CN113826523B - 一种基于蜡熟期土壤水势的水稻降镉方法 - Google Patents

一种基于蜡熟期土壤水势的水稻降镉方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于蜡熟期土壤水势的水稻降镉方法，包括从水稻的蜡熟期开始至收获对稻田进行水分调控灌溉措施，所述水分调控灌溉措施是指保持稻田土壤水势维持在‑18.6KPa～‑0.6Kpa。本发明的降镉方法，与水稻蜡熟期至收获进行晒田处理的方法相比，能够显著降低土壤Cd的有效性，抑制Cd向水稻植株各部位迁移以及水稻籽粒中Cd的富集，可使土壤Cd的有效性降低27.9‑35.9％，水稻籽粒中Cd含量降低32.4‑40.1％。

Description

一种基于蜡熟期土壤水势的水稻降镉方法
技术领域
本发明属于水稻栽培技术领域，具体涉及一种基于蜡熟期土壤水势的水稻降镉方法。
背景技术
水稻(Oryza sativa.L)是我国最主要的粮食作物，然而，近年来随着我国农田土壤重金属污染加剧，“镉米”问题逐渐凸显。早在2002年，农业部稻米及制品质量监督检验测试中心对全国市场稻米进行安全性抽检结果显示，稻米中镉超标率达到10.3％。另有资料显示，我国南方地区稻米Cd超标率在23％左右，在污染较为严重的省份如湖南、广东和广西，稻米超标率高达60％～88％。土壤Cd污染给中国农业生产造成了严重的经济损失，给人体健康带来了很大风险，加强农田Cd污染防治、控制稻米Cd积累研究具有重要的现实意义。
水分管理为稻田土壤Cd污染控制的主要农艺调控措施之一，是根据水稻各生育期需水特性对稻田进行适宜的灌排水，以保障水稻产量、稻米品质及安全性。由于水稻特殊的灌溉方式(淹水或干-湿交替)及根际泌氧的特性使得稻田系统有着特有的氧化-还原交替的水分变化规律。目前，水稻的栽培方式有多种，比如：分蘖盛期和抽穗期控水，其他时期都是淹水；再比如营养生长阶段直至灌浆期都是淹水，之后到了成熟期采用晒田的处理方式。这两种方式各有利弊，前者营养生长阶段基本都淹水，生殖生长期的绝大部分时间也是淹水，虽然可显著降低水稻对Cd的吸收，但淹水灌溉会产生稻株发育不良、抗逆性差、后期倒伏、肥料流失等问题，且水稻产量显著下降，耗水量大大增加等。后者成熟期采用晒田处理，虽然可以在某种程度上避免水稻后期减产，但这种处理方式会导致水稻籽粒中Cd的富集。因此，在水稻整个生长期如何科学合理进行稻田水分调控灌溉措施，达到有效减少稻米对土壤Cd的吸收累积同时不造成水稻减产，具有重要的现实意义。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于蜡熟期土壤水势的水稻降镉方法，该方法操作简单、节约生产成本，尤其适宜于我国中轻度Cd污染(0.6-1.8mg/kg)稻田中高产量、低重金属含量的稻米生产；本发明能够显著降低土壤Cd的有效性，抑制Cd向水稻植株各部位迁移以及水稻籽粒中Cd的富集，同时本发明基于蜡熟期土壤水势的水稻降镉方法不会造成水稻减产。
针对上述发明目的，本发明提供了一种基于蜡熟期土壤水势的水稻降镉方法，包括从水稻的蜡熟期开始至收获对稻田进行水分调控灌溉措施，所述水分调控灌溉措施是指保持稻田土壤水势维持在-18.6KPa～-0.6KPa(比如-18.0KPa、-15.6KPa、-12.8KPa、-5.2KPa、-1.4KPa)。
在上述降镉方法中，作为一种优选实施方式，所述水分调控灌溉措施是指保持稻田土壤水势维持在-12.4～-0.6KPa(比如-10.0KPa、-7.5KPa、-4.5KPa、-1.5KPa、-0.8KPa)；优选地，保持稻田土壤水势维持在-5.5～-0.6KPa(比如-5.0KPa、-4.0KPa、-3.0KPa、-2.0KPa、-1.0KPa)。
