不同水稻品種抗鎘富集能力研究

黃建立 林 滉 賴應(yīng)輝 張青齡 陳凌鋒

(福建省糧油質(zhì)量監(jiān)測所1，福州 350002) (福建省糧食和物資儲(chǔ)備局2，福州 350002)

水稻位居我國三大糧食作物之首，是最重要的糧食作物[1]。近年來，我國農(nóng)田土壤重金屬污染日趨嚴(yán)重，重金屬通過水稻吸收，進(jìn)入食物鏈進(jìn)而危害人類健康，成為水稻質(zhì)量安全問題，受到了社會(huì)的廣泛關(guān)注。鑒于我國的國情，對(duì)大面積的中輕度污染農(nóng)田停止耕種，而通過長時(shí)間的植物修復(fù)或其它成本昂貴工程修復(fù)顯然是不現(xiàn)實(shí)的[2]。從水稻本身出發(fā)，研究發(fā)現(xiàn)水稻品種不同，對(duì)重金屬的吸收也顯著不同[3-5]，在此基礎(chǔ)上，Oliver等[6]和Liu等[7]發(fā)現(xiàn)水稻品種決定重金屬Cd在水稻不同組織器官中的比例分配。因此，通過篩選抗重金屬富集水稻品種，來保障糧食安全十分必要[8-10]。

本實(shí)驗(yàn)研究了不同水稻品種抗Cd富集能力，對(duì)從湖南引進(jìn)的5個(gè)Cd低積累水稻品種：創(chuàng)優(yōu)華占、Y兩優(yōu)957、Y兩優(yōu)911、旺兩優(yōu)958、旺兩優(yōu)950采用了大田種植方式，在福建省選擇3處典型稻田進(jìn)行了種植實(shí)驗(yàn)，旨在篩選出重金屬Cd富集能力相對(duì)較低的水稻品種，為水稻安全生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器試劑

1.1.1 實(shí)驗(yàn)作物

從湖南引進(jìn)的5個(gè)水稻品種：創(chuàng)優(yōu)華占、Y兩優(yōu)957、Y兩優(yōu)911、旺兩優(yōu)958、旺兩優(yōu)950。采用大田種植方式分別在3處典型稻田種植(DCNY、SJHP、XTSX)，根據(jù)3處實(shí)驗(yàn)稻田當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的種植方式，進(jìn)行田間管理。

1.1.2 儀器與試劑

儀器：Ultra ClearTMTWF UV TM超純水機(jī)；Multiwave PRO微波反應(yīng)系統(tǒng)；7900型電感耦合等離子質(zhì)譜儀。

試劑：硝酸(優(yōu)級(jí)純)；含10 mg/L多元素標(biāo)準(zhǔn)貯備液(27元素)；含10 μg/mL Li、Y、Ce、Tl、Co的ICP-MS調(diào)諧液；含10 μg/mL Li、Sc、Ge、Rh、In、Tb、Lu、Bi的內(nèi)標(biāo)溶液；實(shí)驗(yàn)用水為超純水；高純氬氣(純度>99.9%)；高純氦氣(純度>99.9%)。

1.1.3 ICP-MS工作條件

按照1.3中的ICP-MS調(diào)諧液對(duì)儀器條件進(jìn)行優(yōu)化，使儀器各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到測定要求，儀器參數(shù)見表1。

表1 ICP-MS工作參數(shù)

1.2 取樣與檢測重金屬Cd

在種植后60 d、收割當(dāng)天采用隨機(jī)取樣法采集稻田表層(0～20 cm)土壤樣品3個(gè)重復(fù)樣，每份樣品100 g；收割當(dāng)天同時(shí)對(duì)水稻進(jìn)行取樣，按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求每個(gè)水稻品種隨機(jī)取3個(gè)重復(fù)樣，每份樣品500 g。

1)土壤樣品測定

土壤樣品在實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干后，用粉碎機(jī)粉碎過40目篩后，稱取0.1 g左右樣品，置于微波消解罐中，加入3 mL硝酸和2 mL氫氟酸，置于電熱板中110 ℃預(yù)消解30 min，冷卻后，置于微波消解儀中，按表3的消解程序設(shè)定微波消解升溫步驟進(jìn)行消解，消解結(jié)束，放氣后置于電熱板中110 ℃趕酸200 min至1 mL左右溶液，用超純水定容40 mL，搖勻，制備成樣品，同時(shí)做試劑空白實(shí)驗(yàn)，上機(jī)測定樣品Cd含量。

