杨小粉 ，伍湘 ，汪泽钱 ，吴勇俊 ，张玉盛 ，王学华 ，敖和军 *

1. 湖南农业大学农学院，湖南 长沙410128；2. 南方粮油协同创新中心，湖南 长沙 410128

水稻（Oryza sativaL.）是中国种植面积大、总产量高的粮食作物之一（胡培松等，2002）。但随着工业“三废”排放量及污水灌溉等的增加，稻田镉、砷污染愈发严重，在一定程度影响了水稻的质量安全（王学华等，2016）。据 2003年报道，中国受镉、砷和铅等重金属污染的耕地面积近2.0×107hm2，约占耕地面积的1/5（杨增旭，2012），每年因重金属污染减产粮食约100×108kg，污染超标粮食120×108kg，合计经济损失超过200亿元（孔箐锌等，2010）。环保部和国土资源部 2014年联合发布的调查公告显示，从污染物超标情况看，镉、砷污染物点位超标率分别达到7.0%、2.7%，而且还有上升的趋势，这将严重影响中国粮食的食用安全（环境保护部等，2014）。镉蓄积可引发肾衰竭、易碎性骨折等（郭健等，2018），砷可引起皮肤癌，肺癌，膀胱癌和肾癌等疾病（白爱梅等，2007），严重威胁人体健康，因此必须采取适当措施以降低土壤及稻米中镉、砷含量。国内外关于镉、砷污染治理主要有物理、化学、生物修复及农艺调控等措施，而在多种措施中水分调控由于无二次污染、可操作性强、无附加经济投入、有效性高且不影响水稻正常收获而备受关注（牟仁祥等，2004；周峥嵘等，2012；张慎凤，2009）。关于水分管理对水稻镉或砷单一元素吸收积累的主要结论有长期淹水栽培模式能显著降低水稻植株各部位以及糙米中镉含量（李剑睿等，2014；陈江民等，2017；黄荣等，2018；吴海霞，2018）；湿润灌溉降低水稻茎叶、谷壳、糙米中砷含量（龙水波等，2014；吴佳等，2018）；水稻亚细胞镉的分配以细胞壁中镉含量最高，细胞液次之，细胞器镉含量最低，并且在中轻度污染土壤下，水稻地上部细胞壁镉含量和成熟期籽粒镉含量呈显著负相关（张儒德，2016；曾翔，2006；史静等，2015）等结论，而对于同步研究水稻植株及亚细胞对镉、砷的吸收积累鲜见报道。通过设置不同的水分灌溉盆栽试验，研究其对水稻镉、砷吸收转运规律的影响，以期更好地为镉、砷污染稻田水分管理提供技术指导，为控制当前农田环境的重金属污染提供参考，为生产实践中降低糙米重金属镉和砷含量的合理灌溉提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2018年3—7月在湖南农业大学水稻所大棚进行。供试材料为早稻品种陆两优996（V1）和株两优819（V2），从湘阴县农科所的试验田采集盆栽土壤，土壤有效镉质量分数为0.3 mg·kg-1，盆栽试验前土壤淹水处理10 d。

1.2 试验设计

试验采用盆栽，每盆装土15 kg，移栽前按施氮量180 kg·hm-2施用复合肥，从返青后开始进行不同水分处理，试验共设 3种处理，即长期淹水灌溉（W1）：水稻生长期间，土面上始终保持2—3 cm水层的淹水状态、湿润灌溉（W2）：水稻生长期间，始终保持土壤表面无明水，土壤含水量100%、阶段性湿润灌溉（W3）：从移栽开始，先灌2—3 cm水，待其消耗至无明水，土壤刚开始开裂再灌下一次性水，如此循环，4次重复。除水分管理措施外，试验期间各处理的病虫害防治以及栽培管理措施一致。

1.3 观测方法与测定指标

1.3.1 植株镉、砷含量测定

水稻生长的分蘖期、齐穗期、成熟期取植株样，洗净后将其分为根、茎、叶和穗（糙米）4部分，烘干称重，称取 0.25 g样品加 HNO3∶HCLO=4∶1混合酸消解，ICP-MS检测其重金属镉和砷含量。

