镉（Cd）是生理毒性极强的重金属元素。土壤镉污染不仅影响作物产量和品质，还可通过食物链危害人体健康，其潜在的健康风险受到广泛关注。环保部与国土资源部联合公布的全国土壤污染公报显示全国耕地土壤点位超标率高达19.4%，其中以镉污染最为严重，样点超标率达到7.0%，每年生产的镉含量超标农产品已超过14.6亿kg，形势十分严峻^{[1, 2, 3, 4]}。农艺调控措施治理镉污染土壤具有经济成本低、操作简单等优点^[5]。已有的研究结果均显示，农田水分调控、低镉积累品种种植、土壤pH值调节、叶面喷施拮抗物质和合理施用化肥等单项农艺措施均能有效降低土壤镉的有效性，减少植物对镉的吸收^{[6, 7, 8, 9]}。然而，由于现实生产过程中条件限制，单一的农艺调控措施往往很难达到安全生产的要求，研究不同农艺调控措施及其组合对控制水稻吸收和积累镉的效果具有重要的现实意义。本文以亚热带地区典型稻田土壤为对象，研究低镉积累品种种植（V）、全生育期淹水灌溉（I）和施用生石灰调节土壤pH值（P）等农艺调控措施及其不同组合对水稻镉累积的影响，并探讨了其作用机理。研究结果可为大面积镉污染稻田实现农业安全生产提供理论依据和技术支撑。 1 材料与方法 1.1 材料

供试水稻品种为中早39、湘早籼24号，由湖南省水稻研究所提供。根据项目组前期研究结果，中早39为相对低镉积累水稻品种，湘早籼24号为镉吸收和累积能力较强的水稻品种。在本研究中，湘早籼24号为对照品种。

供试土壤为河沙泥，其主要理化性质如表 1所示。

表 1 供试土壤基本理化性质 Table 1 Basic prosperities of tested soil

表选项

试验以对照品种、常规灌溉和不施用生石灰为对照（CK），设置种植低镉积累水稻品种（Variety，V）、全生育期淹水灌溉（Irrigation，I）、施用生石灰调节土壤pH值（P），和全生育期淹水＋施用生石灰（IP）、全生育期淹水＋低镉积累品种（IV）、施用生石灰＋低镉积累品种（PV）、全生育期淹水＋施用生石灰＋低镉积累品种（VIP）共7个农艺措施处理，均为3次重复。

试验于2014年3月下旬起在亚热带农业生态研究所盆栽试验场进行，盆栽所用盆钵为直径35 cm、高28 cm的无镉塑料桶，每桶装土18 kg，并按每千克土均匀添加0.60 mg镉（由CdCl₂·5H₂O化合物提供Cd），淹水陈化20 d后，依相关试验处理加入0.2 g·kg^-1生石灰，充分搅拌摇匀、平衡3 d后，每桶再添加尿素0.9 g·kg^-1（含N 46%）、钙镁磷肥4.8 g·kg^-1（含P₂O₅ 12%）、氯化钾1.5 g·kg^-1（含K₂O 60%）作为基肥，移栽水稻，每桶3株，呈品字型种植。移栽14 d和30 d后，分别追施尿素0.3 g·kg^-1。除灌水外，其他按常规方法进行日常管理。 1.3 样品采集与分析

施生石灰前及水稻收获后用不锈钢土钻采集盆内土样，经自然风干后分别过1 mm和0.15 mm尼龙筛，备用。土壤全镉含量采用王水-高氯酸消化，ICP-OES测定（Varian 720，美国），土壤pH、速效磷采用常规分析法测定^[10]，土壤有机质采用碳氮分析仪直接测定（Vario MAXC/N，德国）。提取态镉采用1 mol·L^-1 NH₄OAc溶液（1∶5，m/V）提取2 h，ICP-OES测定^[11]。作物收获时，按稻草、稻谷分别取样。稻谷用微型脱壳机分离为糙米与稻壳。植株样品烘干后用不锈钢粉粹机粉粹，硝酸-高氯酸消化，ICP-OES测定^[10]。

试验数据采用Excel2007与SPSS18进行分析。 2 结果与分析 2.1 农艺调控措施对水稻产量和生物量的影响

试验结果表明（表 2），不同水稻品种间产量和生物量存在明显差异，中早39号（低镉品种）产量和生物量均明显高于对照品种。同一品种条件下，调节土壤pH值（P）和全生育期淹水灌溉（I）也能一定程度提高水稻生物量和产量。与对照相比，I、P、IP处理的生物量、产量和千粒重略高于对照，但其差异均未达到显著水平。与低镉积累品种（V）处理相比，IV、PV和VIP处理的生物量、产量和千粒重均显著提高，其中以VIP处理效果最佳，提高幅度分别达到57.4%、260%、20.7%。

表 2 不同农艺调控措施对水稻生物量和产量的影响 （g） Table 2 Effects of Agronomy measures on biomass and yield of rice

表选项

从表 3可以看出，V、I、IV处理能在一定程度上提高土壤pH、降低提取态镉含量，但与对照相比其差异均未达到显著水平。与对照相比IP、P、PV、VIP处理均显著提高了土壤pH，降低提取态镉含量，其中以P处理效果最好，土壤pH提高了0.8个单位，提取态镉含量降低了38.4%。

