不同水稻品種及阻控劑對水稻各部位累積鎘的影響

潘榮慶， 藍(lán)淯琛， 何卿姮， 甘禮宏， 蔣代華， 黃智剛

(廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院/廣西農(nóng)業(yè)環(huán)境與農(nóng)產(chǎn)品安全重點(diǎn)實驗室，廣西南寧 530004)

目前，我國土壤重金屬污染嚴(yán)重，耕地土壤重金屬污染形勢日益嚴(yán)峻，土壤重金屬含量超過安全值會造成土壤及耕地污染，對作物生長產(chǎn)生毒害作用[1-2]。土壤重金屬污染危害大、范圍廣，在作物中不易被發(fā)現(xiàn)，對作物生長和人體健康造成危害[3-5]。2014年，《全國首次土壤污染狀況調(diào)查公報》結(jié)果顯示，全國耕地土壤重金屬超標(biāo)點(diǎn)位達(dá)19.4%，其中耕地土壤Cd污染點(diǎn)位超標(biāo)率為7.0%[6]。水稻是廣西壯族自治區(qū)主要的糧食作物，自治區(qū)政府對水稻田土壤重金屬污染問題高度重視[7-10]。不同品種水稻由于基因型不同，各個部位重金屬含量存在明顯的差異[11-12]。選育和種植重金屬低積累品種是降低水稻中重金屬含量較為有效的途徑[13]。利用不同水稻品種對重金屬積累的差異，可以篩選出適應(yīng)于在中低重金屬污染稻田種植的低累積型水稻品種[14-15]，但在重金屬污染高風(fēng)險地區(qū)，低積累型水稻品種不能很好地降低水稻各個部位重金屬含量，無法實現(xiàn)安全生產(chǎn)的目的[16]。添加阻控劑可以很好地降低作物重金屬含量[17-18]，葉面鋅肥和硒肥可作為控制水稻鎘污染的阻控劑，2種阻控劑均可以有效降低稻米Cd含量[11， 19]。無機(jī)硅經(jīng)葉面吸收后，可以減少水稻葉片和籽粒中鎘的富集[16， 20]。目前，關(guān)于重金屬低累積水稻品種篩選和阻控劑的研究主要以單因素試驗為主，關(guān)于低累積水稻品種篩選和阻控劑組合處理對重金屬Cd的影響報道較少[21]。目前，針對廣西地區(qū)水稻田土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)研究報道較少。本試驗選用16個廣西自治區(qū)百色市田東縣主要種植的水稻品種，以及含有有機(jī)硒、有機(jī)硅的2種阻控劑，通過田間試驗分析水稻品種和阻控劑對成熟期水稻各個部位重金屬Cd的影響，了解重金屬Cd在植物各個部位的分布情況，通過選育低積累水稻品種和阻控劑處理來減少水稻對重金屬Cd的累積，為降低重金屬Cd進(jìn)入食物鏈和糧食安全生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗位于廣西壯族自治區(qū)百色市田東縣某重金屬污染農(nóng)田(供試土壤pH值為6.35，總鎘含量為2.58 mg/kg、總砷含量為20.30 mg/kg、鉻含量為71.31 mg/kg、汞含量為0.44 mg/kg、鉛含量為18.44 mg/kg)，選用當(dāng)?shù)刂饕N植的16個晚稻品種(分別為桂香12、桂香18、廣8優(yōu)金占、廣8優(yōu)169、恒豐優(yōu)666、特優(yōu)508、深兩優(yōu)8386、桂育11、深兩優(yōu)31、廣8優(yōu)香絲苗、豐田優(yōu)553、野香優(yōu)703、晶兩優(yōu)1212、野香優(yōu)油絲、昌兩優(yōu)油絲、野香優(yōu)明月絲)，每個品種設(shè)置對照(CK)、葉面噴灑含硒阻控劑(A)、葉面噴灑含硅阻控劑(B)3個處理。含硒阻控劑(A)，主要成分為有機(jī)硒(≤85 g/L)，其余組分為水不溶物(≤10 g/L)、Na(≤10 g/L)，購自佛山市鐵人環(huán)?？萍加邢薰?；含硅阻控劑(B)，主要成分為有機(jī)硅(≥120 g/L)；其余組分為N+P2O5+K2O(≥170 g/L)、Cu+Mn+Zn+B+Mo(30～50 g/L)，購自佛山市植寶生態(tài)科技有限公司。試驗共48個處理，處理間隨機(jī)排列。試驗設(shè)置4個重復(fù)，總共192小區(qū)，每個小區(qū)面積為4 m×5 m，試驗總面積為0.6 hm2。試驗田周圍種植保護(hù)行，每個小區(qū)之間鋪設(shè)地膜，水稻采用人工種植的方式種植。2020年9月21日，在水稻處于分蘗期的時候第1次噴灑阻控劑，每個區(qū)組用量為3 mL，稀釋100倍后進(jìn)行人工噴灑，2020年10月11日，按照相同劑量進(jìn)行第2次噴灑。

