镉污染农田不同水稻品种对镉的积累特性
时间：2023-01-20 18:35:04 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
徐立军， 黃窈军， 汪亚萍， 谢炜， 高敬文
(1.桐庐县农业技术推广中心，浙江 杭州 311500；
2.浙江省农业科学院 环境资源与土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021)
20世纪以来，随着现代工业的发展，大量的镉(Cd)排放到大气、水体和土壤中，造成重金属Cd污染。Cd具有迁移性强、毒性大等特点，通过食物链富集作用大量进入人类食物中。人体摄入过多的Cd会导致肝脏、肾脏功能受损，扰乱人体免疫系统，引发骨骼软化、恶性肿瘤等严重疾病。据《全国土壤污染状况调查公报》发布，我国约有7%的土壤存在不同程度的Cd污染[1]。水稻是我国的主要粮食作物，水稻对Cd的富集能力较强，显著高于玉米、大豆等其他大宗作物[2]。因此，如何降低水稻籽粒Cd积累对于保障食品安全和国民健康具有重要意义。
不同水稻品种籽粒 Cd 累积存在成倍差异[3-6]，因此，筛选低积累水稻品种并探究其生理机理，可为受污染耕地安全利用措施的实施和低积累水稻品种选育工作提供理论支撑。谷物籽粒Cd的高低不仅由其Cd吸收能力决定，还受Cd的转运、再动员等复杂的因素影响，然而目前关于水稻不同器官Cd的积累和转运特征研究较为匮乏。土壤调理剂和叶面阻控剂的施用也是受污染耕地行之有效的安全利用措施，但目前存在施用不合理、方法不当等问题，明确影响水稻籽粒Cd积累的关键时期施用，有助于改进用土壤调理剂和叶面阻控剂的施用方法。本文以近几年浙江地区大面积种植的14个水稻品种为研究对象，通过田间试验，筛选出适宜种植的Cd低积累品种，并进一步研究Cd低积累和高积累水稻品种对Cd的富集和转运差异，并阐明影响水稻籽粒Cd积累的关键生育时期。
1.1 试验地点
田间试验在浙江省杭州市桐庐县江南镇莲塘村开展，属于Cd中度污染耕地，试验田周边存在冶铜厂，大气沉降值较高。试验土壤pH 6.53，Cd含量为0.82 mg·kg-1，有效Cd含量为0.38 mg·kg-1。
1.2 供试材料
供试品种14个，均为浙江省主要种植的水稻品种，包括9个杂交晚稻品种：甬优538、甬优1540、甬优7850、甬优15、甬优12、浙粳优1578、浙粳优1758、浙优18、浙粳优6153，5个常规晚粳稻品种：浙粳99、浙辐粳83、中嘉8号、秀水14、秀水121。
1.3 试验设计
采用随机区组排列，小区面积为30 m2，合计66个小区。5月底—6月初采用人工移栽的方式，行距30 cm，株距10～12 cm，杂交品种1穴1～2株，常规品种1穴2～4株。每667 m2施复合肥25 kg作基肥，每667 m2施尿素15 kg、复合肥25 kg作追肥。水分管理和病虫害防治按常规方式。
1.4 样品采集与分析
待水稻成熟后，采集水稻植株和土壤样品，并测定其质量。土壤样品风干后，过20目、100目筛备用，植株分为籽粒和秸秆两个部分，洗净后70 ℃烘干至恒重，粉碎后待测。土壤pH用去离子水浸提(土水比 1∶2.5)，而后用精密pH计测定。土壤全量Cd测定采用《土壤质量铅、镉的测定石墨炉原子吸收分光光度法》(GB/T 17141—1997)中的方法，植株样品中总Cd测定方法参照《食品安全国家标准食品中镉的测定》(GB 5009.15—2014)，土壤和植株样品经微波消解后，用原子吸收分光光光度计测定出镉含量。以国家标准参比物质土壤样品和植物样品进行质量控制，国标样分析结果均在允许误差范围内。
1.5 统计分析
数据分析在Excel软件中进行，LSD法分析差异显著性(P<0.05)，图表中数据以平均值±标准差表示，绘图采用Sigmaplot10.0软件。
富集系数=水稻各部位Cd含量/土壤中Cd含量；
转运系数=水稻籽粒Cd含量/水稻秸秆Cd含量。
2.1 不同水稻品种产量
如表1所示，不同水稻品种的株高和产量存在显著差异。杂交稻品种的株高和产量普遍高于常规晚粳稻品种。杂交稻品种株高均在100 cm以上，常规晚粳稻品种株高均在85～95 cm。杂交稻品种中甬优538、甬优12、浙粳优1578、浙粳优1758、浙粳优6153产量较高，平均667 m2产量超过600 kg。常规晚粳稻品种中产量超过600 kg的有浙粳99、浙辐粳83、中嘉8号和秀水121。所有品种中浙粳优6153和浙粳99产量最高，平均产量分别为862和859 kg。
表1 不同水稻品种株高及产量
