施用石灰降低污染稻田上双季稻镉积累的效果

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周亮^,¹^,², 肖峰²^,³, 肖欢²^,³, 张玉盛²^,³, 敖和军^,²^,³

¹华南农业大学资源环境学院,广州 510642

²南方粮油协同创新中心,长沙 410128

³湖南农业大学农学院,长沙 410128

Effects of Lime on Cadmium Accumulation of Double-Season Rice in Paddy Fields with Different Cadmium Pollution Degrees

ZHOU Liang^,¹^,², XIAO Feng²^,³, XIAO Huan²^,³, ZHANG YuSheng²^,³, AO HeJun^,²^,³

¹College of Natural Resources and Environment, South China Agricultural University, Guangzhou 510642

²South Regional Collaborative Innovation Center for Grain and Oil in China, Changsha 410128

³College of Agriculture, Hunan Agricultural University, Changsha 410128

通讯作者: 敖和军,E-mail： aohejun@126.com

责任编辑: 李云霞
收稿日期:2020-05-24接受日期:2020-10-12网络出版日期:2021-02-16

基金资助:

国家水稻产业技术体系栽培与土肥岗位专家项目.CARS-01

Received:2020-05-24Accepted:2020-10-12Online:2021-02-16
作者简介 About authors
周亮,E-mail： 1294786194@qq.com。

摘要
【目的】研究在不同镉（Cd）污染程度稻田上施用石灰（CaO）的效果以及双季稻稻米Cd积累的差异,为早、晚稻季下不同污染程度稻田上的稻米安全生产提供参考。【方法】在湖南省选取43个县（区）的典型Cd污染稻田作为试验点,以常规栽培作为对照,研究施用石灰（1 200 kg·hm^-2）后,轻度污染（土壤有效镉≤0.2 mg·kg^-1）、中度污染（0.2 mg·kg^-1土壤有效镉≤0.4 mg·kg^-1）、重度污染（0.4 mg·kg^-1土壤有效镉≤0.6 mg·kg^-1）和严重污染（土壤有效镉>0.6 mg·kg^-1）稻田土壤pH、土壤有效镉含量、稻米Cd含量以及稻米富集系数的变化。【结果】（1）从Cd污染稻田整体的角度分析,相比常规栽培,施用石灰能够极显著降低早、晚稻米Cd含量均值,降幅分别为31.0%和28.6%。（2）从不同稻季下不同污染程度稻田的角度分析,相比常规栽培,施用石灰能够降低早稻季中度、重度和严重污染稻田的稻米Cd含量均值,降幅分别为37.0%、38.7%（P＜0.05）和22.6%;施用石灰能够降低晚稻季轻度、中度、重度和严重污染稻田的稻米Cd含量均值,降幅分别为2.0%、31.3%（P＜0.05）、31.8%和22.9%。不同污染程度稻田施用石灰后能够提高土壤pH,降低土壤有效镉含量,使稻米Cd富集系数明显下降,实现对稻米Cd含量的调控。【结论】施用石灰能够有效调控早稻季的轻度、中度、重度以及晚稻季的轻度Cd污染稻田的稻米Cd含量均值,降至限量标准（0.2 mg·kg^-1）以下。因此,以石灰施用为基础,结合其他降Cd措施,实施“分稻季分污染程度”和“晚稻优先于早稻”的治理思路,能提高大田生产上稻米Cd含量调控的稳定性并降低治理成本。
关键词： 石灰;双季稻;Cd;稻米Cd富集系数

