不同化學(xué)試劑和鎘鈍化肥料對(duì)水稻吸鎘影響的研究

羅玉萍,曾 麗,彭 燕,劉 賽,梁滿中,陳良碧,戴小軍

(湖南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院作物不育資源創(chuàng)新與利用湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國(guó)湖南長(zhǎng)沙410081)

近幾十年來(lái),隨著我國(guó)工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展,土壤重金屬鎘(cadmium,Cd)的污染程度逐步加重[1～3]。土壤鎘污染造成的農(nóng)作物產(chǎn)品質(zhì)量下降、產(chǎn)量降低、品質(zhì)不安全等問(wèn)題,影響我國(guó)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,并且嚴(yán)重威脅到人類的身體健康[4～7]。水稻作為我國(guó)第一大糧食作物,年種植面積大,范圍廣,保障其品質(zhì)安全非常重要[8～9],但水稻鎘污染日趨嚴(yán)重,加強(qiáng)鎘污染稻田的綜合防治,尤其是中輕度污染水平下土壤原位修復(fù),是降低水稻吸鎘,保障糧食質(zhì)量、產(chǎn)量和品質(zhì)的重要應(yīng)急措施之一。

雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)土壤鎘污染的治理策略、治理技術(shù)和治理方法,以及能夠降低土壤中鎘生物有效性的肥料、土壤改良劑和鈍化劑等產(chǎn)品的研究比較多[10～21],但是在降鎘產(chǎn)品對(duì)土壤鎘的有效性和水稻吸收鎘的影響等方面缺乏深入研究和系統(tǒng)評(píng)價(jià)。本研究以高吸鎘的G283、低吸鎘的湘晚秈12號(hào)等為材料,采用水培法和盆栽實(shí)驗(yàn)方法研究了鎘離子親和度不同的化學(xué)試劑與鎘鈍化肥料對(duì)水稻吸鎘的影響,旨在為研究出降低稻米鎘含量的生產(chǎn)技術(shù)措施提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料和方法

1.1 材料

供試水稻材料有G283(高吸鎘材料)、湘晚秈12 號(hào)(低吸鎘材料)以及 9311、陸兩優(yōu) 996、KT27S、T91S、株兩優(yōu)819共7種,由湖南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院植物分子與發(fā)育實(shí)驗(yàn)室提供?；瘜W(xué)試劑有 NH4Cl、CH3COONH4、EDTANa2、Na2SH 等 4 種,購(gòu)買(mǎi)于國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。鎘鈍化肥料有土壤調(diào)理劑Ⅰ、土壤調(diào)理劑Ⅱ、土壤調(diào)理劑Ⅲ、堿性顆粒肥、金無(wú)蹤、高嶺土6種,由湖南省重金屬治理辦提供。

1.2 方法

1.2.1 供試材料不同鎘濃度溶液的處理

當(dāng)供試水稻幼苗進(jìn)入3葉期后,分別用含1 μmol/L、5 μmol/L、10 μmol/L、15 μmol/L、20 μmol/L、25 μmol/L 6種鎘離子(Cd2+)濃度的完全水培液培育,pH調(diào)節(jié)為6.0,其中鎘源為硝酸鎘,每個(gè)處理培育25 d,3次重復(fù)。

1.2.2 水培條件下化學(xué)試劑和鎘鈍化肥料的處理

為了研究化學(xué)試劑和鎘鈍化肥料對(duì)水稻吸鎘的影響,在完全水培液的條件下做了11個(gè)處理:(1)對(duì)照(CK):加入5 μmol/L Cd2+,調(diào)pH值為6.0；(2～5)加入 5 μmol/L Cd2+,再分別加入 0.2 mmol/L的 NH4Cl、CH3COONH4、EDTANa2、Na2SH,調(diào) pH值為 6.0；(6～11)加入 5 μmol/L Cd2+,調(diào) pH 值為 6.0,再分別加入50 mg/L的土壤調(diào)理劑Ⅰ、土壤調(diào)理劑Ⅱ、土壤調(diào)理劑Ⅲ、堿性顆粒肥、金無(wú)蹤、高嶺土。其中鎘源為硝酸鎘,每個(gè)處理培育25 d,3次重復(fù)。

