不同水稻品種在堿性農(nóng)田土壤中對鎘富集與轉(zhuǎn)運(yùn)差異研究

楊牧青 和麗萍 楊濤明 曾沛藝 和淑娟 唐嫚 廖迎蕓

摘要 以9個(gè)玉米品種為試驗(yàn)材料，通過添加小區(qū)試驗(yàn)，分析在重金屬Cd污染堿性土壤條件下，不同水稻品種產(chǎn)量、籽粒中重金屬及各器官間富集轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)差異。結(jié)果表明，不同水稻品種的生物量及產(chǎn)量存在顯著差異，楚稻1、錦瑞4和楚粳37產(chǎn)量顯著高于其他品種；不同稻品種籽粒、莖葉、根對重金屬Cd的累積能力存在顯著差異，總體分布規(guī)律為根＞莖葉＞籽粒；9個(gè)水稻品種籽粒中Cd均符合食品中污染物限量標(biāo)準(zhǔn)，楚稻1、錦瑞4、玉粳17、楚粳37 4個(gè)品種顯著低積累；不同水稻品種籽粒、莖葉、根轉(zhuǎn)運(yùn)能力存在顯著差異；楚稻1、錦瑞4、楚粳37 3個(gè)品種兼具高產(chǎn)及低積累特性，適宜在Cd中、輕度污染農(nóng)用地安全利用中推廣種植；土壤pH堿性條件下，土壤中Cd進(jìn)入水稻中的含量及在水稻各器官中的富集轉(zhuǎn)運(yùn)能力明顯降低，在保障糧食生產(chǎn)前提下調(diào)節(jié)Cd污染農(nóng)田土壤pH是實(shí)現(xiàn)農(nóng)用地安全利用和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的有效措施。

關(guān)鍵詞 水稻；積累；轉(zhuǎn)運(yùn)；篩選；鎘

中圖分類號 S511? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A

文章編號 0517-6611（2023）14-0075-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.14.019

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

作者簡介 楊牧青（1992—），男，云南麗江人，碩士，從事土壤重金屬污染修復(fù)研究。*通信作者，碩士，從事土壤重金屬污染修復(fù)研究。

收稿日期 2022-06-16；修回日期 2022-08-25

“萬物土中生，有土斯有糧”，土壤是農(nóng)業(yè)最基本的生產(chǎn)資料，是農(nóng)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，是不可再生的自然資源，干凈的土壤更是糧食質(zhì)量安全的重要保障。但是隨著工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，大量重金屬等污染物通過污灌、大氣沉降、過量施用化肥農(nóng)藥等途徑進(jìn)入土壤環(huán)境，土壤重金屬污染本身具有隱蔽性和滯后性，土壤中重金屬等有毒有害物質(zhì)不斷累積，造成生態(tài)環(huán)境遭到破壞、土壤環(huán)境質(zhì)量退化、食用農(nóng)產(chǎn)品超標(biāo)等問題［ 1］。根據(jù)全國土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)［ 2］，全國16%土壤面積遭污染，其中農(nóng)用耕地方面，污染面積占比達(dá)19.4%，其中Cd超標(biāo)點(diǎn)位占比7.0%，占比最高，整體形勢堪憂。農(nóng)用地重金屬主要累積在耕作層，重金屬由于其特有物理性質(zhì)在土壤環(huán)境非常難以被生物降解，所以土壤中重金屬從一定程度上為只進(jìn)不出，不斷累積。且其中有效態(tài)，即可交換態(tài)可以被農(nóng)作物吸收，在農(nóng)產(chǎn)品中富集，最終通過食物鏈進(jìn)入人體內(nèi)，重金屬累積后對人體的危害相當(dāng)大，引起人體慢性中毒［ 3］。

