高、低Cd積累水稻和小麥籽粒中Cu、Zn的富集特性

何 普,劉鴻雁,吳龍華,牟婷婷

(1.貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院,貴州 貴陽 550025; 2.中國科學(xué)院南京土壤研究所/ 中國科學(xué)院土壤環(huán)境與污染修復(fù)重點實驗室,江蘇 南京 210008)

Cu、Zn元素含量過低不僅關(guān)系著稻麥植物的生長發(fā)育,也影響著其可食部分的營養(yǎng)價值。適量的Cu、Zn元素對維持植物的正常生長發(fā)育有著重要作用,若植物生長過程缺少,則會發(fā)生相應(yīng)的生理生化變化而影響其生長發(fā)育。同時,Cu、Zn是與人體健康密切相關(guān)的必需微量營養(yǎng)元素[1]。目前,糧食作物中由于缺乏Cu、Zn元素引起的營養(yǎng)失衡問題在世界范圍內(nèi)引起了廣泛關(guān)注。人體Zn攝入量不足會導(dǎo)致認知功能和免疫功能障礙、性腺發(fā)育不良以及肺炎等疾病[2]。全世界約有30%以上的人已經(jīng)出現(xiàn)Cu、Zn元素缺乏的相應(yīng)癥狀[3],中國大約有1億人受到缺Zn的影響,且大多數(shù)生活在農(nóng)村地區(qū)[4]。不同遺傳來源的稻麥品種,其籽粒Cu、Zn吸收性存在較大差異,且種植區(qū)域不同的土壤也會對其吸收性造成影響[5-7]。國內(nèi)外對稻麥重金屬累積差異的研究較多,尤其是Cd吸收性差異方面[8-11],但目前所見的大多數(shù)報道是對不同土壤上稻麥的Cd積累性研究,對不同Cd積累稻麥品種Cu、Zn積累性研究相對缺乏,輪作體系下水稻優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)土壤上種植的Cd積累性不同的稻麥品種Cu、Zn吸收差異研究則更少。因此,該研究旨在探討稻麥輪作制度下,水稻優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)土壤上種植的Cd積累性不同的稻麥品種Cu、Zn累積特征,及其與土壤Cu、Zn有效性的關(guān)系,以期為在不同土壤上合理安全地種植不同Cd累積性稻麥提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試水稻土采自全國18個水稻優(yōu)勢產(chǎn)區(qū),分別為東北區(qū):黑龍江、吉林、遼寧(pH 5.85～7.16);中西部區(qū):山東、河南、陜西、寧夏(pH 5.37～8.48);長三角區(qū):江蘇、浙江、安徽(pH 5.04～8.94);南方區(qū):湖北、湖南、江西、云南、廣西、廣東、福建、貴州(pH 4.47～8.08)。分別取0～20 cm耕層土壤,剔除石礫、根系碎屑等雜物,風干、過2 mm孔徑尼龍篩。供試水稻為高Cd積累品種“葉里藏花”、低Cd積累品種“隆化毛葫”[12];供試小麥為高Cd積累品種“蓉麥4號”、低Cd積累品種“山農(nóng)22號”[13]。水稻和小麥種子均用次氯酸鈉進行消毒,水稻種子經(jīng)催芽后播種,育秧移栽;小麥為直播。

供試土壤Cu、Zn含量見表1。對照GB 15618—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量標準 農(nóng)用地土壤污染風險管控標準(試行)》,只有江西水稻土Cu含量超標,為75.4 mg·kg-1。

表1供試土壤全量Cu、Zn含量

Table1Totalconcentrationofcopperandzincinthetestedsoils

mg·kg-1

1)n=4; 2)n=4; 3)n=10; 4)n=15。

1.2 試驗設(shè)計

于2017年稻季進行稻麥輪作溫室盆栽試驗,至2018年麥季收獲后結(jié)束。每種水稻土設(shè)Cd高、低積累2個品種處理,4次重復(fù)。每盆裝土2 kg,基肥為尿素0.6 g·盆-1,KH2PO40.6 g·盆-1。水稻于2017年6月16日開始育苗,2017年6月29日移栽,每盆8株苗,在水稻生長季,除落干烤田(持續(xù)1周時間,以促進水稻根伸長并抑制無效分蘗)外,其余時間澆去離子水并使土壤保持淹水狀態(tài)(水深約5 cm)。小麥于2017年11月15日播種,2018年5月18日收獲,生長季澆去離子水,維持土壤含水量為持水量的60%～70%。

