镉污染农田不同水稻品种镉积累差异研究

薛 涛，廖晓勇 ，王凌青，张扬珠

（1.中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101；2.中国科学院陆地表层格局与模拟重点实验室，北京 100101；3.湖南农业大学资源环境学院，长沙 410128）

近年来，由于工矿业活动的加剧，以及农业生产中各种农药、化肥不合理使用，导致土壤重金属污染日益严重[1]。据估算，由于重金属（准金属）污染造成的我国粮食产量损失每年超过1000万t，导致总经济损失超过200亿元[2-3]。重金属污染治理已成为我国亟待解决的环境问题之一。Cd作为主要的土壤重金属污染元素之一，即使在浓度较低的条件下，也极易被水稻吸收并在籽粒等部位积累，并通过食物链进入人体，对人体健康造成危害[4-5]。调查显示，重金属污染的农业土壤约占农田种植面积的16.7%，其中40%以上的土壤被Cd污染，超过10%的稻米被Cd污染[6]。

水稻是我国的主要粮食作物之一，大米占我国所有谷物消费量的55%，特别是我国南方地区是水稻的主产区[7]。在治理农田重金属污染的过程中，既要保证粮食供应不受影响，又要使稻谷中的重金属含量不超标，种植重金属低积累品种是一种较为理想的实现途径。筛选和培育重金属低积累水稻品种，不但能有效降低水稻籽粒中Cd的含量，而且技术利用简单、经济成本低，且环境友好[8-10]。近年来，诸多学者针对不同水稻品种对Cd的积累差异进行了大量研究。Yu等[11]首先提出了栽种安全作物品种的概念，即通过品种替代的方式将谷物中的Cd降至食用限量范围以内，降低粮食安全利用风险。不同水稻品种，对Cd的吸收能力可能相差数倍[12-13]。Zhang等[14]从146个水稻品种中筛选出17个Cd富集较低的品种，并对这17个水稻品种进行盆栽试验直至完熟，发现不同水稻品种的吸收和积累效果具有明显的差异性，且当供试土壤Cd浓度接近10 mg·kg-1时，仍然有部分品种表现出较强的Cd低积累特性，籽粒Cd含量低于0.2 mg·kg-1的安全限量标准。

目前，利用不同水稻品种Cd积累差异进行低积累品种筛选的研究较多，但大多集中在水稻籽粒Cd富集能力差异和产量上，而水稻根际土壤性质、水稻的植株形态和指标相关性等方面研究则有待深入。本试验选用早、晚稻共18个品种，在长沙县Cd污染农田中进行水稻品种筛选大田试验，分析不同水稻品种对重金属Cd吸收积累的差异性，通过Cd低积累品种的筛选和验证，分析水稻的Cd富集状况、生长状况及产量等信息，以期通过品种筛选技术降低稻米中Cd含量。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验小区位于湖南省长沙县（28°33′N，113°12′E），地处亚热带季风区，属亚热带湿润气候，年平均气温16～20℃，日照时数为1600～1800 h，年均降水量1 877.1 mm，土壤类型为红黄泥。由于该地区多年的工矿废水以及采矿冶炼化工及降尘污染，造成大量水稻田遭受重金属大面积严重污染，其中以Cd污染为主[15]。研究区土壤基本理化性质如下：pH 5.6；土壤有机质 29.9 mg·kg-1；CEC 9.13 cmol·kg-1；有效态 Cd 0.26 mg·kg-1；全Cd 0.48 mg·kg-1。

1.2 试验处理

本试验早稻设置8个处理，晚稻设置10个处理，每个处理1个品种，每个处理设置4个重复。每个小区面积为5 m×6 m，小区田埂高30 cm、宽30 cm，并进行覆膜隔断，排灌水相互独立。早稻和晚稻均采用相同的田间种植方式，即种植前进行翻耕，以复合肥作为底肥（N∶P∶K=22∶5∶13），将30 d龄的水稻幼苗分别以0.20 m×0.20 m的间距移植，采用人工插秧的方式进行。在移栽7 d后以112.5 kg·hm-2的尿素作追肥，田间管理活动按照当地原有的种植习惯进行。在水稻抽穗后期利用美国CID公司的植物冠层分析仪CI-110进行叶面积指数、平均叶倾角及透光系数的测定。在水稻完熟期收割前进行水稻植株及土壤的取样。

