重金屬鎘在土壤-水稻中遷移轉(zhuǎn)化特征

張悅妍， 郭興強(qiáng)， 莫桂蘭， 秦信鳳

(貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院， 貴州 貴陽 550025)

0 引言

【研究意義】據(jù)《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示，中國(guó)土壤污染物總超標(biāo)率為16.1%，其中鎘污染尤為嚴(yán)重，點(diǎn)位超標(biāo)率達(dá)7.0%[1]，居重金屬污染物之首。在國(guó)家土地利用分類中，耕地是人類賴以生存的基本條件，耕地質(zhì)量決定了我國(guó)糧食生產(chǎn)能力，然而其鎘污染狀況不容樂觀。近年來，全國(guó)土壤質(zhì)量污染普查表明，我國(guó)部分地區(qū)存在鎘超標(biāo)問題。我國(guó)受鎘污染的耕地面積約為27.86萬hm2[2]，占全國(guó)總耕地面積的20%[3]。鎘作為一種毒性高、遷移性強(qiáng)的金屬，極易轉(zhuǎn)化為營(yíng)養(yǎng)覆蓋，最終進(jìn)入食物鏈，且經(jīng)營(yíng)養(yǎng)級(jí)的傳遞，鎘的濃度能夠通過生物放大作用逐級(jí)增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)大田作物每年鎘含量超標(biāo)的農(nóng)產(chǎn)品高達(dá)146萬t[4]。大米消費(fèi)量占中國(guó)每年消費(fèi)谷物的一半以上[5]，是我國(guó)口糧中最主要的消費(fèi)品種。據(jù)市場(chǎng)統(tǒng)計(jì)(2018年10月至2019年9月)，我國(guó)稻谷消費(fèi)量為2.03億t，其中食用消費(fèi)占比高達(dá)81.96%。然而，水稻極易吸收和富集鎘,因此，研究重金屬鎘在水稻各器官的積累量及其在土壤-水稻中的遷移轉(zhuǎn)化特征對(duì)控制稻米鎘污染，保障糧食生產(chǎn)安全具有重要現(xiàn)實(shí)意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】在各種飲食中，稻米是一般非吸煙人群飲食中Cd攝入量的最大貢獻(xiàn)者[6]。人體內(nèi)的鎘元素沉積可導(dǎo)致嚴(yán)重的慢性疾病，包括骨損傷、肺癌、胃腸道腫瘤、腎臟損傷和肝臟疾病等，同時(shí)也可導(dǎo)致生殖系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)等病變，嚴(yán)重時(shí)具有致癌性和致畸性。此外，鎘與蛋白質(zhì)分子結(jié)合后形成鎘-蛋白質(zhì)，易導(dǎo)致人體對(duì)一些必需物質(zhì)(脂質(zhì)、糖分、蛋白)吸收受到抑制，從而導(dǎo)致威脅較大的急性病癥[7]的產(chǎn)生。稻米重金屬超標(biāo)問題為人體健康帶來巨大隱患。在土壤pH 4.0～8.0，精米鎘含量與土壤有效鎘含量呈極顯著相關(guān)[8]；土壤鎘濃度對(duì)各器官鎘富集效率影響顯著，重度鎘污染土壤組各器官鎘富集系數(shù)及土壤-糙米的鎘轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均顯著高于中輕度鎘污染土壤組[9]?！狙芯壳腥朦c(diǎn)】現(xiàn)有研究多是從土壤或水稻的單一角度研究鎘污染，從土壤-水稻系統(tǒng)角度研究也有一些報(bào)道。已有研究表明，水稻各器官的富集程度及土壤-水稻系統(tǒng)中各部位間轉(zhuǎn)運(yùn)效率均受土壤鎘脅迫程度影響[9]，但不同鎘污染土壤條件下，鎘在土壤-水稻中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律仍需進(jìn)一步研究?！緮M解決的關(guān)鍵問題】通過人工模擬鎘污染盆栽試驗(yàn)，選取分蘗期和成熟期的水稻，設(shè)置4種濃度梯度，探究不同鎘污染土壤條件下水稻各器官的鎘富集能力及土壤-水稻系統(tǒng)各部分間轉(zhuǎn)運(yùn)特征，分析水稻對(duì)鎘的響應(yīng)機(jī)制，旨在為更好地控制水稻中的鎘含量及保障糧食生產(chǎn)安全提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