1.2.3 土培條件下化學(xué)試劑和鎘鈍化肥料的處理

在土培條件下研究不同土壤鎘濃度下化學(xué)試劑和鎘鈍化肥料對(duì)水稻吸鎘的影響。用于種植早稻材料陸兩優(yōu)996和株兩優(yōu)819的土壤全鎘含量為1.4 mg/kg；用于種植晚稻材料湘晚秈12號(hào)和G283的土壤全鎘含量為3.9 mg/kg。將土壤自然風(fēng)干,除雜后裝入桶中,每桶8 kg土壤。早稻材料設(shè)置8個(gè)處理,3次重復(fù)。8個(gè)處理分別為:1)對(duì)照(CK)；2)土壤調(diào)理劑Ⅰ；3)土壤調(diào)理劑Ⅱ；4)土壤調(diào)理劑Ⅲ；5)金無(wú)蹤；6)EDTANa2；7)NH4Cl；8)CH3COONH4。晚稻材料設(shè)置了4個(gè)處理,3次重復(fù)。4個(gè)處理分別為:1)對(duì)照(CK)；2)土壤調(diào)理劑Ⅰ；3)土壤調(diào)理劑Ⅱ；4)土壤調(diào)理劑Ⅲ。

1.2.4 鎘含量測(cè)定

把烘干的材料按所需部分分別磨成粉末,使用NX-100F食品重金屬檢測(cè)儀測(cè)定鎘含量。

1.2.5 數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)用Excel 2016軟件進(jìn)行初步處理,采用SPSS 22.0軟件進(jìn)行單因素統(tǒng)計(jì)分析,采用GraphPad Prism v8.0.2.263軟件制圖。

2 結(jié)果

2.1 不同水稻品種幼苗吸鎘規(guī)律的比較分析

不同鎘濃度下水稻幼苗地上部分和根部的鎘含量分析結(jié)果表明,隨著鎘濃度的增加,7種水稻材料地上部分和根部的鎘含量都明顯增加(圖1)。在同一鎘濃度下,不同水稻幼苗吸鎘情況存在明顯差異,其中G283幼苗地上部分和根部吸鎘最多,T91S幼苗地上部分和根部吸鎘最少。G283幼苗隨著鎘濃度的增加,地上部分和根部的鎘含量都顯著增加。湘晚秈12號(hào)幼苗鎘含量主要積累在根部,但是當(dāng)鎘濃度增加時(shí),鎘往上運(yùn)輸顯著增加。

圖1 不同鎘濃度下水稻幼苗地上部分(A)和根部(B)的鎘含量數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差,同一鎘濃度下不同小寫(xiě)字母表示水稻幼苗之間鎘含量差異顯著(P＜0.05)。Fig.1 The Cd contents of shoots(A)and roots(B)in rice seedlings treated with different Cd concentrationsData are presented as mean±standard deviation.Different lowercase letters at the same Cd concentration indicate significant differences in the Cd contents among rice seedlings(P＜0.05).

2.2 不同化學(xué)試劑對(duì)水稻幼苗吸鎘的影響

在5 μmol/L鎘濃度的水培條件下,經(jīng)不同化學(xué)試劑處理后分別測(cè)定了水稻幼苗地上部分和根部的鎘含量(圖 2)。結(jié)果表明,G283、9311、KT27S和株兩優(yōu)819幼苗地上部分和根部的鎘含量在NH4Cl和CH3COONH4處理下與CK對(duì)比沒(méi)有顯著差異；在EDTANa2處理下,7種水稻材料幼苗地上部分和根部的鎘含量顯著降低；在Na2SH處理下,陸兩優(yōu)996、湘晚秈12號(hào)、KT27S、T91S及株兩優(yōu)819的地上部分和根部的鎘含量與CK對(duì)比顯著降低。此研究結(jié)果說(shuō)明,在5 μmol/L鎘濃度水培條件下,NH4Cl和CH3COONH4添加對(duì)水稻根系吸收和運(yùn)輸鎘的影響較弱,而EDTANa2和Na2SH能顯著降低水稻幼苗對(duì)鎘的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)。