1.2 采樣方法與樣品分析

在水稻進(jìn)入成熟期后，每個小區(qū)采集5株水稻樣品，先用離子水沖洗干凈，在水稻自然風(fēng)干后，將植株莖、葉、稻穗分開。將莖、葉放入烘箱中105 ℃殺青30 min，然后70 ℃下烘干至恒質(zhì)量，稻穗自然曬干后，脫殼成糙米。所有植物樣品粉碎后用自封袋保存。在采集植物樣品的同時，每個小組采集1個土壤混合樣品，樣品自然風(fēng)干后，研磨過100目篩裝入自封備用。通過熒光光譜法測定水稻莖、葉重金屬Cd含量，土壤和水稻籽粒Cd含量交由廣西西大檢測有限公司檢測。

1.3 數(shù)據(jù)分析

本研究運(yùn)用 IMB SPSS 19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，通過Duncan’s法進(jìn)行差異顯著性分析。采用Microsoft Office Excel 2016軟件進(jìn)行圖表制作。重金屬的富集按下列公式計算：

富集系數(shù)(BCF)=植株重金屬含量(mg/kg)/土壤重金屬含量(mg/kg)

2 結(jié)果與分析

2.1 不同品種水稻地上各個部位重金屬含量

從表1可以看出，水稻地上部分各個部位之間重金屬累積含量存在明顯差異，16個水稻品種莖、葉、籽粒Cd含量分別為0.335 5、0.253 0、0.189 1 mg/kg，莖、葉和籽粒之間重金屬含量差異顯著。16個水稻品種莖Cd含量在0.245 0～0.390 0 mg/kg 之間，其中水稻莖Cd含量最低的品種是廣8優(yōu)香絲苗，含量最高的品種是豐田優(yōu)553。16個水稻品種中，不同品種水稻莖Cd含量存在較大差異，其中桂香12、廣8優(yōu)香絲苗、特優(yōu)5058、昌兩優(yōu)絲苗4個品種莖Cd含量顯著低于廣8優(yōu)169、恒豐優(yōu)666、豐田優(yōu)553 3個品種(P<0.05，下同)。16個水稻品種葉Cd含量在0.172 5～0.365 0 mg/kg之間，其中水稻葉Cd含量最低的品種是野香優(yōu)油絲，含量最高的品種是桂育11號。16個水稻中，桂育11號葉Cd含量顯著高于其他品種，野香優(yōu)莉絲、廣8優(yōu)169 2個品種葉Cd含量顯著低于深兩優(yōu)8386、廣8優(yōu)香絲苗之外的其他品種。16個水稻品種籽粒Cd含量在0.142 5～0.242 5 mg/kg之間，其中水稻籽粒Cd含量最低的品種是深兩優(yōu)8386，含量最高的品種是野香優(yōu)703，其中桂香12、深兩優(yōu)8386、豐田優(yōu)553、廣8優(yōu)金占、廣8優(yōu)169 5個品種水稻籽粒Cd含量顯著低于特優(yōu)5058、桂香18、野香優(yōu)703。16個水稻品種中，共有6個水稻品種Cd含量超過GB/T 5009.15—2003《食品中鎘的測定》的要求(≤0.2 mg/kg)，超標(biāo)率為37.5%。結(jié)果表明不同品種之間各個部位重金屬Cd含量存在差異。

