15個水稻品種對鎘的積累特性

葉秋明，李 軍*，黃元財，韓 穎，孟 博

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)a.土地與環(huán)境學(xué)院，b.農(nóng)學(xué)院，遼寧沈陽 110866)

鎘是自然界中相對稀有的重金屬元素之一，同時也是農(nóng)業(yè)環(huán)境中最危險的重金屬元素之一。WHO確定鎘為優(yōu)先研究的食品污染物，聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署提出的12種具有全球性意義的危險化學(xué)物質(zhì)中，鎘被列在首位。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國鎘污染的農(nóng)田面積高達(dá)2.8×105hm2，每年生產(chǎn)農(nóng)產(chǎn)品中，鎘含量超標(biāo)的達(dá) 1.46 ×1010kg［1］。

我國是世界上最大的水稻生產(chǎn)和消費國。水稻是我國第一大糧食作物，年種植面積約2 860萬hm2，占全球水稻種植面積的1/5;我國常年水稻產(chǎn)量約占糧食總產(chǎn)量的40%，年產(chǎn)稻米1.85億t，占世界總產(chǎn)量的1/3。水稻生產(chǎn)在保障我國糧食安全中擔(dān)當(dāng)?shù)谝恢厝?，對確保世界糧食安全也具有舉足輕重的作用。然而，隨著我國工業(yè)化進程的加速和社會經(jīng)濟的發(fā)展，重金屬污染問題日趨嚴(yán)峻，鎘污染對水稻生產(chǎn)的影響也日益加劇，嚴(yán)重威脅我國糧食生產(chǎn)安全［2］。

為解決Cd污染引發(fā)的糧食安全問題，一方面要從源頭消減污染，治理、修復(fù)污染土壤;同時，也可輔以篩選對Cd污染抗性較強的水稻品種等農(nóng)藝手段。大量的研究表明，不同水稻品種對Cd的吸收和分配特點是存在差異的。李坤權(quán)等［3］通過對20個水稻品種Cd積累特性的研究，表明水稻體內(nèi)Cd積累特性受水稻類型的影響，即秈型＞新株型＞粳型。李正文等［4］通過田間試驗的方法，研究了江蘇省目前栽種的57個水稻品種，結(jié)果顯示雜交稻對Cd的吸收極顯著高于常規(guī)稻。但徐燕玲等［5］認(rèn)為，在低污染水平土壤上，水稻對Cd的累積特性在品種間存在一定的穩(wěn)定性，但水稻類型間Cd含量并沒有顯著差異，因此按照水稻類型來篩選是不可行的，應(yīng)針對品種來開展篩選工作，并應(yīng)對篩選出來的穩(wěn)定品種進行重點研究。劉侯俊等［6］以東北廣泛種植的32種水稻品種為例進行盆栽試驗，結(jié)果顯示不同水稻品種間Cd的吸收積累特性存在明顯差異。因此，本試驗選取了15個具有代表性的水稻品種 (均為粳稻)，在未添加Cd和添加Cd(5 mg·kg-1)的條件下，研究不同類型水稻品種Cd積累規(guī)律，以期探明其耐性機理，為選育Cd低積累水稻品種，安全高效利用污染土地提供一定的參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗于2014年5月至10月在沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻研究所進行，供試土壤為水稻土，均采自0～20 cm耕層。土壤開采后，過3 mm篩，用于種植水稻，取部分土樣，進一步磨碎，分別過1 mm和0.25 mm尼龍篩，用于測定土壤基本性質(zhì)。土壤pH 5.75，有機質(zhì)含量28.9 g·kg-1，堿解氮、有效磷(P2O5)和速效鉀 (K2O)含量分別為115，11.8，42.3 mg·kg-1，全氮、全磷和全鉀含量分別為1.26，0.96，16.1 g·kg-1，全鎘含量0.44 mg·kg-1。

供試水稻幼苗由沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)稻作所提供，水稻品種均為粳稻，品種編號與名稱如表1所示。

