鎘污染對(duì)水稻分蘗期植株生長(zhǎng)及鎘積累的影響

林 肖，任艷芳，張艷超，王艷玲，何俊瑜

(貴州大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025)

鎘污染對(duì)水稻分蘗期植株生長(zhǎng)及鎘積累的影響

林 肖，任艷芳，張艷超，王艷玲，何俊瑜*

(貴州大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025)

以水稻中優(yōu)169為材料，通過(guò)盆栽試驗(yàn)，研究了不同濃度Cd污染對(duì)水稻分蘗期植株生長(zhǎng)、根系活力、Cd積累與分配的影響。結(jié)果表明，5 mg·kg-1的Cd污染使分蘗期水稻植株根系活力和生物量明顯降低，莖蘗數(shù)減少。隨著Cd污染程度的增加，水稻根和莖葉Cd含量和積累量明顯增加；根和莖葉的Cd富集系數(shù)、轉(zhuǎn)移系數(shù)均呈降低趨勢(shì)。1 mg·kg-1和5 mg·kg-1Cd使水稻根系Cd分配比例增加，莖葉Cd分配比例下降，且趨于穩(wěn)定。

鎘； 水稻； 分蘗期； 積累； 分配

鎘(Cd)是主要的土壤重金屬污染物之一。工業(yè)活動(dòng)、過(guò)度施肥和廢物處置不當(dāng)?shù)仍蛞l(fā)我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨嚴(yán)重的Cd污染。Cd不是植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的元素，農(nóng)田土壤中的Cd能被作物吸收，影響植株生長(zhǎng)并通過(guò)食物鏈，威脅人體健康。

水稻是我國(guó)重要糧食作物之一，也是吸收積累Cd較強(qiáng)的農(nóng)作物[1]。稻田Cd污染不僅影響水稻生長(zhǎng)，更為嚴(yán)重的是Cd大量積累于稻米中，影響稻米質(zhì)量[2]。據(jù)報(bào)道，我國(guó)受Cd污染稻田已經(jīng)達(dá)28萬(wàn) hm2，每年生產(chǎn)的Cd含量超標(biāo)農(nóng)產(chǎn)品已超過(guò)7.3億t[3]，隨著農(nóng)田Cd污染的加劇，稻米安全問(wèn)題與日俱增。近年來(lái)，關(guān)于Cd污染對(duì)水稻生長(zhǎng)發(fā)育、生理生化特性的影響[4]及其耐性機(jī)制[5-6]、Cd在水稻植株中的吸收積累[7-8]等方面已有大量研究，但有關(guān)水稻植株不同器官對(duì)Cd的吸收、累積及分配特征缺乏系統(tǒng)研究。研究表明，水稻Cd積累不僅受到土壤Cd污染程度等的影響，而且存在種間、種內(nèi)差異。此外，不同生育時(shí)期不同部位對(duì)Cd的吸收積累效應(yīng)差異較大[9-10]。

研究表明，水稻從土壤中吸收Cd主要集中在抽穗揚(yáng)花之前的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段，該階段所吸收的Cd占整個(gè)生育期吸收Cd的91%[11]。分蘗期作為水稻營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段的重要時(shí)期，代謝旺盛，對(duì)重金屬Cd的吸收能力強(qiáng)，不僅造成重金屬在水稻植株體內(nèi)積累，而且對(duì)水稻的生長(zhǎng)、群體結(jié)構(gòu)、產(chǎn)量影響很大。因此，明確分蘗期Cd的積累分配特征對(duì)于采取有效措施降低水稻重金屬Cd累積，保障糧食質(zhì)量安全具有重要意義。為此，本文通過(guò)盆栽試驗(yàn)研究了Cd污染對(duì)水稻分蘗期植株分蘗、根系活力和干物質(zhì)積累的影響以及根系和地上部對(duì)Cd積累分配特征，以明確分蘗期水稻Cd積累分布規(guī)律，從而為采取相應(yīng)措施降低水稻對(duì)Cd的吸收積累提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