圖2 不同化學(xué)試劑處理下水稻幼苗地上部分(A)和根部(B)的鎘含量數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差,不同小寫(xiě)字母表示同一水稻材料在不同化學(xué)試劑處理下鎘含量差異顯著(P＜0.05)。Fig.2 The Cd contents of shoots(A)and roots(B)in rice treated with different chemical reagentsData are presented as mean±standard deviation.Different lowercase letters indicate that the Cd contents of the same rice material are significantly different under treatment with different chemical reagents(P＜0.05).

2.3 不同土壤調(diào)理劑對(duì)水稻幼苗吸鎘的影響

在5 μmol/L鎘濃度水培條件下,不同土壤調(diào)理劑處理對(duì)水稻幼苗地上部分和根部鎘含量的影響如圖3所示,除了陸兩優(yōu)996根部鎘含量在土壤調(diào)理劑Ⅲ下略有升高外,7種水稻幼苗地上部分和根部的鎘含量在3種土壤調(diào)理劑下都降低,表明在5 μmol/L鎘濃度水培條件下,土壤調(diào)理劑可以有效降低水稻幼苗對(duì)鎘的吸收。

圖3 土壤調(diào)理劑處理下水稻幼苗地上部分(A)和根部(B)的鎘含量數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差,不同小寫(xiě)字母表示同一水稻材料在不同土壤調(diào)理劑處理下鎘含量的差異顯著(P＜0.05)。Fig.3 The Cd contents of shoots(A)and roots(B)in rice treated with different soil conditionersData are presented as mean±standard deviation.Different lowercase letters indicate that the Cd contents of the same rice material are significantly different under treatment with different soil conditioners(P＜0.05).

2.4 鎘鈍化肥料對(duì)水稻幼苗吸鎘的影響

在5 μmol/L鎘濃度水培條件下,鎘鈍化肥料處理對(duì)水稻幼苗地上部分和根部鎘含量的影響如圖4所示,與CK對(duì)比,7種水稻幼苗地上部分的鎘含量在金無(wú)蹤、高嶺土和堿性顆粒肥處理下顯著降低。在堿性顆粒肥的處理下,陸兩優(yōu)996、湘晚秈12號(hào)、KT27S、T91S和株兩優(yōu)819幼苗的地上部分鎘含量降低了50%以上,G283和9311幼苗的地上部分鎘含量分別降低了39.5%和30.1%。在金無(wú)蹤和高嶺土處理下,7種水稻幼苗根部的鎘含量與對(duì)照對(duì)比存在差異,但是鎘含量總體表現(xiàn)為降低。

圖4 鎘鈍化肥料處理下水稻幼苗地上部分(A)和根部(B)的鎘含量數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差,不同小寫(xiě)字母表示同一水稻材料在不同鎘鈍化肥料處理下鎘含量的差異顯著(P＜0.05)。Fig.4 The Cd contents of shoots(A)and roots(B)in rice treated with different fertilizersData are presented as mean±standard deviation.Different lowercase letters indicate that the Cd contents of the same rice material are significantly different under treatment with different Cd passivation fertilizers(P＜0.05).

