不同灌溉方式對(duì)鎘污染下水稻生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響

張艷超， 任艷芳， 林 肖， 王艷玲， 何俊瑜

(貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，貴州貴陽(yáng) 550025)

不同灌溉方式對(duì)鎘污染下水稻生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響

張艷超， 任艷芳， 林 肖， 王艷玲， 何俊瑜

(貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，貴州貴陽(yáng) 550025)

通過盆栽試驗(yàn)，研究鎘污染下淹水灌溉、干濕交替灌溉和濕潤(rùn)灌溉3種灌溉方式對(duì)水稻根系活力、生長(zhǎng)、產(chǎn)量及產(chǎn)量因子的影響。結(jié)果表明：1 mg/kg鎘處理對(duì)水稻生長(zhǎng)和產(chǎn)量無(wú)明顯影響，5 mg/kg的鎘處理嚴(yán)重抑制水稻的根系活力、株高、分蘗數(shù)和產(chǎn)量；鎘污染下，干濕交替灌溉處理相比淹水灌溉處理有效地提高了根系活力，促進(jìn)前期分蘗，提高生物量、穗數(shù)、每穗粒數(shù)和結(jié)實(shí)率，導(dǎo)致產(chǎn)量明顯增加；濕潤(rùn)灌溉處理與淹水灌當(dāng)相比雖然提高低鎘污染水稻全生育期和高鎘污染水稻生育前期的根系活力，但莖蘗增長(zhǎng)慢，莖蘗數(shù)減少，生物量、穗數(shù)、每穗粒數(shù)和結(jié)實(shí)率降低，最終導(dǎo)致產(chǎn)量降低。不同灌溉方式對(duì)穗長(zhǎng)和千粒質(zhì)量影響不大。綜合研究結(jié)果可知，在鎘污染土壤中，干濕交替灌溉處理有利于水稻的生長(zhǎng)和產(chǎn)量的形成。

水稻；灌溉方式；鎘污染；生長(zhǎng)；產(chǎn)量

隨著工業(yè)的快速發(fā)展以及人類活動(dòng)的逐漸加強(qiáng)，鎘(Cd)成為目前我國(guó)農(nóng)田土壤重金屬污染的主要污染物之一。由2014年的《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》可知，我國(guó)耕地土壤污染點(diǎn)位超標(biāo)率為19.4%，以重金屬污染為主，其中重金屬Cd點(diǎn)位超標(biāo)率達(dá)到7.0%，是重金屬污染物中超標(biāo)率最高的[1]。Cd在土壤中的有效性高、移動(dòng)性大、毒性大且持久，極具隱蔽性，不僅會(huì)造成作物減產(chǎn)，而且很容易被作物吸收，從而進(jìn)一步污染食物鏈，危及人類健康[2]。因此，如何降低重金屬污染對(duì)農(nóng)作物的危害及控制重金屬進(jìn)入農(nóng)產(chǎn)品，已成為該研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。

水稻(OryzasativaL.)是我國(guó)乃至全球最主要的糧食作物，我國(guó)的水稻種植面積占我國(guó)糧食總面積的28%，其耗水量占全國(guó)總用水量的54%左右，占農(nóng)業(yè)總用水量的65%以上[3]。然而我國(guó)人均水資源量?jī)H為世界平均水平的1/4，是世界上最缺水的國(guó)家之一[4]。傳統(tǒng)的水稻淹灌方式耗水量大、水分利用率低，同時(shí)我國(guó)水資源分布極不均勻，調(diào)蓄能力不強(qiáng)，再加上工業(yè)和生活用水量不斷增加，致使不少省份每年都有70萬(wàn)hm2左右的稻田供水不足。另外，傳統(tǒng)的淹灌方式，易使稻田土壤黏重、水稻根系發(fā)育不良、植株生長(zhǎng)受到抑制、病蟲害加劇、植株倒伏早衰等，不僅影響水稻高產(chǎn)潛力的發(fā)揮，而且嚴(yán)重浪費(fèi)了水資源[5-7]，因此，采用適宜的節(jié)水灌溉方式對(duì)于保證我國(guó)的糧食安全及農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。目前關(guān)于灌溉方式對(duì)水稻生長(zhǎng)和產(chǎn)量影響的研究較多[8-15]，但由于試驗(yàn)條件、水稻品種、水分控制強(qiáng)度及時(shí)期的不同，結(jié)果也不盡一致。適當(dāng)?shù)墓?jié)水灌溉能促進(jìn)水稻根系生長(zhǎng)，使水稻干物質(zhì)的積累量增加，而旱種則抑制水稻根系的生長(zhǎng)和地上部干物質(zhì)積累[11-12]。鄒君等研究表明，早稻淹灌的產(chǎn)量最高[13]。而聶曉等則認(rèn)為濕潤(rùn)-間歇灌溉產(chǎn)量相比淹水灌溉增加了11.9%[14]。徐芬芬等研究表明，間歇灌溉無(wú)論是產(chǎn)量還是干物質(zhì)積累量都高于淹水灌溉[15]。汪妮娜等研究表明，孕穗灌漿等關(guān)鍵生育期受旱會(huì)直接導(dǎo)致穎花退化，穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量和產(chǎn)量降低[16]。

