土壤鎘污染對水稻孕穗期植株生長及鎘積累的影響

林肖，任艷芳，2，張艷超，王艷玲，何俊瑜，2*

（1.貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，貴州貴陽550025；2.常州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，江蘇常州213164）

土壤鎘污染對水稻孕穗期植株生長及鎘積累的影響

林肖1，任艷芳1，2，張艷超1，王艷玲1，何俊瑜1，2*

（1.貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，貴州貴陽550025；2.常州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，江蘇常州213164）

為了明確Cd對水稻孕穗期植株生長的影響及其在植株體內(nèi)的積累分配特征，以水稻品種中優(yōu)169為試材，通過盆栽試驗(yàn)，研究了土壤不同含量Cd對水稻孕穗期植株根系活力、干物質(zhì)量以及Cd積累和分配的影響。結(jié)果表明：水稻孕穗期根系活力和器官干物質(zhì)量均隨土壤Cd含量的提高而降低，當(dāng)Cd含量為5 mg/kg時，水稻根系活力和器官干物質(zhì)量均受到明顯抑制；隨著Cd含量的提高，水稻根系和地上部的Cd含量以及積累量均明顯增加；1 mg/kg的Cd處理下水稻根系Cd富集系數(shù)和分配比例下降，而轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)以及地上部的富集系數(shù)和分配比例增加；5 mg/kg的Cd處理下水稻根系和地上部的Cd富集系數(shù)、轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)以及地上部的Cd分配比例下降，而根系的Cd分配比例增加。較高程度的Cd污染，抑制了孕穗期水稻的生長。Cd污染增加了水稻各部位對Cd的積累，但高Cd污染時Cd向水稻地上部遷移與分配的能力會降低。

鎘；土壤污染；水稻；孕穗期；根系活力；積累；分配

隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的不斷發(fā)展，重金屬通過生活污水排放、大氣沉降、采礦冶煉、農(nóng)藥化肥的大量施用等途徑進(jìn)入農(nóng)田，且數(shù)量逐年增加，造成農(nóng)田土壤重金屬污染形勢越來越嚴(yán)重[1]，其中，以鎘（Cd）污染最為嚴(yán)重，Cd污染面積約占總污染面積的40%[2]。Cd是生物體的非必需元素，在環(huán)境中具有很強(qiáng)的遷移轉(zhuǎn)化特性，因?qū)θ梭w高度危害而被列為農(nóng)田五大重金屬污染元素之一[3]。因此，研究Cd對作物生長的影響以及作物對Cd的吸收積累特點(diǎn)，對合理利用Cd污染農(nóng)田、保證農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全具有重要意義。

水稻是我國重要的糧食作物之一，也是吸收積累Cd較強(qiáng)的農(nóng)作物[4]。稻田Cd污染會影響水稻生長，更為嚴(yán)重的是，Cd大量積累于稻米中會影響稻米質(zhì)量[5]。據(jù)報道，我國受Cd污染的稻田已達(dá)28萬hm2，每年生產(chǎn)的Cd含量超標(biāo)農(nóng)產(chǎn)品超過7.3億t[6]。隨著農(nóng)田Cd污染的加劇，稻米安全問題與日俱增。近年來，我國學(xué)者在Cd污染對水稻生長發(fā)育、生理生化特性的影響[7]及其耐性機(jī)制[8，9]，Cd在水稻植株中的吸收積累[10，11]，以及不同水稻品種對Cd的積累差異[12，13]等方面進(jìn)行了大量研究；但是，水稻對Cd積累方面的研究多設(shè)置單一土壤Cd含量，而在不同Cd污染條件下水稻對Cd的吸收、積累以及分配特征卻鮮有報道。研究表明，水稻不同生育期和不同部位對Cd的吸收和積累效應(yīng)不同[14，15]。孕穗期是水稻生長發(fā)育的重要時期，此時水稻代謝旺盛，對Cd的吸收能力強(qiáng)，若稻田受到Cd污染，不僅會對水稻生長、群體結(jié)構(gòu)和產(chǎn)量產(chǎn)生較大影響，而且，還會造成Cd在植株體內(nèi)積累，影響稻米質(zhì)量安全，進(jìn)而威脅人們的身體健康。因此，明確孕穗期水稻Cd的積累分配特征，對于采取有效措施降低水稻Cd累積、保證糧食質(zhì)量安全具有重大的社會意義。通過盆栽試驗(yàn)，分析Cd污染對水稻孕穗期植株根系活力、干物質(zhì)積累以及Cd吸收積累的影響，旨為明確孕穗期水稻Cd的分布特點(diǎn)，從而為采取相應(yīng)措施降低水稻對Cd的吸收積累提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

