應(yīng)急性鎘低積累水稻品種篩選與驗(yàn)證

張玉燭，方寶華，滕振寧,，陳光輝，劉 洋，凌文彬，向述強(qiáng)，柏連陽(yáng)

（1. 湖南雜交水稻研究中心，雜交水稻國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410125；2. 湖南省水稻研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410125；3. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128；4. 株洲市農(nóng)科所，湖南 株洲 412007；5. 湘潭市農(nóng)科所，湖南 湘潭 411134；6. 湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410125）

鎘（Cadmium，Cd）是毒性最強(qiáng)和農(nóng)田污染最為嚴(yán)重的重金屬之一，土壤重金屬污染不僅嚴(yán)重影響農(nóng)作物的產(chǎn)量及品種，并能通過(guò)食物鏈富集危害人體健康[1-2]。雖然目前各種生物、物理、化學(xué)方法被應(yīng)用于土壤修復(fù)來(lái)降低土壤重金屬含量，但由于土地面積有限，修復(fù)造價(jià)昂貴等原因未能有效地應(yīng)用于大面積農(nóng)田治理[3]；針對(duì)我國(guó)中、輕度重金屬污染農(nóng)田面積比例大的情況[4]，篩選耐鎘且食用器官低積累農(nóng)作物品種和改進(jìn)農(nóng)藝措施與化學(xué)調(diào)控技術(shù)來(lái)緩解鎘毒、減少作物鎘吸收積累，是保證農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)，國(guó)家糧食安全的重要途徑[5-6]。

湖南是農(nóng)業(yè)大省也是糧食生產(chǎn)大省，在國(guó)家農(nóng)業(yè)發(fā)展和糧食安全保障中占有舉足輕重的地位。自2013年初以來(lái)，媒體報(bào)道的“鎘大米”事件引起了社會(huì)的普遍關(guān)注，2014年中央財(cái)政安排專(zhuān)項(xiàng)資金在湖南省啟動(dòng)重金屬污染耕地修復(fù)試點(diǎn)工作，其中鎘低積累水稻品種篩選項(xiàng)目是其中重要課題之一。課題組面向社會(huì)廣泛征集目前在南方酸性土壤主栽（推）的水稻品種，進(jìn)行了多年多點(diǎn)大田及盆栽篩選試驗(yàn)，并在湖南不同地區(qū)進(jìn)行了大田驗(yàn)證，為盡快解決“湘米”鎘超標(biāo)危機(jī)提供強(qiáng)有力的支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

面向社會(huì)廣泛征集目前在南方酸性土壤上主栽（推）的水稻品種，2014年，共征集雙季稻品種196個(gè)，其中早稻60個(gè)，晚稻136個(gè)；2015年，共征集水稻品種89個(gè)，包括早稻38個(gè)，晚稻51個(gè)。

根據(jù)多點(diǎn)聯(lián)合篩選結(jié)果，對(duì)2014～2015年篩選得到的應(yīng)急性低鎘積累水稻品種共計(jì)25個(gè)品種（其中早稻12個(gè)，晚稻13個(gè)），于2015～2016年在湖南省開(kāi)展大田驗(yàn)證試驗(yàn)。參試品種見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 應(yīng)急性鎘低積累水稻品種篩選試驗(yàn) 試驗(yàn)于2014～2015年雙季稻生長(zhǎng)季節(jié)（3～10月）進(jìn)行，在湖南省重金屬污染嚴(yán)重的長(zhǎng)株潭區(qū)域，同時(shí)兼顧省內(nèi)其他典型鎘污染區(qū)，進(jìn)行盆栽及大田篩選。2014年涉及湖南省水稻研究所四級(jí)篩選試驗(yàn)點(diǎn)、湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)、衡陽(yáng)、益陽(yáng)、湘潭、株洲9個(gè)盆栽篩選試驗(yàn)點(diǎn)，以及望城、湘潭、攸縣、衡東、湘陰、蒸湘區(qū)6個(gè)大田篩選試驗(yàn)點(diǎn)，各試驗(yàn)點(diǎn)土壤全鎘0.4～2.06 mg/kg，有效鎘0.14～1.00 mg/kg；2015年擴(kuò)大篩選規(guī)模，在2014年試驗(yàn)點(diǎn)基礎(chǔ)上，湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)，益陽(yáng)、湘潭、株洲試驗(yàn)點(diǎn)各增加1個(gè)高鎘土壤篩選試驗(yàn)點(diǎn)，衡陽(yáng)增加2個(gè)高鎘土壤篩選試驗(yàn)點(diǎn)，共計(jì)15個(gè)盆栽篩選試驗(yàn)點(diǎn)，以及望城、湘潭、攸縣、衡東、湘陰、長(zhǎng)沙縣、6個(gè)大田篩選試驗(yàn)點(diǎn)，土壤全鎘0.41～4.61 mg/kg，有效鎘0.24～1.73 mg/kg。

