關(guān)鍵時期淹水對不同土壤上水稻鎘累積和轉(zhuǎn)運的影響

鄒文嫻，周于寧，顧思婷，黃涂海，支裕優(yōu)，孟龍，施加春*，陳謇，徐建明

（1.浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院土水資源與環(huán)境研究所，杭州310058；2.溫嶺市農(nóng)業(yè)農(nóng)村和水利局，浙江 臺州317500）

鎘（Cd）的生物毒性極強，過量的Cd 不僅會抑制植物生長發(fā)育[1]，而且會對人體的肝、腎、骨骼和心血管系統(tǒng)造成嚴(yán)重?fù)p傷[2]。食物是Cd 暴露的主要途徑[3-4]，相較于其他禾谷類作物，水稻會從土壤中吸收積累更多的Cd元素[5-6]。2014年環(huán)境保護部和國土資源部聯(lián)合發(fā)布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》[7]顯示，我國耕地土壤點位超標(biāo)率為19.4%，特別是Cd超標(biāo)點位高達(dá)7%，土壤Cd污染問題比較突出，已成為影響農(nóng)產(chǎn)品安全的主要因素之一。

國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)通過低積累品種篩選、化學(xué)鈍化修復(fù)和農(nóng)藝調(diào)控等措施在降低水稻籽粒Cd 吸收和積累方面，取得了系列研究成果[8]。其中，水分管理措施因其無二次污染、可操作性強和經(jīng)濟高效而備受關(guān)注。大量研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的灌溉模式相比，全生育期淹水能夠在保證產(chǎn)量的同時顯著降低水稻籽粒Cd 含量，并能與其他水稻降Cd 調(diào)控措施產(chǎn)生協(xié)同作用[9-12]。長期淹水使得水稻生成大量通氣組織，大氣中的氧氣以徑向氧損失（radial oxygen loss,ROL）的形式從水稻根部釋放。這些氧氣或者氧化性物質(zhì)使淹水土壤中存在的鐵離子（Fe2＋）、錳離子（Mn2＋）等物質(zhì)被氧化，形成以無定型態(tài)鐵和結(jié)晶態(tài)鐵為主的紅棕色根膜，又稱鐵膜，能夠吸附固定土壤中的Cd、砷（As）、鉛（Pb）和鋅（Zn）等元素[13-14]。目前，針對根表鐵膜對水稻Cd含量的影響仍存在爭議，其可以促進或抑制水稻對Cd 的吸收和積累，也可能不產(chǎn)生影響[15-17]。此外，雖然全生育期淹水措施已經(jīng)被證實能有效降低酸性土壤上的水稻Cd 積累，但在水資源缺乏地區(qū)這一灌溉措施難以實現(xiàn)，且不符合農(nóng)民干濕交替的傳統(tǒng)灌溉習(xí)慣。研究降低水稻Cd 積累的關(guān)鍵淹水時期，探索在降低土壤Cd 污染危害的同時節(jié)約水資源，具有重要意義。

有關(guān)水稻特定生育期淹水對水稻Cd 累積影響的研究還很少。本研究主要針對水稻分蘗-拔節(jié)期、抽穗期、灌漿-成熟期進行淹水灌溉，采用盆栽試驗方法對土壤-根系的理化性質(zhì)和水稻根表鐵膜含量進行動態(tài)觀測，并研究其對水稻Cd吸收累積的影響，以期探明降低稻米Cd累積的淹水關(guān)鍵時期及其影響機制，為Cd污染耕地綠色、持續(xù)、高效、安全利用提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 供試材料

盆栽試驗在浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)試驗站溫室內(nèi)進行。供試水稻品種為‘甬優(yōu)17’（雜交晚粳稻），水稻秧苗由杭州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院提供。供試土壤采自浙江省溫嶺市溫嶠鎮(zhèn)姆坑村和澤國鎮(zhèn)山坑村，分別為淡涂黏田和洪積泥砂田的2 種水稻土，取自0～20 cm耕層土壤。土壤基本理化性質(zhì)見表1。

