稻米鎘積累的土壤酸堿度穩(wěn)定性研究

方寶華，戴 力，方建林，曹清春，張玉燭，柏連陽

（1.湖南省水稻研究所，湖南 長沙 410125；2. 湘潭市農(nóng)科所，湖南 湘潭 411134；3. 衡陽市農(nóng)科所，湖南 衡陽 421101；4.湖南雜交水稻研究中心，湖南 長沙 410125；5. 湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，湖南 長沙 410125）

不同基因型的水稻品種之間存在著一定的鎘積累差異，利用水稻的這一天然特性，從已育成品種中篩選或新培育出低鎘積累品種并進(jìn)行推廣應(yīng)用，可以簡單、高效地緩解中輕度鎘污染地區(qū)的稻米鎘含量超標(biāo)問題，為水稻綠色生產(chǎn)技術(shù)體系提供重要的技術(shù)支撐。水稻的鎘低積累特性的表達(dá)，除受到水稻自身的遺傳因素調(diào)控之外，還受到環(huán)境因素以及環(huán)境與基因互作的影響[1]。眾多的環(huán)境因素均能影響低鎘水稻品種鎘低積累特性的表達(dá)，比如大氣溫度、濕度、土壤水分、pH值、Eh值和有機(jī)質(zhì)含量，以及各種農(nóng)藝栽培措施[2-6]。其中土壤pH值是影響水稻植株鎘吸收和稻米鎘含量的一個(gè)重要環(huán)境因素。早期研究發(fā)現(xiàn)，土壤pH主要通過影響Cd的水解、與H+的互作以及表面吸附—解吸附類型來對土壤鎘的吸附量起作用，從而影響土壤溶液中的有效態(tài)鎘含量，進(jìn)一步影響植物鎘吸收[7]。通過向鎘污染稻田中撒施生石灰、硅肥以及鉀長石等土壤調(diào)理劑可以在一定程度上提高土壤pH值，促進(jìn)土壤溶液中的Cd2+吸附沉淀，減少土壤溶液中有效鎘含量，從而減少水稻鎘吸收量和糙米中的鎘積累量[8-10]。此外長期淹水灌溉能夠提高土壤pH值[11]。雖然當(dāng)前已有報(bào)道明確了酸性條件有利于土壤鎘的釋放，提高鎘在水—土界面的遷移能力和土壤溶液中有效態(tài)鎘含量，堿性條件則相反，但是對于不同的pH環(huán)境對水稻低鎘積累特性以及其表達(dá)穩(wěn)定性的影響如何還鮮有明確的報(bào)道。

因此，為了探索不同酸堿度土壤環(huán)境對水稻鎘低積累特性穩(wěn)定表達(dá)的影響，筆者在課題組多年的鎘低積累水稻品種篩選的工作基礎(chǔ)上，對已選出的一批鎘低積累早、晚稻品種進(jìn)行了多點(diǎn)的低鎘積累特性土壤酸堿度穩(wěn)定性驗(yàn)證試驗(yàn)。現(xiàn)將試驗(yàn)結(jié)果報(bào)道如下，希望能夠?yàn)殒k低積累水稻品種的栽培應(yīng)用以及新品種的選育提供理論和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試水稻品種均為課題組多年來篩選出的鎘低積累品種，具體見表1。2 a共累計(jì)使用早、晚稻鎘低積累品種13和14個(gè)（年際間重復(fù)使用的品種僅計(jì)數(shù)1次）。各年各點(diǎn)所使用供試土壤均來自于不同程度鎘污染稻田的耕層土（表層20 cm深度土壤），其鎘含量背景值和pH值狀況見表2。

表1 參試品種名單

表2 供試土壤調(diào)酸前的鎘含量及pH值

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2015～2016年在衡陽市農(nóng)科所（HY）和湘潭市農(nóng)科所（XT）的塑料溫室大棚內(nèi)采用土壤盆栽法進(jìn)行。供試土壤經(jīng)曬干后用粉碎機(jī)粉碎，然后加入肥料，肥料用量為早稻施用純氮9 kg，晚稻施用純氮10 kg，N、P、K比例分別為1∶0.5∶0.8，基肥N、P、K分別占總量的50%、100%和40%，分蘗肥在移栽后7 d使用。基肥施入后用攪拌機(jī)充分混勻后裝盆，每盆裝土18 kg。之后進(jìn)行土壤pH值調(diào)節(jié)。

從移栽前30 d開始調(diào)節(jié)土壤pH值；將土壤裝入大塑料盆中，分別用H2SO4和NaOH將pH值調(diào)為3.0、4.0、5.0、6.0、7.0和8.0共6個(gè)水平。調(diào)節(jié)步驟為：用H2SO4和NaOH配成pH值分1.0、2.2、3.4、4.6、7.0和9.2的溶液，將干土加入到相同體積的溶液中，每5 d用土壤pH計(jì)檢測，并用H2SO4和NaOH溶液進(jìn)行微調(diào)，直到基本穩(wěn)定。移栽之后，用pH值分別為3.0、4.0、5.0、6.0、7.0和8.0的水進(jìn)行灌溉，并每2 d用土壤pH計(jì)檢測與記錄土壤的pH值，并用HCl和NaOH進(jìn)行微調(diào)。各不同pH值處理間按隨機(jī)區(qū)組法排列，每個(gè)處理重復(fù)3次。