盆栽篩選試驗(yàn)，盆缽選擇口徑40 cm、底徑30 cm、高45 cm。土壤經(jīng)過(guò)粉碎、過(guò)篩后每盆裝土15 kg。每盆栽植4株，每株2苗，每處理設(shè)置4次重復(fù)。施肥按2萬(wàn)株/hm2、基肥25%含量的復(fù)合肥750 kg/hm2、追肥施尿素120 kg/hm2、鉀肥105 kg/hm2，按比例分盆稱(chēng)量、施入、充分混勻土壤，確保不同盆內(nèi)土壤肥力一致。

大田篩選試驗(yàn)，每處理設(shè)置3次重復(fù)。試驗(yàn)田多次翻耕，耙平，減小小區(qū)土壤鎘含量差異。早稻移栽密度16.7 cm×16.7 cm，晚稻16.7 cm×20.0 cm，小區(qū)間不空行，移栽每株2苗。底肥按早稻25%含量的復(fù)合肥750 kg/hm2，晚稻900 kg/hm2；分蘗肥按早稻尿素75 kg/hm2、鉀肥60 kg/hm2，晚稻尿素90 kg/hm2、鉀肥75 kg/hm2；早晚稻穗肥均按尿素30～45 kg/hm2、鉀肥 30～45 kg/667m2。

盆栽及大田篩選試驗(yàn)全生育期保持濕潤(rùn)灌溉，病蟲(chóng)草害按常規(guī)方法防治。

1.2.2 應(yīng)急性鎘低積累水稻品種大田驗(yàn)證 根據(jù)篩選結(jié)果，于2015～2016年雙季稻生長(zhǎng)季節(jié)（3～10月）進(jìn)行，在湖南省重金屬污染嚴(yán)重的長(zhǎng)株潭區(qū)域，同時(shí)兼顧省內(nèi)其他典型鎘污染區(qū)，對(duì)應(yīng)急性鎘低積累水稻品種進(jìn)行大田驗(yàn)證，試驗(yàn)點(diǎn)土壤狀況如表2所示。

表2 2015～2016年大田驗(yàn)證土壤狀況

試驗(yàn)田選擇相鄰兩丘田，分別進(jìn)行常規(guī)管理及VIP管理，試驗(yàn)田經(jīng)多次翻耕，耙平，減小小區(qū)土壤鎘含量差異。早稻移栽密度16.7 cm×16.7 cm，晚稻16.7 cm×20.0 cm，移栽每株2苗。VIP管理模式下，大田耕整時(shí)每公頃撒施石灰50 kg/hm2，底肥為堿性緩釋復(fù)混肥（湖南省土壤肥料研究所研發(fā)，湖南宇豐生態(tài)工程有限公司提供），早稻750 kg/hm2，晚稻900 kg/hm2，分蘗肥按早稻尿素75 kg/hm2、鉀肥60 kg/hm2，晚稻尿素90 kg/hm2、鉀肥75 kg/hm2；早晚稻穗肥均按尿素 30～45 kg/hm2、鉀肥 30～45 kg/hm2，全生育期保持田間淺水層至收割前7 d斷水；常規(guī)管理模式下，施肥同大田篩選試驗(yàn)1.2.1，移栽后深水活苗，淺水分蘗，分蘗盛期適時(shí)輕曬田，抽穗、灌漿期保持淺水層，蠟熟期保持土壤濕潤(rùn)，至成熟收割前10 d斷水。病蟲(chóng)草害按常規(guī)方法防治。

