重金屬鎘在土壤-水稻中遷移轉化特征

張悅妍， 郭興強， 莫桂蘭， 秦信鳳

(貴州大學 資源與環境工程學院， 貴州 貴陽 550025)

0 引言

【研究意義】據《全國土壤污染狀況調查公報》顯示，中國土壤污染物總超標率為16.1%，其中鎘污染尤為嚴重，點位超標率達7.0%[1]，居重金屬污染物之首。在國家土地利用分類中，耕地是人類賴以生存的基本條件，耕地質量決定了我國糧食生產能力，然而其鎘污染狀況不容樂觀。近年來，全國土壤質量污染普查表明，我國部分地區存在鎘超標問題。我國受鎘污染的耕地面積約為27.86萬hm2[2]，占全國總耕地面積的20%[3]。鎘作為一種毒性高、遷移性強的金屬，極易轉化為營養覆蓋，最終進入食物鏈，且經營養級的傳遞，鎘的濃度能夠通過生物放大作用逐級增加。據統計，我國大田作物每年鎘含量超標的農產品高達146萬t[4]。大米消費量占中國每年消費谷物的一半以上[5]，是我國口糧中最主要的消費品種。據市場統計(2018年10月至2019年9月)，我國稻谷消費量為2.03億t，其中食用消費占比高達81.96%。然而，水稻極易吸收和富集鎘,因此，研究重金屬鎘在水稻各器官的積累量及其在土壤-水稻中的遷移轉化特征對控制稻米鎘污染，保障糧食生產安全具有重要現實意義。【前人研究進展】在各種飲食中，稻米是一般非吸煙人群飲食中Cd攝入量的最大貢獻者[6]。人體內的鎘元素沉積可導致嚴重的慢性疾病，包括骨損傷、肺癌、胃腸道腫瘤、腎臟損傷和肝臟疾病等，同時也可導致生殖系統、免疫系統、神經系統等病變，嚴重時具有致癌性和致畸性。此外，鎘與蛋白質分子結合后形成鎘-蛋白質，易導致人體對一些必需物質(脂質、糖分、蛋白)吸收受到抑制，從而導致威脅較大的急性病癥[7]的產生。稻米重金屬超標問題為人體健康帶來巨大隱患。在土壤pH 4.0～8.0，精米鎘含量與土壤有效鎘含量呈極顯著相關[8]；土壤鎘濃度對各器官鎘富集效率影響顯著，重度鎘污染土壤組各器官鎘富集系數及土壤-糙米的鎘轉運系數均顯著高于中輕度鎘污染土壤組[9]。【研究切入點】現有研究多是從土壤或水稻的單一角度研究鎘污染，從土壤-水稻系統角度研究也有一些報道。已有研究表明，水稻各器官的富集程度及土壤-水稻系統中各部位間轉運效率均受土壤鎘脅迫程度影響[9]，但不同鎘污染土壤條件下，鎘在土壤-水稻中的遷移轉化規律仍需進一步研究。【擬解決的關鍵問題】通過人工模擬鎘污染盆栽試驗，選取分蘗期和成熟期的水稻，設置4種濃度梯度，探究不同鎘污染土壤條件下水稻各器官的鎘富集能力及土壤-水稻系統各部分間轉運特征，分析水稻對鎘的響應機制，旨在為更好地控制水稻中的鎘含量及保障糧食生產安全提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

供試土壤采自貴州大學周邊農田，土樣為黃壤土。供試稻為粳稻，種子來自貴州大學資源與環境工程學院。試劑為鎘標液，上海市計量測試技術研究院提供。硝酸、過氧化氫及高氯酸，均為優級純，川東化工公司生產。儀器設備包括MARS6高通量密閉微波消解儀(美國培安)，X2電感耦合等離子體質譜儀(美國賽默飛世爾科技)。供試試驗盆直徑20 cm、高20 cm。

1.2 方法

1.2.1 材料預處理

1) 土壤。將土壤以外源加鎘方式進行預處理，分別控制土壤鎘含量為0.3 mg/kg(輕微污染)、0.6 mg/kg(輕度污染)、0.9 mg/kg(中度污染)及1.5 mg/kg(重度污染)4個污染水平，經預處理的土壤陳化1周后裝盆，每盆裝土5 kg，然后1盆移栽1株幼苗，備用。

