CN101507400B

CN101507400B - 一种控制水稻重金属镉积累的方法

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Publication number: CN101507400B
Application number: CN200910097196XA
Authority: CN
Inventors: 邵国胜
Original assignee: China National Rice Research Institute
Current assignee: China National Rice Research Institute
Priority date: 2009-03-26
Filing date: 2009-03-26
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2029-03-26
Also published as: CN101507400A

Abstract

一种控制水稻重金属镉积累的方法，属于水稻种植技术领域。其特征在于包括：(1)于秧苗移栽前整地时，在土壤中施入二价锰螯合物，并与土壤充分混匀；(2)于秧苗移栽后15-20天开始至秧苗移栽后35-45天，每隔7-10天喷施一次二价锰肥水溶液；(3)分别于水稻孕穗初期、灌浆期时，分别撒施二价锰螯合物；(4)土施二价锰螯合物3-5天内稻田灌水；(5)于水稻杨花期始至成熟期，每隔7-10天喷施一次二价锰肥水溶液；(6)土施二价锰肥以后每年二价锰螯合物施用方法相同，施用量减半或减少3/4。本发明采用土施和叶面喷施二价锰肥结合的方法，方法更有效。且本发明适用范围广、更为经济、更为有效，还能提高稻米矿质营养元素含量，并且克服了现有技术的诸多不利后果。

Description

一种控制水稻重金属镉积累的方法

技术领域

本发明属于水稻种植技术领域，具体涉及一种控制

重金属镉积累的方法。

背景技术

镉(Cd)是一种对动植物都具有毒害作用的重金属和环境污染物，其在稻田土壤-水稻系统中具有很强的迁移性。镉污染不仅影响水稻产量，其在稻米中的富集，还严重降低稻米的卫生品质和营养品质，进入食物链后，还对人体健康的造成严重的潜在威胁。近年来，由于工业“三废”的不合理排放、固体废弃物(尤其是城市垃圾)处理不善、污水灌溉、污泥农用以及施用含有重金属元素的肥料等，都导致了土壤中重金属镉含量急剧增加。据农业部稻米及制品质量监督检验测试中心2002年和2003年对我国各地稻米质量安全普查的结果，稻米质量安全问题之一是镉、铅等重金属超标，超标率超过10％，一些污染地区的稻米镉含量高达0.4-1.0mg/kg，远超过我国谷物中镉的最高许可量0.2mg/kg，已威胁到食物安全和人体健康。比如，据报道，浙江省遂昌县和温州地区相继出现的镉中毒事件，主要是当地农田和稻米受到严重的镉污染，其中糙米镉含量分别达到1.17mg/kg^-1和1.30mg/kg^-1。据此，控制和降低稻米镉污染亟待解决。

针对当前稻田土壤以及稻米重金属镉污染日益严重的现状，国内开展了大量有关水稻镉低积累品种筛选和农艺栽培技术研究。水稻镉积累存在及显著的品种间差异是水稻镉低积累品种筛选的本质和基础。然水稻镉积累的品种间差异并非稳定、持久的差异，这种差异与水稻利用金属矿质元素的代谢途径密切相关，甚至是这些代谢途径决定了这种差异，如水稻对锰、铁元素的利用途径就在很大程度上决定了水稻镉的积累。当然对镉低积累水稻品种的筛选并没有把上述因素考虑在内，因此筛选出来的镉低积累品种往往存在明显的地域差异，甚至年度之间也存在显著差异。在当前生产上，国内外还没有任何一个水稻品种可广泛用于镉低积累稻米生产。

土壤中能够被植物所吸收的镉(有效态镉)是影响水稻镉吸收与积累的重要因素。因此，通过农艺栽培技术措施降低稻田土壤有效态镉含量来降低稻米镉积累是有其理论基础的。故当前有关通过稻田肥水调控、土壤pH调控、土壤氧化还原电位调控等途径降低稻米镉积累的研究已在国内外广泛开展。肥水调控就是通过合理的施肥和水分灌溉技术来降低稻田有效态镉含量，其中长期淹水是比较有效的一条途径，然长期淹水灌溉耗费大量灌溉水，这对水资源日益严峻的我国北方地区以及一些南方干旱地域或一些季节性缺水地域是不现实的，也不利于水稻生长，其利用价值十分有限。使用石灰提高土壤pH，降低稻田土壤有效态镉含量也是一跳比较有效的技术路径，但是该技术存在极大的弊端。在土壤pH值提高的同时，土壤中有效态铁、锌、锰、铜等金属矿质营养元素含量大幅下降，严重损害水稻生长和影响稻米产量。而调控土壤氧化还原电位也只是当前的理论推测，在实际研究和生产中还没有切实可行的方法。

据此，控制水稻重金属镉积累必须从水稻根系对土壤镉的吸收、转运代谢过程中加以解决。专利200710070666.4已经公开了利用土壤镉可通过水稻根系的铁吸收代谢途径进入植株体内这一途径，发明了通过土施螯合态亚铁肥控制稻米镉积累农艺技术措施，此方法施用的螯合态亚铁肥用量相对偏大，成本偏高。近年来，研究发现了多种矿质金属元素代谢途径(细胞膜金属转运蛋白)都具有镉的吸收和转运功能，这也揭示出水稻重金属镉积累的控制有可能通过除土施螯合态亚铁肥之外的其它途径予以控制，但目前尚处于探索阶段。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明根据水稻植株利用土壤锰元素机制的多样性以及多种底物弱选择性的金属矿质元素吸收和转运系统具有同时吸收和转运锰、镉的功能，并且这些弱选择性金属矿质元素吸收和转运系统可被土壤中有效态锰所调控的原理，设计提供了一种控制稻米重金属镉积累的方法。

