鎘污染土壤上不同水稻品種的鎘積累與減污潛力

沈一塵,涂 晨,3,邱 煒,朱 俠,范婉儀,曹振宇,朱曉芳,駱永明① (.中國科學(xué)院土壤環(huán)境與污染修復(fù)重點實驗室/南京土壤研究所,江蘇 南京 20008;2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 0009;3.中國科學(xué)院海岸帶環(huán)境過程與生態(tài)修復(fù)重點實驗室/煙臺海岸帶研究所,山東 煙臺 26003;.土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室/中國科學(xué)院南京土壤研究所,江蘇 南京 20008)

我國耕地土壤鎘(Cd)污染問題突出,農(nóng)田土壤中的Cd可通過食物鏈富集進(jìn)而影響糧食安全和人體健康[1]。植物吸取修復(fù)因具有成本低廉、生態(tài)友好、可實現(xiàn)原位減污凈化等優(yōu)點,是當(dāng)前具有發(fā)展前景的農(nóng)田Cd污染土壤綠色修復(fù)技術(shù)之一[2]。目前,國內(nèi)外圍繞Cd超積累植物的品種篩選、Cd的吸收富集與轉(zhuǎn)運機制以及田間修復(fù)示范等方面已開展了大量的研究[3]。水稻是我國乃至世界重要的糧食作物之一,具有分布面積廣泛、生物量大、氣候適應(yīng)性強、種植技術(shù)成熟以及機械化程度高等特點,可作為Cd污染農(nóng)田,特別是長期淹水的稻田土壤潛在的植物修復(fù)材料[4-5]。

水稻對Cd的積累能力主要受水稻品種遺傳特性、土壤性質(zhì)以及土壤中Cd含量的影響。目前已有國內(nèi)外學(xué)者利用Cd高積累型水稻作為供試植物修復(fù)Cd污染農(nóng)田土壤。MURAKAMI等[6]利用Cd 高積累水稻品種Chokoukoku進(jìn)行Cd污染農(nóng)田土壤的植物修復(fù),發(fā)現(xiàn)種植2季水稻后,土壤中的Cd含量降低了38%。曹雪瑩等[7]利用伴礦景天與高積累晚稻輪作修復(fù)Cd含量為0.83 mg·kg-1的污染農(nóng)田,發(fā)現(xiàn)一季晚稻地上部對土壤中Cd的攝取量達(dá)74.1 g·hm-2,水稻地上部移除對土壤中總Cd的去除率約為4%。蔣彬等[8]通過比較在同一地區(qū)種植來自于全國不同地區(qū)的239個水稻品種,發(fā)現(xiàn)不同水稻品種對Cd的吸收累積能力存在極顯著的基因型差異。此外,水稻對重金屬的吸收還與其在土壤中的賦存形態(tài)有關(guān)。喻華等[9]研究發(fā)現(xiàn),水稻籽粒中的Cd含量與土壤中水溶性交換態(tài)Cd含量呈顯著正相關(guān)。由此可見,0.01 mol·L-1CaCl2提取的水溶態(tài)Cd與1 mol·L-1NH4OAc提取的交換態(tài)Cd是土壤中活性高、易被農(nóng)作物吸收的形態(tài)[10-11]。待水稻成熟后將其地上部和地下部移除,土壤中生物有效態(tài)Cd含量可顯著降低[12]。因此,篩選具有Cd高積累特征的水稻品種用作植物修復(fù),對于我國面廣量大的中輕度Cd污染土壤減量修復(fù)具有重要的應(yīng)用潛力。然而,當(dāng)前國內(nèi)外已報道的Cd高積累型水稻品種資源仍非常有限,對高積累型水稻的Cd積累特征及減量化修復(fù)潛力仍有待深入研究。

