控源及改良措施对稻田土壤和水稻镉累积的影响

为研究稻草移除/还田、截断大气沉降、清洁水灌溉和石灰调控等途径对土壤和水稻镉(Cd)累积的影响,于2016年4~10月在湘潭、醴陵和株洲选择典型Cd污染稻田开展田间小区综合试验.结果表明,各处理对土壤Cd总量无显著影响.石灰调控下土壤pH平均提高了0.87个单位,土壤中有效态Cd含量平均降低了33.7%,水稻根、茎叶和糙米Cd积累量分别降低了47.9%、46.7%和54.8%,水稻根、茎叶和糙米Cd富集系数均显著低于对照;清洁水灌溉和截断大气沉降对土壤pH的影响整体略呈上升趋势,分别上升了0.44和0.49个单位,土壤有效Cd含量分别降低了18.2%和14.5%,水稻根、茎叶和糙米Cd积累量比对照分别降低了32.6%、24.2%、18.0%和17.6%、11.3%、25.4%.然而,稻草还田对晚稻土壤pH影响情况不明显,但土壤中有效态Cd含量上升了6.1%,水稻植株Cd积累量也整体呈上升趋势.上述研究结果表明,通过施用灌溉清洁水和截断大气沉降源、稻草移除、石灰等措施可以确保中轻度Cd污染稻田水稻安全利用.     

钙镁磷肥对石灰、海泡石组配修复镉污染稻田土壤的影响

改良剂组配(例如羟基磷灰石和沸石)可有效降低土壤中重金属的生物有效性,抑制水稻对重金属的积累,从而提高农产品的安全水平.本文通过田间试验,研究钙镁磷肥施用对石灰、海泡石组配降低稻田土壤有效态Cd含量、水稻各部分中Cd含量的影响.结果表明,施用钙镁磷肥可显著促进石灰、海泡石组配的钝化修复效果.与石灰、海泡石组配处理相比,施用钙镁磷肥,土壤中有效态Cd含量和糙米中Cd含量显著降低,在施用2 250 kg·hm~(-2)钙镁磷肥的条件下,土壤中Cd~(2+)发生沉淀或络合反应生成难溶性磷酸镉而降低土壤酸可提取态、可还原态和可氧化态Cd的占比,土壤中有效态Cd含量显著(P0.05)降低46.97%,糙米中Cd含量降低至0.04 mg·kg~(-1),低于《食品安全国家标准》(GB 2762-2017)中糙米镉限量(0.2 mg·kg~(-1))标准,且糙米产量增加28.34%.相关性分析结果表明,水稻根、茎叶和糙米中Cd含量与土壤中有效态Cd含量,水稻糙米中Cd含量与根和茎叶中Cd含量呈极显著正相关关系(P0.01),土壤有效态Cd含量是影响水稻糙米中Cd含量的关键性因素,钙镁磷肥可提高石灰与海泡石对土壤中有效态Cd降低效果来减少水稻根和茎叶对Cd的吸收,进而降低糙米中Cd含量.上述结果表明,施用钙镁磷肥提高了石灰、海泡石组配降低糙米中Cd含量的效果,可实现Cd污染稻田水稻安全生产和增产.     