云南礦產(chǎn)儲量大、礦種多，被譽(yù)為“有色金屬王國”。采、選礦等活動歷史悠久，同時(shí)由于當(dāng)時(shí)落后的生產(chǎn)工藝，環(huán)保設(shè)施不完善，環(huán)保管理薄弱等因素，礦區(qū)周邊及流域下游農(nóng)用地土壤受到污染，農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)受到嚴(yán)重威脅。如何有效保障農(nóng)用地安全生產(chǎn)成為土壤修復(fù)的焦點(diǎn)，目前土壤修復(fù)技術(shù)很多，但是能滿足“易推廣、成本低、效果好”的農(nóng)用地修復(fù)技術(shù)主要為品種替代，同時(shí)存在顯著植物種內(nèi)差異，即種植重金屬耐性強(qiáng)，低積累品種［ 4-6］。植物吸收和累積重金屬不僅存在顯著種間差異，同時(shí)存在顯著種內(nèi)差異［ 7］，不同品種水稻對鎘的吸收累積存在較大差異［ 8］。易春麗等［ 9］在祁陽縣通過研究15個(gè)水稻品種發(fā)現(xiàn)，不同水稻吸收累積重金屬As、Cd有顯著差異，篩選出Y 兩優(yōu) 9918 和野香優(yōu)莉絲2個(gè)品種可優(yōu)先在輕度鎘砷復(fù)合污染土地進(jìn)行試種。董欣欣等［ 10］在沈陽市20個(gè)水稻品種篩選出4個(gè)籽粒中Cd均符合食品中污染物限量標(biāo)準(zhǔn)的低積累水稻品種。蔣剛等［ 11］通過25個(gè)水稻品種在不同土壤Cd含量條件下發(fā)現(xiàn)神9B、192B品種Cd積累量都很低且符合安全標(biāo)準(zhǔn)。很多研究都表明低積累水稻品種的篩選對農(nóng)用地安全利用有重要意義［ 12-13］，但是由于不同地區(qū)水稻品種區(qū)域適宜性差異性大［ 14-15］，諸多研究成果難以跨區(qū)域有效應(yīng)用。多數(shù)水稻篩選及富集轉(zhuǎn)運(yùn)研究農(nóng)田土壤pH為微酸性［ 9-10］，堿性土壤條件中開展的研究很少。因此，該研究借鑒前人研究方法，在堿性農(nóng)田土壤針對不同水稻品種對鎘富集與轉(zhuǎn)運(yùn)差異進(jìn)行研究，在篩選Cd低積累的同時(shí)，兼顧推廣過程中農(nóng)民最關(guān)注的產(chǎn)量因子，加強(qiáng)水稻品種可推廣性，旨在篩選出適宜當(dāng)?shù)谻d低積累、高產(chǎn)水稻品種，助力實(shí)現(xiàn)農(nóng)用地安全利用。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)地塊位于云南某礦區(qū)農(nóng)田。土壤基本理化性質(zhì)為：pH 8.13；水溶性總鹽含量0.54 g/kg；有機(jī)質(zhì)含量16.01 g/kg；全磷含量0.50 mg/kg；有效磷含量14.12 mg/kg；全氮含量1.07 g/kg；水解性氮含量68.46 mg/kg；全鉀含量20.68 g/kg；速效鉀含量80.40 mg/kg；重金屬鎘含量0.87 mg/kg，是土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（GB 15618—2018）中風(fēng)險(xiǎn)篩選值0.60 mg/kg的1.45倍。

試驗(yàn)所用9個(gè)水稻品種為楚粳40、楚粳37、楚粳26、楚稻1、玉粳11、玉粳17、玉粳24、錦瑞4、合系22，依次編號1～9，均為試驗(yàn)區(qū)所在地種子站出售及當(dāng)?shù)刂髟云贩N。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)區(qū)水稻種植習(xí)慣為每年3月底小區(qū)培育秧苗，4月中旬移栽至大田，均為人工操作。試驗(yàn)于2021年3月進(jìn)行，在試驗(yàn)地范圍內(nèi)設(shè)置9個(gè)小區(qū)培育秧苗，育苗小區(qū)面積為4 m2，長寬比例1∶1，育苗小區(qū)面積合計(jì)36 m2。水稻移栽種植工作于2021年4月中旬進(jìn)行，9個(gè)水稻品種每個(gè)品種3組重復(fù)，共計(jì)27個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積40 m2，長寬比例范圍（2～5）∶1，試驗(yàn)區(qū)盡量設(shè)置為長10 m、寬4 m的長方形狀，合計(jì)面積約1 080 m2。各試驗(yàn)組采用隨機(jī)分布，按照當(dāng)?shù)亓?xí)慣進(jìn)行統(tǒng)一栽種及田間管理。

1.3 樣品采集與分析

1.3.1 土壤樣品采集。水稻栽種前在試驗(yàn)地網(wǎng)格取樣布點(diǎn)采集0～20 cm耕作層土壤，風(fēng)干后樣品置于瑪瑙球磨機(jī)進(jìn)行研磨，使樣品全部通過0.15～0.40 mm的尼龍篩，混合均勻裝袋。土壤pH、有機(jī)質(zhì)等理化性質(zhì)指標(biāo)按照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》規(guī)定方法測定，Cd測定采用石墨爐原子吸收分光光度（GFAA）法測定。

