袁源遠 劉 瑛 吳建富,2 顏 曉,2 榮勤雷 盧志紅,2,*
(1江西農(nóng)業(yè)大學(xué)國土資源與環(huán)境學(xué)院,江西 南昌 330045;2江西省鄱陽湖流域農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)重點實驗室,江西 南昌 330045;3江西省宜春市硒資源開發(fā)利用中心,江西 宜春 336000)
水稻(Oryza sativaL.)作為我國重要的糧食作物之一,其種植面積占全國糧食種植總面積的25%以上,全國超半數(shù)人口以大米為主食[1]。水稻的產(chǎn)量和品質(zhì)對保障我國糧食安全起著至關(guān)重要的作用。近年來,工業(yè)三廢的排放、污水灌溉以及農(nóng)藥化肥過度使用的現(xiàn)象越發(fā)嚴峻,耕地土壤重金屬污染狀況也愈發(fā)嚴重[2]。據(jù)2014年《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》顯示,我國16.1%的土壤受到不同程度污染,其中銅的點位超標率達2.1%,位列所有污染因子第四,作為耕地主要污染因子之一嚴重影響了水稻的產(chǎn)量和品質(zhì)[3]。相關(guān)調(diào)查統(tǒng)計顯示,我國主要土壤類型銅含量為0.3~272.0 mg·kg-1,大多數(shù)地區(qū)銅污染以輕度污染為主,部分礦區(qū)土壤銅污染較為嚴重,銅含量高達5 000 mg·kg-1[2]。銅元素作為水稻所必需的微量營養(yǎng)元素,作用于水稻的各個生長發(fā)育環(huán)節(jié),但土壤中銅濃度過高會影響水稻根系生長發(fā)育,抑制水稻分蘗的發(fā)生,使水稻有效穗數(shù)和每穗穎花數(shù)減少,從而導(dǎo)致水稻產(chǎn)量及品質(zhì)下降[4-7]。以往稻田銅污染對水稻危害機理的相關(guān)研究主要集中于對根系生長的影響以及相關(guān)生理代謝過程的影響[8-10],而有關(guān)稻田銅污染對水稻籽粒灌漿結(jié)實的影響及其機理研究較少。
籽粒灌漿過程是功能葉片所合成的光合產(chǎn)物運輸?shù)阶蚜#⒃谧蚜V薪?jīng)過一系列酶促反應(yīng)由蔗糖轉(zhuǎn)化為淀粉的過程[11]。籽粒灌漿能力最終決定了粒重、產(chǎn)量乃至稻米品質(zhì)[12-13]。一般情況下,著生在水稻稻穗中上部開花早的穎花為強勢粒,著生在稻穗下部開花遲的穎花為弱勢粒[14]。在水稻籽粒灌漿過程中,強勢粒生長速率快、灌漿時間短、粒重大,而弱勢粒生長速率慢、灌漿時間長、粒重小,最終導(dǎo)致強、弱勢籽粒間質(zhì)量和品質(zhì)產(chǎn)生差異[15-19]。盧志紅[20]前期試驗發(fā)現(xiàn)銅污染稻田的水稻開花時間較未污染稻田整體延遲,且貪青晚熟,產(chǎn)量低。為此,本研究針對此現(xiàn)象開展稻田土壤銅含量對水稻籽粒灌漿結(jié)實的影響研究,并運用Richards 方程分析不同銅含量下水稻籽粒灌漿的特點以及相關(guān)參數(shù)與產(chǎn)量構(gòu)成因素的關(guān)系,探討不同土壤銅含量與水稻灌漿特性間的聯(lián)系,明確銅污染土壤對水稻籽粒灌漿特性的影響,以期為生產(chǎn)上合理指導(dǎo)銅污染稻田土壤水稻生產(chǎn)提供理論依據(jù)。
試驗于2019 和2021年在江西農(nóng)業(yè)大學(xué)科技園試驗基地大棚內(nèi)進行,供試土壤為未發(fā)生銅污染的稻田耕層土壤,土壤質(zhì)地為壤土,兩年試前土壤的基本理化性質(zhì)見表1。供試水稻品種均為超級稻五豐優(yōu)286,由江西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院提供。