土壤镉以二价态离子(Cd²⁺)存在，其化学特性与Mn²⁺、Fe²⁺、Zn²⁺等极为相似，并以该价态被植株根系所吸收。研究表明，作物对镉的吸收和利用与植株中的金属矿质元素弱选择性的吸收和转运途径有关。植株中ZIP家族蛋白等的表达不仅可受土壤中有效态铁含量(包括亚铁含量)，而且受土壤中有效态锌含量、有效态锰含量的调控。据此可知，作物对土壤镉的吸收应该可以通过调控环境中的有效态锰水平加以控制。同时，由于Cd²⁺不仅与Fe²⁺、Zn²⁺具有相似的离子半径，同时也与二价锰离子(Mn²⁺)的离子半径接近，且锰作为一种必需微量元素，其以二价态离子被作物根系细胞膜上的Mn²⁺转运蛋白进入细胞。同时，锰是一种可变价金属元素，在土壤中很容易被氧化为高价态(如Mn⁴⁺、Mn⁶⁺)而被土壤颗粒所固定，使土壤中的有效态锰含量大幅下降，而锰只能以Mn²⁺的形势为植株根系所吸收。正是这种锰的可变价特性，环境条件如稻田的水分状况、通气状况等不仅强烈影响土壤有效态锰含量，而且还强烈的影响植株对土壤锰的吸收。

依据金属矿质元素弱选择性吸收、转运系统具有强烈吸收、转运锰和镉的功能，以及相关吸收和转运系统又强烈受土壤有效态锰含量所调控这一原理，利用水稻根系在吸收Mn²⁺和Cd²⁺过程中存在相互拮抗、叶面喷施锰肥可阻断Cd从根系向地上部转运以及从地上部(茎叶)向籽粒(稻谷)中转运这一分子、生理机制，通过研究和实践，最终研制除了一条全新的可有效控制稻米镉积累的锰肥调控技术。

所述的一种控制水稻重金属镉积累的方法，其特征在于采用土施和叶面喷施二价锰肥，改善稻田土壤有效态锰含量和植株地上部锰营养状态，调控水稻植株锰营养代谢途径，抑制水稻植株中矿质金属弱选择性吸收和转运系统，从而抑制水稻植株中吸收和转运镉的代谢途径，降低和控制稻米镉积累，具体包括：

(1)于秧苗移栽前整地时，在土壤中施入二价锰螯合物，施用量以锰计为15-90公斤/公顷，并与土壤充分混匀；

(2)于秧苗移栽后15-20天开始至秧苗移栽后35-45天，每隔7-10天喷施一次二价锰肥水溶液，喷施浓度以锰计为0.02％-0.05％的非螯合态锰溶液150-1500公斤/公顷或喷施浓度为0.005％-0.02％的二价锰螯合物溶液150-1500公斤/公顷；

(3)分别于水稻孕穗初期、灌浆期时，分别撒施二价锰螯合物，施用量以锰计为15-75公斤/公顷；

(4)土施二价锰螯合物3-5天内稻田灌水；

(5)于水稻杨花期始至成熟期，每隔7-10天喷施一次二价锰肥水溶液，喷施浓度以锰计为0.02％-0.05％的非螯合态锰溶液150-1200公斤/公顷或喷施浓度为0.005％-0.02％的二价锰螯合物溶液150-1200公斤/公顷；

(6)土施二价锰肥以后每年二价锰螯合物施用方法相同，施用量减半或减少3/4。

所述的一种控制水稻重金属镉积累的方法，其特征在于所述的二价锰螯合物为EDTA二钠锰(EDTA·Na₂Mn)、HEDTA二钠锰(HEDTA·Na₂Mn)、EDDHA二钠锰(EDDHA·Na₂Mn)、DTPA二钠锰(DTPA·Na₂Mn)，所述的非螯合态锰为硫酸锰(MnSO₄)、氯化锰(MnCl₂)、硝酸锰(Mn(NO₃)₂)。

所述的一种控制水稻重金属镉积累的方法，其特征在于步骤(1)中二价锰螯合物的施用量为25-70公斤/公顷。

所述的一种控制水稻重金属镉积累的方法，其特征在于步骤(1)中二价锰螯合物的施用量为30-60公斤/公顷。

所述的一种控制水稻重金属镉积累的方法，其特征在于步骤(2)中喷施浓度以锰计为0.02％-0.05％的非螯合态锰溶液300-1200公斤/公顷或喷施浓度为0.005％-0.02％的二价锰螯合物溶液300-600公斤/公顷。

所述的一种控制水稻重金属镉积累的方法，其特征在于步骤(3)中二价锰螯合物的施用量为20-45公斤/公顷。

所述的一种控制水稻重金属镉积累的方法，其特征在于步骤(3)中二价锰螯合物的施用量为25-35公斤/公顷。

所述的一种控制水稻重金属镉积累的方法，其特征在于步骤(5)中喷施浓度以锰计为0.02％-0.05％的非螯合态锰溶液300-1200公斤/公顷或喷施浓度为0.005％-0.02％的二价锰螯合物溶液300-600公斤/公顷。

