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稻田镉污染如何调节降低?浅谈水稻对镉的吸收特性及有效治理措施

发布时间:2021-06-28

镉是人体非必需元素,对人体和动植物均有毒害作用。而水稻是主要粮食作物之一,加上水稻具有富集镉的习性,镉可以通过灌溉水或土壤富集到水稻的各个器官。稻米重金属污染已然成为发展安全绿色稻米的重要制约因子,针对此现状,近年来有关水稻镉污染的研究颇多,从栽种不同水稻品种、农艺措施调控以及重金属污染稻田修复等多方面着手,提出各种缓解镉污染的措施,但有效的重金属阻断措施仍较少。下面小编与大家聊聊水稻对镉的吸收特性及当前可有效治理镉污染的措施,以供参考。



一、水稻对镉的吸收特性
1、水稻对镉的吸收与转运规律

镉是水稻生长非必需元素,镉(Cd)主要借助铁(Fe)、锰(Mn)、锌(Zn)、硅(Si)和硒(Se)等必需元素的转运通道进入水稻植根系,并向上输送至水稻果实中。水稻转运镉主要包括4个步骤:根部吸收、木质部转运、跨维管束运输及韧皮部向籽粒迁移。

(1)根系吸收镉。水稻吸收镉的过程中,定位于根部皮层细胞外侧质膜上转运蛋白在转运锰、铁、锌的同时转运镉。

(2)木质部运载。土壤中的镉被水稻根系吸收后,通过木质部转运至地上部,并在叶片和茎秆中积累。



(3)跨维管束运输。维管束是控制镉转运和再分配的重要环节。有研究表明,叶片中镉的再转运贡献了稻米中近一半的镉积累量,这可能主要是由维管束介导的镉转运完成的。此外,进入维管束的金属离子可能是在蒸腾作用下随着质流向地上部分运输,因此蒸腾作用越强,镉通过木质部向地上部转运就越快、越多。

(4)韧皮部再迁移。镉由根系转运到地上部后,通过韧皮部运输将镉转运至稻米中,韧皮部镉运输能力决定了稻米中的镉积累水平。

总体而言,土壤中的镉被根系吸收后,通过木质部被转运至地上部,并在叶片和茎秆中积累。当水稻进行灌浆时,在茎节木质部中的镉被再转运至韧皮部,从而导致镉会被优先转运至上一个茎节中,并最终被转运至稻米中而非叶片中,叶片中的镉也会通过茎节中的韧皮部再转运至稻米中。



2、水稻不同器官对重金属镉元素的吸收

成熟期植株中镉的分布规律为根>茎>叶>米粒>谷壳,镉在水稻籽粒中的分布为皮层>胚>胚乳>颖壳,籽粒经过加工后,可有效去除重金属含量较多的胚、皮层和颖壳等器官,降低食用大米的重金属含量。从稻谷到精米,重金属镉的去除率为24.1%。

3、不同水稻品种对重金属镉的吸差异

不同水稻品种糙米的镉含量差异一般表现为:早稻>中稻>晚稻;籼稻>粳稻;粘稻>糯稻。但是,不同水稻品种间镉的吸收积累特性存在明显差异,高镉品种有较强的将镉从根转运到茎和从茎、叶转运到米的能力。因此,可通过种植低镉积累水稻品种来有效防治稻田镉污染。

4、农艺措施对水稻吸收重金属镉的影响

重金属在土壤中的移动受多种因素影响,如沉淀/再溶解,吸收/再吸收,以及与有机/无机配体形成复合物等,稻田环境如pH、Eh、土壤中其他元素含量、淹水时间、微生物等对重金属元素的形态和迁移也起重要影响。

(1)pH值。镉在碱性条件下移动性显著下降,添加碳酸钙、硅富集的矿渣可显著增加土壤pH值,降低土壤中重金属离子的可交换率,降低水稻籽粒中镉的积累。碱性粘土矿物因具有较大的表面积且在环境pH下,表面带负电,可吸附Cd 2+,降低植物对镉的吸收。