1.2 試驗處理

土壤自然風(fēng)干并過2 mm 篩，按每盆2 kg 干土裝入內(nèi)口直徑20.1 cm、底部直徑12.9 cm、高14.0 cm的塑料花盆中。試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，設(shè)置全生育期濕潤（CK）、全生育期淹水（YS）、分蘗-拔節(jié)期淹水（FB）、抽穗期淹水（CS）、灌漿-成熟期淹水（GC）5 個處理，具體操作如表2 所示。每個處理設(shè)置12 個重復(fù)，共設(shè)120 盆，在分蘗期、抽穗期、灌漿期和成熟期進行破壞性采樣，每盆種植水稻2 株。基肥在水稻移栽前一次性施入，分別為0.2 g/kg 尿素（以N 計）、0.15 g/kg 磷酸二氫鈣（以P2O5計）和0.15 g/kg氯化鉀（以K2O計）。水稻生長期間采用蒸餾水（pH 為6.72，Cd 含量低于檢測值）灌溉。2019年6 月上旬進行紗布育種，6 月26 日將三葉期水稻苗移栽至盆中，移栽當(dāng)天記為第0天，在第0—25天保持苗期淺水灌溉，在第26—80天進行分蘗和拔節(jié)期淹水，在第81—95 天進行抽穗期淹水，在第96—150天進行灌漿和成熟期淹水，11月中旬收獲。

表1 供試土壤理化性質(zhì)和重金屬含量Table 1 Physical and chemical properties and metal contents of the experimental soils

表2 不同水分管理方式的條件控制Table 2 Conditional controlling in different water managements

1.3 樣品采集與分析

在第0、1、2、4、10、20、30、45、60、75、90、110、130 和150 天對土壤的氧化還原電位（Eh）和pH 進行動態(tài)觀測并記錄。在分蘗期、抽穗期、灌漿期和成熟期原位測定土壤有效Fe、有效Mn、有效P 和S（Ⅱ）含量；并在這4 個時期采集土壤鮮樣和植株根系鮮樣（根系洗凈），分別在采樣當(dāng)天立即進行Cd形態(tài)測定和水稻根表各指標(biāo)測定。在成熟期收獲植株，采集后用自來水和超純水洗凈，晾干放入烘箱，105 ℃殺青30 min，70 ℃烘干至恒量。烘干后的稻谷經(jīng)小型脫殼機將殼和稻米分開，所有樣品粉碎并用密封袋保存，待測植株各元素全量。

土壤Eh和pH測定。在土壤表層下約3 cm處，使用鉑組合電極和pH計分別在水稻不同生長時期對土壤的Eh和pH進行原位測定。

水稻植株各元素全量測定。采取HNO3-H2O2消解法，用電感耦合等離子體質(zhì)譜（inductively coupled plasma-mass spectrometry,ICP-MS）進行測定。

水稻根表指標(biāo)測定。水稻根表還原態(tài)Fe（Ⅱ）和還原態(tài)Mn（Ⅱ）采用0.1 mol/L Al2（SO4）3溶液對根系鮮樣進行浸提，使用分光光度計測定。浸提后的根系繼續(xù)用連二亞硫酸鈉-檸檬酸鹽-碳酸氫鹽（dithion-citrate-bicarbonate,DCB）溶液提取根表氧化Fe（Ⅲ）（DCB-Fe）和氧化Mn（Ⅳ）（DCB-Mn），將上述2 種提取液的Cd 含量相加作為根表Cd 含量，用ICP-MS測定[18-19]。

土壤Cd形態(tài)測定。采用新鮮土樣，在提取不同土壤Cd形態(tài)之前，對不同處理的土壤含水量進行測定。土壤Cd形態(tài)分析參照WANG等的方法[20]：稱取相當(dāng)于1.0 g 干質(zhì)量的土壤，用0.1 mol/L 的CaCl2提取可交換態(tài)Cd（F1），用1 mol/L 的CH3COONH4（pH=5）提取包括碳酸鹽態(tài)在內(nèi)的特異性吸附態(tài)Cd（F2），用1 mol/L 的NH2OH·HCl 提取非晶態(tài)鐵錳結(jié)合態(tài)Cd（F3），用12 mol/L 的HCl 和0.75 g KClO3提取有機物和硫化物結(jié)合態(tài)Cd（F4），最后采用HNO3-HF消化殘留態(tài)Cd（F5）。

土壤有效Fe、有效Mn、有效P 和S（Ⅱ）測定?；诒∧U散梯度（diffusive gradients in thin-films,DGT）技術(shù)進行原位測定。DGT裝置由固定層（固定膜）和擴散層（擴散膜和濾膜）疊加組成，目標(biāo)離子以擴散方式穿過擴散層，隨即被固定膜捕獲積累。本實驗采用ZrO-Chelex DGT 和AgI DGT 2 種薄膜來分別測定土壤中的有效P、As、Fe、Cd、Cu、Mn、Ni、Pb、Zn和S（Ⅱ）含量，具體操作如下：在放置DGT裝置的前一天保持各土壤含水量為田間持水量的70%以上，將DGT膜面倒扣至土壤表面下方3 cm左右，放置24 h后利用去離子水沖洗DGT裝置，取出固定膜。用1 mol/L 的HNO3溶液浸提固定膜上的陽離子，浸提液中的有效Fe 采用鄰菲啰啉顯色法，用96微孔板分光光度計法測定；其他金屬陽離子直接用ICP-MS 測定；浸提后的固定膜繼續(xù)用1 mol/L 的NaOH溶液浸提陰離子，有效P采用磷鉬藍(lán)顯色法，用96 微孔板分光光度計法測定。對AgI DGT 固定膜上的S（Ⅱ）采用電腦成像密度計量（computerimaging densitometry,CID）技術(shù)測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

水稻根向莖、莖向籽粒、葉向籽粒轉(zhuǎn)移Cd 的能力分別用轉(zhuǎn)運系數(shù)TF1、TF2、TF3表示。

TF1=w2/w1.