1.3 樣品分析

作物成熟后,采集籽粒樣品,出糙、磨粉,備用。用不銹鋼土鉆采集土樣,晾干并過2和0.15 mm孔徑尼龍篩,備用。土壤pH采用ThermoORION STAR A21型pH計測定〔w(土)∶V(水)=1∶2.5〕。土壤Cu、Zn全量采用HCl-HNO3(體積比為1∶1)消化,作物籽粒Cu、Zn全量采用HNO3-H2O2(體積比為 3∶1)消化,采用國家標準參比物質(zhì)(土壤:GBW07405;植物:GBW10045)進行質(zhì)量控制。土壤Cu、Zn有效態(tài)采用DTPA提取法,w(土)∶V(液)=1∶2。消解和提取液中Cu、Zn含量采用美國熱電(Thermo)電感耦合等離子體質(zhì)譜儀X2(ICP-MS)和火焰原子吸收分光光度計(Varian SpectrAA 220FS)測定。測定過程中采用試劑空白、平行雙樣和國家標準樣品進行質(zhì)量控制。

1.4 稻麥籽粒的Cu、Zn富集系數(shù)

稻麥籽粒Cu、Zn富集特征采用生物富集系數(shù)(biological concentration factor,BCF,Fb,c)表示。

Fb,c=C植株/C土壤。

(1)

式(1)中,C植株為水稻或小麥植株體中Cu或Zn質(zhì)量含量,mg·kg-1;C土壤為土壤中Cu或Zn質(zhì)量含量,mg·kg-1。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2013軟件處理數(shù)據(jù),采用SPSS 21.0軟件進行Pearson相關(guān)性分析,采用方差分析和多重比較(Duncan檢驗)方法分析不同處理間數(shù)據(jù)的差異性。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同品種水稻和小麥籽粒Cu、Zn含量比較

稻麥籽粒重金屬全量測定結(jié)果見表2,高Cd和低Cd積累水稻品種糙米Cu平均質(zhì)量含量分別為5.07和5.75 mg·kg-1,Zn平均質(zhì)量含量分別為42.10和33.60 mg·kg-1,品種間差異顯著(P<0.05);高Cd和低Cd積累小麥籽粒Cu平均質(zhì)量含量分別為4.37和4.94 mg·kg-1,Zn平均質(zhì)量含量分別為34.40和35.40 mg·kg-1,品種間差異不顯著。

表2水稻和小麥籽粒Cu和Zn含量

Table2Totalcopperandzincconcentrationsinriceandwheat

重金屬作物種類作物品種最大值/(mg·kg-1)最小值/(mg·kg-1)平均值1)/(mg·kg-1)標準差/(mg·kg-1)變異系數(shù)/% Cu水稻葉里藏花7.123.455.07b0.9619.0 隆化毛葫8.113.645.75a1.0818.7 小麥蓉麥4號9.882.274.37c1.3531.0 山農(nóng)22號8.702.584.94bc1.2224.7 Zn水稻葉里藏花53.1030.3042.10a4.8011.4 隆化毛葫41.1026.5033.60b4.6713.9 小麥蓉麥4號58.6014.4034.40b11.6033.6 山農(nóng)22號65.8013.1035.40b13.1037.0

1)英文小寫字母不同表示不同品種之間同一重金屬元素含量差異顯著(P<0.05)。

2個小麥品種籽粒Zn含量變異系數(shù)均大于30%,為強變異;山農(nóng)22號Cu含量變異系數(shù)在20%～30%之間,為中等變異,蓉麥4號Cu含量變異系數(shù)大于30%,為強變異。2個水稻品種籽粒Cu、Zn含量變異系數(shù)在10%～20%之間,為中等變異,說明稻麥中Cu、Zn分布差異顯著,受土壤Cu、Zn含量影響較大。

由表3可知,葉里藏花、隆化毛葫籽粒Zn富集系數(shù)(0.57、0.46)大于Cu(0.29、0.33);蓉麥4號、山農(nóng)22號籽粒Zn富集系數(shù)(0.47、0.48)也大于Cu(0.23、0.26),表明稻麥籽粒Zn富集能力高于Cu,這與朱宇恩等[14]的研究結(jié)果相似;但是,稻麥籽粒Cu、Zn平均富集系數(shù)在同一個數(shù)量級。