1.3.2 植株亚细胞中镉、砷含量测定

分别于水稻生长的分蘖、齐穗期取样。根、茎、叶分别称取4 g鲜样于研钵中，加入预冷的亚细胞提取液（二硫苏糖醇 (DTT)：1 mmol·L-1、蔗糖：0.25 mol·L-1、三氨基甲烷 (Tris-HCl)：50 mmol·L-1，pH=7.4）2 mL，快速冰浴充分研磨至匀浆状，然后转移至 10 mL离心管中，4000 r·min-1低速离心10min，移出上清液，所剩固体则为细胞壁组分（F1）；然后将移出的上清液置于高速冷冻离心机中，4 ℃下12000 r·min-1离心45 min，底部碎片为细胞器组分（F2），上清液则为包含胞液在内的细胞可溶部分（F3）。将细胞壁、细胞器组分于70 ℃烘干，加入混合酸10 mL，转入三角瓶放置过夜（≥10 h），消煮、润洗过滤、定容至10 mL，ICP-MS测定镉、砷含量。

1.3.3 产量及产量构成的测定

在收割前1天取两穴，按穴记录有效穗数后，采用人工脱粒，秸秆烘干，谷粒采用清水分选，晒干后称其质量，人工数计实粒和秕粒，得每穗粒数、结实率及千粒质量。

1.4 数据处理与分析

采用Excel 2016和SAS 9.4统计分析软件进行数据处理及分析。

2 结果与分析

2.1 不同水分管理对水稻产量及产量构成的影响

由表1可知：3种不同水分处理下，W3处理两个水稻品种产量均明显低于 W1、W2处理，V1分别降低 29.17%、27.54%，V2分别低 21.93%、28.61%。这主要是因为W3处理抑制了水稻的生长发育，影响了水稻分蘖穗的形成，最终导致每穴穗数、每穗粒数、结实率、千粒质量以及成熟期生物量均降低，进而影响水稻产量。

2.2 不同水分管理对水稻植株镉、砷含量的影响

由表2可知：阶段性湿润灌溉增加了糙米镉含量。与W3处理相比，W1、W2处理下V1品种糙米中镉质量分数分别为0.03、0.18 mg·kg-1，降低了89.3%、35.7%，V2品种分别为0.04、0.08 mg·kg-1，降低了85.7%、61.9%，糙米镉含量分别达到国家安全标准。在分蘖、齐穗和成熟期，根茎叶各部位镉含量均以W3处理最高，与W1、W2处理部分达到显著差异。镉在水稻植株不同部位间的分布依次为根＞茎＞叶，不同生育期以齐穗期镉含量最高，从分蘖到成熟期依次呈现低-高-低趋势。

表1 产量及产量构成因素Table 1 Yield and yield components

表2 不同时期各部位镉质量分数Table 2 Cadmium content of various parts in different periods ω(Cd)/(mg·kg-1)

由表3可见：淹水灌溉促进了水稻砷的积累。两品种的糙米镉质量分数均以W3处理最低，分别为0.47、0.29 mg·kg-1，W1处理糙米砷含量最高，分别比W3处理高出76.60%、137.93%；不同时期各部位砷含量均以W1处理最高，与W2、W3处理部分达到显著差异，W3处理下糙米中镉含量虽没有达到国家安全标准，但有明显的降低效果。不同器官砷的分布依次为根＞叶＞茎，并且根部砷含量远远高于茎叶部，分蘖期、成熟期砷含量高于齐穗期。

2.3 不同水分管理对水稻分蘖、齐穗期亚细胞镉含量的影响

由图1可见：水稻生长分蘖期，不同水分处理下 V1、V2品种根茎叶亚细胞各组分镉含量均以W3处理最高，与W1、W2处理部分存在显著差异。根部亚细胞细胞壁、细胞器镉含量高于茎叶部，而细胞液以茎部含量较高。