Abstract

【Objective】The purpose of this study was to explore the effects of applicating liming in the double-season rice in paddy fields with varying degrees of cadmium pollution, and then to provide a reference for rice safety production in different polluted paddy fields with early and late rice seasons.【Method】43 typical cadmium polluted paddy fields in counties (districts) of Hunan province were used as experimental sites, and the lime was applied according to the standard of 1 200 kg·hm^-2, to explore the change of four values such as soil pH, soil available Cd content, rice Cd content and rice enrichment coefficient, that were respectively researched in lightly polluted paddy fields (soil available Cd≤0.2 mg·kg^-1), moderately polluted paddy fields (0.2 mg·kg^-1soil available Cd≤0.4 mg·kg^-1), severely polluted paddy fields (0.4 mg·kg^-1soil available Cd≤0.6 mg·kg^-1), and super severely polluted paddy fields (soil available Cd>0.6 mg·kg^-1). The conventional cultivation was used as control.【Result】The multi-point experiment results showed that: (1) From the perspective of integral Cd polluted paddy fields, compared with conventional cultivation, the average Cd content in early and late rice was significantly reduced by applying lime, with a decrease of 31.0% and 28.6%, respectively. (2) From the perspective of different rice seasons in diverse pollution levels rice fields, the mean rice Cd content in paddy fields with moderately, severely, and seriously polluted rice fields in early rice seasons was decreased by 37.0%, 38.7% (P＜0.05) and 22.6%, respectively, compared with that in conventional cultivation. Application of lime could also reduce the mean Cd content of rice in lightly, moderately, severely and super severely polluted paddy fields in late rice season by 2.0% ,31.3% (P＜0.05), 31.8% and 22.9%, respectively. The lime could regulate Cd content in rice, because it could lower the Cd enrichment coefficient of rice in paddy fields with different degrees of pollution and the available Cd content in soil, ,and increase the soil pH. 【Conclusion】The application of lime could effectively control the mean Cd content of rice in the paddy fields polluted by light, moderate and severe Cd in early rice season and lightly Cd polluted paddy fields in late rice season to below the limit standard (0.2 mg·kg^-1). Therefore, on the basis of lime application and in combination with other measures to reduce Cd as the main ideas of “separating the degree of pollution in rice season” and “ late rice is prior to early rice” could improve the stability of controlling rice Cd content in field production and the economy of governance costs.

Keywords：lime;double-season rice;cadmium;Cd enrichment coefficient

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本文引用格式
周亮, 肖峰, 肖欢, 张玉盛, 敖和军. 施用石灰降低污染稻田上双季稻镉积累的效果[J]. 中国农业科学, 2021, 54(4): 780-791 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2021.04.010
ZHOU Liang, XIAO Feng, XIAO Huan, ZHANG YuSheng, AO HeJun. Effects of Lime on Cadmium Accumulation of Double-Season Rice in Paddy Fields with Different Cadmium Pollution Degrees[J]. Scientia Acricultura Sinica, 2021, 54(4): 780-791 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2021.04.010

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0 引言

【研究意义】水稻（Oryza sativa）是我国的主要粮食作物,保障水稻的安全高产,是养活14亿人口的关键。水稻产量高是端稳饭碗的保障,而水稻食用安全是端稳饭碗的前提,但如今稻田Cd污染对水稻安全造成巨大威胁^[1]。在极端天气日益加剧、沙漠蝗虫卷土重来和新冠病毒暗中潜伏等诸多不确定因素的局势下,传统意识上以休耕Cd污染稻田,辅以国外进口粮食的策略,来达到端稳自家饭碗的目的是不可行的^[2,3]。因此,开展双季稻区Cd污染稻田的稻米Cd调控研究,对于保障我国的粮食安全迫在眉睫。【前人研究进展】国内外****,以土壤钝化和生理阻隔为出发点^[4],从农艺措施^[5]和物化产品^[6,7]的角度已开展大量研究,同时构建了一套相对完善的控Cd体系,即“水稻低Cd积累品种（Varieties）+稻田持续淹水灌溉（Irrigation）+外源添加碱性物质（pH）+辅助措施（N）”的“VIP+N”综合控Cd技术体系^[8,9,10,11]。碱性物质石灰（CaO）作为“VIP+N”综合控Cd技术体系的关键一环,具备来源广、价格便宜的优点,在治理稻田Cd污染方面得到广泛的应用。张迪和Bolan等通过盆栽试验揭示,石灰能够提高pH,促使土壤中的有效镉向还原态和残渣态转化,削弱土壤Cd的迁移能力,降低作物对Cd的富集能力^[12,13]。史磊等^[14]研究发现,在Cd污染稻田的分蘖期施用石灰,能够有效降低稻米Cd含量,同时保障水稻不减产。鄢德梅等^[15]研究后建议,将石灰石、海泡石和钙镁磷肥组配后,用于稻田Cd污染（4.98 mg·kg^-1）的治理,能够生产出达标的稻米。以上结果均表明,石灰能够有效调控稻米Cd积累。【本研究切入点】但这些研究结果,都是在单一稻季和单一污染程度土壤开展所得,具有相对的局限性。而石灰在调控水稻Cd积累时,受到土壤有效镉含量和水稻Cd吸收能力的共同影响。一方面,石灰通过降低土壤有效镉含量,来降低稻米富集系数;另一方面,石灰会降低土壤有效铁和锰的含量,诱导水稻根系OsNramp5和OsIRT1基因的表达,增强水稻吸收Cd的能力^[16]。这两者构成一个动态平衡,共同决定最终稻米的Cd积累。以上结果表明,石灰在实际应用时会受到多重因素的影响。因此,不同稻季下不同污染程度稻田稻米Cd含量在施用石灰后可能存在较大的差异。然而,这一猜想至今未在双季稻区的大尺度范围得到验证。【拟解决的关键问题】本研究在双季稻区的不同污染程度稻田,开展石灰的大规模应用研究,探明石灰对不同Cd污染程度稻田双季稻米Cd含量的影响,结合土壤pH、土壤有效镉含量和稻米富集系数,阐明石灰的大田降Cd机理,为双季稻区的稻米安全生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验点布置