供試土壤采自貴州大學(xué)周邊農(nóng)田，土樣為黃壤土。供試稻為粳稻，種子來自貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院。試劑為鎘標(biāo)液，上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院提供。硝酸、過氧化氫及高氯酸，均為優(yōu)級(jí)純，川東化工公司生產(chǎn)。儀器設(shè)備包括MARS6高通量密閉微波消解儀(美國(guó)培安)，X2電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(美國(guó)賽默飛世爾科技)。供試試驗(yàn)盆直徑20 cm、高20 cm。

1.2 方法

1.2.1 材料預(yù)處理

1) 土壤。將土壤以外源加鎘方式進(jìn)行預(yù)處理，分別控制土壤鎘含量為0.3 mg/kg(輕微污染)、0.6 mg/kg(輕度污染)、0.9 mg/kg(中度污染)及1.5 mg/kg(重度污染)4個(gè)污染水平，經(jīng)預(yù)處理的土壤陳化1周后裝盆，每盆裝土5 kg，然后1盆移栽1株幼苗，備用。

2) 水稻。水稻預(yù)先在貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院進(jìn)行田間育苗，篩選長(zhǎng)勢(shì)一致，正常生長(zhǎng)的幼苗期水稻備用。

1.2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)設(shè)5個(gè)處理，將土壤以外源加鎘方式進(jìn)行預(yù)處理，分別控制土壤鎘含量為0.3 mg/kg(輕微污染)、0.6 mg/kg(輕度污染)、0.9 mg/kg(中度污染)及1.5 mg/kg(重度污染)4個(gè)污染水平，以自然土壤作為對(duì)照(CK)。每個(gè)濃度4盆(4個(gè)平行)，加上空白對(duì)照合計(jì)20盆。試驗(yàn)在貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院進(jìn)行，濕度、光照及溫度等均為自然條件。肥料選用甲殼素納米硅肥，統(tǒng)一采用自來水進(jìn)行灌溉，全生育期保持土壤淹水2～4 cm。盆栽期間施肥與病蟲害防治與當(dāng)?shù)靥镩g管理措施一致。

1.2.3 樣品采集與預(yù)處理

1) 樣品采集。試驗(yàn)共采樣2次，分別在水稻分蘗期(生長(zhǎng)43 d)和成熟期(生長(zhǎng)110 d)進(jìn)行。每次采樣均隨機(jī)選取一組包含各濃度水平的盆栽，進(jìn)行水稻植株和根際土壤的收集。植株分為地下部分、地上部分及籽粒(成熟期)，采集的樣品依次用自來水和超純水洗凈后自然風(fēng)干。植物樣品和土壤樣品分別用粉碎機(jī)和研缽磨碎，同一試驗(yàn)盆中樣本同一部位磨碎處理后混合均勻并裝入密封袋保存待測(cè)。

2) 樣品預(yù)處理。土壤樣品：稱取0.1 g左右待測(cè)土樣置于消解罐中，加入6 mL優(yōu)級(jí)純硝酸和2 mL過氧化氫，送入微波消解儀進(jìn)行消解，待樣品完全冷卻后，加入1 mL高氯酸。將消解罐放入BHW-09C恒溫加熱器趕酸，待罐中僅剩1～2 mL溶液時(shí)，將樣品轉(zhuǎn)移至50 mL容量瓶中定容。植物樣品：稱取0.5 g左右待測(cè)植物樣品置于消解罐中，加入5 mL優(yōu)級(jí)純硝酸，預(yù)反應(yīng)12 h后，加入3 mL過氧化氫，送入微波消解儀進(jìn)行消解。將消解后的樣品放入BHW-09C恒溫加熱器趕酸，待消解罐中僅剩2～3 mL溶液時(shí)，將樣品轉(zhuǎn)移至50 mL容量瓶中定容。