表1 供試土壤的主要理化性質(zhì)Table 1 Main physical and chemical properties of tested soil
兩年試驗均采用盆栽試驗。2019年試驗共設(shè)計7 個處理,供試土壤本底銅含量46.7 mg·kg-1設(shè)為對照,后添加外源氯化銅使土壤總銅含量(以純Cu計算)分別為100、150、200、300、400、500 mg·kg-1,分別用CK、Cu100、Cu150、Cu200、Cu300、Cu400、Cu500 表示,每個處理10 盆,即10 個重復(fù),隨機排列。由表2可知,2019年添加外源銅各處理水稻產(chǎn)量均低于對照,減幅為6.4%~91.8%。其中銅含量≥200 mg·kg-1處理與CK 和Cu100、Cu150 處理的產(chǎn)量相比差異極顯著(P<0.01),Cu200與Cu300處理間產(chǎn)量差異不顯著(P>0.05),盡管Cu400與Cu200、Cu300處理差異均極顯著(P<0.01),但Cu400 處理水稻長勢較差,難以滿足取樣,導(dǎo)致籽粒灌漿過程難以擬合。故2021年盆栽試驗考慮到取樣需求,設(shè)置3 個處理,即通過添加外源氯化銅使土壤總銅含量(以純Cu 計算)為24.32(對照)、100、200 mg·kg-1(超過農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險篩選值100 mg·kg-1[21]),分別表示為CK、Cu100、Cu200,其中CK重復(fù)35次,Cu100重復(fù)45 次,Cu200 重復(fù)70 次,隨機排列。移栽前一周施入外源銅與盆中土攪拌均勻,盆中土面上保持水層,使外源銅與土壤平衡。
表2 2019年不同處理對水稻產(chǎn)量的影響Table 2 Effect of different treatments on rice yield in 2019
2019與2021年試驗盆缽均為紅色塑料桶,盆口直徑30 cm,底徑20 cm,高25 cm,每桶裝風(fēng)干土12 kg。移栽前1 d 將底肥(尿素、氯化鉀、鈣鎂磷)按規(guī)定用量施入盆中并攪拌均勻,盆缽?fù)撩嫔媳3炙畬?,使土壤與肥料平衡。兩年試驗均大田育秧,4月28日移栽,每盆3穴,每穴3株,N、P2O5、K2O養(yǎng)分用量分別按0.2 g N·kg-1土、0.1 g P2O5·kg-1土、0.18 g K2O·kg-1土計算,各處理用量相等,所用肥料分別為尿素、鈣鎂磷肥、氯化鉀。磷肥全做基肥施用,氮肥按基肥∶蘗肥∶穗肥∶粒肥=5∶2∶2∶1 施用,鉀肥按基肥∶蘗肥=7∶3 施用,其他管理措施與大田一致,灌溉水為自來水。
試驗各處理均在抽穗期選擇穗型大小基本一致的稻穗掛上紙牌,標記開花日期。自開花第1 天至花后12 d 每隔4 d 取一次樣,花后12 d 至收獲每隔6 d 取一次樣,各處理取同天掛牌單穗10 個,摘下剔除病??樟#殖鰪?、弱勢粒,先于105 ℃殺青,再置于70 ℃烘箱中烘干至恒重,用于測定分析不同粒位籽粒灌漿特性。強勢粒為穗最上部3 個一次枝梗的第1、第4、第5 粒和二次枝梗的第1粒;弱勢粒為穗最下部3個一次枝梗的第2、第3粒和二次枝梗上除第1粒的剩余籽粒。成熟期每處理各取3盆,計算有效穗數(shù)、千粒重、每穗粒數(shù)、結(jié)實率及產(chǎn)量。
朱慶森等[15]研究認為Richards方程是最適于生長分析的方程。由Richards 方程導(dǎo)出一系列次級參數(shù),可用于分析水稻籽粒增重過程的基本特征。因2019年試驗取樣不夠,導(dǎo)致籽粒灌漿過程難以擬合,故本試驗按照朱慶森等[15]的方法采用Richards 方程對2021年水稻籽粒灌漿過程進行擬合,計算推導(dǎo)出相關(guān)灌漿特征參數(shù),對籽粒灌漿進行生長分析。