本研究以湖南省农业资源与环境保护管理站为实施主体,下辖市（县、区）农业资源与环境保护管理站为开展试验的个体,选择43个县（区）的典型双季稻区Cd污染稻田作为试验区域,每个试验区域下设1—3个试验点,共计79个试验点,涵盖湖南省全省双季稻Cd污染稻田。

1.2 试验设计与田间管理

试验于2016年在湖南省43个县（区）的79个试验点开展。试验设两个处理：（1）常规栽培（CK）;（2）施用石灰（CaO）。每个处理设3次重复,每个小区面积为30 m²。小区间作田埂分隔,田埂高度30 cm,并覆盖农膜,留走道和灌、排水沟,确保每个小区单灌、单排、小区间不串水。早、晚两季在同一试验田进行,保持小区排列不变。早、晚稻季的农事操作均采用人工,确保小区田埂不受破坏。

早、晚稻品种采用当地常规品种,同一试验点,保证两个处理在相同稻季的水稻品种一致。依据当地种植习惯,水稻秧苗采用常规软盘水育秧或水育秧。播种和移栽时间,参考当地的农事季节,水稻秧苗移栽方式严格采用手工移栽。为代表当地的水稻生产实际情况,施肥类型和施肥量均参考当地常规栽培习惯,但禁止使用过磷酸钙等酸性肥料;按当地病虫情报进行防治,较常规病虫害防治略加大力度。石灰均在早、晚稻季的分蘖末期,按照1 200 kg·hm^-2的标准施用。

1.3 样品的采集与测定

土壤样品采用“梅花五点法”在各个试验小区采集0—20 cm土层的土壤。每个小区采集约500 g的鲜重土壤,自然阴干后备用。土壤样品共取3次,取样时间分别在早稻移栽前、早稻收获后（晚稻移栽前）和晚稻收获后。

稻谷样品采用“梅花五点法”在每个小区采集约500 g的稻谷样品,手工脱粒晒干后备用。稻谷样品共取2次,取样时间分别在早稻成熟期和晚稻成熟期。

各县（区）试验点采集的土壤样品均送至广电计量检测（湖南）有限公司,进行土壤pH和土壤有效镉的分析测定。稻谷样品均送至湖南省分析测定中心,进行稻米Cd含量的测定。以确保试验与检测过程可复查、有效降低检测误差。

土壤pH：将阴干后的土壤样品,采用水土比5﹕1的方式,用pH计测定,此过程由广电计量检测（湖南）有限公司完成。

土壤有效镉：将土壤样品用DTPA提取后,参照《土壤质量有效态铅和镉的测定原子吸收法》（GB/T 23739—2009）进行测定,此过程由广电计量检测（湖南）有限公司完成。

