2013年湖南镉稻米事件的发生使耕地重金属污染受到了社会的广泛关注。重金属对人类具有潜在危害,它能在生物体内富集,并被转化为毒性更大的金属化合物,从而间接地对人类造成更大的危害^[1]。耕地的重金属污染会直接影响农作物的产量和品质,造成重大的经济损失,且给人类的生命安全造成严重威胁^[2]。有资料^[3]统计,我国每年的粮食产量因重金属污染减产约1000万t,被重金属污染的粮食每年多达1200万t,合计经济损失达200亿元。

重金属中镉的毒性最高,农田镉污染最普遍。镉在土壤―植物系统中迁移较活跃,这不仅严重影响了作物的产量和品质,还会危害人体健康。土壤镉修复已成为保证农产品质量安全和持续高效利用资源的一项重要科学任务。培育和种植非食用作物或食用器官累积量低的作物品种,是治理镉污染土壤最有效的途径之一,既能逐渐吸收移除土壤镉,又可以合理地利用土地资源,保障土地的持续产出^[4]。前人针对镉污染稻田改制进行了大量的研究,多数研究^{[5⇓⇓⇓-9]}认为,稻田改制在调节土壤结构、改善土壤肥力状况、促进作物生长发育、增加作物产量、提高经济效益方面和降低农田环境污染等方面均有显著效果^{[5⇓⇓⇓-9]}。考虑到不同地区土壤、气候与作物品种的差异,此方面研究宜因地制宜开展。

自2014年以来,湖南省在镉污染稻田的修复与利用上研究力度很大,其中在镉污染稻田的替代种植上也开展了一些研究,如双季稻田的棉花^[10]、苎麻^[11]和桑树^[2]等替代种植研究。然而,作为人口大国,我国将过多稻田水稻替代为非粮作物并非明智之举。湖南省作为我国第一水稻大省,不能盲目地将镉污染稻田全部替代种植非粮作物。因此,在镉污染稻田上开展粮食作物替代种植研究,如以玉米和高粱等旱粮作物替代水稻,以达到既不影响粮食生产、又能降低农产品镉含量的目的,才是最理想的结果。在此指导思想下,本研究于2015-2016年在湖南湘潭县镉污染双季稻区开展了玉米对水稻的季节性替代种植大田试验,从种植季节、产量、经济效益和农产品镉含量等方面探讨玉米对水稻实行季节性替代种植的可行性,为镉污染双季稻区粮食作物替代种植提供理论与技术支撑。

小区试验于2015-2016年在湖南省湘潭县易俗河镇进行,生理及化学指标测定在湖南农业大学作物生理与分子生物学教育部重点实验室进行。参试早稻品种为陵两优211,晚稻品种为威优46,玉米品种为湘农玉14号。

设置3个种植模式,分别为双季稻（RR）、春玉米―晚稻（MR）与早稻―秋玉米（RM）模式。采用大区试验,每小区面积120m²,各区设独立进水口和排水口,大区间设置田埂,覆膜防止串水串肥。作物种植方法按照当地生产习惯进行。

早稻于3月25日播种,晚稻于6月20日播种;早稻密度为16.7cm×20.0cm,晚稻为20.0cm×20.0cm;早晚季水稻施肥一致,即基肥施复合肥（N:P:K=22:6:12）600kg/hm²,分蘖期追肥尿素（N 46%）150kg/hm²。

3月20日翻耕起垄,垄宽70cm,3月28日播种,每垄播种1行玉米,株（穴）距为30cm,每穴2粒,于3~4叶期每穴定苗1株,定苗48 000株/hm²。基肥施复合肥（N:P:K=22:6:12）600kg/hm²,追肥（拔节肥+穗肥）施尿素300kg/hm²。玉米收获后翻耕土壤,7月20日移栽晚稻,晚稻栽培技术与双季晚稻一致。

早稻栽培技术与双季稻模式一致。早稻收获后,经晒田、翻耕和起垄后于7月10日播种玉米,秋玉米起垄规格、播种、定苗、密度、施肥与春玉米相同。

于水稻成熟期每个大区记录连续80蔸的有效穗数,计算单穴平均有效穗数,按照平均有效穗数取15蔸带回室内（每5蔸为1次重复）,考察穗总粒数、穗实粒数、结实率和千粒重,计算理论产量。同时,每个区选择3个点,各收获100穴水稻,折算标准含水率（13.5%）的实际产量;在玉米田间考察空秆率,玉米单位面积有效穗数=单位面积株数×（1 - 空秆率）。采收全区玉米果穗,称重并计算单穗鲜重,根据单穗鲜重取10个果穗,考察穗总粒数和千粒重,计算理论产量,其余果穗脱粒晒干后折算实际产量（含水率13.5%）。水稻和玉米成熟收获后秸秆和籽粒全部带出田间。