表3水稻和小麥對土壤中Cu和Zn的富集系數(shù)

Table3Copperandzincbio-concentrationfactors(BCF)oftestedriceandwheatcultivars

重金屬作物種類作物品種最大值最小值平均值1)標準差變異系數(shù)/% Cu水稻葉里藏花1.240.080.29ab0.2070.0 隆化毛葫1.330.080.33a0.2266.7 小麥蓉麥4號0.750.080.23b0.1256.3 山農(nóng)22號0.770.090.26ab0.1350.4 Zn水稻葉里藏花1.200.280.57a0.2340.4 隆化毛葫1.170.180.46a0.2145.7 小麥蓉麥4號1.130.130.47a0.2557.0 山農(nóng)22號1.440.120.48a0.2860.1

1)英文小寫字母不同表示不同品種之間同一重金屬元素富集系數(shù)差異顯著(P<0.05)。

2.2 土壤與稻麥籽粒Cu、Zn含量的相關(guān)性分析

由表4～5可知,土壤全量Cu與小麥籽粒Cu含量以及土壤有效態(tài)Cu含量與水稻、小麥籽粒中Cu含量均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01);而土壤有效態(tài)Zn含量只與小麥籽粒Zn含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),說明有效態(tài)Cu比全量Cu更能反映土壤對稻麥Cu的供應(yīng)狀態(tài)。

表4水稻和小麥籽粒Cu含量與土壤全量Cu和DTPA提取態(tài)Cu含量的相關(guān)性

Table4CorrelationofgraincopperconcentrationsofriceandwheatanditssoiltotalandDTPA-extractableconcentrations

作物種類籽粒Cu含量土壤全量Cu土壤有效態(tài)Cu含量 水稻葉里藏花0.498??0.433??隆化毛葫0.2810.405?? 小麥蓉麥4號0.716??0.810??山農(nóng)22號0.745??0.719??

**表示相關(guān)極顯著(P<0.01),n=33。

表5水稻和小麥籽粒Zn含量與土壤全量Zn和DTPA提取態(tài)Zn含量的相關(guān)性

Table5CorrelationofgraincopperconcentrationsofriceandwheatanditssoiltotalandDTPA-extractableconcentrations

作物種類籽粒Zn含量土壤全量Zn土壤有效態(tài)Zn含量 水稻葉里藏花0.2000.259 隆化毛葫-0.3270.042 小麥蓉麥4號0.0030.617??山農(nóng)22號0.0210.642??

**表示相關(guān)極顯著(P<0.01),n=33。

2.3 不同地區(qū)稻麥籽粒對Cu、Zn的富集特征

不同地區(qū)土壤類型不同,稻麥籽粒Cu、Zn含量也有較大差異(圖1)。從不同地區(qū)同一品種水稻來看,南方區(qū)和東北區(qū)水稻品種隆化毛葫糙米Cu、Zn含量具有顯著差異,但葉里藏花Cu、Zn含量差異均不顯著;南方區(qū)和東北區(qū)小麥品種蓉麥4號、山農(nóng)22號Cu含量均具有顯著差異,但2個品種Zn含量差異均不顯著。從同一地區(qū)不同品種來看,東北區(qū)水稻和小麥Cu、Zn含量都具有顯著差異,南方區(qū)水稻和小麥Cu含量差異均不顯著。除長三角區(qū)2個小麥品種籽粒Cu含量差異顯著外,其余地區(qū)小麥籽粒Cu、Zn含量差異均不顯著,這也與前述高、低Cd積累小麥籽粒中Cu、Zn平均含量差異不顯著(表2)相一致。比較4個地區(qū)不同品種水稻籽粒Cu、Zn含量發(fā)現(xiàn),4個地區(qū)隆化毛葫糙米Cu含量均大于葉里藏花,葉里藏花Cu含量以南方區(qū)為最大,隆化毛葫Cu含量以東北區(qū)為最大。4個地區(qū)山農(nóng)22號麥粒Cu含量均大于蓉麥4號,且2個品種小麥Cu含量均以南方區(qū)為最大。在4個地區(qū),葉里藏花糙米Zn含量均大于隆化毛葫,且2個品種水稻Zn含量均以東北區(qū)為最大;除長三角區(qū)蓉麥4號Zn含量低于山農(nóng)22號外,其余3個地區(qū)蓉麥4號Zn含量均大于山農(nóng)22號,且2個品種小麥Zn含量均以南方區(qū)為最大。