稻米Cd含量：晒干的稻谷样品,按照农业农村部颁标准《米质测定方法》（NY147—88）出糙,随后参照《食品安全国家标准食品中镉的测定》（GB 5009.15—2014）进行测定,此过程由湖南省分析测定中心完成。

样品质量控制：100个待测样品做一批次,其中再插入5个平行样、2个标准样和3个空白样,共构成110个样品上机测定。土壤有效态标准物质采用ASA-7,稻米标准样品采用GSB-23,土壤和稻米的标准品回收率分别为92%—103%和88%—98%。当平行样品间超过20%以上的差异时,标注该样品,下次重新测定。

1.4 计算公式

稻米Cd富集系数一般用于描述复杂田间条件下,受多种因素影响后稻米积累Cd的综合能力强弱。

早季稻米Cd富集系数=早稻米Cd含量/早稻移栽前土壤有效镉含量;

晚季稻米Cd富集系数=晚稻米Cd含量/晚稻移栽前土壤有效镉含量。

1.5 数据处理与分析

数据处理步骤：本研究在43个县（区）的79个试验点开展试验后,得到一个样本容量为471的数据集,将此数据集导入数据库MySQL 8.0,利用数据库管理软件Navicat Premium书写SQL查询语句,查询所需数据,整理后导入Excel 2016进行作图,同时利用SPSS 22.0软件中的单因素ANOVA板块,进行显著性检验。

数据分析方法：研究者以单个县（区）所有试验点CK和石灰处理得到的数据,分别计算均值用于代表该县区的试验结果。同时从描述性统计的角度,分析不同处理下稻米的Cd含量超标情况（图1和图2）。本研究参考农用地土壤污染风险管控标准（GB 15618—2018）,将试验点的Cd污染稻田程度划分成：轻度污染（土壤有效镉≤0.2 mg·kg^-1）、中度污染（0.2 mg·kg^-1土壤有效镉≤0.4 mg·kg^-1）、重度污染（0.4 mg·kg^-1土壤有效镉≤0.6 mg·kg^-1）和严重污染（土壤有效镉>0.6 mg·kg^-1）。然后,分别以稻田Cd污染程度将79个试验点归入相应类别,逐类分析轻度、中度、重度和严重Cd污染稻田的常规栽培和石灰处理之间的差异（图3—6）。诚然,同一污染程度下的不同试验点之间,存在水稻品种和栽培环境的差异,但单个试验点的CK和石灰处理除施用石灰外,其他方面保持一致。因此,由单个试验点组成的同一污染程度下CK和石灰处理,在总体层面仍保持一一对应的关系。

图1

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图1石灰对43个县（区）镉污染稻田早稻米达标的影响

食安线代表食品安全国家标准线（稻米Cd含量≤0.2 mg·kg^-1）。下同
Fig. 1Effects of lime on cadmium content in early-season rice of the paddy fields polluted by cadmium in 43 regions

The line represents Chinese National Food Safety Standards. The same as below

图2

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图2石灰对43个县（区）镉污染稻田晚稻米达标的影响

Fig. 2Effects of lime on cadmium content in late-season rice of the paddy fields polluted by cadmium in 43 regions

2 结果

2.1 石灰对Cd污染稻田稻米达标的影响

2.1.1 早稻季的稻米达标情况稻米Cd达标率是指,稻米Cd含量达到食品安全国家标准（GB2762— 2017）的个数占总数的百分比。由图1可知,在早稻季,在轻度污染稻田（土壤有效镉≤0.2 mg·kg^-1）,43个县（区）CK处理的稻米Cd达标率为75.0%,而石灰处理的稻米Cd达标率提高至87.5%;在中度污染稻田（0.2 mg·kg^-1土壤有效镉≤0.4 mg·kg^-1）,CK处理的稻米Cd达标率不足50%,相比之下石灰处理的稻米Cd达标率能达到66.7%;在重度污染稻田（0.4 mg·kg^-1土壤有效镉≤0.6 mg·kg^-1）,CK处理的稻米Cd达标率仅为33.3%,石灰处理的稻米Cd达标率相比增加33.4个百分点,达到66.7%;在严重污染稻田（土壤有效镉>0.6 mg·kg^-1）,CK处理的稻米Cd含量全部超标,而石灰处理的稻米Cd达标率仍有20%。以上结果表明,在不同污染程度的稻田,石灰均能降低早稻季的稻米Cd含量,提高稻米Cd达标率,使部分原本不能生产合格稻米的Cd污染稻田,满足安全生产的要求。