TF2=w4/w2.

TF3=w4/w3.

式中：w1為根系中含Cd量，mg/kg；w2為莖中含Cd量，mg/kg；w3為葉中含Cd 量，mg/kg；w4為籽粒中含Cd量，mg/kg。采用Office 2010、SPSS 19.0和Origin 9.0軟件進行數(shù)據(jù)處理及作圖，多重比較結(jié)果均在P＜0.05水平進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同生育期淹水對土壤Eh和pH的影響

水稻移栽后苗期（第0—25天）內(nèi)所有處理保持淹水。

如圖1所示：在淹水第20天時，淡涂黏田和洪積泥砂田土壤的Eh 分別下降到-180.1～-166.3 和-201.5～-185.7 mV，隨后土壤Eh隨水分管理措施改變呈波動變化。由于水稻根系生長造成微氧環(huán)境，第30—150天淡涂黏田和洪積泥砂田土壤YS處理的Eh 分別在-147.2～-49.3 和-174.9～-79.8 mV之間波動；CK處理的Eh范圍為295.9～411.0和281.7～454.1 mV。FB 處理完成分蘗-拔節(jié)期淹水后從第80天開始落干，在第90天淡涂黏田和洪積泥砂田土壤的Eh 分別上升到388.5 和346.0 mV，此后一直保持較高的Eh值。CS處理從第81天開始進行抽穗期淹水后，Eh 值在第90 天下降至-61.0 和-79.8 mV，在灌漿期回升。GC處理從第96天開始進行灌漿期淹水后，Eh 分別由415.1 和450.0 mV 下降至第110 天的-128.3 和-164.8 mV，至收獲期一直保持較低的Eh值。值得注意的是，相較于其他時期淹水狀態(tài)下的Eh值，分蘗和拔節(jié)期（第26—80天）中2種土壤YS和FB處理的Eh值較低，淡涂黏田和洪積泥砂田土壤的Eh 范圍分別為-133.7～-29.5和-154.7～-14.4 mV，原因可能是在此期間水稻根系活力強，其泌氧能力強于生育中后期[21-22]。

如圖2所示，土壤pH隨水分管理不同呈波動變化。在第0—20 天淹水期間，淡涂黏田和洪積泥砂田土壤的平均pH 分別從6.12、5.54 上升至6.84、6.73，pH較低的洪積泥砂田土壤上升幅度較大。當(dāng)土壤開始落干的時候，2種土壤pH均下降。第30—150天淡涂黏田和洪積泥砂田YS處理的pH分別在6.08～6.77和6.25～6.86之間波動；CK處理的pH范圍分別為5.72～6.12和5.13～5.64。FB處理從第80天開始落干，在第90天淡涂黏田和洪積泥砂田土壤pH分別由6.07和6.11下降到5.59和5.30，此后一直保持較低的pH；CS 處理從第81 天開始進行抽穗期淹水，在第90 天pH 分別由5.96 和5.42 上升到6.21和6.06，在灌漿期pH 又下降；GC 處理從第96 天開始進行灌漿期淹水后，pH 分別由5.93、5.40 上升至6.63、6.63，此后一直保持較高的pH。值得注意的是，相較于其他時期淹水狀態(tài)下的pH，在分蘗和拔節(jié)期（第26—80天），淡涂黏田第45、75天和洪積泥砂田土壤第60、75天的YS和FB處理的pH更高，這一時期淹水狀態(tài)下的pH 分別低至6.07 和6.09。這與CATTANI等[23]的研究結(jié)果一致，可能是在此期間水稻根系分泌大量的有機酸導(dǎo)致了根系土壤的pH降低[24-25]，加之這一時期淹水比其他淹水時期的Eh更高（圖1），土壤中可能存在更多的氧化產(chǎn)H＋反應(yīng)，從而降低了pH。

圖1 不同水分管理措施下土壤氧化還原電位（Eh）的動態(tài)變化Fig.1 Dynamic changes of Eh values in two paddy soils with different water managements

