低鎘富硒水稻品種的篩選

關(guān)浩然 張恒磊 丁利群 夏 川 鄭 雯

(1.浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,浙江 杭州 310058;2.開化縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心,浙江 衢州 324300;3.衢州市開化生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)站,浙江 衢州 324300;4.開化縣自然資源和規(guī)劃局,浙江 衢州 324300)

黑色巖系在浙江省西部廣泛分布,富集有重金屬鎘(Cd)且含有豐富的硒(Se)資源,因此由其發(fā)育而來的土壤存在Cd、Se伴生現(xiàn)象[1]7-23,[2],這兩種元素都可通過食物鏈在人體內(nèi)累積[3]。Cd是致癌元素,過量攝入會(huì)嚴(yán)重威脅人體健康[4];而Se是人體必需微量元素,對(duì)人體心血管疾病、大骨節(jié)病、克山病等疾病有預(yù)防作用,還具有抗癌、抗衰老等功效[5]。

我國(guó)是水稻生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó),食用稻米是Cd和Se進(jìn)入人體的重要途徑[6-7]。在相同種植條件下,不同水稻品種由于基因型的差異,對(duì)土壤中Cd和Se的吸收、富集、轉(zhuǎn)運(yùn)能力差異顯著[8]。因此,在富含Cd和Se的地區(qū)篩選低Cd富Se水稻可有效降低Cd的飲食暴露量、提高Se的膳食攝入量,是Cd污染稻田安全利用協(xié)同土壤寶貴Se資源高效開發(fā)的重要工作[9-10]。已有研究篩選出了適應(yīng)浙江省種植的Cd低累積水稻品種[11-12]。然而,Cd低累積水稻品種是否同時(shí)具備較強(qiáng)的富Se能力仍有待進(jìn)一步篩選。此外,氣候特征、土壤類型和水分條件等差異也會(huì)限制篩選出的水稻品種推廣和應(yīng)用[13]。因此,因地制宜地篩選出適合當(dāng)?shù)氐姆€(wěn)定低Cd富Se水稻品種才是實(shí)現(xiàn)Cd污染稻田安全利用并打造綠色富Se水稻的一項(xiàng)最具性價(jià)比的措施。

開化縣位于浙西山地丘陵區(qū),黑色巖系分布廣泛且地層發(fā)育完整,其發(fā)育的土壤高Cd富Se[1]24,[14]。本研究以19個(gè)水稻品種(包括先前研究篩選出的Cd低累積水稻品種和當(dāng)?shù)刂饕惺鬯酒贩N)為試驗(yàn)對(duì)象,在開化縣楊林鎮(zhèn)高Cd富Se稻田開展田間小區(qū)試驗(yàn)和穩(wěn)定性驗(yàn)證,以稻米Cd和Se含量、水稻產(chǎn)量和穩(wěn)定性為評(píng)價(jià)指標(biāo)篩選出適應(yīng)當(dāng)?shù)馗逤d富Se土壤種植的低Cd富Se水稻品種,為Cd污染稻田的安全利用和土壤寶貴Se資源的開發(fā)提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試品種

供試水稻品種包括王會(huì)來等[15]1660發(fā)現(xiàn)的Cd低累積品種甬優(yōu)538、中浙優(yōu)8號(hào)和甬優(yōu)15,徐穎菲[16]25發(fā)現(xiàn)的Cd低累積品種秀水121和秀水519,以及當(dāng)?shù)刂饕惺燮贩N甬優(yōu)5550、甬優(yōu)7850、寧兩優(yōu)1513、中浙優(yōu)15、嘉禾優(yōu)1號(hào)、清香優(yōu)19香、中浙優(yōu)26、嘉豐優(yōu)911、浙兩優(yōu)272、華浙優(yōu)223、泰豐優(yōu)2、中浙優(yōu)H7、江兩優(yōu)7901和嘉豐優(yōu)3號(hào),共計(jì)19個(gè)水稻品種。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)田土壤類型為潴育型水稻土,土壤pH為5.30～7.13,Cd質(zhì)量濃度為0.62～0.67 mg/kg,Se質(zhì)量濃度為0.38～0.45 mg/kg。田間小區(qū)試驗(yàn)為期2年,第1年對(duì)19個(gè)供試品種進(jìn)行初篩,第2年對(duì)第1年已篩選出的低Cd富Se品種進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)證。試驗(yàn)采取完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),每個(gè)水稻品種設(shè)置3個(gè)重復(fù),共設(shè)置57個(gè)小區(qū),每個(gè)小區(qū)面積為21 m2(3 m×7 m),小區(qū)之間以田埂相隔并設(shè)置獨(dú)立的進(jìn)排水溝。田埂上先覆蓋1層黑色塑料膜以抑制雜草生長(zhǎng),再覆蓋1層不透水透明塑料膜以避免小區(qū)間水分互擾,并在試驗(yàn)田四周設(shè)置約1 m寬的保護(hù)帶。所有小區(qū)試驗(yàn)在當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)水肥農(nóng)藝調(diào)控管理措施下進(jìn)行,以水稻收獲后籽粒中Cd和Se含量、水稻產(chǎn)量和穩(wěn)定性為評(píng)價(jià)指標(biāo)篩選出適合當(dāng)?shù)胤N植的低Cd富Se水稻品種。

