稻米鎘積累的土壤水分穩(wěn)定性研究

方寶華，戴 力，龔光明，范芬芳，張玉燭，柏連陽

（1. 湖南省水稻研究所，湖南 長沙 410125；2. 益陽市農(nóng)科所，湖南 益陽 413046；3. 株洲市農(nóng)科所，湖南 株洲 412007；4. 湖南雜交水稻研究中心， 湖南 長沙 410125；5. 湖南省農(nóng)業(yè)科學院，湖南 長沙 410125）

近年來，隨著稻田鎘污染研究的不斷推進，一大批表現(xiàn)出鎘低積累特性的水稻品種被篩選培育出來。鎘低積累水稻品種的應用能夠簡單、高效地緩解鎘污染對水稻生產(chǎn)所帶來的一系列問題，成為了鎘污染地區(qū)水稻綠色生產(chǎn)技術(shù)體系的重要組成部分。然而，水稻的鎘低積累特性的表達除受控于自身的遺傳因素之外，很大程度上還受到環(huán)境因素的影響，包括氣候、土壤和農(nóng)藝栽培措施等[1-5]。其中土壤水分含量或農(nóng)田灌溉狀況對水稻的鎘積累特性的表達具有顯著的作用。土壤水分含量一方面通過影響土壤pH值、Eh值和有機質(zhì)影響鎘及其協(xié)同或拮抗離子（如S2-、Zn2+、Fe2+、Fe3+、Mn2+等）的土壤賦存狀態(tài)，從而影響土壤溶液中可吸收Cd的含量[6-11]，另一方面通過影響水稻根系量和吸收活力，以及蒸騰作用來作用于水稻的鎘吸收和轉(zhuǎn)運過程，還可以通過調(diào)控根部基因（如OsNramp1和OsLCD）的表達來影響水稻鎘吸收[12]；最終很可能使得同一鎘低積累品種在不同的稻田水分條件下表現(xiàn)出不同的鎘積累狀況。

因此，為了探索不同農(nóng)田土壤水分對水稻鎘低積累特性的影響，特別是鎘低積累品種的這一特性在不同土壤水分條件下的表達穩(wěn)定性，筆者在課題組多年的鎘低積累水稻品種篩選的工作基礎(chǔ)上，對已選出的一批鎘低積累早、晚稻品種進行了多點的土壤水分穩(wěn)定性重復驗證試驗。現(xiàn)將試驗結(jié)果報道如下，希望能夠為鎘低積累水稻品種的栽培應用以及新品種的選育提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試水稻品種均為課題組多年來篩選出的鎘低積累品種，具體見表1。2 a共累計使用早、晚稻鎘低積累品種13和14個（年際間重復使用的品種僅計數(shù)1次）。各年各點所使用供試土壤均來自于不同程度鎘污染稻田的耕層土（表層20 cm深度土壤），其鎘含量背景值和pH值狀況見表2。

表1 參試品種名單

表2 供試土壤調(diào)酸前的鎘含量及pH值

1.2 試驗方法

試驗于2015～2016年在株洲市農(nóng)科所（ZZ）和益陽市農(nóng)科所（YY）的塑料溫室大棚內(nèi)采用土壤盆栽法進行。使用純凈水灌溉系統(tǒng)進行水分管理，設置分蘗期（I1）、孕穗期（I2）、抽穗期（I3）、乳熟期（I4）脫水及全生育期淹水（I5）5種處理，以全生育期淹水處理為對照。每處理設3次重復，按照隨機區(qū)組方式排列，各盆之間整齊緊湊擺放。處理設置的開始期到達后，倒去土壤上層積水，去掉盆子下部橡皮塞（盆子下部周邊設置4個小排水孔，平時用橡皮塞堵塞），使土壤中的水分自然瀝干，當土壤含水量達到40%時（土壤水份速測儀測定），加水至土壤含水量80%，如此往復直到處理期結(jié)束后復水。

供試土壤經(jīng)曬干后用粉碎機粉碎，然后加入肥料，肥料用量為早稻施用純氮9 kg，晚稻施用純氮10 kg，N、P、K比例分別為1∶0.5∶0.8，基肥中N、P、K分別占總量的50%、100%和40%，分蘗肥在移栽后7 d使用?；适┤牒笥脭嚢铏C充分混勻后裝盆，每盆裝土15 kg。

供試品種的種子發(fā)往各試驗點育苗移栽，早稻采用秧田小拱棚保溫濕潤育秧，3月28日左右（年際間略有變動）播種，4月28日左右移栽；晚稻采用濕潤育秧，根據(jù)早、中、晚熟的不同分別在6月10日、16日、22日左右分期分批播種，7月12日左右移栽。每盆栽4株，常規(guī)稻每株栽插4根本苗，雜交稻每株栽插2根本苗。