秸秆及生物炭添加对猪粪沼渣施肥水稻重金属积累的影响

秸秆还田在重金属污染稻田中被广泛应用并日益推广,其对土壤中重金属生物有效性和水稻重金属吸收积累产生的影响不容忽视.本研究选用因连续10年以上施用生猪沼渣沼液而导致重金属超标的水稻土,通过盆栽试验研究了不同的秸秆还田方式(直接还田或生物炭还田)与用量(0、1%、2%、4%和8%)对水稻重金属吸收积累的影响.结果表明,长期施用沼渣沼液可导致土壤重金属富集,其中,铜(Cu)、锌(Zn)和镉(Cd)含量高于国家土壤环境质量二级标准;秸秆或生物炭添加提高了水稻根或茎叶中重金属的截留,降低了籽粒中的积累;秸秆还田对于水稻Cu的吸收积累控制效果显著,添加1%、2%、4%和8%的秸秆分别使糙米中的Cu含量降低了35%、51%、64%和71%;生物炭添加对于控制水稻Cd的吸收积累效果显著,1%、2%、4%和8%生物炭添加量分别使水稻Cd的积累降低了21%、33%、36%和35%.对于Zn的吸收积累,两种还田方式均具有显著的控制效果;但在As污染稻田,秸秆直接还田应慎重,因为秸秆添加可显著提高糙米中As的积累.通过对比不同的秸秆还田量对控制糙米中重金属积累的效果,同时考虑该区域重金属的污染状况和还田成本,推荐在该施肥区域实施2%的秸秆直接还田.该研究将为水稻安全生产与农业废弃物循环利用提供理论与实践指导.     

复合改良剂对Cd污染稻田早晚稻产地修复效果

选取湖南省长沙市北山镇某中重度Cd污染稻田,连续种植早晚两季水稻,研究复合改良剂(石灰石+硅藻土+硫酸铁)对稻田土壤重金属Cd的生物有效性和水稻各部位累积Cd的影响.结果表明,施用复合改良剂提高了早、晚稻土壤pH值、CEC值,降低了早稻土壤中有机质含量(OM值).Cd的TCLP提取态与交换态Cd含量分别降低了18.0%~33.0%、5.4%~57.9%,但对晚稻土壤中Cd的2种提取态含量与OM值影响不显著.施用复合改良剂显著降低早稻糙米、谷壳、茎叶、根系中的Cd含量,分别降低了29.6%~56.1%、52.1%~54.0%、18.1%~80.7%、24.4%~41.6%.早稻与晚稻之间对Cd的转运能力呈现明显差异,Cd在晚稻植株体内的转运过程更为通畅.晚稻除谷壳中的Cd含量在2 g·kg~(-1)的添加量下有所上升外,复合改良剂对水稻各部位Cd含量影响不显著(P0.05).糙米中Cd含量与土壤中TCLP可提取态含量和Cd的交换态含量存在显著正相关关系.复合改良剂有效地抑制了早稻植株对土壤中Cd的吸收,糙米中的Cd含量显著降低;晚稻期间复合改良剂随水分流失,不能持续地固化土壤中的Cd,建议在各季稻之间补加一次.     

外源锌对水稻各部位镉吸收与累积的拮抗效应

为探明外源锌(Zn)对镉(Cd)污染稻田系统Cd吸收累积的影响,采用盆栽试验,向轻度(Cd含量为0.50 mg·kg~(-1))和中度(Cd含量为1.50 mg·kg~(-1))Cd污染土壤中施用不同浓度的外源Zn,研究Zn对土壤、水稻根表铁膜和水稻各部位中Cd、Zn含量变化的影响,探讨外源Zn对Cd污染稻田系统Cd吸收累积的交互作用.结果表明,在2种Cd污染土壤中,施用外源Zn显著降低了湘晚籼12糙米Cd含量,降低幅度为13.4%～78.4%;在轻度Cd污染土壤中,施用外源Zn显著降低了威优46糙米Cd含量,降低幅度为14.7%～79.8%,而在中度Cd污染土壤中,当外源Zn浓度超过40 mg·kg~(-1)将增加威优46糙米Cd含量;在2种Cd污染土壤下均显著增加2种水稻根表铁膜数量,分别增加14.7%～85.9%、5.8%～61.2%;但对土壤交换态Cd含量无显著影响.在2种Cd污染土壤中,2种水稻各部位Cd/Zn比值与Cd含量正线性相关,且各部位Cd/Zn比值呈下降趋势,2种水稻糙米、茎叶间Cd-Zn拮抗作用显著.轻度Cd污染土壤中,施加外源Zn可以降低湘晚籼12和威优46糙米中的Cd含量;中度Cd污染土壤中,外源Zn仍然可以降低湘晚籼12糙米Cd含量,而当外源Zn施加量高于40 mg·kg~(-1)时将增加威优46糙米的Cd含量.     