參照NY/T 1377—2007《土壤pH的測定》[11]測定土壤樣品的pH值。

2)稻谷樣品測定

稻谷經(jīng)曬干后，參照GB 5009.268—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中多元素的測定》[12]，經(jīng)礱谷機(jī)脫殼、粉碎機(jī)粉碎后過40目篩后，稱取0.3 g左右樣品，置于微波消解罐中，加入3 mL硝酸，置于電熱板中110 ℃預(yù)消解30 min，冷卻后，置于微波消解儀中，按表2的消解程序設(shè)定微波消解升溫步驟進(jìn)行消解，消解結(jié)束，放氣后置于電熱板中110 ℃趕酸200 min至1 mL左右溶液，用超純水定容20 mL，搖勻，制備成樣品，同時(shí)做試劑空白實(shí)驗(yàn)和國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)糙米粉，上機(jī)測定樣品Cd含量。

表2 微波消解程序

1.3 數(shù)據(jù)分析

富集系數(shù)(BF)=糙米中Cd含量/土中Cd含量，變異系數(shù)(CV)=標(biāo)準(zhǔn)偏差/平均值×100%。實(shí)驗(yàn)獲得數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，采用SPSS 17軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，主要數(shù)據(jù)處理方式有方差分析、相關(guān)性分析和聚類分析等，顯著性差異用 One-Way ANOVA Duncan多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)土壤pH值和重金屬Cd含量

各實(shí)驗(yàn)稻田土壤的pH值和重金屬含量檢測結(jié)果見表3。根據(jù)差異顯著性分析，三個(gè)實(shí)驗(yàn)中每個(gè)稻田在實(shí)驗(yàn)水稻種植中期和收獲后的土壤的pH值和重金屬Cd含量差異均無顯著性差異，說明土壤在實(shí)驗(yàn)水稻種植期間pH值和重金屬Cd含量未發(fā)生變化。

2.2 不同品種稻谷重金屬Cd含量

5個(gè)待篩查的水稻品種重金屬Cd含量在不同的稻田表現(xiàn)不一致(表4)：在XTSX稻田中，創(chuàng)優(yōu)華占重金屬Cd含量最高，Y兩優(yōu)911重金屬Cd含量最低，且極顯著低于其他4個(gè)品種金屬Cd含量(P<0.01)；在SJPH稻田，旺兩優(yōu)950重金屬Cd含量最高，Y兩優(yōu)911重金屬Cd含量最低，且極顯著低于旺兩優(yōu)958、旺兩優(yōu)950和Y兩優(yōu)957等3個(gè)品種金屬Cd含量(P<0.01)，與創(chuàng)優(yōu)華占差異不顯著；在DCNY稻田中，每個(gè)品種重金屬Cd含量均超過限量0.2 mg/kg[13]，其中Y兩優(yōu)911和Y兩優(yōu)957重金屬Cd含量最低(兩個(gè)品種間差異不顯著)，且極顯著低于其他3個(gè)品種金屬Cd含量(P<0.01)。

表3 實(shí)驗(yàn)稻田土壤pH值和Cd含量

注：同列數(shù)值后肩注不同小寫字母者表示差異顯著(P<0.05)，肩注相同小寫字母或未標(biāo)字母的者表示差異不顯著(P>0.05)。

表4 不同品種稻谷Cd含量/(mg/kg)

注：同列數(shù)值后肩注不同小寫字母者表示差異顯著(P<0.05)，肩注不同大寫字母者表示差異極顯著(P<0.01)，肩注相同小寫字母或未標(biāo)字母的者表示差異不顯著(P>0.05)，余同。

2.3 不同品種稻谷重金屬Cd的聚類分析

對(duì)不同品種稻谷重金屬Cd含量進(jìn)行聚類分析，結(jié)果見圖1，不同品種稻谷重金屬Cd含量聚類分析可分為3類：第Ⅰ類各2個(gè)品種(旺兩優(yōu)958和旺兩優(yōu)950)，第Ⅱ類各1個(gè)品種(Y兩優(yōu)957)，第Ⅲ類各2個(gè)品種(Y兩優(yōu)911和創(chuàng)優(yōu)華占)。其中第Ⅰ類品種稻谷重金屬Cd含量最高，第Ⅱ類品種稻谷重金屬Cd含量次之，因此，在重金屬污染區(qū)進(jìn)行品種選擇時(shí)可以優(yōu)先考慮第Ⅲ類的品種。