本发明使用的二价锰螯合物来源广泛，使用量低、使用成本低，该方法普遍适用我国各地的镉重、中、轻度污染区域，能显著降低稻米中的镉含量，同时能显著提高产量以及稻米中铁、锰、铜、锌等微量矿质营养元素含量，对水稻生长不会产生任何不利影响。并且本发明采用土施和叶面喷施二价锰肥结合的方法，方法更有效。与现有技术相比，本技术适用范围广、更为经济、更为有效，还能提高稻米矿质营养元素含量，并且克服了现有技术的诸多不利后果。控制稻米重金属积累有两个关键间断：根系重金属吸收阶段和重金属向稻米中转运阶段。土施二价锰螯合物在于调控抑制根系的重金属吸收相关代谢系统的表达，进而抑制根系从土壤中吸收重金属；而叶面喷施则是可显著抑制植株中Mn等矿质元素的转运系统表达，进而抑制重金属从植株(茎叶)中向稻米中转运，最终达到控制稻米重金属之目的。本发明同时采用上施和叶面喷施比单一采用土施方法具有更为明显、有效的稻米重金属积累控制效果。

具体实施方式

一、锰调控水稻镉积累与耐性的初步试验

1 材料与方法

1.1 试验设计

以一对镉(Cd)积累与耐性差异均极为显著的籼型水稻品种珍汕97B(低积累、高耐性)和密阳46(高积累、低耐性)为研究材料。种子经浸种灵水溶液浸种48h，并于30-35℃催芽24h。芽谷播种于经洗硫酸洗净的细沙床，待秧苗长至4叶1心，选取生长一致的秧苗进行移栽试验处理。秧苗移植至容积为5.0L内装有5L营养液的黑色塑料桶，每桶种5穴，每穴3株，用树脂塑料板分隔各穴，海绵固定，营养液按国际水稻研究所(IRRI)推荐的配方配制。移栽后用含1/4大量元素的营养液适应性预培养7d，之后进行全营养液处理，并进行试验处理。处理设锰、镉组合处理。锰处理设低水平(low level)、正常水平(normal level)和高水平(high level)3个处理，在预备实验和重复实验中锰处理浓度分别为0.0441、0.5005、5.137mg/L和0.0397、0.4882、4.9950mg/L(首次处理时培养液实际检测数据)，以MnS04作为锰源，镉处理设0、0.1、1.0和5.0μmol/L 4个浓度水平，以CdS04作为Cd源，每周更换两次营养液，并用0.1mol/L HCl或0.1mol/L NaOH溶液调pH至5.6左右。试验采用3因素裂区设计，以品种为主区，锰处理为副区，镉处理为副副区，各处理重复3次。

1.2测定项目

于锰-镉处理后30d于(分蘖盛期)进行取样测定分析。

植株样品经检测株高、根长后，植株根系用去离子水洗净，样品分为两部分。

一部分于105℃的高温下杀青2h，并于80℃烘干至衡重，称取地上部与根系干物重。干样经粉碎至粉末，称取0.5000g并用浓硝酸和高氯酸按1∶3比例混合液硝煮，硝煮后用重蒸水定容至25mL，利用全谱直读电感耦合等离子体原子发射光谱仪(ICP-AES)测定Mn、Cd及其它元素含量。

一部分取植株上部3叶及根系作为植株的生理生化指标测定之样品。

按高俊凤(2006)测定叶绿素a、b和类胡萝卜素含量及植株丙二醛(MDA)、超氧物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)含量。

1.4数据处理

用唐启义和冯明光开发的DPS软件进行方差分析，对各参数的平均数进行SSR多重比较。

2结果与分析

2.1锰-镉处理对水稻株高与根长的影响

表1显示水稻株高与根长受培养液镉处理水平与锰处理水平的显著影响。高水平镉处理(1.0和5.0μmol/L)显著抑制了两水稻植株株高及更长，而低水平镉处理对植株株高与根长有一定影响，但不显著。这在两次试验中趋势一致的，但镉对水稻株高与根长的影响与锰处理水平及试验环境有关。在温室中，与低锰处理相比，正常锰处理明显促进了同等镉处理下的水稻生长，表现在株高更高、根系更长，而高锰处理则表现出强化镉毒害的现象，主要表现在株高和根长明显低于正常锰处理，甚至低于低锰处理，这可能是高锰引起了锰毒害有关。而在网室中，同一镉处理水平下，随着锰处理水平的提高，植株株高和根系长度均增加，表现出锰对镉毒害的缓解作用。从品种上看，以植株株高和根长受抑程度为依据，珍汕97B对镉的耐性明显高于密阳46，如温室中正常锰处理时，1.0μmol/L和5.0μmol/L镉处理导致密阳46株高和根长分别比对照(0μmol/L Cd)下降了26.47％和5.48％、36.97％和22.60％，而珍汕97B则分别下降了15.56％和-0.65％、27.45％和13.64％。在网室试验中亦有类似结果。

表1水稻植株株高、根长

表中数据为15穴水稻苗结果的平均值。

2.2锰-镉处理对水稻叶绿素a、叶绿素b及类胡萝卜素含量的影响

镉对水稻叶片的光合系统有强烈的干扰作用(表2)。低水平镉处理(0.1μmol/L)对叶绿素a、叶绿素b及类胡萝卜素含量的影响不明显，甚至有微量的促进作用，但是，高水平镉处理(1.0和5.0μmol/L)时，水稻叶绿素a、b和类胡萝卜素含量则开始减少，尤其是5.0μmol/L镉处理时下降达显著水平。这在两实验中结果一致。锰处理对水稻叶绿素a、b和类胡萝卜素含量的影响与镉处理水平以。在低镉处理(0、0.1μmol/L)时，随着锰处理水平的增加，叶绿素a、b和类胡萝卜素含量增加，而在高镉处理(1.0、5.0μmol/L)时，随着锰处理水平的增加，叶绿素a、b和类胡萝卜素含量先增加后下降，这在两实验及两品种间是一致的。

