2022年不同生育期水分管理对复合污染稻田Cd、Pb迁移转化试验总结报告PPT
镉(Cd)的生物毒性极强，过量的 Cd 不仅会抑制植物生长发育[1]，而且会对人体的肝、肾、骨骼和心血管系统造成严重损伤[2]。食物是 Cd 暴露的主要途...
镉(Cd)的生物毒性极强，过量的 Cd 不仅会抑制植物生长发育[1]，而且会对人体的肝、肾、骨骼和心血管系统造成严重损伤[2]。食物是 Cd 暴露的主要途径[3-4]，相较于其他禾谷类作物，水稻会从土壤中吸收积累更多的Cd元素[5-6]。2014年环境保护部和国土资源部联合发布的《全国土壤污染状况调查公报》[7]显示，我国耕地土壤点位超标率为19.4%，特别是Cd超标点位高达7%，土壤Cd污染问题比较突出，已成为影响农产品安全的主要因素之一。国内外学者已经通过低积累品种筛选、化学钝化修复和农艺调控等措施在降低水稻籽粒Cd吸收和积累方面，取得了系列研究成果[8]。其中，水分管理措施因其无二次污染、可操作性强和经济高效而备受关注。大量研究发现，与传统的灌溉模式相比，全生育期淹水能够在保证产量的同时显著降低水稻籽粒Cd含量，并能与其他水稻降Cd调控措施产生协同作用[9-12]。长期淹水使得水稻生成大量通气组织，大气中的氧气以径向氧损失(radial oxygenloss, ROL)的形式从水稻根部释放。这些氧气或者氧化性物质使淹水土壤中存在的铁离子(Fe2＋)、锰离子(Mn2＋)等物质被氧化，形成以无定型态铁和结晶态铁为主的红棕色根膜，又称铁膜，能够吸附固定土壤中的镉、砷(As)、铅(Pb)和锌(Zn)等元素[13-14]。目前，针对根表铁膜对水稻Cd含量的影响仍存在争议，其可以促进或抑制水稻对 Cd 的吸收和积累，也可能不产生影响[15-17]。此外，虽然全生育期淹水措施已经被证实能有效降低酸性土壤上的水稻 Cd 积累，但在水资源缺乏地区这一灌溉措施难以实现，且不符合农民干湿交替的传统灌溉习惯。研究降低水稻 Cd 积累的关键淹水时期，探索在降低土壤 Cd 污染危害的同时节约水资源，具有重要意义。有关水稻特定生育期淹水对水稻Cd累积影响的研究还很少。并且目前已有报道大多为室内盆栽培养试验，结合生产的田间试验相对较少。本研究将结合生产实际，在田间设置不同处理针对水稻抽穗期、灌浆期进行淹水灌溉，对土壤-根系的理化性质和水稻根表铁膜含量进行动态观测，并研究其对水稻Cd吸收累积的影响，以期探明降低稻米Cd累积的淹水关键时期及其影响机制，为Cd污染耕地绿色、持续、高效、安全利用提供理论依据和技术支持。1、材料与方法1、材料与方法1.1试验设计试验地点位于钟鸣镇。试验小区小区为24m2(3m*8m)，随机区组排列，每个处理设置3次重复。水稻移栽，栽培密度为4*9寸，即行距9寸，株距4寸。各小区收获后单独测产。其他管理措施与常规水稻栽培管理措施一致。各小区收获后单独测产。按照当地高产栽培技术施肥量施肥，基肥采用复合肥料(17-17-17)，每亩用量为30kg，后期每亩追加尿素15kg。即每个小区施用复合肥料的用量为1.08kg，后期追加尿素0.54kg。保证每个处理均清水灌溉，截断污染源。小区分布图1所示。试验处理详见图2，各处理除水分管理不一致外，其他栽培措施均相同。1.2试验区概况试验地点位于安徽省铜陵市义安区钟鸣镇狮峰村某废旧矿区周边，土壤质地为中壤，是以砂质洪冲沉积物为成土母质发育而来的水稻土。土壤呈弱酸性，有机质、有效磷较丰富，全氮、碱解氮为中等水平，重金属Cd为重度污染，Pb为中度污染。土壤理化指标见表1(各指标平均值)。表1 试验土壤背景值Table1 Physicochemical properties of the soil before experimentSoil propertyValueUnitpH6.24—有效态铅/Available Pb36.40mg/kg有效态镉/Available Cd0.654mg/kg铅/Pb171.37mg/kg镉/Cd1.56mg/kg有机质/Organic matter32.81g/kg有效磷/Available phosphorus43.17mg/kg总氮/Total nitrogen1.16g/kg碱解氮/Alkali hydrolyzed nitrogen42.27mg/kg总铅/Available Pb127.67~134.43mg/kg总镉/Available Cd1.54~1.73mg/kg2、试验开展2.1时间节点2022年5月16日水稻移栽，2022年9月2日水稻测产。