應急性鎘砷低積累水稻品種篩選

劉湘軍，劉匯川，劉嫦娥，王平艷，易春麗，李海英，余泓，潘淑芳，謝運河*

（1.祁陽縣農業(yè)農村局，湖南永州 426100；2.湖南省農業(yè)對外經濟合作中心，湖南長沙 410005；3.湖南省農業(yè)環(huán)境生態(tài)研究所，農業(yè)部長江中游平原農業(yè)環(huán)境重點實驗室，農田土壤重金屬污染防控與修復湖南省重點實驗室，湖南長沙 410125）

種植重金屬低積累水稻品種是實現(xiàn)受污染耕地安全利用的重要手段。2014—2016年，湖南省開展了大批量的應急性鎘低積累水稻品種篩選并發(fā)布了推薦目錄［1］，國內外學者針對水稻吸收積累鎘砷等重金屬開展了大量研究［2］，也建立了鎘低積累水稻品種篩選與選育方法［3-6］，但尚未構建水稻砷低積累水稻品種篩選方法，對砷低積累水稻品種的篩選研究也不多［7］。加之重金屬低積累水稻品種篩選進度遠遠落后于水稻品種的審定進程，適合區(qū)域生態(tài)氣候環(huán)境的重金屬低積累水稻新品種極為缺乏，尤其是受鎘、砷理化性質相左的影響，不同水稻品種對鎘、砷的吸收積累存在極大差異［8-9］，對鎘砷的轉運效果及機理也不相同［10-12］。因此，在世界銀行貸款湖南省農田污染綜合管理項目的支持下，2020年以祁陽縣本地18個優(yōu)勢品種為篩選對象，分析其鎘、砷的吸收積累差異，以期篩選出適合鎘、砷或鎘砷復合污染土壤可應用的應急性水稻品種，為項目區(qū)重金屬污染耕地應急性鎘、砷低積累水稻品種的應用及建立應急性鎘、砷低積累水稻品種篩選鑒定方法提供依據。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

試驗地點位于祁陽縣肖家鎮(zhèn)汪家坪村，土壤全鎘0.49 mg/kg，有效態(tài)鎘0.26 mg/kg；土壤總砷7.05 mg/kg，有效砷0.10 mg/kg；土壤pH 5.40，有機質34.4 g/kg，全氮2.95 g/kg，有效磷2.87 mg/kg，速效鉀82.0 mg/kg，堿解氮127.0 mg/kg。

1.2 供試水稻

18個水稻品種（P1～P18）分別為深兩優(yōu)867、Y兩優(yōu)911、C兩優(yōu)87、C兩優(yōu)386、兩優(yōu)336、深優(yōu)9586、隆兩優(yōu)1212、瀘優(yōu)9803、兩優(yōu)1號、C兩優(yōu)華占、C兩優(yōu)396、荃優(yōu)粵農絲苗、恒豐優(yōu)粵農絲苗、隆晶優(yōu)1212、隆兩優(yōu)1686、晶兩優(yōu)1468、深兩優(yōu)5814、泰優(yōu)390。2020年4月25日，每個品種采用網織袋單獨封裝，并用兩個標簽（一個內置，一個外掛）進行品種標識，再采用常規(guī)方法進行浸種催芽。同時進行秧田準備，4月27日采用育秧盤進行育秧，每個品種育秧10盤；每個品種間留30 cm空間隔開，每個品種用標識牌進行標識；秧田期田間管理采用當?shù)爻Ｒ?guī)方法進行。5月23日試驗田整理好后移栽，水稻品種移栽時帶標識牌，嚴防品種搞錯。

1.3 研究方法

1.3.1 試驗設計

試驗小區(qū)按照隨機區(qū)組排序，各3次重復。插秧密度為12×39=468株/小區(qū)，小區(qū)面積5 m×4 m=20 m2，小區(qū)間不做田埂，以空行隔開（0.8 m）。試驗前先勻田，確保試驗田塊土壤理化性質和土壤污染程度相對均勻；平整田塊，田面最高處與最低處落差不超過3 cm，盡量減少后期水分管理等農藝措施對各品種的影響。重復間和處理間各留0.8 m寬的過道，用于田間耕作和管理的走動，盡量減少插秧后小區(qū)內部的破壞?；适┯?5:15:15復合肥750 kg/hm2，插秧10 d后追尿素150 kg/hm2；水分管理采取分蘗盛期曬田7 d，前期淹水，后期干濕交替的方式進行；病蟲害及其他措施參照當?shù)亓晳T進行。