水稻品種為中優(yōu)169。在無污染的稻田中育秧，備用。

基礎(chǔ)土壤為典型稻田土。取自貴陽市花溪區(qū)稻田耕層，土樣風(fēng)干后去渣，過2mm篩后混勻，備用。土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分含量[16]為有機(jī)質(zhì)23.21 g/kg、堿解氮133.83mg/kg、速效磷56.72mg/kg、速效鉀216.57mg/kg，pH值6.96，Cd含量0.524 mg/kg，有效Cd含量0.116 mg/kg。

CdCl2·2.5H2O試劑，為優(yōu)級純。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)2015年在貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院盆栽試驗(yàn)場采用盆栽試驗(yàn)進(jìn)行研究，試驗(yàn)用盆為直徑25 cm、高30 cm的黑色塑膠桶。在稻田土中添加不同劑量的Cd試劑，以模擬不同程度Cd污染的土壤。試驗(yàn)Cd污染土壤的Cd含量設(shè)1 mg/kg（Cd1）和5 mg/kg（Cd5）2個處理，以不添加Cd試劑的稻田土作為對照（CK），每處理36桶。將稻田土裝入塑膠桶，裝土量為15 kg/桶，分別添加1 mg/L的CdCl2·2.5H2O溶液14.51和136.38 mL，使土壤全Cd含量達(dá)到試驗(yàn)要求。將土攪拌均勻，加入去離子水完全淹水預(yù)培養(yǎng)1個月后種植水稻。種植前，所有試驗(yàn)土壤均加入尿素（N含量46%）0.32 g/kg、過磷酸鈣（P2O5含量12%）0.14 g/kg和氯化鉀（K2O含量60%）0.25 g/kg做基肥。5月25日栽秧，3穴/桶，2株/穴。尿素追肥和病蟲害防治措施同當(dāng)?shù)厮靖弋a(chǎn)田。

1.2.2 測定項(xiàng)目與方法

1.2.2.1 植株根系活力。采用TTC還原法[17]測定。

1.2.2.2 植株生物量。孕穗期，將水稻全株收獲，先用自來水清洗，再用去離子水反復(fù)沖洗，吸干表面水分，將植株分成根系和地上部2個部分，置于烘箱內(nèi)先105℃殺青30 min，而后70℃恒溫烘干至恒重，晾涼后，分別稱量植株根系和地上部的干重。

1.2.2.3 植株Cd含量。采用硝酸-高氯酸（4∶1，V/V）濕法消煮，超純水定容后，利用AA240FS型石墨爐原子吸收分光光度計(jì)（VARIAN，USA），測定水稻植株不同器官的Cd含量。以國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GB W080684為內(nèi)標(biāo)進(jìn)行質(zhì)量控制，同時全程做空白實(shí)驗(yàn)。所用器皿均用5%硝酸溶液浸泡過夜，并用去離子水沖洗干凈。

1.2.2.4 植株Cd積累量。根據(jù)公式，計(jì)算水稻單株各部位的Cd積累量：

Cd積累量（μg/株）=Cd含量（mg/kg）×干重（g/株）

1.2.2.5 植株富集系數(shù)、轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)、分配比例。根據(jù)公式[18]計(jì)算得到：

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

1.2.3 數(shù)據(jù)處理采用Excel 2003和SPSS 19.0軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 Cd污染土壤對水稻孕穗期植株根系活力的影響

根系是植物吸收養(yǎng)分的主要器官，其活力直接影響到植株的生長。較高的根系活力是植株干物質(zhì)積累和良好生長發(fā)育的保證。土壤受到Cd污染后，根系作為直接接觸重金屬的器官，首當(dāng)其沖遭受毒害。

Cd處理的水稻根系活力均＜CK，其中，Cd1處理與CK差異不顯著；Cd5處理根系活力較CK降低17.66%，差異達(dá)顯著水平（表1）。表明Cd污染會導(dǎo)致孕穗期水稻根系活力降低，其中，土壤Cd含量為1 mg/kg時抑制作用不明顯。與劉春梅等[17]的研究結(jié)果相似。

表1 Cd污染土壤對水稻孕穗期根系活力以及植株根系和地上部干物質(zhì)量的影響Table 1 Effects of Cd polluted soil on the roots activity，dry matter in roots and shoots of rice at booting stage