1.2 處理設(shè)計

將含有 0.2，0.15，0.15 g·kg-1N，P2O5，K2O的基肥以固體形式加入土壤中，其中，氮、磷、鉀分別采用尿素、磷酸二氫鉀、氯化鉀，攪拌均勻。裝盆時，每盆4.0 kg土壤，并將Cd以溶液的形式拌入土壤。先稱取2.031 4 g CdCl2，用去離子水配制成1 000 mL溶液，加Cd的處理用移液管取20 mL配好的溶液加入到4.0 kg土壤中，使得土壤中Cd含量達(dá)到5.0 mg·kg-1之后，將土壤充分?jǐn)噭?。每個水稻品種均設(shè)置未加Cd(Cd0)和加Cd(Cd5)2個處理，每個處理重復(fù)3次，共90盆。將加入基肥和Cd的土裝入20 cm×25 cm的塑料盆中，用自來水將盆中的土壤濕潤后，平衡7 d，于5月26日之前將育好的水稻幼苗移栽到土壤中，每盆2株，同時淹水，水稻整個生長期保持水面2～3 cm，收獲前14 d停止加水，于9月30日收獲。

1.3 樣品采集與分析

水稻成熟后，將整個植株從盆缽中取出，沖水，使植株與土壤分離，再用不銹鋼刀將根系和地上部分開，地上部稱鮮重后直接裝入紙袋，105℃殺青20 min，70℃烘干，新鮮根系連同少量土壤一起裝入尼龍網(wǎng)袋，先用自來水沖洗，將根系與粘在根上的土壤分離，然后用蒸餾水將根系沖洗3遍，用吸水紙吸干水分，再殺青，并烘干。將烘干的根系和地上部取出，稱量干重，兩者相加記作總生物量，取下植株穗上的籽粒并稱重，記作籽粒產(chǎn)量，分別將根、莖葉和籽粒粉碎，過0.25 mm尼龍篩，供化學(xué)分析用。采用硝酸∶高氯酸 (體積比為4∶1)消煮植株樣品直至澄清，定容過濾，用等離子發(fā)射光譜儀ICP-OES(VISTA-MPX，USA)測定Cd的含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

富集系數(shù)=(植物體內(nèi)積累的Cd量/生長介質(zhì)中的Cd量) ×100;

分配比例/%=(植物各部位Cd的累積量/整個植株Cd累積量)×100。

采用SPSS 19.0和Excel 2010進行數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 Cd處理對水稻籽粒產(chǎn)量和總生物量的影響

水稻收獲后的籽粒產(chǎn)量、總生物量和相對產(chǎn)量詳見表1。土壤加Cd處理后，總體上看，大多數(shù)水稻品種籽粒產(chǎn)量和總生物量低于未加Cd處理，這是由于Cd抑制了水稻的生長，其中B(遼星20)、D(遼鹽188)和J(沈稻2號)品種受抑程度最大。但也有個別品種水稻籽粒產(chǎn)量和總生物量在Cd處理下反而增加，例如C(遼優(yōu)2006)品種，這可能是由于該品種對Cd有較強的抗性。

從表1還可看出，不同Cd處理條件下不同水稻品種間籽粒產(chǎn)量和總生物量存在一定的差異性。在未加Cd的處理條件下，籽粒產(chǎn)量較高的為I(遼星1)、J(沈稻2號)、K(沈稻47)，較低的品種為D(遼鹽188)、M(遼粳371)、N(沈農(nóng)15)，總生物量較高的品種為 B(遼星20)、G(遼粳9號)、K(沈稻47)，較低的為 A(鹽豐47)、E(遼粳294)、N(沈農(nóng)15);在加Cd處理條件下，籽粒產(chǎn)量較高的為 C(遼優(yōu)2006)、E(遼粳294)、K(沈稻47)、O(沈農(nóng)315)，總生物量較高的品種為 C(遼優(yōu)2006)、F(沈稻6號)、G(遼粳9號)，較低的為D(遼鹽188)、J(沈稻2號)、N(沈農(nóng)15)。由此可見，不同品種水稻對Cd的抗性是不同的。

