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地质高背景区镉污染稻田中低累积水稻品种筛选

时间:2024-05-25

秦冉 娄飞 代良羽 王虎 周凯 何守阳 何腾兵 付天岭

摘要:【目的】探究地質高背景区镉(Cd)污染稻田水稻对Cd的富集转运特征,筛选适用于稻田安全生产的Cd低累积水稻品种,为该地区的水稻安全生产提供参考。【方法】以贵州开阳县10个主栽水稻品种为材料,采用田间小区试验的方法,测定土壤、水稻不同组织部位Cd含量,对比不同水稻品种对Cd的富集和转运特征,并结合水稻产量和聚类分析,筛选Cd低累积水稻品种。【结果】参试水稻品种的稻田土壤pH为5.88~6.37、全Cd含量为0.89~1.30 mg/kg、有效态Cd含量为0.40~0.58 mg/kg,不同品种间土壤pH及Cd含量无显著差异(P>0.05,下同)。水稻不同组织部位间的Cd含量以茎部和根部积累较高。相对于根际土,Cd在水稻茎、根中呈明显的富集特征,富集系数均超过1.00,但多数品种谷壳、糙米对Cd的富集系数小于1.00。Cd转运系数以糙米/谷壳、茎/根转运系数较高,其中,水稻体内Cd从根向茎、谷壳向糙米的转运能力相对较强,接近或超过1.00。在水稻品种间产量无显著差异的前提下,结合聚类分析可将10个水稻品种划分为三类:第Ⅰ类(较低值类)包括成优1479和天优1177;第Ⅱ类(中间值类)包括C两U华占、黑糯80、川华优320、红优2号、C两优华占和泸香优110;第Ⅲ类(较高值类)包括金优2017和宜香优2115。【结论】10个参试水稻品种中,本地主栽水稻品种各部位相对易于富集Cd,其中,金优2017和宜香优2115糙米Cd含量严重超标,不建议在Cd污染稻田中种植;成优1479和天优1177的糙米Cd含量较低,可作为Cd低累积水稻品种推广种植。

关键词:Cd污染稻田;水稻;Cd含量;富集系数;转运系数;低累积品种

中图分类号:S511                              文献标志码: A 文章编号:2095-1191(2021)10-2709-08

Abstract:【Objective】A plot study was performed to explore the bioaccumulation and transport of cadmium(Cd)in the paddy fields of a high geological-background area,and to screen low-bioaccumulation rice varieties,providing refe-rence for safe rice production in the area.【Method】Ten rice varieties that spread throughout central Kaiyang of Guizhou  were tested by plot experiment. The Cd content of different soil and rice tissues was determined, and the enrichment and transport characteristics of Cd were compared with different rice varieties, and combined with rice yield and cluster analysis to select Cd low accumulation rice varieties. 【Result】The soil pH of the tested rice varieties was 5.88 to 6.37, full Cd content was 0.89 to 1.30 mg/kg, and effective Cd content was 0.40-0.58 mg/kg. There was no significant difference in soil pH and Cd content between different varieties (P>0.05, the same below). Cd content in different tissues of rice was high in stem and root. Compared with rhizosphere soil, Cd was obviously enriched in rice stems and roots, and the enrichment coefficient was more than 1.00, but the enrichment coefficient of most varieties of husk and brown rice was less than 1.00. The Cd transport coefficient was high in brown rice/chaff and stem/root transport coefficient, and the capacity of Cd transport from root to stem and chaff to brown rice was relatively strong, close to or over 1.00. On the premise of no significant difference in yield among rice varieties, combined with cluster analysis, 10 rice varieties could be divided into three categories:category Ⅰ(lower value category) including Chengyou 1479 and Tianyou 1177; category II (intermediate value category) including C Liang U Huazhan, Heinuo 80, Chuanhuayou 320, Hongyou 2, C Liang U Huazhan and Luxianyou 110; category Ⅲ(higher value category) including Jinyou 2017 and Yixiangyou 2115. 【Conclusion】Among the 10 tested rice varieties, all parts of local main rice varieties are relatively easy to enrich Cd. Among them, the Cd content of Jinyou 2017 and Yixiangyou 2115 brown rice seriously exceeds the standard, so it is not recommended to plant in Cd polluted rice fields. The brown rice of Chengyou 1479 and Tianyou 1177 has low Cd content, which can be populari-zed as rice varieties with low Cd accumulation.