2.2 Cd污染土壤對水稻孕穗期植株干物質(zhì)量的影響

干物質(zhì)量可以反映作物的生長發(fā)育狀況。Cd處理的水稻根系和地上部干物質(zhì)量均＜CK，其中，Cd1處理2個指標(biāo)值與CK差異均不顯著；Cd5處理根系、地上部干物質(zhì)量分別較CK降低12.04%和16.31%，差異均達(dá)到了顯著水平。表明Cd污染會抑制孕穗期水稻根系和地上部生長，其中，土壤Cd含量為1mg/kg時抑制作用不明顯。與張艷超等[19]的研究結(jié)果相似。

2.3 Cd污染土壤對水稻孕穗期植株Cd含量和積累量的影響

2.3.1 對植株Cd含量的影響Cd處理的水稻根系、地上部Cd含量均顯著＞CK，且Cd5處理的指標(biāo)值均顯著＞Cd1處理（表2）。表明Cd污染會導(dǎo)致孕穗期水稻根系和地上部Cd含量明顯提高，且Cd含量均隨Cd污染程度的增大而明顯提高。與莫爭等[10]的研究結(jié)果相一致。

對Cd污染稻田水稻植株不同部位的Cd含量進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，根系的Cd含量明顯＞地上部。表明水稻受到Cd污染后，Cd主要集中在根部。原因是Cd進(jìn)入根系的皮層細(xì)胞后，與根內(nèi)蛋白質(zhì)、多糖、核糖、核酸等結(jié)合形成穩(wěn)定的大分子絡(luò)合物或不溶性有機(jī)大分子而沉積下來[20]。Cd1、Cd5處理地上部的Cd含量分別為其相應(yīng)處理根系的11.57%和5.34%，表明隨著Cd污染程度的增大，水稻孕穗期地上部與根系的Cd含量差距增大。

表2 Cd污染土壤對水稻孕穗期根系和地上部Cd含量的影響（mg/kg）Table 2 Effects of Cd polluted soil on Cd contents in roots and shoots of rice at booting stage

2.3.2 對植株Cd積累量的影響Cd處理的水稻根系、地上部以及整株Cd積累量均顯著＞CK，且Cd5處理的指標(biāo)值均顯著＞Cd1處理（表3）。表明Cd污染會導(dǎo)致孕穗期水稻根系、地上部以及整株Cd積累量明顯提高，且Cd積累量均隨Cd污染程度的增大而明顯提高。

對Cd污染稻田水稻植株不同部位的Cd積累量進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，Cd1、Cd5處理根系的Cd積累量分別占整株Cd積累總量的58.52%和69.30%。表明水稻受到Cd污染后，其吸收的Cd大部分累積在根部，而較少向地上部轉(zhuǎn)移。Cd1、Cd5處理地上部的Cd積累量分別為其相應(yīng)處理根系的70.89%和44.31%，表明隨著Cd污染程度的增大，水稻孕穗期地上部與根系的Cd積累量差距增大。

表3 Cd污染土壤對水稻孕穗期根系和地上部Cd積累量的影響（μg/株）Table 3 Effects of Cd polluted soil on Cd accumulation in roots and shoots of rice at booting stage

2.4 水稻孕穗期不同器官的Cd富集系數(shù)、轉(zhuǎn)移系數(shù)和分配比例

不同程度的Cd污染，對水稻不同部位Cd的富集系數(shù)和分配比例以及轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)影響不同（表4）。與CK相比，Cd1處理的根系Cd富集系數(shù)降低了9.02%、地上部Cd富集系數(shù)增加了15.38%，Cd由根系向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)提高了33.33%，使根系Cd分配比例下降了9.36%、地上部Cd分配比例增加了17.04%；而Cd5處理的根系和地上部Cd富集系數(shù)分別降低了38.89%和46.15%，Cd由根系向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)下降了11.11%，使根系Cd分配比例提高了7.34%、地上部Cd分配比例降低了13.37%。表明隨著Cd污染程度的增大，水稻孕穗期Cd向地上部遷移與分配的能力下降。

表4 Cd污染土壤對孕穗期水稻不同部位Cd富集系數(shù)、轉(zhuǎn)移系數(shù)和分配比例的影響Table 4 Effects of Cd polluted soil on enrichment coefficient，transfer coefficient and distribution ratio of Cd in different organs of rice at booting stage

