土壤Cu含量的多少是我国农田土壤环境质量评价的指标之一,一级(自然背景水平)农田的土壤Cu含量为35 mg/kg,二级农田的土壤Cu含量为100 mg/kg,三级农田的土壤Cu含量为400 mg/kg。随着现代工业的迅速发展和含Cu农药的大量使用,Cu污染土壤的面积逐年扩大,污染土壤中Cu的含量也越来越多,有的甚至超过1000 mg/kg。到目前为止,前人对土壤Cu胁迫条件下水稻生长发育、产量和品质响应的研究还很不深入,主要表现在:(1)许多研究是在胁迫进行后的短时间内进行,忽视了生物的耐性反应和适应机制;(2)研究的品种数少,缺少水稻不同基因型品种对土壤Cu污染抗性的系统研究;(3)多数研究的土壤Cu含量在300 mg/kg以内,低于国家农田土壤环境三级标准;(4)对水稻产量及其构成因素的影响研究较多,对土壤Cu含量造成水稻产量构成因素变化的原因研究较少;对水稻生物产量的影响研究较多,对不同生育阶段物质生产的响应研究较少;对水稻地上部的研究较多,对地下部(根系)的研究较少。此外, N素、P素和稻米品质对土壤Cu含量的响应规律等也缺乏研究。为了明确这些问题,本研究设计了品种试验(20个品种)和土壤Cu含量试验(土壤Cu含量为100-1000 mg/kg),研究土壤Cu处理对水稻地上部的生长发育、根系生长、根系活性、产量及其构成因素、稻米品质、物质生产与分配、N和P的吸收利用以及植株体内Cu含量的影响等,探讨土壤Cu污染造成水稻减产的主要原因,以期为土壤Cu污染地区的水稻品种选择和种植提供参考依据。主要研究结果如下:1、土壤Cu含量400 mg/kg (三级Cu污染土壤)处理使所有供试的20个水稻品种(组合)均比CK减产,减产幅度为4.63%-64.08%,依据品种(组合)减产的显著性将供试的水稻品种分为3种类型。第一类是不显著减产类型品种,平均比CK减产8.65%,品种有扬稻6号、丰优香占、IR8等3个,占供试品种数的15%;第二类是显著减产类型,平均比CK减产22.95%,品种有南京11号、武运粳7号、特青等3个,占供试品种数的15%;第三类是极显著减产类型,平均比CK减产41.35%,品种有日本晴、矮仔占、早丰9号、汕优63、桂朝2号、连粳3号、农垦57、武香粳14号、两优培九、黄金晴、IR24、武育粳3号、镇稻88、盐粳2号等14个,占供试品种数的70%。说明本研究供试的绝大部分(85%)水稻品种(组合)对土壤Cu污染(400 mg/kg)的抗性或耐性较差,只有少部分(15%)水稻品种(组合)对土壤Cu污染(400 mg/kg)的抗性或耐性较强。2、土壤Cu含量400 mg/kg条件下表现为不显著减产的水稻品种(组合),其在CK条件下的基本特征为穗数少、每穗颖花数多、千粒重高、生物产量高、经济系数低、N素总积累量大、成熟期植株的Cu含量低。3、穗数减少、穗型变小、N素总累积量减少和生物产量下降是土壤Cu污染造成水稻不同品种(组合)减产的重要原因。土壤Cu污染条件下,减产幅度越大的水稻品种(组合),其穗数、每穗颖花数、N素总累积量以及生物产量下降的幅度越大,相反亦然。4、土壤Cu含量在100-1000 mg/kg范围内,所有土壤Cu处理均使武香粳14号和汕优63的产量显著低于CK,且土壤Cu含量越高产量下降的幅度越大。从生长发育看,土壤Cu含量低于200 mg/kg处理对武香粳14号和汕优63的株高、主茎总叶数、伸长节间数和抽穗期几乎没有影响或影响很小。但当土壤Cu含量达到400 mg/kg及其以上时,随着土壤Cu含量的增加,武香粳14号和汕优63的株高显著变矮、主茎总叶数和伸长节间数显著变少、抽穗期显著推迟。从产量构成因素来看,土壤Cu含量100、200 mg/kg处理使武香粳14号和汕优63减产是由于每穗颖花数减少所致,土壤Cu含量400 mg/kg及其以上处理使武香粳14号和汕优63减产是由于穗数和每穗颖花数共同减少所致。进一步研究表明,土壤Cu处理使穗数减少主要是由于返青活棵慢、分蘖发生迟、高峰苗少所致,每穗颖花数减少主要是由于分蘖发生迟,抽穗期单茎干物重小和单位干物重形成的颖花数少所致。从物质生产与分配来看,土壤不同Cu含量处理均使武香粳14号和汕优63生物产量显著下降,土壤Cu含量越高生物产量下降幅度越大,且对生育前期干物质积累量、叶面积和叶片叶绿素含量的影响明显大于生育中、后期,但土壤不同Cu含量处理对水稻经济系数的影响均不大。从N素和P素的吸收利用来看,土壤Cu处理使武香粳14号、汕优63的N素总积累量、P素总积累量均显著下降,使单位N素籽粒生产效率、P素籽粒生产效率也显著下降,但土壤Cu处理对N素总积累量、P素总积累量的影响明显大于对单位N素籽粒生产效率、单位P素籽粒生产效率的影响。从稻体Cu含量来看,随着土壤Cu胁迫的加重,稻体Cu含量明显升高,稻体内Cu含量与水稻穗数、每穗颖花数、生物产量、N素吸收量、P素吸收量、单株根系重量和单株根系活性均呈显著或极显著负相关。5、随着土壤Cu含量的提高,武香粳14号和汕优63的出糙率、精米率均明显降低,而糙米中的蛋白质和Fe、Zn、Mn、Mg、Cu含量均有一个先增后降的过程,糙米中蛋白质的含量以土壤Cu含量400-600 mg/kg处理为最高,糙米中Fe、Zn、Mn、Mg含量以土壤Cu含量100-200 mg/kg处理为最高,糙米中Cu含量以土壤Cu含量200 mg/kg (武香粳14号)或400 mg/kg (汕优63)处理为最高(11.3 mg/kg、12.1 mg/kg),最高Cu含量均超过国家规定的卫生标准。稻谷不同部位的Cu含量为米糠>糙米>精米>谷壳,经精加工后,精米中最高Cu含量武香粳14号低于国家粮食卫生(安全) Cu含量标准,汕优63高于国家粮食卫生(安全) Cu含量标准,两品种米糠中Cu含量均低于国家饲料卫生(安全) Cu含量标准。6、土壤Cu污染一方面由于土壤Cu含量高,显著抑制了水稻根系的发生和生长,并使根系合成内源激素(Z+ZR)的能力和根系活性下降。另一方面,由于土壤Cu含量高,根系吸收的Cu多,使水稻植株体内的Cu含量显著提高,影响了植株的正常生理代谢过程。在根系和植株体内Cu含量提高的综合影响下,使水稻返青活棵慢,吸收的N、P等养分少,出叶速度慢,叶面积小,叶片叶绿素含量低,干物质生产能力小,造成分蘖发生迟、株高矮、主茎总叶数和伸长节间数显著减少、抽穗期显著推迟,最终使水稻穗数显著减少、穗型显著变小、N和P的积累量显著减少、N素和P素籽粒生产效率显著下降、生物产量显著降低。这些可能是土壤Cu污染影响水稻产量和品质的重要原因。