1.2.4 指標(biāo)測(cè)定 植物及土壤鎘含量均采用ICP-MS進(jìn)行測(cè)定。計(jì)算水稻植株不同部位鎘的濃度，然后根據(jù)濃度計(jì)算富集系數(shù)(BCF)，鎘在土壤-水稻系統(tǒng)中的遷移能力用轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(TF)表示。

BCF=CP/CS

TFx-y=Cy/Cx

式中，BCF表示植株中某一器官對(duì)鎘的富集系數(shù)；CP代表該器官的鎘含量；CS代表土壤全鎘含量[10]；x和y分別代表土壤-水稻系統(tǒng)中的某一組成部分(土壤、根系、莖葉、糙米)；TFx-y代表鎘從x轉(zhuǎn)運(yùn)至y的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)；Cx、Cy分別代表2個(gè)部分中的鎘含量[11]。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用Excel 2010和Oringin 2010對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析與制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同鎘污染程度土壤和水稻各器官的鎘含量

從表1看出，土壤鎘污染程度對(duì)水稻各器官鎘積累量的影響較明顯。隨著鎘脅迫濃度的增加，水稻各器官鎘含量相應(yīng)增加(分蘗期莖葉除外)，植株鎘積累量明顯增大。土壤鎘污染程度每升高1個(gè)等級(jí)，植株鎘積累量平均提高至上一級(jí)的2倍左右。重度污染(1.5 mg/kg)條件下，水稻分蘗期和成熟期植株鎘含量分別為對(duì)照(0 mg/kg)的11.58倍和20.22倍。分蘗期植株鎘含量顯著高于成熟期，在輕微、輕度、中度和重度鎘污染條件下，分蘗期植株鎘積累量分別為成熟期的3.19倍、1.41倍、1.12倍和2.05倍。

表1 不同鎘污染程度土壤和水稻各器官的鎘含量

成熟期同一水稻植株中不同器官的鎘含量均為根系>莖葉>糙米。在成熟植株中，水稻根系對(duì)植株鎘積累量的貢獻(xiàn)最大，其鎘含量占整個(gè)水稻植株的56.53%～85.54%；其次為水稻莖葉中的鎘，占比為13.06%～39.35%，成熟期糙米中的鎘含量占比僅為植株鎘積累量的1.40%～4.33%。

2.2 鎘在水稻植株中的富集特征

從圖1看出，不同濃度鎘脅迫土壤條件下水稻根、莖、葉和糙米中鎘富集系數(shù)的變化。

圖 1 不同鎘污染程度水稻分蘗期和成熟期各器官鎘的富集系數(shù)

2.2.1 分蘗期 隨著鎘污染程度增大，根系和莖葉的鎘富集系數(shù)均呈先升后降再升趨勢(shì)，且均表現(xiàn)為相同污染程度時(shí)根系的鎘富集系數(shù)明顯較莖葉的高。水稻植株根系與地上部分的鎘富集系數(shù)隨鎘脅迫濃度的變化趨勢(shì)呈大體一致，但二者與鎘脅迫濃度未表現(xiàn)出相關(guān)性。

2.2.2 成熟期 水稻根系及地上部分對(duì)鎘的富集系數(shù)均表現(xiàn)為在鎘脅迫濃度范圍為0.3～0.9 mg/kg時(shí)，隨鎘脅迫濃度增大，根系和莖葉的鎘富集系數(shù)均呈先升后降趨勢(shì)，即在中度鎘污染時(shí)達(dá)最高，然后下降；根系的變幅較大，莖葉的變幅較小。糙米鎘富集系數(shù)呈先降后升趨勢(shì)，變幅較??；其每提升1個(gè)污染等級(jí)，稻米對(duì)鎘的富集系數(shù)平均增加至前一等級(jí)的1.7倍左右。重度鎘污染土壤條件下，稻米對(duì)鎘的富集系數(shù)為輕微鎘污染土壤條件下的3.92倍。5種不同鎘污染程度的土壤條件下，同一水稻植株內(nèi)，各器官鎘富集系數(shù)均相同，均呈糙米<莖葉<根系。其中，植株根系的鎘富集能力明顯高于植株地上部分，其平均為地上部分的4倍。水稻生育期及土壤鎘污染程度對(duì)水稻各器官鎘富集能力大小的一般規(guī)律未產(chǎn)生明顯影響。