水稻、春玉米和秋玉米的生产成本分为3个方面,首先是农资成本（化肥、农药和种子）,其次是机械作业成本（耕地和收割等）,最后是劳动力成本（播种、施肥和打药等）。早稻谷、晚稻谷和玉米价格分别以2.44﹑2.5和2.0元/kg计算;复合肥和尿素的价格分别为2.6和2.0元/kg;机械耕地与收割水稻价格分别按1350和1200元/hm²计算;人工成本以120元/d计算。

于作物成熟期取植株样,每个大区采取对角线法取3个点（3次重复）,每点取样3穴（株）,水稻挖根20cm深,玉米挖根30cm深,将泥冲洗后把根系带回室内,洗净后用0.1mol/L盐酸浸泡根系15min,去掉根表面吸附的镉,用自来水和去离子水各冲洗3遍,将表面水分吸干后,将植株分为根、茎、叶、穗和籽粒等部分,于烘箱105℃杀青0.5h后80℃烘干至恒重;用植物样品粉碎机粉碎,过100目筛备用。采用硝酸―高氯酸高温消解植株样品,使用Agilent 7900ICP-MS检测消化液中镉含量。每个处理重复3次。水稻成熟期每个处理收获稻谷1kg,晒干储藏3个月后,分成谷壳、米糠和精米3个部分。采用上述方法测定镉含量,各部位镉含量（mg/kg）=各部位测定液浓度×各自定容体积/各自称量。

根据茎秆、叶片、籽粒镉含量与干物质重计算植株地上部镉积累量。

采用Microsoft Excel 2003和DPS 7.05进行数据处理。

各种植模式下作物的生育时期见表1。双季稻种植模式下,晚稻成熟期在10月17-18日;早稻―秋玉米种植模式下,秋玉米成熟期在10月18-28日;春玉米―晚稻种植模式下,晚稻成熟期在10月22-23日。尽管后两种种植模式下的晚季作物成熟期较双季稻种植模式稍迟,但3种种植模式的晚季作物均能在10月下旬成熟。因此,从生育季节来看,3种种植模式均适合在双季稻区推广应用。

由表2可知,2015年,双季稻种植模式总产量较高,早稻―秋玉米种植模式总产量居其次,较双季稻种植模式减产1.1%,春玉米―晚稻种植模式总产量最低,较双季稻种植模式减产6.4%,但3种种植模式总产量间没有显著差异。2016年,春玉米―晚稻总产量最高,其次是双季稻总产量,早稻―秋玉米总产量最低,其中,春玉米―晚稻较双季稻种植模式增产3.8%,而早稻―秋玉米较双季稻减产2.7%,但3种种植模式总产量差异不显著。可见,3种种植模式两季总产量有一定差异,但差异不显著。可见,从保证全年粮食总产量来看,用春玉米―晚稻和早稻―秋玉米替代双季稻是可行的。

由表3可见,双季稻种植模式下,早稻糙米镉含量在0.344~0.426mg/kg,晚稻糙米镉含量在0.244~0.823mg/kg,都超过食品安全国家标准（0.2mg/kg）。早稻―秋玉米种植模式下,早稻糙米镉含量在0.332~0.429mg/kg;春玉米―晚稻种植模式下,晚稻糙米镉含量在0.231~0.621mg/kg。可见,早稻―秋玉米与春玉米―晚稻种植模式中的水稻糙米镉含量较双季稻种植模式下的水稻糙米镉含量有降低趋势,尤其以2016年晚稻表现明显,从0.823mg/kg降到了0.621mg/kg。可见,前作玉米对后作稻米镉含量有显著降低作用。

由表4可见,玉米成熟期各器官镉含量呈现根>茎>叶>籽粒的规律,2年中2种种植模式下玉米籽粒镉含量在0.036~0.081mg/kg,2016年显著高于2015年,但均远低于玉米籽粒镉含量国家标准（0.5mg/kg）。可见,镉污染稻田种植玉米可解决农产品（籽粒）镉含量超标的问题。

由表5可知,水稻镉积累量远高于玉米,晚稻镉积累量远高于早稻,2年结果一致;3种模式2季作物总镉积累量表现为双季稻>春玉米―晚稻>早稻―秋玉米,且差异显著,2年结果一致。同时可见,春玉米―晚稻种植模式下的晚稻镉积累量低于双季稻种植模式下的晚稻镉积累量,2016年降幅达到39.2%,可见前季玉米有降低晚稻镉积累量的作用。

