2019, Vol. 38
2. 农田土壤重金属污染防控与修复湖南省重点实验室, 长沙 410125;
3. 南方粮油作物协同创新中心, 长沙 410125
2. Key Lab of Prevention, Control and Remediation of Soil Heavy Metal Pollution in Hunan Province, Changsha 410125, China;
3. Southern Regional Collaborative Innovation Center for Grain and Oil Crops in China, Changsha 410125, China
近年来，我国的粮食作物遭到大面积污染，重金属污染事件频发，农田污染对农产品质量造成严重隐患，我国每年因重金属污染而造成的粮食损失在200亿元以上[1]。当前，我国土壤重金属污染点位超标以镉（Cd）最为严重，其Cd的点位超标率达7.0%。我国重金属Cd污染以中轻度污染为主，近几年统计Cd污染农田面积达2.80×105 hm2，Cd超标农产品数量每年超过150万t [2]。因此，研究Cd污染农田的安全利用技术十分必要。
水稻是我国第一大粮食作物[3]，作为全国近三分之二人口主食的稻米，其质量安全直接关系到国民健康和社会安定，频发的农田Cd污染及稻米Cd超标问题，已经成为研究的热点。国内外对Cd污染的研究主要集中在土壤污染治理、Cd污染对植物的影响以及植物修复等方面。在中轻度污染地区，为保证粮食安全和不带入新的污染物，水稻生产一般采取选用低Cd吸收品种[4-5]、水分管理[6]和施用石灰提高酸性稻田土壤pH值等方法[7-8]降低稻米Cd含量，但这在农业生产中具有一定的局限性，例如水稻品种对重金属的吸收和积累受基因型与环境因子共同影响[5]，田间的水分管理受降雨和田间水分现状影响，施石灰由于石灰粉末操作性不强，田间很难执行到位等因素的影响，致使降低稻米Cd的效果受到抑制。因此在污染农田上选用适合农业生产实际的安全利用技术尤为重要。
水旱轮作系统是我国主要的作物生产系统之一，主要分布在长江流域[9]。稻田实行水旱轮作，土壤团粒结构和非毛管孔隙增加[10-11]，氧化还原电位提高[12]，病害发生减轻或者受到抑制[13]，杂草生长被抑制[12]。湖南省双季稻田改制不仅能解决稻谷过剩、旱粮短缺的结构性矛盾，同时也能提高稻田综合生产效应并增加农民收入[14-15]。近几年，湖南省针对重度污染稻田进行农作物的结构调整，其中稻田改制玉米也是农业产业结构调整的一个重要内容[15]。有研究表明Cd含量为1.06 mg·kg-1的稻田种植的水稻籽粒存在Cd污染风险，但改制玉米后，玉米籽粒无Cd污染风险[15]，此稻田改制方式是否适合低Cd污染稻田还值得进一步探索。因此研究水旱轮作下的农产品质量安全，以期为双季稻田低Cd污染的安全利用耕作提供科学依据。
1 材料与方法 1.1 供试土壤试验地位于湖南省长沙县黄花镇回龙湖的水稻种植基地（28°18′13.4″N，113°07′23.6″E），该地区年平均温度17.1 ℃，年降水量1500 mm，年≥10 ℃积温5300~6500 ℃，为南方典型的水稻生产区。土壤类型为第四纪红土发育的红黄泥（亚类：水稻土，土属：红黄泥）。土壤理化性质：土壤pH值5.1、有机质29.8 g·kg-1、全氮2.27 g·kg-1、全磷0.77 g·kg-1、碱解氮154.8 mg· kg-1、有效磷15.1 mg·kg-1、土壤全Cd 0.35 mg·kg-1。
1.2 试验设计和田间管理试验于2015—2016年开展，共4个处理，每个处理3次重复，采用单因素随机区组设计。试验处理分别为：（1）早稻-晚稻（R-R），早晚两季均种植水稻；（2）早稻-秋玉米（R-C），早稻季种植早稻，晚稻季种植玉米；（3）春玉米-秋玉米（C-C），早晚两季均种植玉米；（4）春玉米-晚稻（C-R），早稻季种植玉米，晚稻季种植水稻。
水稻试验采用田间小区试验，每小区面积32 m2。N、P、K施用量早稻分别为N 150 kg·hm-2、P2O5 90 kg· hm-2，K2O 120 kg·hm-2，晚稻分别为N 180 kg·hm-2、P2O5 45 kg·hm-2、K2O 120 kg·hm-2，N、P、K肥分别为尿素、钙镁磷肥和氯化钾。所有肥料全部作基肥于水稻移栽前1 d施入稻田。所有的玉米处理均施入15-15- 15（N-P2O5-K2O）的复合肥750 kg·hm-2和尿素187.5 kg·hm-2，其中复合肥于玉米移栽前1 d施入，尿素于苗期和大喇叭口期施入。