追肥時將肥料用灌溉的純水充分溶解后定量分別施到各盆內(nèi)。病蟲害防治等其余管理措施參考當?shù)氐乃驹耘喙芾砑夹g(shù)進行。

1.3 取樣與分析

土樣：分盆前，隨機多點抽取一個2 kg的土樣，風干后碾壓粉碎，過篩后用干凈塑料袋封裝。自然風干后采用氫氟酸-高氯酸-硝酸消解法消解和石墨爐原子分光光度法測定土壤全鎘含量和有效鎘含量。另外使用電位法測定土壤懸液的pH值。

水樣：于灌溉期間，隨機取100 mL水樣，用干凈玻璃瓶裝好，使用石墨爐原子分光光度法檢測其鎘含量，電位法測定pH值。

稻谷樣：當90%的谷粒變黃時，分品種分重復收獲，曬干后使用小型膠輥礱谷機脫殼，然后將糙米使用萬能粉碎機粉碎后裝入干凈的自封袋中封存以備檢測其中的鎘含量。糙米鎘含量檢測使用濃硝酸-高氯酸（v∶v=4∶1）混酸法進行消化，然后使用石墨爐原子吸收分光光度法檢測。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用DPS v7.05和Excel 2003軟件進行數(shù)據(jù)處理、分析和作圖。按多因素隨機區(qū)組法進行方差分析并求得各組數(shù)據(jù)標準差和均值，以變異系數(shù)（CV=標準差s/均值x×100%）表示鎘積累穩(wěn)定性，CV值越小表示鎘積累穩(wěn)定性越強，即品種鎘積累受土壤水分的影響越小，反之則越不穩(wěn)定，受影響越大。以某一品種在5種土壤水分處理下糙米鎘積累量變異系數(shù)的平均值作為該品種的變異系數(shù)來與其他品種進行比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土壤水分條件下早稻品種糙米鎘積累的穩(wěn)定性

2015～2016年間，13個早稻品種在分蘗期（I1）、孕穗期（I2）、抽穗期（I3）、乳熟期（I4）脫水及全生育期淹水（I5）5種處理下表現(xiàn)出了較強的糙米鎘積累穩(wěn)定性，其米鎘積累變異系數(shù)CV均在35.37%～47.02%之間（見圖1）。其中變異系數(shù)相對較小（CV ＜40%），即米鎘積累穩(wěn)定性相對較好的幾個品種分別為：兩優(yōu)早17（CV=35.37%）、湘早秈42號（CV=37.08%）、株兩優(yōu)819（CV=37.66%）、株兩優(yōu)211（CV=37.90%）、湘早秈32號（CV=39.40%）和湘早秈45號（CV=39.50%）。表明在不同的土壤水分狀況下，這6個早稻品種都能表現(xiàn)出相對較穩(wěn)定的高鎘或低鎘積累特性。

2.2 不同土壤水分條件下早稻品種的糙米鎘含量

圖1 不同土壤水分條件下各早稻品種糙米鎘積累量的變異系數(shù)

圖2 不同土壤水分條件下各早稻品種的糙米鎘含量

在分蘗期（I1）、孕穗期（I2）、抽穗期（I3）、乳熟期（I4）脫水及全生育期淹水（I5）5種不同的土壤水分處理下，各早稻品種均以孕穗期脫水（I2）的糙米鎘含量最高，其次為抽穗期脫水（I3），以全生育期淹水（I5）處理的最低（見圖2）。表明孕穗期的水分管理對調(diào)控早稻米鎘含量具有著重要作用，其次為抽穗期；也間接證明了孕穗期和抽穗期階段可能是早稻鎘吸收的兩個重要時期。

此外，分蘗期（I1）和乳熟期（I4）脫水處理也會對早稻糙米鎘含量造成較大影響，其二者的糙米鎘含量通常都顯著（P＜0.05）高于對照（全生育期淹水I5）處理，只是其影響顯著（P＜0.05）小于孕穗期和乳熟期。

2.3 不同土壤水分條件下晚稻品種糙米鎘積累的穩(wěn)定性

2015～2016年間，14個晚稻品種在分蘗期（I1）、孕穗期（I2）、抽穗期（I3）、乳熟期（I4）脫水及全生育期淹水（I5）5種處理下的糙米鎘積累穩(wěn)定性表現(xiàn)出了較大的差異，其變異系數(shù)范圍為34.34%～81.19%（見圖3），其中變異系數(shù)最?。–V=34.34%），鎘積累穩(wěn)定性相對最好的品種是象牙香珍，其糙米鎘積累量受土壤水分含量的影響相對最小。此外，C兩優(yōu)266（CV=43.06%）、中優(yōu)9918（CV=46.18%）、湘晚秈12號（CV=46.79%）、金優(yōu)498（CV=47.41%）、兩優(yōu)336（CV=48.78%）、和H優(yōu)518（CV=48.91%）的糙米鎘積累穩(wěn)定性也相對較好。C兩優(yōu)7號的糙米鎘積累變異性最大，容易受到水分條件的影響。

