水稻降镉技术研究进展

作者简介：胡国龙（1967—），男，大专，农艺师，研究方向： 农产品质量检测及农业技术。

通信作者：刘小余（1985—），男，硕士，农艺师，研究方向：农业技术推广及农作物病虫害防治。

摘 要：水稻镉超标已成为威胁粮食安全和食品安全的大问题，也是制约水稻产业提质增效的关键因素。镉是植物生长的非必需元素，当镉进入植物体内并积累到一定程度后，植物的多种生化活动会受到严重破坏，并对人体产生毒性。为了安全利用镉污染水稻田，研究人员也越来越重视各类水稻降镉技术。为了给相关研究提供参考，从低镉水稻品种选育和筛选（种植前）、土壤改良剂阻镉（种植中）、稻谷加工脱镉（种植后）和“VIP+n”技术降镉（集成技术）这4个方面出发，对水稻降镉技术研究进展进行综述，并对其发展方向进行展望。

关键词：低镉水稻；土壤改良剂；加工；“VIP+n”技术

中图分类号：S511；X173 文献标志码：A 文章编号：1674-7909（2024）1-84-4

DOI：10.19345/j.cnki.xckj.1674-7909.2024.01.021

0 引言

水稻是我国主要粮食作物，其对镉的吸附能力要强于其他农作物，从而导致稻田镉污染成为当前水稻生产面临的一大难题［1］。作为人体非必需元素，镉会通过生物富集和生物放大进入食物链，严重危害人类的身体健康。如何安全利用镉污染稻田，并实现水稻降镉，阻止镉进入食物链，已成当前研究热点。为了给水稻降镉相关研究提供参考，对水稻低镉富集品种选育和筛选、土壤改良剂阻镉、稻谷加工脱镉和“VIP+n”技术降镉等研究进展进行梳理和总结，并对未来研究方向进行展望。

1 低镉水稻品种选育和筛选

1.1 低镉水稻品种选育

目前，已进入示范推广阶段的低镉水稻品种有“臻两优8612”和“西子3号”。“臻两优8612（莲两优1号）”由“隆臻36S”（母本）和“华恢8612”（父本）杂交得到，是国内首个非转基因，且可直接推广种植的镉低积累杂交水稻品种。在镉中度、重度污染的大田中，“臻两优8612（莲两优1号）”籽粒的镉质量分数比普通水稻品种下降90%以上，其籽粒镉质量分数在0.03 mg/kg以下。2023年，“臻两优8612（莲两优1号）”在海南省种植单产达4.39 t/hm2［2］。以“珞红3A”和“珞红4A”为供体，利用常规育种技术，结合低镉分子标记辅助选择法选育出的“西子3号”，是首个通过国审的低镉水稻品种［3］。

目前，镉低积累水稻品种的育种方法研究也取得了一定进展。华永欢［4］采用CRISPR/Cas9技术敲除粳型糯稻品种粳糯（Gn）的OsNramp5基因，获得1个低镉吸附的糯稻材料，并采用CRISPR/Cas9技术敲除籼型骨干亲本宜香1B和蜀恢498（R498）材料中的Wx、OsNramp5基因，获得2个低镉吸附的新型糯性材料。裴峰等［5］在南粳46背景下，对OsNramp5基因进行敲除，创建无外源转基因成分的Nramp5-KO敲除系，并通过试验证明Nramp5-KO敲除系的镉元素积累明显降低，但产量和品质有不同程度下降。张上都等［6］以贵州省水稻耕种区的87个主栽水稻品种为研究对象，筛选出含有低镉积累主效基因qCd7.1位点的9种水稻品种，其籽粒中的镉含量显著低于不含低镉位点基因的品种。赵新辉等［7］通过60Co-γ射线辐射杂交水稻恢复系“华恢8612”，得到突变株“辐8612-12”；在中低度镉污染环境下种植“辐8612-12”，其籽粒镉含量稳定，且低于国家限量标准值。

1.2 低镉水稻品种筛选

低镉水稻品种筛选是对已有品种进行筛选，从而找到适合当地生境的镉低积累品种。刘星星等［8］综合考虑产量、水稻镉积累和抗倒伏能力，发现“野香优明月丝苗”“两优336”“美香占”“黄华占”“鄂丰丝苗”适宜在南方稻虾田中栽种，“野香优莉丝”“丰山丝苗”“靓占”适宜在南方丘陵地区风较小的稻虾田中种植。蒋小芳等［9］以安顺市平坝区的7个主栽水稻品种为试验材料，筛选出“泰优553”适宜在镉轻中度污染稻田中推广种植。刘荣等［10］兼顾稻米低镉含量和高产量，在湖北省40个主栽籼稻品种中筛选出“隆两优1686”和“巨2优60”，可作为推荐品种在湖北省镉污染安全利用类稻田中种植。