表 3 不同农艺调控措施处理对土壤 pH、 提取态镉含量的影响 Table 3 Effects of different agronomic measures on pH and extractable Cd in soil

表选项

对不同农艺调控措施处理下土壤pH与土壤中NH₄OAc提取态镉含量进行的相关性分析结果表明（图 1），不同农艺措施处理下土壤pH与土壤NH₄OAc提取态镉含量存在极显著的负相关关系，决定系数（R²）达到0.671（P<0.000 1）。这说明，随着土壤pH值的提高，土壤提取态镉含量明显降低。

图 1 土壤提取态镉含量与土壤 pH 的相关关系 Figure 1 Correlation between extractable Cd content and pH in soil

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图 2显示不同农艺调控措施处理下，水稻地上部镉含量均不同程度降低。处理I能有效降低糙米镉含量，但与对照相比，差异不显著。其他农艺处理措施均显著降低糙米镉含量，以VIP处理效果最好，降低了61.5%，其后糙米降镉效果依次是IP>PV＞P>V＞IV＞I。与糙米相比，稻壳降镉效果同样以VIP处理效果最佳，降幅达到70.9%；有所不同的是处理V虽能降低稻壳镉含量，但与对照相比，差异不显著，其他农艺处理措施处理均能显著降低稻壳镉含量，降镉效果依次是IP>PV＞IV≥P>I＞V。不同水稻品种与不同农艺措施组合下，稻草镉含量存在差异，与对照相比，处理V中早39（低镉积累品种）降镉效果不显著；但与I、P相比，处理I与IV之间、P与PV之间存在显著性差异，稻草镉含量均明显高于对照品种。与低镉积累品种相比，I、IP、P处理能显著降低稻草镉含量，以处理I效果最好，降幅达到45.6%，VIP次之。从图 2还可以看出，水稻地上部分对镉的富集作用在各处理水平下均表现出稻草＞稻米＞稻壳的趋势。

图 2 不同农艺调控措施对水稻地上部镉含量的影响 Figure 2 Effects of different agronomic measures on Cd content in aboveground parts of rice

图选项

表 4显示，V、P处理对糙米、稻壳、稻草镉含量有显著（P<0.05）或极显著（P<0.01）影响；处理I与对照相比虽能显著降低稻草镉含量，但与处理IP与P，IV与V，PV与VIP之间相比，均在稻米、稻壳、稻草中不显著（图 2）。所以处理I没有存在显著的交互作用（P>0.05）。处理I与P条件之间的交互作用均达到极显著水平（P<0.01），但V与P、V与I以及三种措施之间的交互作用大多未达到显著水平（P>0.05）。

表 4 水稻地上部镉含量变化的影响因子分析 Table 4 Interactions of various factors on Cd content in aboveground parts of rice

表选项

NH₄OAc提取态镉常用来评价土壤中镉的作物有效性。从图 3可以看出，不同农艺处理土壤提取态镉与常规水稻、低镉水稻植株体内镉含量的相关性分析结果表明：对照品种糙米、稻壳和稻草的镉含量与土壤提取态镉均呈极显著的正相关关系，其决定系数（R²）分别达到0.537、0.510和0.311（P<0.01）；低镉积累品种植株的镉含量也与土壤提取态镉含量呈极显著的正相关关系，决定系数（R²）分别为0.417、0.322、0.491（P<0.01）。

图 3 不同品种水稻地上部分镉含量与土壤提取态镉含量的相关关系 Figure 3 Correlation between Cd content in different rice varietiesand extractable Cd in soil

图选项

不同单项农艺调控措施不仅能降低水稻地上部分镉含量，而且对稻谷和水稻的生物量有显著影响，与Li等^[12]施用石灰可使水稻籽粒增产12.5~16.5 kg的研究结果以及纪雄辉等^[13]全生育期淹水的水稻产量较常规管理产量较高的盆栽试验研究结果相符。吴启堂等^[14]的研究表明，生长在同一污染土壤上的不同品种杂交稻，产量较高的同时，糙米镉含量也较高。然而，张丽娜等^[15]研究表明，全生育期淹水栽培具有一定的产量水平，但水稻糙米中镉含量更低。这可能表明不同品种水稻的产量、生物量与水稻镉含量并无直接联系。