因此,該研究采用盆栽試驗,比較了6種不同品種水稻在輕微和輕度Cd污染土壤中的農(nóng)藝性狀和Cd積累能力,探討了水稻地上部移除后盆栽土壤中CaCl2提取態(tài)和NH4OAc提取態(tài)Cd含量的變化,通過比較土壤中有效態(tài)Cd降低率和總Cd移除率,綜合評估不同品種水稻的減污修復(fù)潛力,旨在為實現(xiàn)Cd污染稻田土壤的減量凈化提供水稻品種資源與植物修復(fù)方案。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤采集自浙江省臺州市路橋區(qū)西山村(28°32′2.92″ N,121°21′57.25″ E)水稻田表層土(0～20 cm),土壤類型為鐵聚水耕人為土。前期田間調(diào)查發(fā)現(xiàn),該地塊Cd含量為0.26～0.83 mg·kg-1,大部分屬于輕微污染;同時,該地塊上種植的水稻品種秀水14還存在部分點位糙米Cd超標(biāo)的現(xiàn)象,因此選擇該區(qū)域土壤為供試土壤。土壤基本性質(zhì)如下:pH值5.9,屬弱酸性土壤,有機質(zhì)含量63.92 g·kg-1,全氮含量3.74 g·kg-1,速效鉀含量69.33 g·kg-1,有效磷含量16.54 g·kg-1,Cd含量0.41 mg·kg-1。依據(jù)GB 15618—2018《國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中有關(guān)水田(pH值5.5～6.5) Cd的風(fēng)險篩選值(0.40 mg·kg-1),該土壤為輕微污染土壤。土壤采集后在清潔的室內(nèi)環(huán)境中自然風(fēng)干,經(jīng)研磨過2 mm孔徑尼龍篩并混勻后,向其噴灑濃度為33.5 mmol·L-1的Cd(NO3)2·4H2O(分析純)溶液,邊噴邊攪拌混合均勻,穩(wěn)定21 d后測定土壤Cd含量為0.80 mg·kg-1,據(jù)此將該土壤歸為輕度污染土壤。選擇實際的輕微污染土壤作為試驗土壤之一,是期望通過試驗篩選高積累型水稻品種,實現(xiàn)Cd輕微污染土壤的凈化修復(fù),將其轉(zhuǎn)變?yōu)閮?yōu)先保護(hù)類土壤。

供試水稻選用生育期基本一致且Cd吸收積累存在差異的6個水稻品種:黃華占(HHZ)、揚稻6號(9311)、瀘優(yōu)616(Lu-616)、383、371和364。其中,HHZ為Cd常規(guī)積累水稻品種,9311為文獻(xiàn)[13]報道的Cd高積累水稻品種,這2種水稻均由江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供;Lu-616由四川農(nóng)業(yè)大學(xué)提供;水稻材料383、371和364來源于世界核心種質(zhì)資源庫,由中國水稻研究所提供,這3種水稻材料在前期水培試驗中表現(xiàn)出Cd的高積累特性。經(jīng)水稻Cd積累分子標(biāo)記LCd-41[14]、LCd-11[15]、LCd-38[16]和LCd-22[17]基因的單核苷酸多態(tài)性(single nucleotide polymorphism,SNP)檢測,水稻371的4種分子標(biāo)記均為Cd低積累型,水稻HHZ僅有1個分子標(biāo)記(LCd-38)為Cd高積累型,而水稻9311、Lu-616、383和364的4種分子標(biāo)記均為Cd高積累型(表1)。

表1 6種水稻的Cd積累分子標(biāo)記的SNP特征Table 1 The SNP profiles of Cd accumulation molecular markers for the 6 rice varieties

1.2 盆栽試驗布置、樣品收獲與前處理方法

盆栽試驗于2021年6—10月在中國科學(xué)院南京土壤研究所的溫室內(nèi)進(jìn)行。試驗設(shè)置輕微污染(0.41 mg·kg-1)和輕度污染(0.80 mg·kg-1)2個土壤Cd污染水平,在2種土壤中分別種植6個品種的水稻材料,同時設(shè)置未種植的對照處理(CK),每個處理均設(shè)4個重復(fù),共計56盆。

