壤镉含量约高于5 mg·kg^-1时，高档SOM>低档SOM>中档SOM。这说明土壤其他属性对水稻吸镉量产生很大影响，导致水稻吸镉量与土壤有机质含量并没有呈显著的正相关或负相关的关系。一些研究指出，土壤有机质含量的增加显著抑制了外源Cd的有效性^{[36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45]}，有效态的离子量越多越便于植物根系的吸收和积累^[61]，土壤有机质主要通过络合作用与金属离子结合。有研究表明，有机质是影响土壤Cd2+吸附最主要的因素，且呈正相关关系^[26]。

2.4 土壤CEC对土壤-水稻籽粒系统镉富集的影响

将参考文献中明确给出土壤阳离子交换量的样本作为一个数据集进行统计分析，其中CEC＜15 cmol·kg^-1的样本59个、15 cmol·kg^-1≤CEC≤20 cmol·kg^-1的样本137个、CEC>20 cmol·kg^-1的样本35个，共计231个样本。绘制散点图获得图 4，在散点图上分别作回归直线，得到线性回归方程如下：

CEC＜15 cmol·kg^-1：y=0.362 5x+2.160 6（n=59，r=0.334 8^**，r_0.01=0.330 1）

15 cmol·kg^-1≤CEC≤20 cmol·kg^-1：y=0.671 8x+1.335 4（n=137，r=0.827 5^**，r_0.01=0.218 6）

CEC>20 cmol·kg^-1：y=0.232 4x+2.284 5（n=35，r=0.505 8^**，r_0.01=0.423 8）

全部样本：y=0.461 4x+1.769 9（n=231，r=0.545 1^**，r_0.01=0.153 1）

图 4 不同土壤阳离子交换量水稻籽粒含镉量与土壤含镉量关系 Figure4 Relationship between Cdrice grain and Cdsoil content under different soil CEC

图选项

由图 4可以得出，高中低含量CEC土壤上的样本与全部样本的吸镉能力差别均比较显著，土壤CEC含量越高，样本吸镉能力越相近，CEC＜15 cmol·kg^-1的样本与CEC>20 cmol·kg^-1的样本水稻籽粒吸镉量均比15 cmol·kg^-1≤CEC≤20 cmol·kg^-1的水稻籽粒吸镉量高。这与以往研究结论有些不同，鲁如坤等^[5]认为，一般随着土壤阳离子交换量增大，植物吸镉量减少；普锦成等^[18]认为阳离子交换量增加减少了土壤交换态镉含量，可能与高CEC土壤对重金属具有较强的专性吸附和固定作用有关。这些结论应该以其他土壤属性基本相近为前提。图 4数据中15 cmol·kg^-1≤CEC≤20 cmol·kg^-1的土壤pH比其他两组数据的pH偏高，前面提到pH越高，土壤对镉的吸附和固定作用越强，因此水稻籽粒吸收的镉随之减少。这可能是导致其样本籽粒吸镉量明显偏少的主要原因。其他土壤属性的不同，致使CEC＜15 cmol·kg^-1的样本与CEC＞20 cmol·kg^-1的样本水稻籽粒吸镉量差别不明显。

将参考文献中明确给出水稻类型的样本作为一个数据集进行统计分析，其中籼稻142个，粳稻33个，共计175个样本。绘制散点图获得图 5，在散点图上分别作回归直线，得到线性回归方程如下：

籼稻：y=0.595 1x+2.166 8（n=142，r=0.616 9^**，r_0.01=0.214 8）

粳稻：y=0.276 8x+2.472（n=33，r=0.578 6^**，r_0.01=0.435 7）

全部样本：y=0.536 5x+2.192 9（n=175，r=0.609 8^**，r_0.01=0.193 7）

图 5 不同水稻类型水稻籽粒含镉量与土壤含镉量关系 Figure5 Relationship between Cdrice grain and Cdsoil content under different rice types

图选项

由图 5可以得出，籼稻与全部样本的吸镉能力接近，主要原因是籼稻样本比较多。水稻类型对土壤-水稻籽粒系统镉富集的影响不大，即粳稻籽粒与籼稻籽粒吸镉量区别不大，与徐燕玲等^[53] 研究结果一致。图 5数据中明确给出样品中水稻品种数量共有40余种，说明水稻不同类型的不同品种对水稻籽粒吸镉能力差异显著。以往大部分研究都表明，水稻不同品种对镉的积累能力差异显著^{[46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60]}；一些研究表明^{[47, 48, 52]}，水稻对镉的积累能力表现为籼型>新株型（或杂交型）>粳型。但针对常规稻和杂交稻的镉积累能力，研究结果不尽相同^{[50, 51, 55, 56, 58]}。

以往研究结果提到的籼稻吸镉量大于粳稻吸镉量仅在其实验条件下满足，并不适用于不同类型的全部水稻品种。当前的这些研究工作表明水稻籽粒中重金属含量不仅在品种间达到显著差异，而且在水稻的品种类型间也达到显著性差异，但是这些研究结果之间存在一些差异或矛盾，可能是采样时土壤、水分等实验条件不同引起的。

