晚稻产量构成与穗镉累积分配对土壤pH的响应及其品种间差异

陈平平，袁珍贵，郭莉莉，屠乃美，易镇邪

（湖南农业大学农学院／南方粮油作物协同创新中心，长沙410128）

土壤酸化和重金属污染是当前土壤退化的两个重要方面。近年来，我国南方稻田土壤酸化形势日益严峻，而长江中下游地区表现更甚［1，2］，对水稻安全生产构成威胁。有报道称湖南省土壤酸化程度居全国首位，全省2／3的耕地发生了不同程度的酸化［3］。土壤重金属污染是近年来备受关注的一个焦点问题。湖南省是有色金属之乡，其土壤重金属污染较为严重，其中镉污染更是焦点中的焦点。土壤酸化能活化土壤中的重金属元素，二者的累加会更严重地影响作物安全生产。因此，在土壤酸化和重金属污染的双重威胁下，如何确保作物的安全生产是当前的研究热点。

近年来，土壤镉污染对水稻的影响研究越来越多，但主要集中在水稻种子萌发［4］、根系特性［5］、光合特性［6］、叶片保护酶活性［7］等方面。研究者还针对不同水稻品种的镉积累与分配特性差异开展了研究［8～12］。大量研究表明，pH的改变能打破土壤中原有Cd存在形态的平衡，当pH＜6.5时，土壤中有效态Cd比例随pH降低而相对增加，从而提高土壤Cd的有效性［13～18］。可见，土壤酸化与重金属污染是不可分割的两个方面，而目前在大田条件下开展的不同土壤pH背景下的土壤镉含量对不同水稻品种镉累积分配特性的研究罕见报道。本研究同时在湖南长沙地区两块土壤pH差异明显的稻田上开展大田试验，通过考察晚稻品种产量构成与稻穗镉累积分配情况，并比较品种间差异，以期明确水稻产量与稻穗镉累积分配对土壤pH的响应，为南方地区水稻安全生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试品种为前期研究筛选出的籽粒Cd积累能力不同的3个晚稻品种，分别为天优华占（高Cd积累型）、星2号（中Cd积累型）和湘晚籼13号（低Cd积累型）。

1.2 试验地点

在长沙县农业局“稻田土壤酸化监测区”选择酸性差异明显的两块田（pH4.86和6.75）分别开展试验。pH6.75的田块土壤总Cd和有效态Cd含量分别是 0.3812 mg／kg和 0.1304 mg／kg；pH4.86的田块土壤总Cd和有效态Cd含量分别是0.3878 mg／kg和0.1730 mg／kg。两块田均属轻度镉污染稻田，肥力水平相当，均属于中等肥力水平。室内测定在湖南农业大学作物生理与分子生物学教育部重点实验室进行。

1.3 试验设计

每块大田种植3个品种，采用随机区组试验设计，3次重复，小区面积25 m2。该试验于水稻生产晚季开展，6月22日播种，7月23日移栽，株行距16.7 cm×20 cm，每穴插基本苗3根。施肥及田间管理按当地生产习惯进行，两块田农事操作一致，直至水稻成熟收获。

1.4 测定项目与方法

水稻产量与构成因素：成熟期每小区调查连续60穴水稻的有效穗数，计算平均单穴有效穗数；再根据平均单穴有效穗数，每小区取样5穴，带回室内按常规方法考察穗粒数、结实率、千粒重等，并计算理论产量。