圖2 不同水分管理措施下土壤pH的動態(tài)變化Fig.2 Dynamic changes of pH in two paddy soils with different water managements

2.2 不同生育期淹水對土壤Cd 形態(tài)的影響

從圖3中可以看到，土壤水分條件會影響土壤中Cd的賦存形態(tài)，而且不同時期淹水的影響有所不同。

從水稻全生育期來看，2種土壤的Cd形態(tài)變化呈現(xiàn)相同的趨勢。在整個水稻生育期，淡涂黏田和洪積泥砂田2 種土壤中，YS 處理的可交換態(tài)Cd（F1）均一直保持較低的含量，2 種土壤YS 處理的Cd 主要賦存形態(tài)均為鐵錳結(jié)合態(tài)（F3）和特異性吸附態(tài)（F2），占比分別高達(dá)52.57%和34.36%、49.40%和33.96%；2 種土壤中CK、CS 和GC 這3 個處理在整個生育期一直保持較高的Cd活性，其主要賦存形態(tài)均為可交換態(tài)Cd（F1）。這3 個處理（CK、CS 和GC）的可交換態(tài)Cd（F1）含量在淡涂黏田土壤中無顯著差異，分別為0.33～0.65、0.41～0.60和0.29～0.64 mg/kg；在洪積泥砂田中同樣無顯著差異，分別為0.34～0.51、0.35～0.53和0.30～0.52 mg/kg。所有處理的可交換態(tài)Cd（F1）含量在2 種土壤之間也沒有顯著差異。與CK 處理相比，2 種土壤FB 處理的可交換態(tài)Cd（F1）含量在分蘗期顯著降低，隨著抽穗期時土壤落干又大量增加，此后2種土壤中FB處理均一直保持較高的可交換態(tài)Cd（F1）含量。說明在分蘗期淹水能夠顯著降低土壤中的可交換態(tài)Cd（F1）含量，土壤落干會促進Cd活化；而在抽穗期、灌漿期和成熟期淹水對土壤中的可交換態(tài)Cd（F1）含量影響不大。

從同一生長時期的Cd 形態(tài)變化來看，在分蘗期，淡涂黏田YS和FB處理的可交換態(tài)Cd（F1）含量比CK 處理分別下降了55.16%和73.35%，差異顯著；而鐵錳結(jié)合態(tài)Cd（F3）含量比CK處理分別增加了99.65%和157.89%，差異顯著；其他3 個處理與CK相比差異不大。在抽穗期、灌漿期和成熟期，只有YS處理的可交換態(tài)Cd（F1）含量比CK處理顯著下降，分別降低57.51%、76.29%和59.27%，特異性吸附態(tài)Cd（F2）含量比CK 處理上升27.69%、58.14%、75.74%，鐵錳結(jié)合態(tài)Cd（F3）含量比CK 處理顯著上升121.92%、124.27%和170.42%；其他3個處理與CK相比差異不大。相較于CK處理，洪積泥砂田土壤的YS 和FB 處理在分蘗期除了發(fā)生交換態(tài)Cd（F1）顯著下降和鐵錳結(jié)合態(tài)Cd（F3）含量的顯著上升，其特異性吸附態(tài)Cd（F2）含量與CK處理相比顯著上升；其他時期的Cd形態(tài)變化與淡涂黏田的一致。

圖3 不同水分管理措施下土壤Cd形態(tài)組成的動態(tài)變化Fig.3 Dynamic changes of Cd speciation proportion in two paddy soils with different water managements