不同水稻品种产量差异主要受有效穗数和穗粒数影响，千粒重和结实率对其影响较小。杂交稻品种中的高产品种如甬优538、甬优12、浙粳优1578、浙粳优1758和浙粳优6153主要是大穗品种，穗粒数在300粒左右。常规稻中高产品种如浙粳99、浙辐粳83、秀水121主要是以较高的穗数获得高产，穗数在每667 m220万穗左右。
2.2 不同水稻品种籽粒和秸秆Cd含量
不同品种水稻籽粒Cd含量变化范围为0.13～0.95 mg·kg-1，变化差异7倍(图1)。不同水稻品种籽粒Cd含量存在显著差异。其中甬优12、浙优18籽粒Cd积累最高，其次浙粳优1578、浙粳优1758、浙粳优6153籽粒Cd积累也较高，秀水14和秀水121籽粒Cd积累最低。根据《GB 2762—2017食品安全国家标准食品中污染物限量》，在桐庐中轻度污染耕地中试验结果发现不同水稻品种中秀水14和秀水121籽粒Cd积累符合食品安全标准(≤0.2 mg·kg-1)，其他品种籽粒Cd含量均超过食品安全标准。
柱上无相同小写字母表示组间差异显著(P<0.05)，图2同。
不同水稻品种秸秆的Cd含量范围分别为1.39～3.84 mg·kg-1，差异为3倍(图2)，由此可见，水稻秸秆Cd含量远高于籽粒，且不同品种水稻籽粒Cd积累能力差异更大，说明与Cd吸收能力相比Cd转运能力对籽粒Cd积累的影响更大。
图2 不同水稻品种秸秆Cd含量
2.3 不同水稻品种籽粒Cd聚类分析
如图3所示，将水稻籽粒Cd含量数据进行系统聚类分析，可将14个水稻品种分为3类：第1组为低镉含量组，籽粒Cd含量为0.16～0.34 mg·kg-1、平均值为0.27 mg·kg-1；
第2组为中镉含量组，籽粒Cd含量为0.39～0.44 mg·kg-1、平均值为0.41 mg·kg-1；
第3组为高镉含量组，籽粒Cd含量为0.57～0.80 mg·kg-1、平均值为0.71 mg·kg-1。其中第1组(低镉含量组)有秀水14、秀水121、甬优538、甬优1540、浙粳优6153、甬优15、浙粳99、甬优7850、浙辐粳83，第2组(中镉含量组)有浙粳优1758、中嘉8号，第3组(高镉含量组)有浙优18、甬优12、浙粳优1578。
图3 不同水稻品种籽粒Cd含量聚类分析
2.4 低、中、高镉含量组水稻对Cd的富集特性
如图4所示，供试14个水稻品种籽粒和秸秆的富集系数差异较大，Cd富集能力为：秸秆>籽粒。其中低镉含量组籽粒、秸秆的富集系数分别为0.16～0.54、1.69～4.41，平均值分别为0.33、2.43。中镉含量组籽粒、秸秆的富集系数分别为0.43～0.58、2.48～3.19，平均值分别为0.50、2.88。高镉含量组籽粒、秸秆的富集系数分别为0.54～1.15、2.28～4.69，平均值分别为0.87、3.58。低、中、高镉含量组不同部位Cd富集能力存在较大差异，籽粒和秸秆Cd富集系数平均值均表现为：高镉含量组>中镉含量组>低镉含量组。
图4 水稻籽粒、秸秆Cd富集系数分布
2.5 低、中、高镉含量组水稻对Cd的转运特性
供试14个水稻品种不同Cd转运系数具有较大差异。其中低镉含量组转运系数为0.07～0.27，平均值为0.14。中镉含量组转运系数为0.15～0.19，平均值为0.18。高镉含量组转运系数为0.19～0.31，平均值为0.25。低、中、高镉含量组Cd转运能力存在高镉含量组>中镉含量组>低镉含量组的规律(图5)。
图5 水稻Cd转运系数分布
2.6 低、中、高镉含量组水稻不同生育时期植株镉含量
如图6所示，供试14个水稻品种不同生育时期的植株Cd含量差异较大，表现为随着生育时期的推进，植株Cd含量不断提高。其中低镉含量组苗期、拔节期、齐穗期和成熟期的植株Cd含量分别为0.12～0.32、0.08～0.42、0.48～1.55、1.39～3.62 mg·kg-1，平均值分别为0.2、0.25、1.01、1.99 mg·kg-1。中镉含量组苗期、拔节期、齐穗期和成熟期的植株Cd含量分别为0.14～0.22、0.12～0.34、0.71～0.95、2.03～2.62 mg·kg-1，平均值分别为0.18、0.23、0.82、2.36 mg·kg-1。高镉含量组苗期、拔节期、齐穗期和成熟期的植株Cd含量分别为0.13～0.27、0.11～0.18、1.02～1.86、1.87～3.84 mg·kg-1，平均值分别为0.18、0.15、1.49、2.94 mg·kg-1。低、中、高镉含量组不同生育时期植株Cd含量存在较大差异，苗期植株Cd含量平均值为：低镉含量组>中镉含量组=高镉含量组，拔节期植株Cd含量平均值为：低镉含量组>中镉含量组>高镉含量组，齐穗期植株Cd含量平均值为：高镉含量组>低镉含量组>中镉含量组，成熟期植株Cd含量平均值为：高镉含量组>中镉含量组>低镉含量组。