土壤中重金屬Cd對(duì)植株的影響與土壤環(huán)境條件密切相關(guān)。目前通過調(diào)節(jié)土壤pH值、有機(jī)肥施用及合理施用化肥來(lái)降低土壤重金屬危害的報(bào)道較多[17-18]，而關(guān)于不同灌溉方式對(duì)土壤中Cd毒害的研究較少。因此，本研究探討不同灌溉方式對(duì)鎘污染下水稻生長(zhǎng)狀況(水稻株高、莖蘗生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)、干物質(zhì)積累)、根系活力、產(chǎn)量及其構(gòu)成因子的影響，以期為重金屬污染稻田水稻栽培中合理的水分管理提供一定的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2015年在貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院盆栽試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行。供試水稻品種為中優(yōu)169，供試土壤取自貴州省貴陽(yáng)市花溪區(qū)水稻土耕層土壤，肥力中上等，質(zhì)地為黃壤，其基本理化性質(zhì)：pH值7.12，堿解氮含量136.41 mg/kg，速效鉀含量 213.57 mg/kg，速效磷含量57.13 mg/kg，有機(jī)質(zhì)含量 21.51 g/kg，全鎘含量0.324 mg/kg，有效鎘含量0.116 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)鎘濃度和灌溉方式2個(gè)因子，其中鎘濃度包括低鎘(Cd1，1 mg/kg)和高鎘(Cd5，5 mg/kg)2個(gè)水平；灌溉方式包括淹水灌溉(FI)、濕潤(rùn)灌溉(WI)和干濕交替灌溉(AI)3個(gè)水平，以未添加鎘和常規(guī)淹水灌溉處理作對(duì)照(CK)，共計(jì)7個(gè)處理(Cd1FI、Cd1AI、Cd1WI、Cd5FI、Cd5AI、Cd5WI和CK)。

將田間采來(lái)的土壤經(jīng)風(fēng)干后過5 mm篩，混勻，裝入 28 cm×35 cm的塑料桶中，每桶裝土15 kg，通過添加 CdCl2·2.5H2O 模擬污染土壤，使土壤鎘濃度為1、5 mg/kg，分別記為Cd1(低鎘污染)、Cd5(高鎘污染)。施入 CdCl2·2.5H2O 后與桶中土攪拌均勻，加入去離子水完全淹水平衡1個(gè)月后種植水稻。種植水稻之前，每桶土施用復(fù)合肥(N ∶P2O5∶K2O質(zhì)量比15 ∶15 ∶15)30 g，每桶移栽水稻秧苗3穴，每穴2株。每個(gè)處理種植36桶。

在水稻返青后進(jìn)行不同的水分管理：濕潤(rùn)灌溉，土壤水勢(shì)-25 kPa；干濕交替灌溉，自淺水層自然落干至土壤水勢(shì) -15 kPa，然后灌水1～2 cm，再落干，如此循環(huán)[9]；常規(guī)淹水灌溉(土表長(zhǎng)期保持1～3 cm水層，收獲前1周斷水)。用真空表式土壤負(fù)壓計(jì)監(jiān)測(cè)土壤水分，埋設(shè)深度為陶土頭中心離土表10 cm，每天07：00—8：00、11：00—12：00、16：00—17：00記錄負(fù)壓計(jì)讀數(shù)，當(dāng)讀數(shù)低于設(shè)計(jì)值時(shí)，用噴壺澆去離子水，使土壤水勢(shì)維持在試驗(yàn)設(shè)計(jì)值范圍內(nèi)。尿素追肥和病蟲害防治措施同當(dāng)?shù)厮靖弋a(chǎn)田。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

株高的測(cè)定：水稻移栽后定點(diǎn)用卷尺測(cè)定株高，抽穗前測(cè)定莖基部到所有葉片向上伸展最高點(diǎn)的高度，抽穗后測(cè)莖基部至最高穗頂?shù)母叨取?/p>