在作物生长季，为了避免小区相互串水，小区田埂采用薄膜覆盖。早晚稻品种分别为湘早籼45号和H优519，春播和夏播玉米品种均为洛玉1号。2015年早稻于4月15日移栽，7月9日收获，晚稻于7月18日移栽，10月26日收获。2015年春玉米于4月28日移栽，7月18日收获，秋玉米于8月7日移栽，10月26日收获。2016年早稻于4月13日移栽，7月20日收获，晚稻于7月26日移栽，10月26日收获。2016年春玉米于4月15日移栽，7月16日收获，秋玉米于7月26日移栽，10月26日收获。由于早晚稻与玉米混种，除降雨外，仅水稻移栽时灌溉，其他时期无灌溉水，整个水稻生产中小区的水分管理保持一致。水稻田在移栽至分蘖盛期有田面水，其他时期水稻田表面无水。玉米在出苗前和出苗后各浇灌一次，除降雨外，其他时期无灌溉，整个生育期间玉米地表面无水。生产中病虫害防治与当地习惯保持一致。2015—2016年作物生育期降雨变化趋势见图 1。
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图 1 2015—2016年作物生育期降水日变化 Figure 1 Daily variation of precipitation in 2015—2016 at research station |
土壤和植物样品于作物收获时取样。土壤取样深度为0~15 cm，土样经自然风干，剔除杂物后，研磨，分别过2 mm和0.149 mm尼龙筛，充分混匀，备用。植物样品经过105 ℃杀青30 min，80 ℃烘干，分离根、茎叶和籽粒（舍去颖壳）。
土壤pH值采用电位法测定[16]，土壤碱解氮采用扩散法测定[16]，有效磷采用氟化铵盐酸浸提-分光光度法测定[16]，土壤速效钾采用醋酸铵浸提-火焰光度法测定[16]，土壤有效Cd采用氯化钙浸提[17]，电感耦合等离子体质谱仪（Thermo Fisher有限公司）测定，植物Cd含量采用硝酸双氧水消解[18]，电感耦合等离子体质谱仪测定。
1.4 水稻Cd生物富集和转移系数植物对重金属的生物富集系数（BCF）是指植物体某一重金属含量与相应的土壤重金属含量的比值，在一定程度上反映了沉积物或土壤中重金属向植物体内迁移的难易程度，表示重金属在植物体内的富集情况。植物对重金属的转移系数（TF）是指植物转移器官中后者重金属的含量与前者重金属含量的比值，是描述重金属在生物体内转移能力的重要指标。
作物对Cd的根系富集系数[19]
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作物对Cd的茎叶富集系数[19]
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作物对Cd的籽粒富集系数[19]
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茎叶对Cd的转移系数[20]
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籽粒对Cd的转移系数[20]
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式中：Croot、Cstem、Cgrain和Csoil分别表示作物根、茎叶、籽粒和土壤的Cd含量，mg·kg-1。
1.5 数据处理与分析所有试验数据采用Microsoft Excel 2010和SPSS 13.0软件进行处理和统计分析，多重比较的显著性检验均采用LSD法。
2 结果与分析 2.1 不同种植模式土壤有效Cd含量连续2年早稻季节（R-R和R-C处理中的早稻，下同）稻田土壤有效Cd平均含量分别为0.14 mg·kg-1和0.15 mg·kg-1，晚稻季节（R-R和C-R处理中的晚稻，下同）分别为0.15 mg·kg-1和0.16 mg·kg-1。连续2年春玉米（C-C和C-R处理中的春玉米，下同）土壤有效Cd平均含量均为0.16 mg·kg-1，秋玉米（C-C和C-R处理中的秋玉米，下同）土壤均为0.18 mg·kg-1。可见，种植晚稻和秋玉米土壤有效Cd平均含量分别比早稻季节种植相同作物的土壤高6.9%和12.5%。
早稻季节（表 1）：土壤有效Cd为0.13~0.17 mg· kg-1；2015年春玉米土壤有效Cd含量明显高于水稻处理；2016年C-C的春玉米土壤有效Cd含量明显高于R-R处理，R-R处理的早稻土壤有效Cd含量最低。
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表 1 土壤有效Cd含量（mg·kg-1） Table 1 The content of available cadmium in soil (mg·kg-1) |
