稻米鎘積累的土壤酸堿度穩(wěn)定性研究

方寶華，戴 力，方建林，曹清春，張玉燭，柏連陽(yáng)

（1.湖南省水稻研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410125；2. 湘潭市農(nóng)科所，湖南 湘潭 411134；3. 衡陽(yáng)市農(nóng)科所，湖南 衡陽(yáng) 421101；4.湖南雜交水稻研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410125；5. 湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410125）

不同基因型的水稻品種之間存在著一定的鎘積累差異，利用水稻的這一天然特性，從已育成品種中篩選或新培育出低鎘積累品種并進(jìn)行推廣應(yīng)用，可以簡(jiǎn)單、高效地緩解中輕度鎘污染地區(qū)的稻米鎘含量超標(biāo)問(wèn)題，為水稻綠色生產(chǎn)技術(shù)體系提供重要的技術(shù)支撐。水稻的鎘低積累特性的表達(dá)，除受到水稻自身的遺傳因素調(diào)控之外，還受到環(huán)境因素以及環(huán)境與基因互作的影響[1]。眾多的環(huán)境因素均能影響低鎘水稻品種鎘低積累特性的表達(dá)，比如大氣溫度、濕度、土壤水分、pH值、Eh值和有機(jī)質(zhì)含量，以及各種農(nóng)藝栽培措施[2-6]。其中土壤pH值是影響水稻植株鎘吸收和稻米鎘含量的一個(gè)重要環(huán)境因素。早期研究發(fā)現(xiàn)，土壤pH主要通過(guò)影響Cd的水解、與H+的互作以及表面吸附—解吸附類型來(lái)對(duì)土壤鎘的吸附量起作用，從而影響土壤溶液中的有效態(tài)鎘含量，進(jìn)一步影響植物鎘吸收[7]。通過(guò)向鎘污染稻田中撒施生石灰、硅肥以及鉀長(zhǎng)石等土壤調(diào)理劑可以在一定程度上提高土壤pH值，促進(jìn)土壤溶液中的Cd2+吸附沉淀，減少土壤溶液中有效鎘含量，從而減少水稻鎘吸收量和糙米中的鎘積累量[8-10]。此外長(zhǎng)期淹水灌溉能夠提高土壤pH值[11]。雖然當(dāng)前已有報(bào)道明確了酸性條件有利于土壤鎘的釋放，提高鎘在水—土界面的遷移能力和土壤溶液中有效態(tài)鎘含量，堿性條件則相反，但是對(duì)于不同的pH環(huán)境對(duì)水稻低鎘積累特性以及其表達(dá)穩(wěn)定性的影響如何還鮮有明確的報(bào)道。

因此，為了探索不同酸堿度土壤環(huán)境對(duì)水稻鎘低積累特性穩(wěn)定表達(dá)的影響，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(duì)已選出的一批鎘低積累早、晚稻品種進(jìn)行了多點(diǎn)的低鎘積累特性土壤酸堿度穩(wěn)定性驗(yàn)證試驗(yàn)。現(xiàn)將試驗(yàn)結(jié)果報(bào)道如下，希望能夠?yàn)殒k低積累水稻品種的栽培應(yīng)用以及新品種的選育提供理論和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試水稻品種均為課題組多年來(lái)篩選出的鎘低積累品種，具體見(jiàn)表1。2 a共累計(jì)使用早、晚稻鎘低積累品種13和14個(gè)（年際間重復(fù)使用的品種僅計(jì)數(shù)1次）。各年各點(diǎn)所使用供試土壤均來(lái)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(jiàn)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(yàn)方法

試驗(yàn)于2015～2016年在衡陽(yáng)市農(nóng)科所（HY）和湘潭市農(nóng)科所（XT）的塑料溫室大棚內(nèi)采用土壤盆栽法進(jìn)行。供試土壤經(jīng)曬干后用粉碎機(jī)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(jī)充分混勻后裝盆，每盆裝土18 kg。之后進(jìn)行土壤pH值調(diào)節(jié)。