分蘗動(dòng)態(tài)的測(cè)定：通過定點(diǎn)記錄每穴分蘗數(shù)，測(cè)定植株的分蘗動(dòng)態(tài)。

地上部生物量的測(cè)定：分別于分蘗期、拔節(jié)孕穗期、抽穗期、揚(yáng)花期、乳熟期和成熟期收獲水稻植株，蒸餾水沖洗干凈，分為根系和地上部(莖和葉)、籽粒，105 ℃殺青30 min，70 ℃下烘干至恒質(zhì)量，測(cè)定各部位生物量。

根系活力的測(cè)定：采用氯化三苯基四氮唑(TTC)還原法測(cè)定根系活力。

產(chǎn)量的測(cè)定：成熟期考種，考查每袋有效穗數(shù)、穗長(zhǎng)、每穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率和千粒質(zhì)量。每個(gè)處理取6桶計(jì)產(chǎn)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)均用SPSS 16.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用LSD分析不同處理的差異顯著性(α=0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌溉方式對(duì)鎘污染下水稻株高的影響

從圖1可以看出，隨著生育進(jìn)程推移，株高逐漸增加，各處理均表現(xiàn)為前期株高增長(zhǎng)較快，生育中后期增長(zhǎng)緩慢，生育后期基本不變。與對(duì)照相比，盡管較高濃度鎘污染對(duì)水稻株高有一定程度的抑制，在成熟期高鎘污染水稻平均株高較對(duì)照降低了 5.54%，但無(wú)明顯差異。對(duì)于不同灌溉方式而言，在低鎘污染下，干濕交替灌溉處理水稻生長(zhǎng)前期株高增加迅速，從抽穗開花期開始變緩，到成熟期干濕交替灌溉相比淹水灌溉株高增加了2.85%，濕潤(rùn)灌溉相比淹水灌溉降低了 4.53%，但均無(wú)顯著差異。高鎘污染下，不同灌溉方式對(duì)株高的影響與低鎘基本一致，到成熟期干濕交替灌溉相比淹水灌溉增高了4.39%，而濕潤(rùn)灌溉相比灌溉處理降低了7.24%，差異明顯。結(jié)果表明，干濕交替灌溉增加了水稻的株高，而濕潤(rùn)灌溉則在一定程度上降低了水稻株高。

2.2 不同灌溉方式對(duì)鎘污染下水稻分蘗的影響

分蘗是水稻擴(kuò)大群體的主要方式，水稻莖蘗動(dòng)態(tài)變化規(guī)律是由新生分蘗的產(chǎn)生和無(wú)效分蘗的消亡過程共同作用形成的[19]。從圖2可以看出，不同處理下水稻莖蘗數(shù)隨生育期的變化趨勢(shì)總體相似，呈單峰型曲線。鎘污染下水稻的最大莖蘗數(shù)有所降低，42 d時(shí)莖蘗數(shù)最大，此時(shí)高鎘污染(Cd5FI)較對(duì)照降低了5.96%。不同灌溉方式對(duì)鎘污染下水稻分蘗的影響也不同，在低鎘污染下，干濕交替灌溉相比淹水灌溉在前期分蘗速度較快，分蘗峰值提前7 d左右，但峰值略低，后期莖蘗數(shù)降低緩慢，減少了無(wú)效分蘗數(shù)，分蘗成穗率提高了16.71%；與淹水灌溉相比，濕潤(rùn)灌溉分蘗速度慢，且分蘗峰值低，最大莖蘗數(shù)減少2.67個(gè)/穴，但有效成穗率提高了12.49%。在高鎘污染下，干濕交替灌溉、濕潤(rùn)灌溉最大莖蘗數(shù)分別比淹水灌溉低1.66、3.0個(gè)/穴，其中濕潤(rùn)灌溉差異明顯；有效成穗率分別提高了12.44%、7.19%。

2.3 不同灌溉方式對(duì)鎘污染下水稻植株生物量的影響

干物質(zhì)量可反映作物生長(zhǎng)發(fā)育的好壞。由圖3可以看出，隨著水稻生長(zhǎng)發(fā)育的推進(jìn)，根系和地上部生物量逐漸增加。與對(duì)照相比，低鎘污染下水稻根系和地上部的生物量未受明顯影響；高鎘污染下水稻各生育期根系、地上部的生物量明顯降低，分別降低了9.20%～16.47%、13.04%～17.22%。不同灌溉方式對(duì)鎘污染下水稻根系和地上部生物量的影響不同，低鎘污染下，干濕交替灌溉可提高水稻各生育期的根系、地上部生物量，相比淹水灌溉分別提高了 4.06%～5.77%、6.73%～8.43%，而濕潤(rùn)灌溉處理相比淹水灌溉分別降低了4.57%～6.73%、6.74%～9.16%。低鎘污染下，干濕交替灌溉和濕潤(rùn)灌溉除分蘗期外，其他時(shí)期水稻根系和地上部生物量與淹水灌溉差異明顯。高鎘污染下，與淹水灌溉相比，干濕交替灌溉水稻各生育期的根系、地上部生物量分別增加了3.88%～6.73%、7.51%～9.32%，而濕潤(rùn)灌溉分別降低了6.14%～8.35%、6.54%～11.16%。

