近日，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資環(huán)學(xué)院汪鵬教授課題組研究成果“The relative contributions of root uptake and remobilization to the loading of Cd and As into rice grains: Implications in simultaneously controlling grain Cd and As accumulation using a segmented water management strategy”發(fā)表在Environ. Pollut. （2021, 118497） 上，博士生黃博陽(yáng)為論文第一作者，汪鵬教授為通訊作者，該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助。

 

　　農(nóng)產(chǎn)品重金屬污染威脅人們健康，其中大米是我國(guó)人群鎘和無(wú)機(jī)砷攝入的主要來(lái)源。農(nóng)田土壤中鎘、砷可以通過(guò)兩種途徑進(jìn)入水稻籽粒：一是土壤中的鎘、砷在水稻灌漿成熟期被根系吸收后直接轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入籽粒（“根系吸收”）；二是水稻營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段莖葉中所積累的鎘、砷在灌漿成熟期通過(guò)再分配轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入籽粒（“再分配轉(zhuǎn)運(yùn)”）。然而，這兩種途徑以及水稻不同生育期所吸收的鎘、砷對(duì)最終收獲籽粒積累量的相對(duì)貢獻(xiàn)率尚不清楚。

 

　　針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，汪鵬教授課題組利用盆栽試驗(yàn)，在水稻不同生育時(shí)期設(shè)置多種水分處理，調(diào)節(jié)土壤氧化還原狀況及孔隙水中鎘、砷含量，巧妙地通過(guò)數(shù)學(xué)模型評(píng)估了上述兩種途徑和水稻各生育時(shí)期對(duì)大米鎘、砷積累的相對(duì)貢獻(xiàn)率。研究表明，在常規(guī)稻田水分管理?xiàng)l件下（從水稻營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)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(guān)鍵時(shí)期是灌漿成熟期，該時(shí)期水稻根系從土壤中吸收的鎘貢獻(xiàn)了籽粒鎘的98%，而水稻營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段莖葉所積累的鎘通過(guò)再分配轉(zhuǎn)運(yùn)至籽粒的貢獻(xiàn)微乎其微；與鎘相反，稻米砷積累的關(guān)鍵時(shí)期是水稻營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)至營(yíng)養(yǎng)與生殖生長(zhǎng)并進(jìn)階段，該時(shí)期莖葉積累的砷在灌漿成熟期通過(guò)再分配轉(zhuǎn)運(yùn)貢獻(xiàn)了籽粒砷的95%，其中分蘗、拔節(jié)、抽穗期各貢獻(xiàn)了20-40%，而灌漿中后期從根系吸收的貢獻(xiàn)較小（圖1）。造成這個(gè)結(jié)果的一個(gè)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(huì)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(fā)現(xiàn)，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(yīng)（Huanget al., Environ. Sci. Technol. 2021, 55: 1750-1758）和亞鐵介導(dǎo)的羥基自由基氧化效應(yīng)（Huanget al., Environ. Sci. Technol. 2021, 55: 9845-9853）所控制。

 

　　水稻不同生育時(shí)期對(duì)籽粒鎘、砷積累的貢獻(xiàn)差異為污染稻田安全生產(chǎn)提供了一種能同時(shí)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(guò)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(guò)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(shí)期對(duì)籽粒鎘、砷積累的貢獻(xiàn)差異解釋了許多田間現(xiàn)象。例如，為什么水稻灌漿期的水分處理對(duì)籽粒鎘含量的影響程度要比對(duì)籽粒砷的影響程度大，而灌漿期前的水分管理對(duì)籽粒砷的影響程度大。也解釋了田塊尺度的小斜坡（農(nóng)民為方便灌排水使稻田進(jìn)水口的地勢(shì)比出水口的地勢(shì)高）會(huì)導(dǎo)致沿著進(jìn)水口到出水口方向籽粒鎘含量存在高達(dá)6-7倍空間變異，主要原因是在水稻灌漿期，斜坡會(huì)導(dǎo)致土壤孔隙水中鎘含量的巨大空間變異，而斜坡對(duì)籽粒砷含量的影響較?。–hen et al., Environ. Pollut., 2020, 261, 114151）。以上研究結(jié)果加深了對(duì)稻田土壤鎘、砷生物地球化學(xué)過(guò)程的認(rèn)識(shí)，對(duì)控制稻田排水后土壤鎘活化具有重要的指導(dǎo)意義。