早稻品種米鎘對(duì)不同鎘環(huán)境的響應(yīng)

戴 力，方寶華，侯亞飛，劉四清，張玉燭，謝運(yùn)河，柏連陽

（1.湖南省水稻研究所，湖南 長沙 410125；2.湘陰縣農(nóng)科所，湖南 湘陰414600；3.攸縣原種場(chǎng)，湖南 攸縣412300；4.湖南雜交水稻研究中心，湖南 長沙 410125；5.湖南省農(nóng)業(yè)環(huán)境生態(tài)研究所，農(nóng)田土壤重金屬污染防控與修復(fù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410125；6.湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，湖南 長沙，410125）

稻米鎘污染是影響我國水稻商業(yè)化生產(chǎn)和食品安全的重要問題。在眾多降低稻米鎘含量的技術(shù)措施中，鎘低積累水稻品種的應(yīng)用具備簡單、高效的優(yōu)點(diǎn)，是一種較好的降鎘措施[1-2]。研究發(fā)現(xiàn)，水稻的鎘低積累特性除了受到基因型影響之外，環(huán)境因素特別是氣候條件和土壤條件對(duì)其穩(wěn)定性也有較大影響，同一品種在不同生態(tài)條件下的鎘積累特性也可能有差別[3-4]。

水稻生長過程中，氣候條件（氣溫、降水和大氣濕度等）可通過蒸騰作用來影響鎘的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)[5]。因此不同年份之間氣候條件的差異會(huì)導(dǎo)致其稻米鎘含量有所差別。而理想的低鎘品種，其鎘積累特性在一定環(huán)境下要表現(xiàn)出相對(duì)穩(wěn)定性，即不會(huì)隨著年度間氣候環(huán)境的變化而發(fā)生較大的或超出國家安全標(biāo)準(zhǔn)（0.200 mg/kg）的鎘積累變化。

不同地域環(huán)境的小氣候和土壤環(huán)境差異對(duì)水稻的鎘吸收積累也有一定影響。其中起主要作用的是土壤的總鎘、有效鎘含量以及土壤的pH值和Eh值[6-8]。因此，理想的鎘低積累品種還應(yīng)該具有較強(qiáng)的地域環(huán)境穩(wěn)定性，即在不同的地域環(huán)境中均表現(xiàn)出低于國家標(biāo)準(zhǔn)的鎘積累量。

經(jīng)過多年的研究篩選，課題組在現(xiàn)有審定的水稻品種中初步選出了湘早秈32號(hào)、湘早秈42號(hào)和湘早秈45號(hào)3個(gè)具備較低米鎘積累特性的水稻品種。但在大面積推廣應(yīng)用之前，還需對(duì)其進(jìn)行鎘低積累特性的環(huán)境穩(wěn)定性驗(yàn)證。為此，課題組于2014～2016年在湖南省內(nèi)5個(gè)不同鎘污染程度和生態(tài)條件的試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行了多年多點(diǎn)重復(fù)試驗(yàn)，以探究這3個(gè)早稻品種的鎘低積累穩(wěn)定性。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)及材料

早稻品種米鎘積累穩(wěn)定性驗(yàn)證試驗(yàn)于2014～2016年在各試驗(yàn)點(diǎn)分別進(jìn)行，各試驗(yàn)點(diǎn)的土壤鎘含量背景值及pH值如表1所示。供試早稻品種為課題組前期篩選后初步認(rèn)定的具有較低米鎘積累特性的品種——湘早秈32號(hào)、湘早秈42號(hào)和湘早秈45號(hào)。

表1 各試驗(yàn)點(diǎn)土壤鎘含量的背景值及pH值

1.2 田間管理

水稻移栽前將試驗(yàn)田翻耕后反復(fù)多次耙勻、耙平，以縮小試驗(yàn)田各區(qū)塊土壤鎘含量的差異。采用小拱地膜保溫濕潤育秧方式培育秧苗，3月28日播種，4月26日移栽，移栽密度16.5 cm×16.5 cm，每蔸栽插4棵谷苗。依照大區(qū)隨機(jī)排列法安排各品種，每個(gè)品種（大區(qū)）300 m2，不設(shè)置重復(fù)。