本发明中，分蘖始期是指从第一个分蘖芽萌发开始到全田有10-15％的水稻开始分蘖的时间阶段。分蘖始期结束后即进入分蘖中期和后期。拔节末期是指全田有50％以上的水稻拔节已经结束即进入拔节末期。水稻的拔节末期至乳化期结束(中间包括孕穗期约30天，抽穗期约10天，扬花期约10天，灌浆期约7～15天)，依次进行晒田处理、复水处理和干湿交替处理。蜡熟期至收获是指水稻籽粒无乳状物，手压籽粒有坚硬感，谷壳开始变黄至水稻籽粒饱满可进行收割这段期间。
本发明人通过大量研究发现，水稻籽粒对Cd的吸收主要发生在生育后期，分蘖期至灌浆期是控制水稻Cd吸收的重要时期，而灌浆期至蜡熟期乃至完熟期和枯熟期是控制水稻植株内Cd由茎叶向籽粒转移的关键时期。发明人还发现，稻米中大于75％的Cd是在水稻蜡熟期稻田排水氧化阶段积累的。基于这些发现，发明人研发了本发明基于蜡熟期土壤水势的水稻降镉方法，通过对营养生长阶段和生殖生长阶段的稻田水分控制，特别是前期水分控制配合水稻的蜡熟期至收获进行水分调控灌溉措施即保持稻田土壤水势维持在-18.6KPa～-0.6KPa(此时稻田土壤保持最大持水量为70％以上或淹水高度至3cm)，优选地，水分调控灌溉措施即保持稻田土壤水势维持在-12.4～-0.6KPa(此时稻田土壤保持最大持水量100％或淹水高度至3cm)，更优选地，水分调控灌溉措施即保持稻田土壤水势维持在-5.5KPa～-0.6KPa(此时稻田土壤保持淹水高度至3cm)，相较于现有技术中全生育期淹水灌溉或者蜡熟期至收获进行晒田处理的方式，本发明能够在保证水稻产量不下降的基础上，能够显著降低稻田土壤Cd的有效性，显著降低水稻籽粒中Cd含量。步骤(1)-(5)是尽可能地保证水稻正常生长生殖同时控制水稻植株对Cd的吸收，以减少后期植株Cd向水稻籽粒的转移。
在淹水处理条件下，土壤胶体、团聚体、铁锰矿物、固相有机质、磷酸盐对Cd的吸附、酸性土壤pH的升高和氧化还原电位(Eh)的降低、水稻根际铁锰氧化膜的阻碍、硫化物与Cd2+的共沉淀、还原菌的还原作用以及根系分泌物的螯合作用都可能导致土壤中Cd活性降低，然而，全生育期淹水虽然可以显著降低水稻对Cd的吸收，但淹水灌溉会使得稻株发育不良、抗逆性差、后期倒伏、肥料流失等问题，导致水稻产量显著下降。此外，由于水稻进入蜡熟期后对水分的需求量明显减小，因此，出于耗水量的考虑，现有技术中水稻在蜡熟期至收获往往进行晒田处理，而这种处理方式会导致稻田形成间歇性氧化环境，当氧气重新进入土壤，含Cd硫化物快速氧化和土壤pH降低导致土壤Cd的有效性大幅度增加，从而进一步导致水稻籽粒中Cd的富集。本发明中基于水稻蜡熟期的稻田进行合理水分调控灌溉措施，在不影响水稻产量的基础上，最大程度地减少水稻籽粒中Cd的积累。
此外，土壤水势是土壤水所具有的势能，其绝对值的大小代表了土壤水分运动和植物吸水的难易。通常不同土壤在从饱和含水率到毛细管破裂含水率的变幅内，土壤水对作物的作用和影响基本一致，而同一土壤水势值指标，对作物的生理需水和根系吸收而言也是一致的。因此，利用土壤水势指导稻田水分调控灌溉从而实现降镉同时不降产具有重要的应用价值。
在上述降镉方法中，作为一种优选实施方式，在水稻的蜡熟期开始之前，还包括如下处理：
(1)移栽于稻田土壤中的水稻幼苗至分蘖始期结束对稻田进行淹水处理；
(2)在水稻的分蘖中期至分蘖末期结束，对稻田进行晒田处理；
(3)在拔节末期除外的整个拔节期对稻田进行淹水处理；
(4)从水稻拔节末期开始到水稻长至白根外露，进行晒田处理；
(5)从步骤(4)晒田处理结束后先进行稻田复水，然后直至乳化期结束对稻田进行干湿交替处理；
在上述降镉方法中，作为一种优选实施方式，在所述步骤(5)中，所述复水是指灌溉至淹水，优选淹水高度为2-3cm。
在上述降镉方法中，作为一种优选实施方式，在所述步骤(5)中，所述干湿交替处理具体为：土壤自然干燥至土壤最大持水量90％后再进行灌水至淹水，优选淹水高度为2-3cm，然后再自然干燥，如此重复进行。
在上述降镉方法中，作为一种优选实施方式，在所述步骤(4)中，所述晒天处理的天数为5-7天。
