紫云英还田对水稻镉吸收转运的影响

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紫云英作为豆科绿肥作物,因其本身可固氮且易腐解,翻压还田对稻田土壤环境和水稻生长产生影响。为研究翻压紫云英在轻度Cd污染稻田中双季稻Cd吸收与转运效应,初步探索翻压紫云英对轻度Cd污染稻田中水稻降Cd效应及其生理机理,旨在为轻度Cd污染区域进行安全优质的农业生产提供新的降Cd途径及理论参考。本文利用连续5年(2016-2020)田间定位试验在轻度Cd污染稻田土壤中研究了不施肥(CK)、单施紫云英(GM)、单施化肥(F)和紫云英配施化肥(F+GM)共4个处理,紫云英作冬种绿肥翻压还田。主要研究结果如下:(1)翻压紫云英有效降低双季稻植株Cd含量。早稻CK的植株各部位(根系、茎叶与籽粒)Cd含量最高。F+GM的早稻根系与茎叶Cd含量最低,F+GM的根系Cd含量比F降低30.5%~78.5%,F+GM的茎叶Cd含量比F降低25.2%~57.1%。GM的早稻根系与籽粒Cd含量均低于CK和F,GM的根系Cd含量比CK降低37.0%~80.2%,GM的籽粒Cd含量比CK降低57.1%~87.4%;GM的根系Cd含量比F降低2.5%~49.4%,GM的籽粒Cd含量比F降低33.1%~33.6%。此外,CK与F早稻成熟期籽粒Cd含量高于0.2 mg·kg-1(超过国家安全标准),GM与F+GM低于0.2 mg·kg-1(未超过国家安全标准)。晚稻F+GM与GM植株各部位Cd含量均低于F,其中F+GM的根系Cd含量比F降低13.4%~31.3%,F+GM的茎叶Cd含量比F降低8.4%~35.3%,F+GM的籽粒Cd含量比F降低26.7%~50.0%。GM的根系Cd含量比F降低26.7%~70.9%,GM的茎叶Cd含量比F降低1.4%~56.9%,GM的籽粒Cd含量比F降低28.6%~58.5%。(2)翻压紫云英降低稻田土壤Cd有效性。紫云英还田对稻田土壤总Cd含量无显著影响,降低稻田土壤有效Cd含量。早稻GM与F+GM的土壤有效Cd含量显著低于CK,晚稻GM与F+GM的土壤有效Cd含量低于CK、F。土壤有效Cd含量下降,水稻对土壤Cd的吸收随之减少。(3)翻压紫云英限制双季稻茎叶至籽粒间的Cd转移,降低籽粒Cd分配比例。F+GM与GM的茎叶-籽粒转运系数降低,GM的茎叶-籽粒转运系数比CK降低8.3%~52.2%,比F降低4.5%~27.8%;F+GM茎叶-籽粒转运系数比CK降低20.0%~35.1%,比F降低33.3%~45.7%。此外,早稻成熟期F+GM的根部Cd积累量及分配比例最低,其次是GM;GM的籽粒Cd积累量及分配比例最低,其次是F+GM;GM茎叶中的分配比例最高,其次是F+GM。晚稻F+GM的籽粒分配比例最低,其次是GM;F+GM茎叶的分配比例最高。紫云英还田降低水稻茎叶至籽粒部位间的Cd转运系数,减弱Cd在茎叶至籽粒间转运能力,使Cd在茎叶中积累,导致茎叶中分配比例较高,籽粒中的分配比例较低。(4)翻压紫云英增强轻度Cd污染稻田中双季稻的光合能力,延长水稻光合功能期,延缓水稻叶片衰老。与CK相比,F+GM和GM均对水稻光合特性各个指标产生较为积极的影响,尤其是早稻。早稻GM与F+GM的SPAD、NDVI高于CK;F+GM的净光合速率和气孔导度均最高,胞间CO2浓度最低。此外,至水稻生长中后期,F的光合指标下降,F+GM与GM光合指标的降幅比F小,导致生长中后期F+GM与GM的光合指标高于F。(5)在轻度Cd污染稻田中翻压紫云英有效促进双季稻稳产增产。与CK相比,GM增加双季稻产量。与CK、F相比,F+GM连续5年的增产率在46.9%~124.4%和4.8%~13.4%之间,年平均产量增产幅度分别为84.0%和8.7%。优化水稻植株性状与产量构成因素是轻度Cd污染稻田双季稻增产的主要原因。此外,翻压紫云英提升双季稻产量的稳定性,具体表现在减小双季稻年际间产量的变异系数,提高产量可持续性指数。(6)在轻度Cd污染稻田中翻压紫云英,双季稻成熟期籽粒Cd含量与双季稻根部和茎叶Cd含量、茎叶-籽粒Cd转运系数及籽粒Cd分配比例呈显著正相关关系。早稻籽粒Cd含量与土壤有效Cd含量呈显著正相关。早稻籽粒Cd含量与SPAD、NDVI和气孔导度显著负相关。
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