張玉盛,周亮,肖歡,匡瑜,敖和軍*,田偉,肖峰,向焱赟,張小毅
(1.湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院,長沙410128;2.南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心,長沙410128;3.華南農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院,廣州510642;4.湖南省醴陵市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局社會就業(yè)促進股,湖南 醴陵412200)
防控稻米鎘污染、切斷鎘的食物鏈途徑是近年來的研究熱點。研究發(fā)現(xiàn),水稻鎘積累并非取決于根系對鎘吸收能力,水稻谷粒鎘積累水平取決于以木質(zhì)部介導的鎘轉(zhuǎn)運和韌皮部的裝載能力[1?2]。因此,在土壤鎘“治理難”“移除難”的背景下,降低水稻對土壤鎘的吸收和轉(zhuǎn)運,是實現(xiàn)稻米安全生產(chǎn)的可行之路。
淹水灌溉可降低土壤鎘活性,抑制鎘吸收基因的表達,是降低稻米鎘積累的有效途徑[3]。淹水條件下,鎘在土壤?植株系統(tǒng)中的遷移是諸多因素共同作用的結果[4],其中水稻根表鐵膜的形成對水稻鎘積累具有重要影響[3]。鐵膜對水稻鎘積累的作用方向取決于鐵膜數(shù)量(濃度)、生育期以及水稻品種對鎘的富集和轉(zhuǎn)運能力[5?7]。營養(yǎng)狀況顯著影響鐵膜的形成,如施用硅[8]、硫等[9]可促進鐵膜的形成,加強鐵膜對鎘的吸附作用,并有效抑制鎘從根部向地上部轉(zhuǎn)運,從而降低水稻糙米鎘含量。氮素是水稻的必需營養(yǎng)元素之一,施氮不僅可提高水稻對重金屬毒害的耐受力,還能提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)[10?11]。迄今為止,雖然國內(nèi)外在水稻對鎘的吸收、轉(zhuǎn)運和積累等方面有大量的報道[12?14],但有關氮在影響水稻根表鐵膜形成量及其對水稻鎘吸收方面的研究報道較少。為此,本試驗通過大田試驗,設3種氮肥比例,分析氮肥對根表鐵膜形成量及水稻對鎘吸收轉(zhuǎn)運的影響,以期為重金屬污染地區(qū)水稻安全生產(chǎn)提供理論依據(jù)。
試驗于2018年在湖南省瀏陽市巖溪鎮(zhèn)花園村進行,土壤類型為壤土,理化性質(zhì)為:pH值5.48,有機質(zhì)20.11 g·kg?1,全鎘1.62 mg·kg?1,有效鎘0.80 mg·kg?1。
以水稻全生育期施氮量為180 kg·hm?2,設置基肥∶蘗肥∶穗肥∶粒肥3種比例,分別為4∶4∶2∶0(T1)、8∶0∶2∶0(T2)、6∶0∶2∶2(T3)及不施氮處理(CK),每個處理3次重復。水稻移栽前翻耕后反復多次耙平、耙勻,以減小試驗小區(qū)間土壤鎘含量的差異。小區(qū)隨機排列,面積為8 m×8 m=64 m2,小區(qū)間留排水溝,覆蓋(T3)黑色地膜。早稻收獲后,在原有小區(qū)內(nèi)用小型打田機翻耕均勻后種植晚稻,早稻于3月22日播種,4月23日移栽,株行距為16.6 cm×16.6 cm,晚稻于6月22日播種,7月18日移栽,株行距為16.6 cm×20 cm。
常規(guī)水肥管理,水稻全生育期施氮肥(純氮)180 kg·hm?2、磷肥(P2O5)90 kg·hm?2、鉀肥144 kg·hm?2,其中:氮肥為尿素(N 46.4%),磷肥為過磷酸鈣(P2O512%),鉀肥為氯化鉀(K2O 60%)。氮肥按試驗氮肥比例在不同時期施用,磷肥一次性基施,鉀肥于移栽前1~2 d和幼穗分化始期各施50%,蘗肥、穗肥、粒肥分別于水稻移栽后14 d、幼穗分化始期和齊穗期施用,試驗期間保持淺水層淹水灌溉(2~3 cm水層),其他栽培管理措施與當?shù)亓晳T保持一致。