1.3 樣品采集與分析

在水稻收獲期,按照五點(diǎn)采樣法依次采集各小區(qū)水稻樣品,每個(gè)小區(qū)采集5株水稻的稻穗,脫粒后均勻混合,放入塑料自封袋中帶回實(shí)驗(yàn)室,用去離子水沖洗干凈,70 ℃烘干至恒重,脫殼粉碎,在硝酸、雙氧水、氫氟酸體積比4∶3∶1的體系中微波消解,使用NexION300X電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)測(cè)定Cd含量,使用AFS-9760原子熒光光度計(jì)測(cè)定Se含量。消解全程進(jìn)行空白對(duì)照,并使用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW10044對(duì)稻米樣品的Cd、Se含量測(cè)定進(jìn)行質(zhì)量控制。

1.4 數(shù)據(jù)處理與制圖

使用Microsoft Excel 2019和IBM SPSS Statistics 26進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與分析,使用Origin Pro 2023進(jìn)行制圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同品種稻米Cd、Se累積特征

由圖1可見,供試水稻品種的稻米Cd質(zhì)量濃度為0.017～0.547 mg/kg,稻米Se質(zhì)量濃度為0.014～0.469 mg/kg,不同供試品種間的稻米Cd和Se差異顯著。Cd和Se在稻米中的累積程度受到水稻品種的基因型影響,不同品種對(duì)兩種元素的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和富集差異造成稻米中的累積差異[17-20]。聚類分析法可有效反映出不同水稻品種對(duì)目標(biāo)元素累積能力的差異[21]。根據(jù)稻米Cd、Se含量進(jìn)行的聚類分析結(jié)果(如圖2所示),19個(gè)水稻品種可分為4類,包括高Cd富Se品種1種:甬優(yōu)538;高Cd貧Se品種7種:中浙優(yōu)26、嘉豐優(yōu)3號(hào)、甬優(yōu)7850、江兩優(yōu)7901、甬優(yōu)5550、清香優(yōu)19香和秀水121;低Cd貧Se品種5種:中浙優(yōu)15、秀水519、浙兩優(yōu)272、寧兩優(yōu)1513和華浙優(yōu)223;低Cd富Se品種6種:中浙優(yōu)H7、甬優(yōu)15、中浙優(yōu)8號(hào)、泰豐優(yōu)2、嘉禾優(yōu)1號(hào)和嘉豐優(yōu)911。

注:Cd限量標(biāo)準(zhǔn)指《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》(GB 2762—2017)的Cd限量標(biāo)準(zhǔn)(<0.20 mg/kg);富Se標(biāo)準(zhǔn)指《富硒稻谷》(GB/T 22499—2008)的富Se標(biāo)準(zhǔn)(0.04～0.30 mg/kg)。不同小寫字母表示組間差異顯著(p<0.01),圖3同。

圖2 基于稻米Cd、Se質(zhì)量濃度的品種聚類

在低Cd富Se品種當(dāng)中,中浙優(yōu)8號(hào)、泰豐優(yōu)2、嘉禾優(yōu)1號(hào)和嘉豐優(yōu)911這4個(gè)品種稻米Cd均低于0.20 mg/kg,符合GB 2762—2017的Cd限量標(biāo)準(zhǔn);且稻米Se均滿足GB/T 22499—2008的富Se標(biāo)準(zhǔn)(0.04～0.30 mg/kg);而中浙優(yōu)H7和甬優(yōu)15稻米Cd質(zhì)量濃度分別為0.286、0.223 mg/kg,超過了GB 2762—2017中Cd限量標(biāo)準(zhǔn)。