图6 不同生育时期水稻植株Cd含量分布
水稻是我国重要的主粮作物，开展Cd低积累水稻品种的筛选对于保障食品质量安全具有重要意义，在筛选过程中不仅要考虑作物籽粒Cd含量是否在安全范围内，还需要综合考虑水稻产量以保证农民的收益以及安全利用技术的推广。本研究通过聚类分析发现，在浙江省杭州市桐庐县水稻试验区(土壤Cd平均含量为0.82 mg·kg-1)供试水稻品种中，秀水14、秀水121、甬优538、甬优1540、浙粳优6153、甬优15、浙粳99、甬优7850、浙辐粳83籽粒Cd含量较低(图3)，籽粒Cd含量为0.16～0.34 mg·kg-1、平均值为0.27 mg·kg-1(图1)。供试水稻品种中产量较高的品种有：甬优538、甬优12、浙粳优1578、浙粳优1758、浙粳优6153、浙粳99、浙辐粳83、中嘉8号和秀水121，667 m2平均产量超过600 kg(表1)。综合籽粒Cd含量和产量结果，在杭州市桐庐县及同类型污染耕地，推荐种植的水稻品种有：甬优538、浙粳优6153、浙粳99、浙辐粳83、秀水121，其中秀水121籽粒Cd含量最低，籽粒Cd积累符合食品安全标准(≤0.2 mg·kg-1)。
不同水稻品种Cd积累能力存在显著差异。李贵松等[3]在浙江省Cd含量0.37 mg·kg-1的耕地，水稻品种籽粒Cd含量变化范围为0.048～0.262 mg·kg-1，存在5.5倍变差。陈德等[6]在浙江省Cd含量0.43 mg·kg-1的耕地，水稻品种籽粒Cd含量变化范围为0.07～0.39 mg·kg-1。易春丽等[5]在湖南省Cd含量0.62 mg·kg-1的耕地，水稻品种籽粒Cd含量变化范围为0.41～0.81 mg·kg-1，存在2倍变差。张新柱等[4]在湖南省Cd含量0.95 mg·kg-1的耕地，水稻品种籽粒Cd含量变化范围为0.04～0.06 mg·kg-1，存在1.5倍变差。本试验中，土壤Cd平均含量为0.82 mg·kg-1，14个供试水稻品种籽粒Cd含量变化范围为0.13～0.95 mg·kg-1，变化差异7倍(图1)。
禾本科作物籽粒Cd含量受作物Cd吸收能力和转运能力的共同影响[2,7-8]，明确不同品种籽粒Cd积累差异形成的原因及其生理机理，对于低积累Cd水稻品种育种工作和水稻安全生产的栽培措施具有重要的意义。本研究发现，水稻秸秆Cd富集能力强于籽粒Cd富集能力(图4)，说明水稻吸收的Cd分配到籽粒的部分较小。同时，本研究还发现不同品种籽粒Cd含量的变差大于秸秆Cd含量的变差(图1、图2)，说明与Cd吸收能力相比Cd转运能力对籽粒Cd积累的影响更大。为进一步分析Cd积累能力存在差异的品种Cd吸收和转运的响应，本研究通过对籽粒Cd含量聚类分析将14个水稻品种分为低镉含量组、中镉含量组、高镉含量组。低镉含量组籽粒和秸秆的富集系数均低于其他两组(图4)，说明低镉含量组水稻品种普遍具有低的Cd吸收能力；
低镉含量组Cd转运系数也均低于其他两组(图5)，说明低镉含量组水稻品种也普遍具有较低的Cd转运能力。
分析不同品种Cd积累差异形成的关键时期，可为Cd污染耕地安全利用栽培措施的实施提供理论依据。本研究发现，供试14个水稻品种表现为随着生育时期的推进，植株Cd含量不断提高(图6)。苗期-拔节期不同类型水稻品种植株Cd含量差异较小，低含量组水稻植株Cd含量甚至略高于其他两组；
齐穗期-成熟期不同类型水稻品种植株Cd含量显示出较大差异，高镉含量组水稻植株Cd含量高于其他两组。因此，生育前期植株Cd积累较少，齐穗期-成熟期是植株Cd快速积累时期和影响籽粒Cd积累的关键时期。
综合籽粒Cd含量和产量两要素，在中度Cd污染的耕地土壤上，推荐种植的水稻品种有：甬优538、浙粳优6153、浙粳99、浙辐粳83、秀水121。
不同水稻品种Cd积累能力存在显著差异，在本试验土壤Cd平均含量为0.82 mg·kg-1的污染耕地，14个供试水稻品种籽粒Cd含量变化范围为0.13～0.95 mg·kg-1，变化差异7倍。
水稻Cd转运能力对籽粒Cd积累的影响更大，低镉积累水稻品种同时具有较低的Cd吸收能力和Cd转运能力。
水稻生育前期植株Cd积累较少，齐穗期-成熟期是植株Cd快速积累时期和影响籽粒Cd积累的关键时期。
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