施25%的復(fù)合肥50 kg/667m2作底肥；深水活苗后，即移栽7 d左右追施分蘗肥（尿素5 kg/667m2、鉀肥4 kg/667m2）；幼穗分化2～3期追施穗肥（尿素2.5 kg/667m2、鉀肥2.5 kg/667m2）。試驗(yàn)灌溉用水要求總鎘≤0.005 mg/kg。分蘗盛期原則上不曬田，在必須控苗時(shí)保持田間土壤濕潤，保持田間淺水層至收割前7 d斷水。病蟲草及鼠雀害按照當(dāng)?shù)胤乐畏椒?，根?jù)實(shí)際情況進(jìn)行。

1.3 取樣及檢測(cè)

1.3.1 土 樣 試驗(yàn)田整平后插秧前，使用測(cè)土配方施肥不銹鋼專用采樣器按照梅花5點(diǎn)取樣法采集不同位置的耕作層土壤，將土壤混合，取鮮樣2 kg左右，用干凈塑料袋密封，標(biāo)簽牌編號(hào)與田間品種吊牌一致。自然風(fēng)干后采用氫氟酸-高氯酸-硝酸消解法消解和石墨爐原子分光光度法測(cè)定土壤全鎘含量和有效鎘含量。另外使用電位法測(cè)定土壤懸液的pH值。

1.3.2 水 樣 從整田開始至收獲前，每次灌溉時(shí)取1 000 mL水樣，分別消化處理后用玻璃瓶密封裝好，使用石墨爐原子分光光度法檢測(cè)其鎘含量。如不能及時(shí)檢測(cè)必須將水樣pH值加濃硝酸調(diào)整至0.2以下，并附標(biāo)簽注明時(shí)間和pH值調(diào)整狀況。

1.3.3 稻谷樣 在90%谷粒變黃時(shí)，避開邊緣4行（株）于大區(qū)內(nèi)按梅花5點(diǎn)法取樣，每點(diǎn)連續(xù)收取3蔸，5點(diǎn)稻谷分開編號(hào)、曬干作為5個(gè)重復(fù)用以檢測(cè)稻米鎘含量。最終去掉最大和最小值，保留中間3個(gè)值進(jìn)行方差分析，取其平均值。稻米鎘含量檢測(cè)按濃硝酸-高氯酸（V︰V=4︰1）混酸法消化，然后采用石墨爐原子分光光度法檢測(cè)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用DPS 7.05和 Excell 2003軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析和作圖。按兩因素隨機(jī)區(qū)組法進(jìn)行方差分析并求得各組數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差和均值，以變異系數(shù)（CV=標(biāo)準(zhǔn)差/均值×100%）表示數(shù)據(jù)及鎘積累穩(wěn)定性，CV越小說明穩(wěn)定性越好，反之則越差；以品種在各年份（試驗(yàn)點(diǎn)）的CV平均值表示年際（地域）間的鎘積累變異系數(shù)CVY（CVE），以CVY和CVE的平均值分別表示品種在不同年份和不同地點(diǎn)的鎘積累綜合變異系數(shù)CVY+E,分析不同年度的氣候環(huán)境、不同地點(diǎn)的土壤環(huán)境以及它們的互作條件下3個(gè)品種的鎘低積累穩(wěn)定性。CV值越小表示鎘積累穩(wěn)定性越強(qiáng)，即品種鎘積累受年際和地域間環(huán)境因素的影響越小。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同早稻品種稻米鎘積累的年際及地域間穩(wěn)定性