水稻種子經(jīng)消毒、浸種后,在恒溫恒濕箱中催芽24 h,種子破胸后移至光照培養(yǎng)室育苗。待幼苗長至三葉一心時,取長勢一致的健康水稻幼苗移栽至穩(wěn)定好的Cd污染土壤中,每個塑料盆(直徑13 cm、高17 cm)內(nèi)裝土1.2 kg并種植1株水稻,移栽前一天施加基肥CO(NH2)2和KH2PO4各0.4 g·kg-1。水稻幼苗返青后,土面始終保持2～3 cm的淹水(自來水),分蘗后期烤田10 d,待水稻進(jìn)入成熟期后不再淹水,保持濕潤灌溉。分別在水稻分蘗期和灌漿期追施CO(NH2)2和KH2PO4各0.6 g·kg-1[16]。水稻成熟后,記錄水稻株高和有效分蘗數(shù)。分別采集植株的根系、秸稈和稻谷樣品,用自來水和去離子水洗凈后置于75 ℃烘箱,干燥24 h后測定生物量干重。干燥后的水稻秸稈和根系樣品采用粉碎機磨細(xì)待測,干燥后的稻谷經(jīng)礱谷機(農(nóng)奧 NA.JLG-2018)去殼后得到糙米,再用不銹鋼粉碎機磨細(xì)待測。盆缽中移除水稻根系后的土壤樣品經(jīng)風(fēng)干、研磨并分別過尼龍篩(2和0.15 mm孔徑)后待測。

1.3 測定項目與方法

土壤理化性質(zhì)分析方法參照文獻(xiàn)[17],土壤Cd含量分析方法參考國家標(biāo)準(zhǔn)[18],土壤樣品用王水經(jīng)電熱板加熱消解,同時設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)土壤樣品進(jìn)行質(zhì)量控制。分別采用0.01 mol·L-1CaCl2和1 mol·L-1NH4OAc(pH 7.0)2種方式提取土壤中的有效態(tài)Cd[10-11]。初始土壤中的總Cd含量和水稻收獲后的土壤有效態(tài)Cd含量均采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)測定,具體分析方法參照文獻(xiàn)[18]。水稻收獲后的土壤總Cd含量采用高精度臺式X射線熒光光譜儀(HDXRF,Cadence,美國XOS公司)測定。彭洪柳等[19]比較HDXRF與ICP-AES對土壤中Cd等重金屬含量的測定結(jié)果發(fā)現(xiàn),2種方法的測試結(jié)果一致,決定系數(shù)為0.995 4,說明HDXRF法能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的土壤Cd含量測定。

水稻株高、有效分蘗數(shù)、秸稈干重、千粒重和稻谷產(chǎn)量等生理指標(biāo)的測定方法參照文獻(xiàn)[20]。粉碎后的水稻根、秸稈以及糙米樣品經(jīng)HNO3-H2O2濕法消解[21],定容后同樣采用ICP-MS測定Cd含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

不同品種水稻對Cd的轉(zhuǎn)移系數(shù)(TF)=糙米Cd含量/秸稈Cd含量;生物富集系數(shù)(BCF)=水稻地上部Cd含量/土壤Cd含量;水稻地上部Cd吸取量=糙米平均Cd含量×平均每盆稻谷產(chǎn)量+秸稈平均Cd含量×平均每盆秸稈干重;水稻根系Cd吸取量=根部平均Cd含量×平均每盆根系生物量。水稻收獲后,采用水稻Cd吸取總量預(yù)測土壤Cd含量,水稻移除后土壤Cd含量=土壤初始Cd含量-水稻Cd吸取總量/盆栽土質(zhì)量。水稻地上部Cd含量為水稻地上部Cd吸取總量與秸稈和稻谷生物量之和的比值。