盆栽試驗(yàn)于2015年在貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院盆栽試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行。供試水稻品種為中優(yōu)169，在無(wú)污染稻田進(jìn)行育秧。供試土壤為貴陽(yáng)市花溪區(qū)典型稻田土。采集耕層土風(fēng)干去渣后，過(guò)2 mm篩，混勻。另取少許土樣分別過(guò)2 mm和0.149 mm尼龍篩，測(cè)定土壤基本理化性狀[12]。土壤pH值63.96，有機(jī)質(zhì)含量23.21 g·kg-1；堿解氮、速效鉀、速效磷、全鎘、有效鎘含量分別為133.83、216.57、56.72、0.524和0.116 mg·kg-1。

1.2 處理設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)3個(gè)鎘濃度，分別為1 mg·kg-1Cd(Cd1)、5 mg·kg-1Cd(Cd5)、以未添加Cd的稻田土為對(duì)照(Cd0)，每處理種植36桶。

試驗(yàn)盆缽為25 cm(直徑)×30 cm(高)黑色塑膠桶。將過(guò)篩混勻土裝入塑膠桶，每桶裝土15 kg，通過(guò)添加CdCl2·2.5H2O溶液模擬污染土壤，使土壤鎘濃度達(dá)到試驗(yàn)要求。施入鎘后將桶中土攪拌均勻，加入去離子水完全淹水預(yù)培養(yǎng)1個(gè)月后種植水稻。種植前，按每千克土加入0.32 g尿素(含N 46%)、0.14 g磷酸二氫鉀(含P2O512%)和0.25 g氯化鉀(含K2O 60%)作為基肥。于5月25日移栽育好的水稻秧苗，每桶3穴，每穴2株。尿素追肥和病蟲(chóng)害防治措施同當(dāng)?shù)厮靖弋a(chǎn)田。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 分蘗動(dòng)態(tài)觀察

通過(guò)定點(diǎn)記錄每穴分蘗數(shù)，測(cè)定植株的分蘗動(dòng)態(tài)。

1.3.2 生物量測(cè)定

植株收獲后，先用自來(lái)水小心清洗，再用去離子水反復(fù)沖洗并吸干表面水分，分為根系和莖葉兩部分，置于烘箱中105 ℃下殺青30 min，70 ℃恒溫下烘干至恒重并用萬(wàn)分之一電子天平稱量植株根和莖葉干重。

1.3.3 根系活力測(cè)定

采用TTC還原法測(cè)定根系活力[13]。

1.3.4 植株Cd含量測(cè)定

植株不同器官Cd含量采用硝酸-高氯酸(4∶1，V∶V)濕法消煮，超純水定容后用石墨爐原子吸收分光光度計(jì)(AA240FS，VARIAN，USA)進(jìn)行測(cè)定。以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW080684為內(nèi)標(biāo)進(jìn)行質(zhì)量控制，同時(shí)全程做空白試驗(yàn)。分析所用試劑均為優(yōu)級(jí)純，分析所用器皿均以5%硝酸溶液浸泡過(guò)夜，用去離子水洗凈。

1.4 富集系數(shù)、轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)、分配比例

參照文獻(xiàn)[14]。富集系數(shù)=水稻器官Cd含量/土壤Cd含量，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)=水稻地上部各器官Cd含量/根部Cd含量，分配比例/%=(植株各器官Cd積累量/整株Cd積累量)×100。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003和SPSS 19.0軟件分析處理數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 鎘污染對(duì)水稻分蘗的影響