2.3 鎘在土壤-水稻系統(tǒng)中的遷移特征

從表2看出，除成熟期樣品中的輕微污染土壤組外，土壤-水稻系統(tǒng)各部分間轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均表現(xiàn)為TF土壤-根系>TF根系-莖葉>TF莖葉-稻米，且不同環(huán)節(jié)數(shù)值差距較大，成熟期土壤至根系的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均值分別為根系至植株地上部分以及植株地上部分至稻米的3.14倍和10.89倍。鎘脅迫濃度與土壤-水稻系統(tǒng)各部分間轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)無明顯相關(guān)性。

表2 不同鎘污染程度鎘在土壤-水稻系統(tǒng)各部分間的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)

2.3.1 分蘗期 對(duì)于分蘗期的水稻植株，土壤-根的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)及根-地上部分的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)變化趨勢(shì)相似，均呈先升后降再升趨勢(shì)，且在輕度污染時(shí)達(dá)最大值，分別為2.180 3和0.300 8；土壤-根的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)在中度污染條件下最低，為1.294 2；根-地上部分的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)在輕微污染條件下最低，為0.049 1。

2.3.2 成熟期 對(duì)于成熟期的水稻植株，土壤-根的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)及根-地上部分的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)呈完全相反的變化趨勢(shì)。土壤-根的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)在輕微鎘污染土壤條件下最小，為0.221 8；隨鎘脅迫濃度增加轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)增大，在中度污染條件達(dá)最大值，為3.582 5；之后呈減小趨勢(shì)。根-地上部分的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)則在輕微鎘污染土壤條件下最大，為0.696 1；隨鎘脅迫濃度增加轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)減小，在中度污染條件下達(dá)最小值，為0.152 6；之后呈增大趨勢(shì)。莖葉-稻米的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)鎘脅迫濃度較小時(shí)呈現(xiàn)短暫的下降趨勢(shì)，而在鎘脅迫濃度為0.6～1.5 mg/kg時(shí)隨污染程度增大而增加。

3 討論

研究結(jié)果表明，隨著土壤鎘脅迫濃度的增加，水稻植株鎘積累量明顯增大，二者呈絕對(duì)正相關(guān)。與史靜等[12-13]的研究結(jié)果基本一致。此外，水稻分蘗期植株鎘含量顯著高于成熟期，原因在于：一方面水稻在生長(zhǎng)前期吸收的鎘會(huì)隨著生長(zhǎng)發(fā)育而損失掉一部分[14]，故成熟期植株中鎘含量低于分蘗期；另一方面，分蘗期為水稻的生長(zhǎng)階段，需要大量的外部營(yíng)養(yǎng)，有害元素鎘與營(yíng)養(yǎng)元素一起被主動(dòng)吸收，從而導(dǎo)致植株中鎘含量較高[15]。此外，成熟期同一水稻植株中不同器官的鎘含量均為根系>莖葉>糙米。對(duì)此規(guī)律，有研究認(rèn)為，相比于必需元素和水分，鎘在水稻植株體內(nèi)的遷移速度很慢[16-17]。體現(xiàn)出水稻細(xì)胞對(duì)必需元素和有害元素存在一定的辨識(shí)能力，對(duì)Cd的跨膜運(yùn)輸以及在組織間的轉(zhuǎn)運(yùn)有明顯的攔截作用。水稻各器官在構(gòu)造上的差異決定了其組控功能的不同，進(jìn)而導(dǎo)致鎘由根系向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)過程中轉(zhuǎn)運(yùn)強(qiáng)度和速率的不同以及水稻不同器官對(duì)鎘積累量的差異。