Key words:Cd contaminated paddy field; rice; Cd content; enrichment coefficient;transport coefficient; low-bioaccumulation varieties

Foundation item:Karst Center Project of National Natural Science Foundation of China-Guizhou Provincial People’s Government (U1612442); Science and Technology Basic Condition Platform Project of Guizhou Provincial Department of Science and Technology (QKHPTRC〔2019〕5701)

0 引言

【研究意义】我国农用地镉(Cd)污染形势严峻,据环境保护部和国土资源部2014年发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示,Cd污染物点位超标率为7%,主要集中在中南、西南喀斯特等高背景值地区(Duan et al.,2016)。而贵州作为西南喀斯特连片集中区域,“七五”背景调查点土壤母质层Cd平均含量为1.24 mg/kg,远高于全国的土壤Cd平均水平(0.084 mg/kg),且大面积地表土壤偏酸性(pH<6.5)(高雪等,2013;骆永明和滕应,2018)。以GB 15618—2018《土地环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》中土壤污染风险筛选值(0.3 mg/kg)为标准,贵州农用地存在大面积Cd超标风险(田茂苑,2019)。在贵州耕地后备资源日渐趋紧的态势下,针对轻中度重金属污染农田,采用低累积品种筛选是实现作物安全生产的推荐应用模式(陈彩艳和唐文帮,2018),对保障当地粮食输出潜力及主栽品种的推广和应用均具有重要意义。【前人研究进展】近年来,有关低累积型水稻品种筛选及应用研究已趋于成熟(薛涛等,2019)。何玉龙(2016)研究表明,水稻的根和茎对Cd具有强富集能力,可抑制Cd向籽粒转运;兰艳(2017)以31份粳稻品种和8份籼稻品种为材料开展Cd排异型水稻品种筛选,结果表明,相对籼稻品种,粳稻品种不易富集Cd;張玉烛等(2019)通过开展285个双季水稻Cd低累积品种筛选试验,发现25个应急性Cd低累积水稻品种基本能保证粮食安全达标;薛涛等(2019)研究发现水稻对Cd的敏感程度不同,继而使糙米Cd积累产生差异,可作为筛选低累积水稻品种的前提;冯爱煊等(2020)在Cd污染土壤上种植水稻,通过水稻糙米Cd含量区分为较高值、中间值、较低值3类,进而筛选出Cd低累积型水稻品种;王萍等(2021)研究发现个别水稻品种对Cd有良好的吸收能力,并筛选出适宜在轻度Cd污染土壤上种植的Cd低累积水稻品种。【本研究切入点】目前,关于低累积水稻品种筛选的研究主要集中在湖南、广东、东北等地区,但低累积水稻品种的应用通常具有区域性(肖蓉等,2018),而针对贵州地区Cd污染稻田低累积水稻品种的研究鲜见报道。【拟解决的关键问题】以贵州当地主栽的10个水稻品种为试验材料,开展田间小区试验,探讨不同水稻品种对Cd的转运富集特征,为地质高背景区Cd污染稻田的安全生产提供参考。

1 材料与方法

1. 1 试验区概况

试验地位于贵州省贵阳市开阳县(东经106°44′~107°16′,北纬26°47′~27°22′),地处云贵高原地区腹地。开阳县属北亚热带季风湿润气候,冬无严寒,夏无酷暑,雨热同季,全县海拔在506.5~1702.0 m,全年无霜期约315 d,年平均气温10.6~15.4 ℃,年降水量1100~1200 mm。境内地貌由于风化强烈,流水侵蚀、溶蚀严重,形成复杂多样的地貌类型,以山地为主,属于典型喀斯特地区。土壤有着广泛的富硒岩层及出露含硒量高的石煤层,土壤层存在一定的石漠化,敏感性以轻度敏感为主,土壤有效钾、有效磷缺乏。贵阳市土壤Cd含量背景值为0.119 mg/kg(李娟和汪境仁,2003;邓秋静等,2006)。

1. 2 试验材料

供筛选的水稻品种为10个贵州开阳县本地主栽品种,分别为本地品种黑糯80、红优2号及杂交稻宜香优2115、C两U华占、成优1479、川华优320、金优2017、花优375、泸香优110和天优1177。种子购自开阳县种子站和贵州省农业科学院水稻研究所。