在上述降镉方法中，作为一种优选实施方式，在所述步骤(3)中，所述淹水处理的淹水高度为2-3cm。
在上述降镉方法中，作为一种优选实施方式，在所述步骤(1)中，所述淹水处理的淹水高度为2-3cm；优选地，淹水处理的总时间长度为25天，自完成移栽水稻幼苗开始计算。
在上述降镉方法中，作为一种优选实施方式，所述稻田土壤选自湖南省水稻土或者红壤。
在上述降镉方法中，作为一种优选实施方式，所述水稻的品种为籼稻XS09。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明中基于对水稻整个生长期水分的控制，特别是营养生长期和生殖生长前中期水分的控制配合以及蜡熟期至收获的稻田合理水分调控灌溉措施，不仅很大程度地降低了水稻籽粒中的Cd的含量，同时也保证了水稻不减产甚至增产。
(2)本发明的方法能够显著降低土壤Cd的有效性，抑制Cd向水稻植株各部位迁移以及水稻籽粒中Cd的富集；模拟田间试验研究结果表明，与水稻蜡熟期至收获进行晒田处理的方法相比，采用本发明的降镉方法，可使土壤Cd的有效性降低27.9-35.9％，水稻籽粒中Cd含量降低32.4-40.1％。
(3)本发明针对我国中轻度Cd污染(0.6-1.8mg·kg-1)稻田中的稻米安全生产问题，提供了一种高效、低成本、易操作的水稻降镉方法。
附图说明
图1为实施例1-3以及对比例1-2的处理方法对两种土壤有效态Cd含量影响的图；
图2为实施例1-3以及对比例1-2的处理方法对两种土壤水势的影响。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，给出的实施例仅为了阐明本发明，而不是为了限制本发明的范围。以下提供的实施例可作为本技术领域普通技术人员进行进一步改进或应用的基础，并不以任何方式构成对本发明的具体限制。
本发明中的晒田是指不再做灌溉处理。
本发明的具体实施方式中采用模拟田间试验的方法，试验所用的稻田土壤取自湖南省两种不同类型稻田0-20cm的表层土壤。两种稻田土壤中镉含量平均值均超过《国家土壤环境质量标准GB 15618-2018》中规定的水田土壤污染风险筛选值的3倍(0.4mg·kg-1，5.5<pH≤6.5和0.6mg·kg-1，6.5<pH≤7.5)。两种土壤的基本理化性质如表1所示，灌溉水使用检出无镉污染，pH值为6.93的自来水，水稻品种为籼稻XS09。
表1测试土壤基本理化性质
Figure BDA0003317580140000061
本发明的具体实施方式中，试验布置在中国农业科学院温网室内，网室环境采用了顶部透明薄膜的遮雨处理。分别将两种土壤装入PVC培养容器中(0.8*1.2*0.4m)，填土至0.25m，然后向土壤中添加尿素(0.429g·kg-1土)、KH2PO4(0.263g·kg-1土)、KCl(0.420g·kg-1土)作为底肥，每个处理重复三次；接着进行灌水至土壤最大持水量的70％，平衡两周。取水稻种子于5％的H2O2中浸泡20min，用去离子水冲洗干净，置于覆湿滤纸的培养皿上，于植物气候培养箱中28℃培养，直至发芽。最后将其转入到PVC培养容器中，待幼苗长出后间苗，保持水稻苗的间距为5cm。
本发明的具体实施方式中，从水稻的蜡熟期开始至收获进行稻田土壤水势监测的具体方法为：在每个PVC培养容器中安装土壤水分张力计(或称负压式土壤湿度计)，陶土头或FDR探针中心距土表7.5-10cm，并使陶土头或FDR探针与土壤紧密接触，然后将周围填土捣实。每天早晨8:00和傍晚18:00读取土壤水势值。
实施例1一种基于蜡熟期土壤水势的水稻降镉方法，包括如下步骤：
(1)选择移栽至稻田土壤中的幼苗期的水稻，进行淹水处理，直至分蘖始期结束，淹水处理的淹水高度为2cm(即在PVC培养容器中设置水位控制线，距土表上2cm)，淹水处理的天数为25天；
(2)在水稻的分蘖中期至分蘖末期结束，进行晒田处理；
(3)在拔节末期除外的整个拔节期对稻田进行淹水处理，淹水高度为2cm；