基施硅肥对土壤镉生物有效性及水稻镉累积效应的影响

为研究硅肥对土壤Cd生物有效性以及水稻累积重金属Cd的影响,模拟土壤低Cd污染水平(Cd总量为0.72mg·kg~(-1))和土壤高Cd污染水平下(Cd总量为5.08 mg·kg~(-1)),土壤基施0、15、30、60 mg·kg~(-1)的硅肥,进行水稻盆栽种植实验.结果表明,施用15~60 mg·kg~(-1)硅肥能提升水稻各生育期土壤的pH值,降低土壤交换态Cd含量和TCLP提取态Cd含量24.2%~43.7%,12.7%~46.8%,土壤中Si能与Cd形成Si-Cd复合物,降低土壤Cd的生物有效性,且降低效果在土壤低Cd污染水平时优于高Cd污染水平.硅肥提升水稻地上部的生物量尤其是产量.土壤低Cd污染水平下,Si对土壤Cd向水稻地上部的转运有促进和阻碍两种作用,施用量过低(Si 15 mg·kg~(-1))或过高(Si 60 mg·kg~(-1))时均促进土壤Cd向水稻地上部转运,施用量为30 mg·kg~(-1)时则阻碍Cd向上转运.随着Si施用量的增大,糙米Cd含量先上升后下降,范围为0.07~0.15 mg·kg~(-1),均低于0.2 mg·kg~(-1).土壤高Cd污染水平下,Si阻碍Cd向水稻地上部的转运,糙米、谷壳、茎叶的Cd含量分别降低38.7%~48.5%、35.7%~70.7%、30.9%~40.7%,糙米Cd含量范围0.23~0.28 mg·kg~(-1).综合考虑产量和糙米Cd含量,土壤低Cd污染水平下,建议施用30 mg·kg~(-1)的Si;高Cd污染水平下,建议施用Si 15~60 mg·kg~(-1).     

不同有机物料对水稻根表铁膜及砷镉吸收转运的影响

通过盆栽试验研究了油菜秸秆、蚕豆秸秆、泥炭、猪粪堆肥和生物炭这5种有机物料对贵州石灰岩黄壤区某砷（As）和镉（Cd）复合污染稻田土壤As/Cd有效性、水稻根表铁膜及As/Cd吸收转运的影响.结果表明,施用有机物料显著提高了有机质和水稻生物量;除油菜秸秆对土壤pH值影响不明显外,施用有机物料显著提高土壤pH值,使土壤有效Cd含量降低34.77%~82.69%;猪粪堆肥和生物炭使土壤有效As含量显著提高,油菜秸秆和泥炭处理使土壤有效As含量显著降低;施用有机物料有助于水稻根表铁膜的形成,并使其中Cd、As含量分别提高17.73%~151.03%和28.49%~94.86%,使水稻糙米Cd含量降低15.87%~79.45%,As含量降低27.04%~82.51%,降幅以生物炭处理最大;有机物料还显著降低Cd在根-茎-叶-籽粒的转运系数及As从茎向籽粒转运系数.相关分析表明,土壤pH、有效Cd和铁膜Cd含量是影响籽粒Cd累积的主要因素,土壤pH、有机质和铁膜As含量是影响籽粒As累积的主要因素.有机物料通过改变土壤pH、有机质含量及铁膜中As和Cd含量,影响水稻对As和Cd的吸收和转运.     