Richards方程如下:
式中,W為各時期籽粒重量,mg;A為終極生長量,mg;t為花后天數(shù);B、K、N為方程參數(shù)。
采用Excel 2009 處理數(shù)據(jù),利用Cvxpt 32 和Origin 6.0 軟件進行灌漿方程的擬合和圖表的繪制,SPSS 25.0軟件進行相關(guān)統(tǒng)計分析。
由表3可知,2019年水稻產(chǎn)量隨土壤銅含量的增加而顯著降低(P<0.05),與CK 相比,Cu100 和Cu200處理產(chǎn)量分別下降了12.94%和31.18%。2021年Cu100 處理產(chǎn)量較CK 處理高10.07%,但兩者差異不顯著(P>0.05),Cu200 處理產(chǎn)量分別較CK、Cu100 處理顯著下降39.50%、45.04%。從水稻產(chǎn)量構(gòu)成因素來看,2019年CK、Cu100和Cu200三處理間僅有效穗數(shù)差異顯著(P<0.05),其他產(chǎn)量構(gòu)成因素間差異均不顯著(P>0.05);2021年CK 和Cu100 處理產(chǎn)量構(gòu)成各因素差異均不顯著(P>0.05),Cu200處理的有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)、千粒重較CK 和Cu100 處理均減少,而結(jié)實率有所提高,其中有效穗數(shù)和千粒重與CK 差異顯著(P<0.05),Cu200 與Cu100 處理間僅有效穗數(shù)差異顯著(P<0.05)。
表3 稻田土壤銅含量對水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響Table 3 Effect of Cu content in paddy soil on rice yield and its components in paddy soils
2.2.1 不同粒位籽粒增重動態(tài) 通過Richards 方程對水稻強、弱勢粒開花后天數(shù)與籽粒重量的關(guān)系進行擬合,所得參數(shù)估計值如表4所示。各處理Richards方程的決定系數(shù)均在0.99 以上,說明該方程能很好地擬合各處理籽粒灌漿過程。與CK 相比,Cu100 處理強勢粒的最終生長量A 值提高了3.332%,Cu200 處理下降了8.308%;Cu100 和Cu200 處理弱勢粒的A 值分別下降了9.384%和13.955%。除Cu200 處理強勢粒籽粒質(zhì)量曲線略向右移(N>1)外,其余處理強、弱勢粒籽粒質(zhì)量曲線均明顯左移(N<1)。結(jié)合圖1可知,各處理強勢粒灌漿啟動均先于弱勢粒,且整個灌漿過程中強勢粒籽粒增重速率均明顯高于弱勢粒,表明各處理強、弱勢粒灌漿過程為異步灌漿。
表4 Richards方程參數(shù)估計值Table 4 Parameter estimates of Richards equation
由圖1可知,花后36 d,與CK 相比,Cu100 處理強勢粒平均粒重提高了3.39%,Cu200處理降低了6.50%;Cu100 和Cu200 處理弱勢粒平均粒重較CK 分別下降了3.17%和9.24%。當CK 強勢粒粒重增長速率趨于平穩(wěn)時,Cu100、Cu200處理強勢粒粒重仍有所增長。
圖1 不同土壤銅含量下水稻強弱勢粒粒重動態(tài)變化Fig.1 Dynamic changes of superior and inferior grain weight of rice under different soil Cu contents
綜上,稻田不同銅含量對水稻強勢粒生長量的影響略有差異,與CK 相比,Cu100 處理強勢粒最終生長量A 值有所增大,Cu200 處理則明顯減少;弱勢粒A 值則隨銅含量的升高而降低。說明與CK 相比,Cu100處理的增產(chǎn)效果與其強勢粒粒重的提高密切相關(guān),Cu200 處理減產(chǎn)則是強弱勢粒籽粒粒重下降共同作用的結(jié)果。
