水稻籽粒積累鎘、砷關鍵生育期獲揭示

近日，南京農業大學資環學院教授汪鵬課題組揭示了水稻籽粒積累鎘、砷的關鍵生育時期。相關研究成果發表于《環境污染》。

農產品重金屬污染威脅人們健康，其中大米是鎘和無機砷攝入的主要來源。農田土壤中鎘、砷可以通過兩種途徑進入水稻籽粒：根系吸收、再分配轉運。然而，這兩種途徑以及水稻不同生育期所吸收的鎘、砷對最終收獲籽粒積累量的相對貢獻率尚不清楚。

針對這個問題，汪鵬課題組利用盆栽試驗，在水稻不同生育時期設置多種水分處理，調節土壤氧化還原狀況及孔隙水中鎘、砷含量，巧妙地通過數學模型評估了上述兩種途徑和水稻各生育時期對大米鎘、砷積累的相對貢獻率。

研究表明，在常規稻田水分管理條件下（從水稻營養生長階段的淹水至灌漿成熟中后期的排水，以及分蘗后期短暫排水），稻米鎘積累的關鍵時期是灌漿成熟期。該時期水稻根系從土壤中吸收的鎘貢獻了籽粒鎘的98%，而水稻營養生長階段莖葉所積累的鎘通過再分配轉運至籽粒的貢獻微乎其微。與鎘相反，稻米砷積累的關鍵時期是水稻營養生長至營養與生殖生長并進階段，該時期莖葉積累的砷在灌漿成熟期通過再分配轉運貢獻了籽粒砷的95%，其中分蘗、拔節、抽穗期各貢獻了20%~40%，而灌漿中后期從根系吸收的貢獻較小。

造成這個結果的一個重要原因是由于不同生育期土壤鎘、砷有效性的變化，在水稻灌漿中后期稻田排水會大幅度增加土壤鎘的有效性，而降低土壤砷的有效性。前期的研究還發現，在稻田排水氧化階段，不同土壤上鎘活化速率存在很大差異，主要受金屬硫化物之間的原電池效應和亞鐵介導的羥基自由基氧化效應所控制。

水稻不同生育時期對籽粒鎘、砷積累的貢獻差異為污染稻田安全生產提供了一種能同時阻控稻米鎘、砷積累的水分管理策略，即分段式水分管理。通過在水稻灌漿中后期盡可能淹水或推遲排水，能有效降低籽粒中鎘的積累，而在水稻分蘗至抽穗期，通過多排水或間歇式灌排水，能有效降低籽粒中砷的積累。

水稻不同生育時期對籽粒鎘、砷積累的貢獻差異解釋了許多田間現象。例如，為什么水稻灌漿期的水分處理對籽粒鎘含量的影響程度比對籽粒砷的影響程度大，而灌漿期前的水分管理對籽粒砷的影響程度大。也解釋了田塊尺度的小斜坡（農民為方便灌排水使稻田進水口的地勢比出水口的地勢高）會導致沿著進水口到出水口方向籽粒鎘含量存在高達6~7倍空間變異，主要原因是在水稻灌漿期，斜坡會導致土壤孔隙水中鎘含量的巨大空間變異，而斜坡對籽粒砷含量的影響較小。

以上研究結果加深了對稻田土壤鎘、砷生物地球化學過程的認識，對控制稻田排水后土壤鎘活化具有重要的指導意義。