2015年和2016年成本投入相同。由表6可见,3种种植模式的总成本表现为双季稻>早稻―秋玉米>春玉米―晚稻,前者与后两者差异显著。

由表7可知,2015年纯收入表现为双季稻>早稻―秋玉米>春玉米―晚稻,其中,双季稻显著高于春玉米―晚稻;2016年纯收入表现为春玉米―晚稻>早稻―秋玉米>双季稻,三者间差异均达显著水平。2年总收入表现为春玉米―晚稻（26 310.0元/hm²）>早稻―秋玉米（25 088.6元/hm²）>双季稻（24 268.6元/hm²）的趋势。因此,综合2年结果,从纯收入来看,春玉米―晚稻和早稻―秋玉米种植模式完全可以替代双季稻种植模式。

由表8可知,2015年纯收入/劳动力数表现为早稻―秋玉米>春玉米―晚稻>双季稻,前两者分别较双季稻种植模式高15.2%和7.2%;2016年二者比值表现为春玉米―晚稻>早稻―秋玉米>双季稻,前两者分别较双季稻种植模式高86.7%和51.2%。可见,从单个劳动力纯收入来看,早稻―秋玉米和春玉米―晚稻种植模式均较双季稻种植模式具有明显的优势。

多熟制地区种植模式的替代,首先要看生育季节上是否可行。本研究发现,从生育期来看,双季稻、春玉米―晚稻和早稻―秋玉米种植模式的晚季作物均能在10月下旬成熟。因此,从生育季节来看,3种模式都适合在湘潭推广应用。

产量表现是考虑替代模式一个很重要的方面。本研究发现,2015年早稻―秋玉米和春玉米―晚稻的总产量较双季稻模式低,但2016年春玉米―晚稻的总产量较双季稻高,而早稻―秋玉米较双季稻产量低,这与谢运河等^[12]的研究结论相似。但本研究发现,3种种植模式的粮食总产量并不具有显著差异,早稻―秋玉米和春玉米―晚稻替代双季稻不会导致粮食产量大幅度下降。

当前作物生产越来越重视经济效益,因此经济效益也是考虑替代种植模式的一个重要方面。本研究发现,2015年纯收入表现为双季稻（16 347.7元/hm²）>早稻―秋玉米（15 332.1元/hm²）>春玉米―晚稻（14 260.8元/hm²),2016年纯收入表现为春玉米―晚稻（12 049.2元/hm²）>早稻―秋玉米（9756.5元/hm²）>双季稻（7920.9元/hm²）,而2年总收入表现为春玉米―晚稻（26 310.0元/hm²）>早稻―秋玉米（25 088.6元/hm²）>双季稻（24 268.6元/hm²）的趋势。综合2年结果,从纯收入角度来看,春玉米―晚稻和早稻―秋玉米种植模式完全可以替代双季稻种植模式。

实施镉污染稻田双季稻的替代种植,最大目的是获得镉含量达标的农产品。本研究发现,双季稻模式下,早稻糙米镉含量在0.344~0.426mg/kg,晚稻在0.244~0.823mg/kg,均超过食品安全国家标准（0.2mg/kg)。早稻―秋玉米种植模式下,早稻镉含量在0.332~0.429mg/kg;春玉米―晚稻种植模式下,晚稻糙米镉含量在0.231~0.621mg/kg。可见,早稻―秋玉米与春玉米―晚稻种植模式中的水稻糙米镉含量较双季稻模式下的水稻糙米镉含量有降低趋势,尤其以2016年晚稻表现明显,从0.823mg/kg降到了0.621mg/kg。可见,前作玉米对后作稻米镉含量有降低作用。同时,本研究发现,2种种植模式下玉米籽粒镉含量在0.036~0.081mg/kg。因此,在镉污染稻田上,以春玉米―晚稻和早稻―秋玉米替代双季稻种植模式,不但可以获得镉含量符合国家标准的玉米产品,同时还可以有效降低稻谷镉含量。

本研究发现,春玉米―晚稻种植模式下玉米籽粒镉含量低,且地上部镉积累移除量较早稻―秋玉米种植模式多,因此认为春玉米―晚稻种植模式替代双季稻种植模式更有利于镉污染稻田的修复和农产品的安全。利用富集植物修复重金属污染土壤被认为是一项有效措施。本研究移除作物秸秆也是修复镉污染稻田的有效措施,但是,有关移除的作物秸秆如何处理,尚值得深入探讨。

本研究发现,2016年晚稻各器官镉含量明显高于2015年晚稻,这应该是当地灌溉水造成的,试验地水源为附近沟渠,沟渠水镉含量超标,这也是当地耕地镉超标的原因。2016年沟渠水镉含量远高于2015年,因此使得2016年晚稻各器官镉含量明显高于2015年。

综合生育季节、产量、纯收入和籽粒镉含量等因素,在湖南湘潭镉污染稻田上,春玉米―晚稻与早稻―秋玉米种植模式替代双季稻种植模式是完全可行的,其中春玉米―晚稻种植模式植株地上部镉积累移除量较多,因此,宜首先选择春玉米―晚稻种植模式。