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稻-鱼种养减控镉及米、鱼性状研究
顾钱洪1，曾倩倩1，李占鑫1，王 欣2，彭 渤2，饶 科1，沈中源1，吴 昌1，覃钦博1，罗凯坤1，刘少军1*
(1. 湖南师范大学生命科学学院，省部共建淡水鱼类发育生物学国家重点实验室，湖南 长沙 410081；
2 . 湖南师范大学地理科学学院，湖南 长沙 410081)
修复稻田镉污染，减控米镉积累，是农业生产面临的重要问题，如何在重金属镉超标的土壤中生产出质量达标米已成为亟需解决的问题。
实验田
本研究在武冈市建立了杂交稻-鱼（合方鲫2号）种养模式。与水稻单作模式相比，稻-鱼共作模式对米镉积累有显著的减控效能，且经济效益显著高于水稻单作模式。
图1-a
图1-b
图1 稻-鱼共作模式(a)与水稻单作模式(b)
稻-鱼共作模式抑制土壤镉的生物活性，减控米镉积累，生产低镉优质米和优质鱼。
Fig. 1 Rice-fish coculture system (a) and rice monoculture system (b)
Rice-fish coculture system can inhibit the biological activity of Cd in soil, and in turn effectively reduced the rice in Cd uptake in this system, yielding low Cd and quality rice grains and fish.
检测发现，稻田土壤总镉平均含量为0.472 mg/kg，略高于镉污染临界值0.40 mg/kg（5.5≤pH≤6.5）；稻田水中镉浓度很低（0.170 μg/L）；水稻单作米镉超标，平均含量为0.311 mg/kg，达到国家粮食安全标准限定值（0.2 mg/kg）的1.6倍；而稻-鱼共作米镉平均含量仅0.034 mg/kg，较水稻单作米镉含量下降89.1%；合方鲫2号内脏虽有少量镉积累（0.060±0.032）mg/kg，但肌肉镉含量很低（低于检测最低限值）。经2022年5—9月的生长，在不投喂人工配合饲料的情况下，合方鲫2号平均体重达到331.7 g，相比投放的鱼种（平均133.1 g）增重1.7倍；稻-鱼共作模式合方鲫2号平均亩产45 kg，稻谷平均亩产425 kg；水稻单作模式稻谷平均亩产750 kg。相比水稻单作模式，稻-鱼共作模式生产的米营养品质（氨基酸含量、矿质元素含量、精米率等）略有提高（图2）。根据当地市场售价，稻-鱼共作系统综合收益7350元（按稻谷单价12元/kg，合方鲫2号单价50元/kg计算），水稻单作模式收益3000元（按稻谷单价4元/kg计算）。此外，稻-鱼共作模式在养殖期间未施化肥和喷洒农药，水稻种植成本大大降低，同时有助于提高米品质。因此，以合方鲫2号为养殖品种建立的稻-鱼共作模式具有显著的经济效益和生态效益。
图2-a
图2-b
图2 稻-鱼共作与水稻单作米氨基酸组成(a)和常规营养品质(b)的比较
Fig. 2 Comparison on the rice grains quality (a) and amino acid contents (b) between rice-fish coculture and rice monoculture systems
水稻对土壤中镉的吸收能力很强，在镉污染的稻田种植的水稻，米镉超标率较高，食用“镉大米”会严重危害人体健康。因此，控制和修复镉污染土壤，以及如何减少水稻生长发育过程中对镉的吸收已成为我国当前需要研究并解决的重要环境问题。水稻主要吸收土壤中具有生物活性的镉，其中水溶交换态的镉生物活性较高。而土壤酸碱度（pH）和氧化-还原电位会大大影响这一吸收过程。土壤酸化能增强土壤重金属活性及其迁移和扩散能力，因此土壤pH降低会增强镉的生物活性，促进水稻镉吸收积累，但碱性土壤镉的生物有效性通常较低。土壤镉的生物活性随着土壤氧化-还原状态改变而发生变化。在长期淹水状态下，土壤pH会逐渐升高至偏中性，但本研究发现稻-鱼共作模式对土壤pH值影响不大。稻-鱼共作模式稻田长期保持较深水位，微生物呼吸会导致土壤中氧气迅速耗尽，加之合方鲫2号的呼吸消耗水中溶解氧，土壤-水界面长期处于低氧或无氧状态，土壤的氧化还原电位随之降低而长期处于还原状态。土壤中硫酸根离子等作为电子受体相继被还原，进而镉与硫离子等形成不溶的硫化镉（CdS）或硫化矿物沉淀。因此，稻-鱼共作系统中土壤镉的生物有效性被抑制。相反，在水稻单作系统中水稻分蘖期的灌浆、以及收割之前要排水晒田提高产量，氧气的进入会迅速改变土壤的氧化还原状态，从而提高土壤镉的生物有效性，进而促进米积累镉。此外，合方鲫2号同鲫的食性相同，主要摄食有机碎屑、水草、植物种子以及摇蚊幼虫等。在合方鲫2号的肠道解剖中发现了大量的淤泥样成分，稻田土壤中镉可以通过肠道被吸收而在鱼内脏中积累，但不会转移到鱼体肌肉。合方鲫2号在田间摄食积累镉是否有减控米镉积累的作用有待进一步研究。
合方鲫2号
[白鲫(♀) × 红鲫(♂)] (♀) × 白鲫(♂)
因此，稻-鱼共作系统长期淹水，加之合方鲫2号的呼吸耗氧和摄食土壤有机碎屑，在减控米镉积累中可能起到了关键作用，该降镉机制有待进一步研究。本研究为稻-鱼等生态种养综合生产模式的推广应用提供了重要数据支撑和参考。
本文作者介绍
刘少军
中国工程院院士，湖南师范大学教授，博导，省部共建淡水鱼类发育生物学国家重点实验室主任；《Reproduction and Breeding 》主编，《水产学报》编委；国家杰出青年科学基金获得者、全国五一劳动奖章获得者、全国优秀教师、全国优秀科技工作者、国家大宗淡水鱼产业技术体系-育种技术与方法岗位科学家。他领导团队长期从事鱼类遗传育种研究，并在鱼类远缘杂交研究领域的理论-技术-产品方面做出了创新成绩；攻克了种间生殖隔离难关，探索出鱼类远缘杂交的主要遗传和繁殖规律；建立了一步法和多步法鱼类杂交关键育种技术；创建了一批源于远缘杂交的四倍体和二倍体鱼可育品系和优质鱼类，研制出5个优质鱼类新品种；倡导鱼类良种良养良销体系的建立及应用。获授权发明专利34项；出版学术专著《Fish Distant Hybridization》和《鱼类远缘杂交》；在Genome Research、PNAS、BMC Biology等期刊发表论文200余篇。以第一完成人获国家科技进步二等奖（2项）、全国创新争先奖状等多个国家级奖励，为我国水产事业做出了重要贡献。