《Field Crops Research》：Dense planting coupled with optimized irrigation improves rice yield while reducing Cd level in rice grain and CH
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水稻优化灌溉与密集种植协同增效机制及减镉减排效应研究。通过连续三年田间试验，优化灌溉（间歇灌溉至分蘖期，淹水至抽穗期）结合15%和30%密度增加，使产量分别提升15%和26%，甲烷排放减少50%和45%，籽粒镉含量降低30%和33%。机理表明，高密度种植通过增加有效穗数提升产量，优化灌溉通过调控根际微生物群落（甲烷菌与硫酸盐还原菌协同作用）实现减排降镉。
唐志伟|张欣|邓爱兴|张军|宋振伟|朱向成|陈进|谢敏|陈富|张伟健
中国农业大学农学与生物技术学院，农业农村部农业系统重点实验室，北京100193，中国
摘要
背景
水资源管理在决定水稻产量、稻田甲烷（CH?）排放量以及稻谷中镉（Cd）含量方面起着关键作用。控制灌溉可以显著减少稻田的CH?排放，但过度干旱可能会增加稻谷中的Cd含量并降低产量。为了实现提高产量同时降低CH?排放和Cd含量的目标，迫切需要创新水资源管理方法。
目的
本研究旨在探讨优化灌溉结合密植对水稻产量、CH?排放量及稻谷Cd含量的影响及其作用机制。
方法
我们进行了三个连续季节的田间试验，设置了四种处理方式：CK（当地高产灌溉方式）、OPT?（与CK相当的种植密度下的优化灌溉方式）、OPT??（种植密度比CK增加15%的优化灌溉方式）和OPT??（种植密度比CK增加30%的优化灌溉方式）。
结果
与CK相比，OPT??和OPT??处理方式分别使水稻产量提高了15%和26%，同时CH?排放量减少了50%和45%，糙米中的Cd含量降低了30%和33%。尽管OPT?处理方式在降低CH?排放和Cd积累方面效果显著，但导致产量减少了8%。从机制上看，密植与灌溉优化相结合通过增加单位面积的有效穗数提高了水稻产量。此外，在水稻分蘖期优化灌溉条件下，甲烷生成菌和硫酸盐还原菌的协同作用可能有助于减少CH?排放和Cd含量。
结论
本研究表明，密植结合优化灌溉能够协同提高水稻产量，同时降低CH?排放和稻谷中的Cd含量。
意义
我们的研究结果可为华南地区及其他类似区域发展食品安全、低碳和高产的水稻种植系统提供科学支持和技术方案。
引言
水稻是全球第二大主粮作物，是全球超过一半人口的主要食物来源（Gao等人，2025年）。2023年，东亚、南亚和东南亚地区的水稻种植面积和产量分别为1.4327亿公顷和7.1474亿吨，占全球水稻种植面积的85%和产量的89%（FAO，2025年）。因此，确保该地区的水稻产量对于保障全球粮食安全至关重要。甲烷（CH?）是全球第二大温室气体，水稻种植过程中的排放量约占农业CH?总排放量的20%（IPCC，2023年；Wu等人，2022年）。预计到2050年，全球人口将增加20%以上，这将加剧对粮食的需求，并使减少温室气体排放变得更加困难（Gao和Serrenho，2023年）。镉（Cd）是一种高毒性重金属，容易被稻谷吸收并在肾脏中积累，其生物半衰期为10-30年（Li等人，2023a；Yan等人，2023年）。长期低剂量接触Cd可能导致心脏病、癌症等多种疾病，对人类健康构成严重威胁（McGrath，2022年）。土壤中过量的Cd会影响植物生长发育，从而降低水稻产量（Imran等人，2021年；Wu等人，2024年）。此外，气候变化的加剧预计将加剧多种风险，包括温室气体排放、水稻中的Cd污染和淡水资源枯竭，从而威胁全球粮食安全。因此，在确保高产量的前提下，迫切需要创新节水技术，以实现东亚、南亚和东南亚地区水稻种植中CH?排放和稻谷Cd含量的双重降低（Duan等人，2013年）。