2.1.2 晚稻季的稻米达标情况如图2所示,在晚稻季,在轻度污染稻田,CK和石灰处理的稻米Cd达标率均为62.5%,但显然的是,施用石灰后的稻米Cd含量要低于CK处理;在中度污染稻田,CK处理的稻米Cd达标率为25.0%,石灰处理的稻米Cd达标率虽然相比轻度污染稻田有所下降,但也达到50%以上;在重度污染稻田,CK处理的稻米Cd达标率仅为16.7%,而石灰处理的稻米Cd达标率为50.0%,同比增加33.3个百分点;在严重污染稻田,CK和石灰处理的稻米Cd含量均全部不达标,但CK处理的稻米Cd含量明显高于石灰。结果表明,在不同污染程度的稻田,相比CK处理,石灰能降低晚稻季的稻米Cd含量;但相比早稻季,晚稻季的石灰处理能生产出合格稻米的Cd污染稻田数目出现下降的趋势。

2.2 石灰对稻米Cd含量的影响

如图3所示,将不同有效镉含量的Cd污染稻田分级后,进行方差分析得到的结果如下：（1）在早稻季,相比CK,石灰处理对轻度污染稻田的稻米Cd含量无显著影响;石灰处理显著降低中度污染稻田的稻米Cd含量,降幅为37.0%;石灰处理能够降低重度和严重污染稻田的稻米Cd含量,降幅分别为38.7%和22.6%。（2）在晚稻季,相比CK,石灰处理显著降低中度污染稻田的稻米Cd含量,降幅为31.3%;石灰处理能够降低轻度、重度和严重污染稻田的稻米Cd含量,降幅分别为2.0%、31.8%和22.9%。此外,从图3不难发现,随着稻田污染程度的提高,稻米Cd含量的误差线不断延长,说明石灰降低稻米Cd含量的效果稳定性在下降,这是由于稻田镉污染程度过高时,单凭撒施石灰难以将稻米Cd含量控制在稳定范围内。

图3

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图3石灰对不同污染程度稻田的稻米Cd含量的影响

图中小写字母不同,表示处理间差异显著（P＜0.05）。下同
Fig. 3Effects of lime on cadmium content in double-season rice of paddy fields with different pollution degrees

The lowercase letters in the figure are different, indicating significant difference between treatments (P＜0.05). The same as below

整体而言,相比CK,石灰能够极显著降低早、晚季稻米Cd含量,降幅分别为31.0%和28.6%。

2.3 石灰对稻米Cd富集系数的影响

如图4所示,在早稻季,在轻度污染稻田,相比CK,石灰处理对轻度污染稻田的稻米富集系数无显著影响;石灰处理显著降低中度污染稻田的稻米富集系数,降幅为38.7%;石灰处理能够降低重度和严重污染稻田的稻米富集系数,降幅分别为35.1%和31.2%。在晚稻季,相比CK,石灰处理能够降低轻度污染稻田的稻米Cd富集系数,降幅为9.2%;石灰处理显著降低中度污染稻田的稻米富集系数,降幅为31.0%;石灰处理能够降低重度和严重污染稻田的稻米富集系数,降幅分别为27.0%和14.1%。结果表明,石灰能够降低稻米的富集系数,来减少Cd在稻米中的积累。

图4

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图4石灰对不同污染程度稻田的稻米Cd富集系数的影响

Fig. 4Effects of lime on Cd enrichment coefficient in double-season rice of paddy fields with different pollution degrees