供筛选的水稻品种共18种，具体见表1。其中早稻8种，包括常规稻2种，两系杂交稻6种；晚稻10种，包括常规稻4种，两系杂交稻4种，三系杂交稻2种。

1.3 样品采集与分析

水稻收割前在每个试验小区均匀采集3个连续5株的水稻整株，并采集相对应点的表层（0～20 cm）混合土壤1 kg左右。采集的水稻植株，每个处理随机选取20根整株水稻测量株高。然后将水稻根分离，剩余部分洗净。将水稻根部进行烘干后，采用抖落法[16]进行根际土的采集。将洗净的水稻植株经烘箱105℃杀青半小时后，调至60℃烘干48 h，将水稻各部位分离，糙米进行称量计算产量；分别研磨稻谷、颖壳、茎、叶、根，过0.425 mm筛备用。表层土壤和根际土壤阴干后磨碎过2 mm筛，混匀备用。

水稻糙米和土壤中重金属含量检测参照EPA改进的方法，分别利用HNO3-HClO4和HNO3-HF-HClO4进行湿法消解后，采用ICP-MS测定糙米和土壤中重金属浓度[17]。土壤Cd有效态含量利用DTPA-TEACaCl2进行提取（pH=7.3±0.2），采用ICP-OES测定[18]。土壤有机质（SOM）和阳离子交换量（CEC）采用鲍士旦[19]的方法进行。所用试剂均为优级纯，并采用国家标准参比物质（植物：GBW-07603；土壤：GBW-07402&07404）及空白样进行质量控制，测定偏差控制在10%以内。

1.4 数据分析

采用单因素方差分析多重比较LSD检验分别进行早、晚稻不同水稻品种的土壤pH值、土壤Cd含量、水稻株高及冠层特征、水稻不同部位Cd含量及产量均值的比较（P＜0.05），Pearson双尾检验进行土壤相关指标和水稻相关指标变化之间的相关性分析。数据处理在Excel 2016和Origin 2017软件中进行。

2 结果与分析

2.1 不同品种水稻的根际土pH值和有效态Cd含量

由表2和表3可以看出，早、晚稻根际土pH值和有效态Cd含量在水稻品种间具有显著差异（P＜0.05）。早稻根际土pH值最高为邦191s/R093，达6.69，株两优189、长两优199和华1s/R039的pH值显著低于其他品种水稻，均不超过5.6，常规稻和杂交稻之间无显著性规律。相反，晚稻则表现出了杂交稻根际土pH值显著高于常规稻的规律，杂交稻根际土pH值均高于5.7，而常规稻中长两优051的pH值略高，为5.62，长两优1419最低，仅为5.49。

早稻根际土有效态Cd含量在0.17～0.28 mg·kg-1之间，最高的为长D26s/R039，达0.28 mg·kg-1，株两优189和长两优199根际土Cd含量显著低于其他品种，分别为 0.17 mg·kg-1和 0.19 mg·kg-1，早稻常规稻和杂交稻根际土有效态Cd含量并未表现出规律性。晚稻根际土有效态Cd含量平均高于早稻，常规稻根际土有效态Cd含量显著低于杂交稻，其中常规稻长两优051最低，为 0.18 mg·kg-1，杂交稻泰优 390最高，达0.29 mg·kg-1。在所有品种水稻中，早稻品种株两优189和长两优199的根际土有效态Cd含量表现出了Cd低含量特性，而晚稻品种长两优772和长两优051表现出了根际土有效态Cd低含量特性。