1.3.2 水稻生物量、產(chǎn)量測定及樣品采集。水稻成熟后，在每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)選擇3個(gè)1 m2水稻長勢較為均勻的區(qū)域?yàn)?個(gè)單元，單元區(qū)塊避免與相鄰實(shí)驗(yàn)小區(qū)保持適當(dāng)距離，避免邊界影響。在單元區(qū)長勢均勻的區(qū)域各采集約10株完整水稻，先切下根部后對其余地上部分進(jìn)行稱重取平均值，然后計(jì)算水稻實(shí)際單位面積的生物量（地上部分質(zhì)量）?，F(xiàn)場脫離裝袋稱重取平均值，計(jì)算水稻實(shí)際單位面積產(chǎn)量。最后分別采集水稻籽粒、莖葉和根的混合樣品。帶回實(shí)驗(yàn)室65 ℃輔熱烘干，烘干后樣品置于瑪瑙球磨機(jī)進(jìn)行研磨，使樣品全部通過0.25～0.40 mm的尼龍篩，混合均勻裝袋。水稻樣品采用混合酸HNO3∶HClO4（4∶1）消解制備成待測液，Cd測定采用石墨爐原子吸收分光光度（GFAA）法測定。

1.4 數(shù)據(jù)分析 數(shù)據(jù)及圖表采用Microsoft Excel 2019和SPSS19.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行制作及分析。

水稻Cd富集系數(shù)（BCF）和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（TF）計(jì)算方法［ 7，16-17］如下：

富集系數(shù)（BCF）=地上部分重金屬含量/土壤中對應(yīng)重金屬元素含量

籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（TF）=籽粒中重金屬含量/根中對應(yīng)重金屬元素含量

莖葉轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（TF）=莖葉中重金屬含量/根中對應(yīng)重金屬元素含量

籽粒與莖葉轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（TF）=籽粒中重金屬含量/莖葉中對應(yīng)重金屬元素含量

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻生物量及產(chǎn)量差異性分析

在Cd污染試驗(yàn)地種植9個(gè)水稻品種生物量和產(chǎn)量存在顯著差異（P＜0.05）。由表1可知，9個(gè)水稻品種平均生物量為22 506.34 kg/hm2，生物量最高的為4號品種楚稻1，為31 579.67 kg/hm2;其次為8號錦瑞4和2號楚粳37，分別為29 243.93和28 812.37 kg/hm2，兩者間差異不顯著；最低的1號品種楚粳40，為14 945.10 kg/hm2，楚稻1生物量為楚粳40的2.11倍。

水稻產(chǎn)量區(qū)間4 861.77～12 204.20? kg/hm2，平均產(chǎn)量為8 350.34? kg/hm2，變異系數(shù)為0.271 8。產(chǎn)量前3分別為4號品種楚稻1、8號錦瑞4和2號楚粳37，產(chǎn)量分別為12 204.20、11 176.37和10 095.03 kg/hm2；產(chǎn)量最小的1號品種楚粳40為4 861.77 kg/hm2，楚稻1產(chǎn)量為楚粳40的2.51倍。

2.2 水稻根、莖葉、籽粒中Cd含量差異性分析

在Cd污染試驗(yàn)地種植9個(gè)水稻各部位Cd含量存在顯著差異（P＜0.05）。由表2可知，Cd在水稻器官中總體分布規(guī)律為根＞莖葉＞籽粒。根中Cd含量區(qū)間為0.125 0～0.685 7 mg/kg，平均值為0.451 1 mg/kg。莖葉中Cd含量區(qū)間為0.093 0～0.705 0 mg/kg，平均值為0.354 1 mg/kg，試驗(yàn)區(qū)水稻莖葉中Cd含量均滿足《國家飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 13078—2017 ）中植物性飼料原料中重金屬Cd限量值1 mg/kg。籽粒中Cd含量區(qū)間為0.018 7～0.159 7 mg/kg，平均值為0.085 4 mg/kg，試驗(yàn)區(qū)水稻籽粒中Cd含量均滿足農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全標(biāo)準(zhǔn)《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》（GB 2762—2017 ）中稻谷中重金屬Cd限量值0.2 mg/kg。