對(duì)湘早秈32號(hào)、湘早秈42號(hào)和湘早秈45號(hào)3個(gè)早稻品種在不同年度及地域間鎘含量數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，湘早秈32號(hào)具有較好的年際鎘積累穩(wěn)定性，湘早秈45號(hào)具有較好的地域間鎘積累穩(wěn)定性，二者在不同年份中不同地域間的鎘積累穩(wěn)定性均要相對(duì)較優(yōu)于湘早秈42號(hào)。由表2可知，湘早秈32號(hào)（CVY=59.101%）在3年間的鎘積累變異系數(shù)小于湘早秈42號(hào)（CVY=87.209%）和湘早秈45號(hào)（CVY=67.576%），即年際穩(wěn)定性比后二者強(qiáng)；由表3可知，地域間鎘積累變異系數(shù)湘早秈32號(hào)（CVE=64.175%）大于湘早秈42號(hào)（CVE=63.041%）和湘早秈45號(hào)（CVE=60.573%），即地域穩(wěn)定性弱于湘早秈42號(hào)和湘早秈45號(hào)；最終其在不同年份中不同地域間的鎘積累變異系數(shù)（CVY+E=61.638%）稍小于湘早秈45號(hào)（CVY+E=64.075%），明顯小于湘早秈42號(hào)（CVY+E=75.125%），即其年際和地域綜合穩(wěn)定性稍強(qiáng)于湘早秈45號(hào)，顯著強(qiáng)于湘早秈42號(hào)。從表2中還可以看出，湘早秈32號(hào)在2014和2016年（CV=56.372%和59.837%）的變異系數(shù)均小于湘早秈42號(hào)（CV=143.280%和65.276%）和湘早秈45號(hào)（CV=79.867%和67.101%）。從表3中可以看出，湘早秈45號(hào)在B、D 2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的變異系數(shù)（CV=64.627%和30.960%）小于其余2個(gè)品種，在C點(diǎn)的變異系數(shù)（CV=62.892%）小于湘早秈42號(hào)，大于湘早秈32號(hào)，在A、E點(diǎn)的變異系數(shù)大于其他2個(gè)品種。

表2 各品種在不同年份間鎘積累穩(wěn)定性系數(shù)

表3 各品種在不同地點(diǎn)間的鎘積累穩(wěn)定性系數(shù)

2.2 不同年份各品種稻米鎘含量的差異

研究發(fā)現(xiàn)，2014～2016年連續(xù)3 a中，3個(gè)品種的稻米鎘含量均較低，大部分情況下低于國家安全標(biāo)準(zhǔn)。如圖1所示，3個(gè)品種均表現(xiàn)出年度間顯著的鎘積累差異。僅2016年3個(gè)品種的平均稻米鎘含量稍高于國家標(biāo)準(zhǔn)，湘早秈32號(hào)超標(biāo)0.021 mg/kg（10.55%），湘早秈42號(hào)超標(biāo)0.001 mg/kg（0.65%），湘早秈45號(hào)超標(biāo)0.007 mg/kg（3.65%），其余2 a各品種稻米鎘含量均顯著低于國家標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 各品種在不同年份間的稻米鎘含量差異

2.3 不同試驗(yàn)點(diǎn)各品種稻米鎘含量的差異

研究表明3個(gè)品種在5個(gè)不同土壤鎘含量背景值和pH的試驗(yàn)點(diǎn)間均表現(xiàn)為較低的鎘積累特性。如圖2所示，在5個(gè)不同的試驗(yàn)點(diǎn)之間，除湘早秈42和湘早秈45號(hào)在新市點(diǎn)（C點(diǎn)）的稻米鎘含量分別高于國家標(biāo)準(zhǔn)0.038（19.05%）和0.010 mg/kg（5.10%）外，3個(gè)品種在其余各點(diǎn)的稻米鎘含量均顯著低于國家標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 不同年際氣候環(huán)境和不同地域土壤環(huán)境互作條件下的稻米鎘含量差異

3個(gè)品種在不同年際氣候環(huán)境和不同地域土壤環(huán)

圖2 各品種在不同試驗(yàn)點(diǎn)間的稻米鎘含量差異

境互作條件下的米鎘含量總體都比較低。如圖3所示，湘早秈32號(hào)品種除了2016年在湘潭、攸縣和新市3點(diǎn)的稻米鎘含量分別超過國家標(biāo)準(zhǔn)0.103（51.50%）、0.157（78.67%）和0.085 mg/kg（42.67%）之外，其余各年各點(diǎn)的稻米鎘含量均低于國家標(biāo)準(zhǔn)，3 a總計(jì)15個(gè)點(diǎn)的低鎘合格率為80.0%。

