鎘污染農(nóng)田不同水稻品種對(duì)鎘的積累特性

徐立軍， 黃窈軍， 汪亞萍， 謝煒， 高敬文

(1.桐廬縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，浙江 杭州 311500； 2.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 環(huán)境資源與土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021)

20世紀(jì)以來，隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，大量的鎘(Cd)排放到大氣、水體和土壤中，造成重金屬Cd污染。Cd具有遷移性強(qiáng)、毒性大等特點(diǎn)，通過食物鏈富集作用大量進(jìn)入人類食物中。人體攝入過多的Cd會(huì)導(dǎo)致肝臟、腎臟功能受損，擾亂人體免疫系統(tǒng)，引發(fā)骨骼軟化、惡性腫瘤等嚴(yán)重疾病。據(jù)《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》發(fā)布，我國(guó)約有7%的土壤存在不同程度的Cd污染[1]。水稻是我國(guó)的主要糧食作物，水稻對(duì)Cd的富集能力較強(qiáng)，顯著高于玉米、大豆等其他大宗作物[2]。因此，如何降低水稻籽粒Cd積累對(duì)于保障食品安全和國(guó)民健康具有重要意義。

不同水稻品種籽粒 Cd 累積存在成倍差異[3-6]，因此，篩選低積累水稻品種并探究其生理機(jī)理，可為受污染耕地安全利用措施的實(shí)施和低積累水稻品種選育工作提供理論支撐。谷物籽粒Cd的高低不僅由其Cd吸收能力決定，還受Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)、再動(dòng)員等復(fù)雜的因素影響，然而目前關(guān)于水稻不同器官Cd的積累和轉(zhuǎn)運(yùn)特征研究較為匱乏。土壤調(diào)理劑和葉面阻控劑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、方法不當(dāng)?shù)葐栴}，明確影響水稻籽粒Cd積累的關(guān)鍵時(shí)期施用，有助于改進(jìn)用土壤調(diào)理劑和葉面阻控劑的施用方法。本文以近幾年浙江地區(qū)大面積種植的14個(gè)水稻品種為研究對(duì)象，通過田間試驗(yàn)，篩選出適宜種植的Cd低積累品種，并進(jìn)一步研究Cd低積累和高積累水稻品種對(duì)Cd的富集和轉(zhuǎn)運(yùn)差異，并闡明影響水稻籽粒Cd積累的關(guān)鍵生育時(shí)期。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

田間試驗(yàn)在浙江省杭州市桐廬縣江南鎮(zhèn)蓮塘村開展，屬于Cd中度污染耕地，試驗(yàn)田周邊存在冶銅廠，大氣沉降值較高。試驗(yàn)土壤pH 6.53，Cd含量為0.82 mg·kg-1，有效Cd含量為0.38 mg·kg-1。

1.2 供試材料

供試品種14個(gè)，均為浙江省主要種植的水稻品種，包括9個(gè)雜交晚稻品種：甬優(yōu)538、甬優(yōu)1540、甬優(yōu)7850、甬優(yōu)15、甬優(yōu)12、浙粳優(yōu)1578、浙粳優(yōu)1758、浙優(yōu)18、浙粳優(yōu)6153，5個(gè)常規(guī)晚粳稻品種：浙粳99、浙輻粳83、中嘉8號(hào)、秀水14、秀水121。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)面積為30 m2，合計(jì)66個(gè)小區(qū)。5月底—6月初采用人工移栽的方式，行距30 cm，株距10～12 cm，雜交品種1穴1～2株，常規(guī)品種1穴2～4株。每667 m2施復(fù)合肥25 kg作基肥，每667 m2施尿素15 kg、復(fù)合肥25 kg作追肥。水分管理和病蟲害防治按常規(guī)方式。

1.4 樣品采集與分析

待水稻成熟后，采集水稻植株和土壤樣品，并測(cè)定其質(zhì)量。土壤樣品風(fēng)干后，過20目、100目篩備用，植株分為籽粒和秸稈兩個(gè)部分，洗凈后70 ℃烘干至恒重，粉碎后待測(cè)。土壤pH用去離子水浸提(土水比 1∶2.5)，而后用精密pH計(jì)測(cè)定。土壤全量Cd測(cè)定采用《土壤質(zhì)量鉛、鎘的測(cè)定石墨爐原子吸收分光光度法》(GB/T 17141—1997)中的方法，植株樣品中總Cd測(cè)定方法參照《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中鎘的測(cè)定》(GB 5009.15—2014)，土壤和植株樣品經(jīng)微波消解后，用原子吸收分光光光度計(jì)測(cè)定出鎘含量。以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)參比物質(zhì)土壤樣品和植物樣品進(jìn)行質(zhì)量控制，國(guó)標(biāo)樣分析結(jié)果均在允許誤差范圍內(nèi)。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)分析在Excel軟件中進(jìn)行，LSD法分析差異顯著性(P<0.05)，圖表中數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，繪圖采用Sigmaplot10.0軟件。

