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综合降镉(VIP)技术对降低糙米镉含量的影响研究

时间:2018-01-11 13:17来源:《中国稻米》 , 2016 (1) :43-47 作者:王蜜安1,尹丽辉2,彭 点击:
以镉低积累型水稻品种湘晚籼12号为试验材料,采用随机区组设计,于2013年在长沙、衡南、湘潭和湘阴的12个试验点,比较了以VIP技术(V,Variety,选用低镉型水稻品种;I,Irrigation,优化水分管理;P,土壤pH值,施用石灰以提高土壤pH值)为主的5种控制技术在不
王蜜安1,尹丽辉2,彭建祥1,聂凌利1,李翊君1,何杰1,张文1,敖和军1
(1.湖南农业大学农学院,长沙 410128;
 2.湖南省农业资源与环境保护管理站,长沙 410005;) 
 
摘 要:以镉低积累型水稻品种湘晚籼12号为试验材料,采用随机区组设计,于2013年在长沙、衡南、湘潭和湘阴的12个试验点,比较了以VIP技术(V,Variety,选用低镉型水稻品种;I,Irrigation,优化水分管理;P,土壤pH值,施用石灰以提高土壤pH值)为主的5种控制技术在不同成土母质和土壤污染程度下的应用效果。结果表明,5种控制技术在各试验点的总效应中,以“VIP+Se”和“VIP+Se+Bi”的处理效果最为明显,其糙米镉含量均为0.15mg/kg,与对照相比降镉效果显著。
关键词:水稻;镉;VIP 技术;水分管理;pH;生石灰 
镉(Cadmium,Cd)是自然界一种很稀少且分布较分散的元素,它在陨石和地壳中的平均含量分别为2.4mg/kg和0.2mg/kg,也是一种主要的有害重金属,土壤和水体中都含有微量镉[1]。镉在环境中活性较强,不易降解,易发生生物累积,且在植物体内具有隐蔽性。水稻(Oryza sativa L)是一种镉积累能力较强的农作物[2],所以镉可通过水稻进入食物链,威胁消费者健康。近年来,由于工业“三废”排放,城市生活污水和垃圾以及农药、化肥的不合理使用,稻田土壤的重金属镉含量日益增加。据报道[3],2010年,我国受镉、铅、砷等重金属污染的土地面积已近2000万hm2,约占耕地总面积的五分之一。2012年,王静等[4]报道,全国镉严重污染土地已超过1.33万hm2。在镉污染农田中有5~10%的面积严重减产,并且所产各类粮食均不宜食用[5-6],这严重影响到我国的稻米数量和质量安全。根据国家标准GB 2762-2012《食品中污染物限量》规定,稻米中镉含量不得超过0.2mg/kg,但据调查,稻米镉超标现象在我国各地均有发生,尤其是在湖南、广东、广西、福建、浙江等省份,超标率约在5~15%[2]。因此,如何控制水稻镉污染并实现其安全生产已经成为一个非常重要的课题。
目前,国内外应对稻米镉污染的方法有很多,有以客土和淋洗等方法为主的物理措施,有以往土壤中施加改良剂为主的化学措施,也有以分子育种和生物修复为主的生物措施,以及以改善栽培方式为主的农业措施和生态措施。从控制的程序来分大致可归为三类:第一是从源头修复治理被镉污染的土壤;第二是从水稻品种入手,筛选镉低积累型的水稻品种;第三是通过加工技术降低稻米及其产品的镉含量。
本课题组自2010年起,先后开展了低镉型水稻品种的筛选、水分管理的优化、生石灰的施用等技术措施对水稻吸收与累积镉影响的研究,发现这些技术措施能降低镉在水稻植株体内的富集与籽粒中的积累,并综合提出了以VIP为核心的综合降镉技术体系(V,Va-riety,选用低镉型水稻品种;I,Irrigation,优化水分管理;P,土壤pH,施用石灰以提高土壤pH)。于2013年通过了湖南省科技厅组织的成果鉴定(湘科成登字第:943Y2013055号)。为了研究VIP技术在不同条件下的适应性,笔者在湖南省内多个镉污染区进行了小区联合试验研究。
 