颗粒有机质对水稻镉吸收及转运的影响

采用盆栽试验,通过测定不同颗粒有机质(POM)添加量下土壤、POM中有机碳(POM-C)和Cd(POM-Cd)含量及水稻各部位Cd含量,研究了POM对紫色水稻土水稻镉吸收的影响及机制.结果表明:添加POM提高了土壤有机碳(SOC)、溶解性有机碳(DOC)、POM-C、POM-Cd、POM对Cd的富集系数和土壤有效Cd含量,在POM添加量达2. 5 g·kg~(-1)时可显著提高土壤POM-C和POM-Cd比例.添加POM提高了水稻植株生物量及Cd在水稻植株中的总累积量,但使水稻根Cd含量降低24%～42%,茎叶Cd含量提高9%～30%,籽粒Cd含量在POM添加量为0. 5 g·kg~(-1)和1. 0 g·kg~(-1)时分别降低了17%和36%,添加量为2. 5 g·kg~(-1)时提高了39%.添加POM对Cd在水稻根和茎叶中的分配不显著,但POM添加量较少时可抑制Cd从水稻茎叶向籽粒转运,POM添加达到一定量时,促进Cd从茎叶向籽粒转运,最终提高籽粒中Cd含量.相关分析结果表明,土壤有效Cd是影响茎叶Cd累积的主要因素,POM-Cd总量是影响籽粒中Cd累积的主要因素.因此,添加POM可通过改变土壤SOC、DOC、POM-C、POM-Cd及有效镉含量,影响水稻对Cd的吸收.     

外源锌刺激下水稻对土壤镉的累积效应

采用水稻盆栽实验研究不同含量外源Zn对模拟Cd中度污染和重度污染土壤中水稻低累积品种湘晚籼12和高累积品种威优46水稻各部位累积Cd的影响.结果表明,在Cd中度污染水平,外源Zn分别增大2种水稻各部位Cd含量,湘晚籼12和威优46糙米Cd含量分别增加125.0%~275.0%和6.6%~91.2%,但各处理糙米Cd含量不高于0.2 mg·kg~(-1);在Cd重度污染水平,外源Zn有降低水稻各部位中Cd含量的作用,湘晚籼12和威优46糙米Cd含量相应降低了16.6%~63.5%和15.6%~74.4%,且威优46糙米Cd含量随外源Zn施用含量的增大而逐渐降低,使得糙米中Cd含量低于0.2 mg·kg~(-1).水稻糙米累积Cd含量与土壤中Cd、Zn交换态含量的相关关系,因Cd污染程度和水稻品种的不同而不同.在Cd中度污染水平,湘晚籼12水稻糙米Cd含量与土壤中交换态Zn含量正线性相关,而威优46水稻糙米Cd含量与土壤中交换态Cd和Zn含量正线性相关;在Cd重度污染水平,威优46水稻糙米Cd含量与土壤中交换态Cd和Zn含量为负线性相关.在不造成土壤Zn污染的前提下,可向Cd重度污染土壤施用一定量的Zn肥,以降低糙米Cd含量,提高糙米品质.     

改良剂连续施用对农田水稻Cd吸收的影响

通过连续2a田间试验,研究了在Cd重度污染土壤上施用有机肥、石灰、石灰与有机肥配施1a后,第2a连续施用和不再施用改良剂对稻田土壤有效态Cd含量和水稻Cd吸收的影响.结果表明,有机肥、石灰单施及石灰与有机肥配施均能显著提高稻田土壤pH值,降低土壤中有效态Cd含量和水稻各部位Cd含量,第1a有机肥、石灰、石灰与有机肥配施处理的糙米中Cd含量较对照分别显著降低35.9%、69.2%和65.4%.与对照相比,第2a连续施用有机肥、石灰及石灰与有机肥配施处理下,稻田土壤pH值分别显著升高0.27、0.57和1.05个单位,土壤有效态Cd分别显著降低26.6%、29.7%和59.4%;糙米中Cd含量较对照分别显著降低63.1%、79.5%和83.6%,其中,第2a连续石灰与有机肥配施处理下糙米中Cd含量为0.20mg/kg,达到《食品安全国家标准食品中污染物限量》（GB2762-2017）中糙米限量值.第2a不再施用有机肥、石灰及石灰与有机肥配施处理的糙米中Cd含量较对照分别显著降低49.2%、69.7%和75.4%.双因素方差分析结果表明其值与连续施用改良剂的处理无显著性差异.上述结果表明,石灰与有机肥配施可有效降低污染稻田土壤中有效态Cd含量和水稻Cd含量,施加后一年内可不施或减少改良剂施用量.     