富集系數(shù)=水稻各部位Cd含量/土壤中Cd含量；轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)=水稻籽粒Cd含量/水稻秸稈Cd含量。

2 結(jié)果分析

2.1 不同水稻品種產(chǎn)量

如表1所示，不同水稻品種的株高和產(chǎn)量存在顯著差異。雜交稻品種的株高和產(chǎn)量普遍高于常規(guī)晚粳稻品種。雜交稻品種株高均在100 cm以上，常規(guī)晚粳稻品種株高均在85～95 cm。雜交稻品種中甬優(yōu)538、甬優(yōu)12、浙粳優(yōu)1578、浙粳優(yōu)1758、浙粳優(yōu)6153產(chǎn)量較高，平均667 m2產(chǎn)量超過600 kg。常規(guī)晚粳稻品種中產(chǎn)量超過600 kg的有浙粳99、浙輻粳83、中嘉8號(hào)和秀水121。所有品種中浙粳優(yōu)6153和浙粳99產(chǎn)量最高，平均產(chǎn)量分別為862和859 kg。

表1 不同水稻品種株高及產(chǎn)量

不同水稻品種產(chǎn)量差異主要受有效穗數(shù)和穗粒數(shù)影響，千粒重和結(jié)實(shí)率對(duì)其影響較小。雜交稻品種中的高產(chǎn)品種如甬優(yōu)538、甬優(yōu)12、浙粳優(yōu)1578、浙粳優(yōu)1758和浙粳優(yōu)6153主要是大穗品種，穗粒數(shù)在300粒左右。常規(guī)稻中高產(chǎn)品種如浙粳99、浙輻粳83、秀水121主要是以較高的穗數(shù)獲得高產(chǎn)，穗數(shù)在每667 m220萬穗左右。

2.2 不同水稻品種籽粒和秸稈Cd含量

不同品種水稻籽粒Cd含量變化范圍為0.13～0.95 mg·kg-1，變化差異7倍(圖1)。不同水稻品種籽粒Cd含量存在顯著差異。其中甬優(yōu)12、浙優(yōu)18籽粒Cd積累最高，其次浙粳優(yōu)1578、浙粳優(yōu)1758、浙粳優(yōu)6153籽粒Cd積累也較高，秀水14和秀水121籽粒Cd積累最低。根據(jù)《GB 2762—2017食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》，在桐廬中輕度污染耕地中試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同水稻品種中秀水14和秀水121籽粒Cd積累符合食品安全標(biāo)準(zhǔn)(≤0.2 mg·kg-1)，其他品種籽粒Cd含量均超過食品安全標(biāo)準(zhǔn)。

柱上無相同小寫字母表示組間差異顯著(P<0.05)，圖2同。

不同水稻品種秸稈的Cd含量范圍分別為1.39～3.84 mg·kg-1，差異為3倍(圖2)，由此可見，水稻秸稈Cd含量遠(yuǎn)高于籽粒，且不同品種水稻籽粒Cd積累能力差異更大，說明與Cd吸收能力相比Cd轉(zhuǎn)運(yùn)能力對(duì)籽粒Cd積累的影響更大。

圖2 不同水稻品種秸稈Cd含量

2.3 不同水稻品種籽粒Cd聚類分析

如圖3所示，將水稻籽粒Cd含量數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析，可將14個(gè)水稻品種分為3類：第1組為低鎘含量組，籽粒Cd含量為0.16～0.34 mg·kg-1、平均值為0.27 mg·kg-1；第2組為中鎘含量組，籽粒Cd含量為0.39～0.44 mg·kg-1、平均值為0.41 mg·kg-1；第3組為高鎘含量組，籽粒Cd含量為0.57～0.80 mg·kg-1、平均值為0.71 mg·kg-1。其中第1組(低鎘含量組)有秀水14、秀水121、甬優(yōu)538、甬優(yōu)1540、浙粳優(yōu)6153、甬優(yōu)15、浙粳99、甬優(yōu)7850、浙輻粳83，第2組(中鎘含量組)有浙粳優(yōu)1758、中嘉8號(hào)，第3組(高鎘含量組)有浙優(yōu)18、甬優(yōu)12、浙粳優(yōu)1578。

