不同水平Cd 脅迫下低累積Cd 水稻品種篩選

王萍 羅沐欣鍵 劉靜 田茂苑 柴冠群 秦松*

（1 貴州省農(nóng)業(yè)資源環(huán)境管理站，貴陽(yáng)550001；2貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所，貴陽(yáng)550009；第一作者：45940970@qq.com；*通訊作者：2480406180@qq.com）

土壤和農(nóng)產(chǎn)品重金屬污染問(wèn)題是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)，尤其在城市化和經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的背景下，土壤和農(nóng)產(chǎn)品的重金屬污染情況受到各個(gè)國(guó)家的廣泛關(guān)注。近20 年來(lái)，隨著我國(guó)高度集約化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、粗放型礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)利用和城鎮(zhèn)化快速推進(jìn)，境內(nèi)大面積農(nóng)田土壤遭受重金屬污染，嚴(yán)重影響了農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。據(jù)2014 年4 月公布的《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)（2005—2013）》顯示，我國(guó)土壤污染總超標(biāo)率為16.1%，耕地點(diǎn)位超標(biāo)率為19.4%，重金屬Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn 和Ni 等8 類(lèi)污染物點(diǎn)位超標(biāo)率分別高達(dá)7.0%、1.6%、2.7%、2.1%、1.5%、1.1%、0.9%和4.8%。我國(guó)每年因土壤重金屬污染導(dǎo)致糧食減產(chǎn)高達(dá)1 000多萬(wàn)t，污染糧食多達(dá)1 200 萬(wàn)t，合計(jì)經(jīng)濟(jì)損失至少200 億元[1]。同時(shí)，Cd、Hg、As、Pb 等4 類(lèi)污染物的含量分布呈現(xiàn)從西北到東南、從東北到西南方向逐漸升高的態(tài)勢(shì)。西南及中南區(qū)域的重金屬污染問(wèn)題比較突出，礦產(chǎn)資源豐富的西南地區(qū)重金屬污染最為嚴(yán)重[2]。

Cd 是一種生物蓄積性強(qiáng)、毒性持久、具有“三致”作用的劇毒元素，攝入過(guò)量的Cd 會(huì)對(duì)生物體生殖系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)造成損傷，進(jìn)而引發(fā)多種疾病[3-5]。工業(yè)化以來(lái)，由于人類(lèi)工業(yè)廢棄物排放、污水灌溉、大氣沉降和長(zhǎng)期施用化肥等，導(dǎo)致農(nóng)田土壤Cd 含量逐年增加[2,6]。Cd 在一定濃度時(shí)能促進(jìn)植物的生長(zhǎng)，因而其易被植物吸收并在體內(nèi)累積。水稻作為我國(guó)重要的糧食作物，全國(guó)有近60%的人口以稻米為主食，水稻的質(zhì)量安全直接關(guān)乎國(guó)民的身體健康。大量研究報(bào)道，水稻對(duì)Cd 具有較強(qiáng)的富集能力，Cd 易轉(zhuǎn)移到稻米中大量累積[7-9]，長(zhǎng)期攝入Cd 含量過(guò)高的大米易導(dǎo)致腎臟損害、骨質(zhì)疏松、病理性骨折、關(guān)節(jié)疼痛等疾病，對(duì)人體健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅[10-12]。而且，Cd 對(duì)水稻的危害不僅僅在于影響籽粒的食用安全，在高濃度Cd 的脅迫下水稻葉綠素會(huì)減少，光合作用能力降低，進(jìn)而造成水稻減產(chǎn)，甚至絕收[13-14]。有學(xué)者指出，不同水稻品種稻米中的Cd 累積量或存在成倍差異[15-17]，這說(shuō)明水稻品種對(duì)Cd在土壤-稻米中的遷移具有重要影響。選育低累積Cd、抗Cd 毒害能力強(qiáng)的水稻品種是潛在的解決稻田土壤Cd 污染問(wèn)題的突破點(diǎn)?；诖?，本研究分析了10 個(gè)水稻品種在不同水平Cd 脅迫下稻米對(duì)Cd 的吸收累積情況及對(duì)水稻生長(zhǎng)的影響，以期篩選出適宜推廣種植的Cd 低積累水稻品種，為全國(guó)Cd 污染稻田土壤安全利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