2.2.2 籽粒灌漿特征參數(shù) 結(jié)合表5和圖2可知,不同銅含量下強勢粒表現(xiàn)為起始勢(R0)高,灌漿快,到達最大灌漿速率的時間早;弱勢粒則起始勢低,灌漿慢,到達最大灌漿速率的時間晚,且最大灌漿速率明顯低于強勢粒。
圖2 稻田土壤銅含量對水稻強弱勢粒灌漿速率的影響Fig.2 Effect of Cu content in paddy soil on the filling rate of superior and inferior grains in paddy soils
由表5可知,與CK 相比,Cu100和Cu200處理強勢粒R0分別下降了7.64%和29.38%,弱勢粒則分別下降了34.22%和44.68%。與CK 相比,Cu100 處理強勢粒到達最大灌漿速率的時間(Tmax)以及灌漿活躍期(D)分別延長0.26 d 和1.61 d,而其弱勢粒以及Cu200處理的強、弱勢粒Tmax和D 值均有所減小,Cu200 處理變化幅度更大。與CK 相比,Cu100、Cu200 處理強勢粒的最大灌漿速率(Gmax)分別下降了10.04%和6.21%,平均灌漿速率(Gmean)則分別下降9.94%和7.22%;Cu100 處理弱勢粒Gmax和Gmean分別下降了9.17%和8.77%,而Cu200 處理Gmax和Gmean分別提高了11.11%和12.76%。此外,與CK 相比,Cu100、Cu200 處理強勢粒到達最大灌漿速率時的生長量(WGmax)分別增加了0.48% 和2.09%;Cu100 處理弱勢粒WGmax減少了3.17%,Cu200處理弱勢粒WGmax增加了1.48%。
表5 Richards方程特征參數(shù)Table 5 Characteristic parameters of the Richards equation
由表6可知,弱勢粒的籽粒千粒重與最終生長量A 值和起始生長勢(R0)均呈顯著正相關(guān)(P<0.05),籽粒結(jié)實率則與灌漿活躍期(D)呈顯著負相關(guān)(P<0.05)。
表6 強弱勢粒灌漿特征參數(shù)與千粒重及結(jié)實率的相關(guān)系數(shù)Table 6 Correlations coefficient of grain-filling parameters of superior and inferior grains with 1 000-grain weight and seed-setting rate
2.2.3 灌漿階段性特征 依據(jù)朱慶森等[15]的方法,將籽粒灌漿過程分為前、中、后三個時期。由表7可知,水稻的強、弱勢粒灌漿過程中各時期的持續(xù)天數(shù)(T)、平均灌漿速率(mean grouting rate,MGR)以及貢獻率(contribution margin,RGC)在不同銅含量下,存在一定的差異。
表7 不同處理強、弱勢粒灌漿前、中、后期的特征Table 7 Characteristics of superior and inferior grains in early,middle and late filling under different treatments
與CK 相比,Cu100 處理強勢粒灌漿前期持續(xù)天數(shù)(T1)略有縮短,而其中、后期持續(xù)天數(shù)(T2、T3)有所延長,累積延長了3.13 d;Cu200處理強勢粒T1、T2分別縮短了0.71和0.91 d,T3延長了1.21 d,但灌漿持續(xù)總天數(shù)略有縮短(0.41 d)。強勢粒灌漿期間,各處理平均灌漿速率(MGR)隨灌漿期的推進呈先下降后升高的趨勢,且Cu100 處理前期平均灌漿速率(MGR1)和Cu200 處理前期、中期平均灌漿速率(MGR1、MGR2)均大于CK。與CK 相比,Cu100、Cu200 處理前期和中期的貢獻率(RGC1、RGC2)均有不同程度下降,而后期貢獻率(RGC3)升高。說明農(nóng)田銅污染(Cu200處理)縮短了強勢粒前、中期灌漿持續(xù)時間,使其灌漿進程縮短,導(dǎo)致強勢粒灌漿不充分。