湘早秈42號(hào)品種除了2014年的新市點(diǎn)和2016年的湘潭、攸縣、新市點(diǎn)的稻米鎘含量分別超過國家標(biāo)準(zhǔn)0.076（37.83%）、0.105（52.50%）、0.059（29.50%）和0.138 mg/kg（69.00%）之外，其余各年各點(diǎn)的稻米鎘含量均低于國家標(biāo)準(zhǔn)，3 a總計(jì)15個(gè)點(diǎn)的低鎘合格率為73.3%。

湘早秈45號(hào)品種除了2016年的湘潭、攸縣、新市點(diǎn)的稻米鎘含量分別超過國家標(biāo)準(zhǔn)0.108（54.00%）、0.055（27.33%）和0.159 mg/kg（78.00%）之外，其余各年各點(diǎn)的稻米鎘含量均低于國家標(biāo)準(zhǔn)，3 a總計(jì)15個(gè)點(diǎn)的低鎘合格率為80.0%。

另外，由圖4可知，湘早秈32號(hào)、湘早秈42號(hào)和湘早秈45號(hào)3個(gè)品種在5個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)間的變化趨勢(shì)基本一致，都表現(xiàn)為攸縣新市村和網(wǎng)嶺沙塘2點(diǎn)的米鎘含量相對(duì)較高，益陽赫山下新橋和衡東大浦新民村2點(diǎn)的米鎘含量相對(duì)較小，湘潭易家灣點(diǎn)處于中間狀態(tài)；而進(jìn)一步的稻米鎘含量與各點(diǎn)的土壤總鎘含量、有效鎘含量及pH值的相關(guān)性分析結(jié)果卻表明，稻米鎘含量與各點(diǎn)的土壤總鎘含量、有效鎘含量及pH值之間不存在顯著的線性相關(guān)關(guān)系，即各點(diǎn)的土壤總鎘含量、有效鎘含量或pH值并非3個(gè)品種在各點(diǎn)間的米鎘變化趨勢(shì)形成的主要原因，還存在著其他因素對(duì)稻米鎘含量產(chǎn)生了顯著影響。筆者推測(cè)可能是水分（灌溉）因素，即稻田水層的深淺可以掩蓋或者消除掉土壤鎘含量、有效鎘含量及pH值高低對(duì)稻米鎘含量的影響。

圖3 不同年際氣候環(huán)境和不同地域土壤環(huán)境互作條件下的稻米鎘含量差異

圖4 3個(gè)品種在5個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的稻米鎘含量與土壤背景值

3 結(jié)論與討論

試驗(yàn)結(jié)果表明，各品種的鎘積累綜合變異系數(shù)CVY+E：湘早秈32號(hào)（61.638%）＜湘早秈45號(hào)（64.075%）＜湘早秈42號(hào)（75.125%），即各品種稻米鎘積累年際和地域穩(wěn)定性表現(xiàn)為：湘早秈32號(hào)＞湘早秈45號(hào)＞湘早秈42號(hào)。3個(gè)早稻品種在不同年份和地域的不同大氣和土壤環(huán)境下都表現(xiàn)為相對(duì)較低的米鎘積累，除少數(shù)年份或試驗(yàn)點(diǎn)的稻米鎘含量超過了國家標(biāo)準(zhǔn)0.001～0.157 mg/kg（0.65%～78.67%）之外，其余各年份和試驗(yàn)點(diǎn)的稻米鎘含量均低于國家標(biāo)準(zhǔn)，在3 a累計(jì)的15個(gè)點(diǎn)中的稻米低鎘合格率為73.3%～80.0%，即3個(gè)早稻品種表現(xiàn)出了較穩(wěn)定的較低米鎘積累特性。

雖然3個(gè)品種在少數(shù)年份或試驗(yàn)點(diǎn)的稻米鎘含量超過了國家標(biāo)準(zhǔn)，但是超出幅度并不大，通過配套一定的降鎘栽培技術(shù)基本可使之稻米鎘含量達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求水平之內(nèi)。

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