水稻采用随机区组排列的方式于露天栽培，其他农艺措施与当地传统模式保持一致。为保证幼苗生长，移栽后进行正常的淹水灌溉，12 d(从插秧计算)开始进行水分管理，自水稻移栽至分蘖期共测定测定5次土壤氧化还原电位(Eh)以及pH；拔节孕穗期至灌浆结实期，分别在生育期干湿交替循环过程的第一次润湿阶段以及循环过程的最后一次干燥阶段测定各处理土壤的Eh以及pH，共计6次。常规灌溉(conventional irriga tion, CK),即保持浅水层, 分蘖末期进行轻度搁田与 收获前一周断水;干湿交替灌溉(alternate wetting and drying, AWD),除移栽至返青田间保持浅水层外,其余时期采用干湿交替灌溉技术,即自浅水层自然落干到土壤水势达-15 kPa时,灌水1~2 cm, 再自然 落干至-15 kPa,再上浅水层,如此循环；持续淹水灌溉(continuous flooding irrigation,CF),除移栽至返青田间保持浅水层外,其余时期均保持田间水面3~5cm。2.2试验照片试验实施照片-水稻移栽试验实施照片-监测水位试验实施照片-追施尿素3、结果与分析3.1不同水分管理对水稻产量的影响图3 不同水分管理对水稻产量影响注：不同小写字母表示不同处理在 0.05 水平上差异显著从图中可以看出，不同处理下水稻产量在7666.67~9354.17 kg·hm2。其中HCF处理下水稻产量增加最为显著，较对照增产幅度为10.77%。AWD、GCF处理较对照增产幅度为7.24%和3.78%。且与HCF处理间差异不显著(P<0.05)。CF处理下水稻产量显著低于其余各处理，相较于对照，产量降低幅度达9.21%。3.2不同水分管理对水稻产量构成因素的影响处理 Treatment有效穗数穗粒数结实率/%千粒重/gCK15.60±0.51a175±16b87.62±1.14a26.30±0.23aAWD15.15±1.04a189±9ab89.17±1.03a26.78±0.47aCF14.56±0.92a167±6b84.73±1.31a25.79±0.46aJCF15.40±1.97a191±13ab86.50±1.52a26.52±0.87aHCF16.43±0.58a203±3a89.44±2.32a25.48±0.8aGCF16.05±1.11a189±11ab87.98±5.82a26.70±0.49a从表中可以看出不同处理下各产量构成因素均为CF处理最低，有效穗数、穗粒数和结实率以及千粒重与对照相比分别降低4.51%、4.39%和1.77及1.93%。HCF处理下千粒重虽较于AWD处理略下降，但有效穗数、穗粒数和结实率均较其余处理有所增加，但差异均不显著(P<0.05)。AWD处理有效穗数较对照下降2.86%，但穗粒数和结实率以及千粒重较对照增幅为8.40%和1.77%及1.81%，因此与对照相比，AWD处理下水稻增产的主要原因是干湿交替不同程度的提高了穗粒数和结实率及千粒重。3.3不同水分管理对水稻不同部位Cd、Pb积累3.3.1不同水分管理对水稻不同部位Cd积累treatment(糙米)brown rice (mg·kg-1)(米壳)Husk (mg·kg-1)(秸秆)Stem (mg·kg-1)(根系)Root (mg·kg-1)CK0.229±0.013a0.675±0.074a1.626±0.217b9.798±1.295cAWD0.139±0.014ab0.395±0.026c1.550±0.169b14.704±2.472abCF0.134±0.01ab0.542±0.08b1.524±0.057b17.343±1.342aJCF0.153±0.011ab0.453±0.056ab1.406±0.138bc12.402±0.512bcHCF0.166±0.028b0.412±0.056ab1.991±0.119a14.909±1.002abGCF0.126±0.015c0.363±0.045c1.149±0.088c14.080±0.572bc由表可知，Cd主要富集在水稻根部，其次是茎叶部位，糙米及米壳部位积累最少。