與CK 相比,Cu100 處理弱勢粒灌漿各時期持續(xù)天數(shù)(T)均有所延長,累積延長了10 d,而Cu200 處理弱勢粒T1、T2分別縮短了3.76 和7.30 d,T3延長了1.26 d,但灌漿持續(xù)總天數(shù)縮短了近10 d。弱勢粒灌漿期間,隨著灌漿進程的推進,CK 與Cu100 處理的平均灌漿速率(MGR)整體呈先上升后下降的趨勢,而Cu200 處理則呈先下降后上升的趨勢,Cu200 處理各時期的MGR均明顯高于CK 和Cu100 處理。與CK 相比,Cu100、Cu200 處理弱勢粒RGC1、RGC3均有所提高,而RGC2下降。說明農(nóng)田銅污染(Cu200 處理)縮短了弱勢粒前、中期灌漿持續(xù)時間,使其灌漿進程縮短,導(dǎo)致弱勢粒灌漿不充分。
前人關(guān)于土壤銅含量對水稻產(chǎn)量的影響做了大量研究,結(jié)果表明,銅含量較低(100 mg·kg-1左右)時,水稻產(chǎn)量可能降低[6,22],也可能增加[23],而銅含量較高(≥200 mg·kg-1)時,已有研究均認為水稻產(chǎn)量隨銅含量的增加而顯著下降[4,6,22]。本研究表明,銅含量為100 mg·kg-1時,與對照相比,2019年水稻顯著減產(chǎn)12.94%,而2021年水稻增產(chǎn)10.07%,差異不顯著。銅含量為200 mg·kg-1時,兩年水稻產(chǎn)量與對照相比分別顯著下降31.18%和39.50%。顯然銅含量為200 mg·kg-1時,水稻產(chǎn)量變化規(guī)律與眾多研究結(jié)果[4,6,22]一致。而銅含量為100 mg·kg-1時,表現(xiàn)出年際間差異,與趙江寧等[4]的研究結(jié)果一致,可能與兩年試前土壤養(yǎng)分(表1)和氣候條件差異密切相關(guān)。銅污染導(dǎo)致水稻減產(chǎn)的原因較多,主要原因為分蘗遲、分蘗數(shù)少和抽穗期單莖干物質(zhì)量減少而引起穗數(shù)減少[4],或穗數(shù)與穎花數(shù)共同減少[6],或籽粒不飽滿等[18]。本研究發(fā)現(xiàn),花后12~30 d 期間,隨著土壤銅含量的增加,強、弱勢粒籽粒最大灌漿速率(Gmax)和平均灌漿速率(Gmean)差異減小,可能有利于提高籽粒結(jié)實率和充實度[24],但不同銅含量對水稻每穗粒數(shù)及結(jié)實率無顯著影響,水稻減產(chǎn)主要是由有效穗數(shù)的顯著減少所致,這與前人研究結(jié)果基本一致[6]。
前人研究表明,在銅含量較低時,對水稻產(chǎn)量的影響差異除了與水稻品種有關(guān)[22],還可能與添加的外源銅不同有關(guān)??盗⒕甑龋?3]試驗中添加的是硫酸銅,而趙江寧等[4]、徐加寬等[6]以及本試驗均添加的是氯化銅,比較試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn),添加不同外源銅的條件下,相同銅含量處理對水稻影響有所不同。氯和硫均是水稻生長的必需營養(yǎng)元素,適量的氯和硫均有利于水稻生長,但過量可能會抑制水稻生長或?qū)λ旧L起毒害作用。本試驗外施氯化銅和氯化鉀用量折算氯離子濃度最高為350 mg·kg-1左右,加之原土壤中氯離子濃度較低[25],遠低于水稻產(chǎn)生氯害的施氯臨界濃度800 mg·kg-1[26],故本試驗外施進入土壤中的氯離子對水稻生產(chǎn)影響不大。而根據(jù)前人相關(guān)研究[20,27-29]可知,施用適量的硫肥可緩解銅污染對水稻的毒害,在一定程度上會降低銅污染效應(yīng)。相比添加硫酸銅,添加氯化銅對銅污染產(chǎn)生的水稻毒害效應(yīng)干擾可能更小。