從移栽前30 d開(kāi)始調(diào)節(jié)土壤pH值；將土壤裝入大塑料盆中，分別用H2SO4和NaOH將pH值調(diào)為3.0、4.0、5.0、6.0、7.0和8.0共6個(gè)水平。調(diào)節(jié)步驟為：用H2SO4和NaOH配成pH值分1.0、2.2、3.4、4.6、7.0和9.2的溶液，將干土加入到相同體積的溶液中，每5 d用土壤pH計(jì)檢測(cè)，并用H2SO4和NaOH溶液進(jìn)行微調(diào)，直到基本穩(wěn)定。移栽之后，用pH值分別為3.0、4.0、5.0、6.0、7.0和8.0的水進(jìn)行灌溉，并每2 d用土壤pH計(jì)檢測(cè)與記錄土壤的pH值，并用HCl和NaOH進(jìn)行微調(diào)。各不同pH值處理間按隨機(jī)區(qū)組法排列，每個(gè)處理重復(fù)3次。

供試品種的種子發(fā)往各試驗(yàn)點(diǎn)育苗移栽，早稻采用秧田小拱棚保溫濕潤(rùn)育秧，3月28日左右（年際間略有變動(dòng)）播種，4月28日左右移栽；晚稻采用濕潤(rùn)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苗，雜交稻每株栽插2苗。

追肥時(shí)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(chóng)害防治等其余管理措施參考當(dāng)?shù)氐乃驹耘喙芾砑夹g(shù)進(jìn)行。

1.3 取樣與分析

土樣：分別于移栽前（調(diào)酸前）、移栽后20 d、移栽后40 d、抽穗期、成熟期采集所有盆的土壤樣品。取樣時(shí)從各盆中用取樣器采集全深度的土壤，再將4次重復(fù)混合成一個(gè)樣（濕樣），用干凈塑料袋裝好，風(fēng)干后碾壓粉碎，過(guò)篩后用干凈自封袋封裝。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。2016年早、晚稻衡陽(yáng)點(diǎn)每個(gè)pH值處理取了4個(gè)樣，湘潭點(diǎn)每個(gè)處理取了13個(gè)樣。

水樣：于灌溉期間，隨機(jī)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(cè)其鎘含量，電位法測(cè)定pH值。

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

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用DPS v7.05和Excel 2003軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析和作圖。按多因素隨機(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(qiáng)，即品種鎘積累受土壤酸堿度的影響越小，反之則越不穩(wěn)定，受影響越大。以某一品種在6種不同pH值調(diào)節(jié)溶液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(lái)與其他品種進(jìn)行比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 pH值調(diào)節(jié)處理?xiàng)l件下土壤實(shí)際pH值及有效鎘含量的變化

綜合水稻生長(zhǎng)過(guò)程中幾個(gè)關(guān)鍵時(shí)期——移栽后20 d、移栽后40 d、抽穗期和成熟期的土壤檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，全生育期持續(xù)使用pH值為3～8的酸或堿溶液（鹽酸和NaOH溶液）處理，可以使土壤pH值與調(diào)酸前（表 2）相比發(fā)生 -0.58～0.67（早稻）、-0.57～0.98（晚稻）的高低變化，各處理的土壤實(shí)際pH值基本保持在5.60～7.46之間（表3）。土壤有效鎘含量則與調(diào)酸前相比升高或降低了0.3%～12.9%（早稻）、-18.5%～-5.5%（晚稻）。

表3 不同pH值調(diào)節(jié)處理下的土壤實(shí)際pH值和有效鎘含量差異

各處理之間的土壤實(shí)際pH值存在著極顯著差異（表3），基本表現(xiàn)為隨著調(diào)控溶液pH值的升高而升高，但是并沒(méi)有達(dá)到預(yù)期pH3.0～8.0的調(diào)控目的值，這可能與土壤本身具有的強(qiáng)大緩沖功能有關(guān)。土壤有效鎘含量隨著調(diào)控溶液pH值的升高，衡陽(yáng)點(diǎn)的早稻和湘潭點(diǎn)晚稻出現(xiàn)了降低趨勢(shì)，而衡陽(yáng)點(diǎn)的晚稻和湘潭點(diǎn)的早稻卻發(fā)生了升高，對(duì)于升高的原因當(dāng)前還無(wú)法解釋清楚，仍有待于進(jìn)一步的研究。

2.2 早稻品種米鎘積累的土壤酸堿度穩(wěn)定性

2015～2016年間，使用pH值分別為3.0、4.0、5.0、6.0、7.0和8.0的酸或堿溶液調(diào)控處理水稻盆栽土壤時(shí)，各早稻品種在不同pH值條件下的米鎘積累變異系數(shù)CV間存在著較大差異，其CV值分布范圍為：36.36%～97.08%（見(jiàn)圖1）。其中CV值最小的品種是株兩優(yōu)15，其次為株兩優(yōu)211（CV=40.66%），最大的品種是湘早秈32號(hào)，說(shuō)明株兩優(yōu)15和株兩優(yōu)211的米鎘積累量受土壤pH值的影響相對(duì)較小，而湘早秈32號(hào)受影響相對(duì)較大，其余品種則處于其中間。