采用SPSS 21.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析,采用LSD檢驗方法進(jìn)行差異顯著性分析(P<0.05),采用Excel 2016和Origin 2022 pro軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與圖表制作。

研究區(qū)巖性主要為沉積巖.1928年，我國著名地質(zhì)學(xué)家楊曾威、李春昱和黃汲清等在此作了很多工作，并研究了楊家坨煤系的沉積特征，對本地區(qū)楊家坨煤系地層進(jìn)行了劃分；1963年，楊士恭對下楊家坨煤系上部地層，首次使用了灰峪組之名，1976年北京礦務(wù)局也將其命名為灰峪組，使該地層成為石炭系上統(tǒng)北京地區(qū)代表剖面[5].同年(1976年)，北京礦務(wù)局分別在本地區(qū)的岔兒溝東側(cè)及岔兒溝與陰山溝分水嶺上測得二疊系下統(tǒng)地層代表剖面，并分別命名為岔兒溝組和陰山溝組[5].至此，以軍莊鎮(zhèn)地名命名的石炭系上統(tǒng)和二疊系下統(tǒng)的地層剖面，成為北京地區(qū)上古生界地層的代表剖面.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同品種水稻的農(nóng)藝性狀

由表2可知,相比于Cd含量為0.41 mg·kg-1的輕微污染土壤,各水稻品種在Cd含量為0.80 mg·kg-1的輕度污染土壤中均可以正常生長,但不同水稻品種間在株高、生物量和產(chǎn)量等方面差異顯著(P<0.05)。與常規(guī)品種HHZ相比,水稻Lu-616在2種土壤中的有效分蘗數(shù)、千粒重、稻谷產(chǎn)量、秸稈干重和根系干重這5個農(nóng)藝性狀指標(biāo)值均顯著增加(P<0.05)。此外,其他4種水稻(383、364、371和9 311)的秸稈干重也均高于HHZ。

表2 不同品種水稻在輕微和輕度Cd污染土壤上的農(nóng)藝性狀Table 2 Agronomic traits of different rice varieties on slightly and mildly Cd-polluted soils

2.2 不同品種水稻對Cd的積累

不同品種水稻根系中Cd含量見圖1。在輕微污染土壤中,各品種水稻根系中Cd含量為1.04～3.12 mg·kg-1,均值為1.84 mg·kg-1。在輕度污染土壤中,各品種水稻根系中Cd含量為3.56～7.70 mg·kg-1,均值為5.27 mg·kg-1;水稻品種Lu-616、383和9311根系中Cd含量顯著高于其他品種(P<0.05)。

同一幅圖中同一顏色直方柱上方英文字母不同表示不同水稻品種間某指標(biāo)差異顯著(P<0.05)。圖1 輕微和輕度污染土壤中不同水稻品種根系、秸稈和糙米Cd含量Fig.1 Cd content inroots, shoots, and unpolished rice of different rice varieties on slightly and mildly Cd-polluted soils

在輕微污染土壤中,各品種水稻秸稈中的Cd含量為0.12～0.85 mg·kg-1,均值為0.31 mg·kg-1。其中,水稻Lu-616的秸稈Cd含量顯著高于其他各品種水稻(P<0.05)。而在輕度污染土壤中,各品種水稻秸稈中的Cd含量為0.45～3.34 mg·kg-1,均值為1.91 mg·kg-1;其中,水稻Lu-616、383、9311和364的秸稈Cd含量顯著高于常規(guī)品種HHZ和水稻371(P<0.05),水稻Lu-616秸稈中Cd含量是水稻371的7.3倍。水稻糙米與秸稈中的Cd含量變化趨勢相似,在輕微污染土壤中,各品種水稻糙米中Cd含量為0.02～0.15 mg·kg-1,均值為0.06 mg·kg-1,各品種水稻糙米的Cd含量均遠(yuǎn)低于GB 2762—2012《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》中的限定值0.2 mg·kg-1。而在輕度污染土壤中,各品種水稻糙米中的Cd含量為0.07～0.59 mg·kg-1,均值為0.29 mg·kg-1。其中,水稻Lu-616糙米中Cd含量最高可達(dá)0.59 mg·kg-1,水稻383糙米中Cd含量為0.39 mg·kg-1,是輕微污染土壤中的19.5倍。由此可見,與常規(guī)品種HHZ相比,水稻Lu-616、383和9311的根系和秸稈不僅具有較強的Cd吸收富集能力,還具有較強的向籽粒中轉(zhuǎn)運積累的能力,這一結(jié)果也與這3個水稻品種的Cd積累相關(guān)SNP分子標(biāo)記的檢測結(jié)果一致。