表1 各品種水稻每盆籽粒產(chǎn)量和總生物量

2.2 Cd處理下水稻各部位Cd含量變化

農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全是關(guān)系人類健康的重大問題之一，為此世界各國均制定出農(nóng)產(chǎn)品中有害物質(zhì)的限量標(biāo)準(zhǔn)。我國稻米重金屬Cd含量的限量標(biāo)準(zhǔn)(NFHSC)為 0.2 mg·kg-1(GB 15201—1994)。圖1結(jié)果顯示，在無污染土壤中生長的32個品種水稻，其籽粒中Cd含量均未超標(biāo)，其變化范圍在0.012 6 ～0.083 8 mg·kg-1，平均值為 0.026 3 mg·kg-1，Cd含量最高和最低的品種分別為G(遼粳9號)和M(遼粳371)。在含5 mg·kg-1Cd的處理下，各品種水稻籽粒 Cd的含量在0.044 3～0.243 3 mg·kg-1，平均值為 0.107 6 mg·kg-1，明顯高于未添加Cd的處理，其中F(沈稻6號)品種的Cd含量高于0.2 mg·kg-1的限量標(biāo)準(zhǔn)，B(遼星20)、G(遼粳9號)和K(沈稻47)品種的籽粒Cd含量也接近限量標(biāo)準(zhǔn)。

從圖1還可看出，不同品種水稻莖葉、根系中Cd含量變化規(guī)律與籽粒中Cd含量規(guī)律并不一致。統(tǒng)計分析結(jié)果表明，各部位Cd含量之間沒有明顯的相關(guān)關(guān)系 (相關(guān)系數(shù)未顯示)。另外，不同部位Cd含量均遵循根＞莖葉＞籽粒的規(guī)律。向土壤中添加Cd后。對莖葉中Cd含量的影響最大。

圖1 不同品種水稻各部位Cd含量

2.3 Cd處理對水稻富集系數(shù)和植株Cd分配比例的影響

富集系數(shù)是表征水稻對Cd富集能力的重要指標(biāo)。由表2可知，不同品種水稻對Cd的積累能力有很大差異，在加Cd處理 (Cd5)下，富集能力最強的是G(遼粳9號)品種，富集系數(shù)為10.2，富集能力最低的是J(沈稻2號)品種，富集系數(shù)為3.3;在不含Cd的處理 (Cd0)下，富集系數(shù)最高的是C(遼優(yōu)2006)品種，富集系數(shù)為24.8，富集能力最低的是F(沈稻6號)品種，富集系數(shù)為6.6。

表2 水稻中Cd的富集系數(shù)和各部位Cd的分配比例

從表2可以看出，在不含Cd的Cd0處理下，Cd在水稻各部位中的分配比例完全符合根＞莖葉＞籽粒的基本規(guī)律，在15個品種中，O(沈農(nóng)315)品種Cd在根中的分配比例最高，達(dá)到了93.18%;在Cd5處理下，15個水稻品種依然遵循上述規(guī)律，但可明顯發(fā)現(xiàn)大多數(shù)品種莖葉的分配比例明顯上升?？梢?，在土壤未加Cd的條件下，根系起到了阻擋Cd向地上部運轉(zhuǎn)的重要作用，而在外源Cd加入的條件下，隨著Cd的吸入量增加，根部對Cd的吸收能力達(dá)到飽和，而多余的Cd就會向地上部轉(zhuǎn)移，莖葉成為阻擋Cd進一步向籽粒運輸?shù)钠琳?當(dāng)莖葉吸收飽和后，最后一部分Cd就會進入籽粒中，使籽粒中的Cd含量增加，有的可能會接近或超過重金屬的限量標(biāo)準(zhǔn)。