稻米中含鎘的主要原因是土壤中的鎘經(jīng)由質(zhì)外體途徑和共質(zhì)體途徑被水稻根系吸收富集后因蒸騰作用和根壓向上遷移，而遷移至莖葉中的鎘將通過稻穗穗軸中的維管束進(jìn)行匯聚后一并轉(zhuǎn)運(yùn)至稻米[18]，故水稻稻米對(duì)Cd的積累主要取決于整個(gè)過程中的鎘的遷移能力以及各部分間轉(zhuǎn)運(yùn)鎘的難易程度。吳照祥等[19]提出，重金屬在植物組織分布特征基本遵從自下而上逐漸降低的規(guī)律。莫爭(zhēng)等[20]認(rèn)為，重金屬在水稻植株內(nèi)分布的一般規(guī)律是在新陳代謝旺盛器官的積累量大于營(yíng)養(yǎng)貯藏器官中的積累量，根、莖、葉、籽粒各器官中的鎘積累量依次減小。周鴻凱等[21]研究表明，水稻植株器官中Cd分布情況大致為糙米<莖<葉<鞘<根，而馮蓮蓮等[22]的研究顯示，Cd在各組織中的含量分別表現(xiàn)為糙米<葉<莖<根。該研究結(jié)果與上述研究結(jié)果基本一致。研究結(jié)果表明，5種不同鎘污染程度的土壤條件下，同一水稻植株內(nèi)，各器官鎘富集系數(shù)均相同，均呈糙米<莖葉<根系。

周靜等[9，23]對(duì)水稻各器官鎘富集能力的研究表明，水稻植株各個(gè)器官對(duì)鎘富集能力的大小順序均為根系>莖稈>葉>糙米，與該研究結(jié)論基本一致。水稻各部位的轉(zhuǎn)運(yùn)能力和富集能力是造成稻米Cd含量差異的主要原因。有研究表明，造成籽粒富集能力低于根系的原因之一為進(jìn)入根部的重金屬首先與蛋白質(zhì)、多糖類和核酸等物質(zhì)結(jié)合，然后向植株地上部分轉(zhuǎn)移，重金屬通過木質(zhì)部導(dǎo)管、韌皮部運(yùn)輸進(jìn)入籽粒的過程需要消耗能量，而距離越遠(yuǎn)的器官越難以運(yùn)輸[17]。在植株成熟期，水稻根系及地上部分對(duì)鎘的富集系數(shù)均隨鎘脅迫濃度的增加而增大，在中度鎘污染土壤組達(dá)到最高值后呈下降趨勢(shì)。原因可能是隨著鎘濃度的提高，鎘的遷移轉(zhuǎn)化能力逐漸趨于穩(wěn)定或達(dá)到平衡。莖葉-稻米的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)鎘脅迫濃度較小時(shí)呈短暫的下降趨勢(shì)，而在鎘脅迫濃度為0.6～1.5 mg/kg時(shí)隨污染程度增大而增加，究其原因可能是Cd在土壤-水稻系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)運(yùn)規(guī)律受植物本身遺傳特性及鎘存在形態(tài)等多種因素共同作用的影響，而此次試驗(yàn)并未排除其他因素的影響，僅以控制鎘脅迫濃度為唯一控制變量。

4 結(jié)論

隨鎘脅迫濃度增加，水稻鎘積累量顯著增大，其規(guī)律表現(xiàn)為重度污染(1.5 mg/kg)>中度污染(0.9 mg/kg)>輕度污染(0.6 mg/kg)>輕微污染(0.3 mg/kg)>對(duì)照(0 mg/kg)。分蘗期水稻植株鎘含量顯著高于成熟期水稻植株鎘含量；水稻各器官對(duì)鎘的富集能力大小順序均表現(xiàn)為根系>莖葉>糙米，此規(guī)律不受水稻生育期及土壤鎘污染程度的影響；對(duì)于成熟期水稻植株，重金屬鎘在水稻各器官的富集能力與土壤鎘脅迫濃度整體上呈正相關(guān)。重度鎘污染土壤條件對(duì)水稻根系和莖葉器官的富集能力表現(xiàn)出一定抑制作用；Cd 在土壤-水稻系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)運(yùn)規(guī)律受多種因素共同作用的影響。土壤-水稻系統(tǒng)各部分間轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)表現(xiàn)為TF土壤-根系>TF根系-莖及葉>TF莖及葉-稻米，而鎘脅迫濃度與土壤-水稻系統(tǒng)各部分間轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)無明顯相關(guān)性。