2.4 不同土壤水分條件下晚稻品種的糙米鎘含量

在分蘗期（I1）、孕穗期（I2）、抽穗期（I3）、乳熟期（I4）脫水及全生育期淹水（I5）5種不同的土壤水分處理下，14個晚稻品種的糙米鎘積累量以抽穗期（I3）脫水處理時最大，其次為孕穗期（I2）脫水，以全生育期（I5）淹水處理最低（見圖4）。表明抽穗期的水分管理對調(diào)控早稻米鎘含量具有著重要作用，同時也間接證明了抽穗期階段可能是晚稻鎘吸收積累的重要時期，其次為孕穗期。

此外乳熟期（I4）脫水對晚稻糙米鎘積累的影響也較大，其鎘含量顯著（P＜0.05）高于分蘗期（I1）脫水和全生育期淹水（I5）處理。表明乳熟期的鎘吸收對晚稻米鎘積累的作用也很重要。

圖3 不同土壤水分條件下各晚稻品種糙米鎘積累量的變異系數(shù)

圖4 不同土壤水分條件下各晚稻品種的糙米含量

3 結(jié)論與討論

綜上所述，2015～2016年間，在分蘗期（I1）、孕穗期（I2）、抽穗期（I3）、乳熟期（I4）脫水和全生育期淹水（I5）5種不同土壤水分條件處理下，13個早稻品種的米鎘積累變異系數(shù)CV相差較小，均處在35.37%～47.02%之間，都表現(xiàn)出了較好的鎘積累穩(wěn)定性，其中以兩優(yōu)早17、湘早秈42號、株兩優(yōu)819、株兩優(yōu)211、湘早秈32號和湘早秈45號的米鎘穩(wěn)定性相對較好，其CV值分別為：35.37%、37.08%、37.66%、37.90%、39.40%和39.50%；各早稻品種的糙米鎘積累量均以I2處理最大，說明孕穗期的水分管理對早稻米鎘含量有著重要的調(diào)控作用，其次為抽穗期，分蘗期和乳熟期的作用也較大。14個晚稻品種的變異系數(shù)則表現(xiàn)出較大的差異性，其CV值處在34.34%～81.19%之間，其中以象牙香珍的CV值最小，C兩優(yōu)7號的最大，表明象牙香珍的糙米鎘積累量受土壤水分條件的影響相對較小。各晚稻品種的糙米鎘積累量則基本以I3處理最大，說明抽穗期的水分管理對晚稻米鎘含量有著重要作用，其次為孕穗期，乳熟期的作用也較大，分蘗期的水分調(diào)控對晚稻米鎘含量的影響相對要比早稻小。

研究發(fā)現(xiàn)，孕穗期和抽穗期是水稻鎘吸收和影響稻米鎘含量的兩個關(guān)鍵時期，這與前人眾多的研究結(jié)果一致。對于早、晚稻分蘗期水分條件對糙米鎘含量的影響大小差異，可能與溫度有關(guān)。早稻分蘗期氣溫較低，土壤脫水后會在一定程度上提高土壤溫度，從而促進根系生長，增強根系吸收活力；而晚稻分蘗期氣溫較高，土壤脫水后較高的氣溫和土溫會在一定程度上抑制根系生長和活力，甚至造成干旱脅迫，嚴重影響根系離子吸收。

已有研究發(fā)現(xiàn)，長期淹水條件下土壤環(huán)境中的還原程度增強，土壤中的SO42-轉(zhuǎn)變?yōu)镾2-，并與Cd2+形成CdS沉淀，降低鎘的有效性；同時土壤溶液的pH值也升高，加劇了土壤中還原態(tài)陽離子與鎘離子的競爭吸附，以及還原態(tài)陰離子與鎘離子的共沉淀作用，從而降低了土壤中有效鎘含量和根膜中的Cd含量。長期淹水還可以抑制Cd從秸稈向籽粒轉(zhuǎn)移，這可能與充足的土壤水分蒸發(fā)量提高了冠層濕度且降低了冠層溫度，從而降低了水稻植株的蒸騰作用有關(guān)。另外，淹水處理還可以使水稻根系中的鎘吸收轉(zhuǎn)運相關(guān)基因OsNramp1和OsLCD表達顯著下調(diào)[12]。OsNramp1在內(nèi)皮層和中柱鞘細胞中表達，參與根系中鎘吸收進入中柱鞘和根莖間各轉(zhuǎn)運過程，其在根中的表達量越高，對鎘的吸收能力邊越強，莖葉中的鎘積累量也越大[14-17]。OsLCD則是一種定位與細胞質(zhì)和細胞核，在植株維管組織和葉片韌皮部伴胞中表達的普通水溶性蛋白基因，參與植物體內(nèi)鎘的吸收和積累過程，其表達下調(diào)或缺失可以顯著降低水稻莖葉和籽粒中的鎘含量[14,18]。