紫云英还田配施石灰对水稻镉吸收转运的影响

采用田间小区试验, 研究了紫云英(CMV)与石灰(L)单施及两者配施(CMVL)对土壤Cd有效性、水稻根表胶膜及Cd吸收转运的影响.结果表明: L与CMVL处理土壤pH值分别显著提高2.11~2.43和1.68~2.48个单位、二乙烯三胺五乙酸提取态(DTPA-Cd)含量分别显著降低18.88%~40.53%和20.74%~36.85%, 而CMV处理对其无显著影响.CMV处理水稻成熟期根表胶膜Cd吸附量(DCB-Cd)显著提高86.72%, 根Cd吸收显著增加124.27%, Cd由叶向米的转运系数提高5.58倍, 稻米Cd含量显著增加58.54%. L和CMVL处理成熟期DCB-Cd含量分别显著降低34.86%和42.42%, Cd由根表胶膜向根的转运系统分别显著提高170.6%和158.8%、Cd由根向茎的转运系数分别显著降低75.87%和74.71%、Cd由根向米的转运系数分别显著降低74.38%和68.13%, 稻米Cd含量分别显著降低54.88%和51.83%.土壤pH值、DTPA-Cd和DCB-Cd含量是影响稻米Cd含量的主要因素.在镉污染稻田施用紫云英时, 建议配施石灰可达到显著降低稻米Cd的效果.     

施硅对水稻铁膜砷固定和体内砷转运的影响

水稻铁膜对砷(As)的固定及其体内As的转运深刻影响着糙米中As的累积.施硅(Si)能够抑制水稻对As的累积,然而,施Si如何调控铁膜对As的固定和水稻各部位的As向糙米的转运,相关机制目前尚未十分清楚.以As超标土壤中的水稻铁膜为研究对象,通过开展不同Si处理水平的土壤盆栽试验,研究施Si对水稻根表铁膜固定As和各组织器官中As向糙米转运的影响及作用机制.结果表明,Si2(0.66 g·kg^-1)处理显著提高了水稻根系CAT(1.81倍)、SOD(7.98倍)和POD(1.25倍)酶活性,增加了铁膜中的DCB-Fe含量(44.35%),提高了铁膜的表面粗糙度(108.91%),导致铁膜的DCB-As含量明显升高(88.32%);而且,Si2处理显著增加了水稻根中As的累积率,降低了根和叶对As的转运能力,最终导致糙米中As含量的显著降低(53.12%).施Si增强水稻根表铁膜对As固定的原因可归结于Si促进铁膜的形成和增大铁膜的表面粗糙度,而施Si抑制根和叶中As向糙米的转运则可能与Si竞争水稻体内As的转运蛋白,促进As-巯基络合物形成以及增强As液泡区隔化等...     