1.3.2 取樣及樣品分析

試驗前采集基礎土樣，分析土壤基本理化性質；每個水稻品種成熟時，按照5點取樣法每個點位取樣2株，共10株水稻分別按照稻草和稻谷分樣，烘干后稻草粉碎備用，稻谷則采用礱谷機去殼后，糙米粉碎備用。同時，根據水稻成熟時間分批測定各小區(qū)水稻產量，各小區(qū)單打單收，并采用水分測定儀測定水分含量后換算為13%的標準水分含量，計算每個小區(qū)的水稻實際產量。土壤全鎘采用HNO3-HClO4-HF(5:1:2，V/V)消煮，樣品消煮完全后趕酸至近干，加少量稀硝酸溶液溶解后轉移定容；水稻糙米鎘含量以及植株鎘、砷采用HNO3-H2O2(5:2，V/V)微波消煮，糙米無機砷含量采用6 mol/L HCl浸提法；土壤有效態(tài)鎘含量采用DTPA(二乙三胺五醋酸)提取方法進行，稱10.00 g過20目土樣，加入DTPA浸提液(土:水=1:5)50 mL，震蕩2 h后過濾，稀釋20倍后待用；土壤有砷采用乙酸銨提取方法進行，稱10.00 g土樣，加入1 mol/L的乙酸銨50 mL，25℃條件下180 r/min震蕩1 h后過濾，稀釋20～100倍后待用。所有樣品鎘、砷含量使用ICP-MS（iCap-Q，美國Thermo公司）進行測定。

1.3.3 數(shù)據處理與統(tǒng)計

試驗數(shù)據為3次重復平均值，數(shù)據采用WPS和SPSS進行統(tǒng)計和方差分析，Origin作圖。根據收獲的成熟期稻米重金屬鎘、無機砷含量，與所對應的生長土壤中重金屬鎘、砷有效態(tài)含量，計算稻米鎘、砷的富集系數(shù)：

稻米中鎘的富集系數(shù)（BCFCd） 的計算：

式中：Crice為糙米鎘含量，單位mg/kg；Csoil為土壤有效態(tài)鎘含量，單位mg/kg；

稻米中砷的富集系數(shù)（BCFAs）的計算：

式中：Crice為糙米無機砷含量，單位mg/kg；Csoil為土壤中有效態(tài)砷含量，單位mg/kg；

稻米中鎘的轉運系數(shù)（TFCd）的計算：

式中：Crice為糙米鎘含量，單位mg/kg；Cstem為莖鎘含量，單位mg/kg；

稻米中砷的轉運系數(shù)（TFAs）的計算：

式中：Crice為糙米無機砷量，單位mg/kg；Cstem為莖總砷含量，單位mg/kg。

2 結果與分析

2.1 不同水稻品種的生育期及產量差異

不同水稻品種生育時期結果表明（圖1），不同品種成熟期存在較大差異，平均生育期為127.8 d。其中，生育期較短的是P1、P6、P11、P13、P18，即深優(yōu)9586、深兩優(yōu)867、恒豐優(yōu)粵農絲苗、C兩優(yōu)396、泰優(yōu)390，其生育期118 d；而生育期較長的有P7、P15、P17，即隆兩優(yōu)1212、深兩優(yōu)5814、隆兩優(yōu)1686，其生育期140 d。

圖1 不同水稻品種的生育期Fig.1 Growth periods of different rice varieties

測定成熟期水稻產量結果表明（圖2），18個水稻品種的平均產量為5.62±0.22 t/hm2，不同水稻品種間產量差異顯著，產量最高的為P7，產量達6.09±0.22 t/hm2；產量最低的為P8，產量僅5.14±0.17 t/hm2，比P7低15.64%（P＜0.05）；與平均產量相比，增產的品種有11個，增產超過5%的有P7、P9、P10、P16等4個；減產的品種有7個，其中減產超過5%的有P2、P6、P8、P13、P18等5個。

圖2 不同水稻品種水稻產量（AVE：所有品種的平均值，下同）Fig.2 Rice yield of different rice varieties(AVE:average value of all varieties,the same below)

2.2 不同水稻品種稻米及莖葉鎘砷含量差異

測定成熟期水稻稻米鎘、砷含量結果表明（圖3），18個水稻品種的平均稻米鎘含量為0.25±0.06 mg/kg，稻米砷含量為0.13±0.04 mg/kg，稻米鎘含量高于稻米砷含量。根據食品安全國家標準（GB2762—2017)中鎘、砷的限值（≤0.2 mg/kg），有4個品種的稻米鎘含量達標，為P1、P6、P9和P12；而稻米砷含量全部達標。與稻米平均鎘、砷含量相比，稻米鎘含量高于平均值的6個，分別為P7、P8、P14、P15、P16、P18；而稻米砷含量高于平均值的有5個，分別為P6、P13、P14、P17、P18。計算稻米鎘、砷含量的變異系數(shù)可知，稻米鎘的變異系數(shù)為0.44，而稻米砷含量的變異系數(shù)為0.28，稻米鎘含量變異系數(shù)是砷含量變異系數(shù)的1.6倍，表明不同水稻品種間稻米鎘含量的變化差異高于稻米砷含量。