2.3 水稻籽粒中Cd含量聚類分析

為能有效識別分類試驗(yàn)區(qū)9個(gè)水稻品種籽粒中Cd含量，聚類分析發(fā)現(xiàn)可分為4類。第一類為品種1、7、9，Cd平均含量為0.143 1 mg/kg，Cd含量遠(yuǎn)高于其他品種，累積性較強(qiáng)。第二類為品種3和5，Cd平均含量為0.088 7 mg/kg。第三類為品種2、4和6，Cd平均含量為0.047 7 mg/kg。第四類為品種8，Cd平均含量為0.018 7 mg/kg。

2.4 水稻Cd累積和轉(zhuǎn)運(yùn)差異性分析

通過富集系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，在Cd污染試驗(yàn)地種植9個(gè)水稻對Cd富集能力存在顯著差異（P＜0.05）。由表3可知，總體來看，水稻莖葉Cd富集系數(shù)大于籽粒Cd富集系數(shù)，BCF莖葉＞BCF籽粒，平均值分別為0.407 0和0.098 1，水稻莖葉Cd富集系數(shù)是籽粒Cd富集系數(shù)的約4.15倍。9個(gè)水稻品種莖葉中Cd富集系數(shù)區(qū)間為0.106 9～0.810 4，平均值為0.407 0，品種間富集性差異顯著。籽粒中Cd富集系數(shù)區(qū)間為0.021 5～0.183 6，平均值為0.098 1，品種間富集性差異顯著。

通過轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)在Cd污染試驗(yàn)地種植9個(gè)水稻對Cd轉(zhuǎn)運(yùn)能力存在顯著差異（P＜0.05）。水稻莖葉中Cd轉(zhuǎn)運(yùn)至籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)為0.118 8～0.287 7，平均值為0.185 0。水稻根中Cd轉(zhuǎn)運(yùn)至籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)為0.103 4～0.250 3，平均值為0.161 0。水稻根中Cd轉(zhuǎn)運(yùn)至莖葉的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)為0.501 0～1.123 2，平均值為0.760 8。轉(zhuǎn)移規(guī)律為TF莖葉/根＞TF籽粒/莖葉＞TF籽粒/根，從根轉(zhuǎn)運(yùn)至莖葉的能力強(qiáng)于其他轉(zhuǎn)運(yùn)環(huán)節(jié)。

3 討論

該研究中9個(gè)水稻品種間生物量、產(chǎn)量差異顯著，生物量最大值是最小值的2.11倍，變異系數(shù)為0.251 8；產(chǎn)量最大值是最小值的2.51倍，變異系數(shù)為0.271 8。差異大的原因主要在于水稻本身的遺傳差異，以及不同基因型水稻對鎘脅迫的耐性和生長環(huán)境適應(yīng)性差異［ 18-21］。籽粒中Cd含量區(qū)間為0.018 7～0.159 7 mg/kg，平均值為0.085 4 mg/kg，均滿足農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全標(biāo)準(zhǔn)《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》（GB 2762—2017 ）中稻谷中重金屬Cd限量值為0.2 mg/kg的標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)籽粒中Cd含量聚類分析結(jié)果，品種2、4、6、8具有相對低積累的特性，綜合水稻產(chǎn)量及Cd在籽粒中含量發(fā)現(xiàn)（圖2），2號楚粳37、4號楚稻1、8號錦瑞4在9個(gè)試驗(yàn)品種中兼具高產(chǎn)及低積累特性，適宜在中、輕度Cd污染農(nóng)用地安全利用中推廣種植。