上面针对不同土壤性质情况下，水稻籽粒对镉的富集能力研究结果规律性不明显，主要原因是，当研究某一种土壤性质对水稻籽粒的镉富集能力影响时，其他土壤性质会破坏研究结果的规律性，只有当其他土壤性质一致的条件下，研究某一土壤性质对水稻籽粒的镉富集能力影响才有意义和说服力。因此引入土壤模式划分方法^[62]。

依据土壤模式划分方法，考虑土壤pH、土壤质地和土壤有机质3种土壤属性，将其划分为3个档次。土壤有机质3个档次划分为低于20.0 g·kg^-1（低）、20.0～30.0 g·kg^-1（中）、高于30.0 g·kg^-1（高）；按质地分为砂、壤、粘；按pH分为6.5以下（酸）、6.5~7.5（中）、7.5以上（碱）。样本数量大于30个的样本参与模式划分，最终筛选出中-壤-酸和中-壤-碱两个土壤模式，样本数量分别为54个和73个。绘制散点图获得图 6，在散点图上分别作回归直线，得到线性回归方程如下：

y=1.539 8x+1.003 5（n=54，r=0.678 7^**，r_0.01=0.344 5）

y=0.644 7x+1.287 4（n=73，r=0.840 1^**，r_0.01=0.297 7）

图 6 两种土壤模式水稻籽粒含镉量与土壤含镉量关系 Figure6 Relationship between Cdrice grain and Cdsoil content under two soil pattern

图选项

从图 6可以得出，在土壤有机质含量为中，土壤质地为壤土情况下，碱性土壤上水稻籽粒吸镉量比酸性土壤上的明显偏低，符合一般规律，并且中等有机质含量和壤土居多，所以可以推断以上结果的广泛适用性。

为了进一步研究作物吸镉量与土壤含镉量、土壤性质之间的关系，对水稻籽粒含镉量、土壤全镉、pH、有机质、阳离子交换量之间的相关关系见表 2。水稻籽粒含镉量与土壤镉呈极显著正相关，与土壤有机质含量呈极显著负相关，与土壤pH呈负相关，与阳离子交换量相关性则不强，与王维^[10]研究结果相近。

表 2 水稻籽粒—土壤各指标相关关系 Table 2 Correlation coefficients between rice grain and soil properties

表选项

对水稻籽粒含镉量与土壤性质建立多元回归分析，当CEC参与建模时，CEC的显著性水平最高，考虑CEC不参与建模进行对比分析，见表 3。

表 3 基于土壤性质的水稻籽粒镉含量预测模型及相关参数 Table 3 Cd_grain prediction model and related parameters based on soil properties

表选项

考虑CEC时，模型中常量、土壤镉、pH对应的显著性水平均为0，有机质对应的显著性水平为0.002，CEC对应的显著性水平为0.144。

剔除CEC后，模型中常量、土壤镉、pH对应的显著性水平均为0，有机质对应的显著性水平为0.002。如果显著性水平0.01＜P＜0.05则为差异显著，如果P＜0.01则差异极显著。

利用水稻籽粒含镉量的实际值与两个模型的预测值建立散点图（图 7），分别作回归直线，得到如下回归方程：

考虑CEC时，水稻籽粒镉含量预测模型为：

y= 0.450 4x+0.977 5，决定系数R²=0.443 7

剔除CEC时，水稻籽粒镉含量预测模型为：

y= 0.440 5x+1.212 8，决定系数R²=0.442 8

图 7 两种预测方法水稻籽粒含镉量实际值与预测值对比 Figure7 Comparison of predicted and actual Cdrice grain content under two prediction methods

图选项

从图 7可见，无CEC的预测值比带CEC的预测值整体偏高；与1∶1直线对比发现，两个预测模型在数据越向两端移动，预测值与实际值偏差越大。满足不同预测误差范围时，将样本数量占全部样本的比例进行对比得到图 8；当预测误差＜5（或10）时，无CEC的模型样本数比带CEC的样本数多，两个模型预测误差＜15%的样本数量最接近。以此为界，随着预测误差范围的扩大，带CEC的模型样本比无CEC的样本多。可以得出，无CEC模型预测精度高的样本数多，但带CEC模型预测误差＜30%覆盖的样本最多。

图 8 两个预测模型不同误差的样本比例 Figure8 Distribution of percentages of samples with different errors under two prediction models

图选项

水稻类型对土壤-水稻籽粒系统镉富集的影响不大，但水稻不同品种对镉的积累能力差异显著。以往研究表明，水稻不同品种对镉的积累能力差异显著，但针对具体品种和类型的研究结果之间存在一些差异或矛盾，可能是由于实验条件和土壤因素的不统一引起的。

如果研究土壤单一属性对水稻籽粒镉的富集规律，需要在其他土壤属性保持一致的前提下进行，说明土壤模式划分的重要性。本文在已有数据基础上，建立两个土壤模式：在土壤有机质含量为中，土壤质地为壤土情况下，水稻籽粒的吸镉能力为碱性土壤＜酸性土壤，符合一般规律，表明在其他土壤性质一定的情况下，研究单一土壤因素对作物的吸镉能力更有实际意义。