2 土壤改良剂阻镉

在水稻种植过程中，施用土壤改良剂可改善土壤环境质量，提高土壤生态功能，从而降低镉在稻米中的富集。一方面，土壤改良剂会改变土壤环境，促进土壤中的镉向迟态和无效态转化；另一方面，土壤改良剂可提高水稻根系活性，缓解镉对光合作用和抗氧化酶的毒副作用。

科学合理的施肥方式是最直接、最易推广实施的镉污染修复技术。周娟等［11］采用“有机肥+熟石灰+复合肥”和“有机肥+土壤调理剂+复合肥”2种施肥方式，能有效改善水稻田耕地质量，降低土壤镉含量。在“荃优259号”种植过程中施用有机肥（老河口市绿美生物科技有限公司产品）和土壤调理剂［环保桥（湖南）生态环境工程股份有限公司产品］，可使稻谷和土壤中的镉实现双降［12］。

众多研究表明，含硅的土壤改良剂能有效阻止镉的富集。唐乐斌等［13］以“五优1179”和“丝香1号”为供试材料，于水稻孕穗期和灌浆期喷施硅（Si）、硒（Se）阻隔剂，不但能提高稻米产量，还降低了糙米中的镉含量，且成本相对较低。在“丰优208”稻米种植中施用硒类阻控剂、硅类阻控剂均可减少镉在稻米中的含量［14］。张宇鹏等［15］用配制好的土壤调理剂（SiO2质量分数为11.7%、有机质质量分数为18.3%）进行试验，证明有机硅在将镉固定于土壤中的同时，阻隔了水稻根系对镉的吸收，水稻各部位的镉含量均有所下降。

考究市售的各类改良剂应用效果和开发新的土壤改良剂，对稻田镉生物修复一样重要。杨西帆等［16］持续2 a对市售钝化剂不同施用量对土壤中有效态镉含量及稻米镉含量的影响，发现由浙江省农业科学院研发的长效型钝化剂（含90%方解石和10%腐殖酸矿粉）阻控水稻籽粒镉富集的效果和持效性最优。复配钝化剂（1%生物炭+0.2%硅肥/石灰，BS/BL）不但能显著降低土壤中镉含量，可使水稻籽粒中的镉含量降低60%以上，且对水稻产量无不利影响，能实现镉污染稻田的原位钝化修复［17］。以牡蛎壳、石灰石等为原料的矿物源调理剂，通过降低土壤镉活性，可阻控镉进入水稻迁移与富集，且能增加水稻产量［18］。用CaO、FeSO4和改性电厂灰（BFA）来处理镉污染稻田，能降低水稻各部位对镉的富集系数［19］。考虑处理效果与处理成本，以6 000 kg/hm2复合钝化材料（配比为m高岭土∶m磷灰石∶m赤泥=1.0∶0.2∶0.2）来处理水稻，土壤中有效态镉的降低率达到44.12%，稻米降镉至国家标准以下［20］。用硫酸锌溶液浸种能显著促进秧苗生长，同时使在镉污染土壤中生长的常规稻秧苗镉浓度明显下降［21］。鲍佳宇等［22］在水稻种植中施加钙铝层状双氢氧化物（CaAl-LDH），使田块土壤离子交换态镉下降26.71%，残渣态镉和铁锰结合态镉分别升高了18.49%、5.68%，稻米中的镉含量下降68.42%；经过连续2 a原位监测显示，稻米籽粒镉含量降幅仍保持37%以上。

3 稻谷加工脱镉

镉在水稻各个部位的分布不同，且稻谷加工工序会影响镉的转移［23］。利用稻米清洁加工技术和工艺来降镉，是阻止镉进入食物链的最后关口。

超声波作为一种穿透力强的机械波，在清洁领域中的应用越来越广泛。研究表明，超声波在稻米加工脱镉方面的效果显著。在超声条件下，稻米浸泡116 min，超声功率为560 W，浸提温度为53 ℃，糙米的降镉率达到38.97%，蒸谷加工的降镉率为40.89%［24］。在米线加工过程中，低强度超声波能使浸泡液中的细菌物种多样性增加，会提高乳杆菌属细菌的相对丰度，而乳杆菌属细菌具有产乳酸特性，有利于提高脱镉率［25］。此外，柠檬酸对稻米加工脱镉也有帮助。陶湘林等［26］利用柠檬酸溶液对大米淀粉中的镉进行脱除，再用脱镉淀粉进行复配，通过双螺杆挤压机制得到耐酸性更好的挤压重组米。此前，有学者从物理降镉、化学降镉和微生物降镉方面对各种稻米加工降镉技术进行了详细研究［23，27］。

4 “VIP+n”技术降镉

“低镉品种 （Variety） +全生育期淹水灌溉（Irrigation）+施加生石灰调节土壤酸碱度（pH）+辅助措施（n）”（VIP +n）技术是一种将植物生理特性与农艺措施相结合的技术，是目前相对成熟的稻谷种植降镉集成技术。近年来，多地围绕“VIP+n”技术开展田间试验，探索该技术组合在轻中度重金属镉污染稻田中的应用，为构建更科学、精细的镉污染耕地修复治理技术模式打下基础。