2.5 不同化學(xué)試劑與鈍化肥料對(duì)陸兩優(yōu)996和株兩優(yōu)819植株各部分鎘含量的影響

不同處理下陸兩優(yōu)996植株各部分的鎘含量結(jié)果顯示:在土壤調(diào)理劑Ⅰ、土壤調(diào)理劑Ⅱ、土壤調(diào)理劑Ⅲ、金無(wú)蹤和EDTANa2的處理下,與CK對(duì)比,陸兩優(yōu)996的根、莖、葉、谷殼和糙米的鎘含量顯著降低；在NH4Cl和CH3COONH4的處理下,與CK對(duì)比,陸兩優(yōu)996的根、莖、葉、谷殼和糙米的鎘含量顯著升高(表1)。此研究結(jié)果表明,土壤調(diào)理劑、金無(wú)蹤和EDTANa2可顯著降低陸兩優(yōu)996各器官的鎘含量,而NH4Cl和CH3COONH4導(dǎo)致陸兩優(yōu)996各器官鎘含量增加。

表1 不同化學(xué)試劑和鎘鈍化肥料處理下陸兩優(yōu)996各部分的鎘含量Table 1 The Cd contents in different organs of Luliangyou996 treated with different chemical reagents and Cd passivation fertilizers/(mg·kg-1)

不同處理下株兩優(yōu)819植株各部分的鎘含量結(jié)果顯示:在土壤調(diào)理劑Ⅰ、土壤調(diào)理劑Ⅱ、土壤調(diào)理劑Ⅲ、金無(wú)蹤和EDTANa2的處理下,與CK對(duì)比,株兩優(yōu)819的根、莖、葉、谷殼和糙米的鎘含量顯著降低；在NH4Cl、CH3COONH4的處理下,與CK對(duì)比,株兩優(yōu)819的根、葉、谷殼和糙米的鎘含量上升(表2)。此研究結(jié)果表明,土壤調(diào)理劑、金無(wú)蹤和EDTANa2可顯著降低株兩優(yōu)819各器官的鎘含量,而NH4Cl和CH3COONH4導(dǎo)致株兩優(yōu)819各器官鎘含量增加。

表2 不同化學(xué)試劑和鎘鈍化肥料處理下株兩優(yōu)819各部分的鎘含量Table 2 The Cd contents in different organs of Zhuliangyou819 treated with different chemical reagents and Cd passivation fertilizers/(mg·kg-1)

在CK條件下,陸兩優(yōu)996和株兩優(yōu)819植株不同器官的鎘含量均表現(xiàn)為根＞莖＞葉＞谷殼＞籽粒。在不同處理下,陸兩優(yōu)996根、莖、葉、谷殼和籽粒中的鎘含量基本均大于株兩優(yōu)819。在CK條件下,陸兩優(yōu)996根中的鎘含量比株兩優(yōu)819高了16.54%,在各器官中差異最大,這可能是株兩優(yōu)819籽粒中的鎘含量不超標(biāo),而陸兩優(yōu)996籽粒中鎘含量超標(biāo)的主要原因。

2.6 不同土壤調(diào)理劑對(duì)G283和湘晚秈12號(hào)植株各部分鎘含量的影響

土壤調(diào)理劑處理下G283植株各部分的鎘含量結(jié)果顯示:在土壤調(diào)理劑Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ處理下,G283莖、葉和糙米的鎘含量與對(duì)照相比顯著降低；在土壤調(diào)理劑Ⅰ的處理下,G283根部的鎘含量較對(duì)照略升高,不存在顯著差異；在土壤調(diào)理劑Ⅱ、Ⅲ的處理下,與CK對(duì)比,G283根的鎘含量也顯著降低(表 3)。

土壤調(diào)理劑處理下湘晚秈12號(hào)植株各部分的鎘含量結(jié)果顯示:在土壤調(diào)理劑Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的處理下,與CK對(duì)比,湘晚秈12號(hào)根、莖、葉和糙米部的鎘含量顯著降低(表3)。