1 材料与方法
1.1 试验材料
湘晚籼12号:系湖南省水稻研究所选育的1个中熟偏早晚籼优质新品种。该品种具有米质优、高产稳产,抗逆性好,适应性广等优点。2001年通过湖南省农作物品种审定委员会审定,2003年通过国家农作物品种审定委员会审定[7]。
1.2 试验地及土壤情况
试验地的成土母质及土壤背景全镉含量见表1。
1.3 试验处理
试验处理及主要内容见表2。
1.4 试验设计
随机区组试验设计,3次重复,小区面积为30m2。6月中下旬播种,采用常规水育秧,秧龄25~30d,移栽秧龄5.5~6.5叶期,移栽规格20cm×20cm,壮苗带泥栽植;采用人工除草,不使用化学除草剂;小区间留走道和灌排水沟,小区间作埂,分小区单排单灌;按当地病虫害情报进行防治,用足水量,不打高浓度药剂,比常规大田管理要多打几次药;施肥量及其他栽培管理技术措施参考当地标准
1.5 VIP技术的操作规程
(1)石灰的施用:分蘖末期每667m2施用生石灰60kg,拌泥土60kg施用(施用石灰时遮住对照区)。
(2)水分管理:长期保持田间有浅水层,不晒田,直至收割前7d左右,自然落干。
(3)生物菌肥的施用:每667m2施用75kg生物菌肥,于移栽前作基肥施用。
(4)硒肥的施用:在始穗期和籽粒灌浆初期进行2次叶面喷施富硒营养调理液,每次每667m2用量为5g,对水30kg,选择晴天下午进行细喷雾。
1.6 观察记载项目
1.6.1 土壤取样
移栽前在每个试验点的试验田内随机取3个样品。
1.6.2 成熟期植株取样
每小区取5丛,齐泥割取,写好标签,每个样品单独装袋。
1.6.3 稻株样品处理及镉含量测定
取样后,分成稻草和实粒两部分,用105℃杀青30min,75℃条件下用烘箱烘干后再用粉碎机粉碎。镉含量的测定利用原子吸收分光光度计,根据GB/T5009.15-2003的测定方法测定水稻糙米中镉的含量。
1.7 数据处理
采用Excel2003和SAS9.0统计分析软件进行数据处理。多重比较采用LSD法。
 
2 试验结果与分析
2.1 各因素对米镉含量的影响
从表3可见,3种成土母质之间、3种污染程度之间、6种处理之间以及成土母质和污染程度组合之间均存在极显著差异,而其他组合效应之间无显著性差异。
2.2 不同控制技术对降低稻米镉含量的影响
从表4可见,T1处理糙米中镉含量最高,为0.22mg/kg。T5和T6的处理效果较好,糙米中镉含量最低,均为0.15mg/kg,比对照降低了32%。T2、T3和T4处理相比对照降低幅度依次为9%、23%和14%。其中,T3、T5、T6与T1处理差异显著,T5、T6处理与T1、T2、T4处理差异显著,说明5种控制技术都有降低稻米中镉含量的作用,其中以T5和T6处理效果较好。
表3 各因素对糙米Cd含量影响的方差分析结果
效应 自由度 F值 Pr>F
成土母质 3 16.83 <0.0001
污染程度 2 25.17 <0.0001
成土母质×污染程度 6 5.29 <0.0001
处理 5 5.14 0.0002
成土母质×处理 15 0.47 0.9526
污染程度×处理 10 1.29 0.2419
成土母质×污染程度×处理 30 0.49 0.9877
 
 
表4 5种控制技术对降低糙米Cd含量的影响(mg/kg) 
处理 糙米Cd浓度
T1 0.22a
T2 0.20ab
T3 0.17bc
T4 0.19ab
T5 0.15c
T6 0.15c
 
同列数据后不同小写字母表示在0.05水平差异显著。下同。
表5 在对照处理下不同试验点糙米Cd含量的比较(mg/kg)
序号 地点 成土母质 污染程度 Cd含量
1 长沙县(CS) 板页岩 轻度 0.18def
2 中度 0.20cdef
3 重度 0.17def
4 衡南县(HN) 第四纪红壤 轻度 0.24bcde
5 中度 0.41a
6 重度 0.20cdef
7 湘潭县(XT) 紫色砂 轻度 0.09f
8 中度 0.30abc
9 重度 0.14ef
10 湘阴县(XY) 冲积土 轻度 0.15def
11 中度 0.34ab
12 重度 0.26bcd
 