晚稻季节（表 1）：土壤有效Cd为0.15~0.20 mg· kg-1，2015年C-C处理的秋玉米土壤有效Cd含量明显高于同季种植水稻处理，晚稻土壤有效Cd含量低于秋玉米处理；2016年C-C处理秋玉米的土壤有效Cd含量明显高于其他处理。
同一年份的土壤有效Cd含量变化不大，不同年份同一处理的2015年土壤有效Cd含量比2016年略低。
2.2 不同种植模式的植株Cd含量不同作物器官中的Cd含量不同（图 2）。水稻不同器官中Cd含量高于玉米，早、晚季节的水稻根、茎叶和籽粒中Cd的平均含量分别为3.66、1.30 mg·kg-1和0.36 mg·kg-1，春、秋玉米的根、茎叶和籽粒中Cd平均含量分别为0.50、0.12 mg·kg-1和0.03 mg·kg-1。水稻根、茎叶和籽粒中的Cd含量分别是玉米相同部位的7.3、10.8倍和12.0倍。水稻根系的Cd含量分别是茎叶和籽粒的2.8倍和10.2倍，玉米根系中的Cd含量分别是茎叶和籽粒的4.2倍和16.7倍。
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图 2 不同器官Cd的含量 Figure 2 The content of cadmium in plant in different organs |
不同季节，晚稻各器官的Cd含量高于早稻，晚稻根、茎叶和籽粒中的Cd含量分别比早稻相同器官平均增加7.5%、26.1%和4.9%。秋玉米各器官中Cd的含量也高于春玉米，秋玉米根、茎叶和籽粒中Cd含量分别比春玉米高9.3%、100.3%和417.6%。
同一季节，种植相同作物的植株根、茎叶和籽粒Cd含量差别不大。不同年份间，2016年的水稻根、茎叶和籽粒Cd含量分别比2015年高0.87、0.17 mg·kg-1和0.04 mg·kg-1，2016年玉米的根、茎叶和籽粒Cd含量分别比2015年玉米高0.02、0.09 mg · kg-1和0.03 mg·kg-1。
2.3 土壤养分状况土壤的pH值在4.83~5.45之间（表 2），其中R-R处理最高，C-C处理显著低于R-R处理。不同轮作处理碱解氮含量为131.24~147.12 mg·kg-1，同一年不同处理间无显著性差异，同一年种植不同作物的碱解氮差异不大。土壤有效磷含量以C-C处理最高，其次为R-C和C-R处理，R-R处理最低，两年C-C处理的土壤有效磷分别比R-R处理高136.5%（P < 0.05）和380.9%（P < 0.05）。2015年和2016年土壤速效钾分别为130.62~135.45 mg·kg-1和120.30~170.28 mg·kg-1，2015年土壤速效钾间无显著性差异，2016年土壤速效钾R-C、C-C处理明显高于R-R和C-R处理（P < 0.05）。
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表 2 不同处理土壤养分状况 Table 2 Soil nutrients of different treatments |
由表 3可见，水稻（R-R、R-C和C-R中的早稻、晚稻，下同）BCFroot、BCFstem和BCFgrain分别为9.83~ 14.56、3.14~5.18和1.08~1.33，玉米（R-C、C-C和C-R中的春玉米、秋玉米，下同）BCFroot、BCFstem和BCFgrain分别为1.31~1.78、0.18~0.79和0.03~0.26。同一年份，不同处理，水稻各器官的富集系数均明显高于玉米。水稻的BCFroot、BCFstem和BCFgrain分别是玉米的5.5~ 11.1、4.0~28.8倍和4.1~44.3倍。同一处理，水稻和玉米的富集系数均表现为BCFroot>BCFstem>BCFgrain。
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表 3 不同处理Cd富集系数比较 Table 3 Compare of Cd bio-accumulation coefficient in different treatments |
水稻和玉米的TFstem为0.31~0.42和0.14~0.38（表 4）。2016年早稻季节的早稻TFstem显著高于春玉米处理。2015年早稻季节R-C的TFstem比C-C高77.8%（P < 0.05），其他处理的TFstem间无显著性差异。2015年晚稻季节C-R稻处理的TFstem显著高于R-C处理，2016年晚稻季节种植水稻的TFstem显著高于玉米。