1. 3 试验方法

插秧田间小区试验:集中播种育苗,施肥,淹水,机械打田,按4 m×5 m(20 m2)划分小区,小区之间筑田埂并覆膜,每个小区内人工插秧,每窝2株稻秧,行间距25 cm×35 cm,共计156窝,重复2次,共20个小区。田间管理按当地常规要求进行,生长期180 d。开阳县东风水库水灌溉,分蘖期晒田1次,扬花期稻瘟病防御施药1次,收割前7 d排水晒田。同时监测灌溉水水质3次,大气干湿沉降2次。

1. 4 样品采集及指标测定

于水稻成熟期之际,每个试验小区应用棋盘式采样法采集1窝稻穗,脱粒后进行称量计算稻米产量;小区中心采集整窝水稻样品,并采集相应点的水稻根际土壤样品。采集的水稻样品先用自来水冲洗后用超纯水洗净,稻谷使用小型脱粒砻谷机进行脱壳,去皮即为糙米样品,共分成根、茎、叶(含叶柄)、谷壳、糙米,室内阴干,分别用牛皮纸信封包装,放入65 ℃烘箱中,烘至恒重;水稻各个部分用小型植物磨样机打成粉末,过40目尼龙筛备用。土壤阴干后,研磨过20目、100目筛,用于测定土壤pH及全Cd和有效态Cd含量。

水稻根际土壤样品采用HNO3-HF-HCIO(3∶1∶1)三酸高压密闭法消解,土壤中生物有效态Cd采用DTPA浸提法进行提取(薛涛等,2019)。水稻根、茎、叶、谷壳与糙米采用HNO3消解法,在石墨消解仪(YKM-36,长沙永乐康仪器设备有限公司)中升温至120 ℃消解2 h,消解液、浸提液均采用ICP-MS(X2,赛默飞)测定根际土有效态Cd、全Cd和水稻各部位Cd含量(Chen et al.,2005)。土壤和植物样品分别采用国家标准物质GBW07405(GSS-5)和GBW10012(GSB-3)进行分析质量控制。

水稻各部位Cd的富集、转运系数计算公式:

富集系数=植物各部分Cd含量/土壤中Cd含量

转运系数=Ci/Cj

式中,Ci代表植物后一部位Cd含量,Cj代表植物前一部位Cd含量。

1. 5 统计分析

采用SPSS 25.0进行相关分析(Person检验,双尾,P为0.05)和双因素方差分析(HSD检验,P为0.05);利用Origin 8.5制图。

2 结果与分析

2. 1 土壤环境分析及水稻产量对比

如表1所示,水稻根际土pH范围为5.88~6.37,但各品种间的根际土pH差异均不显著(P>0.05,下同);根际土全Cd含量为0.89~1.30 mg/kg,平均含量为1.02 mg/kg,是GB 15618—2018《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》Cd风险筛选值(0.4 mg/kg)的2.23~3.25倍;根际土有效态Cd含量为0.40~0.58 mg/kg,有效态Cd占全Cd质量分数的19%~27%,其中,黑糯80根际土有效态Cd含量最高,达0.58 mg/kg,属于高活性水平,但各品种根际土间的Cd含量差异也未达显著水平。

10个水稻品种的产量在6075~7999 kg/ha,均无显著差异,平均产量为6702 kg/ha。产量排序为:天优1177>川华优320>花优375>金优2017>C两U华占>黑糯80>红优2号>成优1479>宜香优2115>泸香优110。

2. 2 水稻不同部位的Cd含量分析

由表2可知,水稻根、茎、叶、谷壳和糙米的Cd含量分别是3.12~9.00 mg/kg、2.35~10.98 mg/kg、0.30~2.64 mg/kg、0.06~1.47 mg/kg和0.22~1.17 mg/kg,Cd含量累积以茎部和根部最高。不同品种的糙米Cd含量均超出GB 2762—2017《食品安全国家标准 食品中污染物限量》限值(0.2 mg/kg),其中,成优1479和天优1177糙米Cd含量较低,分别为0.36和0.22 mg/kg,较糙米Cd含量最高的金优2017(1.17 mg/kg)分别显著降低69.2%和81.2%(P<0.05,下同)。10个水稻品种糙米Cd含量排序为:天优1177<成优1479<红优2号<川华优320<黑糯80<泸香优110<C两U华占<花优375<宜香优2115<金优2017。