除了对照外，不同水分管理模式下水稻糙米镉含量均未超过食品安全国家标准规定的限量值0.2 mg·kg-1。与 CK 处理相比，淹水处理最高降低稻米镉含量 41.48%。植株部位糙米米壳秸秆根系糙米10.866*0.487-0.594米壳10.209-0.474秸秆10.053根系1注：星号表示处理组之间具有显著性差异，* p<0.05；** p<0.01，下同.3.3.2不同水分管理对水稻不同部位Pb积累treatment(籽粒)Grain (mg·kg-1)(米壳)Husk (mg·kg-1)(秸秆)Stem (mg·kg-1)(根系)Root (mg·kg-1)CK0.361±0.017a0.488±0.075a1.419±0.102a35.173±2.365aAWD0.165±0.023b0.415±0.051a0.847±0.109b30.009±1.649bCF0.177±0.018b0.422±0.091a0.858±0.117b29.902±3.042bJCF0.188±0.013b0.329±0.087ab0.630±0.016c26.276±1.477bcHCF0.174±0.016b0.388±0.07ab0.897±0.062b24.199±1.100cGCF0.162±0.008b0.227±0.034b0.810±0.05bc28.080±1.309bc植株部位糙米米壳秸秆根系糙米10.967**0.901*0.775米壳10.914*0.739秸秆10.789根系1由表可知，Pb主要富集在水稻根部，其次是茎叶部位，糙米及米壳部位积累最少。除了对照外，其余处理糙米镉含量均未超过国家食品限量值(≤0.2mg·kg-1)，其中AWD以及GCF处理下水稻Pb含量相比于其余处理水稻Pb含量最低，但不显著。3.4不同水分管理对土壤pH、Eh的影响3.4.1水分管理阶段不同处理土壤pH、Eh的变化图4 水分管理阶段不同处理土壤Eh的变化图5 水分管理阶段不同处理土壤pH的变化水稻移栽后苗期(第0-20天)内所有处理保持淹水。如图所示：在淹水第18天时，土壤的 Eh 分别下降到-197.55～-210.53 mV，分蘖期后土壤Eh随水分管理措施改变呈波动变化。由于淹水，水稻根系生长造成微氧环境，第42-105天CK处理下土壤 Eh 在-247.89～219.09 mV之间波动；AWD处理的Eh范围为-243.70~208.50 mV；CF处理下土壤 Eh 在-253.90～-240.25 mV；其余关键生育期淹水处理土壤 Eh 均在淹水时迅速下降至-200 mV。各处理在分蘖末期落干晒田土壤 Eh 迅速回升100 mV以上。值得注意的是，除CF处理以外，分蘖和拔节期生育期淹水处理与同处理其余时期淹水状态下的 Eh 值相比，土壤 Eh 值较低，，原因可能是在此期间水稻根系活力强，其泌氧能力强于生育中后期。如图所示，土壤pH也随水分管理不同呈波动变化。在第0-20天淹水期间，土壤 pH 由6.27~6.39上升至 7.15~7.23。在分蘖末期，土壤开始落干的时候，土壤pH均迅速下降。第42-105天CK处理的pH在6.29~7.26之间波动；AWD处理的pH范围为6.37～7.23。CF处理的pH在6.91~7.34。其余关键生育期淹水处理土壤 pH 均在淹水时迅速上升至中性，各处理在分蘖末期落干晒田土壤 Eh 迅速下降至背景值左右。值得注意的是，相较于其他时期淹水状态下的pH，在分蘖和拔节期，土壤的pH更低，可能是在此期间水稻根系分泌大量的有机酸导致了根系土壤的pH降低，加之这一时期淹水比其他淹水时期的Eh更高(图 1)，土壤中可能存在更多的氧化产H＋反应，从而降低了pH。3.4.2不同水分管理对成熟期土壤pH、Eh的影响图6 水分管理阶段不同处理土壤pH的变化图为不同水分措施对成熟期土壤 Eh 和 pH 的影响，且不同的水分管理模式对水稻土壤 Eh、pH 具有显著影响。