水稻和大豆對(duì)重金屬Cd的富集效應(yīng)差異性比較

趙懷敏，李 艷，劉麗萍，陶泉宏，胡 鈺，李 芯，官天培

(綿陽(yáng)師范學(xué)院/生態(tài)安全與保護(hù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川綿陽(yáng) 621006)

0 引言

隨著現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，土壤環(huán)境污染在不斷地加劇，特別是土壤重金屬污染.土壤是農(nóng)產(chǎn)品中重金屬的主要來源，農(nóng)用地土壤中累積的重金屬元素在農(nóng)作物中不斷富集，最終又會(huì)通過食物鏈進(jìn)入到人體內(nèi)，對(duì)人類的健康造成潛在的威脅.研究表明，土壤污染的加劇可增加農(nóng)產(chǎn)品中重金屬的積累，但土壤污染程度并非是影響農(nóng)作物吸收重金屬的唯一因素，不同種類農(nóng)作物對(duì)重金屬的富集效果存在差異[1-2].例如，不同葉菜類蔬菜品種對(duì)重金屬的吸收富集具有特異性差異[3]，玉米和稻米中鎘的富集系數(shù)也存在差異[4].在對(duì)糧食作物富集重金屬的研究中發(fā)現(xiàn)大豆各器官對(duì)土壤中鎘的吸收強(qiáng)弱表現(xiàn)為根>莖>葉>果實(shí)[5].土壤鉛和鎘在玉米和大豆中不同器官的富集不盡相同，表現(xiàn)在根>秸稈>葉>果實(shí)[6].也有研究表明：不同類型水稻品種間對(duì)鎘的吸收與累積有差異，而且水稻植株對(duì)鎘的吸收與積累在不同器官也存在差異[7].

本研究借助田間試驗(yàn)，分析了大豆和水稻各器官中重金屬Cd的含量，比較了富集特征以及對(duì)鎘的轉(zhuǎn)運(yùn)能力，進(jìn)而比較大豆和水稻對(duì)Cd的吸收運(yùn)輸能力.

1 材料與方法

1.1 樣品采集

研究地位于涪江流域上游地區(qū)平武縣內(nèi)，地處四川盆地西北部，屬北亞熱帶山地濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，氣候溫和，年均溫為14.7 ℃，降水豐富，年降水量約為866.5 mm，多年平均日照時(shí)間1 376 h，光照充分，多年平均無霜期約為252 d.該區(qū)多高山陡坡，土壤侵蝕現(xiàn)象嚴(yán)重，土壤礫石含量高，土層淺薄、結(jié)構(gòu)松散，土壤貧瘠.

在研究區(qū)域農(nóng)田內(nèi)隨機(jī)選擇了兩塊環(huán)境一致的農(nóng)用地作為試驗(yàn)區(qū)域，其中旱地種植大豆，水田種植水稻.兩塊農(nóng)用地耕作層土壤中重金屬Cd的含量見表1.通過獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)，兩塊地的鎘含量無差異.據(jù)《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)(試行)》(GB 15618-2018)標(biāo)準(zhǔn)(表2)，該試驗(yàn)區(qū)域土壤中Cd的平均含量超過了土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，通過獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)分析，兩塊地的鎘含量無顯著差異.

1.2 樣品采集與測(cè)定

在研究區(qū)域的旱地和水田中隨機(jī)選取3塊旱地，每塊旱地和水田隨機(jī)取3株大豆和水稻，將大豆和水稻植株的根、莖、葉、豆莢/稻谷分開，并用蒸餾水洗掉泥土后，在105 ℃下殺青1 h，然后在80 ℃烘箱中烘干至恒重.將豆莢和稻谷的外殼去除，保留可食用部分，并分別將根、莖、葉與可食用部分研磨至粉末狀，過100目網(wǎng)篩，用于重金屬含量測(cè)定.

根據(jù)朱維晃等人(2004)的方法[8]，測(cè)定植物樣品中重金屬Cd的含量，即采用HNO3-HClO4-HF混合酸消解植物樣品，酸的體積比為2∶1∶1，將消解后的樣品，用電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)測(cè)定植物樣品中的重金屬Cd的含量.