以貴州分布面積最廣的黃壤作為供試土壤，采集0～20 cm 表層土壤，經(jīng)自然風(fēng)干后過(guò)10 目尼龍篩，將所有土壤充分混勻，保存?zhèn)溆谩?/p>

供試水稻品種10 個(gè)，分別是兩優(yōu)585、中優(yōu)295、F優(yōu)498、Y 兩優(yōu)1 號(hào)、宜香2115、蜀優(yōu)217、中優(yōu)169、俞優(yōu)109、川香優(yōu)1618 和川農(nóng)優(yōu)894，全部為秈稻，均由貴州省水稻研究所提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)起始時(shí)間為2017 年5 月，以盆栽的方式進(jìn)行，地點(diǎn)為貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院通風(fēng)大棚內(nèi)。每個(gè)水稻品種設(shè)4 個(gè)處理：CK，不加外源Cd；T1，添加0.3 mg/kg Cd；T2，添加1.0 mg/kg Cd；T3，添加3.0 mg/kg Cd。每個(gè)處理3 次重復(fù)，共120 盆。

根據(jù)試驗(yàn)需要，選擇合適的水稻種植試驗(yàn)箱（長(zhǎng)40 cm、寬30 cm、高28 cm）若干，每盆裝入5 kg 試驗(yàn)土壤，加入一定量的尿素、磷酸一銨和氯化鉀作底肥（折算成每667 m2的N、P2O5、K2O 用量分別為12 kg、5 kg、8 kg）。施肥前將配制好的CdCl2溶液添加至土壤中，再加入適量水，使試驗(yàn)土壤上覆水厚度保持2～3 cm，最后充分混勻土壤，靜置7～10 d 后插秧并追肥1 次（追肥量為第1 次施肥量的1/3）。

水稻秧苗培育在貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所試驗(yàn)田內(nèi)進(jìn)行，后將秧苗移栽到試驗(yàn)箱中，栽培管理措施按當(dāng)?shù)卮筇锷a(chǎn)習(xí)慣，整個(gè)生育期保持淹水狀態(tài)（2 cm水層），待種植1 季后整株收獲。

1.3 樣品處理

待各水稻品種成熟后，采集每盆稻谷樣品及根系土壤。土壤樣品采集后裝入自封袋，將其帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干，后經(jīng)研磨過(guò)100 目尼龍篩，密封保存于聚乙烯袋中待測(cè)。水稻樣品采集后帶回實(shí)驗(yàn)室，用去離子水沖洗干凈，裝入干凈無(wú)污染的網(wǎng)袋中自然風(fēng)干，然后將干燥好的稻米經(jīng)脫殼處理后制成精米，研磨后過(guò)100 目尼龍篩，密封保存于聚乙烯袋中待測(cè)。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.4.1 土壤Cd 含量

準(zhǔn)確稱量0.5 g 土樣于50.0 mL 聚四氟乙烯坩堝中，用少量水濕潤(rùn)后加入王水20.0 mL，蓋好后置于微孔數(shù)顯電熱板上，調(diào)節(jié)電熱板溫度使樣品溶液在微沸狀態(tài)下回流至澄清，然后取下蓋子進(jìn)行趕酸，趕酸完成后加入0.5 mL 濃硝酸和20.0 mL 水后復(fù)溶1～2 min，然后轉(zhuǎn)移并定容，待測(cè)。消解液用ICP-MS（iCapQ 電感耦合等離子體質(zhì)譜儀，賽默飛世爾科技公司）測(cè)定。

1.4.2 水稻植株及稻谷Cd 含量

準(zhǔn)確稱量0.5 g 植物樣于聚四氟乙烯消解罐中，用少量水濕潤(rùn)后加入4∶1 的硝酸-高氟酸混合酸5 mL，置微波消解儀（邁爾斯通公司，ETHOSONE）內(nèi)消解。微波消化程序設(shè)定為：250W 6 min，然后400W 6 min，最后450W 5 min。取出內(nèi)罐放于電熱板上加熱趕酸，趕酸完畢后轉(zhuǎn)移定容。消解液用ICP-MS 測(cè)定。

