水稻是我国最重要的粮食作物之一，养活了我国约65%的人口，在国家粮食安全中的地位举足轻重^[1]。目前，我国稻田土壤重金属镉（Cd）污染程度和范围日益严峻，而土壤中的Cd可以通过大米食物链在人体内积累，并对人体健康产生极大危害^[2-3]。因此，修复稻田Cd污染土壤并降低稻米Cd含量迫在眉睫。

稻田土壤中的生物活性Cd迁移性强且毒性高，可以通过竞争吸收机制进入水稻体内^[4-5]，而向土壤中施入生石灰（CaO）可以提高土壤pH，降低Cd的有效性，进而减少水稻对Cd的吸收及向籽粒的运输，施用CaO已成为修复稻田Cd污染的重要举措之一^[6]。研究表明，水稻在不同生育期对Cd的吸收、转运、积累特征不同^[7-11]，不同生育期的Cd吸收对籽粒中Cd积累的贡献率也不同。因此，通过在水稻不同生育期施用CaO来降低稻米Cd含量值得研究，但目前鲜见相关的研究报道。

本试验以中度Cd污染麻沙泥稻田土壤为供试土壤，采用盆栽试验研究了水稻不同生育期土壤施加CaO对稻米Cd含量的影响，以及Ca、Cd在水稻植株内的分布特征。分析了关联水稻籽粒Cd含量的相关因素，以进一步了解CaO降低稻米Cd含量的过程机理，为Cd污染土壤的稻米安全生产提供理论依据。

试验用土壤取自镉污染水稻田块（28°26′38″N，113°03′50″E，长沙），是由花岗岩发育而来的黄红麻沙土（土属为耕型花岗岩黄红壤）。采集表层0~20 cm耕作层土壤，运回实验室在室内自然风干后过10目标准筛，去除植物残体和杂质，充分混匀后保存备用。原始土壤全镉含量为0.71 mg·kg^-1，有效镉含量为0.33 mg·kg^-1，有机质含量为29.0 g·kg^-1，全N 1.76 g·kg^-1，全P 0.64 g·kg^-1，全K 12.53 g·kg^-1，pH 5.03。试验用水稻为“玉针香”中熟晚籼稻品种，此品种为镉高吸收品种。试验用生石灰为分析纯试剂氧化钙，CaO含量≥98.0%。

取3.0 kg风干土壤与分析纯肥料均匀混合，装入水稻种植盆中。添加养分表示方式为N、P₂O₅、K₂O，添加量分别为200、130、200 mg·kg^-1，所使用的肥料为尿素、磷酸二氢钾、氯化钾，均为分析纯试剂。土壤装盆后淹水一周，于2015年7月27日选择长势一致的健康秧苗进行插秧，每个种植盆内移植两株秧苗，水稻置于简易网室内生长，保持水稻浅层淹水生长至成熟收获。

试验设置5个处理，每个处理重复3次。处理一（CK）：对照，土壤不添加CaO。处理二（T1）：水稻秧苗插秧前添加CaO（7月20日）。处理三（T2）：水稻植株生长到分蘖期添加CaO（8月28日）。处理四（T3）：水稻植株生长到孕穗期添加CaO（9月21日）。处理五（T4）：水稻植株生长到灌浆期添加CaO（10月5日）。T1、T2、T3、T4处理中CaO添加量均为0.67 g·kg^-1干土。CaO施用量是根据本课题组大田施用量来估算确定的：大田生石灰施用量为1.5 t·hm^-2，每公顷耕作层土壤大约为2250 t，最后计算可得每千克土壤施用0.67 g生石灰。盆栽土壤种植水稻后，由于根系的存在使得土壤搅动难以操作，因此，本试验在水稻不同生育期采用打孔方式向土壤中添加生石灰悬浊液。具体操作如下：把土壤淹水层倾斜倒入烧杯中，再把生石灰加入到烧杯中，充分搅动使生石灰与水反应，同时在土壤表层向下打孔贯穿整个土层，每1 cm²打一个小孔（孔径约为5 mm），最后把烧杯内的悬浊液充分摇匀后再倒入土壤，悬浊液就会由小孔渗入到土壤中。

水稻成熟后采集植株样品（10月27日），样品分为三部分：根系、茎秆、稻谷粒。根系用自来水冲洗干净，再用纯净水彻底润洗5次；茎秆用纯净水冲洗掉表面灰尘，于80 ℃烘干后粉碎；稻谷粒80 ℃烘干，用糙米机脱掉谷壳后粉碎。全部植株样品粉碎后过100目标准筛，封存于塑料自封袋中待用。采集植株样品当天采集土壤样品，使用土钻在每个种植盆内取6钻土壤混合，土壤样品自然风干后研磨过20目或100目标准筛待用。