英文大寫字母不同表示同一品種在不同地區(qū)之間Cu或Zn含量差異顯著(P<0.05),英文小寫字母不同表示同一地區(qū)不同品種之間Cu或Zn含量差異顯著(P<0.05)。

對東北區(qū)、中西部區(qū)、長三角區(qū)和南方區(qū)不同品種水稻和小麥富集系數(shù)(圖2)進行比較發(fā)現(xiàn),對比2個水稻品種,4個地區(qū)隆化毛葫Cu富集系數(shù)均大于葉里藏花,且2個水稻品種Cu富集系數(shù)均以東北區(qū)為最大;4個地區(qū)葉里藏花Zn富集系數(shù)均大于隆化毛葫,且2個水稻品種Zn富集系數(shù)也以東北區(qū)為最大。東北區(qū)土壤上高和低Cd積累水稻糙米Cu、Zn富集系數(shù)分別為0.31、0.73和0.41、0.64,而高和低Cd積累小麥Cu、Zn富集系數(shù)分別為0.19、0.44和0.22、0.42,即糙米Cu、Zn富集能力顯著高于小麥,但其他地區(qū)土壤上則無明顯差異。對比2個小麥品種,4個地區(qū)山農(nóng)22號Cu富集系數(shù)均大于蓉麥4號;南方區(qū)和長三角區(qū)山農(nóng)22號Zn富集系數(shù)大于蓉麥4號,蓉麥4號Zn富集系數(shù)以中西部區(qū)為最大,山農(nóng)22號Zn富集系數(shù)以長三角區(qū)為最大。東北區(qū)水稻富集Cu、Zn的能力高于小麥,南方區(qū)無明顯差異。

箱圖的上下橫線分別表示最大值和最小值,方框表示50%變異區(qū)間,方框中橫線表示對應(yīng)指標的中值,*表示極端值,○表示離散值。

3 討論

3.1 水稻和小麥籽粒間Cu、Zn積累性差異的原因

植物體內(nèi)微量元素含量受生態(tài)環(huán)境和遺傳因素的影響很大。常旭虹等[15]報道,在各種影響微量元素含量變異的因素中,栽培環(huán)境的影響大于遺傳因素。姜麗娜等[16]的研究也表明,小麥籽粒微量元素含量存在較大的基因型和環(huán)境差異,且小麥籽粒Cu含量變異系數(shù)小于Zn含量變異系數(shù),筆者試驗結(jié)果與之基本一致。俄勝哲[17]研究報道,稻米中Cu含量受環(huán)境條件影響最大,Zn含量受環(huán)境條件影響最小,筆者試驗結(jié)果也與之一致。即使是同一品種小麥,不同地點間籽粒含量變化也很大,介于14～43 mg·kg-1之間[18]。筆者研究中,高和低Cd積累水稻品種間糙米Cu、Zn含量差異顯著,高和低Cd積累小麥品種間籽粒Cu、Zn含量差異不顯著,這可能與小麥籽粒Cu、Zn變異系數(shù)大多屬于強變異有關(guān)。變異系數(shù)較小的品種在不同環(huán)境中微量元素含量靜態(tài)穩(wěn)定性較好,變異系數(shù)大則表明該品種在不同環(huán)境中微量元素含量靜態(tài)穩(wěn)定性差,生態(tài)條件對其影響較大,該性狀栽培可塑性強。而小麥籽粒Cu、Zn變異系數(shù)大于水稻糙米,則與稻麥的耕作條件不同有關(guān),旱作與水耕的不同氧化還原環(huán)境導(dǎo)致Cu、Zn形態(tài)與有效性的變化,或者是由于水稻和小麥在生物量和作物種類上的差異所致,其作用機制有待深入探討。在同樣的管理條件和氣候條件下種植同一品種,不同土壤間稻麥籽粒含量仍有明顯變異,也說明這種變異與土壤條件有著更密切的關(guān)系,但鑒于土壤條件這個環(huán)境因素比較復(fù)雜,具體的環(huán)境因子與籽粒Cu、Zn含量的關(guān)系仍需進一步深入研究。