1.5.1 水稻植株鎘含量測定
于水稻移栽后28 d、乳熟期、成熟期,共3次取樣,避開小區(qū)邊3行,采集田間長勢一致的植株5穴,用自來水洗凈根部與地上部,蒸餾水和超純水潤洗,晾干表面水分后將植株分成根(不去除鐵膜)、莖、葉(莖葉)、谷粒裝入信封中,放入烘箱中用110℃殺青30 min,80℃烘干至恒質(zhì)量,谷粒去糙,所有樣品粉碎后過篩密封保存。稱取0.200 0 g植株粉碎樣,放入50 mL三角錐形瓶中,加入混酸10 mL(VHNO3∶VHClO4=4∶1),靜置過夜(≥10 h)后,150℃消煮1 h,220℃消煮至澄清,待消煮液剩余1~2 mL,自然冷卻,超純水潤洗定容至50 mL容量瓶中,過0.45μm濾膜至10 mL離心管中。待測液用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP?MS,Agilent 7700x,USA)測定。試驗所用試劑均為優(yōu)級純,所用器皿均在5%硝酸溶液中浸泡24 h以上,蒸餾水洗凈后用超純水潤洗自然晾干。
1.5.2 植株根表鐵膜中鐵、鎘含量測定
采集分蘗期和乳熟期水稻根部(鮮樣),先后用蒸餾水和超純水洗凈后,用濾紙吸干表面水分,取完整根系,自根基部將根系剪斷,放入100 mL燒杯中,采用DCB(dithionite?citrate?bicarbonate)法浸提[7],具體操作如下:加入25 mL 0.3 mol·L?1Na3C6H5O7·2H2O與1.0 mol·L?1NaHCO3的混合液及3.0 g保險粉(Na2S2O4),25℃恒溫振蕩3 h(轉(zhuǎn)速280 r·min?1),潤洗、定容、過濾后,待測液用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP?MS,Agilent 7700x,USA)測定DCB?Fe、DCB?Cd含量。將提取后的根沖洗干凈,110℃殺青30 min,80℃烘干至恒質(zhì)量。
TF莖葉/根=水稻莖葉鎘含量(mg·kg?1)/水稻根鎘含量(mg·kg?1)×100%,TF糙米/莖葉=水稻糙米鎘含量(mg·kg?1)/水稻莖葉鎘含量(mg·kg?1)×100%,TF糙米/根=水稻糙米鎘含量(mg·kg?1)/水稻根鎘含量(mg·kg?1)×100%。
試驗結果用Microsoft Excel 2016和SAS 9.4進行數(shù)據(jù)整理統(tǒng)計分析與相關性分析。
Current regulatory status of sunscreen ingredients in cosmetics at home and abroad 6 8
由圖1可知,施用氮肥可提高早稻兩品種分蘗期根膜Fe含量(以DCB?Fe表示),隨生育期的延長,兩品種DCB?Fe變化趨勢不同,其中株兩優(yōu)819呈降低趨勢,陸兩優(yōu)996反之。株兩優(yōu)819 DCB?Fe在分蘗期和乳熟期均以T2最高,顯著高于其他處理,其中T2、T3乳熟期較分蘗期無明顯變化,CK和T1較分蘗期分別降低10.57%、29.31%;陸兩優(yōu)996的DCB?Fe在分蘗期以T2最高,顯著高于CK,而乳熟期以T3最高,與T1和T2差異顯著。不同處理DCB?Fe乳熟期較分蘗期分別提高303.66%、45.43%、62.49%、236.54%。兩品種乳熟期DCB?Fe表現(xiàn)為陸兩優(yōu)996>株兩優(yōu)819。