(4)从水稻拔节末期开始到水稻长至白根外露，进行晒田处理，晒天处理天数为7天；
(5)从步骤(4)晒田处理结束后先进行稻田复水，然后直至乳化期结束对稻田进行干湿交替处理，复水即灌溉水至淹水高度为2cm(即在PVC培养容器中设置水位控制线，距土表上2cm)；然后直至乳化期结束进行干湿交替处理，干湿交替处理具体为：复水后的土壤自然干燥至土壤最大持水量90％后再进行灌水至淹水高度为2cm(即在PVC培养容器中设置水位控制线，距土表上2cm)，然后再自然干燥，如此重复进行；
(6)从水稻的蜡熟期开始至收获对稻田进行水分调控灌溉措施，即保持稻田土壤水势维持在-5.5～-0.6KPa，具体参见图2，其实际操作为对稻田土壤进行淹水处理，淹水处理的淹水高度为3cm，(即在PVC培养容器中设置水位控制线，距土表上3cm)。
实施例2一种基于蜡熟期土壤水势的水稻降镉方法，包括如下步骤：
本实施例的步骤(1)-(5)同实施例1，步骤(6)如下：
水稻的蜡熟期开始至收获对稻田进行水分调控灌溉措施，即保持稻田土壤水势维持在-12.4～-8.9KPa，具体参见图2，其实际操作为保持稻田土壤最大持水量100％进行灌溉处理。
实施例3一种基于蜡熟期土壤水势的水稻降镉方法，包括如下步骤：
本实施例的步骤(1)-(5)同实施例1，步骤(6)如下：
水稻的蜡熟期开始至收获对稻田进行水分调控灌溉措施，即保持稻田土壤水势维持在-18.6～-13.6KPa，具体参见图2，其实际操作为保持稻田土壤最大持水量70％进行灌溉处理。
对比例1一种水稻灌溉方法
对比例1除了步骤(6)与实施例1不同以外，其他均与实施例1相同，对比例1的步骤(6)为：
水稻的蜡熟期开始至收获进行水分调控灌溉措施，即保持稻田土壤水势维持在-24.8～-23.7KPa，具体参见图2，其实际操作为保持稻田土壤最大持水量50％进行灌溉处理。
对比例2一种水稻灌溉方法
对比例2除了步骤(6)与实施例1不同以外，其他均与实施例1相同，对比例2的步骤(6)为：
水稻的蜡熟期开始至收获进行水分调控灌溉措施，即保持稻田土壤水势维持在-22.5～-18.6KPa(不包含-18.6KPa这个端点值)，即对应图2中的常规水份管理，其实施操作为对稻田土壤进行晒田处理。
对比例3一种水稻灌溉方法
对比例3除了在水稻整个生长期的控水方式不同于实施例1，水稻材料和试验土壤等均与实施例1相同，对比例3在分蘖盛期到抽穗期控水，其他时期淹水灌溉处理(淹水高度为5-10cm)，其中分蘖盛期到抽穗期控水是按照如下操作进行：排干水层，让土壤自然干燥至土壤含水量为最大持水量的85％左右，然后再灌溉至饱和，但未出现明显水层，然后再干燥，如此重复进行。
对比例4一种水稻灌溉方法
对比例4除了在水稻整个生长期的控水方式不同于实施例1，水稻材料和试验土壤等与实施例1相同，对比例4在营养生长期、灌浆期以及完熟期和枯熟期淹水处理(淹水高度为3-5cm)，其他时间采用晒田处理。
试验结果
图1为实施例1-3以及对比例1-2的处理方法对两种土壤有效态Cd含量影响；具体地，与对比例2(即从蜡熟期开始至收获进行晒田处理，即图1中的常规水分管理)进行对比，采用实施例1的降镉方法(即从蜡熟期开始至收获进行淹水处理)Cd降活率为27.9-35.9％，能够使得土壤的有效态Cd含量降低；采用实施例2的降镉方法(即从蜡熟期开始至收获保持稻田土壤最大持水量100％进行灌溉处理)，Cd降活率为15.1-18.7％；采用实施例3的降镉方法(即从蜡熟期开始至收获保持稻田土壤最大持水量70％进行灌溉处理)，Cd降活率为15.1-18.7％；采用对比例1的降镉方法(即从蜡熟期开始至收获保持稻田土壤最大持水量50％进行灌溉处理)，对S1土壤的有效态Cd含量不降反升，对S2土壤有效态Cd含量影响不显著。