不同处理下成熟期土壤pH范围在6.39~6.64，CF处理对土壤pH的提升显著高于各处理间，提升范围在1.81% ~ 3.91%，其余处理间均无显著差异。由图可看出土壤Eh随水分管理不同呈波动变化，土壤Eh范围为175.93~337.60 mv，其中CF处理下土壤Eh最低，AWD处理土壤Eh最高。3.5不同水分管理对成熟期土壤Cd、Pb形态的影响3.5.1不同水分管理对成熟期土壤Cd形态的影响处理 Treatment可交换态 Exchangeable Cd碳酸结合态 Carbonates-bound Cd铁锰结合态 Iron and manganese oxide-bound Cd有机结合态 Organic matter-bound Cd残渣态 Residual CdCK0.364±0.006a0.049±0.001d0.333±0.006e0.506±0.009a0.320±0.005dAWD0.242±0.004c0.138±0.002a0.419±0.007d0.308±0.005b0.570±0.009aCF0.204±0.003d0.129±0.002b0.529±0.009a0.278±0.005c0.583±0.010aJCF0.233±0.005c0.120±0.002c0.43±0.009cd0.266±0.005cd0.493±0.010cHCF0.283±0.006b0.129±0.003b0.446±0.010bc0.301±0.007b0.529±0.011bGCF0.236±0.004c0.142±0.002a0.454±0.007b0.260±0.004d0.580±0.009a图7 不同水分管理处理对土壤镉形态的影响不同水分管理模式下，成熟期土壤五步提取 Cd 含量及其比例如表7以及图7所示。供试土壤中的 Cd 除对照以外，其余处理大部分以铁锰氧化物结合态和残渣态的形式存在，占比范围分别为25% ~ 31%和31% ~ 35%。相比于对照，其余各处理土壤可交换态 Cd 均显著降低；其中 CF 处理下土壤可交换态 Cd 含量最低，铁锰结合态 Cd 含量最高，说明全生育期淹水土壤可交换态 Cd 向活性更低的碳酸结合态 Cd 和铁锰结合态 Cd 转变。从图7中可以看到，土壤水分条件会影响土壤中Cd的赋存形态，而且不同时期淹水的影响有所不同。在水稻成熟期，CF处理的可交换态 Cd 均一直保持较低的含量， Cd 主要赋存形态均为铁锰结合态和碳酸结合态，占比分别高达7%和31%；CF、AWD、HCF 3个处理下残渣态 Cd含量之间也没有显著差异。与AWD处理相比，GCF处理的残渣态Cd含量显著上升。说明在灌浆期淹水能够显著增加土壤中的残渣态Cd的含量。而AWD处理与CF处理相比，土壤落干会促进Cd活化。3.5.2不同水分管理对成熟期土壤Pb形态的影响处理 Treatment可交换态 Exchangeable Cd碳酸结合态 Carbonates-bound Cd铁锰结合态 Iron and manganese oxide-bound Cd有机结合态 Organic matter-bound Cd残渣态 Residual CdCK22.155±0.067b12.104±0.036f47.586±0.143b17.526±0.053a32.968±0.010dAWD9.715±0.007f24.543±0.017a48.293±0.033c10.292±0.007f34.833±0.024cCF18.188±0.008d12.315±0.006e54.602±0.025a12.721±0.006b34.895±0.016cJCF25.977±0.008a13.052±0.004d43.519±0.013f12.156±0.004d35.063±0.105bHCF15.863±0.014e21.708±0.019b48.947±0.043d12.426±0.011c34.868±0.031cGCF21.56±0.008c17.706±0.007c47.312±0.018e11.109±0.004e36.218±0.014a图8 不同水分管理处理对土壤铅形态的影响不同水分管理模式下，成熟期土壤五步提取 Pb 含量及其比例如表8以及图8所示。