供試品種的種子發(fā)往各試驗(yàn)點(diǎn)育苗移栽，早稻采用秧田小拱棚保溫濕潤育秧，3月28日左右（年際間略有變動）播種，4月28日左右移栽；晚稻采用濕潤育秧，根據(jù)早、中、晚熟的不同分別在6月10日、16日、22日左右分期分批播種，7月12日左右移栽。每盆栽4株，常規(guī)稻每株栽插4苗，雜交稻每株栽插2苗。

追肥時(shí)將肥料用灌溉的純水充分溶解后定量分別施到各盆內(nèi)。病蟲害防治等其余管理措施參考當(dāng)?shù)氐乃驹耘喙芾砑夹g(shù)進(jìn)行。

1.3 取樣與分析

土樣：分別于移栽前（調(diào)酸前）、移栽后20 d、移栽后40 d、抽穗期、成熟期采集所有盆的土壤樣品。取樣時(shí)從各盆中用取樣器采集全深度的土壤，再將4次重復(fù)混合成一個(gè)樣（濕樣），用干凈塑料袋裝好，風(fēng)干后碾壓粉碎，過篩后用干凈自封袋封裝。采用氫氟酸—高氯酸—硝酸消解法消解和石墨爐原子分光光度法測定土壤全鎘含量和有效鎘含量。另外使用電位法測定土壤懸液的pH值。2016年早、晚稻衡陽點(diǎn)每個(gè)pH值處理取了4個(gè)樣，湘潭點(diǎn)每個(gè)處理取了13個(gè)樣。

水樣：于灌溉期間，隨機(jī)取100 mL水樣，用干凈玻璃瓶裝好。使用石墨爐原子分光光度法檢測其鎘含量，電位法測定pH值。

稻谷樣：當(dāng)90%的谷粒變黃時(shí)，分品種分重復(fù)收獲，曬干后使用小型膠輥礱谷機(jī)脫殼，然后將糙米使用萬能粉碎機(jī)粉碎后裝入干凈的自封袋中封存以備檢測其中的鎘含量。糙米鎘含量檢測使用濃硝酸—高氯酸（v∶v=4∶1）混酸法進(jìn)行消化，然后使用石墨爐原子吸收分光光度法檢測。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用DPS v7.05和Excel 2003軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析和作圖。按多因素隨機(jī)區(qū)組法進(jìn)行方差分析并求得各組數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差和均值，以變異系數(shù)（CV=標(biāo)準(zhǔn)差s/均值x×100%）表示鎘積累穩(wěn)定性，CV值越小表示鎘積累穩(wěn)定性越強(qiáng)，即品種鎘積累受土壤酸堿度的影響越小，反之則越不穩(wěn)定，受影響越大。以某一品種在6種不同pH值調(diào)節(jié)溶液處理下糙米鎘積累量變異系數(shù)的平均值作為該品種的變異系數(shù)來與其他品種進(jìn)行比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 pH值調(diào)節(jié)處理?xiàng)l件下土壤實(shí)際pH值及有效鎘含量的變化

綜合水稻生長過程中幾個(gè)關(guān)鍵時(shí)期——移栽后20 d、移栽后40 d、抽穗期和成熟期的土壤檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，全生育期持續(xù)使用pH值為3～8的酸或堿溶液（鹽酸和NaOH溶液）處理，可以使土壤pH值與調(diào)酸前（表 2）相比發(fā)生 -0.58～0.67（早稻）、-0.57～0.98（晚稻）的高低變化，各處理的土壤實(shí)際pH值基本保持在5.60～7.46之間（表3）。土壤有效鎘含量則與調(diào)酸前相比升高或降低了0.3%～12.9%（早稻）、-18.5%～-5.5%（晚稻）。

表3 不同pH值調(diào)節(jié)處理下的土壤實(shí)際pH值和有效鎘含量差異

各處理之間的土壤實(shí)際pH值存在著極顯著差異（表3），基本表現(xiàn)為隨著調(diào)控溶液pH值的升高而升高，但是并沒有達(dá)到預(yù)期pH3.0～8.0的調(diào)控目的值，這可能與土壤本身具有的強(qiáng)大緩沖功能有關(guān)。土壤有效鎘含量隨著調(diào)控溶液pH值的升高，衡陽點(diǎn)的早稻和湘潭點(diǎn)晚稻出現(xiàn)了降低趨勢，而衡陽點(diǎn)的晚稻和湘潭點(diǎn)的早稻卻發(fā)生了升高，對于升高的原因當(dāng)前還無法解釋清楚，仍有待于進(jìn)一步的研究。