圖1 不同品種稻谷重金屬Cd的聚類分析

2.4 不同品種稻谷重金屬Cd富集能力的差異

為了進(jìn)一步了解不同品種稻谷重金屬Cd吸收的差異，通過比較不同品種稻谷重金屬Cd富集能力發(fā)現(xiàn)(表5)：XTSX、SJPH和DCNY的3個(gè)實(shí)驗(yàn)稻田中，Y兩優(yōu)911稻谷重金屬Cd富集能力除同SJPH種植的創(chuàng)優(yōu)華占和DCNY的Y兩優(yōu)957比較差異不顯著以外，均極顯著低于其余品種(P<0.01)。因此，可將Y兩優(yōu)911作為重金屬污染區(qū)減少稻谷重金屬富集的品種種植。

表5 品種稻谷重金屬Cd富集能力的差異

3 討論

3.1 同一稻田中不同品種水稻重金屬Cd含量不同

土壤中的重金屬Cd首先被水稻的根系吸收，再經(jīng)過木質(zhì)部轉(zhuǎn)運(yùn)到水稻植株的地上部分，通過生物轉(zhuǎn)化在水稻組織中沉淀，最終成為水稻籽粒中的大部分重金屬Cd來源，大量研究表明，由于水稻遺傳特性存在差異，對(duì)重金屬Cd的吸收也存在差異[14，15]。本實(shí)驗(yàn)通過對(duì)每一稻田中種植的不同品種水稻Cd含量進(jìn)行測定、比較，并對(duì)不同品種水稻重金屬Cd含量進(jìn)行聚類分析，發(fā)現(xiàn)每一個(gè)品種在同一個(gè)稻田中重金屬Cd含量不同，這與前人的研究結(jié)論一致[3-5]。

3.2 同一品種水稻在不同稻田的重金屬Cd含量不同

通過本實(shí)驗(yàn)在不同稻田水稻重金屬Cd含量進(jìn)行測定比較，發(fā)現(xiàn)每一個(gè)品種在不同稻田中Cd吸收的含量均不同。研究發(fā)現(xiàn)，水稻對(duì)Cd的吸收積累因土壤重金屬的生物活性的不同而有很大的差異[16]。另外，土壤微環(huán)境影響植物對(duì)Cd2+的吸收[17]，這主要是由于各個(gè)稻田土壤中重金屬Cd背景、土壤的理化性質(zhì)和施用農(nóng)藥化肥都不相同，導(dǎo)致水稻從不同土壤中吸收的Cd含量也不同，且含量不由于土壤中Cd含量的升高而升高或降低，最終反映出水稻籽粒中Cd含量不同且不呈現(xiàn)線性相關(guān)。

3.3 不同品種水稻重金屬Cd富集能力不同

水稻重金屬Cd富集能力是考察稻谷顆粒從土壤中吸收重金屬Cd能力的一個(gè)重要的指標(biāo)，根據(jù)種植收獲期每個(gè)稻田的重金屬Cd含量和每個(gè)稻田中不同品種水稻的重金屬Cd含量求得水稻重金屬Cd富集。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)Y兩優(yōu)911在三個(gè)實(shí)驗(yàn)稻田中重金屬Cd富集能力最低，可優(yōu)先考慮Y兩優(yōu)911作為耕地抗重金屬Cd水稻品種的對(duì)象，深入研究。

3.4 稻田環(huán)境條件影響情況

根據(jù)GB 15618—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》[18]，土壤的Cd含量限量依據(jù)土壤pH值不同而不同。XTSX稻田的土壤pH值小于5.5，重金屬Cd在0.216～0.221 mg/kg之間，SJPH的pH值小于5.5，重金屬Cd在0.36～0.54 mg/kg之間，DCNY為6.5

4 結(jié)論

選取3塊典型稻田進(jìn)行不同品種水稻種植實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)收集的數(shù)據(jù)分析，證實(shí)了水稻重金屬Cd含量因品種和種植稻田不同而不同，同時(shí)篩選出重金屬Cd富集能力相對(duì)較低的Y兩優(yōu)911品種，為水稻質(zhì)量安全生產(chǎn)提供參考。