表2水稻叶绿素a、叶绿素b及类胡萝卜素含量

表中数据为3次重复的平均值

2.3锰-镉处理对水稻镉和锰积累量的影响

锰对水稻植株镉的积累具有重要影响，并与锰处理水平、植株器官及试验地点(环境)密切相关(表3)。水稻地上部和根系镉浓度和积累量均随着镉处理水平的增加而显著增加，且密阳46地上部镉浓度和积累量显著高于珍汕97B。温室试验中水稻植株镉浓度和积累量又均显著高于网室实验。随着锰处理水平的增加，两水稻植株镉积累浓度与积累量均随之下降，表现出锰对植株镉积累抑制。

水稻植株锰浓度和积累量同样与培养液的镉处理水平和锰处理水平有关(表4)。两水稻地上部和根系的锰浓度和锰积累量均随着锰处理水平的提高而显著增加，却随着镉处理水平的提高而显著下降，表现出明显的锰-镉拮抗作用。同时，植株地上部的锰浓度和积累量显著高于根系，这在两个试验中趋势是完全一致的。温室试验中水稻锰浓度和积累量要显著高于网室试验。

表3水稻植株镉含量和积累量

表中数据为3次重复的平均值。The value presented here was the average ofthree replications.

表4水稻植株锰含量和积累量

表中数据为3次重复的平均值。

2.4锰-镉处理对水稻植株铁、铜、锌含量的影响

研究结果显示锰、镉处理对水稻植株铁、铜和锌的积累有抑制作用，但抑制程度与品种及试验点有关(表5)，两水稻植株铁、铜和锌的积累具有一致的趋势。总体上看，随着培养液锰处理水平的提高，植株铁、铜和锌含量则随之下降；类似地，随着镉处理水平的提高，植株铁、铜和锌含量亦随之显著下降。结果启示，水稻根系对锰、镉与铁、铜和锌的吸收存在拮抗作用(竞争作用)。

表5水稻植株铁、铜、锌含量

表中数据为3次重复的平均值。

2.5锰-镉处理对水稻植株抗氧化系统的影响

2.5.1锰-镉处理对植株丙二醛(MDA)含量的影响

丙二醛(MDA)是植株氧化胁迫的产物之一，通常可作为植株受氧化胁迫程度的指标之一。结果表明，两水稻植株MDA均随着镉处理水平的提高而增加，表明镉处理水平的提高导致了植株氧化胁迫的增加。而锰对植株MDA的影响则与锰处理水平有关，总体上看，正常锰处理降低了植株中的MDA含量，而高锰处理则导致植株中MDA增加。从品种上看，不论是叶片还是根系，密阳46MDA含量均高于珍汕97B。

2.5.2锰-镉处理对超氧物歧化酶(SOD)活性的影响

植物超氧物歧化酶(SOD)活性与培养液的镉处理水平和锰处理水平密切相关。结果显示低水平镉处理(0.1μmol/L)对两水稻叶片和根系SOD活性的影响并不显著，而高水平处理(1.0、5.0μmol/L)则强烈抑制植株SOD活性。同时结果还显示，总体上随着锰处理水平的提高，植株SOD活性也随之提高。这可能与锰作为Mn-SOD的重要辅酶有关。植株SOD酶活性的变化在两个实验中具有类似的结果。

2.5.3不同锰镉处理对过氧化物酶(POD)活性的影响

植株过氧化物酶(POD)受培养液镉处理和锰处理水平的影响，且与植株SOD酶活性的变化有所不同。总体上看，随着镉处理水平的提高，植株叶片和根系中的POD活性均随之增加。但锰处理对植株POD活性的影响并不显著。

3结论

3.1随着培养液中MnSO₄浓度的增大，虽显著降低了水稻根系中镉含量但却促进地上部的镉积累。

3.2随着培养液中MnSO₄浓度的增大，水稻株高、根长、叶绿素含量等都有明显的增加趋势，说明了培养液中添加MnSO₄是有利于水稻生长的。

3.3随着培养液中MnSO₄浓度的增大，降低了植株中的MDA含量，提高了植株中的SOD、POD酶的活性，说明了培养液中添加MnSO₄，一定程度上减轻了镉对水稻的毒害作用。

3.4随着培养液中MnSO₄浓度的增大，水稻地上部铁、锌等金属元素含量不断增多，水稻地上部铜元素含量和水稻根系中铁、铜、锌等金属元素含量却不断减少，说明了水稻根系对锰与铁、铜和锌的吸收存在拮抗作用(竞争作用)。

3.5由于MnSO₄中的二价锰(Mn²⁺)并不稳定，容易在根表形成根膜，而促进植株地上部镉积累，故推测使用EDTA·Na₂Mn对于控制水稻镉积累可能更为有效。

二、锰对水稻镉积累和耐性及其调控机理研究的验证

在试验一的基础上，进一步开展了不同形态、不同浓度锰肥的研究，本试验目的在于检测不同形态、不同浓度水平锰肥处理条件下水稻植株镉积累情况，以确定锰肥的种类和施用浓度。