關(guān)于水分對水稻鎘吸收積累的影響，筆者認為可能存在著如下幾條途徑：“土壤水分—土壤理化環(huán)境—土壤有效鎘—植株鎘—糙米鎘”途徑、“土壤水分—植株冠層溫濕度—植株蒸騰作用—植株鎘吸收轉(zhuǎn)運—糙米鎘”途徑和“土壤水分—植株根系數(shù)量與質(zhì)量—植株鎘吸收—糙米鎘”途徑，并且各途徑之間可能存在著相互干擾或相輔相成的作用。當前報道的比較多的是關(guān)于途徑一的研究，對于途徑二、三的具體影響效果和機制還鮮有報道，因此還需要投入更多的研究。另外，這也在一定程度上體現(xiàn)出了土壤水分與糙米鎘關(guān)系的復雜性。

參考文獻：

[1] 柯慶明，梁康逕，朱 燕，等. 基因型與環(huán)境互作對食用稻米重金屬積累特性遺傳相關(guān)性的影響研究[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報，2006，14（1）：24-27.

[2] 曹方彬. 水稻重金屬積累的品種與環(huán)境效應及調(diào)控技術(shù)研究[D].杭州：浙江大學，2014.

[3] 劉 洋，張玉燭，方寶華，等. 栽培模式對水稻鎘積累差異及其與光合生理關(guān)系的研究[J]. 農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境學報，2014，31（5）：450-455.

[4] 沈 欣，朱奇宏，朱捍華，等. 農(nóng)藝調(diào)控措施對水稻鎘積累的影響及其機理研究[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2015，34（8）：1449-1454.

[5] 仲曉春，陳京都，郝心寧. 水稻作物對重金屬鎘的積累、耐性機理以及栽培調(diào)控措施進展[J]. 中國農(nóng)學通報，2015，31（36）：1-5.

[6] 李 鵬. 水分管理對不同積累特性水稻鎘吸收轉(zhuǎn)運的影響研究[D].南京：南京農(nóng)業(yè)大學，2011.

[7] 張雪霞，張曉霞，鄭煜基，等. 水分管理對硫鐵鎘在水稻根區(qū)變化規(guī)律及其在水稻中積累的影響[A].第五屆全國農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學術(shù)研討會論文集[C]. 天津：中國農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護協(xié)會，2013.

[8] 張艷超. 水分管理對水稻根表鐵膜形成及水稻鎘積累的影響[D].貴陽：貴州大學，2016.

[9] 胡 坤. 淹水條件下不同中微量元素和有益元素對土壤鎘有效性和水稻吸收鎘的影響[D]. 綿陽：四川農(nóng)業(yè)大學，2010.

[10] 胡 坤，喻 華，馮文強，等. 不同水分管理方式下3種中微量元素肥料對水稻生長和吸收鎘的影響[J]. 西南農(nóng)業(yè)學報，2010，23（3）：772-776.

[11] 呂銀斐. 不同水分管理方式對水稻鎘積累的影響[D]. 貴陽：貴州大學，2015.

[12] 陳江民，楊永杰，黃奇娜，等. 持續(xù)淹水對水稻鎘吸收的影響及其調(diào)控機理[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學，2017，50（17）：3300-3310.

[13] 戴 力，楊 泉，王學華，等. 濕潤灌溉栽培方式下晚稻的適宜施氮量[J]. 作物研究，2016，30（6）：681-687.

[14] 王學華，戴 力. 水稻根系鎘滯留作用及其生理生化機制[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學 2016，49（22）：4323-4341.

[15] Takahashi R，Ishimaru Y，Senoura T，et al. The OsNRAMP1 iron transporter is involved in Cd accumula- tion in rice [J]. Journal of Experimental Botany，2011，62（14）：4843-4850.

[16] Tiwari M，Sharma D，Dwivedis S，et al. Expression in Arabidopsis and cellular localization reveal involvement of rice NRAMP，OsNRAM-P1，in arsenic transport and tolerance [J]. Plant，Cell Environ，2014，（37）：140-152.

[17] Milner M J，Mitani-ueno N，Yamaji N，et al. Root and shoot transcriptome analysis of two ecotypes of Noccaea caerulescens uncovers the role of NcNramp1 in Cd [J]. The Plant Journal，2014，（78）：398-410.

[18] Shimo H，Ishimaru Y，An G，et al. Low cadmium（LCD），a novel gene related to cadmium tolerance and accumulation in rice [J]. Journal of Experimental Botany，2011，62（15）：5727-5734.