表2为实施例1-3以及对比例1-4的处理方法对应的水稻植株各部位Cd含量(mg/Kg)，由表2可见，蜡熟期开始至收获同一处理方法水稻植株不同部位Cd的积累量依次为根>茎叶>籽粒，对于不同处理方法，Cd积累量总体表现为实施例1<实施2<实施例3≈对比例3≈对比例4<对比例1≈对比例2。参见表2可知，与对比例2(即从蜡熟期开始至收获进行晒田处理)进行对比，采用实施例1的降镉方法(即从蜡熟期开始至收获进行淹水处理)水稻籽粒Cd含量降低32.4-40.1％；采用实施例2的降镉方法(即从蜡熟期开始至收获保持稻田土壤最大持水量100％进行灌溉处理)，水稻籽粒Cd含量降低20.1-21.6％；采用实施例3的降镉方法(即从蜡熟期开始至收获保持稻田土壤最大持水量70％进行灌溉处理)，水稻籽粒Cd含量降低16.2-16.4％。
表2实施例1-3以及对比例1-4的处理方法对应的水稻植株各部位Cd含量(mg/kg)
Figure BDA0003317580140000101
表2中字母a,b,c,d用于表示在相同的土壤中、水稻植株相同部位Cd含量在不同处理条件间的差异显著性，含量后面的字母不同代表两种处理方式相比，Cd含量差异显著(P<0.01)，若有一个字母相同，则表示差异性不显著。
表3为实施例1-3以及对比例1-4的处理方法对应的水稻产量(以千粒重(g)表示)，由表3可知，对于不同处理方法，水稻产量总体表现为实施例1≈实施例2>实施例3>对比例3≈对比例4>对比例1≈对比例2，具体地，与对比例2(即从蜡熟期开始至收获进行晒田处理)进行对比，采用实施例1的降镉方法(即从蜡熟期开始至收获进行淹水处理)稻谷产量增加15.3-24.2％；采用实施例2的降镉方法(即从蜡熟期开始至收获保持稻田土壤最大持水量100％进行灌溉处理)，稻谷产量增加11.1-25.8％；采用实施例3的降镉方法(即从蜡熟期开始至收获保持稻田土壤最大持水量70％进行灌溉处理)，稻谷产量增加5.7-12.5％。
表3实施例1-3以及对比例1-4的处理方法对应的水稻产量(以千粒重(g)表示)
Figure BDA0003317580140000111
表3中字母a,b,c,用于表示在相同的土壤中、水稻产量在不同处理条件间的差异显著性，产量后面的字母不同代表两种处理方式相比，产量差异显著(P<0.01)，若有一个字母相同，则表示差异性不显著。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均在本发明待批权利要求保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于蜡熟期土壤水势的水稻降镉方法，其特征在于，包括从水稻的蜡熟期开始至收获对稻田进行水分调控灌溉措施，所述水分调控灌溉措施是指保持稻田土壤水势维持在-18.6 KPa~-0.6 Kpa；
在水稻的蜡熟期开始之前，还包括如下处理：
（1）移栽于稻田土壤中的水稻幼苗至分蘖始期结束对稻田进行淹水处理；
（2）在水稻的分蘖中期至分蘖末期结束，对稻田进行晒田处理；
（3）在拔节末期除外的整个拔节期对稻田进行淹水处理；
（4）从水稻拔节末期开始到水稻长至白根外露，进行晒田处理；
（5）从步骤（4）晒田处理结束后先进行稻田复水，然后直至乳化期结束对稻田进行干湿交替处理；
在所述步骤（5）中，所述复水是指灌溉至淹水，所述淹水的高度为2-3 cm；
在所述步骤（5）中，所述干湿交替处理具体为：土壤自然干燥至土壤最大持水量90%后再进行灌水至淹水，然后再自然干燥，如此重复进行；
在所述步骤（4）中，所述晒田处理的天数为5-7天；
在所述步骤（3）中，所述淹水处理的淹水高度为2-3 cm；
在所述步骤（1）中，所述淹水处理的淹水高度为2-3 cm；
在所述步骤（1）中，所述淹水处理的总时间长度为25天，自完成移栽水稻幼苗开始计算。
2.根据权利要求1所述的降镉方法，其特征在于，所述稻田土壤选自湖南省水稻土或者红壤。
3.根据权利要求1所述的降镉方法，其特征在于，所述水稻的品种为籼稻XS09。
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