1.4.3 葉綠素相對(duì)含量（SPAD 值）

使用葉綠素計(jì)SPAD-502 對(duì)劍葉的上、中、下3 個(gè)位置進(jìn)行測(cè)量，所得平均值即為SPAD 值。

1.5 質(zhì)量控制

為確保實(shí)驗(yàn)方法的可靠性和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每個(gè)樣品設(shè)置1 個(gè)平行樣，同時(shí)設(shè)置空白樣及加標(biāo)樣，并保證測(cè)定回收率為80%～120%。每個(gè)樣測(cè)3 次，每測(cè)15個(gè)樣后須測(cè)1 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣以確保儀器的穩(wěn)定性，所測(cè)樣品之間的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差應(yīng)小于5%。

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用Excel 2010、SPSS 20.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，用Origin 8.5 及SPSS 20.0 進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水稻品種栽植土壤的Cd 含量

從表1 可以看出，經(jīng)過(guò)1 季的水稻種植，試驗(yàn)土壤對(duì)照組Cd 平均含量為0.15 mg/kg，變化范圍為0.12～0.18 mg/kg，低于試驗(yàn)土壤初始值（0.17 mg/kg）。T1、T2、T3 處理土壤的Cd 平均含量只有0.23 mg/kg、0.39 mg/kg 和1.24 mg/kg，均顯著低于土壤Cd 初始含量，分別只有初始土壤中Cd 含量的49%、33%和39%，這說(shuō)明水稻對(duì)土壤Cd 具有很強(qiáng)的吸收能力。從表1 可以看出，CK 組栽植水稻對(duì)土壤中Cd 的含量影響很小，平均減少量不足初始土壤Cd 含量的18%。而T1、T2、T3 試驗(yàn)組土壤Cd 含量分別減少了51%、67%和61%，減少程度較大。推測(cè)此現(xiàn)象可能與所添加的外源Cd 有關(guān)，外源Cd 活性強(qiáng)，易被水稻吸收；而原始土壤中主要以惰性Cd 的形態(tài)存在，生物可利用態(tài)Cd 含量低。

2.2 土壤Cd 對(duì)水稻葉綠素含量的影響

有研究表明，SPAD 值與葉綠素絕對(duì)量具有極顯著的正相關(guān)性[18]，說(shuō)明SPAD 值可以真實(shí)反映葉綠素的含量。因植株葉綠素水平與其生長(zhǎng)發(fā)育關(guān)系密切，所以SPAD 值亦能作為植物生長(zhǎng)發(fā)育的表征量。如圖1 所示，水稻葉綠素含量隨Cd 濃度增加呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)。在CK 條件下，所有品種的SPAD 均值為41.17。當(dāng)Cd 添加濃度提升至0.3、1.0 mg/kg 時(shí)，所有水稻的SPAD 均值分別為46.88、46.68，符合不少研究得出的結(jié)論，即低濃度的Cd 可以刺激植株的生長(zhǎng)和發(fā)育。當(dāng)添加Cd 濃度高達(dá)3.0 mg/kg 時(shí)，所有水稻品種SPAD 均值降低至46.87，暗示了高濃度的Cd 會(huì)抑制植物的生長(zhǎng)發(fā)育。

表1 種植一季水稻后試驗(yàn)土壤中Cd 含量變化情況 （單位：mg/kg）

表2 不同水稻品種稻米中Cd 含量情況 （單位：mg/kg）

圖1 水稻葉綠素含量變化情況

2.3 不同品種水稻的稻米Cd 含量分析與低累積品種篩選

如表2 所示，不同水稻品種栽植于各Cd 濃度環(huán)境中，其稻米中Cd 的含量存在顯著差異。在CK 組中，F(xiàn)優(yōu)498 的稻米Cd 含量?jī)H為0.15 mg/kg，而川農(nóng)優(yōu)894高達(dá)1.26 mg/kg。在栽植土壤Cd 含量分別為0.47 mg/kg、1.17 mg/kg 和3.17 mg/kg 的情況下，各品種稻米中的Cd 含量差異進(jìn)一步加大，最大、最小值的差值分別達(dá)3.26 mg/kg、3.89 mg/kg 和7.36 mg/kg。