全生育期淹水灌溉能降低污染土壤中镉的活性，从而控制其在土壤-植物系统中的迁移^[13]，而本研究的结果表明在河沙泥水稻土中处理I对土壤中有效态镉含量、pH无显著影响，与郑绍建等^[16]研究结果不同。其原因可能是本试验期间的气候因素所致。据统计年鉴公布的数据显示^[17]：历年长沙降雨量年均约1400 mm，而在本试验水稻生长期间（2014年5月1日至7月15日）的降雨日有43 d、降雨量达到684.7 mm，且降雨分布极为均匀，平均每隔3~5 d便有一次降雨过程，导致对照处理基本上处于全生育期淹水状态；同时，长期雨水天气导致水稻蒸腾作用显著减弱，也可能影响镉向水稻地上部分的迁移与积累。因此，水分管理对水稻吸收镉的机理还有待进一步研究。调节pH的组合农艺措施均能显著提高土壤pH，降低土壤有效态镉含量。这可能由于土壤pH值控制着土壤-溶液系统中重金属的溶解平衡，影响土壤中重金属的有效性^{[18, 19]}。施用石灰能显著提高土壤的pH，降低土壤金属的有效性。这一结果与张青等^[20]、徐明岗等^[21]的研究结果基本一致。农艺措施处理V虽然对水稻产量有一定影响，但对土壤pH、提取态镉含量并无显著影响。这可能是因为低积累型水稻品种糙米镉含量主要由基因决定，不同品种水稻镉向糙米的迁移率差异明显所致，但其具体的生理生化及遗传学机理还有待研究^{[14, 22]}。统计分析发现（图 1），NH₄OAc提取态镉与土壤pH相关性达到极显著水平（P<0.000 1），可见调节pH是引起土壤中镉形态变化及作物有效性降低的重要原因。

张青等^[20]研究发现施用石灰不但可以有效降低小油菜对镉的吸收，且对添加外源镉的红壤上生长的小油菜的生长状况有一定的改善作用；刘昭兵等^[23]的研究表明，全生育期淹水处理的水稻产量相对较高，而土壤有效态镉和水稻茎叶、糙米镉含量均为最低；曾翔等^[24]和唐贞等^[25]根据水稻品种镉积累的差异，对低积累水稻品种进行了筛选，其结果都是常规稻糙米镉含量低于杂交稻。本试验结果表明，在河沙泥土壤中各单项农艺措施处理都可以降低镉污染水稻土中镉的有效性，从而减少水稻地上部对镉的吸收，其降镉效果和产量均以种植镉低积累品种结合土壤pH值调节和淹水灌溉处理效果最佳，调节pH与长期淹水灌溉、调节pH与低镉积累品种组合处理效果次之。与上述各研究结果存在差异是由于本研究采用了综合农艺调控措施处理。在刘昭兵等^[23]的试验中，单项农艺措施可以通过降低土壤镉有效性而降低糙米镉含量，从本试验数据可以看出，综合农艺措施处理降低作物体内镉含量的效果更加显著。与前人研究结果有所不同的是本试验全生育期淹水灌溉对水稻糙米镉含量影响不显著，但在对照品种中淹水灌溉对稻壳、稻草影响显著，在低积累水稻品种中不显著。可能原因如同前面所讲受气候因素的影响，以及不同水稻品种水稻根系吸收重金属镉后向茎叶及糙米的迁移率不同^[13]。李花粉等^[26]研究表明，不同水稻品种，不管是根膜、根部含镉量，还是地上部含镉量均存在显著性差异，镉在不同品种植株的根和地上部积累和转移情况亦不同，且这种分配模式与镉的吸收总量无关。所以水分管理对水稻吸收积累镉的机制还有待研究。

土壤中作物有效性较高的提取态镉与对照品种、低积累品种水稻作物不同部位镉含量均有极显著的相关性，张青等^[20]的研究结果也显示，小油菜植株内镉的含量与交换态镉含量有显著的正相关关系。这表明，农艺调控措施处理，通过改变镉在土壤中的赋存状态，降低有效性较高形态镉的含量，进而减少植物对土壤中镉的吸收，降低植株内镉的含量。但有所不足的是本试验的降镉效果并未达到食品安全标准Cd0.2 mg·kg^-1（GB 2762—2012）以下，可能原因一是外源镉以氯化镉的形式添加，土壤添加氯离子后，镉有效性增加^[27]；二是赵步洪等^[28]、龚伟群等^[29]研究表明水稻对外源镉的吸收及其在籽粒中的富集受土壤类型的影响大于品种基因型影响，且土壤重金属镉生物有效性含量在不同土壤类型下，表现出明显的土壤类型之间的差异性。农艺调控措施的降镉效果显著，但其适用阈值还有待研究。

不同处理下，水稻地上部分积累镉的规律为稻草＞糙米＞稻壳。这与唐贞等^[25]、赵步洪等^[28]的研究结果基本一致，表明水稻吸收并运输到地上部分的镉主要分配于稻草中，稻谷中占的比例较小，从另一角度来说也减弱了镉进入食物链的风险。 4 结论

盆栽试验研究结果表明：不同农艺措施均可以在一定程度上降低水稻地上部镉含量，其中以3种措施组合（VIP）降低水稻吸收与累积镉的效果最佳，调节pH组合次之。不同农艺措施还能提高水稻产量，也以3种措施组合（VIP）处理效果最佳。因子分析结果显示，低镉积累品种种植和土壤pH值提高可有效降低稻米镉的积累，长期淹水虽无直接降镉效果，但与土壤pH值提高之间存在显著交互作用。种植低镉积累品种结合土壤pH值调节和淹水灌溉对镉污染稻田的修复治理具有重要意义。

致谢：湖南省水稻研究所张玉烛研究员提供了试验用全部水稻秧苗，谨此致谢。