2.4 石灰对成熟期稻田土壤pH的影响

石灰能够提高成熟期的稻田土壤pH,但在不同程度的污染稻田的升幅表现不一致。如图5所示,在早稻季的成熟期,相比CK,石灰处理能够提高轻度和中度污染稻田土壤的pH,升幅为2.4%和1.3%;石灰处理显著提高严重污染稻田土壤的pH,升幅为4.0%。

图5

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图5石灰对成熟期不同镉污染程度稻田土壤pH的影响

Fig. 5Effects of lime on pH of paddy soil with different cadmium pollution degrees at maturity

在晚稻季的成熟期,相比CK,石灰处理对轻度和重度污染稻田土壤pH无显著性影响,但显著提高中度和严重污染稻田土壤pH,升幅均为4.7%。从稻季来看,晚稻季各污染程度稻田的土壤pH,明显高于早稻季。

2.5 石灰对成熟期稻田土壤有效镉的影响

如图6所示,在早稻季的成熟期,相比CK,石灰处理不能降低轻度污染稻田土壤有效镉含量,但能降低中度、重度和严重污染稻田土壤有效镉含量,降幅分别为2.4%、5.2%、4.8%。在晚稻季的成熟期呈现与早稻季相同的规律,即相比CK,石灰处理对轻度污染稻田土壤有效镉含量没有影响,但能够降低中度、重度和严重污染稻田的土壤有效镉含量,降幅分别为4.0%、5.2%和7.8%。从稻季来看,晚稻季各污染程度稻田的土壤有效镉含量,明显低于早稻季。

图6

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图6石灰对成熟期不同镉污染程度稻田土壤有效镉的影响

Fig. 6Effects of lime on available cadmium of paddy soil with different cadmium pollution degrees at maturity

3 讨论

3.1 石灰通过降低富集系数,减少稻米的Cd积累

土壤中的Cd能以有效镉的形式,随着土壤溶液迁移到水稻根系附近^[4]。在水稻根系吸收根周土壤溶液营养元素时,Cd会以“搭便车”的形式和水稻需要的营养元素共同进入水稻根系^[17]。一部分进入水稻根系的Cd会被固持和区室化作用沉积在根系细胞的细胞壁和细胞器中,另一部分Cd在根压和蒸腾拉力的作用下向地上部转运,最终在成熟期完成稻米的Cd积累过程^[18]。石灰（CaO）在施入土壤中后,会与H₂O反应生产强碱性物质Ca(OH)₂,造成土壤pH升高^[16]。在高pH的环境下,土壤中游离的有效镉会以Cd(OH)₂和CdCO₃的形式钝化,从而降低土壤中Cd的迁移能力和生物有效性^[19,20],减少水稻根系对Cd的吸收积累。根系是Cd进入稻米的前站,在根系对Cd的获取难度增加后,会削弱稻米对Cd的富集,最终表现为稻米富集系数的下降^[14,21]。

本研究结果表明,施用石灰是一种降低稻米Cd积累的有效手段。湖南43个县（区）的Cd污染稻田施用石灰后,其中36个县（区）的早季稻米Cd含量下降8.2%—83.4%,平均降幅为43.0%,35个县（区）晚季稻米Cd含量下降1.9%—79.7%,平均降幅为38.1%（图1—2）。从稻米富集系数角度分析,本研究表明,施用石灰能够降低不同污染程度稻田的稻米富集系数,阻碍Cd从土壤迁移到稻米的过程,从而影响稻米的Cd积累;从土壤有效镉和土壤pH角度分析,本研究显示,施用石灰能够提高成熟期稻田土壤的pH,降低土壤有效镉含量,实现土壤Cd的原位钝化,这表明施用石灰能减弱Cd的迁移能力,进而降低稻米对Cd的富集。然而本研究结果与前人研究结果不同的是,在水稻成熟期,相比CK,石灰处理虽能降低土壤有效镉含量,但并未达到显著水平。这可能是因为本研究石灰的施用,是在早稻季和晚稻季的分蘖末期。而土壤本身是一个强酸碱缓冲体系,经历分蘖末期至成熟期这一段时间,土壤能将施用石灰后营造的短暂高pH土壤环境,缓冲至接近原来的pH水平。这就导致先前因为土壤pH提高而降低的土壤有效镉含量,会随现在pH的回落而升高,最终接近未施石灰的土壤水平。这与前人的研究认为,在分蘖期施用石灰,能够通过提高pH来显著降低稻米Cd含量^[22],但施用石灰后土壤pH会出现先升高后降低,最终趋于稳定的结果类似^[23]。但此研究结果从另一角度来看,以提高土壤pH为切入点来钝化土壤中的Cd,从而达到降低稻米中Cd积累的目的,仅靠一次石灰的施用是不可持续的,而是需要重新解构目前不良的土壤酸碱平衡体系,即以土壤的碱缓冲物质—潜在性酸为“锚”点^[24,25],计算合适的碱性物质添加量,通过分批次施加的方式,将酸性的土壤调理成稳定的中性或近中性,才能实现以调控土壤pH为技术手段,来长期降低土壤有效镉含量,满足稻米安全生产的要求。