2.2 不同品种水稻的植株形态

水稻冠层结构和株高是反映水稻产量的重要指标[20-21]。植株较高可以提高水稻的通风条件，但过高却易导致倒伏，相反则会导致通风不良、茎叶拥挤，从而影响光合效率[22]。由图1A中可以看出，常规稻和杂交稻株高并未表现出规律性差异。早稻品种长D26s/R039株高显著高于其他品种水稻，达93.4 cm，其余品种株高均在75 cm左右。晚稻株高最高为两系杂交稻卓201s/R2115，达104 cm，其余两系杂交稻株高则均低于常规稻和三系杂交稻；另外，对比发现，在提供信息的水稻品种中实际株高均低于理论株高。

表1 供筛选水稻品种信息Table 1 Information for screening rice cultivars

表2 早稻不同品种根际土pH值及土壤有效态Cd含量（mg·kg-1）Table 2 Rhizosphere soil pH and soil available Cd content in different early rice cultivars（mg·kg-1）

表3 晚稻不同品种根际土pH值及土壤有效态Cd含量（mg·kg-1）Table 3 Rhizosphere soil pH and soil available Cd content in different late rice cultivars（mg·kg-1）

叶面积指数（Leaf area index，LAI）是用于模拟生态系统过程的基本生理参数[23]，用以测量植被与大气之间碳和水的通量[24]。它是生态过程，如光合作用、蒸腾作用和蒸散作用的重要指标[25]。Hirooka等[26]使用植物冠层分析仪测量LAI及其生长速率，结果表明水稻产量与LAI生长速率密切相关，因此其常被用来表征植物冠层的基本特征[21]。LAI与产量、单位面积穗数和每穗粒数呈正相关[27]，尤其水稻抽穗期适宜的LAI及其结构是水稻高产的基础[28]。从图1B中可以看出，LAI品种差异性的基本规律和株高类似，常规稻和杂交稻无规律性差异。早稻品种长D26s/R039 LAI远高于其他品种，达8.89，湘早籼45和长两优199 LAI最低，均在6左右。晚稻两系杂交品种卓201s/R2115 LAI最高，达7.67，其余3个两系杂交品种中，C两优143和卓两优1998显著低于常规稻和三系杂交稻，而N两优044则和株高规律性不同。

图1 不同品种水稻株高及冠层特征Figure 1 Plant height and canopy characteristics of different rice cultivars

另外，LAI是影响水稻群体透光率（透光系数）的重要指标之一，二者之间呈显著负相关，透光率是保证光合作用的基本参数，直接影响作物生长和作物产量[29]。一般来说，叶倾角越大，透光系数越大，但透光率同时也受叶倾角的影响。因此，叶倾角分布是植被冠层的第二个最常用的结构特征指标，其和LAI是准确预测反射、透射和吸收辐射通量所需的两个重要结构参数[30]。LAI和叶倾角决定了间作中的光透射和分配，而光进一步影响系统中的其他生态和生理过程[31]。一般来说，叶倾角大，则稻叶直立，增加了群体透光率，有利于更多的光合作用及作物的生长[32]。本研究结果显示（图1C），早稻之间平均叶倾角差异性很大，最高的为杂交稻长D26s/R039，达84.7，最低的为常规稻品种湘早籼45，仅有51.6。另外杂交稻株两优189、华1s/R039和长D26s/R093也有较大的叶倾角，均在75左右，早晚稻中常规稻和杂交稻的平均叶倾角均无规律性。

不同品种水稻间透光系数和LAI及株高大体呈相反的规律（图1D）。早稻品种中，株高和LAI最大的长D26s/R039，其透光系数最小，而LAI较小的湘早籼45和长两优199的透光系数相对较大。晚稻也表现出相同的规律性，株高和LAI最大的卓201s/R2115，其透光系数最小，而株高和LAI最小的卓两优1998，其透光系数最大。但有些也无此规律，如早稻长两优199和华1s/R039，可能是受平均叶倾角的影响。