肖欢欢等［28］在耒阳市以25个镉低积累水稻品种为供试品种，证实在镉中度污染区应用“VIP+叶面阻控剂”技术能有效减轻土壤中重金属镉对水稻的危害，可提高水稻产量，从而实现稻谷出“镉”而不染，有力保障稻谷质量安全［28］。蓝劲松等［29］通过试验证明，“VIP+A+B”（选用低镉品种 + 淹水灌溉 + 施加生石灰 + 施加土壤钝化剂 + 施加有机肥）处理对早稻的降镉效率最高达98.36%、晚稻的降镉效率达73.29%，早晚稻分别增产7.98%、8.74%。陈嘉莉等［30］在衡东县进行大面积示范和对比试验证明，应用“VIP+n”技术能降低稻米镉含量，施用生石灰和土壤调理剂可降低稻田土壤中有效态镉含量。易佳佳等［31］在湘阴县采用全生育期淹水管理，在水稻分蘖期和灌浆期施用叶面阻镉剂，试验田较2016年同区域稻田和当年同区域双季晚稻田均大幅降低。刘明书等［32］在辰溪县开展试验，发现“IP”“VIP”“VIP+n”均具有显著降镉效果，“IP”处理（淹灌+施石灰）技术是辰溪县当前应对稻田镉污染的首选技术，“VIP”“VIP+n”处理技术适合在辰溪县镉污染较重区域推广应用。李威等［33］的研究表明，应用“VIP+n”技术能显著提高酸性土壤pH值，缓解土壤酸化，降低土壤中有效态镉含量（降低幅度为44.50%～81.33%），且对土壤有机质含量不产生明显影响，在降低稻米镉含量的同时，不减少水稻产量。唐金花［34］在湘潭县以早稻“中嘉早17号”和“湘早籼24号”、晚稻“H优518”和“岳优27”为试验材料，对经济效益和稻米降镉效果进行分析，证明“VIP”技术组合是降低农田重金属污染稻米镉含量较为有效的技术。在浏阳市早稻“中早39”和“株两优819”生产中，施用生石灰能显著降低稻谷总镉含量；在晚稻“H优518”和“金优59”栽培中，采用“IP”和“VIP+施用土壤调理剂”处理，能显著降低稻谷总镉含量［35］。

综上所述，“VIP+n”技术较为成熟，并应用于湖南省多个地区；且结果证明，该技术对镉污染土壤及稻谷的降镉效果明显，具有一定推广意义；但该技术在一定程度上受可选低镉品种少、季节性干旱等因素的影响。

5 发展展望

水稻降镉关系着“舌尖上的安全”，研究意义重大。水稻降镉的重点在于土壤源头管理。从长久计，只有改善水稻生长环境，才能让稻谷不受“镉”扰。鉴于我国“大国小农”的现实，当下水稻降镉应做好以下两点：一是对各地镉污染农田（特别是土壤和农产品皆镉超标的农田）实施严格管控，由政府统一采购低镉水稻品种，由企业按低镉种植技术进行生产，并将稻谷脱镉加工后进入食物链；二是各地应利用当前全国第三次土壤普查的契机，同步开展有针对性的各种水稻降镉技术田间示范试验，总结出更多降镉集成技术，做到未雨绸缪。

参考文献：

［1］田云鹤，易镇邪.镉污染稻田土壤调理剂研究进展与展望［J］.湖南农业科学，2021（12）：93-97.

［2］张维亮，袁源，孔得群，等.杂交水稻新组合镉低积累臻两优8612海南高产优质制种技术［J/OL］.杂交水稻，1-4（2023-12-19）［2024-01-05］.https：//doi.org/10.16267/j.cnki.1005-3956.20230721.231.

［3］王天抗，李莉.籽粒镉低积累水稻新品种选育及示范取得重大进展［J］杂交水稻，2021（5）：34.

［4］华永欢.利用CRISPR/Cas9系统创制低镉糯性育种材料［D］.雅安：四川农业大学，2020.

［5］裴峰，王广达，高鹏，等.敲除OsNramp5基因创制低镉优质粳稻新材料的应用评价［J］.中国水稻科学，2023（1）：16-28.

［6］张上都，伍祥，彭菊，等.贵州省水稻耕种区主栽品种镉积累特征分析及低镉积累品种的筛选［J］.种子，2021（11）：15-21.

［7］赵新辉，唐倩莹，周群丰，等.辐射诱变华恢8612创制镉低积累水稻新种质辐8612-12［J］.杂交水稻，2024（1）：44-52.

［8］刘星星，倪才英，刘鑫，等.稻虾共生系统低镉积累水稻品种选择［J］.江西师范大学学报（自然科学版），2023（1）：91-98.

［9］蒋小芳.安顺市平坝区镉低积累水稻品种的筛选［J］.农技服务，2023（12）：13-15.