綜上所述，水稻分蘗期2種土壤的可交換態(tài)Cd含量呈現(xiàn)CK≈CS≈GC?FB≈YS，而在水稻的其他生長時期可交換態(tài)Cd 含量呈現(xiàn)CK≈FB≈CS≈GC?YS。YS和FB處理能降低土壤Cd活性的原因是分蘗期淹水和全生育期淹水能夠促進土壤可交換態(tài)Cd（F1）向活性更低的特異性吸附態(tài)Cd（F2）和鐵錳結(jié)合態(tài)Cd（F3）轉(zhuǎn)變；而在抽穗期、灌漿期和成熟期淹水對土壤中Cd 的賦存形態(tài)影響不大。大量研究顯示，淹水后隨著Eh 下降和pH 上升，土壤有效Cd含量顯著下降；反之，有效Cd 含量顯著上升[11,26-27]。本試驗中2 種土壤YS、FB 和CK 處理的可交換態(tài)Cd 含量變化與前人試驗結(jié)果相同，但是CS 和GC處理中的可交換態(tài)Cd 含量沒有隨著Eh 下降和pH上升而發(fā)生顯著變化。TIAN 等[28]針對灌漿前和灌漿后淹水的盆栽試驗也顯示，淹水和濕潤處理之間的可交換態(tài)Cd 含量沒有顯著性差異，其認(rèn)為可能是由于該試驗采用風(fēng)干土，風(fēng)干過程的水分變化影響了Cd 的有效態(tài)含量。本試驗采用鮮土樣即時測定，仍顯示相似的結(jié)果。有研究顯示，土壤快速濕潤會促使土壤團聚體發(fā)生崩解[29]且長時間淹水使得黏粒釋放下滲，從而堵塞土壤孔隙以破壞土壤結(jié)構(gòu)，進而在干燥后受內(nèi)聚力作用，土面變硬發(fā)生板結(jié)。而如果在灌溉或暴雨前土壤含水量較高，則土壤團聚體分散和板結(jié)程度就會降低，而土壤板結(jié)會導(dǎo)致水分入滲率下降[30-32]。本試驗中，在CS、GC 處理開始淹水之前均觀察到土壤有發(fā)硬板結(jié)現(xiàn)象，可能是由于本試驗在含水量極低的風(fēng)干土中加水快速淹沒土壤，之后按照各處理要求實施落干，這一過程導(dǎo)致了較為嚴(yán)重的土壤板結(jié)，進而影響抽穗期、灌漿期和成熟期淹水措施對于土壤有效Cd 的降低作用；YS 和FB 處理在開始淹水時土壤處于疏松的風(fēng)干土狀態(tài)，淹水后有效Cd含量顯著降低。由附圖1（http://www.zjujournals.com/agr/CN/10.3785/j.issn.1008-9209.2020.04.081）可知，在風(fēng)干土中進行苗期淺水灌溉后，淹水狀態(tài)促使所有處理的土壤溶液Cd 含量隨Eh 下降和pH 上升而下降。附圖2（http://www.zjujournals.com/agr/CN/10.3785/j.issn.1008-9209.2020.04.081）顯示，當(dāng)pH≥6.5 時，2 種土壤溶液Cd含量顯著降低。說明土壤板結(jié)可能導(dǎo)致淹水降低土壤有效Cd 的作用失效。在實際的農(nóng)田中，由于土壤質(zhì)地黏重或粉粒含量高、有機質(zhì)含量低、不合理的施肥或灌溉以及暴雨等均會引起土壤板結(jié)，其中各灌溉方式的土壤板結(jié)程度一般為漫灌＞溝灌＞滲灌[33-34]。因此，在采取淹水措施時要注意考慮土壤質(zhì)地，適當(dāng)進行深耕，并采取合理的施肥制度和灌溉方式。土壤板結(jié)對淹水措施降低土壤有效Cd 的效果影響及相關(guān)機制有待進一步研究。

2.3 不同生育期淹水對土壤DGT-Fe、DGT-Mn、DGT-P 和DGT-S 的影響

DGT技術(shù)主要基于自由擴散原理（Fick第一定律），通過在定義擴散層的梯度擴散及其關(guān)聯(lián)過程研究，獲得目標(biāo)離子在環(huán)境介質(zhì)中的擴散通量、生物有效態(tài)含量和固-液交換動力學(xué)的信息，能夠較好地模擬植物在土壤中對元素的動態(tài)吸收過程。DGT-Fe、DGT-Mn、DGT-P和DGT-S不僅分別反映土壤溶液中的各種活性成分，而且包括在原位提取期間從土壤微粒上解吸下來的Fe2＋、Mn2＋、PO3-4和S2-[35]。

從圖4 中可以看出，對于淡涂黏田和洪積泥砂田這2 種土壤，不同時期淹水處理均顯著增加相應(yīng)淹水時期的DGT-Fe、DGT-Mn、DGT-P 和DGT-S含量。在分蘗期，YS 和FB 處理比CK 處理顯著增加土壤DGT-Fe、DGT-Mn、DGT-P 和DGT-S 含量。在抽穗期，YS 和CS 處理比CK 處理顯著增加土壤DGT-Fe、DGT-Mn 和DGT-S 含量。在灌漿和成熟期，YS 和GC 處理比CK 處理顯著增加土壤DGTFe、DGT-Mn和DGT-S含量。全生育期各指標(biāo)相關(guān)性分析（表3）顯示，淡涂黏田土壤的可交換態(tài)Cd（F1）含量與DGT-Fe、DGT-Mn、DGT-P和DGT-S含量在整個生育期呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)（-0.703**、-0.467**、-0.336*、-0.565**），洪積泥砂田土壤的可交 換 態(tài)Cd（F1）含 量 也 與DGT-Fe、DGT-Mn 和DGT-S 含量在整個生育期呈極顯著負(fù)相關(guān)（-0.724**、-0.675**、-0.685**、-0.531**）。然而，結(jié)合圖3 和圖4 可以發(fā)現(xiàn)，即使CS 和GC 處理分別顯著增加抽穗、灌漿和成熟期的土壤DGT-Fe、DGT-Mn、DGT-P 和DGT-S 含量，但并沒有對土壤Cd 形態(tài)產(chǎn)生顯著的影響。這與前人認(rèn)為土壤中的S 和P 會影響Cd 有效性的研究結(jié)果[36-38]有所不同，原因可能是CS 和GC 處理在開始淹水時土壤處于板結(jié)狀態(tài)，削弱了S2-和PO3-4等對土壤有效Cd的吸附或沉淀作用。