不同品種水稻地上部Cd的生物富集系數(shù)(BCF)和秸稈至糙米的轉(zhuǎn)移系數(shù)(TF)見表3。在輕微污染土壤中,不同品種水稻的BCF范圍為0.09～0.62,其中水稻Lu-616的BCF最高。隨著土壤中Cd含量增加,6種水稻的BCF均顯著增加,其中水稻616、383、9311和364的BCF均大于1,分別達(dá)2.37、2.26、1.96和1.10。與BCF不同,在輕度污染土壤中,常規(guī)品種HHZ糙米的TF最高(0.34),明顯高于其他品種水稻(0.12～0.17)。

表3 不同品種水稻的生物富集系數(shù) (BCF)和轉(zhuǎn)移系數(shù)(TF)Table 3 Bioaccumulation factors (BCF) and transfer factors (TF) of different rice varieties

2.3 水稻秸稈移除后土壤中總Cd和有效態(tài)Cd含量變化

水稻收獲后,輕微和輕度污染土壤中CaCl2提取態(tài)和NH4OAc提取態(tài)Cd含量的變化如圖2所示。

*表示與對照相比差異顯著(P<0.05),**表示與對照相比差異極顯著(P<0.01)。圖2 不同品種水稻地上部移除后土壤中提取態(tài)Cd含量變化Fig.2 Changes in the CaCl2 extractable and NH4OAc extractable Cd contents in soils after the whole plant removal of different rice varieties

在輕度污染土壤中,未種植水稻的對照(CK)組土壤中CaCl2提取態(tài)Cd含量為36.4 μg·kg-1,種植不同品種水稻后土壤中CaCl2提取態(tài)Cd含量為27.3～42.5 μg·kg-1。除了種植常規(guī)水稻HHZ的土壤中CaCl2提取態(tài)Cd含量略有升高外,種植其他幾種水稻的土壤中CaCl2提取態(tài)Cd含量均有所降低,其中水稻383最低,相較于CK組顯著降低29.3%(P<0.05),其次為水稻Lu-616和9311。CK組土壤中NH4OAc提取態(tài)Cd含量為89.5 μg·kg-1,種植不同品種水稻后,土壤中NH4OAc提取態(tài)Cd含量在70.4～96.6 μg·kg-1之間。與CaCl2提取態(tài)Cd含量變化趨勢相似,除了種植常規(guī)水稻HHZ的土壤中NH4OAc提取態(tài)Cd含量略有升高外,種植其他幾種水稻的土壤中NH4OAc提取態(tài)Cd含量均有所降低,其中水稻383最低,相較于CK組顯著降低21.3%(P<0.01),其次為水稻Lu-616和9311(P<0.05)。對于所有處理,輕度污染土壤中CaCl2提取態(tài)和NH4OAc提取態(tài)Cd含量均顯著高于輕微污染土壤(P<0.05);對于2種土壤,NH4OAc提取態(tài)Cd含量均顯著高于CaCl2提取態(tài)(P<0.05)。