2.4 不同灌溉方式對(duì)鎘污染下水稻根系活力的影響

根系是植物吸收養(yǎng)分的主要器官，其活力的強(qiáng)弱直接影響植株的生長(zhǎng)和產(chǎn)量水平。由圖4可以看出，隨著水稻的生長(zhǎng)，水稻的根系活力呈現(xiàn)出先增高后降低的趨勢(shì)，低濃度鎘污染對(duì)水稻根系活力無(wú)明顯抑制作用，高鎘污染處理(Cd5FI)水稻根系活力明顯低于對(duì)照。在低鎘污染下，干濕交替灌溉、濕潤(rùn)灌溉水稻根系活力在各生育期均高于淹水灌溉，分別比淹水灌溉提高了19.79%～44.22%、 6.08%～13.20%，其中干濕交替灌溉與淹水灌溉差異明顯。在高鎘污染下，干濕交替灌溉可明顯提高水稻根系活力，濕潤(rùn)灌溉水稻生育前期的根系活力高于淹水灌溉，而后期根系活力略低于淹水灌溉，其中在抽穗開花期差異明顯。

2.5 不同灌溉方式對(duì)鎘污染下水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因子的影響

產(chǎn)量是評(píng)估水稻生長(zhǎng)的重要指標(biāo)。由表1可以看出，高鎘污染處理(Cd5FI)水稻產(chǎn)量顯著低于對(duì)照(P<0.05)。不同灌溉方式對(duì)同一濃度鎘污染下水稻產(chǎn)量的影響為干濕交替灌溉最高，淹水灌溉次之，濕潤(rùn)灌溉最低。相較于淹水灌溉，低鎘、高鎘污染下干濕交替灌溉的產(chǎn)量分別增加了10.12%、7.49%，差異明顯；濕潤(rùn)處理相比淹水處理產(chǎn)量分別降低了5.30%、 10.38%?？梢?，鎘污染及不同灌溉方式對(duì)水稻的產(chǎn)量可產(chǎn)生顯著影響。此外，從產(chǎn)量構(gòu)成方面看，鎘污染和灌溉方式對(duì)穗長(zhǎng)和千粒質(zhì)量無(wú)明顯影響。低鎘污染時(shí)，與淹水灌溉相比，干濕交替灌溉使有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率顯著提高，分別提高了7.25%、5.52%、7.02%；濕潤(rùn)灌溉相比淹水灌溉每穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率分別降低了5.01%、3.83%，導(dǎo)致產(chǎn)量下降。高鎘污染時(shí)，與淹水灌溉相比，干濕交替灌溉有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率分別提高了5.35%、3.16%、4.23%；而濕潤(rùn)灌溉的每穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率相比淹水灌溉分別降低了5.80%、6.75%?？梢姡煌喔确绞綄?duì)鎘污染下水稻有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)和結(jié)實(shí)率有不同的影響。

表1 不同灌溉方式對(duì)鎘污染下水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因子的影響

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示各處理存在顯著差異(P<0.05)。

3 討論

近年來(lái)，由于城市化和工業(yè)化的發(fā)展，工業(yè)“三廢”(廢水、廢氣、固體廢棄物)的不合理排放、固體廢棄物處理不當(dāng)以及化肥用量的不斷增加，導(dǎo)致土壤中Cd含量急劇增加。低濃度Cd能促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育，使其生物量顯著增加[2，20]，但當(dāng)Cd達(dá)到一定濃度時(shí)會(huì)降低植物的光合生產(chǎn)力，使植物生物量減少[21]。水稻作為我國(guó)重要的農(nóng)作物，在整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)安定中起著重要作用。稻田重金屬污染導(dǎo)致水稻生長(zhǎng)發(fā)育受阻，造成產(chǎn)量下降。本試驗(yàn)表明，與對(duì)照相比，淹水環(huán)境下，在1 mg/kg Cd污染下，水稻的分蘗、生物量、根系活力和產(chǎn)量均未受到明顯的影響；但在5 mg/kg Cd污染下，水稻的生長(zhǎng)(分蘗、生物量和根系活力)和產(chǎn)量受到明顯的抑制，呈現(xiàn)出較為明顯的Cd毒害特征，這與劉春梅等的研究結(jié)果相一致[22]。