2.4 不同生育期淹水對水稻鐵膜和根表Cd 含量的影響

水稻鐵膜主要由無定形和結(jié)晶態(tài)氧化Fe（Ⅲ）構(gòu)成，用連二亞硫酸鈉-檸檬酸鹽-碳酸氫鹽（DCB）溶液提取的根表氧化Fe（Ⅲ）通常被視作水稻鐵膜（DCB-Fe）[39]。

如圖5所示：在水稻生長的分蘗期、抽穗期和成熟期，淡涂黏田和洪積泥砂田土壤YS和FB處理的DCB-Fe 含量均顯著高于其他處理組，最高分別為18.92～42.91 和23.29～45.30 g/kg、27.49～83.95 和37.76～82.09 g/kg；CS 處理的DCB-Fe 含量次之；GC和CK處理的DCB-Fe含量最低，且GC與CK處理在所有時期均無顯著性差異。淡涂黏田FB處理的DCB-Fe 含量在灌漿期和成熟期顯著高于YS 處理，洪積泥砂田FB 處理的DCB-Fe 含量在抽穗、灌漿和成熟期均顯著高于YS處理。分蘗期是淹水促進水稻鐵膜生成的關(guān)鍵時期，抽穗期淹水也能在一定程度上促進鐵膜生成，灌漿期和成熟期淹水對水稻根表鐵膜的生成無顯著促進作用。上述結(jié)論與前人的研究結(jié)果[40-42]一致，原因可能是此時的水稻根系泌氧能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)強于水稻生育后期[21-22]，能夠氧化淹水土壤中存在的大量Fe2＋和Mn2＋等物質(zhì)（圖4）。此外，洪積泥砂田中的水稻根表鐵膜含量遠(yuǎn)高于淡涂黏田，這可能與2 種土壤中Fe2＋、Mn2＋、有機質(zhì)、S、P等含量不同有關(guān)[43-46]。

圖4 不同水分管理措施下土壤DGT-Fe、DGT-Mn、DGT-P和DGT-S含量的動態(tài)變化Fig.4 Dynamic changes of DGT-Fe,DGT-Mn,DGT-P and DGT-S contents in two paddy soils with different water managements

表3 在不同時期土壤、水稻根表及籽粒元素之間的相關(guān)性Table 3 Correlation relationships among the elements of soil,rice root surface and grain in different rice growth stages

圖5 不同水分管理措施下水稻根表鐵膜含量的動態(tài)變化Fig.5 Dynamic changes of DCB-Fe contents on root surface in two paddy soils with different water managements

從圖6 中可以看出：對于淡涂黏田土壤，YS 處理在整個生育期一直保持較低的根表Cd 含量，范圍為0.33～1.10 mg/kg，顯著低于CK 處理的范圍5.49～13.49 mg/kg，GC 處理在整個生育期與CK 處理無顯著差異，均保持較高的根表Cd 含量，范圍為7.23～10.89 mg/kg。在分蘗期，相較于CK處理，F(xiàn)B處理的根表Cd 含量顯著降低；落干后FB 處理在抽穗期的根表Cd含量相較于分蘗期大幅上升，但仍顯著低于CK處理。在抽穗期，CS處理的根表Cd含量比CK 處理顯著下降28.78%，且在灌漿期比CK 處理顯著下降48.69%。與淡涂黏田相似，洪積泥砂田土壤YS處理在全生育期同樣保持較低的根表Cd含量，范圍為0.31～0.62 mg/kg，顯著低于CK 處理的2.21～2.48 mg/kg。FB 和GC 處理也與淡涂黏田土壤的變化趨勢一致。與CK相比，CS處理的根表Cd含量在抽穗期無明顯變化，在灌漿期下降12.37%。相關(guān)性分析結(jié)果（表3）顯示，在整個生育期淡涂黏田土壤的根表Cd2＋與根表Fe2＋呈極顯著負(fù)相關(guān)（-0.435**），而在洪積泥砂田中根表Cd2＋與根表Mn2＋呈極顯著負(fù)相關(guān)（-0.432**），這與LI 等[18,47]的研究結(jié)果一致。

