不同品種水稻籽粒對土壤鎘砷硒吸收積累的差異

歐昱貴

（華南農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院，廣東 廣州 510642）

在工農(nóng)業(yè)快速發(fā)展背景下，我國土壤環(huán)境污染范圍逐漸擴大，污染程度越來越高，污染物含量與種類也不斷加大，已經(jīng)嚴重威脅到了我國的可持續(xù)發(fā)展。環(huán)境污染問題長期以來一直是世界性的問題，特別是在工業(yè)化和城市化高度發(fā)展的當今社會，環(huán)境污染問題日益突出，其中最為嚴重的當屬土壤重金屬污染問題。水稻是世界第二大、我國第一大糧食作物，也是最容易吸收和積累重金屬的大宗糧食作物之一。水稻糙米對土壤重金屬的吸收與品種有關，而不是一個對所有品種一成不變的固定值，尤其水稻對鎘的積累和耐性具有明顯的品種間差異，因此，篩選水稻糙米鎘含量低的品種，能有效解決鎘污染稻田水稻安全生產(chǎn)問題。研究表明， Se具有提高人體免疫力、抗衰老、預防癌變等功能，而缺Se會導致克山病、大骨節(jié)病等疾病，影響人體健康。最近一項對世界稻米Se含量的普查結果表明， 絕大多數(shù)稻米Se的含量低于人體的營養(yǎng)需求。本試驗擬通過對17個不同水稻品種的研究，在大田開展相應的田間測試，基于兩片污染程度不一樣的地塊，觀察水稻的生長情況及其積累Cd、As、Se的表現(xiàn)，討論此次試驗的成果，篩選出穩(wěn)定的低鎘低砷，同時積累土壤硒能力較強的水稻品種，為保障糧食安全和合理修復土壤污染的措施提供相關技術建議。

1.材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

大田試驗位于廣東省韶關市曲江區(qū)樟市鎮(zhèn)。本次實驗種植條件為酸性紅壤，常年高溫多雨，適宜水稻的種植，另外，粵北地區(qū)偏向于重工業(yè)經(jīng)濟體系，土壤重金屬污染程度偏高。試驗選取兩處鎘污染程度不一樣的地塊進行試驗，其土壤理化性質(zhì)見表1。

表1 試驗地土壤的基本理化性質(zhì)

1.2 供試水稻品種

供試水稻品種由廣東省農(nóng)業(yè)科學研究院和韶關市曲江區(qū)農(nóng)科所提供，共17個。17個水稻品種處理分別為1-17，如表2所示。

表2 供試水稻品種一覽

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗設計

試驗在兩個試驗大田，分別為鎘輕度污染的土壤和鎘重度污染的土壤（以下稱鎘輕度和鎘重度），設置17個處理（17個品種），3個重復，小區(qū)面積3平方米。于2017年3月1日播種，3月30日移栽，7月10日收割，其中水分管理和施肥用量按照當?shù)爻Ｒ?guī)的種植習慣實行。收獲時，每小區(qū)分別收割后取一公斤稻谷裝于網(wǎng)袋中，曬干，用SATAKA-THU35C 型礱谷機脫殼得到糙米，將糙米用TYSP-100型不銹鋼粉碎機粉碎，過0.25 mm尼龍篩，以備測定樣品元素含量。

1.3.2 土壤和稻米測定方法

土壤pH的測定采用土壤酸堿度計（ZD-05）進行測量；土壤有機質(zhì)的測定采用土壤有機質(zhì)測定方法標準（GB9834-88）；土壤堿解氮的測定采用堿解擴散法；土壤速效磷的測定采用0.5mol/L碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法；土壤全Cd和全Pb的測定采用鹽酸-硝酸-高氯酸-氫氟酸消解，鎘采用原子吸收分光光度計測定；土壤全As的測定采用硝酸-硫酸消解，全As采用原子吸收分光光度計測定。以上方法主要參考《土壤農(nóng)化分析（第三版）》（鮑士旦，2000）。

本次水稻籽粒樣品Cd、總As分析測定參照《食品安全國家標準食品中多元素的測定》（GB 5009.268-2016），稻谷Se的測定參考中華人民國和國國家標準（GB/T 5009.93-2010）。