1.3 重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)與富集系數(shù)

富集系數(shù)( biological concentration factor, BCF)能夠反映植物對(duì)重金屬的富集(吸收)能力，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)( transfer factor, TF)可以用來反映植物對(duì)重金屬的轉(zhuǎn)運(yùn)能力[9]，其計(jì)算方法參考文獻(xiàn)[10]：

BCF=植物器官中重金屬含量/土壤中相應(yīng)重金屬含量

TF=植物地上部分重金屬含量/植物根部相應(yīng)重金屬含量

1.4 重金屬污染評(píng)估

采用單因子污染指數(shù)法評(píng)估大豆和水稻可食用部分的重金屬Cd污染水平，根據(jù)《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》(GB 2762-2012)標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)價(jià)大豆和水稻可食用部分的Cd污染程度，其計(jì)算方法參考文獻(xiàn)[11]：

P=C/S

其中，P為可食用部分中重金屬Cd的單因子污染指數(shù)，C為可食用部分中重金屬Cd的實(shí)測(cè)濃度，S為重金屬Cd在《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》(GB 2762-2012)標(biāo)準(zhǔn)中所對(duì)應(yīng)的限量值.P<1.0,表明未受重金屬Cd污染；13，則受重度污染，指數(shù)越大，受污染程度越嚴(yán)重.

1.5 數(shù)據(jù)處理

注：不同小寫字母表示不同物種間的差異顯著 (P<0.05)，不同大寫字母表示同一物種不同 器官間的差異顯著(P<0.05)，下同.圖1 大豆和水稻以及不同器官中Cd含量Fig.1 Cd content in soybeans and rice,and in different organs

采用Excel 2016 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，用SPSS 23．0 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,用origin作圖.先將數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，當(dāng)數(shù)據(jù)方差不齊性時(shí)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換，使其達(dá)到方差齊性.兩組數(shù)據(jù)間差異性比較采用T檢驗(yàn)中的獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)的方法，而多組數(shù)據(jù)間差異性比較先進(jìn)行單因素方差分析(one-way ANOVA)，再用Duncan檢驗(yàn)法進(jìn)行多重比較，圖表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差.

2 結(jié)果與分析

2.1 大豆和水稻中重金屬Cd含量的分布特征

大豆和水稻整株中及其各器官中Cd含量結(jié)果如圖1所示.水稻整株中重金屬Cd的含量顯著高于大豆整株中的含量.兩種農(nóng)作物的不同器官進(jìn)行比較，根、莖、葉、可食用部分中的Cd含量水稻中顯著高于大豆.每種農(nóng)作物各個(gè)器官間的Cd含量存在顯著差異，并且都是在根部含量最大，其次是莖，大豆在可食用部分中的含量最小，約為0.069 mg/kg，而水稻在可食用部分的含量大于在葉片中的含量，可食用部分中Cd含量約為0.608 mg/kg，大豆和水稻中各器官間差異均達(dá)顯著水平.

2.2 大豆與水稻對(duì)重金屬Cd的富集和轉(zhuǎn)運(yùn)特征

大豆和水稻對(duì)Cd的富集和轉(zhuǎn)運(yùn)特征如圖2和圖3所示.水稻的地上部分和地下部分Cd的含量均顯著高于大豆(圖2).水稻和大豆對(duì)重金屬Cd的富集系數(shù)均大于1，水稻為9.687，顯著大于大豆對(duì)重金屬Cd的富集系數(shù)1.734，約是大豆富集系數(shù)的5.6倍.水稻和大豆地上部分Cd含量均顯著大于地下部分Cd含量，大豆和水稻對(duì)Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均大于1，但大豆對(duì)Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)顯著高于水稻.

圖2 大豆與水稻地上、地下部分Cd含量Fig.2 Cd content of soybeans and riceon the ground and underground圖3 大豆與水稻的轉(zhuǎn)運(yùn)、富集系數(shù)Fig.3 Transfer and biological concentrationfactor of soybeans and rice

2.3 不同器官對(duì)重金屬Cd的富集特征

圖4 不同器官對(duì)Cd的富集系數(shù) Fig.4 The biological concentration factor of cd for different organs

不同器官對(duì)重金屬Cd的富集能力也有差異(圖4).在大豆植株中，不同器官對(duì)Cd的富集系數(shù)由大到小的順序?yàn)椋焊?莖>葉>可食用部分；而在水稻植株中，對(duì)Cd的富集系數(shù)由大到小依次為：根>莖>可食用部分>葉.從圖4中還可以看出，不僅不同器官對(duì)Cd的富集系數(shù)不同，且大豆和水稻植株中相同器官對(duì)Cd的富集系數(shù)也具有顯著差異.水稻的根、莖、葉、可食用部分實(shí)對(duì)Cd的富集系數(shù)分別顯著大于大豆植株中對(duì)應(yīng)器官對(duì)Cd的富集系數(shù).