土壤养分含量及pH采用常规方法测定^[12]；土壤有效态Cd采用乙酸铵浸提法测定^[13]；植物样品Cd、Ca全量采用HNO₃-HClO₄（5：1）湿解法消煮，定容稀释后采用ICP-MS测定。全部分析器皿均在稀硝酸溶液中浸泡24 h，纯水冲洗3次。

根系Cd吸收系数=根系Cd含量/土壤Cd全量

Cd初级转运系数=茎秆Cd含量/根系Cd含量

Cd次级转运系数=糙米Cd含量/茎秆Cd含量

使用SAS（The SAS system for windows V8）统计分析软件对数据进行方差分析（ANOVA），通过最小显著差异法（LSD）进行差异显著性检测，显著性水平P < 0.05，利用Canoco 4.5软件完成变量之间的PCA相关性分析，采用Excel软件制作图表。

与对照CK处理相比，不同时期施用CaO均可显著提高土壤pH（P < 0.05，图 1a），比对照平均升高1.20个单位，分蘖期T2处理的土壤pH值增加幅度最高，其值为7.18，且显著高于插秧前T1和灌浆期T4处理（P < 0.05），而与孕穗期T3处理无显著差异。这表明在水稻分蘖期施用CaO对提高土壤pH的效果最佳。不同时期施用CaO后，土壤有效态Cd含量较对照均显著降低（P < 0.05，图 1b），而不同时期施用CaO处理之间没有显著性差异。

图 1 水稻不同生育期施用生石灰对土壤pH及有效态Cd含量的影响 Figure 1 Effects of lime application on the soil pH and available Cd contents in soil

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土壤施加CaO可以显著降低水稻根系Cd含量（P < 0.05，表 1），其中T1、T2、T3处理之间的根系Cd含量没有显著差异，但T2处理的根系Cd含量最低，且显著低于CK和T4处理（P < 0.05）；而茎秆Cd含量仅在分蘖期施用CaO后显著降低（P < 0.05），在T3和T4处理中反而显著升高（P < 0.05），插秧前施加CaO没有变化；糙米Cd含量在所有施加CaO处理中均显著降低（P < 0.05），比对照降低22.1%~55.2%，其中分蘖期T2处理对糙米Cd含量的降低程度最明显，其值仅为对照的44.8%，其次是T1处理。这表明土壤施加CaO可明显降低水稻根系对Cd的吸收量，同时降低糙米Cd含量，而对茎秆中的Cd含量影响因施用时期不同而有差异。

表 1 不同生育期施用生石灰对水稻植株内Cd含量分布的影响 Table 1 Effects of lime application on the Cd contents in different parts of rice plant

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施加CaO处理后，根系对Cd的吸收系数均比对照显著降低（P < 0.05，表 2），其中T2处理的降低幅度最大，为对照的59.9%，且其值显著低于T4处理（P < 0.05）；与对照CK相比，分蘖期T2处理的Cd初级转运系数下降9.5%，但差异不显著。其他3个处理在添加CaO后，水稻体内的Cd初级转运系数反而显著升高（P < 0.05），最高可达到对照的1.9倍。与Cd吸收系数相似，Cd次级转运系数在添加CaO后均降低，且除分蘖期T2处理外均显著降低（P < 0.05）。这表明水稻不同生育期施加CaO不仅可以降低根系对Cd的吸收系数，还可以降低茎秆中的Cd向籽粒中的转移系数。

表 2 不同生育期施用生石灰对水稻植株Cd吸收和转运系数的影响 Table 2 Effects of lime application on the uptake and transfer index of Cd in rice plant

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不同时期施加CaO后，水稻根系Ca含量显著升高（P < 0.05，表 3），除灌浆期T4处理与对照没有显著差异；茎秆Ca含量仅在分蘖期T2处理中显著升高（P < 0.05），其他处理没有显著变化。此外，糙米Ca含量在施加CaO后反而降低，在孕穗期T3和灌浆期T4处理中显著性下降（P < 0.05），而插秧前T1和分蘖期T2处理中的糙米Ca含量与对照无显著差异，但施加CaO的4个处理之间没有显著性差异。

表 3 不同生育期施用生石灰对水稻植株内Ca含量分布的影响 Table 3 Effects of lime application on the Ca contents in different parts of rice plant

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分析表 4可知，糙米Cd含量与根系Cd含量、根系Cd吸收系数、土壤有效态Cd含量、茎秆Cd含量呈显著或极显著正相关性，其相关系数分别为0.795、0.794、0.745、0.569，与土壤pH、根系Ca含量呈极显著负相关性，其相关系数分别为-0.746、-0.707。因此，上述变量可能是控制糙米中Cd含量的关键因素，其他因素对糙米Cd含量的影响可能较小。

表 4 糙米Cd含量与其他变量之间的相关性 Table 4 The correlation between Cd contents in brown rice and other variables