2.3 不同品种水稻糙米及其各部位Cd含量

由图2可知，早稻常规稻和杂交稻糙米中Cd含量无规律性。常规稻中嘉早17，杂交稻株两优189、长两优199和华1s/R039四个品种糙米Cd含量均低于0.2 mg·kg-1的国家食品安全限量标准（GB 2762—2017），具有水稻Cd低积累特征，常规稻湘早籼45超标也不严重，仅有0.22 mg·kg-1。晚稻则表现出了明显的规律性，即常规稻糙米中的Cd含量显著低于杂交稻。所有晚稻品种水稻中，糙米Cd含量低于0.2 mg·kg-1的均为常规稻，且唯一超标的长两优1408也仅为 0.21 mg·kg-1，而杂交稻则均高于 0.30 mg·kg-1，其中卓201s/R2115和泰优390尤其高，分别达0.45 mg·kg-1和0.43 mg·kg-1。不同品种水稻其他部位中的Cd含量如图3所示，不论早稻还是晚稻，糙米中Cd含量较低的品种，在水稻其他部位也大体呈现了低积累特征。杂交稻的Cd含量总体高于常规稻，尤其是晚稻更加明显。同样，糙米Cd累积较高的品种，如早稻D26s/R093、D26s/R039和邦 191s/R093，晚稻杂交稻的所有6个品种，其在颖壳、茎、叶、根中的Cd含量同样较高。

2.4 不同品种水稻的产量

如图4所示，常规稻和杂交稻产量之间无显著差异性规律。早稻常规稻两个品种间产量无显著差异（P＞0.05），均在6300 kg·hm-2左右，杂交稻差异较大，长D26s/R039产量最高，达6918 kg·hm-2，株两优189和长D26s/R093品种其次，也有6450 kg·hm-2左右，长两优199产量最低，仅有6075 kg·hm-2。晚稻常规稻品种产量都较高，平均达到了7428 kg·hm-2，且相互之间无显著差异。杂交稻H优159和泰优390产量显著高于其他品种，分别为7248 kg·hm-2和7382 kg·hm-2，除此之外，其余水稻品种产量远低于常规水稻品种，产量范围在6121～6726 kg·hm-2之间。

2.5 不同品种各指标的相关性分析

利用早、晚稻相关指标进行相关性分析（图5），根际土pH值和根际有效态Cd及水稻不同部位的Cd含量均呈中度相关性，相关系数在0.724～0.887之间。根际土有效态Cd含量和糙米中的Cd含量显著正相关，相关系数高达0.912，和水稻其他部位中的Cd含量呈中度正相关性（P＜0.05）。糙米Cd含量还与自身颖壳和叶中的Cd含量高度正相关，与茎和根中的Cd含量具有中度的正相关性。叶面积指数、株高和产量三者之间呈显著正相关性，其中产量和株高的相关系数高达0.979，另外两者呈中度相关性，透光系数则和以上三者呈中度显著负相关性。

图2 不同品种水稻糙米Cd含量Figure 2 Cd content in brown rice of different rice cultivars

3 讨论

根际土壤的重金属生物有效性主要受金属形态、土壤类型和植物种类以及根诱导（物理化学和生物）的土壤性质变化的控制[33-34]。与全Cd相比，土壤有效态Cd更容易被水稻吸收，其与稻米Cd含量之间显著相关，能间接反映土壤中Cd的移动特性和水稻Cd的累积风险[35-36]。相关性分析表明，不同水稻根际土的变化和水稻各部位的Cd含量均呈显著相关性，因此根际土Cd的有效性是水稻Cd吸收的重要指标之一。土壤pH值是影响土壤Cd有效态含量的原因之一[33]，但根际土壤的化学、物理和生物等植物影响参数与非根际土完全不同，其差异主要是由植物根部附近的根的诱导过程导致的，如：根系分泌物质的释放、营养物的吸收和解吸、水分的去除作用和根的物理力等[37]。本文通过对比根际土pH值发现，水稻不同品种根际土之间存在差异，这种差异主要是不同品种水稻根系分泌物不同，其释放有机酸类型和数量也不同，这些渗出物扩散到土壤中，影响了根际土壤pH值的变化[38]。