通過水稻地上部和根系的生物量及Cd含量分別計算每盆水稻地上部和根系對Cd的吸取量,結(jié)果見表4。在輕微污染土壤中,水稻Lu-616和9311的地上部Cd吸取量分別為23.81和9.21 μg·盆-1,根系Cd吸取量分別為16.29和13.15 μg·盆-1,而整個植株的Cd吸取總量分別為40.11和22.24 μg·盆-1,顯著高于其他品種(P<0.01)。據(jù)此計算,種植這2種水稻后輕微污染土壤中Cd含量預(yù)測值分別為0.38和0.39 mg·kg-1,均已降至篩選值0.40 mg·kg-1以下。在輕度污染土壤中,水稻Lu-616、383和9311的地上部Cd吸取量分別為87.63、74.57和62.44 μg·盆-1,根系Cd吸取量分別為39.83、19.19和28.13 μg·盆-1,而整個植株的Cd吸取總量分別為127.46、93.76和90.58 μg·盆-1,顯著高于其他品種水稻(P<0.01)。種植這3種水稻后輕度污染土壤中Cd含量預(yù)測值分別可降低至0.69、0.72和0.72 mg·kg-1。將通過水稻吸取總量計算得到的收獲后土壤中Cd含量預(yù)測值與水稻移除后盆栽土壤中Cd含量的HDXRF實測值進(jìn)行相關(guān)性分析,發(fā)現(xiàn)輕度污染土壤中的Cd含量預(yù)測值與實測值之間呈極顯著線性正相關(guān)(r=0.977,P<0.01),說明通過水稻Cd吸取總量能較好地預(yù)測污染土壤中Cd的減少量。

表4 不同品種水稻的地上部和根系移除對Cd的吸取效果Table 4 Reduction of cadmium through removal of aboveground part and root of rice plant with different varieties

圖3 水稻地上部Cd吸取量與土壤可提取態(tài)Cd減少量的相關(guān)性分析Fig.3 Correlation analysis between aboveground Cd uptake in the rice and extractable Cd reduction in the soil

由圖3可見,兩者呈正相關(guān)關(guān)系,尤其是NH4OAc提取態(tài)Cd,在輕微和輕度污染土壤中與水稻地上部Cd吸取量的相關(guān)系數(shù)r分別為0.83和0.97,呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。輕微污染土壤中,水稻Lu-616的NH4OAc提取態(tài)Cd含量降幅最大,比未種植的對照組降低8.98 μg·盆-1;輕度污染土壤中,水稻383的NH4OAc提取態(tài)Cd含量降幅最大,比未種植的對照組降低22.87 μg·盆-1。

3 討論

3.1 不同品種水稻的Cd積累特性

已有研究表明,植物生物量、地上部的重金屬富集量以及富集系數(shù)是評價植物修復(fù)技術(shù)的重要指標(biāo)[22]。在該研究的6種供試水稻品種中,9311、Lu-616、383、371和364這5種水稻的生物量均高于或顯著高于常規(guī)品種HHZ。水稻Lu-616、383和9311的單株地上部Cd積累量分別為87.63、74.57和62.44 μg,亦顯著高于鄭陶等[23]報道的在人為添加Cd為10 mg·kg-1的土壤中高積累水稻材料Wujin4B 地上部對Cd的積累量(52 μg·株-1)。在Cd含量為0.80 mg·kg-1的輕度污染土壤上,Lu-616、383和9311這3種水稻的BCF均遠(yuǎn)高于其他3種水稻,特別是水稻Lu-616和383的BCF分別為2.37和2.26,高于唐皓等[22]從56種水稻材料中篩選出的7種Cd高積累水稻(分蘗期和孕穗期分別為2.08和2.05)。然而,該研究中Cd污染土壤上水稻Lu-616、383、9311和364糙米Cd含量均已超過GB 2762—2012中的限定值0.2 mg·kg-1,應(yīng)采取相應(yīng)調(diào)控措施確保水稻糙米中Cd含量的安全達(dá)標(biāo)。在后續(xù)研究中,通過在灌漿期對9311和383這2種Cd高積累型水稻的葉面噴施阻控劑,可使水稻9311的糙米Cd含量低于國家標(biāo)準(zhǔn),確保水稻籽粒安全。