圖3 不同水稻品種籽粒Cd含量聚類分析

2.4 低、中、高鎘含量組水稻對(duì)Cd的富集特性

如圖4所示，供試14個(gè)水稻品種籽粒和秸稈的富集系數(shù)差異較大，Cd富集能力為：秸稈>籽粒。其中低鎘含量組籽粒、秸稈的富集系數(shù)分別為0.16～0.54、1.69～4.41，平均值分別為0.33、2.43。中鎘含量組籽粒、秸稈的富集系數(shù)分別為0.43～0.58、2.48～3.19，平均值分別為0.50、2.88。高鎘含量組籽粒、秸稈的富集系數(shù)分別為0.54～1.15、2.28～4.69，平均值分別為0.87、3.58。低、中、高鎘含量組不同部位Cd富集能力存在較大差異，籽粒和秸稈Cd富集系數(shù)平均值均表現(xiàn)為：高鎘含量組>中鎘含量組>低鎘含量組。

圖4 水稻籽粒、秸稈Cd富集系數(shù)分布

2.5 低、中、高鎘含量組水稻對(duì)Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)特性

供試14個(gè)水稻品種不同Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)具有較大差異。其中低鎘含量組轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)為0.07～0.27，平均值為0.14。中鎘含量組轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)為0.15～0.19，平均值為0.18。高鎘含量組轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)為0.19～0.31，平均值為0.25。低、中、高鎘含量組Cd轉(zhuǎn)運(yùn)能力存在高鎘含量組>中鎘含量組>低鎘含量組的規(guī)律(圖5)。

圖5 水稻Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)分布

2.6 低、中、高鎘含量組水稻不同生育時(shí)期植株鎘含量

如圖6所示，供試14個(gè)水稻品種不同生育時(shí)期的植株Cd含量差異較大，表現(xiàn)為隨著生育時(shí)期的推進(jìn)，植株Cd含量不斷提高。其中低鎘含量組苗期、拔節(jié)期、齊穗期和成熟期的植株Cd含量分別為0.12～0.32、0.08～0.42、0.48～1.55、1.39～3.62 mg·kg-1，平均值分別為0.2、0.25、1.01、1.99 mg·kg-1。中鎘含量組苗期、拔節(jié)期、齊穗期和成熟期的植株Cd含量分別為0.14～0.22、0.12～0.34、0.71～0.95、2.03～2.62 mg·kg-1，平均值分別為0.18、0.23、0.82、2.36 mg·kg-1。高鎘含量組苗期、拔節(jié)期、齊穗期和成熟期的植株Cd含量分別為0.13～0.27、0.11～0.18、1.02～1.86、1.87～3.84 mg·kg-1，平均值分別為0.18、0.15、1.49、2.94 mg·kg-1。低、中、高鎘含量組不同生育時(shí)期植株Cd含量存在較大差異，苗期植株Cd含量平均值為：低鎘含量組>中鎘含量組=高鎘含量組，拔節(jié)期植株Cd含量平均值為：低鎘含量組>中鎘含量組>高鎘含量組，齊穗期植株Cd含量平均值為：高鎘含量組>低鎘含量組>中鎘含量組，成熟期植株Cd含量平均值為：高鎘含量組>中鎘含量組>低鎘含量組。

圖6 不同生育時(shí)期水稻植株Cd含量分布

3 討論

水稻是我國(guó)重要的主糧作物，開展Cd低積累水稻品種的篩選對(duì)于保障食品質(zhì)量安全具有重要意義，在篩選過程中不僅要考慮作物籽粒Cd含量是否在安全范圍內(nèi)，還需要綜合考慮水稻產(chǎn)量以保證農(nóng)民的收益以及安全利用技術(shù)的推廣。本研究通過聚類分析發(fā)現(xiàn)，在浙江省杭州市桐廬縣水稻試驗(yàn)區(qū)(土壤Cd平均含量為0.82 mg·kg-1)供試水稻品種中，秀水14、秀水121、甬優(yōu)538、甬優(yōu)1540、浙粳優(yōu)6153、甬優(yōu)15、浙粳99、甬優(yōu)7850、浙輻粳83籽粒Cd含量較低(圖3)，籽粒Cd含量為0.16～0.34 mg·kg-1、平均值為0.27 mg·kg-1(圖1)。供試水稻品種中產(chǎn)量較高的品種有：甬優(yōu)538、甬優(yōu)12、浙粳優(yōu)1578、浙粳優(yōu)1758、浙粳優(yōu)6153、浙粳99、浙輻粳83、中嘉8號(hào)和秀水121，667 m2平均產(chǎn)量超過600 kg(表1)。綜合籽粒Cd含量和產(chǎn)量結(jié)果，在杭州市桐廬縣及同類型污染耕地，推薦種植的水稻品種有：甬優(yōu)538、浙粳優(yōu)6153、浙粳99、浙輻粳83、秀水121，其中秀水121籽粒Cd含量最低，籽粒Cd積累符合食品安全標(biāo)準(zhǔn)(≤0.2 mg·kg-1)。