2. 3 水稻不同部位对Cd的富集特征

从表3可知,不同水稻品种不同部位对Cd的富集能力存在差异,各水稻品种根、茎、叶、谷壳和糙米对Cd的富集系数分别为2.59~8.97、1.95~10.04、0.25~2.82、0.06~1.35和0.18~1.16。10个品种均以根和茎部Cd富集能力较强。就水稻茎部富集系数而言,天优1177、黑糯80对Cd的富集能力显著低于成优1479、宜香优2115、金优2017,10个水稻品种中,宜香优2115、红优2号、C两U华占、川华优320、金优2017、花优375的茎部Cd累积量占水稻自身Cd累积量50%以上,说明茎部是水稻体内主要的Cd富集器官。就水稻谷壳富集系数而言,天优1177、黑糯80对Cd的富集能力显著低于金优2017、宜香优2115。水稻叶对Cd的富集能力低于茎,茎成为主要阻挡Cd向上迁移至糙米的主要部位。天优1177糙米Cd富集系数最低(0.18),金优2017糙米Cd富集系数最高(1.16),但不同品种间的糙米Cd富集系数均无显著差异。

2. 4 水稻不同部位对Cd的转运特征

由表4可知,10个水稻品种茎/根、叶/茎、谷壳/茎及糙米/谷壳的转运系数分别为0.51~1.65、0.13~0.30、0.03~0.17、0.77~3.25,以糙米/谷壳、茎/根转运系数相对较高。Cd从谷壳到糙米的迁移转运过程中,迁移能力最大的水稻品种为天优1177,转运系数为3.25,显著高于其他水稻品种(黑糯80除外)的糙米/谷壳转运系数。除黑糯80和天优1177外,其他水稻品种茎/根的转运系数均大于1.00,说明Cd在水稻体内易从地下根部向地上部迁移。

2. 5 水稻糙米Cd含量的聚类分析及其与各指标的相关性

由图1可看出,根据糙米Cd含量,采用聚类分析并结合统计差异性检验结果,可将不同水稻品种分成三类:第Ⅰ类(较低值类)有2个品种,包括成优1479和天优1177;第Ⅱ类(中間值类)有6个品种,包括C两U华占、黑糯80、川华优320、红优2号、C两优华占和泸香优110;第Ⅲ类(较高值类)有2个品种,包括金优2017和宜香优2115。表明不同水稻品种的糙米Cd累积能力存在差异。

由图1中各水稻品种糙米Cd含量与其他指标的相关分析结果可知,仅黑糯80的水稻根际土pH与糙米Cd含量呈显著负相关,其他水稻品种根际土pH与糙米Cd含量的相关性均未达显著水平。水稻根Cd含量与糙米Cd含量呈显著负相关的水稻品种有金优2017、花优375、川华优320和红优2号,呈显著或极显著(P<0.01,下同)正相关的水稻品种有宜香优2115、C两U华占和泸香优110。水稻茎Cd含量与糙米Cd含量呈显著负相关的水稻品种为金优2017,呈极显著正相关的水稻品种有川华优320和泸香优110。叶Cd含量与糙米Cd含量呈显著负相关的水稻品种为金优2017,呈显著或极显著正相关的品种有C两U华占和川华优320。水稻谷壳Cd含量与糙米Cd含量呈显著负相关的水稻品种有黑糯80和花优375,呈显著或极显著正相关的水稻品种有泸香优110、C两U华占、红优2号、川华优320和宜香优2115。水稻根际土全Cd、有效态Cd含量与糙米Cd含量呈显著正相关的水稻品种仅有金优2017,根际土有效态Cd含量与糙米Cd含量呈显著或极显著负相关的水稻品种为C两U华占和红优2号。综上,表明水稻糙米Cd含量较高的品种,如花优375、金优2017、宜香优2115,糙米Cd含量受根际土、根、茎、叶、谷壳Cd含量影响较大;而糙米Cd含量较低的水稻品种,如成优1479和天优1177,糙米Cd含量与根际土pH、Cd含量及根、茎、叶、谷壳Cd含量的相关性均不显著。