2.2 早稻品種米鎘積累的土壤酸堿度穩(wěn)定性

2015～2016年間，使用pH值分別為3.0、4.0、5.0、6.0、7.0和8.0的酸或堿溶液調(diào)控處理水稻盆栽土壤時(shí)，各早稻品種在不同pH值條件下的米鎘積累變異系數(shù)CV間存在著較大差異，其CV值分布范圍為：36.36%～97.08%（見圖1）。其中CV值最小的品種是株兩優(yōu)15，其次為株兩優(yōu)211（CV=40.66%），最大的品種是湘早秈32號，說明株兩優(yōu)15和株兩優(yōu)211的米鎘積累量受土壤pH值的影響相對較小，而湘早秈32號受影響相對較大，其余品種則處于其中間。

2.3 不同土壤酸堿度條件下早稻品種米鎘積累量的差異

2015～2016年間，使用6種不同pH值的酸、堿溶液調(diào)控土壤pH值時(shí)，各早稻品種的糙米鎘含量基本表現(xiàn)為：以pH值為5.0和6.0的溶液處理時(shí)的米鎘積累量相對最大，pH值越向兩級，米鎘含量相對越低（見圖2）。同時(shí)，各pH值處理下的所有早稻品種的米鎘含量均低于0.2 mg/kg的國家安全標(biāo)準(zhǔn)值。

圖1 不同土壤酸堿度條件下各早稻品種米鎘積累量的變異系數(shù)

圖2 不同土壤酸堿度條件下早稻品種的米鎘含量

2.4 晚稻品種米鎘積累的土壤酸堿度穩(wěn)定性

2015～2016年間，使用pH值分別為3.0～8.0的酸或堿溶液調(diào)控處理水稻盆栽土壤時(shí)，各晚稻品種在不同pH值條件下的米鎘積累變異系數(shù)CV間也存在著較大差異，其CV值分布范圍為：40.65%～98.91%（見圖3）。其中CV值最小的品種是兩優(yōu)336（CV=40.65%），其次為金優(yōu)284（47.73%），相對最大的品種是湘晚秈12號（98.91%）和金優(yōu)59（96.85%），說明株兩優(yōu)336和金優(yōu)284的米鎘積累量受土壤pH值的影響相對較小，而湘晚秈12號和金優(yōu)59受影響相對較大，其余品種處于其中間。

圖3 不同土壤酸堿度條件下各晚稻品種米鎘積累量的變異系數(shù)

2.5 不同土壤酸堿度條件下晚稻品種米鎘積累量的差異

2015～2016年間，使用6種不同pH值的酸、堿溶液調(diào)控土壤pH值時(shí)，各晚稻品種的糙米鎘含量同樣表現(xiàn)為：以pH值為5.0和6.0的溶液處理時(shí)的米鎘積累量相對最大，pH值越向兩級，米鎘含量相對越低（見圖4）。同時(shí)，各pH值處理下的所有晚稻品種的米鎘含量均低于0.2 mg/kg的國家安全標(biāo)準(zhǔn)值。

圖4 不同土壤酸堿度條件下晚稻品種的米鎘含量

3 結(jié)論與討論

綜上所述可以發(fā)現(xiàn)，pH值3.0～8.0的酸堿溶液的調(diào)控處理可以使土壤實(shí)際pH值大小保持在5.60～7.46之間（南方稻田土壤pH值范圍主要在5.5～8.0之間），各水稻品種在這一土壤pH值范圍內(nèi)的米鎘積累變異系數(shù)間的差別較大。13個(gè)早稻品種的CV值范圍為36.36%～97.08%，其中以株兩優(yōu)15（36.36%，CV最小）和株兩優(yōu)211（40.66%）的米鎘積累量受土壤pH值的影響相對較小，而湘早秈32號（97.08%）受影響相對較大；14個(gè)晚稻品種的CV則處于40.65%～98.91%之間，株兩優(yōu)336（40.65%）和金優(yōu)284（47.73%）的米鎘積累量受土壤pH值的影響相對較小，而湘晚秈12號（98.91%）和金優(yōu)59（96.85%）受影響相對較大。同時(shí)，各早、晚稻品種的糙米鎘含量均表現(xiàn)為：以pH值為5.0和6.0的溶液處理時(shí)的米鎘積累量相對最高，pH值越向兩級，米鎘含量相對越低。

由于研究是通過盆栽試驗(yàn)進(jìn)行的，而且在土壤調(diào)酸處理時(shí)盆中基本上長期處于淹水狀態(tài)，水分條件可能會對試驗(yàn)結(jié)果造成一定的影響，如使各處理間的稻米鎘含量差異不顯著，且含量非常低。如何減少水分對pH調(diào)控作用的干擾是下一步研究需要考慮的問題。這也從一定程度上體現(xiàn)出了稻田鎘污染防治研究的復(fù)雜性。

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