2) 水稻。水稻預先在貴州大學資源與環境工程學院進行田間育苗，篩選長勢一致，正常生長的幼苗期水稻備用。

1.2.2 試驗設計 試驗設5個處理，將土壤以外源加鎘方式進行預處理，分別控制土壤鎘含量為0.3 mg/kg(輕微污染)、0.6 mg/kg(輕度污染)、0.9 mg/kg(中度污染)及1.5 mg/kg(重度污染)4個污染水平，以自然土壤作為對照(CK)。每個濃度4盆(4個平行)，加上空白對照合計20盆。試驗在貴州大學資源與環境工程學院進行，濕度、光照及溫度等均為自然條件。肥料選用甲殼素納米硅肥，統一采用自來水進行灌溉，全生育期保持土壤淹水2～4 cm。盆栽期間施肥與病蟲害防治與當地田間管理措施一致。

1.2.3 樣品采集與預處理

1) 樣品采集。試驗共采樣2次，分別在水稻分蘗期(生長43 d)和成熟期(生長110 d)進行。每次采樣均隨機選取一組包含各濃度水平的盆栽，進行水稻植株和根際土壤的收集。植株分為地下部分、地上部分及籽粒(成熟期)，采集的樣品依次用自來水和超純水洗凈后自然風干。植物樣品和土壤樣品分別用粉碎機和研缽磨碎，同一試驗盆中樣本同一部位磨碎處理后混合均勻并裝入密封袋保存待測。

2) 樣品預處理。土壤樣品：稱取0.1 g左右待測土樣置于消解罐中，加入6 mL優級純硝酸和2 mL過氧化氫，送入微波消解儀進行消解，待樣品完全冷卻后，加入1 mL高氯酸。將消解罐放入BHW-09C恒溫加熱器趕酸，待罐中僅剩1～2 mL溶液時，將樣品轉移至50 mL容量瓶中定容。植物樣品：稱取0.5 g左右待測植物樣品置于消解罐中，加入5 mL優級純硝酸，預反應12 h后，加入3 mL過氧化氫，送入微波消解儀進行消解。將消解后的樣品放入BHW-09C恒溫加熱器趕酸，待消解罐中僅剩2～3 mL溶液時，將樣品轉移至50 mL容量瓶中定容。

1.2.4 指標測定 植物及土壤鎘含量均采用ICP-MS進行測定。計算水稻植株不同部位鎘的濃度，然后根據濃度計算富集系數(BCF)，鎘在土壤-水稻系統中的遷移能力用轉運系數(TF)表示。

BCF=CP/CS

TFx-y=Cy/Cx

式中，BCF表示植株中某一器官對鎘的富集系數；CP代表該器官的鎘含量；CS代表土壤全鎘含量[10]；x和y分別代表土壤-水稻系統中的某一組成部分(土壤、根系、莖葉、糙米)；TFx-y代表鎘從x轉運至y的轉運系數；Cx、Cy分別代表2個部分中的鎘含量[11]。

1.3 數據統計與分析

采用Excel 2010和Oringin 2010對數據進行統計分析與制圖。

2 結果與分析

2.1 不同鎘污染程度土壤和水稻各器官的鎘含量

從表1看出，土壤鎘污染程度對水稻各器官鎘積累量的影響較明顯。隨著鎘脅迫濃度的增加，水稻各器官鎘含量相應增加(分蘗期莖葉除外)，植株鎘積累量明顯增大。土壤鎘污染程度每升高1個等級，植株鎘積累量平均提高至上一級的2倍左右。重度污染(1.5 mg/kg)條件下，水稻分蘗期和成熟期植株鎘含量分別為對照(0 mg/kg)的11.58倍和20.22倍。分蘗期植株鎘含量顯著高于成熟期，在輕微、輕度、中度和重度鎘污染條件下，分蘗期植株鎘積累量分別為成熟期的3.19倍、1.41倍、1.12倍和2.05倍。

表1 不同鎘污染程度土壤和水稻各器官的鎘含量

成熟期同一水稻植株中不同器官的鎘含量均為根系>莖葉>糙米。在成熟植株中，水稻根系對植株鎘積累量的貢獻最大，其鎘含量占整個水稻植株的56.53%～85.54%；其次為水稻莖葉中的鎘，占比為13.06%～39.35%，成熟期糙米中的鎘含量占比僅為植株鎘積累量的1.40%～4.33%。