3 讨论

本研究表明,Cd主要在水稻的根和茎部积累,且在水稻体内的迁移由下至上通过根、茎、叶、谷壳,最后到达糙米。张儒德(2016)、肖美秀等(2006)研究表明,Cd在水稻体内的分布规律为根>茎>叶>谷壳>糙米。本研究结果与上述前人研究结果不一致,可能与重金属离子在水稻体内的吸收和迁移机制取决于水稻品种和土壤中重金属的浓度有关(涂宇等,2020;林承奇等,2021)。另外,生长在不同地域的不同水稻品种对Cd的吸收富集转运机制有较大差异,主要体现在水稻不同部位的Cd分布(陈彩艳和唐文帮,2018;郭超等,2021),正是这种差异性为筛选低累积型水稻提供可能性。

植株各器官对Cd的吸收富集能力主要由植株本身性质和环境因素决定(Liu et al.,2010;孙亚莉等,2017;祝志娟和傅志强,2020)。水稻根系吸收Cd的能力及根部向上转运Cd的强度和地上部Cd的迁移共同决定糙米Cd含量(黄太庆等,2017;张庭艳等,2021)。刘侯俊等(2011)通过对32个水稻品种的Cd累积特性进行研究,发现Cd在水稻体内遵循根系>茎叶>颖壳>籽粒的规律;叶秋明等(2015)研究发现Cd在水稻体内的累积呈根系>茎叶>籽粒规律。李慧敏等(2018)研究发现,水稻根部Cd富集能力最强,不同部位对Cd的富集能力呈根>茎叶>糙米的趋势。杨德毅等(2018)等研究表明,Cd在水稻品种甬优15和浙油50根部的富集系数远高于茎和籽粒。本研究以10个水稻品种为材料,对水稻各部位的Cd富集特征进行探索,发现茎部Cd富集能力最强。该结果与上述前人研究结果不完全一致,其原因可能与水稻品种自身的特性有关。有研究指出,随着水稻生长到成熟期,茎部对重金属的代谢机制弱化,致使从土壤和根部迁移转运到茎部的重金属易积累(莫争等,2002),而木质部决定Cd从水稻根部转运至茎部的速率,由于通过茎部的大多数Cd被储存在木质部,导致水稻茎部Cd积累性增强(Uraguchi et al.,2009)。通过对比研究发现,不同水稻品种茎部富集系数有显著差异,但糙米富集系数却差异不显著,说明茎对Cd的富集能力并不能直接反映糙米对Cd的富集情况。

从水稻植株转运系数可知,不同水稻品种根系向茎、叶、谷壳部位的Cd转运能力逐渐降低,以糙米/谷壳、茎/根转运系数较高,这与前人的研究结果相似(李贵杰,2016)。Liu等(2007)研究发现,水稻糙米中的Cd更易受地上部迁移转运的控制,而Cd从根迁移至地上部对糙米Cd含量影响不明显。本研究中,Cd主要富集在水稻根部和茎部,故茎/根转运系数明显高于叶/茎和谷壳/茎转运系数。茎向其他部位的转运能力降低,有可能是茎向叶或谷壳转运Cd的通道并不通畅,致使糙米中Cd含量较低,但其叶/茎等转运机制和能力还有待进一步探讨。

综合考虑富集系数、转运系数及低累积水稻品种的特征,包括当地气候特征和土地类型及水稻种植习惯,初步筛选出成优1479和天优1177可作为低累积品种,但仍存在超标风险,需辅以阻隔重金属在茎、叶等环节的农艺措施,如喷施叶面肥、根际调理等将糙米Cd含量降至国家食品安全限量标准(0.2 mg/kg)。本研究开展地质高背景单一Cd污染稻田低累积水稻品种筛选,但该地区还存在Cd与其他重金属的复合污染稻田,其他重金属离子可能也会影响水稻籽粒的Cd富集,导致水稻可食部位重金属含量控制达不到预期目标(季冬雪等,2018;牟力等,2018)。因此,今后仍需进一步开展其他单一重金属污染或复合污染条件下低累积水稻品种的筛选工作。

4 结论

在地质高背景区轻中度Cd污染条件下进行低累积水稻品种筛选,10个参试水稻品种中,本地主栽水稻品种各部位相对易于富集Cd,其中,金优2017和宜香优2115糙米Cd含量严重超标,不建议在Cd污染稻田中种植;成优1479和天优1177的糙米Cd含量较低,可作为Cd低累积水稻品种推广种植。

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(責任编辑 王 晖)

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