2.4 可食用部分重金屬單項(xiàng)污染指數(shù)評(píng)價(jià)

用單項(xiàng)污染指數(shù)法對(duì)大豆和水稻可食用部分重金屬Cd污染水平進(jìn)行評(píng)價(jià)(表3).大豆可食用部分Cd污染指數(shù)值小于1，大豆可食用部分未受Cd的污染；水稻可食用部分Cd污染指數(shù)值約為3.040，大于3，受到Cd污染嚴(yán)重.

3 討論

Hao等人測(cè)定了受污染土壤中毛豆、豇豆、芝麻、辣椒四種植物的重金屬含量，發(fā)現(xiàn)其重金屬含量最高的是芝麻，其次是毛豆、豇豆，含量最低的是辣椒，該結(jié)果表明了不同作物體內(nèi)重金屬含量也不同[12].但也有研究表明，由于不同的作物具有不一樣的生物學(xué)特性，使其對(duì)重金屬元素的吸收積累量具有明顯的種間差異，一般情況為：豆類>小麥>水稻>玉米[13]，這與本研究結(jié)果不同.本研究結(jié)果表明，大豆和水稻對(duì)Cd的吸收具有差異，且水稻比大豆更容易吸收積累Cd，這可能與研究地土壤重金屬水平以及水稻和大豆的根系形態(tài)、根對(duì)Cd的吸收能力和生理活性[14]以及對(duì)Cd的富集轉(zhuǎn)運(yùn)能力有關(guān).

植物對(duì)重金屬的吸收轉(zhuǎn)移能力可以用富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)綜合反映.富集系數(shù)越大，則植物對(duì)該重金屬的富集能力就越強(qiáng)，當(dāng)富集系數(shù)大于1時(shí)，更有利于植物對(duì)土壤中相應(yīng)重金屬的吸收.當(dāng)轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)大于1時(shí)，有利于植物將根系吸收的重金屬轉(zhuǎn)移到地上部分.而當(dāng)轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)小于1時(shí)，則表明地上部分重金屬的含量低于地下部分重金屬含量，這不利于重金屬向地上部分轉(zhuǎn)移，從而減少對(duì)植物的毒害作用.在本研究中，水稻和大豆對(duì)Cd的富集系數(shù)、轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均大于1，但水稻對(duì)Cd的富集系數(shù)更大，則表明水稻和大豆都容易吸收土壤中的重金屬Cd，大豆和水稻植株地上部分重金屬Cd含量均大于所對(duì)應(yīng)的土壤環(huán)境中的重金屬Cd含量，這說明水稻和大豆都更易積累Cd而受到土壤中Cd的影響.大豆對(duì)Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)大于水稻對(duì)Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)，且均大于1，則表明大豆和水稻根系中吸收的Cd很容易被轉(zhuǎn)移到地上部分，即大豆和水稻能通過根不斷的吸收土壤中的相應(yīng)重金屬而轉(zhuǎn)運(yùn)到地上部分，一方面減少土壤中的重金屬含量可起到一定作用，但對(duì)食用種子的植物來說，重金屬往地上部分的轉(zhuǎn)移則可能造成食用部分的鎘超標(biāo).