3.2 稻季之间的稻米Cd含量差异不是来源于土壤有效镉

晚稻季的稻米Cd含量普遍高于早稻季是生产上的经验规律。本研究结果表明,以43个县（区）的79个试验点得到的所有CK（常规栽培）作为统计数据集,将稻季作为自变量,稻米Cd含量和土壤有效镉含量作为因变量,进行单因素ANOVA分析后发现,晚稻季稻米Cd含量极显著高于早稻季（+48.1%）,这与温娜和帅泽宇等研究结果一致^[26,27]。然而值得注意的是,晚稻季的稻田土壤有效镉含量却显著低于早稻季（-34.1%）。众所周知,稻米Cd积累是土壤—水稻互作的结果,土壤有效镉含量和水稻自身生理活动共同决定稻米Cd含量的高低^[28]。在晚稻季的土壤有效镉含量显著低于早稻季的同时,晚稻季的稻米Cd含量极显著却高于早稻季,这一矛盾说明土壤有效镉的变化不是早、晚稻季之间稻米Cd含量存在显著差异的来源。另外,由图3和图6可发现,常规栽培的中度污染稻田晚稻米Cd含量明显高于重度污染稻田早稻米（+30.5%）,而有效镉含量却低于重度污染稻田（-58.4%）,这一现象亦佐证上述观点。因此,早、晚稻季之间稻米Cd含量的差异可能是来源于水稻自身生理活动的变化。水稻的生理活动受温度影响很大,例如夜间温度的升高,会显著导致水稻减产^[29]。在重金属领域,GE等通过室内温度控制试验,系统地研究了温度对水稻吸收积累Cd的影响,结果表明,（1）温度升高会促进水稻细根生长,提高细根的表面积、体积以及根尖数,从而增强水稻根系对Cd的吸收能力^[30];（2）随着温度的升高,水稻叶片的蒸腾速率不断加快,所产生的蒸腾拉力会促进根系中的Cd向茎叶转运,茎叶的Cd会通过再分配的过程,最终导致稻米中Cd的高累积^[31];（3）温度升高会通过抑制水稻根系对铁的吸收,间接促进Cd的积累^[31]。这是因为根系中的铁含量与Cd呈显著的负相关^[32],当水稻根系铁营养较低时,会促进铁载体蛋白（phytosiderophore）的分泌,铁载体蛋白不但能够直接转运铁,而且对Cd也有极强的转运能力^[33];（4）不同生育时期升温对水稻吸收积累Cd的作用机制不同。在水稻营养生长期升温,主要促进水稻根系中Cd向茎叶的转运,而在成熟期升温会促进水稻对土壤Cd的吸收以及向籽粒的转运^[34]。综上可知,温度升高会促进水稻对Cd的吸收积累。湖南省属于典型的亚热带季风气候,稻季间的气象环境相差较大,近30年晚稻季的年均温度比早稻季高3℃,年均降雨量比早稻季少178 mm^[35]。这就导致晚季的水稻生育期相比早季而言,田间整体处于高温干燥的环境中,而田间高温会促进晚季水稻对Cd的吸收,较干燥的田间环境会加强叶片的蒸腾作用,促进Cd向水稻籽粒的转运。这两者共同作用,最终导致晚季稻米要显著高于早季的结果。