這些研究結(jié)果表明,土壤調(diào)理劑可降低G283和湘晚秈12號(hào)植株各部分鎘含量。

比較G283和湘晚秈12號(hào)在3.9 mg/kg土壤鎘條件下植株的鎘含量(表3)可知,在CK處理下,湘晚秈12號(hào)根、莖、葉、籽粒中的鎘含量均低于G283。湘晚秈12號(hào)和G283各器官中的鎘含量關(guān)系為:莖＞葉＞根＞籽粒。兩種水稻的鎘在莖中積累最多,推測(cè)這是G283和湘晚秈12號(hào)籽粒中鎘嚴(yán)重超標(biāo)的主要原因；在3種土壤調(diào)理劑的作用下,水稻根、莖、葉、糙米中的鎘含量顯著降低,尤其是莖、葉中的鎘含量。在土壤調(diào)理劑Ⅰ的處理下,湘晚秈12號(hào)中的鎘主要積累在根中,G283的鎘主要積累在莖中,且湘晚秈12號(hào)籽粒中的鎘含量比G283低50%。在土壤調(diào)理劑Ⅱ的處理下,湘晚秈12號(hào)中的鎘主要積累在根和莖中,G283的鎘主要積累在莖和葉中,且湘晚秈12號(hào)籽粒中的鎘含量比G283低20.2%。在土壤調(diào)理劑Ⅲ的處理下,湘晚秈12號(hào)葉、籽粒中的鎘含量低于G283,根、莖中的鎘含量高于G283,且湘晚秈12號(hào)籽粒中的鎘含量比G283低38.1%。

表3 土壤調(diào)理劑處理下G283和湘晚秈12號(hào)各部分的鎘含量Table 3 The Cd contents in different organs of G283 and Xiangwanxian12 treated with different soil conditioners/(mg·kg-1)

3 討論

目前在鎘污染稻田常采取施用化學(xué)試劑或鎘鈍化劑等方法來(lái)降低水稻的鎘含量,其對(duì)土壤鎘有效性和糙米鎘含量的影響已有報(bào)道[22～26]。水稻對(duì)鎘的吸收主要在苗期,而不同化學(xué)試劑和鎘鈍化劑對(duì)水稻苗期吸鎘的影響規(guī)律并不清楚。本研究比較分析了常用化學(xué)試劑和鎘鈍化肥料對(duì)不同基因型水稻材料苗期的鎘積累特點(diǎn),發(fā)現(xiàn)NH4Cl和CH3COONH4添加對(duì)水稻根系吸收和運(yùn)輸鎘的影響較弱,而EDTANa2能顯著降低水稻幼苗對(duì)鎘的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)。其他土壤調(diào)理劑和鎘鈍化劑都可以降低水稻幼苗對(duì)鎘的吸收,但其效果存在差異。該研究結(jié)果表明,在水稻苗期施加的化學(xué)試劑或鎘鈍化劑均具有不同的降鎘能力,而施用化學(xué)試劑EDTANa2和土壤調(diào)理劑可望成為降低水稻和稻米鎘含量的有效技術(shù)措施。

施用化學(xué)試劑和土壤調(diào)理劑除了可降低水稻幼苗對(duì)鎘的吸收及稻米鎘含量外,本研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn):在土壤調(diào)理劑、金無(wú)蹤和EDTANa2處理下,水稻根、莖、葉、谷殼、籽粒中的鎘含量都明顯降低,低吸鎘水稻材料各器官的鎘含量都低于高吸鎘材料。不同調(diào)理劑對(duì)各器官鎘含量的調(diào)控具有差異,表明其調(diào)節(jié)鎘在水稻各器官分布的機(jī)理并不相同。上述研究提示,在施土壤調(diào)理劑時(shí),可根據(jù)不同需要選擇不同的土壤調(diào)理劑。

雖然施用化學(xué)試劑EDTANa2、土壤調(diào)理劑等可快速有效降低水稻鎘污染,但是長(zhǎng)期施用且不控制用量肯定會(huì)對(duì)土壤生態(tài)環(huán)境造成一定影響。因此,確定合適的化學(xué)試劑和土壤調(diào)理劑的施用量,使它們既能降低水稻鎘污染又不危害環(huán)境還需要進(jìn)一步深入研究。