水稻Cd含量：分根、叶、茎、穗等部位测定水稻植株Cd含量，用 HNO3—HClO4消解，同时添加消煮空白和标准样品进行质量控制，原子吸收光谱法测定。

水稻植株Cd积累量（g／穴）＝Cd含量×干物质量。

1.5 数据处理

试验数据用Microsoft Excel 2003和SPSS进行处理。

2 结果与分析

2.1 土壤pH对水稻产量及其构成的影响

从表1可见，与pH6.75稻田相比，3个品种在pH4.86稻田上产量均显著下降，但是3个品种的产量下降幅度有差异，天优华占、星2号和湘晚籼13号产量分别下降22.40%、21.72%和11.55%。从产量构成因素来看，3个品种在pH4.86稻田上有效穗数显著下降；每穗实粒数，天优华占显著下降，而另两个品种则显著提高；千粒重下降，其中星2号和湘晚籼13号显著下降；3个品种结实率变化不一致，其中天优华占变化不大，星2号显著下降，而湘晚籼13号显著提高；收获指数，天优华占和星2号显著下降，而湘晚籼13号略有提高。可见，3个品种在酸化稻田上产量均显著下降，但产量下降的原因有所不同：天优华占产量下降主要由有效穗数、每穗实粒数和收获指数下降引起，星2号产量下降由有效穗数、千粒重、结实率与收获指数下降引起，而湘晚籼13号产量下降主要与有效穗数和千粒重显著下降有关。

表1 不同pH土壤上的水稻产量及其构成Table 1 Effect of soil pH on rice yield and yield com ponents

2.2 土壤pH对稻穗各部分Cd含量的影响

将稻穗分为实粒、空粒和枝梗3个部分，比较了其在两块大田上的Cd含量差异。由表2可见，水稻稻穗3个部分Cd含量表现枝梗＞空粒＞实粒的趋势；3个品种间稻穗各部分Cd含量差异明显，均呈现天优华占＞星2号＞湘晚籼13号的趋势。以实粒Cd含量为例，pH6.75条件下天优华占、星2号和湘晚籼13号的含量分别为0.3311、0.2075和0.0983 mg／kg，pH4.86条 件 下 分 别 为 0.5440、0.4425和0.2845 mg／kg。与pH 6.75稻田相比，3个品种在pH4.86稻田上稻穗各部分Cd含量均显著提高，从提高幅度来看，呈现湘晚籼13号＞星2号＞天优华占的趋势，且实粒、空粒与枝梗表现趋势完全一致。可见，3个品种稻穗各部分Cd含量差异明显，呈现天优华占＞星2号＞湘晚籼13号的趋势；稻穗各部分Cd含量在酸化稻田上均呈显著提高趋势，但提高幅度与其本身Cd含量呈负相关，即本身Cd含量高的提高幅度相对较小。

表2 不同pH土壤上稻穗各部分Cd含量Table 2 Effect of soil pH on Cd content in different parts of panicle

2.3 土壤pH对水稻籽粒各部分Cd含量的影响

将籽粒分为谷壳、糙米和精米3个部分，比较了其在两块大田上的Cd含量差异。由表3可见，籽粒3个部分Cd含量一般表现糙米＞精米＞谷壳的趋势；品种间籽粒各部分Cd含量差异明显，均呈天优华占＞星2号＞湘晚籼13号趋势。以糙米Cd含量为例，pH6.75条件下天优华占、星2号和湘晚籼13号的Cd含量分别为0.3342、0.21625和0.1033 mg／kg，而 pH4.86条件下 3个品种分别提高到0.5562、0.4447和 0.2933 mg／kg。与 pH6.75稻田相比，3个品种在pH4.86稻田上籽粒各部分Cd含量均显著提高，从提高幅度来看，天优华占提高67%左右，星2号提高约106%，而湘晚籼13号提高约184%，且实粒、空粒与枝梗表现趋势一致。可见，3个品种籽粒各部分Cd含量差异明显，呈天优华占＞星2号＞湘晚籼13号趋势，且在酸化稻田上显著提高，但提高幅度表现湘晚籼13号＞星2号＞天优华占趋势。

表3 不同pH土壤上水稻籽粒各部分Cd含量Table 3 Effect of soil pH on Cd content in different parts of rice grains

2.4 土壤pH对稻穗各部分Cd积累量的影响

由表4可见，稻穗3个部分Cd累积量均因土壤酸化而显著提高，提高幅度表现为湘晚籼13号＞星2号＞天优华占；品种间稻穗Cd累积量差异明显，两块大田上均表现天优华占＞星2号＞湘晚籼13号的趋势。从稻穗3个部分Cd积累量占稻穗Cd积累量的比例来看，稻穗Cd主要累积在实粒当中（约占稻穗Cd总累积量的75%～85%），空粒与枝梗中较少。