可以看出土壤中的 Pb 大部分以铁锰氧化物结合态和残渣态的形式存在，占比范围分别为 34% ~ 41%和 26% ~ 27% Tessier法的有效态包含可交换态、碳酸盐结合态和铁锰氧化物结合态，可以看出AWD处理下土壤可交换态Pb的含量最低，相比于对照分别向碳酸结合态以及铁锰结合态转化。由图8可以看出，不同水分管理模式对土壤 Pb 形态具有显著影响。淹水条件下的可交换态 Pb 显著高于干湿交替条件，AWD组碳酸盐结合态 Pb 显著高于CF组，说明干旱条件有助于土壤碳酸盐结合态与可交换态之间的转化。AWD以及CF水分管理模式下土壤残渣态 Pb 之间并未产生显著性变化，而二者相比于对照均显著下降说明不同水分条件对有利于有效态Pb向残渣态 Pb 转化。3.6水分管理对水稻不同部位富集转运Cd、Pb的影响3.6.1不同水分管理对水稻富集转运Cd的影响处理 Treatment土壤-根根-秸秆秸秆-米壳米壳-糙米CK0.372±0.032a0.166±0.005a0.428±0.1a0.345±0.06aAWD0.201±0.051b0.107±0.014cd0.259±0.041b0.353±0.02aCF0.26±0.027b0.089±0.01de0.356±0.051ab0.292±0.065aJCF0.191±0.006b0.113±0.009bc0.326±0.056ab0.302±0.054aHCF0.223±0.032b0.134±0.011b0.209±0.04b0.404±0.049aGCF0.204±0.02b0.082±0.008e0.321±0.067ab0.352±0.056a 引言随着工业化进程的加快，环境中的重金属污染不断加剧，对农作物安全性和环境健康造成严重威胁。稻田作为我国重要的粮食生产基地之一，受到了重金属污染的普遍关注。本试验旨在研究2022年不同生育期水分管理对于复合污染稻田中镉（Cd）和铅（Pb）的迁移转化影响，为稻田污染修复和农作物安全生产提供科学依据。 方法2.1 试验设计本试验采用随机区组设计，设立不同水分管理处理组（A、B、C、D），每个处理组设置3个重复样本。处理组A为常规灌溉处理，组B为早期生育期（拔节期前）加强灌溉处理，组C为中期生育期（拔节期至孕穗期）加强灌溉处理，组D为晚期生育期（孕穗期后）加强灌溉处理。2.2 试验样本采集在不同生育期结束时，采集土壤样本和稻谷样本，并记录土壤pH、有机质含量等基本信息。通过溶浸法提取土壤中的Cd和Pb，并使用原子吸收光谱仪分析土壤中的Cd和Pb含量。稻谷样本经过预处理后，采用同样的方法分析Cd和Pb的含量。 结果与讨论3.1 不同生育期水分管理对土壤Cd、Pb含量的影响结果显示，不同生育期的水分管理对土壤中Cd、Pb含量有显著影响。加强灌溉处理（组B、C、D）下，土壤中的Cd、Pb含量显著低于常规灌溉处理组A。其中，中期生育期（组C）下土壤中的Cd、Pb含量最低，分别比常规处理组A降低了15%和12%。3.2 不同生育期水分管理对稻谷Cd、Pb含量的影响不同生育期的水分管理也对稻谷中Cd、Pb含量产生显著影响。加强灌溉处理组（B、C、D）下，稻谷中的Cd、Pb含量显著低于常规灌溉处理组A。其中，中期生育期（组C）下稻谷中的Cd、Pb含量最低，分别比常规处理组A降低了18%和14%。3.3 水分管理对Cd、Pb迁移转化的作用机制通过分析土壤和稻谷中Cd、Pb含量的变化趋势，发现加强灌溉处理有利于减少Cd、Pb的迁移转化。较高的土壤水分有助于降低Cd、Pb的可溶性，减少其对水稻的吸收。此外，增加灌溉次数还能促进土壤微生物的活性，提高土壤中Cd、Pb的降解和固定能力。 结论本试验结果表明，2022年不同生育期水分管理对复合污染稻田中Cd和Pb的迁移转化具有显著影响。中期生育期下加强灌溉处理能够显著降低土壤和稻谷中Cd、Pb的含量。加强灌溉处理可以减少Cd、Pb的迁移转化，提高土壤对重金属的固定能力。因此，在稻田污染修复和农作物安全生产中，合理的水分管理策略对减少重金属的污染具有重要意义。 参考文献（此处列举参考文献，按照论文写作规范格式书写）注意：本报告仅为示例，内容仅供参考，实际试验结果可能会有所不同。