3.3 稻米Cd积累应实施分稻季分污染程度调控

不同污染程度稻田稻米Cd含量调控难度具有较大差别,因此面对不同污染程度稻田Cd污染治理,需按污染程度采用相应的治Cd措施。李娜等在渝西地区,采用低Cd积累品种联合钝化剂使轻度污染稻田稻米Cd含量达到安全食用标准^[36];封文利等研究后发现,通过控源及改良措施,能够保障中轻度Cd污染稻田的安全生产^[37];而当稻田Cd污染在中度以上时,需要综合多种降Cd措施才能满足水稻安全生产的要求^[38,39]。

本研究进一步发现,施用石灰不但在不同污染程度稻田的阻Cd效果和稳定性表现不一,而且在早、晚稻季之间也体现出较大的差异。这是因为随着稻田Cd污染程度的提高,稻米Cd污染调控的难度会逐渐增大。而早、晚稻季间温度和降水的差异,也会致使水稻生理活动发生明显变化,进而影响Cd的吸收积累。因此,施用石灰在调控早、晚稻季下不同污染程度稻田稻米Cd积累间均会存在明显不同。本研究表明,在早稻季的轻度、中度和重度污染稻田,施用石灰的稻米Cd平均含量都在0.2 mg·kg^-1以下,符合食品安全国家标准（GB2762—2017）;在晚稻季的轻度污染稻田,施用石灰后的稻米Cd含量均值满足安全生产的要求,中度、重度和严重污染稻田施用石灰后,稻米Cd含量均值达到22.9%—31.8%的降幅（图3）,但未达到稻米Cd含量≤0.2 mg·kg^-1的标准。由以上可知,施用石灰可以满足双季稻区部分污染程度稻田稻米安全生产,但是单施石灰的治Cd效果,难以完全抵消稻季和稻田Cd污染共同带来稻米Cd含量的变异。

因此,针对不同稻季下的不同污染程度稻田,应按分污染程度分稻季的治理思路,组配相应的治Cd措施。从早稻季而言,按常规栽培或配施石灰（1 200 kg·hm^-2）,即可保障轻度污染稻田的稻米Cd含量均值符合安全生产的标准;中度污染稻田在施用石灰（1 200 kg·hm^-2）后,稻米Cd含量均值能达到安全标准,且稳定性较强;重度污染稻田在施用石灰（1200 kg·hm^-2）后,稻米Cd含量均值满足安全标准,但稳定性还需要组配“VIP+N”技术体系的一项或多项技术,进一步加强;严重污染稻田在单施石灰（1 200 kg·hm^-2）后,稻米Cd含量均值未满足安全标准,需在石灰的施用基础上,组配其他降Cd措施。从晚稻季而言,轻度污染稻田在常规栽培或配施石灰（1 200 kg·hm^-2）下,即可达到安全生产的要求;但在其他污染程度的稻田,需要在施用石灰的基础上,组配“VIP+N”技术体系中的其他技术,以技术集成的方式来提高降Cd效果。将早、晚稻季进行比较,可发现晚稻季的稻米Cd污染治理难度要高于早稻季,故可在整体治理成本保持不变的情况下,适当将治理费用向晚稻季倾斜。

4 结论

施用石灰能够提高Cd污染稻田的土壤pH、降低土壤有效镉含量,进而减少稻米中Cd积累。研究发现,Cd污染稻田晚稻季的稻米Cd含量显著高于早稻季,施用石灰能够有效调控早稻季的轻度、中度、重度以及晚稻季的轻度污染稻田的稻米Cd含量均值,使之达到食品安全国家标准。因此,调控不同稻季、不同Cd污染程度稻田稻米Cd含量,应以石灰为基础,结合其他降Cd措施,实施“分稻季分污染程度”和“晚稻优先于早稻”的治理思路。

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