碱性废弃物及添加锌肥对污染土壤镉生物有效性的影响及机制

采用盆栽方法,以石灰作对比研究了2种碱性废弃物(纸厂滤泥和赤泥)及添加锌肥对酸性镉污染稻田土壤的修复效应及其相关机制,同时利用大田试验进行了验证.结果表明,盆栽条件下施用石灰、纸厂滤泥和赤泥(2 g·kg^-1)后土壤 pH显著提高,在淹水平衡7 d和水稻移栽后30 d时土壤交换性钙含量显著高于不施的对照,增幅分别为33.1%～76.0%和31.0%～78.3%,同时土壤有效态镉含量显著降低,淹水平衡7 d时降幅为38.4%～45.0%,水稻移栽后30 d和60 d时降幅分别为37.4%～52.9%和33.2%～38.7%,水稻根系和糙米镉含量显著降低,降幅分别为24.0%～48.5%和26.3%～44.7%.等量碱性物质对提高土壤 pH和降低水稻镉累积的效果为石灰＞赤泥＞纸厂滤泥.纸厂滤泥和赤泥添加锌肥(0.2 g·kg^-1)对降低水稻镉累积的效果均比两者单施更明显.大田试验结果趋势基本相同,施入不同量的纸厂滤泥、赤泥及与锌肥配施后两季作物镉累积量显著减少,当季水稻糙米和第二季油菜籽粒镉含量分别较对照降低了27.1%～65.1%和16.4%～41.6%,糙米镉含量基本达到国家粮食卫生标准(GB 2715-2005).因此,对于中轻度酸性镉污染稻田土壤,利用纸厂滤泥、赤泥及与锌肥配合施用是一种可行的修复方法,通过构建与土壤镉污染程度等特征相适应的碱性废弃物用量与锌肥配施比例,可确保稻米质量安全.     

Generation of low-cadmium rice germplasms via knockout of OsLCD using CRISPR/Cas9

The OsLCD gene, which has been implicated in cadmium (Cd) accumulation in rice, might be a useful target for CRISPR/Cas9 editing. However, the effects of OsLCD gene editing on Cd accumulation, plant growth, and yield traits remain unknown. Here, we used CRISPR/Cas9 to generate oslcd single mutants from indica and japonica rice cultivars. We also generated osnramp5 single mutants and oslcd osnramp5 double mutants in the indica background. When grown in Cd-contaminated paddy soils, all oslcd single mutants accumulated less Cd than the wild types (WTs). Consistent with this, oslcd single mutants grown in Cd-contaminated hydroponic culture accumulated significantly less Cd in the shoots as compared to WTs. This decrease in accumulation probably resulted from the reduction of Cd translocation under Cd stress. Oxidative damage also decreased, and plant growth increased in all oslcd single mutant seedlings as compared to WTs in the presence of Cd. Plant growth and most yield traits, as well essential element concentrations in rice seedling shoots, brown rice, and rice straw, were similar between oslcd single mutants and WTs. In the presence of Cd, Cd concentrations in the brown rice and shoots of oslcd osnramp5 double mutants were significantly decreased compared with WTs as well as osnramp single mutants. Our results suggested that OsLCD knockout may reduce Cd accumulation alone or in combination with other knockout mutations in a variety of rice genotypes; unlike OsNramp5 mutations, OsLCD knockout did not reduce essential element contents. Therefore, OsLCD knockout might be used to generate low-Cd rice germplasms.     

不同结构改良剂对铜镉污染土壤水稻生长和重金属吸收的影响

本研究以铜（Cu）、镉（Cd）污染水稻土为对象,通过水稻盆栽试验研究聚丙烯酸（PAA）、聚丙烯酰胺（PAM）、聚乙烯醇（PVA）和腐殖酸（HA）这4种结构改良剂对水稻生长和重金属吸收的影响.结果表明,与对照处理相比,施用结构改良剂处理水稻株高和秸秆重分别增加了7.34%~22.0%和10.0%~32.2%,结构改良剂用量越高,增幅越大.施用0.4%的结构改良剂对水稻有一定的减产效应,籽粒重比对照处理降低了6.70%~32.6%.施用结构改良剂对土壤pH值无影响,但显著降低了土壤有效态Cu （5.38%~39.7%）和Cd含量（6.98%~59.6%）,水稻根、秸秆和稻米中Cu含量分别降低了0.88%~27.2%、8.50%~45.2%和3.41%~31.2%,Cd含量分别降低了5.93%~20.5%、10.0%~51.4%和3.12%~50.7%,PAA处理的降幅最大、PVA处理的降幅最小.结构改良剂降低了Cu和Cd从根系向秸秆的转运系数,但增加了Cu和Cd从秸秆向稻米的转运系数.总体来看,施用结构改良剂促进了水稻生长,抑制了水稻对Cu和Cd的吸收,对重金属污染土壤具有一定的修复效果.