不同水稻品種Cd積累能力存在顯著差異。李貴松等[3]在浙江省Cd含量0.37 mg·kg-1的耕地，水稻品種籽粒Cd含量變化范圍為0.048～0.262 mg·kg-1，存在5.5倍變差。陳德等[6]在浙江省Cd含量0.43 mg·kg-1的耕地，水稻品種籽粒Cd含量變化范圍為0.07～0.39 mg·kg-1。易春麗等[5]在湖南省Cd含量0.62 mg·kg-1的耕地，水稻品種籽粒Cd含量變化范圍為0.41～0.81 mg·kg-1，存在2倍變差。張新柱等[4]在湖南省Cd含量0.95 mg·kg-1的耕地，水稻品種籽粒Cd含量變化范圍為0.04～0.06 mg·kg-1，存在1.5倍變差。本試驗(yàn)中，土壤Cd平均含量為0.82 mg·kg-1，14個(gè)供試水稻品種籽粒Cd含量變化范圍為0.13～0.95 mg·kg-1，變化差異7倍(圖1)。

禾本科作物籽粒Cd含量受作物Cd吸收能力和轉(zhuǎn)運(yùn)能力的共同影響[2,7-8]，明確不同品種籽粒Cd積累差異形成的原因及其生理機(jī)理，對(duì)于低積累Cd水稻品種育種工作和水稻安全生產(chǎn)的栽培措施具有重要的意義。本研究發(fā)現(xiàn)，水稻秸稈Cd富集能力強(qiáng)于籽粒Cd富集能力(圖4)，說明水稻吸收的Cd分配到籽粒的部分較小。同時(shí)，本研究還發(fā)現(xiàn)不同品種籽粒Cd含量的變差大于秸稈Cd含量的變差(圖1、圖2)，說明與Cd吸收能力相比Cd轉(zhuǎn)運(yùn)能力對(duì)籽粒Cd積累的影響更大。為進(jìn)一步分析Cd積累能力存在差異的品種Cd吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)的響應(yīng)，本研究通過對(duì)籽粒Cd含量聚類分析將14個(gè)水稻品種分為低鎘含量組、中鎘含量組、高鎘含量組。低鎘含量組籽粒和秸稈的富集系數(shù)均低于其他兩組(圖4)，說明低鎘含量組水稻品種普遍具有低的Cd吸收能力；低鎘含量組Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)也均低于其他兩組(圖5)，說明低鎘含量組水稻品種也普遍具有較低的Cd轉(zhuǎn)運(yùn)能力。

分析不同品種Cd積累差異形成的關(guān)鍵時(shí)期，可為Cd污染耕地安全利用栽培措施的實(shí)施提供理論依據(jù)。本研究發(fā)現(xiàn)，供試14個(gè)水稻品種表現(xiàn)為隨著生育時(shí)期的推進(jìn)，植株Cd含量不斷提高(圖6)。苗期-拔節(jié)期不同類型水稻品種植株Cd含量差異較小，低含量組水稻植株Cd含量甚至略高于其他兩組；齊穗期-成熟期不同類型水稻品種植株Cd含量顯示出較大差異，高鎘含量組水稻植株Cd含量高于其他兩組。因此，生育前期植株Cd積累較少，齊穗期-成熟期是植株Cd快速積累時(shí)期和影響籽粒Cd積累的關(guān)鍵時(shí)期。

4 小結(jié)

綜合籽粒Cd含量和產(chǎn)量?jī)梢兀谥卸菴d污染的耕地土壤上，推薦種植的水稻品種有：甬優(yōu)538、浙粳優(yōu)6153、浙粳99、浙輻粳83、秀水121。

不同水稻品種Cd積累能力存在顯著差異，在本試驗(yàn)土壤Cd平均含量為0.82 mg·kg-1的污染耕地，14個(gè)供試水稻品種籽粒Cd含量變化范圍為0.13～0.95 mg·kg-1，變化差異7倍。

水稻Cd轉(zhuǎn)運(yùn)能力對(duì)籽粒Cd積累的影響更大，低鎘積累水稻品種同時(shí)具有較低的Cd吸收能力和Cd轉(zhuǎn)運(yùn)能力。

水稻生育前期植株Cd積累較少，齊穗期-成熟期是植株Cd快速積累時(shí)期和影響籽粒Cd積累的關(guān)鍵時(shí)期。