3.2 土壤有效態(tài)Cd含量變化與水稻Cd吸收的相關(guān)性

不同化學(xué)提取劑可以分別提取土壤中不同形態(tài)的重金屬,以便更準(zhǔn)確地預(yù)測土壤中重金屬的生物有效性和作物可食部位的重金屬含量[24]。ZHANG等[11]比較了6種不同單一提取劑對土壤中重金屬(Cu、Pb、Zn和Cd)有效態(tài)的預(yù)測性,發(fā)現(xiàn)采用1 mol·L-1NH4OAc和0.01 mol·L-1CaCl2這2種提取劑獲得的土壤中重金屬有效態(tài)含量與稻米中重金屬含量之間相關(guān)性最高,表明NH4OAc和CaCl2相較于其他提取劑更適用于預(yù)測污染土壤中重金屬的生物可利用度。該研究中,不同品種水稻收獲并移除后,所有處理土壤中NH4OAc提取態(tài)Cd含量均高于CaCl2提取態(tài),這是因為前者常用于提取土壤中的可交換態(tài)Cd,后者常用于提取土壤中的水溶態(tài)Cd,而已有文獻(xiàn)表明水溶態(tài)Cd是土壤中活動性最強、最易被植物吸收的形態(tài)[9]。此外,不同品種水稻中Cd積累量大于NH4OAc提取態(tài)Cd減少量,說明還有其他形態(tài)的Cd也能被水稻吸收。DENG等[25]通過BCR分級提取試驗發(fā)現(xiàn),水稻吸收的Cd形態(tài)與土壤中非殘留態(tài)Cd密切相關(guān),特別是與土壤中可交換態(tài)Cd含量呈線性相關(guān)。

輕度污染土壤上種植的水稻Lu-616、383和9311的地上部Cd積累量較高,對應(yīng)了土壤中NH4OAc 提取態(tài)Cd含量的大幅降低,這與張青等[26]報道的結(jié)果一致。除水稻HHZ外,其余品種水稻收獲后,土壤中CaCl2提取態(tài)Cd的降低率均高于NH4OAc提取態(tài)Cd,進(jìn)一步表明CaCl2提取態(tài)Cd更容易被水稻吸收。水稻HHZ秸稈移除后,土壤中CaCl2提取態(tài)和NH4OAc提取態(tài)Cd含量與對照組相比均有所上升,可能是由于水稻HHZ根系分泌的有機酸對Cd有一定的活化作用;而土壤有效態(tài)Cd含量變化是土壤中Cd活化與水稻吸收綜合作用的結(jié)果。此外,值得注意的是,筆者研究采用的輕度污染土壤是人為添加外源Cd制備而成的,由于老化時間較短,該土壤中Cd的有效性往往會高于實際Cd污染農(nóng)田土壤。因此,不同品種水稻對土壤中Cd的活化作用及對Cd的吸取去除能力尚需在田間水平開展深入研究。

3.3 水稻秸稈移除對土壤有效態(tài)Cd含量降低的貢獻(xiàn)與減量修復(fù)潛力

水稻地上部Cd吸取量與土壤有效態(tài)Cd減少量之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系,種植水稻383、9311和Lu-616可以顯著降低土壤中NH4OAc提取態(tài)Cd含量(P<0.05),其降低率分別為21.29%、14.47%和14.36%,推測水稻植株吸收富集的Cd對土壤中有效態(tài)Cd含量的降低有重要貢獻(xiàn)。HU[27]發(fā)現(xiàn),水稻成熟期根際土壤中可交換態(tài)Cd含量顯著下降(33.71%),這支持了筆者的推測。