籽粒灌漿能力的強弱決定著最終粒重的高低。從不同處理各階段籽粒灌漿特征來看,本試驗稻田不同銅含量對水稻強、弱勢粒灌漿各時期持續(xù)天數(shù)(T)、平均灌漿速率(MGR)以及貢獻率(RGC)的影響略有不同。與對照相比,銅含量為100 mg·kg-1時,強勢粒主要通過增加前期MGR、中后期T 值以及后期RGC,使到達最大灌漿速率的時間(Tmax)以及灌漿活躍期(D)有所延長,而弱勢粒雖然前、中期T 值均有所增加,但中期MGR卻大幅度下降;銅含量為200 mg·kg-1時,強、弱勢粒前期和中期的T 值以及RGC 均明顯下降,而MGR 則有所提高,與此同時,強、弱勢粒Tmax、D 值均明顯縮短。銅含量100 和200 mg·kg-1處理弱勢粒后期T值和RGC 高于對照,MGR 低于對照。本研究銅含量100 mg·kg-1處理對產(chǎn)量的影響與龔金龍等[30]和嚴田蓉等[31]的研究結(jié)果相似,即延長籽粒整體灌漿活躍期,尤其是延長前、中期的灌漿持續(xù)時間,可使籽粒灌漿更為充分,從而促進水稻高產(chǎn)。
從不同處理籽粒灌漿參數(shù)的動態(tài)變化來看,本研究土壤銅含量為100 mg·kg-1時,強勢粒的起始生長勢(R0)低于對照,到達最大灌漿速率的時間(Tmax)以及灌漿活躍期(D)延長,最終生長量A 值高于對照。與此同時,該銅含量下水稻弱勢粒到達最大灌漿速率的生長量(WGmax)雖然高于對照,但Tmax和D卻明顯縮短。銅含量200 mg·kg-1處理的強、弱勢粒Tmax、D 值與對照相比均顯著減小,最終生長量A值明顯下降,且弱勢粒的變化幅度遠大于強勢粒。相關(guān)分析進一步表明弱勢粒的籽粒千粒重與最終生長量A 值和R0呈顯著正相關(guān),籽粒結(jié)實率則與D 值呈顯著負相關(guān)。這與嚴田蓉等[31]的研究結(jié)果一致,即高產(chǎn)水稻的籽粒灌漿參數(shù)具有起始生長勢較低、達到最大灌漿速率的時間延遲的特點。強、弱勢粒灌漿的差異與光合同化物供應(yīng)密切相關(guān)[32-33]。通常強勢粒對光合同化物的攝取量顯著高于弱勢粒[34],且過高銅離子濃度會抑制水稻葉片光合同化物的合成與輸出[35]。本研究發(fā)現(xiàn),不同處理強勢粒起始勢均高于弱勢粒,因此在灌漿期間獲得的光合產(chǎn)物較多,淀粉合成積累較快,能迅速充實整個胚乳細胞,并在灌漿高峰期附近到達極值;而不同處理弱勢粒在強勢粒灌漿高峰到達之前因同化物供應(yīng)不足,導(dǎo)致淀粉積累速度較慢,且弱勢粒的淀粉合成積累速度在強勢粒灌漿高峰之后才加快,但此時多形成空癟粒。這與張蕊等[36]的研究結(jié)果基本一致。本試驗過程中水稻弱勢粒灌漿參數(shù)受銅含量影響的變化明顯大于強勢粒,其深層影響原因有待進一步探究。
本研究結(jié)果表明,高濃度土壤銅含量會導(dǎo)致水稻產(chǎn)量顯著下降,而較低銅含量條件下,可能因試前土壤養(yǎng)分和氣候條件差異,對水稻產(chǎn)量的影響略有不同。另外,本試驗通過采用Richards 方程對水稻籽粒灌漿過程進行擬合發(fā)現(xiàn),水稻強、弱勢粒的異步灌漿特性不因稻田土壤銅含量的增加而改變,且稻田土壤銅含量對弱勢粒灌漿參數(shù)的影響大于強勢粒。Cu100 處理較對照顯著增產(chǎn)是因其有效穗數(shù)和強勢粒粒重同時增加,在一定程度上減少了弱勢粒灌漿不充分的影響,而Cu200 處理較對照極顯著減產(chǎn)則是強弱勢粒灌漿不充分共同所致。綜上,稻田銅含量較低時對水稻生長有促進作用,但銅含量超過100 mg·kg-1會對水稻生長起抑制作用。