3 結(jié)論與討論

水稻是我國重要的農(nóng)作物，在整個國民經(jīng)濟(jì)和社會安定中起重要作用。稻田重金屬污染會造成水稻生長發(fā)育受阻，產(chǎn)量降低[7，19]。丁園等[21]研究了Cd污染對水稻不同生育期生長和品質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)在同一生育期內(nèi)隨著土壤Cd含量的增加，水稻根系活力明顯受到抑制。本研究結(jié)果顯示，Cd污染會抑制孕穗期水稻的根系活力，且這種抑制作用隨著Cd脅迫程度的增大而增大。喻華等[22]研究顯示，土壤低含量Cd污染對植物生長發(fā)育有一定的促進(jìn)作用，當(dāng)Cd含量達(dá)到一定程度時，植物生長發(fā)育受阻，生物量減少。本研究條件下，與稻田土（CK）相比，土壤Cd含量為1 mg/kg時水稻各部位生物量和根系活力均未受到明顯影響，但當(dāng)Cd含量達(dá)到5 mg/kg時水稻生長發(fā)育受到顯著抑制，表現(xiàn)出較為明顯的Cd毒害特征，這與張艷超等[19]的研究結(jié)果一致。

土壤Cd不同污染水平對孕穗期水稻不同部位的Cd吸收累積有明顯影響。本研究結(jié)果顯示，Cd在孕穗期水稻體內(nèi)不同部位的分布順序?yàn)楦担镜厣喜浚腋鞑课坏腃d含量和積累量均隨土壤Cd含量的增加而明顯增加，與喻華等[22]的研究結(jié)果一致。此外，隨著Cd污染程度的增大，根系對Cd的富集系數(shù)逐漸降低；但對于地上部來說，Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)和地上部Cd富集系數(shù)表現(xiàn)為土壤Cd含量1 mg/kg污染時增加，而在5 mg/kg污染時降低。從不同程度Cd污染稻田水稻根系與地上部Cd的分配比例看，土壤Cd含量為1 mg/kg時，水稻根系Cd分配比例降低，地上部Cd分配比例增加；而土壤Cd含量達(dá)到5 mg/kg時，水稻根系Cd分配比例增加，地上部Cd分配比例降低。說明Cd污染程度較低時有利于Cd向水稻地上部遷移與分配，而Cd污染程度較高時Cd向水稻地上部遷移與分配的能力下降。

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Effects of Cadmium Polluted Soil on Plant Growth and Accumulation of Cadmium in Rice at Booting Stage

LIN Xiao1，REN Yan-fang1，2，ZHANG Yan-chao1，WANG Yan-ling1，HE Jun-yu1，2*
（1.College of Agriculture，Guizhou University，Guiyang 550025，China；2.College of Environmental and Safety Engineering，Changzhou University，Changzhou 213164，China）

In order to make clear the effect of Cd on plant growth and the accumulation and distribution characteristics of Cd in rice,the root activity，dry matter，accumulation and distribution of Cd in rice cultivar Zhongyou169 at booting stage were studied under different Cd concentrations by pot experiment.The results showed that the root activity and dry matter of rice decreased with the increase of Cd concentration.When the Cd concentration was 5 mg/kg，the root activity and dry matter of rice were significantly inhibited.With the increase of Cd concentration，the accumulation of Cd increased significantly in roots and shoots of rice.1 mg/kg Cd decreased the enrichment coefficient and distribution ratio of Cd in rice roots，while it increased the transfer coefficient，enrichment coefficient and distribution ratio of Cd in shoots.5 mg/kg Cd decreased the enrichment coefficient and transfer coefficient of Cd in rice roots and shoots，and distribution ratio of Cd in shoots，while it increased the distribution ratio of Cd in roots.High concentration of Cd inhibited the growth of rice.Cd pollution increased the accumulation of Cd in different parts of rice.Moreover，high Cd pollution reduced the capacity of transfer and distribution of Cd in shoots of rice.

Cadmium；Soil pollution；Rice；Booting stage；Root activity；Accumulation；Distribution

S511

A

1008-1631（2017）03-0096-04

2016-12-30

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31460100）；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41261095）

林肖（1990-），男，貴州畢節(jié)人，碩士研究生在讀，研究方向?yàn)橹亟饘傥廴九c植物營養(yǎng)。

何俊瑜（1975-），男，山西河曲人，教授，博士，主要從事環(huán)境生理生態(tài)研究。E-mail：junyuhe0303@sina.com。