表选项

变量因子PCA相关性分析显示，轴1和轴2的变量解释因子为86.0%，糙米Cd含量在轴1方向上与根系Cd含量、根系Cd吸收系数、土壤有效态Cd含量、土壤pH、根系Ca含量、茎秆Cd含量等变量的相关性较高（图 2）。这与表 4相关系数的分析结果相似。土壤有效态Cd含量与土壤pH的负相关性很高，表明土壤pH的升高可以有效降低土壤有效态Cd含量。此外，根系Cd含量、根系Cd吸收系数均与根系Ca含量的负相关性很高，且茎秆Cd含量、Cd初级转运系数均与茎秆Ca含量的负相关性很高，表明植株体内Ca含量的积累可能降低了水稻对Cd的吸收和转移，最终降低茎秆中Cd向糙米的转移和积累。

图 2 基于PCA分析的土壤植株指标变量之间的相关性 Figure 2 The correlations among parameters of soil and plant based on PCA analysis

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稻田酸性土壤施加生石灰后，土壤溶质pH升高将增加土壤胶体表面的负电荷容量，从而增强对重金属阳离子的吸附能力。同时，pH升高也会促进重金属阳离子羟基态的形成，而羟基态金属阳离子与土壤吸附点位的亲和力高于自由阳离子，故有利于重金属形成碳酸盐等沉淀物^[14-16]。本试验发现，在水稻不同生育期添加生石灰均可提高土壤pH值，降低土壤有效态Cd含量，进而降低糙米Cd含量，且土壤pH值与糙米Cd含量呈极显著负相关性，说明生石灰对土壤pH的提高作用是降低糙米Cd含量的关键因素^[17]。本试验还发现，在水稻分蘖期施用生石灰时，糙米Cd含量最低且显著低于其他处理，同时糙米Cd含量与根系及茎秆Ca含量呈明显负相关性。而在水稻中发现，低亲和性的Ca离子跨膜转运载体LCT1参与调控Cd向水稻籽粒中的运输^[18]。据此推断，分蘖期施用生石灰对稻米Cd含量的阻控效应可能与水稻植株Ca营养的生理代谢紧密相关^[19-20]。

研究表明，土壤中Ca含量的升高会降低砂质土壤对Cd的吸附能力，增加Cd在土壤体系中的移动性^[21-22]。本试验添加生石灰后并未发现Cd有效性的升高，反而显著下降，但水稻根系对Ca的吸收积累量却显著增加。因此，生石灰添加可能提高了土壤中Ca的生物有效性，同时没有影响土壤对Cd的吸附性。在禾本科植物小麦中发现^[23]，低亲和性的Ca离子跨膜转运载体LCT1可以转运Cd离子至细胞中，但当土壤溶质中Ca离子和Cd离子共存时会产生离子吸收拮抗作用^[24]，Ca有效性的增加使得Ca离子的竞争吸收更强，进而减少根系对Cd的吸收，降低Cd在植株体内的积累^{[20, 25-26]}。这与本试验的结果恰好相符。

水稻根系对重金属Cd的吸收过程，茎秆中Cd的长距离运输过程，以及Cd在籽粒中的积累过程都是控制稻米中Cd含量的可能机理^[27]。水稻茎秆中的Cd含量对不同生育期施用石灰的响应变化不同，在分蘖期施用生石灰处理时，茎秆中的Cd含量最低，同时发现茎秆中的Ca含量却显著高于其他处理，而茎秆Ca含量与Cd含量、Cd初级转运系数均呈显著负相关性。这表明分蘖期施用生石灰对茎秆中Ca含量的增加作用可能抑制了根系中Cd向地上部的运输^{[20, 24]}。此外，与分蘖期施用生石灰相比，灌浆期施用生石灰后根系及茎秆Ca含量无显著性变化，但其茎秆及籽粒中的Cd含量却显著升高，表明水稻不同生育时期Ca与Cd的相互作用差异可能是影响稻米Cd含量的因素^{[8, 28]}。

水稻植株体内的Cd由茎秆向籽粒的转移可以用Cd次级转运系数来表征^[29]。施用生石灰后发现，Cd次级转运系数明显降低，而分蘖期施用生石灰的Cd次级转运系数与对照无显著差异，但是分蘖期施用生石灰的糙米Cd含量却显著低于对照。这说明糙米Cd含量与茎秆Cd含量的关联性更强，而与Cd次级转运系数的关联性较弱。因此我们推测，分蘖期施用生石灰可以增加茎秆Ca含量，进而抑制Cd由根系向茎秆的运输积累，最终降低稻米Cd含量。但水稻植株体内Ca对Cd的这种阻控机理有待深入研究。

在水稻分蘖期施用生石灰后，一方面可以提高土壤pH值，降低有效态Cd含量，减少根系对Cd的吸收积累量；另一方面，增加了茎秆中的Ca含量，抑制了Cd由根系向茎秆的转移积累。因此，水稻分蘖期施用生石灰引发的这两种过程的叠加效应可能是降低糙米Cd含量的主要因素。