圖3 不同水稻品種稻米鎘砷含量Fig.3 Cadmium and arsenic content in rice of different rice varieties

測定成熟期水稻莖葉鎘、砷含量結果表明（圖4），18個水稻品種的平均莖葉鎘含量為0.99±0.37 mg/kg，莖葉砷含量為1.95±0.70 mg/kg，莖葉砷含量高于莖葉鎘含量。莖葉鎘含量的變異系數(shù)為0.37，而莖葉砷含量的變異系數(shù)為0.36，莖葉鎘含量的變異系數(shù)與砷含量的變異系數(shù)相當。

圖4 不同水稻品種莖葉鎘砷含量Fig.4 Cadmium and arsenic content in stem and leaf of different rice varieties

可見，稻米鎘含量品種間的變異程度最大，其次是莖葉鎘含量和莖葉砷含量，稻米砷含量的變異程度相對較小，也表明稻米鎘低積累水稻品種篩選到的可能性要高于稻米砷低積累水稻品種的篩選。

2.3 不同水稻品種鎘砷轉運及富集系數(shù)差異

計算不同水稻品種鎘砷轉運及富集系數(shù)結果表明（表1），18個品種鎘轉運系數(shù)TFCd范圍為0.14～0.35，平均為0.26，變異系數(shù)為0.30；砷轉運系數(shù)范圍為0.05～0.11，平均為0.07，變異系數(shù)為0.34?？梢?，鎘的轉運系數(shù)遠高于砷的轉運系數(shù)，但鎘砷轉運系數(shù)品種間變異程度相差不大。

表1 不同水稻品種的鎘砷轉運系數(shù)及富集系數(shù)Table 1 Transport coefficient and enrichment coefficient of cadmium and arsenic in different rice varieties

以土壤有效態(tài)鎘含量計算不同水稻品種鎘的富集系數(shù)表明，18個品種鎘富集系數(shù)范圍為0.45～1.94，平均為0.97，變異系數(shù)為0.44；以土壤有效態(tài)砷含量計算不同水稻品種砷富集系數(shù)表明，18個品種鎘富集系數(shù)范圍為0.82～1.88，平均為1.28，變異系數(shù)為0.28?？梢?，砷的富集系數(shù)高于鎘的富集系數(shù)，但鎘富集系數(shù)品種間變異程度高于砷。其原因主要是土壤砷有效率遠小于土壤鎘的有效率。

續(xù)表

2.4 水稻鎘砷含量及其轉運與富集系數(shù)的相關分析

分析水稻鎘砷含量與轉運、富集系數(shù)間的相關性（表2）表明，米鎘含量與莖鎘含量、米砷含量與莖砷含量皆呈極顯著正相關，表明莖鎘、砷含量越高，稻米中鎘、砷含量也越高；而米鎘含量與米砷含量、莖鎘含量與莖砷含量皆無顯著的相關性，表明在本次篩選試驗中，不同品種對鎘、砷的吸收累積存在較大差異；米鎘含量、BCFCd皆與轉運系數(shù)呈極顯著正相關，表明莖鎘含量越高，米鎘含量越高，鎘的富集系數(shù)越大；莖砷含量與BCFAs呈極顯著正相關，而與TFAs呈極顯著負相關，但米砷含量與BCFAs和TFAs皆無明顯的相關性，表明稻米砷含量品種間變化較小，而莖砷含量變化較大，稻米中砷含量的增加或降低的幅度小于莖砷含量的增加或降低幅度；鎘的轉運系、富集系數(shù)皆與砷的轉運、富集系數(shù)無顯著相關性，表明不同品種間的鎘、砷轉運、富集無明顯的拮抗或者協(xié)同效應，也表明不同品種對鎘、砷的吸收、轉運存在極大的個體差異。

表2 不同水稻鎘砷含量與轉運、富集系數(shù)間的相關系數(shù)Table 2 Correlation coefficient between cadmium and arsenic content and transport and enrichment coefficient in different rice

2.5 水稻品種鎘砷含量的聚類分析

以18個水稻品種的稻米鎘、砷含量兩個指標進行聚類分析可知（圖5），18個水稻品種主要分為2組；一組是P15、P16、P18，分析其稻米鎘、砷含量可知，該類型為水稻鎘高積累類型，占16.7%；其余為第二組，而第二組又可以分為兩個亞組，一組是P1、P6，為水稻鎘低積累類型，占11.1%；其余的為另一組，為鎘中等積累類型?？梢?，本試驗通過稻米鎘、砷含量進行聚類分組，其分組結果主要受稻米鎘含量的影響，而對稻米砷并未表現(xiàn)出明顯的分類效果，其原因是稻米鎘含量品種間的變異系數(shù)大于稻米砷含量的變異系數(shù)所致。