在Cd低累積品種中,中浙優(yōu)8號(hào)和秀水519稻米Cd含量低于GB 2762—2017的Cd限量標(biāo)準(zhǔn),與前人研究一致[15]1659,[16]25;然而,通常作為Cd低累積品種的甬優(yōu)15稻米Cd含量卻有超標(biāo),可能是由試驗(yàn)區(qū)土壤類型、地勢(shì)和氣候差異造成的[22]。水稻對(duì)土壤Cd和Se的吸收機(jī)理不同[23],因此Cd和Se在稻米中的累積特征并不一樣。聚類分析結(jié)果顯示,在相同種植條件下中浙優(yōu)H7等6個(gè)品種屬于低Cd富Se水稻品種(包括先前研究發(fā)現(xiàn)的Cd低累積品種中浙優(yōu)8號(hào)),其中嘉禾優(yōu)1號(hào)、中浙優(yōu)8號(hào)、泰豐優(yōu)2和嘉豐優(yōu)911稻米Cd不超標(biāo)(<0.20 mg/kg)且達(dá)到富Se標(biāo)準(zhǔn)(0.04～0.30 mg/kg)。因此,將嘉禾優(yōu)1號(hào)、中浙優(yōu)8號(hào)、泰豐優(yōu)2和嘉豐優(yōu)911作為備選的低Cd富Se水稻品種。

2.2 不同品種水稻產(chǎn)量

篩選低Cd富Se品種同時(shí)也需保證水稻產(chǎn)量。由圖3可見,供試水稻品種的水稻產(chǎn)量為5 303～10 047 kg/hm2,平均為8 167 kg/hm2,甬優(yōu)系列雜交晚稻的產(chǎn)量明顯高于秀水系列常規(guī)晚粳稻,這與徐立軍等[24]的研究結(jié)果一致。在2.1節(jié)的備選低Cd富Se水稻品種中,嘉豐優(yōu)911、中浙優(yōu)8號(hào)和泰豐優(yōu)2的產(chǎn)量高于7 500 kg/hm2,達(dá)到浙江省水稻產(chǎn)量的常規(guī)水平[25];而嘉禾優(yōu)1號(hào)產(chǎn)量?jī)H為5 970 kg/hm2。因此,兼顧稻米Cd、Se含量和水稻產(chǎn)量,篩選泰豐優(yōu)2、中浙優(yōu)8號(hào)和嘉豐優(yōu)911為低Cd富Se水稻品種。

圖3 不同品種水稻產(chǎn)量

2.3 低Cd富Se水稻品種穩(wěn)定性驗(yàn)證

基于第1年兼顧稻米Cd、Se含量和水稻產(chǎn)量篩選的結(jié)果,在第2年將3個(gè)低Cd富Se水稻品種(泰豐優(yōu)2、中浙優(yōu)8號(hào)和嘉豐優(yōu)911)進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)證,結(jié)果如表1所示。泰豐優(yōu)2、中浙優(yōu)8號(hào)和嘉豐優(yōu)911這3個(gè)品種的稻米依舊保持較低的Cd質(zhì)量濃度(0.099～0.161 mg/kg)和較高的Se質(zhì)量濃度(0.124～0.290 mg/kg),Cd達(dá)到GB 2762—2017的Cd限量標(biāo)準(zhǔn)且Se滿足GB/T 22499—2008的富Se標(biāo)準(zhǔn)。而且,這3個(gè)低Cd富Se水稻品種的產(chǎn)量依舊保持在7 500 kg/hm2以上。因此,泰豐優(yōu)2、中浙優(yōu)8號(hào)和嘉豐優(yōu)911能夠穩(wěn)定表現(xiàn)出較強(qiáng)的低Cd富Se能力且可以穩(wěn)定重現(xiàn),當(dāng)屬優(yōu)選低Cd富Se水稻品種。

表1 低Cd富Se水稻品種第2年的Cd、Se質(zhì)量濃度及水稻產(chǎn)量

3 結(jié) 論

通過田間小區(qū)試驗(yàn)對(duì)19個(gè)水稻品種進(jìn)行篩選,經(jīng)過第1年品種篩選與第2年穩(wěn)定性驗(yàn)證,兼顧稻米Cd、Se含量和水稻產(chǎn)量并經(jīng)過穩(wěn)定性驗(yàn)證發(fā)現(xiàn),泰豐優(yōu)2、中浙優(yōu)8號(hào)和嘉豐優(yōu)911表現(xiàn)出穩(wěn)定的低Cd富Se能力且水稻產(chǎn)量達(dá)到浙江省水稻產(chǎn)量的常規(guī)水平,優(yōu)選為低Cd富Se水稻品種,推薦其在浙西高Cd富Se稻田推廣種植。