試驗(yàn)水稻器官中Cd總體分布規(guī)律為根＞莖葉＞籽粒，富集規(guī)律為BCF莖葉＞BCF籽粒，轉(zhuǎn)運(yùn)規(guī)律為TF莖葉/根＞TF籽粒/莖葉＞TF籽粒/根，與前人研究結(jié)果基本一致，水稻不同部位Cd分布及轉(zhuǎn)運(yùn)存在顯著差異［ 22］。王燦等［ 23］在貴州喀斯特地區(qū)Cd污染農(nóng)田的研究發(fā)現(xiàn)，水稻各部位對 Cd 的富集能力從大到小依次為莖節(jié)＞根＞莖＞穗軸＞枝梗＞葉＞糙米＞稻殼；張標(biāo)金等［ 18］研究發(fā)現(xiàn)，在水稻整個(gè)生育期中，2個(gè)供試水稻中Cd含量都是根＞莖＞葉。該研究中，9個(gè)品種水稻間的籽粒、莖葉、根中Cd含量差異顯著，變異系數(shù)分別為0.563 6、0.542 1、0.398 7。根中Cd含量區(qū)間為0.125 0～0.685 7 mg/kg，平均值為0.451 1 mg/kg；莖葉中Cd含量區(qū)間為0.093 0～0.705 0 mg/kg，平均值為0.354 1 mg/kg；籽粒中Cd含量區(qū)間為0.018 7～0.159 7 mg/kg，平均值為0.085 4 mg/kg。與易春麗等［ 9］和董欣欣等［ 10］研究相比，土壤中Cd進(jìn)入水稻中的含量顯著偏低。以易春麗等［ 9］在祁陽縣的研究為例，供試土壤Cd含量為0.62，pH 5.33，為酸性土壤，15個(gè)參試水稻品種稻米鎘含量平均值為0.58 mg/kg，莖葉鎘平均含量為 2.68 mg/kg。該研究土壤中水溶性總鹽含量為0.54 g/kg，pH 8.13，為堿性土壤，Cd含量為0.87 mg/kg。對比發(fā)現(xiàn)，在土壤pH堿性條件下，土壤Cd含量接近時(shí)，土壤中Cd進(jìn)入水稻的含量及在各器官中的富集轉(zhuǎn)運(yùn)能力差異較大，土壤中Cd有效進(jìn)入水稻中的量顯著偏低，這與pH不同有較大關(guān)系。土壤 pH 作為影響鎘形態(tài)的重要因素之一，不同pH條件下鎘的形態(tài)含量占比不同，導(dǎo)致其生物有效性、遷移性及毒性發(fā)生變化，尤其在土壤-作物體系中，直接影響著鎘的遷移轉(zhuǎn)化能力［ 24-25］。侯青葉等［ 26］在研究成都平原水稻土鎘形態(tài)分布及影響因素時(shí)發(fā)現(xiàn)，水溶態(tài)鎘和離子交換態(tài)鎘隨著 pH 的增大含量顯著降低，但碳酸鹽結(jié)合態(tài)鎘的含量卻明顯增加，說明隨著土壤pH的增大，活動態(tài)鎘的含量下降，在土壤-水稻體系中的遷移能力降低。陳楠等［ 27］在研究土壤 pH 對鎘形態(tài)及稻米鎘積累的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著土壤 pH 的升高，土壤可交換態(tài)鎘含量降低，可還原態(tài)鎘和殘?jiān)鼞B(tài)鎘含量升高。高 pH（pH>6）條件下，土壤中的鎘會通過絡(luò)合、螯合及沉淀等作用以難溶態(tài)的氫氧化物、碳酸鹽及磷酸鹽的形式存在，溶解度較小，土壤溶液中活性 Cd2+濃度也較低，導(dǎo)致鎘的生物有效性下降［ 28］。對比發(fā)現(xiàn)，土壤pH堿性條件下，土壤中Cd進(jìn)入水稻中含量及在水稻各器官中的富集轉(zhuǎn)運(yùn)能力明顯降低，在保障糧食生產(chǎn)前提下調(diào)節(jié)Cd污染農(nóng)田土壤pH是實(shí)現(xiàn)農(nóng)用地安全利用和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的有效措施。

4 結(jié)論

（1）不同水稻品種的生物量及產(chǎn)量存在顯著差異，楚稻1、錦瑞4和楚粳37產(chǎn)量顯著高于其他品種。

（2）不同稻品種籽粒、莖葉、根對重金屬Cd的累積能力存在顯著差異，總體分布規(guī)律為根＞莖葉＞籽粒。9個(gè)水稻品種籽粒中Cd均符合食品中污染物限量標(biāo)準(zhǔn)，楚稻1、錦瑞4、玉粳17、楚粳37 4個(gè)品種顯著低積累。

（3）不同水稻品種籽粒、莖葉、根轉(zhuǎn)運(yùn)能力存在顯著差異，富集規(guī)律為BCF莖葉＞BCF籽粒，轉(zhuǎn)運(yùn)規(guī)律為TF莖葉/根＞TF籽粒/莖葉＞TF籽粒/根。

（4）楚稻1、錦瑞4、楚粳37 3個(gè)品種兼具高產(chǎn)及低積累特性，適宜在Cd中、輕度污染農(nóng)用地安全利用中推廣種植。

（5）土壤pH堿性條件下，土壤中Cd進(jìn)入水稻中的含量及在水稻各器官中的富集轉(zhuǎn)運(yùn)能力明顯降低，在保障糧食生產(chǎn)前提下調(diào)節(jié)Cd污染農(nóng)田土壤pH是實(shí)現(xiàn)農(nóng)用地安全利用和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的有效措施。

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