2.2 鎘在水稻植株中的富集特征

從圖1看出，不同濃度鎘脅迫土壤條件下水稻根、莖、葉和糙米中鎘富集系數的變化。

圖 1 不同鎘污染程度水稻分蘗期和成熟期各器官鎘的富集系數

2.2.1 分蘗期 隨著鎘污染程度增大，根系和莖葉的鎘富集系數均呈先升后降再升趨勢，且均表現為相同污染程度時根系的鎘富集系數明顯較莖葉的高。水稻植株根系與地上部分的鎘富集系數隨鎘脅迫濃度的變化趨勢呈大體一致，但二者與鎘脅迫濃度未表現出相關性。

2.2.2 成熟期 水稻根系及地上部分對鎘的富集系數均表現為在鎘脅迫濃度范圍為0.3～0.9 mg/kg時，隨鎘脅迫濃度增大，根系和莖葉的鎘富集系數均呈先升后降趨勢，即在中度鎘污染時達最高，然后下降；根系的變幅較大，莖葉的變幅較小。糙米鎘富集系數呈先降后升趨勢，變幅較小；其每提升1個污染等級，稻米對鎘的富集系數平均增加至前一等級的1.7倍左右。重度鎘污染土壤條件下，稻米對鎘的富集系數為輕微鎘污染土壤條件下的3.92倍。5種不同鎘污染程度的土壤條件下，同一水稻植株內，各器官鎘富集系數均相同，均呈糙米<莖葉<根系。其中，植株根系的鎘富集能力明顯高于植株地上部分，其平均為地上部分的4倍。水稻生育期及土壤鎘污染程度對水稻各器官鎘富集能力大小的一般規律未產生明顯影響。

2.3 鎘在土壤-水稻系統中的遷移特征

從表2看出，除成熟期樣品中的輕微污染土壤組外，土壤-水稻系統各部分間轉運系數均表現為TF土壤-根系>TF根系-莖葉>TF莖葉-稻米，且不同環節數值差距較大，成熟期土壤至根系的轉運系數均值分別為根系至植株地上部分以及植株地上部分至稻米的3.14倍和10.89倍。鎘脅迫濃度與土壤-水稻系統各部分間轉運系數無明顯相關性。

表2 不同鎘污染程度鎘在土壤-水稻系統各部分間的轉運系數

2.3.1 分蘗期 對于分蘗期的水稻植株，土壤-根的轉運系數及根-地上部分的轉運系數變化趨勢相似，均呈先升后降再升趨勢，且在輕度污染時達最大值，分別為2.180 3和0.300 8；土壤-根的轉運系數在中度污染條件下最低，為1.294 2；根-地上部分的轉運系數在輕微污染條件下最低，為0.049 1。

2.3.2 成熟期 對于成熟期的水稻植株，土壤-根的轉運系數及根-地上部分的轉運系數呈完全相反的變化趨勢。土壤-根的轉運系數在輕微鎘污染土壤條件下最小，為0.221 8；隨鎘脅迫濃度增加轉運系數增大，在中度污染條件達最大值，為3.582 5；之后呈減小趨勢。根-地上部分的轉運系數則在輕微鎘污染土壤條件下最大，為0.696 1；隨鎘脅迫濃度增加轉運系數減小，在中度污染條件下達最小值，為0.152 6；之后呈增大趨勢。莖葉-稻米的轉運系數鎘脅迫濃度較小時呈現短暫的下降趨勢，而在鎘脅迫濃度為0.6～1.5 mg/kg時隨污染程度增大而增加。