2.結果與分析

2.1 不同鎘污染程度水稻籽粒鎘、砷、硒的積累

輕度污染地塊的水稻鎘砷硒含量如表3所示。由方差分析得出，在鎘輕度污染地塊種植條件下，水稻籽粒的Cd含量在不同品種間存在明顯的差異性，As和Se的含量并無明顯差異性；其中水稻籽粒的鎘含量為0.20~0.36mg/kg，平均值為0.28mg/kg，13號粵齊新占鎘含量顯著高于其他品種，為0.36mg/kg；含量最低的是7號五廣占，為0.2mg/kg，且只有7號五廣占符合國家標準（0.20 mg·kg-1，GB2762-2017）。

水稻As含量為0.15~0.21mg/kg，平均值為0.18mg/kg。其中，馬壩 銀占品種的As含量最高，達到0.21mg/kg，其次是黃華占、五山絲苗、雙黃絲苗、兆香占1號，達到0.20mg/kg，As含量最低的是粵齊新占，水稻As含量為0.15mg/kg。最高最低差異僅為0.06mg/kg，17個品種水稻之間顯著性差異不明顯。

水稻Se含量為0.022~0.031mg/kg，平均值為0.027mg/kg。其中，黃華占品種的Se含量最高，達到0.031mg/kg，其次是五山絲苗，達到0.030mg/kg，Se含量最低的是粵齊新占，水稻Se含量為0.022mg/kg。最高最低差異僅為0.009mg/kg，17個品種水稻之間差異不顯著。

表3 輕度污染條件下不同品種水稻的鎘砷硒含量

注：圖中數(shù)據(jù)為3次重復數(shù)據(jù)的平均值±標準誤，顯著性差異用One-Way ANOVA Duncan 多重比較（P<0.05），圖中橫坐標所示的1~17號分別為：黃華占、美香占、五山絲苗、黃廣油占、黃絲莉占、黃廣華占1號、五廣占、雙黃絲苗、黃軟廣占、粵晶絲苗2號、粵農(nóng)絲苗、粵禾絲苗、粵齊新占、馬壩新銀占、科龍、馬壩 銀占、兆香占1號。

重度污染地塊水稻鎘砷硒含量如表4所示。不同品種水稻Cd含量為0.83~1.03mg/kg，平均值為0.92mg/kg，均超過國家食品安全限量標準（0.2mg/kg）。其中，兆香占1號品種的Cd含量最高，達到1.03mg/kg，其次是科龍，達到1.02mg/kg，Cd含量最低的是五廣占，水稻Cd含量為0.83mg/kg。最高最低差異僅為0.2mg/kg，17個品種水稻之間無顯著性差異。

水稻As含量為0.18~0.25mg/kg，平均值為0.21mg/kg。其中，粵農(nóng)絲苗品種的As含量最高，達到0.25mg/kg，其次是馬壩新銀占，達到0.24mg/kg，As含量最低的是黃廣華占1號和粵齊新占，水稻As含量為0.18mg/kg。最高最低差異僅為0.07mg/kg，17個品種水稻之間顯著性差異較明顯。

水稻Se含量為0.030~0.048mg/kg，平均值為0.037mg/kg。其中，馬壩 銀占品種的Se含量最高，達到0.048mg/kg，其次是黃廣華占1號，達到0.047mg/kg，Se含量最低的是五山絲苗，水稻Se含量為0.030mg/kg。最高最低差異為0.018mg/kg，17個品種水稻之間差異不顯著。

表4 重度污染條件下不同品種水稻的鎘砷硒含量

注：圖中數(shù)據(jù)為3次重復數(shù)據(jù)的平均值±標準誤，顯著性差異用One-Way ANOVA Duncan 多重比較（P<0.05），圖中橫坐標所示的1~17號分別為：黃華占、美香占、五山絲苗、黃廣油占、黃絲莉占、黃廣華占1號、五廣占、雙黃絲苗、黃軟廣占、粵晶絲苗2號、粵農(nóng)絲苗、粵禾絲苗、粵齊新占、馬壩新銀占、科龍、馬壩 銀占、兆香占1號。

2.2 不同水稻品種的重金屬含量聚類分析

2.2.1 不同水稻品種鎘含量聚類分析

由圖1的聚類分析可以看出，輕度污染土壤17種水稻Cd含量可分為3類。第一類是黃軟廣占、粵晶絲苗2號、粵農(nóng)絲苗、粵齊新占、馬壩新銀占、科龍、兆香占1號，Cd含量范圍為0.30~0.36mg/kg，平均值為0.33mg/kg，Cd富集能力最強；第二類為黃華占、美香占、黃廣油占、黃絲莉占、雙黃絲苗、粵禾絲苗、馬壩 銀占，Cd含量范圍為0.26~0.28mg/kg，平均值為0.27mg/kg，Cd富集能力較強；第三類是五山絲苗、黃廣華占1號、五廣占，Cd含量范圍為0.20~0.21mg/kg，平均值為0.21mg/kg，Cd富集能力較弱。