1.3 樣品采集及測(cè)定

品種90%成熟，按品種（重復(fù)）單收單曬，同時(shí)取土樣1 kg，委托湖南省農(nóng)科院稻米及制品檢測(cè)中心 按 GB/T 5009.15—2014、NY/T 1377—2007、GB/T 17141—1997和GB/T 23739—2009標(biāo)準(zhǔn)[7-10]，測(cè)定糙米鎘含量、土壤pH值及鎘含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2007、Origin 9.0等軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)急性鎘低積累水稻品種篩選

表3 2014年應(yīng)急性鎘低積累早稻品種平均稻米鎘含量 （mg/kg）

表4 2014年應(yīng)急性鎘低積累晚稻品種平均稻米鎘含量 （mg/kg）

湖南省農(nóng)科院組織相關(guān)專(zhuān)家進(jìn)行低鎘積累早稻品種篩選評(píng)議會(huì)，專(zhuān)家一致認(rèn)為試驗(yàn)達(dá)到了鎘低積累品種篩選的目的。根據(jù)各試驗(yàn)點(diǎn)平均鎘含量、超標(biāo)試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)和重復(fù)次數(shù)綜合評(píng)價(jià)方法進(jìn)行品種評(píng)價(jià)。2014年參試品種中多個(gè)品種鎘低積累性狀表現(xiàn)較好，其中早稻以湘早秈45號(hào)、株兩優(yōu)189、中嘉早17、株兩優(yōu)819、湘早秈32號(hào)等5個(gè)品種表現(xiàn)最為突出（表3），晚稻以湘晚秈12號(hào)、湘晚秈13號(hào)、金優(yōu)59等3個(gè)品種表現(xiàn)最為突出（表4），推薦為應(yīng)急性鎘低積累品種。

2015年21個(gè)土壤濃度試驗(yàn)點(diǎn)結(jié)果基本一致，部分品種在各試驗(yàn)點(diǎn)均表現(xiàn)出較低的糙米鎘含量（表5、表6）。沿用2014年篩選推薦標(biāo)準(zhǔn)，推薦早稻品種株兩優(yōu)729、株兩優(yōu)706、兩優(yōu)早17、株兩優(yōu)211、株兩優(yōu)15、潭兩優(yōu)215、湘早秈42號(hào)等個(gè)品種推薦為早稻應(yīng)急性鎘低積累品種，晚稻推薦H優(yōu)518、C兩優(yōu)7號(hào)、豐源優(yōu)272、中優(yōu)9918、金優(yōu)284、湘菲優(yōu)8118、兩優(yōu)336、C兩優(yōu)266等品種推薦為晚稻應(yīng)急性鎘低積累品種。

表5 2015年應(yīng)急性鎘低積累早稻品種平均稻米鎘含量 （mg/kg）

表6 2015年應(yīng)急性鎘低積累晚稻品種平均稻米鎘含量 （mg/kg）

應(yīng)急性鎘低積累品種多個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)平均稻米鎘含量低，較其他品種表現(xiàn)出鎘低積累特性，但在部分試驗(yàn)點(diǎn)稻米鎘含量卻高于其他品種，表明不同品種稻米鎘含量受環(huán)境影響，其在大田環(huán)境下的環(huán)境適應(yīng)性仍需驗(yàn)證。

2.2 應(yīng)急性鎘低積累水稻品種大田驗(yàn)證

2.2.1 2015年應(yīng)急性鎘低積累水稻品種大田驗(yàn)證 應(yīng)急性鎘低積累水稻品種大田驗(yàn)證設(shè)多品種常規(guī)管理與VIP管理驗(yàn)證兩大內(nèi)容，供試品種為篩選得到的應(yīng)急性低鎘品種和1個(gè)對(duì)照品種。