土壤水分狀況不僅影響水稻的生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量的形成，而且影響鎘的毒性。近年來(lái)關(guān)于節(jié)水灌溉、旱作及土壤水分脅迫對(duì)水稻的生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量影響的研究較多[8-14]，但有關(guān)鎘污染下節(jié)水灌溉對(duì)水稻生長(zhǎng)發(fā)育影響的研究很少。研究表明，長(zhǎng)期淹水導(dǎo)致氧化還原電位(Eh)降低，酸性土壤pH值升高，土壤對(duì)鎘的吸附量減少[23]，降低鎘的生物有效性和毒性。此外，適宜的水分狀況有利于鎘在土壤中的移動(dòng)。對(duì)鎘污染土壤進(jìn)行節(jié)水灌溉，通過改善土壤中的通氣狀況，使土壤處于好氣狀態(tài)，減輕了還原物質(zhì)的毒害效應(yīng)，同時(shí)有利于有機(jī)物質(zhì)的礦化，從而增強(qiáng)根系活力，延緩衰老。因此，不同灌溉方式對(duì)稻田中鎘毒性的影響較復(fù)雜。本研究表明，在鎘污染下，與淹水灌溉相比，干濕交替灌溉加快分蘗進(jìn)程、提高有效分蘗數(shù)，還可提高水稻生物量和產(chǎn)量，這是由于干濕交替灌溉使稻田土壤通氣條件改善，為根系生長(zhǎng)發(fā)育提供了有利的環(huán)境條件，根系活力增強(qiáng)，尤其在生長(zhǎng)后期仍能維持較高的根系活力，根系吸收功能較強(qiáng)，并通過根系的生長(zhǎng)促進(jìn)了地上部的生長(zhǎng)，較好地協(xié)調(diào)了產(chǎn)量形成與根系衰老之間的矛盾，這與徐芬芬等的研究結(jié)果[15]相一致。前人研究表明，水稻產(chǎn)量差異主要來(lái)自穗粒數(shù)和有效穗數(shù)[8]。本研究表明，在鎘污染下，干濕交替灌溉提高了有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)和結(jié)實(shí)率；濕潤(rùn)灌溉使分蘗進(jìn)程延長(zhǎng)，提高有效成穗率，但產(chǎn)量明顯低于淹水灌溉，這可能是因?yàn)闈駶?rùn)灌溉雖然通過增加土壤空氣含量使水稻根系保持活力，但是在一定程度上影響了植株體內(nèi)的生理過程(如蒸騰作用)，抑制了水稻生長(zhǎng)和地上部干物質(zhì)積累[8，11，24]，導(dǎo)致每穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率相對(duì)較低，最終影響了水稻產(chǎn)量，這與徐國(guó)偉等的研究結(jié)果[10，16，24]一致。此外，在濕潤(rùn)條件下，可能一方面促進(jìn)了水稻體內(nèi)鎘的積累[25]，加重了其毒性，另一方面減少了溶于土壤水溶液的各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量，在一定程度上妨礙了植株的吸收[26]。

4 結(jié)論

本研究表明，5 mg/kg鎘處理嚴(yán)重抑制水稻的生長(zhǎng)和產(chǎn)量形成。在鎘污染土壤上，不同灌溉方式不但影響水稻生長(zhǎng)，而且影響產(chǎn)量；干濕交替灌溉提高了分蘗成穗率，可保持較高的根系活力，提高生物量和產(chǎn)量；濕潤(rùn)灌溉加重了高鎘污染的危害，使水稻生長(zhǎng)不良，產(chǎn)量降低。

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10.15889/j.issn.1002-1302.2017.02.013

2016-07-20

國(guó)家自然科學(xué)基金(編號(hào)：31460100、41261095)；貴州大學(xué)研究生創(chuàng)新基金(編號(hào)：研農(nóng)2015039)；貴州省科學(xué)技術(shù)基金(編號(hào)：黔科合J字[2012]2144號(hào))。

張艷超(1987—)，男，河南周口人，碩士研究生，主要從事水分管理與植物營(yíng)養(yǎng)方面的研究。E-mail：371245510@qq.com。

何俊瑜，博士，教授，主要從事環(huán)境生理生態(tài)方面的研究。E-mail：junyuhe0303@sina.com。

S274.1；S511.07

A

1002-1302(2017)02-0051-04

張艷超，任艷芳，林 肖，等. 不同灌溉方式對(duì)鎘污染下水稻生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，45(2)：51-54.