綜上所述，全生育期、分蘗期和抽穗期淹水均可降低水稻根表Cd含量，原因可能是淹水后產(chǎn)生的大量Fe2＋和Mn2＋在根表發(fā)生了競爭性吸附作用。在淡涂黏田土壤中主要作用離子是Fe2＋，而在洪積泥砂田土壤中主要作用離子是Mn2＋。淹水措施對根表Cd含量的降低存在一定的滯后效應(yīng)，而灌漿期和成熟期淹水對根表Cd含量影響較小。

圖6 不同水分管理措施下水稻根表Cd含量的動態(tài)變化Fig.6 Dynamic changes of Cd contents on root surface in two paddy soils with different water managements

2.5 不同時期淹水對水稻Cd 累積和轉(zhuǎn)運的影響

如圖7所示：在淡涂黏田土壤中，YS處理下籽粒中Cd 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.051 9 mg/kg，比CK 處理的0.804 6 mg/kg 下降了93.55%，而FB 處理下籽粒中Cd 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.030 0 mg/kg，比CK 處理增加28.00%。CS處理下籽粒中Cd的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.402 4 mg/kg，比CK 處理下降49.99%，差異顯著，但CS 處理下籽粒中Cd 含量仍然高于食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的污染物Cd 限量（0.2 mg/kg）的標(biāo)準(zhǔn)。如表4所示，在淡涂黏田中FB處理比CK處理顯著增加了莖和葉到籽粒的轉(zhuǎn)運（TF2和TF3）。在洪積泥砂田土壤中，與CK處理相比，不同時期各淹水處理均降低了籽粒Cd 含量。YS、FB 和CS 處理的籽粒中Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.032 3、0.171 0 和0.190 6 mg/kg，比CK 處理的0.345 5 mg/kg 分別顯著下降90.64%、50.52%和44.85%。與CK 處理相比，洪積泥砂田中FB和CS處理的TF2明顯降低。2種土壤的GC處理籽粒中Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.857 9和0.270 8 mg/kg，均相較各自CK處理差異不顯著。綜上所述，在淡涂黏田中水稻成熟期籽粒Cd含量呈現(xiàn)FB＞GC≈CK＞CS＞YS，而在洪積泥砂田中成熟期籽粒Cd 含量為CK≈GC＞CS≈FB＞YS。

圖7 不同水分管理措施下水稻籽粒、根系、莖和葉片Cd含量Fig.7 Cd contents in rice grain,root,stem and leaf in two paddy soils with different water managements

2種土壤YS處理的根、莖和葉Cd含量都遠(yuǎn)低于其他處理。在淡涂黏田土壤中，與CK處理相比，GC處理根系Cd含量下降45.64%，差異顯著?？赡苁巧笃陂L時間淹水使得土壤中Fe2＋、Mn2＋與Cd2＋競爭水稻根表吸收位點，降低了根系Cd含量。相關(guān)性分析（表3）表明，在成熟期淡涂黏田土壤根表Cd2＋與Fe2＋呈負(fù)相關(guān)（-0.631），洪積沙泥田土壤根表Cd2＋與Fe2＋、Mn2＋均呈顯著負(fù)相關(guān)（-0.697*、-0.742*）。洪積泥砂田土壤的FB和CS處理的根系Cd含量較CK處理顯著升高，原因可能是CK 處理的TF1為0.53，明顯高于其他處理，根系Cd 被更多地轉(zhuǎn)運到地上部。在淡涂黏田土壤中，相較于CK處理，F(xiàn)B和GC處理的莖中Cd 含量顯著降低，下降幅度分別為27.09%和27.24%。洪積泥砂田土壤中GC 處理的莖中Cd 含量也較低，相較于CK 處理降低了33.17%。2 種土壤的YS 和FB 處理的葉中Cd 含量均顯著低于其他處理。

表4 不同水分管理措施下水稻Cd轉(zhuǎn)運系數(shù)Table 4 Cd translocation factors with different water managements in rice

淡涂黏田和洪積泥砂田這2 種土壤中降低水稻籽粒Cd 積累的關(guān)鍵淹水時期有所不同。抽穗期是2 種土壤共同的關(guān)鍵淹水時期，這與劉昭兵等[48]和ARAO 等[49]的研究結(jié)果一致，主要原因是抽穗期淹水降低了莖到籽粒的轉(zhuǎn)運系數(shù)TF2（表4）。此外，由表3 可知：淡涂黏田和洪積泥砂田這2 種土壤中的籽粒Cd 含量均與根表Cd 含量呈正相關(guān)關(guān)系（0.706*、0.421），淡涂黏田CS 處理降低了抽穗期和灌漿期的根表Cd 含量，洪積泥砂田CS 處理降低了灌漿期的根表Cd 含量，有利于減少籽粒Cd積累。