從圖1可以看出，Cd污染下水稻莖蘗數(shù)隨生育期的變化趨勢(shì)總體相似，呈單峰型曲線。Cd污染下水稻的最大莖蘗數(shù)有所降低，與對(duì)照相比，1 mg·kg-1Cd和5 mg·kg-1Cd污染下分蘗速度較慢，且分蘗峰值低，每穴最大莖蘗數(shù)分別低0.67和1.67個(gè)，分別下降2.38%和5.96%。此外，Cd污染使水稻的有效莖蘗數(shù)有所下降，與對(duì)照相比，1 mg·kg-1Cd和5 mg·kg-1Cd污染下有效莖蘗數(shù)分別下降3.35%和8.35%，其中5 mg·kg-1Cd污染下差異明顯(P<0.05)；分蘗成穗率分別下降0.99%和3.18%。

圖1 鎘污染對(duì)水稻分蘗動(dòng)態(tài)的影響

2.2 鎘污染對(duì)水稻分蘗期植株生物量的影響

干物質(zhì)量可反映作物生長(zhǎng)發(fā)育的好壞。圖2表明，不同Cd污染下水稻單株根和莖葉干物質(zhì)積累量不同，與對(duì)照相比，1 mg·kg-1Cd污染下水稻根系和莖葉的生物量未受明顯影響；5 mg·kg-1Cd污染下水稻分蘗期根系和地上部的生物量明顯降低(P<0.05)，分別降低12.31%和14.81%。這與呂銀斐等[15]的研究結(jié)果一致。

圖2 鎘污染對(duì)水稻植株生物量的影響

2.3 鎘污染對(duì)水稻分蘗期根系活力的影響

根系是植物吸收養(yǎng)分的主要器官，其活力的強(qiáng)弱直接影響植株的生長(zhǎng)。由圖3可以看出，1 mg·kg-1Cd污染對(duì)水稻根系活力無(wú)明顯的抑制作用，而5 mg·kg-1Cd污染處理使水稻根系活力明顯降低(P<0.05)，與對(duì)照相比，根系活力降低9.20%。這與劉春梅等[13]的研究結(jié)果一致。

圖3 Cd污染對(duì)水稻根系活力的影響

2.4 Cd污染對(duì)水稻分蘗期植株Cd含量和積累的影響

分蘗期水稻根、莖葉Cd含量見(jiàn)圖4。在不同濃度Cd污染下水稻不同部位Cd含量差異顯著。各部位Cd含量均隨著Cd污染濃度增大明顯增加，且根中Cd含量顯著高于莖葉。這與莫爭(zhēng)等[7]的研究結(jié)果一致。Cd主要集中在根部，與Cd進(jìn)入根皮層細(xì)胞后，同根內(nèi)蛋白質(zhì)、多糖、核糖、核酸等化合形成穩(wěn)定的大分子絡(luò)合物，或與形成不溶性有機(jī)大分子而沉積下來(lái)有關(guān)[16]。在1 mg·kg-1Cd污染下，根內(nèi)Cd含量為莖葉的4.91倍。在5 mg·kg-1Cd污染下，根內(nèi)Cd含量是莖葉內(nèi)的4.61倍，表明較高濃度Cd污染下，根系與莖葉Cd含量差距在減小。

圖4 Cd污染下水稻不同部位Cd含量

水稻植株不同部位及整株Cd積累量均隨著Cd污染濃度增大而明顯增加。由表1可知，與對(duì)照相比，1 mg·kg-1Cd污染下，根、莖葉和植株Cd積累量分別增加1.30、0.51和0.82倍；5 mg·kg-1Cd污染下，根、莖葉和植株Cd積累量分別增加5.57、3.78和4.49倍?？梢?jiàn)，Cd污染明顯促進(jìn)植株中Cd的積累。

表1 Cd污染下水稻根與莖葉Cd積累量

處理積累量/μg根莖葉植株積累總量Cd02094±022c3156±025c5251±061cCd14826±054b4753±043b9578±152bCd511655±143a11914±116a23569±206a