1材料与方法

1.1试验材料与方法

以一对镉(Cd)积累与耐性差异均极为显著的籼型水稻品种珍汕97B(低积累、高耐性)和密阳46(高积累、低耐性)为研究材料。种子经浸种灵水溶液浸种48h，并于30-35℃催芽24h。芽谷播种于经洗硫酸洗净的细沙床，待秧苗长至4叶1心，选取生长一致的秧苗进行移栽试验处理。秧苗移植至容积为5.0L内装有5L营养液的黑色塑料桶，每桶种5穴，每穴3株，用树脂塑料板分隔各穴，海绵固定，营养液按国际水稻研究所(IRRI)推荐的配方配制。移栽后用含1/4大量元素的营养液适应性预培养5d，之后进行全营养液处理，同时进行锰、镉处理。每5d换一次营养液，并用0.1mol/L HCl或0.1mol/L NaOH溶液调pH至5.6左右。锰肥设Mn²⁺SO₄和Mn²⁺EDTA 2个形态锰处理和0(CK)、9.1(正常浓度)、91μmol/L(以Mn计)3个浓度水平处理；镉以CdSO4作为镉源，设0(CK)、0.1、1.0和5.0μmol/L 4个浓度水平处理。试验采用3因素裂区设计，以品种为主区，锰处理为副区，镉处理为副副区，各处理重复4次。

1.2测定项目

分两次取样，于锰-镉处理第10天和第20天取样。植株样品经检测株高、根长、分蘖数、SPAD值后，植株根系用去离子水洗净，样品分为两部分。一部分用于提取根膜，然后于105℃的高温下杀青2h，并于80℃烘干至衡重，称取地上部与根系干物重。干样经粉碎至粉末，称取0.5000g并用浓硝酸和高氯酸按1∶3比例混合液硝煮，硝煮后用重蒸水定容至25mL，利用全谱直读电感耦合等离子体原子发射光谱仪(ICP-AES)测定Mn、Cd、Fe、Cu和Zn等元素含量。另外一部分取植株上部3叶及根系作为植株的生理生化指标测定之样品。按高俊凤(2006)测定叶绿素a、b。

1.3数据处理

2结果与分析

2.1锰镉处理对水稻农艺性状的影响

水培条件下正常水平和高水平的MnSO₄处理以及正常水平的EDTA·Na₂Mn处理均可显著改善镉胁迫下的水稻生长，显著缓解镉毒害。高水平EDTA·Na₂Mn处理对水稻生长却表现出一定锰毒害作用，而此时，镉处理却可以显著抑制水稻的锰毒害作用，这说明水稻在吸收溶液中的锰和镉的过程中存在极显著的拮抗作用，同时也表明EDTA·Na₂Mn在水稻镉吸收过程中具有更强的拮抗效应，这主要是由于EDTA·Na₂Mn在溶液中可维持较好的Mn²⁺形态，而MnSO₄则在根系泌氧作用以及溶液中溶氧的作用下形成高价态Mn，不易被根系所吸收。

表6不同处理对水稻株高、根长以及分蘖数的影响

表中数据为8穴水稻苗结果的平均值。

表6显示在正常水平和高水平的MnSO₄以及正常水平的EDTA·Na₂Mn处理下，镉处理水平增加，两水稻株高、根长、地上部干物重、根系干物重均显著下降，而锰处理水平增加，株高增加，根长有一定程度的下降，但地上部干物重、根系干物重均显著增加，而在两个形态的Mn肥之间并没有显著差异。表明EDTA·Na₂Mn和MnSO₄处理对对水稻生长具有类似的效果。而在高水平EDTA·Na₂Mn处理下，随着镉处理水平的提高，植株株高显著增加，但根长变短，这表明高水平EDTA·Na₂Mn处理对水稻产生了明显毒害作用，而镉却表现出对锰毒害的缓解作用，表明Mn²⁺和Cd²⁺在水稻根系吸收过程中存在显著拮抗作用。

2.2锰镉处理对水稻叶绿素a、b和类胡萝卜素含量的影响

表7锰镉处理对水稻叶绿素a、b、类胡萝卜素以及SPAD值的影响

表中SPAD值是10次重复的平均值，其余数据为3次重复的平均值。

表7显示镉处理水平增加导致叶绿素a、b含量以及SPAD值显著下降。而正常水平和高水平的MnSO4以及正常水平的EDTA·Na₂Mn处理均显著提高了绿素a、b含量以及SPAD值，表现出镉毒害的缓解作用。而高水平EDTA·Na₂Mn处理显著导致叶片变黄，并且随着镉处理水平的提高叶色变绿，这同样表明Mn²⁺和Cd²⁺在水稻根系吸收过程中存在显著拮抗作用。

2.3锰镉处理对水稻地上部、根系和根膜各元素含量的影响

表8水培条件下水稻地上部和根系Cd浓度

表8显示随着MnSO₄处理水平的提高，高镉处理时植株镉积累水平显著提高，而在0.1和1.0μmol/L镉处理时植株镉积累水平下降。在所有镉处理水平下，两水稻地上部和根系镉积累水平随着EDTA·Na₂Mn处理水平的增加而都极显著降低，在两个生育期具有类似现象。这表明EDTA·Na₂Mn处理对于控制水稻的镉吸收与积累具有很好的效果，这主要是根系在吸收Mn²⁺和Cd²⁺的过程中具有强烈的拮抗作用，而EDTA·Na₂Mn具有很好的稳定性，可长时间保持Mn²⁺。