晚稻兩品種不同生育期DCB?Fe在不同處理下存在明顯差異,湘晚秈12號為分蘗期>乳熟期,玉針香為乳熟期>分蘗期。湘晚秈12號DCB?Fe在分蘗期和乳熟期大小順序分別為T1>CK>T3>T2、T3>T2>T1>CK,各處理下DCB?Fe乳熟期較分蘗期依次降低65.14%、68.42%、35.05%、36.35%。玉針香DCB?Fe分蘗期T3最高,顯著高于CK,T1次之,T2最低;乳熟期T1最高,其次為T3,且兩者與CK差異達到顯著水平,較分蘗期依次提高98.81%和14.96%,T2和CK較分蘗期提高159.32%、70.72%。兩品種乳熟期DCB?Fe表現(xiàn)與早稻一致,即高鎘品種>低鎘品種。
相同處理下,低鎘品種早稻株兩優(yōu)819和晚稻湘晚秈12號DCB?Fe隨生育期的延長呈降低的趨勢,高鎘品種早稻陸兩優(yōu)996和晚稻玉針香DCB?Fe隨生育期延長呈增加趨勢,說明同積累型品種DCB?Fe在不同生育期變化趨勢一致。
由圖2可知,各處理對水稻根膜鎘含量(下文以DCB?Cd表示)在不同生育期、不同品種之間差異明顯。比較不同生育期,早稻兩品種和晚稻玉針香DCB?Cd表現(xiàn)為乳熟期>分蘗期。比較不同處理,在分蘗期,T1~T3處理下,早稻株兩優(yōu)819 DCB?Cd較CK均有所降低,但差異不顯著,早稻陸兩優(yōu)996和晚稻兩品種DCB?Cd均高于CK,其中陸兩優(yōu)996和湘晚秈12號在T3處理下DCB?Cd顯著高于CK。說明施氮可以抑制株兩優(yōu)819分蘗期根膜對鎘的吸附,促進陸兩優(yōu)996和晚稻兩品種根膜分蘗期對鎘的吸附。乳熟期時,早稻兩品種DCB?Cd在T1、T2處理下降低7.27%~32.52%,在T3處理較CK分別提高76.36%、24.07%。晚稻品種湘晚秈12號在不同處理下DCB?Cd較CK降低72.45%~81.12%,晚稻玉針香在T1、T2處理DCB?Cd較CK分別降低31.00%、64.62%,在T3處理下較CK增加33.10%。
早晚稻各部位分蘗期鎘含量見表1,株兩優(yōu)819和陸兩優(yōu)996根和莖鎘含量在氮處理下降低,葉鎘含量則提高。株兩優(yōu)819根和莖鎘含量大小均為CK>T1>T2>T3,其中T3根鎘含量較CK顯著降低39.74%,莖鎘含量在氮處理下分別顯著降低26.92%、53.85%、57.69%,且T2、T3莖鎘含量顯著低于T1,葉鎘含量為T3>T1>T2>CK,較CK分別提高208.33%、175.00%、25.00%,T1、T3較CK、T2差異達到顯著水平。與CK相比,陸兩優(yōu)996根、莖鎘含量分別顯著降低43.22%~55.08%和36.00%~72.00%,葉鎘含量為T1>T2>T3>CK,T1較CK顯著提高60.00%,但與T2、T3差異未達到顯著水平。
在分蘗期,晚稻湘晚秈12號根、莖和葉鎘含量在T2達到最大值,相比CK分別提高41.35%、107.14%和12.50%,根鎘含量在T1達到最低值,較CK降低36.84%,且與其他處理差異顯著;莖鎘含量在T3顯著降低,較CK降低35.71%;葉鎘含量為T2>T3>CK>T1,處理間差異不顯著。玉針香根和莖鎘含量相比CK分別降低50.57%~75.28%和70.83%~86.11%,且均在T3時達到最低值,根鎘含量在氮處理下差異顯著,莖鎘含量在處理間差異未達到顯著水平;T1、T2葉鎘含量顯著大于CK、T3,T3較CK略有提高,但差異不顯著。
早晚稻各部位乳熟期鎘含量見表2。施氮對早稻兩品種各部位鎘含量影響不同,其中株兩優(yōu)819根鎘含量T1、T3較CK有所提高,莖鎘含量T3顯著大于CK,差值為0.27 mg·kg?1,葉鎘含量在T1、T2、T3處理下顯著大于CK,且在T1~T3呈逐漸上升趨勢;穗鎘含量均顯著低于CK,處理間無顯著性差異。陸兩優(yōu)996中,除T3根鎘含量較CK有所提高外,其余各部位鎘含量在不同處理下均低于CK。