注：處理間無(wú)相同字母表示差異顯著。

2.5 水稻分蘗期不同部位的Cd富集系數(shù)、轉(zhuǎn)移系數(shù)和分配比例

由表2可知，Cd污染對(duì)水稻分蘗期各部位的Cd富集系數(shù)有一定影響。隨著Cd污染程度的增加，水稻分蘗期根和莖葉的Cd富集系數(shù)均呈降低趨勢(shì)，與對(duì)照相比，1和5 mg·kg-1Cd污染下，根系Cd富集系數(shù)分別下降16.50%和39.81%，莖葉Cd富集系數(shù)分別下降43.75%和59.38%。Cd在水稻植株體內(nèi)的轉(zhuǎn)移系數(shù)隨著Cd污染程度的增加呈下降趨勢(shì)。相比對(duì)照，1和5 mg·kg-1Cd使分蘗期水稻根系Cd分配比例增加，而使莖葉Cd分配比例下降，且二者間無(wú)明顯差異，說(shuō)明隨著Cd污染程度的增加，水稻分蘗期根、莖葉的分配比例較為穩(wěn)定。

表2 Cd污染下水稻不同器官Cd富集、轉(zhuǎn)移和分配情況

處理富集系數(shù)根莖葉轉(zhuǎn)移系數(shù)分配比例/%根莖葉Cd010303203139896011Cd108601802250384962Cd506201302049455055

3 小結(jié)與討論

水稻是我國(guó)重要的農(nóng)作物，在整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)安定中起著重要作用。稻田重金屬Cd污染導(dǎo)致水稻生長(zhǎng)發(fā)育受阻，進(jìn)而影響產(chǎn)量。土壤Cd污染對(duì)水稻分蘗期植株生長(zhǎng)、發(fā)育及器官Cd積累的作用受土壤因素和品種基因型的影響甚為顯著，常因試驗(yàn)條件不一導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果多有差異。研究表明，土壤低濃度Cd含量能促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育，使其生物量顯著增加，但當(dāng)Cd達(dá)到一定濃度時(shí)會(huì)抑制植物的光合生產(chǎn)力，根系活力受抑，生物量減少[17-18]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，與不加Cd處理相比，1 mg·kg-1Cd污染對(duì)水稻的分蘗、生物量和根系活力均未受到明顯的影響，但在5 mg·kg-1Cd污染下，水稻的生長(zhǎng)發(fā)育(分蘗、生物量和根系活力)受到明顯的抑制，呈現(xiàn)出較為明顯的Cd毒害特征，這與呂銀斐等[15]研究結(jié)果相一致。不同Cd濃度對(duì)分蘗期水稻器官Cd吸收累積有明顯的影響。本試驗(yàn)得出，分蘗期水稻根系與莖葉中Cd含量與積累量隨土壤Cd濃度的增加而明顯升高，這與喻華等[18]的研究結(jié)果相似。此外，隨著Cd污染程度的增加，根和莖葉的Cd富集系數(shù)、轉(zhuǎn)移系數(shù)均呈降低趨勢(shì)。1和5 mg·kg-1Cd使水稻根系Cd分配比例增加，莖葉Cd分配比例下降，且趨于穩(wěn)定。

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(責(zé)任編輯：張瑞麟)

2017-02-23

國(guó)家自然科學(xué)基金(31460100；41261095)

林 肖(1990—)，男，貴州畢節(jié)人，碩士研究生，研究方向?yàn)橹亟饘傥廴九c植物營(yíng)養(yǎng)。

何俊瑜，教授，從事環(huán)境生理生態(tài)方面的研究工作，E-mail：junyuhe0303@sina.com。

10.16178/j.issn.0528-9017.20170505

S511

A

0528-9017(2017)05-0743-04

文獻(xiàn)著錄格式：林肖，任艷芳，張艷超，等. 鎘污染對(duì)水稻分蘗期植株生長(zhǎng)及鎘積累的影響[J].浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，58(5)：743-746.