表9水培条件下水稻地上部和根系Mn浓度

表9显示随着MnSO₄和EDTA·Na₂Mn处理水平的提高，两植株根系和地上部的锰含量大幅提高，且EDTA·Na₂Mn处理下两植株根系和地上部的锰含量提高幅度更大。这在两个生育期具有完全相同的趋势。这也进一步表明EDTA·Na₂Mn中的锰更容易为水稻根系所吸收。

表10水培条件下水根膜Cd、Mn浓度

根膜是吸附在根系表面的一层含铁、锰量很高的胶体。前人研究认为其对水稻吸收矿质元素有很大的影响。在表10中，在正常水平和高水平MnSO₄和正常水平EDTA·Na₂Mn处理会导致根膜中的锰含量大幅度增加，而高水平EDTA·Na₂Mn时根膜中的Mn含量要远低于正常水平EDTA·Na₂Mn处理。但是在MnSO₄和EDTA·Na₂Mn处理时，根膜中的镉含量要远低于对照，尤其是高水平EDTA·Na₂Mn处理。综合考虑植株、根膜镉积累与根膜中的锰含量，并未发现两者之间的明显联系。

3结论

3.1根系在累积土壤Cd²⁺和Mn²⁺的过程中存在极显著的拮抗作用，而这种拮抗作用很可能表现在根系吸收、根系向地上部转运的整个过程之中。

3.2EDTA·Na₂Mn是一种非常稳定的锰肥，可长时间地稳定地向土壤溶液供给Mn²⁺供水稻根系吸收。

3.3利用EDTA·Na₂Mn可显著控制水稻根系对土壤Cd的吸收、转运，进而控制水稻Cd的积累。

3.4通过合理使用EDTA·Na₂Mn，可形成一套控制水稻Cd积累的农艺措施。

三、锰肥调控稻米镉积累的土培验证试验

在试验一、试验二的基础上，进一步开展了不同形态、不同施肥方式的研究，本试验目的在于检测不同形态锰肥和不同施用方式下稻米镉积累情况，以确定锰肥施用种类和施用方式。

1材料与方法

1.1镉污染土壤准备

以在中国水稻研究所富阳实验基地利用紫色水稻土培育、并经过两年水稻种植的镉污染土壤为本研究实验土壤。土壤主要理化性状：有机质含量g/kg、全氮g/kg、全磷g/kg、全钾g/kg/碱解氮mg/kg、铵态氮mg/kg、速效磷mg/kg、速效钾mg/kg、pH值6.3。总镉含量为mg/Kg，DTPA提取态镉含量为mg/kg。镉污染土壤经晒干、粉碎后过60目筛备用。

1.2试验材料与方法

以早籼稻中早22和中嘉早32两水稻品种为研究材料。试验于2008年4月至9月在中国水稻研究所温室旁采用土培方式进行。4月初开始播种，待秧苗长至5叶1心(带1蘖)，选取生长一致的秧苗移栽于瓷盆，每瓷盆装11kg干土。每瓷盆移栽3穴、二本移栽。锰肥处理设置五个处理：①CK；②MnSO₄锰土施处理：于秧苗移栽前每1Kg干土中添加0.03g MnSO₄(以Mn计)，充分混匀，秧苗移栽后于杨花期、灌浆期分别每瓷盆再添施0.33g MnSO₄(以Mn计，以水溶液形式浇灌)；③乙二胺四乙酸二钠锰(EDTA·Na₂Mn)锰土施处理，于秧苗移栽前每Kg干土中添加0.03g EDTA·Na₂Mn(以Mn计，以水溶液形式浇灌)，充分混匀，秧苗移栽后于孕穗初期、灌浆期分别每瓷盆再添施0.33g EDTA·Na₂Mn(以Mn计)；④于水稻杨花期始，每10d喷施1g/L的MnSO₄(以Mn计)，共5次；⑤于水稻杨花期始，每10d喷施1g/L的EDTA·Na₂Mn(以Mn计)，共5次。试验采用二因素裂区设计，品种为主区，锰处理为裂区，每处理重复5次，共50盆。肥水管理同常规栽培方式管理。

1.3测定项目

于水稻灌浆期和收获期用SPAD(SPAD-502，Minolta Camera CO.LTD.Japan)仪检植株倒1叶SPAD值。于水稻灌浆期和收获期取样(包括植株和土壤)，检测株高、根长等相关农艺性状后，将植株根系分成两部分，一部分用DCB法提取根表胶膜并测定Cd、Mn、Fe、Cu和Zn等元素含量，另一部分用蒸馏水冲洗2次。灌浆期样品分地上部和根系放好，收获期样品分糙米、精米、地上部(不包括籽粒)、根系等放好，于60℃烘箱中烘干至恒重，后将干样磨碎用于元素测定。土壤在阴干后，粉碎过60目筛。称取10g土壤，加25ml重蒸水，振荡1h后，用pH计测定土壤pH；称取1.000g土样，用1.0mmol/L DTPA溶液50ml振荡提取4h，定量滤纸过滤后，过滤液待测。糙米和精米中Cd含量采用石墨炉原子吸收法测定，糙米、精米、地上部、根系及土样中Cd、Mn、Fe等元素采用全谱直读电感耦合等离子体原子发射光谱仪(ICP-AES)测定。

1.4数据处理

2结果与分析

2.1锰肥处理对土壤DTPA提取态锰、镉含量及pH值的影响

表11土壤pH值及DTPA提取态Mn、Cd含量

表中数据为相同锰肥处理下3个数据均值，同一列中相同字母代表没有显著差异(p＜0.05)。

表11显示土壤施用锰肥，不论是何种形态，对土壤pH值没有显著影响，却显著提高了土壤中的锰含量。同时土施EDTA·Na₂Mn显著提高了中嘉早32杨花期土壤的有效态镉含量，土施MnSO₄却显著降低了收获期土壤的有效态镉含量。