2.3 不同土壤酸堿度條件下早稻品種米鎘積累量的差異

2015～2016年間，使用6種不同pH值的酸、堿溶液調(diào)控土壤pH值時(shí)，各早稻品種的糙米鎘含量基本表現(xiàn)為：以pH值為5.0和6.0的溶液處理時(shí)的米鎘積累量相對(duì)最大，pH值越向兩級(jí)，米鎘含量相對(duì)越低（見(jiàn)圖2）。同時(shí)，各pH值處理下的所有早稻品種的米鎘含量均低于0.2 mg/kg的國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)值。

圖1 不同土壤酸堿度條件下各早稻品種米鎘積累量的變異系數(shù)

圖2 不同土壤酸堿度條件下早稻品種的米鎘含量

2.4 晚稻品種米鎘積累的土壤酸堿度穩(wěn)定性

2015～2016年間，使用pH值分別為3.0～8.0的酸或堿溶液調(diào)控處理水稻盆栽土壤時(shí)，各晚稻品種在不同pH值條件下的米鎘積累變異系數(shù)CV間也存在著較大差異，其CV值分布范圍為：40.65%～98.91%（見(jiàn)圖3）。其中CV值最小的品種是兩優(yōu)336（CV=40.65%），其次為金優(yōu)284（47.73%），相對(duì)最大的品種是湘晚秈12號(hào)（98.91%）和金優(yōu)59（96.85%），說(shuō)明株兩優(yōu)336和金優(yōu)284的米鎘積累量受土壤pH值的影響相對(duì)較小，而湘晚秈12號(hào)和金優(yōu)59受影響相對(duì)較大，其余品種處于其中間。

圖3 不同土壤酸堿度條件下各晚稻品種米鎘積累量的變異系數(shù)

2.5 不同土壤酸堿度條件下晚稻品種米鎘積累量的差異

2015～2016年間，使用6種不同pH值的酸、堿溶液調(diào)控土壤pH值時(shí)，各晚稻品種的糙米鎘含量同樣表現(xiàn)為：以pH值為5.0和6.0的溶液處理時(shí)的米鎘積累量相對(duì)最大，pH值越向兩級(jí)，米鎘含量相對(duì)越低（見(jiàn)圖4）。同時(shí)，各pH值處理下的所有晚稻品種的米鎘含量均低于0.2 mg/kg的國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)值。

圖4 不同土壤酸堿度條件下晚稻品種的米鎘含量

3 結(jié)論與討論

綜上所述可以發(fā)現(xiàn)，pH值3.0～8.0的酸堿溶液的調(diào)控處理可以使土壤實(shí)際pH值大小保持在5.60～7.46之間（南方稻田土壤pH值范圍主要在5.5～8.0之間），各水稻品種在這一土壤pH值范圍內(nèi)的米鎘積累變異系數(shù)間的差別較大。13個(gè)早稻品種的CV值范圍為36.36%～97.08%，其中以株兩優(yōu)15（36.36%，CV最?。┖椭陜蓛?yōu)211（40.66%）的米鎘積累量受土壤pH值的影響相對(duì)較小，而湘早秈32號(hào)（97.08%）受影響相對(duì)較大；14個(gè)晚稻品種的CV則處于40.65%～98.91%之間，株兩優(yōu)336（40.65%）和金優(yōu)284（47.73%）的米鎘積累量受土壤pH值的影響相對(duì)較小，而湘晚秈12號(hào)（98.91%）和金優(yōu)59（96.85%）受影響相對(duì)較大。同時(shí)，各早、晚稻品種的糙米鎘含量均表現(xiàn)為：以pH值為5.0和6.0的溶液處理時(shí)的米鎘積累量相對(duì)最高，pH值越向兩級(jí)，米鎘含量相對(duì)越低。

由于研究是通過(guò)盆栽試驗(yàn)進(jìn)行的，而且在土壤調(diào)酸處理時(shí)盆中基本上長(zhǎng)期處于淹水狀態(tài)，水分條件可能會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成一定的影響，如使各處理間的稻米鎘含量差異不顯著，且含量非常低。如何減少水分對(duì)pH調(diào)控作用的干擾是下一步研究需要考慮的問(wèn)題。這也從一定程度上體現(xiàn)出了稻田鎘污染防治研究的復(fù)雜性。

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