3 討論

經(jīng)過大量試驗驗證，Cd是一種能對作物生長產(chǎn)生抑制作用的重金屬，且高濃度下抑制作用更強。在本試驗條件下，當(dāng)向土壤中添加5 mg·kg-1Cd后，大多數(shù)水稻品種的產(chǎn)量受到了抑制，其籽粒生物量和總生物量均有明顯程度的下降，其中遼鹽188對Cd的添加最為敏感，而其他不同品種也在一定程度上減產(chǎn)。水稻籽粒和總生物量的增減反映了水稻品種對Cd的耐受性，遼鹽188由遼寧省鹽堿地利用研究所選育而成，其總生物量較大，籽粒產(chǎn)量高，但對Cd的耐性較低，這與本試驗的結(jié)果一致。本研究中另發(fā)現(xiàn)一些品種對Cd的耐性較高，如遼優(yōu)2006，它是遼寧省農(nóng)科院稻作研究所育成的優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、抗病雜交粳稻新組合，分蘗力強，成穗率高，米質(zhì)特優(yōu)，米粒晶瑩剔透，對Cd的耐性較高。

在本試驗中，15個品種水稻在未添加Cd的條件下，籽粒中Cd的含量均未超過國家衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn);但在添加外源Cd的條件下，大部分品種水稻籽粒中Cd含量上升，沈稻6號中籽粒Cd含量甚至超過國家衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，表明不同品種的水稻籽粒對Cd的吸收存在差異性，這可能與水稻品種控制Cd吸收的基因等有關(guān)。

從試驗結(jié)果來看，Cd在水稻體內(nèi)主要分布于根和莖葉，可以占到98%以上。在未加Cd的條件下，根是主要存儲Cd的場所，占到85%以上;當(dāng)外源Cd添加后，根對Cd的吸收達(dá)到飽和，過量的Cd隨之向地上部位遷移，而莖葉則起到了阻擋Cd前進的作用，有效地保護了籽粒的安全，同時莖葉中Cd含量顯著增加;不論添加Cd與否，籽粒中Cd的含量都很少，但隨著外源Cd的添加，籽粒中Cd的含量還是有所增長?？傮w來說，Cd在水稻體內(nèi)的分配還是遵循根＞莖葉＞籽粒的基本規(guī)律。

富集系數(shù)是水稻體內(nèi)Cd的累積量與土壤中總Cd量的比值，是表征水稻對Cd富集能力的重要指標(biāo)。從富集系數(shù)來看，遼優(yōu)2006最高，說明它從土壤中提取Cd的能力最大，這可能與其生物量較大有關(guān);但該品種籽粒中Cd含量相對較低，說明其莖葉和根的富集能力較強，大量的Cd被富集在根和莖葉中，起到了一定的生物凈化作用。

4 小結(jié)

遼優(yōu)2006對Cd耐性很強，生物量較大，在Cd污染土壤上其籽粒產(chǎn)量和總生物量甚至有所增加，且對土壤中的Cd具有較強的富集能力，富集的Cd主要分布在根和莖葉中，而籽粒中Cd含量相對較低，有利于對污染土壤進行生物凈化，同時還可以獲得安全可靠的籽粒，因此是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中比較理想的品種。

遼粳294、遼星1、沈稻2號、遼粳371等品種產(chǎn)量較高，生物量大，籽粒中Cd的積累量較小，適合在中輕度的污染土壤上種植，能收獲低于食品質(zhì)量安全限量標(biāo)準(zhǔn)的水稻籽粒。

沈稻6號、遼星20、遼粳9號、沈稻47等品種應(yīng)盡量避免在污染土壤上種植，其籽粒Cd吸收能力較強。遼鹽188因其在污染條件下籽粒生物量和總生物量較低，受污染條件減產(chǎn)明顯，也應(yīng)該盡量避免在污染土壤上種植。

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［6］ 劉侯俊，梁吉哲，韓曉日，等.東北地區(qū)不同水稻品種對Cd的累積特性研究 ［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2011，30(2):220-227.