2.2锰肥处理对水稻生长和产量性状的影响

喷施MnSO₄对收获期水稻的产量构成并没有明显影响。而土施EDTA·Na₂Mn显著缓解了水稻生育后期的衰老，是水稻保持青秆黄熟的态势。而喷施EDTA·Na₂Mn却引起了水稻锰中毒。由此可见土施EDTA·Na₂Mn对于镉污染土壤上种植的水稻具有良好的营养作用和镉毒害缓解作用。不论何种形态锰肥或何种施用方式对两水稻的分蘖数并没有明显影响。

表12锰肥处理对水稻生长参数的影响

表中均为9个数据的均值，同一列中相同字母代表没有显著差异(p＜0.05)。

表12显示土施MnSO₄和EDTA·Na₂Mn对中早22和中嘉早32的灌浆期、收获期的株高并没有明显影响，而喷施去导致灌浆期中早22的株高下降。土施EDTA·Na₂Mn时，收获期两水稻叶片可保持较高的叶绿素含量，从而保持青秆黄熟。总体上看，土施或喷施MnSO₄和EDTA·Na₂Mn并没有对根长、地上部和根系干物重产生显著影响。

表13锰肥处理对水稻产量性状的影响

表中均为3个数据的均值，同一列中相同字母代表没有显著差异(p＜0.05)。

表13显示土施MnSO₄和EDTA·Na₂Mn和喷施MnSO₄对每穴有效穗数、每穗实粒数、每穗实粒数等产量构成因素有明显的影响。然而喷施EDTA·Na₂Mn却导致每穗实粒数和每穗实粒数都严重下降，从而对水稻产量产生影响，据此喷施喷施EDTA·Na₂Mn并不适合用于水稻的镉积累空。但改变喷施浓度和喷施次数或喷施生育期是否会对水稻产量产生影响，还需进一步研究。

2.3锰肥处理对水稻植株元素含量的影响

表14糙米、精米镉、锰含量

表14显示土施MnSO₄导致中早22和中嘉早32糙米和精米的镉积累大幅增加，由此可见土壤MnSO₄并不适合用于控制水稻镉积累。而土施EDTA·Na₂Mn和喷施MnSO₄和EDTA·Na₂Mn均导致两材料糙米和精米的镉含量大幅下降，据此适合水稻的镉积累控制。

表15植株地上部和根系镉、锰量

表15显示土施EDTA·Na₂Mn导致两材料在杨花期和收获期的地上部(不包括籽粒)和根系的镉含量大幅下降。同时其它处理则导致地上部和根系镉含量大幅增加。综合稻米、地上部与根系中的镉含量，可以认定，土施EDTA·Na₂Mn主要是在水稻根系吸收土壤Cd这一过程中对土壤Cd的吸收进行了调控，而喷施MnSO₄和EDTA·Na₂Mn则主要是对根系和/或地上部镉向籽粒转运这一过程进行了调控。

2.4水稻糙米铁、铜和锌积累

表16水稻糙米铁、铜和锌积累

土施EDTA·Na₂Mn降低中早22和中嘉早32糙米中的铁含量，但却显著提高了铜、锌含量，而对于中早22精米中的铁、铜，中嘉早32精米中的铜则有所促进。总体上看，土施MnSO₄、喷施MnSO₄和EDTA·Na₂Mn两材料的糙米和精米的铁、铜、锌均有影响。

3结论

3.1土施EDTA·Na₂Mn可显著降低水稻植株(包括稻米)中的镉含量，实验中稻米(精米)镉含量远低于国家限制标准(0.2μg/g)；

3.2土施EDTA·Na₂Mn可显著缓解水稻的镉毒害，对水稻产量没有任何不利影响；

3.3土施MnSO₄可导致水稻植株(包括稻米)镉大幅积累，不适合用于水稻的镉积累控制；

3.4喷施MnSO₄和EDTA·Na₂Mn可大幅降低水稻稻米的镉积累，主要是喷施锰肥强烈阻断了植株中Cd在器官间的转运作用，如茎叶向稻谷中的转运，虽在本实验中喷施锰肥对水稻生长与产量有一定的不利影响，这主要是在水稻颖花分化(孕穗始期)进行喷施锰肥，对幼穗分化产生了不利影响，以及喷施浓度过高。据前人以及我们前期研究，苗期以及灌浆期喷施锰肥不会对水稻产量有任何不利影响。因此，通过苗期和灌浆期喷施锰肥阻断植株中Cd在器官间的转运作用是一条控制稻米镉积累的非常有利的措施。

总之，土施EDTA·Na₂Mn有利于缓解水稻的镉毒害，对水稻产量没有任何不利影响，同时又可极显著的降低稻米中的镉含量，是一条十分适合用于水稻镉积累控制。同时，过苗期和灌浆期喷施锰肥阻断植株中Cd在器官间的转运作用是一条控制稻米镉积累的非常有利的措施。

四、实施例

(1)于秧苗移栽前整地时，在土壤中施入EDTA·Na₂Mn，施用量以锰计为45公斤/公顷，并与土壤充分混匀；

(2)于秧苗移栽后15-20天开始至秧苗移栽后35-45天，每隔7-10天喷施一次二价锰肥水溶液，喷施以锰计浓度为0.03％的MnSO₄溶液450公斤/公顷或喷施以锰计浓度为0.01％的EDTA·Na₂Mn溶液450公斤/公顷；