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表 4 不同处理Cd转移系数比较 Table 4 Compare of Cd transfer coefficient in different treatments |
水稻和玉米的TFgrain为0.23~0.38和0.10~0.37（表 4）。2015、2016年早稻的TFgrain显著高于春玉米，晚稻季节不同处理的TFgrain无显著性差异。
不同季节同一处理均为TFstem>TFgrain。
2.5 养分与作物Cd的关系水稻根、茎叶和籽粒与土壤有效Cd呈显著正相关关系，其相关系数分别为0.576（P < 0.01）、0.438（P < 0.05）和0.481（P < 0.05）。
农作物收获后土壤碱解氮、速效磷和有效钾与作物体内的Cd含量并无相关性，可见，水旱轮作中，同一种作物施肥量相同，土壤中的速效养分不影响作物对Cd的吸收。
2.6 作物产量水稻和玉米的产量为5808~6682 kg · hm-2和6082~6875 kg·hm-2（表 5）。2015年和2016年早稻季节不同作物的产量无显著性差异；2015年晚稻季节以R-C最高，比R-R处理的产量增加7.4%（P < 0.05）；2016年晚稻处理以C-C最高，比R-R处理产量增加16.1%。2年2季作物总产量均以R-R最低。
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表 5 不同处理的作物产量（kg·hm-2） Table 5 Crop yield of different treatments (kg·hm-2) |
早晚稻中，晚稻各器官中Cd的含量均高于早稻。不同研究者[18, 21]发现晚稻籽粒中Cd含量高于早稻籽粒，可能的原因是一般早稻季节降雨量和降雨频次大于晚稻，本研究中，两年的降雨也如此（图 1），这致使早稻季节土壤中的水分和淹水时间高于晚稻季节。土壤中的水分状况影响Cd的形态转化，主要是在淹水条件下，Cd与硫生成硫化镉而降低Cd的有效性[22-23]，致使早稻土壤的有效Cd减少，并减少了向籽粒的转移，因而早稻籽粒Cd含量低于晚稻。
水稻和玉米不同器官Cd含量均是根系高于茎叶高于稻米，与其他研究结果相同[24-25]。水稻各器官中的Cd含量均高于玉米，其根、茎叶和稻米分别是玉米的7.3~12.0倍，早、晚稻根系的富集系数达12.0，是玉米富集系数的6.9倍，可见同一栽培和管理措施下，玉米对Cd的吸收能力小于水稻。水稻是相对高累积Cd的农作物[26]，相同的栽培条件和管理措施下，水稻吸Cd能力高于玉米，容易造成轻度污染土壤上的水稻稻米Cd含量超过食品安全国家标准[27]的食品中污染物限量，而玉米籽粒Cd含量低于国家饲料卫生指标[28]规定的最低限量和食品安全国家标准[27]。由于晚稻籽粒Cd含量高于早稻，因此，为保障双季稻区低Cd污染农田的粮食安全，建议采用早稻-秋玉米的种植模式，但种植早稻需要采用Cd污染农田防控措施，以保证稻米安全生产。
富集系数越高，说明植物体内积累重金属的能力越强。转运系数越高，表示重金属从根转运到地上部位的能力越强[29]。水稻根、茎叶和籽粒的富集系数均>1，玉米根系的富集系数>1，说明水稻各器官和玉米根系富集Cd能力强。玉米与水稻富集Cd的能力均为根系>茎叶>籽粒[30-32]。玉米和水稻的TFstem>TFgrain，可见水稻和玉米的Cd从根系转运到茎叶的能力大于茎叶转运到籽粒的能力。
3.2 土壤Cd含量、养分状况和作物产量土壤有效Cd与玉米籽粒、水稻根、水稻茎叶和水稻籽粒呈显著正相关关系，与前人研究结果保持一致[34-35]。不同养分与植物吸收Cd含量无显著性差异，可见在本实验条件下，土壤中的碱解氮、有效磷和速效钾不影响作物对Cd的吸收。
4 结论水稻和玉米不同器官对Cd的累积规律为根系>茎叶>籽粒。水稻根、茎叶和籽粒吸收的Cd含量分别是玉米相同器官的7.3、10.8倍和12.0倍。水稻根系的富集吸收明显高于玉米。
水稻和玉米各器官的富集系数均为BCFroot> BCFstem>BCFgrain。水稻各器官的富集系数高于玉米。同一处理各器官的转移系数均为TFstem>TFgrain。
水旱轮作土壤中的稻田和玉米土壤有效Cd与作物籽粒呈显著相关关系。农田土壤中的碱解氮、有效磷和速效钾含量不影响作物对Cd的吸收。
早、晚稻季节种植玉米分别比种植水稻增产4.2%和6.4%。稻田改种玉米不同轮作制中，为保持一定的水稻面积和粮食作物产量，在双季稻区晚稻改种玉米，早稻采用措施降低稻米Cd的吸收，有利于粮食作物的安全生产。
致谢: 感谢黄曦老师对文章英文摘要的修改。
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