從圖1中可以看出，2015年在常規(guī)栽培模式下，對(duì)照品種最高糙米鎘含量達(dá)0.566 mg/kg，其余品種平均都在0.400 mg/kg以下，幅度為0.315～0.362 mg/kg；VIP模式下，對(duì)照品種及湘晚秈45號(hào)的平均糙米鎘含量均超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（0.200 mg/kg），分別為0.222 mg/kg和0.233 mg/kg，其余品種平均糙米鎘含量均低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，幅度為0.064～0.129 mg/kg；通過(guò)VIP管理模式，6個(gè)品種的鎘含量大幅度降低，降幅為35.2%～82.3%，其中，湘早秈45號(hào)糙米鎘含量雖然降幅達(dá)35.2%，但平均糙米鎘含量仍然超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，可以認(rèn)為該品種屬于穩(wěn)定中等偏低型，品種的鎘富集受水分和土壤pH值的影響較小，糙米鎘含量相對(duì)穩(wěn)定。

晚稻品種鎘含量高于早稻，常規(guī)管理模式下，湘晚秈12號(hào)和金優(yōu)59糙米鎘含量相對(duì)較低，但也超過(guò)了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（0.200 mg/kg），但未超過(guò)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（0.400 mg/kg），對(duì)照品種超標(biāo)嚴(yán)重，達(dá)到了0.658 mg/kg；VIP管理模式下，湘晚秈12號(hào)和金優(yōu)59兩品種鎘含量仍最低，平均稻米鎘含量分別為0.181 mg/kg和0.143 mg/kg，湘晚秈13號(hào)平均稻米鎘含量為0.230 mg/kg，仍未達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；通過(guò)VIP管理模式，4個(gè)品種的鎘含量大幅度降低，降幅為21.8%～63.0%。

2.2.2 2016年應(yīng)急性鎘低積累水稻品種大田驗(yàn)證2016年雙季稻應(yīng)急性鎘低積累水稻品種大田驗(yàn)證品種總數(shù)增加，早稻為12個(gè)，晚稻13個(gè)，同時(shí)設(shè)置中輕度、重度污染區(qū)驗(yàn)證試驗(yàn)。不同水稻品種在不同污染區(qū)的稻米鎘含量有較大差異，如表7所示。中輕度污染區(qū)雙季稻平均稻米鎘含量在0.059～0.343 mg/kg之間，其中VIP管理下，平均稻米鎘含量在0.059～0.211 mg/kg之間，常規(guī)管理各試驗(yàn)點(diǎn)稻米鎘含量均高于VIP管理，在0.174～0.343之間；重度污染下，常規(guī)管理鎘含量嚴(yán)重超標(biāo)，早稻株洲試驗(yàn)點(diǎn)最高達(dá)2.613 mg/kg。通過(guò)VIP管理，稻米平均鎘含量為0.139～0.218 mg/kg，基本能達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 2015年應(yīng)急性鎘低積累水稻品種大田驗(yàn)證

表7 2016年不同試驗(yàn)點(diǎn)大田驗(yàn)證平均稻米鎘含量 （mg/kg）

2016年早稻驗(yàn)證品種在中輕度污染區(qū)兩種管理模式稻米鎘含量均未超標(biāo)（圖2），但對(duì)照品種常規(guī)管理模式在衡陽(yáng)、湘鄉(xiāng)、湘陰3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)存在超標(biāo)現(xiàn)象，且中輕度污染區(qū)平均稻米鎘含量達(dá)到0.200 mg/kg，存在超標(biāo)的危險(xiǎn)。鎘低積累品種稻米鎘含量較低，常規(guī)管理下，較對(duì)照品種低0.2%～25.0%；重度污染區(qū)常規(guī)管理下，稻米鎘含量超標(biāo)嚴(yán)重，最高達(dá)1.256 mg/kg，最低為1.074 mg/kg，鎘低積累品種與對(duì)照品種無(wú)差異。VIP管理模式下，中嘉早17、株兩優(yōu)729、湘早秈42號(hào)、株兩優(yōu)189、湘早秈45號(hào)、兩優(yōu)早17等品種表現(xiàn)良好，較對(duì)照品種低15.5%～28.2%。