圖1 輕度污染土壤中不同品種水稻的Cd含量聚類分析

由圖2的聚類分析可以看出，重度污染土壤17種水稻Cd含量可分為3類。第一類是黃華占、科龍、兆香占1號，Cd含量范圍為1.00~1.03mg/kg，平均值為1.02mg/kg，Cd富集能力最強；第二類為五山絲苗、黃廣油占、美香占、黃絲莉占、雙黃絲苗、黃軟廣占、粵晶絲苗2號、粵農(nóng)絲苗、粵齊新占、馬壩新銀占、馬壩 銀占，Cd含量范圍為0.89~0.97mg/kg，平均值為0.92mg/kg，Cd富集能力較強；第三類是黃廣華占1號、粵禾絲苗、五廣占，Cd含量范圍為0.83~0.86mg/kg，平均值為0.85mg/kg，Cd富集能力較弱。

圖2 重度污染土壤中不同品種水稻的Cd含量聚類分析

2.2.2 不同水稻品種砷含量聚類分析

由圖3的聚類分析可以看出，輕度污染土壤17種水稻As含量可分為3類。第一類是黃華占、美香占、五山絲苗、黃廣油占、雙黃絲苗、馬壩 銀占、兆香占1號，As含量范圍為0.19~0.21mg/kg，As富集能力最強；第二類為黃廣華占1號、粵農(nóng)絲苗、粵禾絲苗、馬壩新銀占、科龍，As含量范圍為0.17~0.18mg/kg，As富集能力較強；第三類是五廣占、黃軟廣占、粵晶絲苗2號、粵齊新占，As含量范圍為0.15~0.16mg/kg，As富集能力較弱。

圖3 輕度污染土壤中不同品種水稻的As含量聚類分析

由圖4的聚類分析可以看出，重度污染土壤17種水稻As含量可分為3類。第一類是粵農(nóng)絲苗、馬壩新銀占，As含量范圍為0.24~0.25mg/kg，As富集能力最強；第二類為黃廣油占、五廣占、雙黃絲苗、粵晶絲苗2號、科龍、馬壩 銀占，As含量范圍為0.21~0.23mg/kg，As富集能力較強；第三類是黃華占、美香占、五山絲苗、黃絲莉占、黃廣華占1號、黃軟廣占、粵禾絲苗、粵齊新占、兆香占1號，As含量范圍為0.18~0.20mg/kg，As富集能力較弱。

圖4 重度污染土壤中不同品種水稻的As含量聚類分析

2.3 不同品種水稻鎘、砷、硒含量的相關性分析

對不同品種水稻的糙米中的鎘、砷、硒元素含量進行相關分析，結果如表5、表6所示，輕度污染土壤下的稻米鎘與砷、硒的相關性均不顯著，砷與硒的相關性也不顯著。重度污染土壤下下的水稻糙米鎘、砷、硒之間的相關性均不顯著。

表5 輕度污染土壤不同品種水稻Cd、As、Se含量的相關性分析

表6 重度污染土壤不同品種水稻Cd、As、Se含量的相關性分析

3.討論

與常規(guī)的修復植物不同，水稻是我國主要的糧食產(chǎn)物，篩選出低積累的水稻品種，為解決糧食安全提供相應的技術建議。目前，品種間的差異是影響水稻積累重金屬的主要因素之一，不同品種水稻的籽粒對重金屬的吸收積累的差異已經(jīng)有不少的報道。林小兵等通過南方129個水稻品種為研究對象，對籽粒中的重金屬進行測定，結果表明水稻對重金屬的吸收積累受遺傳背景、品種類型、重金屬互作的影響較大。江川、殷敬峰等研究發(fā)現(xiàn)重金屬在水稻中的積累差異與水稻的基因型、水稻品種有關。同時，在酸性條件下，質(zhì)地粘重的土壤對稻米鎘富集系數(shù)影響較大。