 
2.3 不同试验点稻米镉含量差异比较
从表5可见,试验点HN5的糙米中镉含量最高,达0.41mg/kg,除XT8和XY11试验点外,与其他地点均存在显著性差异;试验点XT7的糙米中镉含量最低,为0.09mg/kg,与部分试验点之间存在显著差异。说明在不使用任何控制技术情况下,稻米吸收镉含量在地点间有很大差异,即跟试验点的成土母质和土壤污染程度有关。从总体上来看,4个地区都以土壤中度污染条件下糙米镉含量最高,长沙和衡南两地以土壤重度污染条件下糙米镉含量最低,湘潭和湘阴则以土壤轻度污染条件下糙米镉含量最低。
2.4 不同试验点各控制技术对降低稻米镉含量的比较效应 
从表6可见,长沙3和T3组合对降低糙米中镉含量效果最明显,仅为0.08mg/kg,而衡南5和T1组合的处理效果最差,糙米中镉含量高达0.41mg/kg,两者相差0.33mg/kg。说明所有组合中以VIP控制技术在成土母质为板页岩的高度污染土壤条件下处理效果最好,而对照在成土母质为第四纪的中度污染条件下效果最差,其他组合介于两者之间。
2.5 相同试验点不同控制技术处理对降低稻米镉含量的影响
由表6可以看出,不同控制技术在相同试验点对降低稻米中镉含量具有差异性。在长沙县成土母质为板页岩条件下,无论土壤背景全镉含量的高低,各处理相对于对照均没有显著性差异,说明各控制技术在成土母质为板页岩的地区使用效果并不明显。但各试验点糙米中镉含量大都低于0.2mg/kg,说明长沙县3个试验点的稻米镉污染程度并不严重。
衡南县成土母质为第四纪红壤,在土壤轻度污染条件下,各种控制技术相对于对照虽有降低稻米中镉含量的效果,但差异均不显著;在中度污染条件下,各处理具有降低稻米镉含量的趋势,但只有T5、T6处理与对照差异显著;在重度污染条件下,除T2处理外,其他处理的镉含量均低于T1处理,但与T1处理无显著性差异,说明各种控制技术在轻度和重度污染的土壤条件下、成土母质为第四纪红壤地区的处理效果不明显,且生物菌肥Bi的施用反而可能增加稻米中的镉含量。
湘潭县成土母质为紫色砂,在土壤轻度和重度污染条件下,各种控制技术处理后反而有增加糙米中镉含量的趋势,但差异都不显著,说明此技术不适用于这2个试验点;而在中度污染条件下,5种处理相对于对照都降低了糙米中镉含量,且除T2处理外,均有显著性差异,其中以T5处理效果最好。
在湘阴县成土母质为冲积土,土壤轻度和重度污染条件下,各处理与T1处理均无显著差异,虽然有降低糙米镉含量的趋势,但VIP等控制技术的使用效果并不明显;在中度污染条件下,各处理镉含量都低于对照,且T5、T6处理与T1处理差异显著,其中以T5处理效果最佳。
2.6 相同控制技术在不同污染程度条件下对降低稻米镉含量的影响
由表7可以看出,各处理在不同污染程度的土壤中进行,糙米中积累的镉含量也具有差异。各处理在土壤中度污染条件下都表现为糙米镉含量最高,在土壤轻度污染条件下都表现为糙米镉含量最低,在重度污染条件下位于两者之间。总体上,各控制技术相对对照均在一定程度降低了糙米镉含量。在轻度污染的土壤条件下,以VIP为主的控制技术虽降低了糙米镉浓度,但相互之间的作用效果基本无差异;在中度和重度污染的土壤条件下,以T5和T6处理的作用效果较好。
2.7 相同控制技术处理在不同成土母质条件下对降低稻米镉含量的影响
表8表明,相同的处理条件下,成土母质不同,降低糙米中镉浓度的作用效果也不同。T1和T5处理条件下,以在板页岩和紫色砂进行的作用效果最好,冲积土次之,第四纪红壤效果最差;T2处理条件下,作用效果从高至低依次为板页岩、紫色砂、冲积土、第四纪红壤;T3处理条件下,作用效果从高至低依次为板页岩、紫色砂、冲积土、第四纪红壤;T4处理条件下,作用效果从高至低依次为板页岩、冲积土、紫色砂、第四纪红壤;T6处理条件下,作用效果从高至低依次为板页岩、紫色砂、第四纪红壤、冲积土。
综上可知,相同处理不同成土母质条件下,糙米中镉浓度存在很大差异,各处理均以在板页岩为成土母质的作用效果最好,以第四纪红壤为成土母质的作用效果最差。土壤的成土母质跟VIP等控制技术作用效果密切相关,如往不同成土母质的土壤中施加石灰,作用效果不同,其作用机理有待进一步探讨。
 