多项研究表明，水资源管理是减少稻田CH?排放和稻谷Cd含量的最经济有效的措施（Li等人，2023b；Wei等人，2024年；Tan等人，2025年）。稻田中的水资源管理主要通过改变土壤水分状况、改善土壤通气和氧化还原电位以及创造独特的土壤微环境来影响CH?排放和Cd的生物有效性（Tan等人，2025年）。淹水灌溉有助于降低土壤中Cd的溶解度和生物有效性（Honma等人，2016年）。一方面，Cd从酸性可交换态重新分布到可还原态，因为Cd被水合锰和铁氧化物吸附，从而降低了植物对Cd的吸收（Wei等人，2024年）；另一方面，随着土壤氧化还原电位（Eh）的降低，在硫酸盐还原菌（SRB）的催化作用下，土壤中的可溶性CdSO?被还原为不溶性CdS，降低了Cd的有效性（Zhang等人，2024a）。然而，淹水灌溉会通过促进甲烷生成菌的生长和抑制甲烷氧化菌的活动而显著增加CH?排放（Qian等人，2023年）。非淹水灌溉可以在很大程度上减少CH?排放，但可能会增加土壤中Cd的生物有效性，导致稻谷中Cd含量过高。在整个水稻生长期间，分蘖期是稻田CH?排放的峰值阶段，而灌浆期是稻谷中Cd积累的峰值阶段（Huang等人，2022年；Qian等人，2023年）。这为通过针对不同生长阶段的优化传统高产灌溉方式来改进灌溉制度提供了最佳机会，从而实现减少CH?排放和降低Cd含量的双重目标。
先前的研究表明，避免淹水可以有效减少水稻生产过程中的CH?排放，但过度土壤干燥会导致产量下降，而在生长后期进行淹水可以显著降低种子中的Cd含量（Wang等人，2022年；Li等人，2023b）。水稻产量主要由每穗的小穗数、粒重和有效穗数决定（Duan等人，2013年）。理论上，非淹水灌溉和土壤中过量的Cd可能会通过抑制水稻分蘖而大幅降低产量，从而导致有效穗数和每穗小穗数减少。同时，我们的田间观察也表明，密植不会增加稻田中的CH?排放（Zhu等人，2016年）。因此，密植可以通过增加有效穗数来提高水稻产量（Tian等人，2025年）。基于传统的高产灌溉方式，本研究设计了一种结合密植技术的优化灌溉系统，旨在在保持高产量的同时实现CH?排放减少和Cd含量降低。
地点描述
实验地点位于中国江西省（北纬27°45′，东经114°13′）。该地区属于亚热带季风气候。实验地点的土壤为红色壤土，由第四纪黏土母质形成。2022年至2023年间，实验地点的年均气温和年降水量分别为19.7℃和1811毫米。0-20厘米深度土壤的性质见表S1。土壤总Cd含量和有效Cd含量分别为0.89 mg·kg?1和0.52 mg·kg?1。
产量及其构成
四种处理方式在水稻产量和有效穗数方面存在显著差异（表1）。三个种植季节的平均结果显示，OPT??和OPT??处理的产量分别比CK提高了15%和26%，有效穗数分别增加了6%和18%。相比之下，OPT?处理的产量降低了8%，有效穗数减少了10%。
水资源管理和种植密度对水稻产量的影响
水资源管理和种植密度显著影响了水稻产量、稻田CH?排放量以及稻谷中的Cd含量（Zhu等人，2016年；Li等人，2023a；Gao等人，2025年；Tian等人，2025年）。水稻产量主要由穗数、每穗的粒数和粒重决定。虽然穗数主要受水稻遗传背景的影响，但也受到供水、植株密度等多种环境因素的影响。
结论
在相同的种植密度条件下，优化的水资源管理策略——在水稻分蘖期进行间歇性灌溉，在灌浆期进行淹水灌溉——与当地高产灌溉方式相比，能有效减少稻田的CH?排放和稻谷中的Cd含量。然而，这种策略会导致水稻产量略有下降。当与适度增加种植密度结合使用时，优化的水资源管理...
CRediT作者贡献声明
张欣：软件开发、数据分析。
唐志伟：初稿撰写、调查、数据整理。
张军：项目管理、概念构思。
邓爱兴：资源协调、项目管理。
朱向成：资源协调、项目管理、调查。
宋振伟：监督、资源支持。
谢敏：资源协调。
陈进：资源协调。
张伟健：撰写、审稿与编辑、方法设计、资金争取。
陈富：监督、资源协调、方法设计。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家绿肥产业技术体系项目（CARS-22）、国家自然科学基金（32071950）、中国农业科学院科技创新项目（CAAS-CSGLCA-202301）以及宜春市重点基础研究项目（2023ZDJCYJ11）的支持。