本研究試驗中，重金屬污染對稻米的影響最大的是Cd，而對總As和Se的影響較小。稻米鎘含量在輕度污染下和重度污染下分別為0.20~0.36mg/kg和0.83~1.03mg/kg，稻米鎘含量隨著土壤中的鎘濃度的提高而增加，這與彭鷗等發(fā)現(xiàn)籽粒鎘含量隨著營養(yǎng)液中鎘濃度的提高而提高是一致的，因此，降低土壤中重金屬濃是降低農(nóng)產(chǎn)品污染的必要措施之一。目前，尚未有明確標準以區(qū)分低富集品種水稻。富集系數(shù)是植物吸收重金屬能力強弱的一個指標，薛濤等通過田間實驗發(fā)現(xiàn)長兩優(yōu)772、長兩優(yōu)1419為適合推廣的低積累水稻品種。田美玲等認為五優(yōu)9708和Y兩優(yōu)1號對重金屬的積累性最低， 推薦這兩個水稻品種為適應于粵北地區(qū)的重金屬低積累水稻品種。另外，王科等用不同的水稻土發(fā)現(xiàn)稻米鎘的富集系數(shù)為0.267~0.848。本試驗的17個水稻品種中，有且只有五廣占在輕度污染的種植條件下符合食品安全國家標準（GB 2762—2017，≤0.2 mg/kg），而趙揚的報道中，五廣占的富集系數(shù)為1.12，比本試驗中的五廣占的富集系數(shù)高一倍，可能與土壤中重金屬的活性、農(nóng)藝措施以及氣候條件有關。根據(jù)聚類分析和富集系數(shù)結果可知，五廣占和黃廣華占1號屬于低鎘低砷品種，具有鎘砷同步低積累的特性，可優(yōu)先種植在當?shù)剌p中度污染農(nóng)田中，保障糧食安全的問題。

我國是一個缺硒的大國，發(fā)展富硒農(nóng)產(chǎn)品既能滿足全民補硒的需求，又能促進農(nóng)業(yè)相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。關于篩選低鎘富硒水稻的報道很多，且大多數(shù)是通過室內(nèi)盆栽進行試驗，而缺乏大田試驗條件下水稻鎘砷硒的研究。根據(jù)《GB/T 22499—2008富硒稻谷》規(guī)定中富硒稻谷硒含量為0.04～0.30mg/kg，本研究供試的水稻品種在輕度鎘污染的條件下，其硒含量均未達到富硒大米的水平，而在鎘重度污染的條件下，黃廣華占1號和馬壩 銀占硒含量達到富硒水平。黃太慶認為噴施含硒葉面肥可以達到富硒降鎘的效果，其最大降鎘效果達到70%。因此黃廣華占1號和馬壩 銀占可作為低鎘富硒品種優(yōu)先考慮種植在中度污染的地塊中，配合使用含硒葉面阻隔劑，對提高當?shù)厮酒焚|(zhì)和保障糧食安全最關重要。

植物體內(nèi)各元素之間存在著不同的相互關系，王小玲等認為鎘與砷之間呈顯著負相關，表現(xiàn)為拮抗關系；胡瑩研究表明砷硒的能力具有交互拮抗作用。大量研究發(fā)現(xiàn)，硒能減少植物對鎘的吸收，與鎘產(chǎn)生拮抗效應。從對植物生理和生長的影響而言，適量的硒可以緩解鎘脅迫引起的氧化應激反應，減少鎘的積累，但過量的硒有可能進一步加重鎘的毒害效應。本研究的17個稻米品種（系）在不同土壤中的鎘與砷、硒的拮抗和協(xié)同關系，但均達不到顯著性相關水平，可能是因為試驗條件不同，植物根系的活性以及土壤中的有效態(tài)的活性是植物吸收積累形成差異的因素，具體有待進一步的考究。以上的研究表明，篩選數(shù)據(jù)的差異很大，本次試驗是基于韶關曲江區(qū)水稻一個生長周期，受氣候環(huán)境和田間管理措施的影響較大，同時本次試驗篩選的水稻品種范圍有限，對于篩選出的水稻品種其穩(wěn)定性仍需要深入驗證，因此應加強低積累富硒水稻品種的篩選和驗證，增加室內(nèi)盆栽試驗，為篩選過程提供更全面的數(shù)據(jù)和技術支持。

4.結論

（1）17個水稻品種籽粒在鎘輕度污染土壤中鎘砷硒的含量分別為0.20~0.36mg/kg、0.15~0.21mg/kg和0.022~0.031mg/kg；在重度污染土壤中分別為：0.83~1.03mg/kg、0.18~0.25、和 0.030~0.048mg/kg。

（2）鎘重度污染土壤水稻鎘含量相較于鎘輕度污染明顯增加，但對砷、硒的含量并無顯著性影響；水稻鎘、砷、硒之間有協(xié)同和拮抗關系，但均達不到顯著性相關水平。

（3）五廣占和黃廣華占1號可作為低鎘低砷水稻品種，黃廣華占1號可作為低鎘富硒水稻品種。