圖2 不同品種水稻的聚類(lèi)分析

圖3 不同處理各水稻品種稻米中Cd 含量

圖4 土壤與稻米Cd 含量相關(guān)性分析

從圖2 可見(jiàn)，可從10 的分類(lèi)距離上將10 個(gè)水稻品種分為3 類(lèi)。Ⅰ類(lèi)為低累積Cd 品種，包括中優(yōu)295、Y 兩優(yōu)1 號(hào)、F 優(yōu)498 和蜀優(yōu)217，在外源Cd 添加濃度為0、0.3、1.0、3.0 mg/kg 的條件下，稻米Cd 含量范圍分別 為0.15 ～0.58、0.37 ～0.57、1.83 ～3.69、6.63 ～10.17 mg/kg；Ⅱ類(lèi)為中度累積Cd 品種，包括川香優(yōu)1618、川農(nóng)優(yōu)894、兩優(yōu)585 和宜香2115，在外源Cd 添加濃度為0、0.3、1.0、3.0 mg/kg 的條件下，稻米Cd 含量范圍分別為0.30～1.23、0.55～2.22、3.54～5.72、4.31～6.79 mg/kg；Ⅲ類(lèi)為高度富集Cd 品種，包括中優(yōu)169 和俞優(yōu)109，在外源Cd 添加濃度為0、0.3、1.0、3.0 mg/kg 的條件下，稻米Cd 含 量 范 圍 分 別 為0.47 ～0.77、3.06 ～3.65、4.70 ～5.55、10.60～11.67 mg/kg。

如圖3 所示，在Cd 低濃度條件下（CK），除F 優(yōu)498 外，其他品種稻米Cd 含量均超出國(guó)家食品衛(wèi)生安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限定值（0.2 mg/kg），而添加了不同濃度外源Cd 的土壤中所有參試品種稻米的Cd 含量均超過(guò)了國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)限定值。結(jié)合聚類(lèi)分析結(jié)果，篩選出1個(gè)可在低Cd 土壤中種植的Cd 低累積水稻品種——F優(yōu)498。

2.4 土壤Cd 與稻米Cd 相關(guān)性分析

參試品種稻米的Cd 含量平均為0.58 mg/kg，是國(guó)家食品衛(wèi)生安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定限定值的2.9 倍。其中，當(dāng)外源Cd 添加濃度為0.3 mg/kg 時(shí)，稻米Cd 含量平均為1.40 mg/kg，為國(guó)家食品衛(wèi)生安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定限定值的7.0 倍；當(dāng)外源Cd 添加濃度從0.3 mg/kg 增加到1.0 mg/kg，稻米平均Cd 含量達(dá)4.18 mg/kg，為國(guó)家食品衛(wèi)生安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定限定值的20.9 倍；當(dāng)外源Cd 添加濃度增加到3.0 mg/kg 時(shí)，稻米平均Cd 含量高達(dá)7.74 mg/kg，為國(guó)家食品衛(wèi)生安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定限定值的38.7倍。如圖4 所示，稻米Cd 含量與土壤Cd 含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2=0.84（P＜0.01）。這說(shuō)明水稻對(duì)土壤中的Cd 普遍具有較好的吸收，稻米會(huì)隨著土壤Cd 含量的增加大量累積Cd。暗示隨著土壤Cd 濃度的增加，稻米Cd 超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)變大，因而經(jīng)篩選得到的Cd 低累積水稻品種亦只適合栽種于無(wú)污染或Cd 輕度污染區(qū)域。

3 結(jié)論

本研究通過(guò)盆栽試驗(yàn)探究了10 個(gè)水稻品種在不同Cd 含量土壤上種植收獲后稻米中Cd 的含量情況，獲以下結(jié)論：不同水稻品種稻米對(duì)土壤中Cd 的吸收累積效果存在顯著差異，稻米Cd 累積量與外源Cd 輸入量關(guān)系較大，與土壤原始Cd 含量關(guān)系較小。對(duì)SPAD值測(cè)定分析后發(fā)現(xiàn)，土壤中低濃度的Cd 能提升水稻葉綠素含量，高濃度的Cd 則會(huì)降低水稻中葉綠素含量。通過(guò)設(shè)置不同濃度的外源Cd 添加試驗(yàn)，篩選得到1 個(gè)Cd 低累積水稻品種——F 優(yōu)498。相關(guān)性研究發(fā)現(xiàn)，稻米Cd 含量與土壤Cd 含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，所以經(jīng)篩選得到的Cd 低累積水稻品種亦只適宜栽植在無(wú)污染或Cd 輕度污染的土壤之中。