由图2可知：水稻齐穗期3种不同灌溉模式下，亚细胞各组分中镉含量同样以 W3处理最高，W1处理最低。V1品种根部各组分W3处理镉含量分别是W1处理的4—9倍，V2品种为3—13倍，达到了显著差异，茎叶部各处理间差异不显著。镉在亚细胞中分布依次为根＞茎＞叶。

2.4 不同水分管理对水稻分蘖、齐穗期亚细胞砷含量的影响

由图3可见：3种不同水分处理下，水稻生长分蘖期根部砷含量远远高于茎叶部，亚细胞各组分砷含量均以W1处理最高，W3处理最低。

由表4可见：水稻生长齐穗期，砷在不同部位间的含量依次为根＞茎＞叶，并且根部砷含量远远大于茎叶部，亚细胞各组分砷含量由高到低的处理方式依次为 W1＞W2＞W3。W1处理V1、V2品种根部细胞壁砷质量分数分别为 47.15、56.79 mg·kg-1，比W2、W3处理高出3—10倍，细胞器高出3—5倍，细胞液分别高出2—10倍；两品种茎部细胞液W1处理下砷质量分数分别达到1.15、0.99 mg·kg-1，比W2、W3处理高出1—10倍，叶部分别为2.54、2.69 mg·kg-1，比W2、W3处理高出1—5倍，达到了显著差异。

表3 不同时期各部位砷质量分数Table 3 Arsenic content of various parts in different periods ω(As)/(mg·kg-1)

表4 水稻齐穗期亚细胞砷质量分数Table 4 Subcellular arsenic content in rice at full heading stage ω(As)/(mg·kg-1)

图1 水稻分蘖期亚细胞镉质量分数Fig. 1 Subcellular cadmium content in rice tillering stage

2.5 不同水分管理对水稻镉含量在亚细胞组分间分配比例的影响

由表5可见：不同水分灌溉对镉在水稻亚细胞组分间分配比例的影响不同。从水稻生长的两个关键时期来看，镉在根部亚细胞不同组分间的分配比例依次为细胞壁＞细胞液＞细胞器，而在茎叶部细胞液＞细胞壁＞细胞器。总体来看，镉主要集中在细胞壁和细胞液，细胞器所占比例极小。

随着土壤含水量的减少，镉在根部细胞壁的分配比例增加，即W3处理细胞壁所占比例最大，从分蘖到齐穗期，各处理细胞壁分配比例依次增大，对应细胞器所占比例减小；茎部亚细胞不同组分间以细胞液镉分配比例最高，不同处理间以W2处理镉的分配比例最高，从分蘖到齐穗期细胞壁、细胞器各处理所占比例增大，细胞液所占比例减小；叶部亚细胞不同组分间同样以细胞液分配比例最高，从分蘖到齐穗期各组分间的分配比例无明显变化。

图2 水稻齐穗期亚细胞镉质量分数Fig. 2 Subcellular cadmium content in rice at full heading stage

2.6 不同水分管理对水稻砷含量在亚细胞组分间分配比例的影响

由表6可见：从水稻生长的分蘖、齐穗期来看，砷在根部亚细胞的分配比例大小依次为细胞壁＞细胞液＞细胞器，而茎叶部大小为细胞液＞细胞壁＞细胞器，这与镉在水稻亚细胞分布呈现相同规律。

水稻生长分蘖期，根茎叶各部位细胞壁中砷的分配以W3处理最高，平均比W1、W2高出63.74%—72.34%，可见W3处理促进了细胞壁对砷的吸收；茎部细胞液以W1处理砷分配比例最高，比W3处理高出 1—1.7倍，达到显著差异；叶部细胞液以W2处理砷分配比例最高，比W3处理高出23.88%、60.72%。

齐穗期，根部细胞壁以W1处理砷分配比例最高，但各处理对细胞壁砷的积累影响不大；W1处理下茎部细胞液中砷积累所占比例最大，比W3处理高出0.6—1.2倍，可见W1处理显著促进了茎部细胞液对砷的积累；叶部细胞液以W2处理砷的分配比例最大，两品种分别比 W3处理高 37.29%、60.71%。