植物凈化率指修復(fù)植物地上部移除部分對Cd的吸取量占土壤耕層Cd總量的比例,可用于綜合評價該植物對Cd污染土壤的修復(fù)潛力[28]。盆栽試驗中,種植水稻Lu-616、383和9311對輕度污染土壤Cd的凈化率分別為9.1%、7.8%和6.5%。根據(jù)盆栽試驗得到的水稻9311秸稈和糙米中Cd的平均含量(2.52和0.32 mg·kg-1),結(jié)合國家水稻數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站發(fā)布的水稻9311產(chǎn)量數(shù)據(jù)〔600 kg·(667 m2)-1〕,以及文獻(xiàn)報道的稻田耕層土壤容重(1.10～1.25 g·cm-3)[29]和中國水稻秸稈系數(shù)(草谷比為1.00)[30],可估算出田間種植1季水稻9311后,通過水稻地上部移除可使輕度污染土壤(0.80 mg·kg-1)中Cd的凈化率達(dá)1.3%～1.5%。唐皓等[31]在有效態(tài)Cd含量為7.68 mg·kg-1的土壤上種植水稻Lu527-8和Lu17-9,灌漿期時通過移除水稻地上部可使土壤中Cd的凈化率分別達(dá)0.82%和1.25%;據(jù)柳賽花等[32]報道,在Cd污染農(nóng)田土壤上種植9311和玉珍香2種水稻,其地上部移除后對土壤Cd的凈化率分別為7.2%和7.1%。同樣的水稻品種9311對土壤Cd的凈化率高于筆者研究,這可能是因為其土壤Cd含量(1.69 mg·kg-1)明顯高于筆者研究,導(dǎo)致水稻9311對Cd的吸收量增加。這些結(jié)果表明,土壤性質(zhì)和水稻品種的差異都可以影響水稻秸稈移除對土壤有效態(tài)Cd的凈化率。此外,與其他Cd富集植物如苧麻[33](Cd凈化率為1.22%)和印度芥菜[34](Cd凈化率為0.35%～9.22%)相比,筆者研究中的高積累水稻Lu-616、383和9311對土壤中Cd的凈化率也具有優(yōu)勢。同時,水稻還具有氣候適應(yīng)性更強、種植面積更廣、種植技術(shù)成熟、便于機械化操作等優(yōu)點。

通常,常規(guī)水稻品種不被認(rèn)為是高富集植物修復(fù)材料,如筆者研究中的HHZ。但近年來,隨著重金屬高/低積累性水稻品種(品系)篩選技術(shù)的快速進(jìn)步,目前已選育出相對于常規(guī)(主栽)品種具有更高重金屬積累能力的水稻品種。筆者研究觀察到,水稻Lu-616和9311植株的Cd吸取總量顯著高于其他品種,具有較強的修復(fù)潛力?？梢灶A(yù)測,若沒有污染源進(jìn)入土壤,通過種植高積累型水稻品種,是可以實現(xiàn)Cd輕微污染土壤(土壤Cd含量剛過超篩選值)的凈化修復(fù),并從安全利用類轉(zhuǎn)變?yōu)閮?yōu)先保護(hù)類土壤這一目標(biāo)的。值得重視的是,對Cd含量超標(biāo)的稻米需要嚴(yán)格監(jiān)管以防止流入市場。未來將進(jìn)一步結(jié)合品種選育和農(nóng)藝調(diào)控措施,在水稻籽粒積累Cd的關(guān)鍵生育期進(jìn)行阻控,將Cd更多地截留在秸稈中而使稻米安全可食,以同步實現(xiàn)污染土壤的減污凈化與稻米安全生產(chǎn)之目標(biāo)。

4 結(jié)論

(1)不同品種水稻對Cd的吸收富集與積累能力具有顯著差異,水稻Lu-616、383和9311屬于Cd高積累型水稻。

(2)Cd高積累型水稻可顯著降低土壤中CaCl2提取態(tài)和NH4OAc提取態(tài)Cd含量,從而減少土壤有效態(tài)和總Cd含量。

(3)Cd高積累型水稻地上部的移除具有較大的減污潛力。