表1 水稻分蘗期不同處理各部位鎘含量(mg·kg?1)Table 1 Cd contents in different partsof rice at tillering stage(mg·kg?1)
表2 水稻乳熟期不同處理各部位鎘含量(mg·kg?1)Table 2 Cd contents in different parts of rice during milk stage(mg·kg?1)
晚稻兩品種根、莖鎘含量在氮處理下明顯提高,均在T2達到最大值,且與CK差異顯著。湘晚秈12號葉、穗鎘含量均以T2最高、T3最低。玉針香葉鎘含量T1、T2顯著降低,T3與CK無顯著性差異,而穗鎘含量在3個處理下顯著降低,以T3最低。
早晚稻各部位成熟期鎘含量見表3。施氮可降低早稻兩品種根、莖葉和糙米的鎘含量(除株兩優(yōu)819根鎘含量在T2時較CK提高2.55%外),其中株兩優(yōu)819和陸兩優(yōu)996莖葉鎘含量較CK分別顯著降低36.36%~45.45%和46.15%~64.10%。株兩優(yōu)819的糙米鎘在處理下顯著降低38.66%~43.70%,以T2最低;陸兩優(yōu)996的糙米鎘含量相較CK降低8.70%~52.72%,以T3最低,且顯著低于CK、T1。
對于晚稻兩個品種而言,根和莖葉鎘含量均以不施氮(CK)時最低,相比CK,湘晚秈12號和玉針香根鎘含量分別提高93.93%~128.74%和122.76%~248.28%,莖葉鎘含量分別提高26.67%~75.56%和224.00%~976.00%。兩品種糙米鎘含量在氮處理下均顯著降低,相比CK分別降低47.69%~54.36%和47.16%~74.13%,其中湘晚秈12號的糙米鎘含量在處理間差異不顯著,而玉針香糙米鎘含量以T3最低,且與CK和T1差異顯著。
表3 水稻成熟期不同處理各部位鎘含量及鎘轉(zhuǎn)運系數(shù)Table 3 Cd contents in different parts of rice during maturity and Cd transport coefficient
表4 水稻根膜鐵含量與根膜鎘含量及植株各部位鎘含量的相關性分析(n=12)Table 4 Correlation analysis of rice root plaque Fe contents,root plaque Cd contents and Cd contents in various plant parts(n=12)
水稻根膜鐵含量與其根膜鎘含量及植株各部位鎘含量的相關性分析結果見表4。早稻株兩優(yōu)819和晚稻湘晚秈12號(低鎘品種)分蘗期和乳熟期DCB?Cd與DCB?Fe及莖、葉鎘含量沒有相關性。早稻陸兩優(yōu)996和晚稻玉針香(高鎘品種)分蘗期DCB?Fe與DCB?Cd顯著正相關(P<0.05)。早稻陸兩優(yōu)996乳熟期DCB?Fe與DCB?Cd、莖鎘含量顯著正相關(P<0.05),晚稻玉針香乳熟期DCB?Fe與葉、穗鎘含量顯著負相關(P<0.05)。結合圖1,說明施用氮肥可提高高鎘品種分蘗期根表鐵膜形成量及對鎘的吸附量,從而減少鎘向地上部的轉(zhuǎn)移。
根表鐵膜是水稻適應重金屬脅迫的重要機制[5],鐵膜形成主要受根系氧化作用、根際Fe2+濃度和根系表面積等的影響[18],其數(shù)量(濃度)在不同水稻品種和不同生育期間均存在差異[7],由此可知根表鐵膜的形成易受到其他因素的影響。