从分蘖到齐穗期根部细胞壁各处理砷的分配比例增加，细胞器、细胞壁均减小；茎部从各组分分配比例无明显变化；叶部细胞器分配比例减小，而细胞液分配比例增加。

2.7 不同水分管理对水稻镉、砷地上部转运系数的影响

转运系数是指地上部元素的含量与地下部元素含量的比值，用来评价植物将离子从地下向地上的运输和富集能力，转移系数越大，则从根部向地上部转运能力越强。由图4可见：在水稻生长不同时期，地上部分转运系数齐穗期＞成熟期＞分蘖期。V1品种各时期 W2处理均促进了水稻植株镉向地上部分转运，而对于V2品种，分蘖期W2处理促进了镉向地上部分的转移，与W1、W3处理存在显著差异，齐穗、成熟期W1处理转移系数最高，与W3处理达到显著差异。

由图5可见：砷地上部分转运系数远远低于镉。从水稻生长3个关键时期来看，成熟期地上部分转运系数最高，分蘖期最低，即随着水稻生育期的进行，砷地上部分转运系数依次呈现增加趋势。两品种3个主要生长期均以W3处理地上部分转运系数最高，成熟期转运系数分别达到18.54%、18.02%，即阶段性湿润灌溉促进了砷向地上部分的转移。

3 讨论

3.1 水分管理对水稻植株及亚细胞镉含量的影响

本试验研究结果表明，在长期淹水灌溉（W1）、湿润灌溉（W2）及阶段性湿润灌溉（W3）3种水分处理下，随着土壤含水量的增加，水稻植株根、茎、叶及糙米镉含量降低，V1品种W1处理糙米中镉含量比 W3处理降低了 54.5%，V2品种降低62.8%，均达到了显著水平，即长期淹水灌溉显著降低了水稻各部位镉含量，这与胡坤（胡坤，2010）的淹水处理能降低水稻对镉的吸收，并有效抑制镉从茎叶向籽粒的转移，使得籽粒镉含量最低的结论一致。这是由于淹水模式下氧化还原电位（Eh）和土壤氢离子（H+）浓度降低（狄光娟，2013），氢氧根（OH-）浓度增加，造成有效态镉形成氢氧化物沉淀存在于土壤中（纪雄辉等，2007；王凯荣等，2007；刘雪等，2010），同时，淹水还原条件下，土壤中的SO42-还原为S2-，而镉具有很强的亲硫性，易与 S2-共沉淀，从而降低镉的有效性（李元等，2016；苏玲等，2000），有效降低了土壤中有效镉向水稻植株的转移。

表5 镉含量在亚细胞组分间的分配比例Table 5 Distribution ratio of cadmium content among subcellular components %

表6 砷含量在亚细胞组分间的分配比例Table 6 Distribution ratio of arsenic among subcellular components %

水稻分蘖、齐穗期根部亚细胞镉主要集中于细胞壁，其次为细胞液，细胞器中分布较少，这与孙敏（孙敏，2010）、曾翔（曾翔，2006）等的研究结果一致。这是因为细胞壁做为镉的重要结合位点，能有效降低进入细胞质体的镉离子浓度，并且细胞壁含有大量能吸附镉离子的非可溶物质，因此细胞壁镉含量较其他两组分高。茎叶部亚细胞镉主要集中在细胞液，这是由于重金属在细胞内的区隔化分布（Brune et al.，1994），即细胞壁结合位点饱和时，一部分重金属离子会转至细胞液与有机酸等物质结合，达到区隔化作用（周小勇等，2008）。亚细胞不同组分均以W3处理镉含量最高，W1最低，部分达到显著差异，这与水稻植株不同部位镉吸收呈现相同规律。同一处理间根部亚细胞镉含量高于茎叶部，并且齐穗期亚细胞各器官镉积累量高于分蘖期，即随着水稻生育进程的推进，水稻亚细胞镉积累量增加。