淡涂黏田和洪積泥砂田這2 種土壤在分蘗-拔節(jié)期淹水對籽粒Cd含量的影響存在差異，與CK處理相比，淡涂黏田FB處理的TF2和TF3明顯增加，而洪積泥砂田FB 處理的TF2明顯降低（表4），原因可能是分蘗期淹水促進大量根表鐵膜生成（圖5），而鐵膜對2 種土壤中的水稻Cd 積累產(chǎn)生了不同的影響。有研究顯示，根表鐵膜對水稻地上部Cd的積累轉(zhuǎn)運作用受鐵膜形成量[42]和土壤Cd 的生物有效性等因素影響[15,50]。鐵膜在土壤Cd生物有效性較低的時候抑制水稻地上部Cd 吸收積累，而在Cd 生物有效性較高的時候?qū)Φ厣喜緾d 無顯著影響甚至起促進作用[15,50]。本試驗中洪積泥砂田FB處理各時期的鐵膜含量是淡涂黏田FB處理的1.3～1.8倍，且洪積泥砂田的Cd 生物有效性低于淡涂黏田土壤。洪積泥砂田土壤中籽粒Cd 與根表DCB-Fe 和DCB-Mn呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)（-0.718*、-0.804**）（表3），而在淡涂黏田土壤中相關(guān)性不明顯（0.021、0.058）；且洪積泥砂田土壤中CK 處理的DCB-Fe 含量最低，其TF1值卻最高（表4）。綜上所述，鐵膜在洪積泥砂田土壤中對籽粒Cd的吸收積累起抑制作用，而在淡涂黏田中沒有抑制作用。

前人研究認(rèn)為灌漿期淹水能有效降低土壤活性Cd，是減少水稻籽粒Cd 積累的關(guān)鍵時期[28,51]，而本研究顯示灌漿及成熟期淹水不能有效降低籽粒Cd 含量，這可能與土壤板結(jié)使得淹水對土壤有效Cd的降低作用失效有關(guān)。此外，熊麗萍等[52]研究發(fā)現(xiàn)，稻谷中的Cd主要來源于孕穗期-乳熟期水稻根系吸收并轉(zhuǎn)運至稻谷中的，而乳熟期-黃熟期稻谷中增加的Cd全部來源于莖或葉中積累的Cd的再轉(zhuǎn)移，推算其所占的比例僅為5%。因此，由于灌漿及成熟期淹水對土壤活性Cd無降低作用，加上淹水降低根表Cd含量效應(yīng)具有滯后性，導(dǎo)致灌漿及成熟期淹水雖然降低了成熟期莖和根系的Cd含量，但可能錯過了調(diào)控的關(guān)鍵時期，其中的機制有待進一步研究。

3 結(jié)論

1）水稻不同生育期淹水均會降低土壤Eh，增加土 壤pH 以 及DGT-Fe（Fe2＋）、DGT-Mn（Mn2＋）、DGT-P（PO3-4）和DGT-S（S2-）含量，其中洪積泥砂田的pH 增幅大于淡涂黏田。在淡涂黏田土壤中，不同時期淹水通過促進Fe2＋與Cd2＋在根表的競爭作用降低水稻根表Cd 含量；而在洪積泥砂田土壤中，不同時期淹水通過促進Mn2＋與Cd2＋在根表的競爭作用降低水稻根表Cd含量，且在2種土壤中淹水措施對根表Cd 含量的降低作用均存在滯后效應(yīng)。

2）水稻不同時期淹水主要通過改變水稻根表Cd 含量及Cd 從莖向籽粒的轉(zhuǎn)運來影響籽粒Cd 的積累。淡涂黏田中水稻籽粒降Cd 的關(guān)鍵淹水時期是抽穗期（比全生育期濕潤處理下降了49.99%），而在洪積泥砂田中是分蘗-拔節(jié)期和抽穗期（分別比全生育期濕潤處理下降了50.52%和44.85%）。2種土壤在分蘗-拔節(jié)期淹水產(chǎn)生差異的主要原因是分蘗期淹水促進了水稻根表鐵膜大量生成，而鐵膜抑制了洪積泥砂田土壤中Cd 向水稻籽粒的轉(zhuǎn)運和積累，但對淡涂黏田土壤卻沒有抑制作用。

綜上所述，不同土壤上的水稻降Cd關(guān)鍵淹水時期有所不同，通過此次試驗研究，建議在水稻抽穗期進行淹水灌溉作為水稻降鎘關(guān)鍵時期的水分管理模式。