3 小结与讨论
本试验结果表明,5种控制技术都有降低稻米中镉含量的作用,其中,生物菌肥Bi的处理与对照无明显差异,“VIP+Se”或“VIP+Se+Bi”处理效果最好,这两种技术的优劣有待进一步讨论。
在不使用任何控制措施情况下,稻米吸收镉多少在不同地点间有很大差异,即跟试验点的成土母质和土壤背景全镉含量有关。根据各地点的糙米镉积累情况,可为低镉水稻生产地点的选择提供依据。但这种作用仍需从机理上进一步证实。
不同试验点与各控制技术组合对降低稻米镉含量的比较效应表明,以VIP控制技术在成土母质为板页岩的高污染土壤条件下组合处理效果最好,而对照处理在成土母质为第四纪的中度污染土壤条件下处理效果最差,其他各组合介于两者之间。
相同试验点不同控制技术处理对降低稻米镉含量的影响不同。在长沙县3个试验点的稻米镉污染不是十分严重,大都低于0.2mg/kg,但各种控制技术的使用效果不明显;在衡南、湘潭和湘阴土壤为轻度和重度污染条件下,各种控制技术虽有降低糙米中镉含量的趋势,但差异都不明显,故不适用于这些试验点;在衡南中度污染条件下,“VIP+Se”和“VIP+Se+Bi”技术的处理效果为好,且单独施用生物菌肥Bi反而有增加糙米中镉含量的作用;在湘阴土壤中度污染条件下,“VIP+Se”和“VIP+Se+Bi”技术与对照相比有显著差异,但以“VIP+Se”技术的效果最佳。综合可知,“VIP+Se”技术对降低糙米镉含量的作用较为明显,但这也得视不同成土母质和土壤污染程度而定。“VIP+n”模式的处理效果有待进一步研究,生物菌肥Bi的作用也有待进一步证实。
各控制技术在不同污染程度的土壤中进行,糙米中积累的镉含量也不同。各处理在土壤中度污染条件下都表现为糙米镉含量最高,在土壤轻度污染条件下都表现为糙米镉含量最低,在重度污染条件下位于两者之间。土壤镉污染程度如何影响VIP等控制技术的发挥仍需探讨。
相同处理不同成土母质条件下,糙米中镉含量存在很大差异,其中各处理均以板页岩为成土母质的作用效果最好,大都以第四纪红壤为成土母质的作用效果最差。成土母质如何影响VIP等控制技术的作用有待进一步讨论。
 
参考文献
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[2] 魏益民,魏帅,郭波莉,等.含镉稻米的分布及治理技术概述[J].食品科学技术学报,2013,31(2):1~6.
[3] 李雪林,张晓燕.中国1/5耕地受重金属污染土壤污染法正酝酿[J].资源与人居环境,2010(5):50.
[4] 王静,林春野,陈瑜琦,等.中国村镇耕地污染现状原因及对策分析[J].中国土地科学,2012,26(2):25~30.
[5] 贺慧,陈灿,郑华斌,等.不同基因型水稻镉吸收差异及镉对水稻的影响研究进展[J].作物研究,2014,28(2):211~215.
[6] 唐绍清.稻米蒸煮和营养品质性状的QTL定位[D].杭州:浙江大学,2007.
[7] 曾翔,张玉柱,王凯荣,等.不同品种水稻糙米含镉量差异[J].生态与农村环境学报,2006,22(1):67~69.

(责任编辑:lsgy100)
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