植物的不同器官對(duì)重金屬的吸收能力也有差異，本研究結(jié)果顯示，大豆各器官中重金屬Cd含量的順序?yàn)椋焊?莖>葉>果；水稻中各器官中Cd含量的順序?yàn)椋焊?莖>稻米>葉.吳燕玉等人的研究表明植物各器官對(duì)元素的吸收能力不同，元素在作物體內(nèi)的分布一般為：根>莖>葉>籽實(shí)，呈寶塔狀分布，水稻根部吸收重金屬多，但向上遷移的較少，大豆根部雖然吸收的少，但向上遷移的較多[15].邵云等人研究了五種重金屬在小麥不同器官中的分布特征，顯示了重金屬在小麥中各部位的累積量不同，小麥植株中較易富集Cd的是根、葉和廢棄物[16].王倩倩的研究表明水稻中的Cd主要積累在根、莖中[17]；莫爭(zhēng)等人的研究發(fā)現(xiàn)，在水稻成熟期Cd大部分積累在根部[18]；Liu 等人研究表明，Cd在水稻植株體內(nèi)的累積順序大致為：根系>莖>葉>糙米[19].本研究結(jié)果也表明，無論是大豆還是水稻，其根中Cd的含量最多，根對(duì)Cd的富集系數(shù)最大，說明根對(duì)Cd的吸收能力最大.推測(cè)大豆和水稻的根系可以作為一種屏障或過濾器，抑制Cd進(jìn)一步向植物地上部分遷移.而大豆和水稻的莖中Cd的含量?jī)H次于根，則表明莖可以進(jìn)一步的抑制Cd向葉片和果實(shí)中運(yùn)輸.大豆和水稻植株中不同器官對(duì)Cd的吸收積累能力的差異，可能是由于各器官對(duì)元素吸收的功能不同，如根主要負(fù)責(zé)吸收土壤中的Cd，而莖主要是運(yùn)輸根中吸收的Cd，從而使Cd在植株的葉片和果實(shí)中積累.但在本研究中，稻米的Cd含量高于葉片，這可能是因?yàn)榈久讓?duì)Cd的富集能力高于水稻葉片對(duì)Cd的富集能力.水稻各器官以及整株中Cd的總量也要顯著高于大豆，這可能是因?yàn)樗局仓曛械母髌鞴俦却蠖怪仓曛械母髌鞴俑患疌d能力更強(qiáng)，最終導(dǎo)致水稻整株對(duì)Cd的富集能力高于大豆.

不同植物中重金屬的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)不同[20]；地上部分中重金屬富集系數(shù)大于1的植物吸收的重金屬大部分分布在地上部分，具有較高的地上部/根濃度比率，且能在重金屬污染的土壤中正常生長(zhǎng)[21].大豆和水稻地上部分對(duì)Cd的積累能力不同，水稻對(duì)Cd的積累能力大于大豆，但它們對(duì)Cd的富集系數(shù)均大于1，且它們對(duì)Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)也均大于1，表明了無論是水稻還是大豆，它們轉(zhuǎn)運(yùn)重金屬Cd的能力較強(qiáng).由此可見，大豆和水稻吸收的Cd大部分分布在地上部分，并能在Cd污染的土壤中正常生長(zhǎng)，不會(huì)出現(xiàn)重金屬Cd毒害現(xiàn)象.因此，在農(nóng)田的Cd低污染區(qū)域，種植大豆和水稻可起到一定修復(fù)農(nóng)田Cd污染的效果.根據(jù)國(guó)家發(fā)行的《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》(GB2762-2017)可知，稻谷、糙米、大米、豆類及其制品中Cd的限量均為0.2 mg/kg，但本研究中稻米中Cd含量約為0.608 mg/kg，超過了食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，大豆中Cd含量低于0.2 mg/kg，符合食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).從單項(xiàng)污染指數(shù)來看，大豆的Cd污染指數(shù)小于1，受Cd污染較小，但稻米的Cd污染指數(shù)大于3，受到Cd的嚴(yán)重污染.所以從人類健康來看，受到Cd輕污染土地不適合種植水稻食用.

4 結(jié)論

大豆和水稻均較易吸收積累Cd，雖然與大豆相比，水稻更容易吸收、積累Cd，但大豆根系吸收的重金屬Cd更容易被轉(zhuǎn)移到地上部分，且大部分停留在莖和葉中，而水稻中Cd更容易停留在稻米中.因此，可將水稻和大豆用于農(nóng)田的Cd污染修復(fù)，即水稻和大豆對(duì)受鎘污染的土壤有一定修復(fù)作用，但從人類健康考慮，受輕度鎘污染的土壤，不適合種植水稻供食用.