表1 不同品種水稻地上各部位重金屬Cd含量

2.2 不同處理對水稻各個部位重金屬含量的影響

圖1-a所示，噴灑含硒阻控劑(A)后，16個水稻品種莖Cd含量在0.247 5～0.417 5 mg/kg之間，共有9個品種莖Cd含量低于對照組，噴灑含硅阻控劑(B)后16個水稻品種莖Cd含量在0.240 0～0.400 0 mg/kg之間，共有10個水稻品種莖Cd含量低于對照組。圖1-b所示，噴灑含硒阻控劑(A)后16個水稻品種葉Cd含量在0.107 5～0.335 0 mg/kg之間，其中桂香12、野香優(yōu)油絲、昌兩優(yōu)絲苗、豐田優(yōu)553、野香優(yōu)莉絲、特優(yōu)5058、野香優(yōu)703、恒豐優(yōu)666、廣8優(yōu)169、深兩優(yōu)8386、廣8優(yōu)金占、桂育11號、深兩優(yōu)31 13個水稻品種葉Cd含量低于對照組，噴灑含硅阻控劑(B)后16個水稻品種葉Cd含量在0.147 5～0.392 5 mg/kg之間，其中桂育11號、野香優(yōu)油絲、特優(yōu)5058、野香優(yōu)703、昌兩優(yōu)絲苗、廣8優(yōu)金占、桂香12、深兩優(yōu)8386、豐田優(yōu)553 9個水稻品種葉Cd含量低于對照組。圖1-c所示，噴灑含硒阻控劑(A)后，16個水稻品種籽粒Cd含量在0.102 5～0.180 0 mg/kg之間，噴灑含硅阻控劑(B)后16個水稻品種籽粒Cd含量在0.009 0～0.162 5 mg/kg之間，經(jīng)過2種阻控劑處理后，16個水稻品種籽粒Cd含量均低于對照組，籽粒Cd含量均低于國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5009.15—2003《食品中鎘的測定》的要求(≤0.2 mg/kg)。

如表2所示，噴灑含硒阻控劑(A)和含硅阻控劑(B)后，對水稻莖鎘含量影響不大，2個處理水稻莖Cd含量平均值分別為0.332 2、0.328 0 mg/kg，均低于對照處理0.335 5 mg/kg，相對于對照含量分別降低了1.0%、2.2%，但3個處理間差異不顯著；2種阻控劑對葉鎘含量作用效果不同，2個處理水稻葉Cd含量平均值分別為0.214 7、0.236 4 mg/kg，相較于對照處理(0.253 0 mg/kg)分別降低了15.1%、6.6%，其中施用含硒阻控劑(A)葉鎘含量顯著低于對照，但施用含硅阻控劑(B)相較于對照鎘含量差異不顯著；施用阻控劑后對水稻籽粒鎘含量作用效果明顯，噴灑含硒阻控劑(A)和噴灑含硅阻控劑(B)后，16個水稻品種籽粒Cd含量平均值分別為0.118 6、0.125 6 mg/kg，低于對照組 (0.189 1 mg/kg)，相較于對照組Cd含量分別下降了37.3%、33.6%，施用2種阻控劑后水稻籽粒鎘含量均顯著低于對照。

表2 不同處理水稻重金屬Cd含量比較

2.3 不同處理對水稻不同部位重金屬富集系數(shù)的影響

如表3所示，16個水稻品種中，水稻莖、葉和籽粒Cd的平均富集系數(shù)分別為0.229 4、0.172 4、0.128 3，水稻地上部分莖、葉和籽粒間Cd富集系數(shù)差異顯著，莖對Cd富集能力明顯高于葉和籽粒，葉對Cd的富集能力明顯高于籽粒。

表3 不同水稻品種各個部位重金屬Cd的富集系數(shù)