圖5 18個水稻品種稻米鎘砷含量的聚類分析圖Fig.5 Cluster analysis of cadmium and arsenic content in 18 rice varieties

3 討論

本項目以祁陽縣本地優(yōu)勢品種為主，對其進行統(tǒng)一種植和管理，產量實測結果表明，不同水稻品種間差異明顯，產量最低的P8比產量最高的P7低15.64%。本研究中，水稻產量最低的為P8，其生育期132 d，處于中等水平；而減產超過5%的P2、P6、P13、P18等品種的生育期明顯短于其他品種?？梢姡陂L短是影響其水稻產量的重要因子［13］，祁陽縣的地理氣候等環(huán)境條件也對其產量具有較大的調控作用［14］。因此，在實際推廣過程中，對減產超過5%的P2、P6、P8、P13、P18等品種應慎重推廣。

在稻田淹水-落干的特殊生境中，氧化還原交替過程頻繁，土壤鎘、砷對EH、pH幾乎表現(xiàn)出完全相反的行為特征［15］，進而影響水稻對鎘、砷的吸收積累。尤其是在不同水肥管理條件下，水稻對鎘、砷的吸收積累規(guī)律不同，淹水顯著降低水稻對鎘的吸收但顯著增加稻米砷的累積，而干濕交替則顯著降低稻米砷含量但顯著增加稻米鎘的積累［16-17］；施用石灰提升土壤pH降低稻米鎘含量的同時也會增加稻米砷的吸收［18］?？梢?，稻米鎘、砷含量不僅與水稻品種有關，還受外界環(huán)境的調控。有研究表明，水稻對鎘砷的吸收積累皆呈先增后降趨勢［19］，但其對鎘、砷的吸收積累不同步，鎘的最大累積量在乳熟期，而砷則主要是分蘗期；加之水稻對鎘砷在器官間的分配也不完全相同，水稻根系砷含量遠高于鎘，砷由根向上位器官的遷移轉運效率遠低于鎘［11］。本研究結果表明，稻米鎘含量品種間的變異系數(shù)較高，而砷含量的變異系數(shù)較低，且稻米鎘、砷含量分別與莖葉鎘、砷含量呈顯著正相關，表明同一水稻品種的稻米鎘、砷含量與莖葉的鎘、砷含量趨勢基本一致，稻米鎘、砷含量的差異也代表了水稻地上部對鎘、砷的吸收累積特征。因此，采用稻米鎘、砷含量可直接反應水稻對鎘、砷的吸收積累特征。

本研究中，基于稻米鎘、砷含量的聚類分析結果表明，鎘高積累和鎘低積累類型的水稻品種數(shù)量相對較少，主要為鎘中等積累的品種。其中，P1、P6為鎘低積累品種，可進行推廣；而P15、P16、P18為鎘高積累水稻品種，不宜在鎘污染稻田應用。此外，由于本研究選擇的試驗田土壤為鎘輕度污染（全鎘含量0.49 mg/kg），土壤總砷含量7.05 mg/kg，未達污染標準。土壤總砷含量低也在一定程度上降低了水稻對砷的吸收，也降低了稻米砷含量品種間的差異。且稻米鎘平均含量為0.25±0.06 mg/kg，稻米砷含量僅0.13±0.04 mg/kg，稻米砷含量也未超標，在一定程度上降低了稻米砷含量的差異。因此，鎘砷低積累水稻品種的篩選應選擇土壤砷含量相對較高的稻田或者選擇稻米容易超標的稻田，以便更真實的反應水稻對土壤砷的吸收積累特征，篩選到真正需要的砷低積累水稻品種。

4 結論

1）18個品種的平均產量為5.62±0.22 t/hm2，其中比平均產量減產超過5%的有P2、P6、P8、P13、P18等5個，具有較大的減產風險。

2）18個水稻品種的平均稻米鎘含量為0.25±0.06 mg/kg，稻米砷含量為0.13±0.04 mg/kg，18個水稻品種的聚類分析結果表明，鎘高積累水稻品種有P15、P16、P18等，鎘污染稻田不宜推廣；鎘低積累水稻品種有P1、P6，適于輕中度鎘污染稻田的安全利用；其余的為中等鎘積累類型。

3）采用稻米鎘、砷含量可直接反應水稻對鎘、砷的吸收積累特征。