表4 不同pH土壤上稻穗各部分Cd积累量与所占比例Table 4 Effect of soil pH on Cd accumulation and its proportion of different parts of panicle

3 小结与讨论

土壤酸化是影响作物生产的一个重要逆境因素。本试验结果表明，3个水稻品种产量在两个pH条件下差异显著，表现为正常pH条件下产量较高，酸化条件下产量显著下降。这与周娟等［19］研究结果相符。进一步从产量构成因素角度分析其产量下降的原因，发现3个品种产量下降的原因有所不同：天优华占产量下降主要由有效穗数、每穗实粒数和收获指数下降引起，星2号产量下降由有效穗数、千粒重、结实率与收获指数下降引起，而湘晚籼13号产量下降主要与有效穗数和千粒重显著下降有关。可见酸化条件下水稻减产的主要原因是有效穗数显著降低，而其他产量构成因素的变化具有明显的品种间差异。

土壤镉污染问题，尤其近年来的南方稻田镉污染问题，已经引起人们的高度重视。前人就水稻的镉吸收运转特性开展了大量研究。关于水稻品种间Cd的吸收运转差异，研究认为水稻品种间Cd累积总量存在明显差异［8，9］，且Cd在水稻不同器官间分布不均匀，一般以根系Cd含量较高，其次是茎秆，而叶片和籽粒Cd含量远低于根系［10～12］。前人也就水稻品种间Cd累积分配差异开展了研究，湖南省农业委员会组织相关研究力量对此开展了多年研究，并从籽粒Cd含量角度将水稻品种划分为高Cd积累型、中Cd积累型和低Cd积累型等类型。

尽管前人已就水稻镉累积分配特性进行了一些研究，但是目前有关水稻Cd在稻穗与籽粒不同部分的分配差异研究罕见报道。为此，本研究以高Cd积累型、中Cd积累型和低Cd积累型各1个水稻品种为材料，研究了稻穗与籽粒各部分的镉含量与累积量差异，发现稻穗3个部分Cd含量一般表现枝梗＞空粒＞实粒的趋势，籽粒各部分Cd含量表现糙米＞精米＞谷壳的趋势，3种类型品种表现一致；从稻穗Cd累积量在3个部分的分配来看，稻穗Cd主要累积在实粒当中（约占稻穗Cd总累积量的75%～85%），空粒与枝梗中较少，这主要跟实粒重量占穗总重比例高有关，虽然枝梗和空粒Cd含量高于实粒，但其重量远轻于实粒重量，因此枝梗和空粒Cd积累量百分比较小。本研究同时发现，品种间稻穗和籽粒各部分Cd含量与累积量差异明显，表现天优华占＞星2号＞湘晚籼13号。

本研究的重点在于以籽粒Cd积累能力不同的3个晚稻品种（高Cd积累型品种天优华占、中Cd积累型品种星2号和低Cd积累型水稻品种湘晚籼13号）为材料，分别在pH差异明显（4.86和6.75）但总Cd含量相当（0.3812和0.3878mg／kg）的两块稻田上开展大田试验，研究晚稻稻穗与籽粒镉累积分配对土壤pH的响应及其品种间差异。本研究结果表明，稻穗和籽粒各部分Cd含量与稻穗各部分Cd累积量在酸化稻田上均显著提高，但品种间提高幅度差异明显，表现湘晚籼13号＞星2号＞天优华占趋势。

综上所述，不同水稻品种本身对Cd的吸收累积与分配特性差异明显，且稻穗和籽粒Cd含量与累积量均因土壤酸化而显著提高，但品种间稻穗和籽粒Cd含量与累积量对土壤酸化的响应具有明显的差异，因此，通过选择适宜水稻品种来实现轻度镉污染稻田的水稻安全生产是可能的。

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