(3)分别于水稻孕穗初期、灌浆期时，分别撒施EDTA·Na₂Mn，施用量以锰计为30公斤/公顷；

(4)土施二价锰螯合物3-5天内稻田灌水；

(5)于水稻杨花期始至成熟期，每隔7-10天喷施一次二价锰肥水溶液，喷施以锰计浓度为0.02％的MnSO₄溶液600公斤/公顷或喷施以锰计浓度为0.01％的EDTA·Na₂Mn溶液450公斤/公顷。

水稻成熟后测定稻米中镉含量显著降低，镉含量为0.078mg/kg，远远低于国家限制值0.2mg/kg。

步骤(1)和(3)中施入的二价锰螯合物可以为HEDTA二钠锰(HEDTA·Na₂Mn)、EDDHA二钠锰(EDDHA·Na₂Mn)、DTPA二钠锰(DTPA·Na₂Mn)，施用量为10公斤/公顷、50公斤/公顷、70公斤/公顷也能达到与实施例一样的技术效果。

步骤(2)和(5)中喷施的二价锰肥采用以锰计浓度为0.005％EDTA二钠锰(EDTA·Na₂Mn)溶液700公斤/公顷、浓度为0.005％HEDTA二钠锰(HEDTA·Na₂Mn)溶液800公斤/公顷、浓度为0.01％EDDHA二钠锰(EDDHA·Na₂Mn)溶液600公斤/公顷、0.02％DTPA二钠锰(DTPA·Na₂Mn)溶液150公斤/公顷、浓度为0.02％MnSO₄溶液1000公斤/公顷、浓度为0.05％MnCl₂溶液200公斤/公顷或浓度为0.05％Mn(NO₃)₂溶液200公斤/公顷，其他条件与实施例相同也能达到与实施例一样的技术效果。

Claims

1.一种控制水稻重金属镉积累的方法，其特征在于采用土施和叶面喷施二价锰肥结合的方法，改善稻田土壤有效态锰含量和植株地上部锰营养状态，调控水稻植株锰营养代谢途径，抑制水稻植株中矿质金属弱选择性吸收和转运系统，从而抑制水稻植株中吸收和转运镉的代谢途径，降低和控制稻米镉积累，具体包括：

(2)于秧苗移栽后15-20天开始至秧苗移栽后35-45天，每隔7-10天喷施一次二价锰肥水溶液，喷施以锰计浓度为0.02％-0.05％的非螯合态锰溶液150-1500公斤/公顷或喷施浓度为0.005％-0.02％的二价锰螯合物溶液150-1500公斤/公顷；

(4)土施二价锰螯合物3-5天内稻田灌水；

(5)于水稻杨花期始至成熟期，每隔7-10天喷施一次二价锰肥水溶液，喷施以锰计浓度为0.02％-0.05％的非螯合态锰溶液150-1000公斤/公顷或喷施浓度为0.005％-0.02％的二价锰螯合物溶液150-1000公斤/公顷；

(6)土施二价锰肥以后每年二价锰螯合物施用方法相同，施用量减半或减少3/4；

所述的二价锰螯合物为EDTA二钠锰(EDTA·Na₂Mn)、HEDTA二钠锰(HEDTA·Na₂Mn)、EDDHA二钠锰(EDDHA·Na₂Mn)、DTPA二钠锰(DTPA·Na₂Mn)，所述的非螯合态锰为硫酸锰(MnSO₄)、氯化锰(MnCl₂)、硝酸锰(Mn(NO₃)₂)。

2.如权利要求1所述的一种控制水稻重金属镉积累的方法，其特征在于步骤(1)中二价锰螯合物的施用量为25-70公斤/公顷。

3.如权利要求1所述的一种控制水稻重金属镉积累的方法，其特征在于步骤(1)中二价锰螯合物的施用量为30-60公斤/公顷。

4.如权利要求1所述的一种控制水稻重金属镉积累的方法，其特征在于步骤(2)中喷施以锰计浓度为0.02％-0.05％的非螯合态锰溶液300-1000公斤/公顷或喷施浓度为0.005％-0.02％的二价锰螯合物溶液300-600公斤/公顷。

5.如权利要求1所述的一种控制水稻重金属镉积累的方法，其特征在于步骤(2)中喷施以锰计浓度为0.02％-0.05％的非螯合态锰溶液500-1000公斤/公顷或喷施浓度为0.005％-0.02％的二价锰螯合物溶液300-500公斤/公顷。

6.如权利要求1所述的一种控制水稻重金属镉积累的方法，其特征在于步骤(3)中二价锰螯合物的施用量为20-45公斤/公顷。

7.如权利要求1所述的一种控制水稻重金属镉积累的方法，其特征在于步骤(3)中二价锰螯合物的施用量为25-35公斤/公顷。

8.如权利要求1所述的一种控制水稻重金属镉积累的方法，其特征在于步骤(5)中喷施浓度以锰计为0.02％-0.05％的非螯合态锰溶液300-1000公斤/公顷或喷施浓度为0.005％-0.02％的二价锰螯合物溶液300-600公斤/公顷。

9.如权利要求1所述的一种控制水稻重金属镉积累的方法，其特征在于步骤(5)中喷施以锰计浓度为0.02％-0.05％的非螯合态锰溶液500-1000公斤/公顷或喷施浓度为0.005％-0.02％的二价锰螯合物溶液300-500公斤/公顷。