晚稻品種稻米鎘污染狀況較早稻嚴(yán)重（圖3），中輕度污染區(qū)常規(guī)管理下，參試品種均超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，但除對(duì)照品種（0.500 mg/kg）外，并未超過(guò)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)0.400 mg/kg。鎘低積累品種較對(duì)照品種低20.3%～45.3%，鎘低積累特性明顯。通過(guò)VIP管理模式，各品種鎘含量大幅度降低，其中湘晚秈12號(hào)、湘晚秈13號(hào)、H優(yōu)518、金優(yōu)59、金優(yōu)498等品種鎘含量均低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)0.200 mg/kg，較對(duì)照品種降幅29.2%～45.3%，表現(xiàn)良好；重度污染區(qū)常規(guī)管理下，稻米鎘含量超標(biāo)嚴(yán)重，對(duì)照品種最高達(dá)2.293 mg/kg，最低金優(yōu)59為1.074 mg/kg。VIP管理模式下，對(duì)照品種稻米鎘含量最高達(dá)0.563 mg/kg，應(yīng)急性鎘低積累品種較對(duì)照降幅在56.6%～76.0%之間。

圖2 2016年應(yīng)急性鎘低積累早稻品種大田驗(yàn)證

圖3 2016年應(yīng)急性鎘低積累晚稻品種大田驗(yàn)證

總體上，通過(guò)推廣應(yīng)急性鎘低積累水稻品種，基本能保證中輕度污染區(qū)稻米生產(chǎn)安全，重度污染區(qū)通過(guò)結(jié)合水分管理及酸度調(diào)整等栽培技術(shù)，能夠保證稻米鎘含量達(dá)到到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，保證糧食安全。

3 結(jié)論與討論

作物對(duì)鎘的吸收和積累存在基因型差異，篩選鎘低吸收品種為在輕度鎘污染土壤上持續(xù)生產(chǎn)質(zhì)量安全產(chǎn)品提供了有效可行的途徑。截至2016年底，課題組面向社會(huì)廣泛征集雙季稻品種285個(gè)，共篩選出應(yīng)急性鎘低積累水稻品種25個(gè)，其中早稻品種12個(gè)，晚稻品種13個(gè)，稻米鎘低積累特性?xún)?yōu)于其他品種。

由于水稻對(duì)重金屬的吸收和積累存在基因型差異，同時(shí)也受環(huán)境影響，即基因型與環(huán)境因子共同影響水稻籽粒的重金屬含量[5]，對(duì)篩選得到的應(yīng)急性鎘低積累水稻品種進(jìn)行大田驗(yàn)證，結(jié)果表明，通過(guò)推廣應(yīng)急性鎘低積累水稻品種，基本能保證中輕度污染區(qū)稻米生產(chǎn)安全，但在重度污染區(qū)常規(guī)管理下，鎘低積累品種稻米鎘含量較對(duì)照品種低，但也嚴(yán)重超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，鎘低積累特性表現(xiàn)不顯著。通過(guò)結(jié)合水分管理及酸度調(diào)整等栽培技術(shù)，能夠保證稻米鎘含量達(dá)到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，保證糧食安全。

參考文獻(xiàn)：

[1] 崔玉靜，趙中秋，劉文菊，等. 鎘在土壤-植物-人體系統(tǒng)中遷移積累及其影響因子[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2003，23（10）：2133-2143.

[2] 王凱榮. 我國(guó)農(nóng)田鎘污染現(xiàn)狀及其治理利用對(duì)策[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)，1997，16（6）：35-39.

[3] 串麗敏，趙同科，鄭懷國(guó)，等. 土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2014，37（S2）：213-222.

[4] 詹 杰，魏樹(shù)和，牛榮成. 我國(guó)稻田土壤鎘污染現(xiàn)狀及安全生產(chǎn)新措施[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2012，31（7）：1257-1263.

[5] 滕振寧，張玉燭，方寶華，等. 用AMMI雙標(biāo)圖分析早稻稻米鎘含量的基因型與環(huán)境互作效應(yīng)[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2016，25（4）：692-697.

[6] 曾 翔. 水稻鎘積累和耐性機(jī)理及其品種間差異研究[D]. 長(zhǎng)沙：湖南農(nóng)業(yè)大學(xué).

[7] GB/T 5009.15—2014，食品中鎘的測(cè)定[S].

[8] NY/T 1377—2007，土壤pH的測(cè)定[S].

[9] GB/T 17141—1997，土壤質(zhì)量 鉛、鎘的測(cè)定 石墨爐原子吸收分光光度法[S].

[10] GB/T 23739—2009，土壤質(zhì)量 有效態(tài)鉛和鎘的測(cè)定 原子吸收法[S].