(2)水稻根表铁胶膜对重金属吸收具有重要影响,铁氧化物胶膜可作为一种缓冲液或障碍物,增加或降低可能的金属或类金属离子的吸收。



(3)施肥。施加动物肥可导致水稻籽粒中镉的聚集,且随施肥量的增加效果愈加显著。外源补充钙和硅(碳酸钙、硅酸钙)可通过抑制幼苗中过氧化损伤消除镉的毒害。在重金属复合污染条件下,叶面施用硅制剂(硅酸钠和正硅酸乙酯剂)可以缓解水稻的毒害效应,且施有机硅对水稻重金属毒害的缓解效果更显著。钙镁磷肥和过磷酸钙对降低水稻茎叶和糙米中镉含量的效果较好。

(4)长期淹水灌溉处理。纪雄辉等研究表明,长期淹水处理的水稻根系、茎叶和糙米中镉含量均极显著降低。沈欣等分析证明,长期淹水虽无直接降镉效果,但与土壤pH 值提高存在显著互作。

二、有效治理镉污染的措施

有关研究表明,通过施用磷灰石、石灰水稻秸秆、硅肥、富硒叶面肥、多羟基氨基酸螯合剂等土壤修复剂,以及采取适当的农艺措施(筛选和培育对重金属吸收较低的水稻品种,结合土壤pH 值调节和淹水灌溉等),可有效解决稻田重金属污染问题。下面小编向大家介绍3个综合治理重金属污染技术



1、红壤土镉砷污染农田的安全利用关键技术(广东省主推技术,适宜红壤区镉污染、砷污染及镉砷复合污染农田),实现中轻度污染稻田的低成本、高效率的达标生产(轻度可达90%,中度污染可达80%),其主要技术要点:

(1)运用抑制农产品镉砷积累的生理阻隔技术,主要通过使用硅溶胶、硒/硅溶胶产品,有效解决作物镉砷吸收转运阻控的难题。

(2)运用铁循环同步调控镉砷行为的新原理,发明了镉砷同步钝化技术,主要通过使用铁基生物炭、铁基腐殖质新产品,有效解决镉砷同步达标治理。

(3)运用铁/氮耦合的养分型钝化技术,以硝酸盐为调控稻田铁循环的纽带,主要通过使用两个新研制的养分型钝化剂产品,有效解决了重技术治疗与农业生产难以兼顾的技术难题。

2、镉/铅污染农田的农业综合修复技术(广东省主推技术,适宜中轻度镉/铅农田,主要用于水稻和叶类蔬菜),其主要技术要点:



(1)养分运筹技术:根据农田土壤肥力状况、镉/铅污染特点、种植作物品种及作物需肥特点,确定重金属修复肥配方及用量,进行基施或追肥。

(2)运用改良剂。结合土壤镉/铅有效性、pH值及土壤中微量元素含量情况,基施适宜的改良剂,部分可追施。

(3)选种对重金属镉/铅吸收较低的品种,播种或插秧同常规种植。

(4)综合农艺措施。对部分镉/铅污染程度相对较重且镉/铅活性较高的农田土壤,联合应用养分运筹、运用改良剂、低积累作物品种等技术。



3、稻田重金属污染“VIP+N技术模式”

选择低镉品种株两优819、株两优189等,施用适量生石灰、叶面阻控剂、微生物菌肥土壤调理剂及水分管理(全生育期淹水灌溉)等关键技术,但实践上,也受到一些因素制约,如低镉积累品种、季节性干旱严重等。从试验实践看,对于中轻度水稻镉污染治理,相对成熟有效。

综上,防治稻田镉等重金属污染需从源头出发,综合运用农艺措施,防止稻田过量镉进入水稻植株体及其籽粒。同时建议优化种植技术,以降低重金属污染风险。

参考资料:《水稻对镉的吸收与转运规律研究进展》敖明等人、《水稻对重金属的吸收特性及其影响因素》韩娟英等人、2019年广东省主推技术《红壤土镉砷污染农田的安全利用关键技术》和《镉/铅污染农田的农业综合修复技术》等

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