3.2 不同地區(qū)不同品種稻麥籽粒Cu、Zn積累性差異的原因

一般認為,土壤中Cu、Zn的遷移以及植物中Cu、Zn累積受土壤pH值、有機質(zhì)、機械組成等因素的影響[19]。土壤淹水時,土壤有機質(zhì)極易與可交換態(tài)重金屬形成穩(wěn)定性更強的有機結(jié)合態(tài)重金屬,即土壤有機質(zhì)中—CO、—OH和—COOH能以多種途徑與不同水溶性Cu、Zn進行吸附、絡(luò)合[20]。筆者研究中,東北區(qū)水稻富集Cu、Zn能力明顯高于小麥,東北區(qū)土壤有機質(zhì)含量較高,土壤有機質(zhì)的積累使水穩(wěn)定性聚集體更加穩(wěn)定,使Cu、Zn在土壤顆粒上的吸附作用得到促進[21],有利于Cu、Zn在水稻植株的遷移累積。

土壤中Cu、Zn元素具有不穩(wěn)定和易結(jié)合的特點,因此發(fā)生交互作用的可能性大。不同品種稻麥對Cu、Zn吸收積累常有差異,Cu、Zn元素的交互作用是造成植物吸收Cu、Zn差異的主要原因之一。元素間交互作用是以特定作物和一定含量比為前提的,不同植物對元素之間的交互作用已有較多報道,但得出的結(jié)論有所不同。如徐照麗等[22]指出,低含量Cu促進烤煙對Zn的吸收,高含量Cu抑制Zn的吸收;GRANT等[23]研究發(fā)現(xiàn),亞麻種子中Cd和Zn含量呈明顯負相關(guān)。郭俊娒等[24]指出三七景天具有較強的Cd富集能力,Zn對三七景天地上部Cd吸收具有“低促高抑”效應(yīng)。周啟星等[25]發(fā)現(xiàn)Cd的積累增加了大豆籽實中Zn的積累。殷敬峰等[26]的相關(guān)分析結(jié)果表明,糙米中Cu、Cd含量間呈極顯著正相關(guān),Cu、Zn含量間呈極顯著負相關(guān),而Cd、Zn含量間的相關(guān)性不明顯。筆者研究與前人研究結(jié)果略有不同,Cu、Zn在Cd高、低積累品種水稻籽粒的平均含量差異達顯著水平(P<0.05),對于高Cd積累水稻,其Zn積累高,Cu積累低,低Cd積累水稻則反之。土壤中有效態(tài)Cu含量與水稻籽粒全量Cu呈極顯著正相關(guān),土壤有效態(tài)Zn含量與水稻籽粒全量Zn無相關(guān)性,因此這與土壤有效態(tài)可能并無關(guān)系,可能與元素間交互作用的影響有關(guān),有待進一步研究影響這些元素吸收性差異的原因。高、低Cd積累水稻糙米和小麥籽粒Cu、Zn含量,均高于《中國食物成分表》中稻米可食部分Cu、Zn含量[27],表明種植高、低Cd積累稻麥并不會導(dǎo)致Cu、Zn含量過低而引起營養(yǎng)失衡。Cu、Zn元素在人體中的功能無法替代,也無法在體內(nèi)合成,必須從食物中攝取。植物是食物鏈的起點,糧食作物是世界上絕大部分人口的主食,因此,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中若能選育出Cd低積累,Cu、Zn高效吸收的作物品種,則可一舉兩得。

4 結(jié)論

采集我國水稻優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)典型土壤,選擇Cd高、低積累性明顯不同的水稻和小麥品種各2個,結(jié)果顯示高、低Cd積累水稻品種間糙米Cu、Zn含量差異顯著(P<0.05),高、低Cd積累小麥品種間籽粒Cu、Zn含量差異不顯著;稻麥籽粒Zn富集系數(shù)均高于Cu,且東北區(qū)糙米Cu、Zn富集能力顯著高于小麥。因此,與小麥相比,在北方區(qū)種植水稻能更有效地提高Cu、Zn在作物中的富集。從作物安全品質(zhì)和營養(yǎng)品質(zhì)角度考慮,種植高、低Cd積累稻麥并不會導(dǎo)致Cu、Zn含量過低而引起營養(yǎng)失衡。

致謝: Cd高、低積累水稻和小麥種質(zhì)材料分別由華中農(nóng)業(yè)大學(xué)練興明老師和四川農(nóng)業(yè)大學(xué)張錫洲老師提供,在此表示誠摯的感謝!