图3 不同品种水稻其他部位Cd含量Figure 3 Cd content in other parts of different rice cultivars

图4 不同品种水稻产量Figure 4 Yield of different rice cultivars

水稻各部位中重金属Cd含量分布遵循根＞茎、叶＞稻谷的规律，这和前人的研究结果一致[39]。不同品种水稻重金属离子的吸收和转运机制不同，进而造成品种间Cd含量和分布的巨大差异[40]，因此，利用这种差异性进行重金属低积累水稻的筛选成为可能。以国家食品安全限量标准（GB 2762—2017）作为筛选标准，早稻糙米中Cd含量低于0.2 mg·kg-1的品种有中嘉早17、株两优189、长两优199和华1s/R039，晚稻品种有长两优772、长两优1419和长两优051，以上可认定为Cd低积累水稻品种。

图5 相关性分析Figure 5 Correlation analysis

本研究结果表明，水稻株高、LAI和产量三者之间呈显著性相关，因此水稻株高和LAI是水稻产量的两个重要指标。另外，本文通过对比发现，水稻实际株高低于理论株高，说明作物生长受到不同程度的影响。Cao等[41]和Rizwan等[42]研究发现，重金属Cd很容易被植物吸收，并对植物生长产生不利的影响，如生长缓慢、叶片萎黄、生长抑制、光合色素和光合效率下降、离子稳态失衡等，这种现象的产生可能与农田中重金属的影响有直接关系。透光系数和平均叶倾角呈显著负相关，同时其也受平均叶倾角的影响，如长D26s/R093品种，透光系数高，其LAI也相对较高，但平均叶倾角却很大，因此叶片直立，保证了较大的透光系数。相反，中嘉早17的LAI虽然相对较低，但其平均叶倾角小，因此透光系数相对较小。

有研究表明，不同类型水稻干物质生产差异显著，因此其产量和产量构成也会产生显著差异[43]。Cd的高毒性通过土壤输送给植物，经作物积累后，对作物生长产生影响，进而影响作物的产量[44-45]，但水稻品种不同，对产量的影响也差异显著[46]，因此，在Cd污染土壤上进行水稻筛选，既要考虑其低积累特性，也要充分考虑其在Cd胁迫下的产量状况。通过本文的对比研究发现，早稻糙米Cd低积累品种中，长两优199的产量过低，仅有6075 kg·hm-2，而中嘉早17、株两优189、华1s/R039无显著差异，若仅考虑降Cd效果，推荐降Cd率最高的品种株两优189。晚稻低积累3个品种间产量无显著差异，且产量都接近7500 kg·hm-2，因此均为较理想的低积累品种。但是，水稻种植存在一定的惯性，农民常会选择常年种植的品种，或者从米质和口感的角度去选择品种进行种植，因此需在低积累品种中选择适宜的品种进行推广种植。另外，水稻的Cd低积累特性也受多种因素的影响，在实际应用中应充分考虑土壤类型、污染程度等因素。

4 结论

（1）不同品种水稻间根际土pH值和有效态Cd含量均有品种间的显著差异，且两者和水稻Cd含量的相关性较高，根际土pH值的降低和有效态Cd含量的升高是导致水稻Cd含量升高的重要影响因素。

（2）供试的18个水稻品种中，早稻中嘉早17、株两优189、长两优199、华1s/R039四个品种，晚稻长两优772、长两优1419、长两优051三个品种糙米的Cd含量低于国家食品安全限量标准，为Cd低积累水稻品种。

（3）水稻产量是品种筛选的重要因素之一，其受到了水稻株高和冠层特征的影响。早稻Cd低积累品种长两优199产量较低，其余3个品种产量无显著差异，产量均在6300 kg·hm-2以上。晚稻低积累品种的产量都较高，产量均在7350 kg·hm-2以上。结合水稻Cd低积累特性，推荐中嘉早17、株两优189、华1s/R039品种作为低积累早稻品种，长两优772、长两优1419、长两优051作为低积累晚稻品种。另外，湘早籼45、邦191s/R093和长两优1408具有一定的低积累特性，可配合其他措施达到Cd低积累的效果。