图4 镉地上部转运系数Fig. 4 Cadmium aboveground transport coefficient

图5 砷地上部转运系数Fig. 5 Arsenic aboveground transport coefficient

不同水分处理下，水稻根部亚细胞细胞壁以W3处理镉分配比例最高，而茎部细胞液以W2处理下所占比例最高；叶部细胞液各处理下差异性不大。从分蘖到齐穗期，根部细胞壁镉的分配比例增大，而细胞器所占比例减小，细胞液无明显变化；茎部从分蘖到齐穗细胞壁、细胞器所占比例均增大，细胞液比例减小，叶部亚细胞各组分间所占比例变化不明显。原因机理有待进一步研究。

3.2 水分管理对水稻植株及亚细胞砷含量的影响

水稻生长3个关键时期W1处理根、茎、叶及糙米中砷含量最高，W1处理V1品种糙米中砷含量比W2、W3处理分别高出15.7%、43.4%，V2品种分别高出36.2%、57.9%，即随着灌水量的增加，水稻各部位砷含量增加，而水分供应受限的阶段性湿润灌溉则显著抑制了水稻对砷的吸收积累，这可能是由于淹水情况下，土壤胶体中铁氧化物被还原成低价态的 Fe2+进入到溶液中，随之吸附态砷（V）浓度也会因还原作用而释放到溶液中，且主要以砷（III）形式存在，而砷（V）比砷（III）易被土壤胶体吸附固持，造成土壤砷的移动性增强（Mcgeehan et al.，1994；Onken et al.，1996），从而提升了砷的生物有效性，致使转移至植株中的砷含量增加。同时，也可能是稻田厌氧的特殊化学性质和水稻髓腔中空的特殊解剖结构，致使糙米、茎叶、根系中砷含量在淹水还原条件下显著高于氧化条件的阶段性湿润灌溉（周小勇等，2008）。在水稻生长的整个生育周期，分蘖、成熟期水稻砷含量高于齐穗期，这可能是由于齐穗期生殖生长较旺盛，产生了生长稀释的原因。

3种不同水分处理下，不同部位亚细胞组分砷含量均以W1处理含最高，W3处理最低，部分达到显著差异，与不同处理对植株砷的积累呈现相同规律，而与镉含量呈负相关。这是由于土壤中砷主要以阴离子的形式存在，镉以阳离子的形式存在，因此土壤中镉、砷吸附、溶解以及被水稻吸收富集等方面具有相反的性质（钟倩云等，2015）。从分蘖到齐穗期根部细胞壁砷的分配比例增加，细胞器、细胞液均减小；叶部细胞壁无明显变化，细胞器分配比例减小，细胞液分配比例增加，原因机理有待进一步研究。

4 结论

不同水分管理模式对水稻植株各部位及亚细胞组分镉和砷含量有一定的影响。水稻植株及亚细胞各组分均以W3处理镉含量最高，W1处理最低，并且W1处理使得糙米镉含量达到国家安全标准；水稻从分蘖到齐穗期根部细胞壁镉分配比例增大，而细胞器所占比例减小，茎部细胞壁、细胞器所占比例均增大，细胞液比例减小，叶部亚细胞各组分间所占比例变化不明显；不同时期镉含量总体以齐穗期最高。水稻砷含量根部远远大于茎叶部，植株及亚细胞砷含量在不同处理间均以W1处理最高，部分存在显著差异，W3处理显著降低了糙米砷含量；从分蘖到齐穗期根部细胞壁砷分配比例增加，细胞器、细胞液均减小，叶部细胞器分配比例减小，细胞液分配比例增加。

不同水分灌溉下水稻对镉和砷的吸收积累影响不同，在采取相应水分管理模式降低重金属生物有效性时，应充分考虑水稻对不同重金属类型的相应差异，才能有效控制当前农田环境的重金属污染。因此建议在镉污染稻田中可采用长期淹水灌溉来降低水稻籽粒镉含量；在砷污染稻田中可采用阶段性湿润灌溉来降低水稻籽粒砷含量；而对于镉砷复合污染稻田，则可采用湿润灌溉来降低水稻籽粒镉砷含量。