3 討論

研究結果表明，隨著土壤鎘脅迫濃度的增加，水稻植株鎘積累量明顯增大，二者呈絕對正相關。與史靜等[12-13]的研究結果基本一致。此外，水稻分蘗期植株鎘含量顯著高于成熟期，原因在于：一方面水稻在生長前期吸收的鎘會隨著生長發育而損失掉一部分[14]，故成熟期植株中鎘含量低于分蘗期；另一方面，分蘗期為水稻的生長階段，需要大量的外部營養，有害元素鎘與營養元素一起被主動吸收，從而導致植株中鎘含量較高[15]。此外，成熟期同一水稻植株中不同器官的鎘含量均為根系>莖葉>糙米。對此規律，有研究認為，相比于必需元素和水分，鎘在水稻植株體內的遷移速度很慢[16-17]。體現出水稻細胞對必需元素和有害元素存在一定的辨識能力，對Cd的跨膜運輸以及在組織間的轉運有明顯的攔截作用。水稻各器官在構造上的差異決定了其組控功能的不同，進而導致鎘由根系向地上部轉運過程中轉運強度和速率的不同以及水稻不同器官對鎘積累量的差異。

稻米中含鎘的主要原因是土壤中的鎘經由質外體途徑和共質體途徑被水稻根系吸收富集后因蒸騰作用和根壓向上遷移，而遷移至莖葉中的鎘將通過稻穗穗軸中的維管束進行匯聚后一并轉運至稻米[18]，故水稻稻米對Cd的積累主要取決于整個過程中的鎘的遷移能力以及各部分間轉運鎘的難易程度。吳照祥等[19]提出，重金屬在植物組織分布特征基本遵從自下而上逐漸降低的規律。莫爭等[20]認為，重金屬在水稻植株內分布的一般規律是在新陳代謝旺盛器官的積累量大于營養貯藏器官中的積累量，根、莖、葉、籽粒各器官中的鎘積累量依次減小。周鴻凱等[21]研究表明，水稻植株器官中Cd分布情況大致為糙米<莖<葉<鞘<根，而馮蓮蓮等[22]的研究顯示，Cd在各組織中的含量分別表現為糙米<葉<莖<根。該研究結果與上述研究結果基本一致。研究結果表明，5種不同鎘污染程度的土壤條件下，同一水稻植株內，各器官鎘富集系數均相同，均呈糙米<莖葉<根系。

周靜等[9，23]對水稻各器官鎘富集能力的研究表明，水稻植株各個器官對鎘富集能力的大小順序均為根系>莖稈>葉>糙米，與該研究結論基本一致。水稻各部位的轉運能力和富集能力是造成稻米Cd含量差異的主要原因。有研究表明，造成籽粒富集能力低于根系的原因之一為進入根部的重金屬首先與蛋白質、多糖類和核酸等物質結合，然后向植株地上部分轉移，重金屬通過木質部導管、韌皮部運輸進入籽粒的過程需要消耗能量，而距離越遠的器官越難以運輸[17]。在植株成熟期，水稻根系及地上部分對鎘的富集系數均隨鎘脅迫濃度的增加而增大，在中度鎘污染土壤組達到最高值后呈下降趨勢。原因可能是隨著鎘濃度的提高，鎘的遷移轉化能力逐漸趨于穩定或達到平衡。莖葉-稻米的轉運系數鎘脅迫濃度較小時呈短暫的下降趨勢，而在鎘脅迫濃度為0.6～1.5 mg/kg時隨污染程度增大而增加，究其原因可能是Cd在土壤-水稻系統中的轉運規律受植物本身遺傳特性及鎘存在形態等多種因素共同作用的影響，而此次試驗并未排除其他因素的影響，僅以控制鎘脅迫濃度為唯一控制變量。

4 結論

隨鎘脅迫濃度增加，水稻鎘積累量顯著增大，其規律表現為重度污染(1.5 mg/kg)>中度污染(0.9 mg/kg)>輕度污染(0.6 mg/kg)>輕微污染(0.3 mg/kg)>對照(0 mg/kg)。分蘗期水稻植株鎘含量顯著高于成熟期水稻植株鎘含量；水稻各器官對鎘的富集能力大小順序均表現為根系>莖葉>糙米，此規律不受水稻生育期及土壤鎘污染程度的影響；對于成熟期水稻植株，重金屬鎘在水稻各器官的富集能力與土壤鎘脅迫濃度整體上呈正相關。重度鎘污染土壤條件對水稻根系和莖葉器官的富集能力表現出一定抑制作用；Cd 在土壤-水稻系統中的轉運規律受多種因素共同作用的影響。土壤-水稻系統各部分間轉運系數表現為TF土壤-根系>TF根系-莖及葉>TF莖及葉-稻米，而鎘脅迫濃度與土壤-水稻系統各部分間轉運系數無明顯相關性。