本研究發(fā)現(xiàn),在早稻季,不同生育期的水稻品種間根膜鐵含量存在較大的差異,且未體現(xiàn)出明顯的規(guī)律;晚稻季亦是如此。因此,水稻根膜鐵含量在大田條件下,受到品種、稻季和氮肥的共同作用后,會出現(xiàn)較大的變化幅度,難以體現(xiàn)出穩(wěn)定的規(guī)律。而水稻根表鐵膜乳熟期的鎘吸附量在同一稻季表現(xiàn)出高積累品種高于低積累品種,且高鎘品種根膜鐵含量與根膜鎘含量顯著正相關,這與水稻鎘積累能力在品種間表現(xiàn)一致,說明根表鐵膜的鎘吸附量越高,水稻通過根系積累鎘的途徑越便利,此結論與陳江民等[3]和代鄒等[19]研究相符。值得注意的是,早、晚稻季各水稻品種在乳熟期均表現(xiàn)為T3處理根表鐵膜的鎘吸附量顯著高于T1和T2(湘晚秈12號除外),且在分蘗期T3處理根表鐵膜的鎘吸附量亦處于較高水平。根據(jù)前人的研究結果可推測,在成熟期T3處理的稻米應具備高鎘含量的特性。但本研究結果與前人研究相反,在早、晚稻季成熟期的高鎘積累品種中,T3處理的稻米鎘含量要低于CK(P<0.05)、T1(P<0.05)和T2。這個“高”與“低”的矛盾反映出,稻米鎘含量高低并不是單一因素所決定的,而是多種因素綜合后得到的最終結果。T3處理與前人研究結果不一致,水稻自身的鎘轉(zhuǎn)運系數(shù)可能在其中扮演著一個關鍵的角色。低鎘積累品種在淹水條件下,各處理早、晚季稻米鎘含量均在0.2 mg·kg?1以下,處于一個較低的水平。可知,氮肥施用比例的改變很難在鎘污染水平較低的背景下再取得顯著的降幅。本研究僅對氮肥施用方式對水稻根表鐵膜形成量及鎘吸附量的影響進行初步探討,其影響機理仍需進一步探明。
土壤鎘為水稻鎘“源”,水稻根系、莖葉為鎘“庫”,水稻轉(zhuǎn)運系統(tǒng)為“流”,“源、庫、流”共同決定了水稻體內(nèi)鎘積累總量[14,20],水稻根系對“源”的吸收和木質(zhì)部介導的鎘由根系向地上部的轉(zhuǎn)運能力決定了“庫”中鎘的容量[1],水稻抽穗后,莖葉中的鎘通過自身的轉(zhuǎn)運和再分配系統(tǒng)進入籽粒當中,此時莖葉由“庫”轉(zhuǎn)變?yōu)椤霸础保蔀樽蚜V墟k的主要來源,韌皮部對鎘的運輸能力決定了籽粒中鎘的積累水平[1?2],此外,水稻灌漿?成熟階段,根系從土壤吸收的鎘也可被快速轉(zhuǎn)運至籽粒當中[21?22]。轉(zhuǎn)運系數(shù)常以植物各部分鎘含量的比值來表示,可以反映鎘在體內(nèi)吸收、運輸和分配情況,其值越高說明重金屬在體內(nèi)的遷移能力越強。
本研究結果(表3)表明,在早、晚稻季成熟期的高鎘積累品種中,T3處理的TF籽粒/莖葉均顯著低于T1和T2,而TF籽粒/根在3個處理間沒有顯著的差異。這表明在氮肥總量不變的情況下(N 180 kg·hm?2),在齊穗期增施氮肥,能夠顯著抑制此時水稻莖葉中鎘向稻米的轉(zhuǎn)運,從而降低稻米的鎘積累。同時闡明了T3處理下根表鐵膜高吸鎘量和稻米低鎘含量矛盾的原因,即莖葉中鎘向稻米的轉(zhuǎn)運能力下降,給稻米鎘積累帶來的降幅大于根表鐵膜吸附鎘帶來的增幅。水稻灌漿期、成熟期是籽粒鎘積累的關鍵時期[23?24],保持水稻生育后期一定的氮素水平,可延緩葉片衰老,抑制水稻營養(yǎng)組織中元素的再分配[25?26]。本研究在水稻生育后期增施氮肥,能夠為水稻倒三葉的光合作用提供充足養(yǎng)分,在一定程度上亦能減緩下部老葉的衰老。因此,可推測在外界養(yǎng)分充足的條件下,水稻倒三葉進行光合作用所產(chǎn)生的有機物能滿足籽粒灌漿過程大部分所需,而老葉和莖稈中同化物向稻米轉(zhuǎn)運的占比相對降低,通過“搭便車”進入稻米中的鎘減少,進而達到降低稻米鎘含量的效果。
(1)不同稻季低鎘品種根膜鐵含量為分蘗期>乳熟期,高鎘品種為乳熟期>分蘗期,不同稻季高鎘品種根表鐵膜鎘吸附量為乳熟期>分蘗期。水稻根膜鐵含量及鎘吸附量在氮處理下并未呈現(xiàn)出明顯規(guī)律。
(2)淹水條件下,施氮可降低水稻植株內(nèi)的鎘向籽粒遷移,顯著降低不同稻季糙米鎘含量,施氮量一致情況下,改變氮肥比例對低鎘品種糙米鎘含量無明顯影響,高鎘品種糙米鎘含量在氮肥比例莖肥∶蘗肥∶穗肥∶粒肥為6∶0∶2∶2時最低,說明生育后期增施氮肥可降低高鎘品種糙米鎘含量。