如表4所示，施用阻控劑后對水稻莖Cd的富集系數(shù)影響不大，對照、含硒阻控劑(A)、含硅阻控劑(B)3個處理水稻莖Cd的富集系數(shù)分別為0.229 4、0.228 9、0.229 5，3個處理莖Cd的富集系數(shù)差異不顯著；對照、含硒阻控劑(A)、含硅阻控劑(B)3個處理水稻葉Cd的富集系數(shù)分別為0.172 4、0.147 4、0.164 9，含硒阻控劑(A)處理水稻葉Cd的富集系數(shù)顯著低于對照，相對于對照Cd的富集系數(shù)下降了14.5%，但施用含硅阻控劑(B)相較于對照Cd的富集系數(shù)差異不顯著；對照、含硒阻控劑(A)、含硅阻控劑(B)3個處理水稻籽粒Cd的富集系數(shù)分別為0.128 3、0.080 6、0.086 2，含硒阻控劑(A)、含硅阻控劑(B)2個處理水稻籽粒Cd的富集系數(shù)顯著低于對照，相對于對照富集系數(shù)分別下降了37.2%、32.8%。

表4 不同處理對水稻不同部位重金屬Cd富集系數(shù)的影響

3 討論與結(jié)論

同一作物不同品種各部位重金屬累積情況存在差異，品種差異是影響水稻對重金屬元素吸收的主要因素[22-23]。不同品種水稻重金屬離子的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制不同，進(jìn)而造成品種間重金屬含量和分布的巨大差異[24]。研究表明，水稻的不同部位對重金屬Cd的吸收和積累有所不同。16個水稻品種莖葉Cd含量在0.172 5～0.390 0 mg/kg之間，其中廣8優(yōu)香絲苗莖Cd含量最低，野香優(yōu)莉絲葉Cd含量最低。16個水稻品種，水稻籽粒Cd含量在0.142 5～0.242 5 mg/kg之間，均值為0.189 1 mg/kg，超標(biāo)率37.5%，深兩優(yōu)8386籽粒Cd含量低于其他品種。

重金屬在作物體內(nèi)不同部位中的分配與作物品種密切相關(guān)，水稻各部位莖、葉、籽粒重金屬累積量各不相同[25]。水稻不同部位富集重金屬含量遵循莖≥葉>籽粒的規(guī)律，Cr在水稻體中富集規(guī)律與Pb、Cd有所不同：Pb、Cd在水稻各個部位富集規(guī)律為莖>葉>籽粒，而Cr富集規(guī)律為莖/葉>米粒[16， 26-27]。本研究結(jié)果與上述研究結(jié)論一致，16個水稻品種中，莖、葉、籽粒Cd含量分別為0.335 5、0.253 0、0.189 1 mg/kg，富集系數(shù)分別為0.229 4、0.172 4、0.128 3，莖對Cd富集能力明顯高于葉和籽粒，葉對Cd富集能力明顯高于籽粒。Cd在水稻中的富集規(guī)律為莖>葉>籽粒。

不同的葉面阻控劑與不同品種水稻的作用效果存在顯著的差異[28]。重金屬污染條件下，葉面施用納米硅肥后水稻籽實中Cd的吸收量顯著降低，施用硒肥可以降低Cd等重金屬對水稻植株的毒害作用，減少水稻對重金屬的吸收[29-30]。施用硅元素調(diào)理劑能顯著降低水稻籽粒中鎘的含量[31]。在本研究中，噴灑含硒阻控劑(A)后水稻葉、籽粒的Cd含量降低了15.1%、37.3%，富集系數(shù)下降了14.5%、37.2%；噴灑含硅阻控劑(B)后水稻籽粒Cd平均含量為0.125 6 mg/kg，相較于對照Cd含量顯著降低了33.6%，富集系數(shù)降低了32.8%。16個水稻品種在噴灑阻控劑后稻米Cd含量均低于0.2 mg/kg。噴灑阻控劑后對水稻各個部位莖Cd含量影響較小。

研究結(jié)果得出以下結(jié)論：(1)Cd在16個水稻品種各個部位的累積存在明顯差異。(2)Cd在水稻莖的富集系數(shù)最大，莖富集能力明顯大于葉和籽粒，說明在水稻地上部位，Cd主要積累在水稻莖中。(3)2種阻控劑均能顯著降低水稻籽粒鎘含量，降低水稻籽粒對Cd的富集。(4)2種阻控劑對水稻葉富集Cd的能力影響不同，施用含硒阻控劑(A)水稻葉Cd含量顯著低于其他處理。

因此，選用適合的水稻品種可以減少重金屬在植株體內(nèi)的累積，施用阻控劑可以很好地阻控Cd在水稻籽粒中富集。