鎘脅迫下低吸收水稻品種中鎘的轉移系數和分布特征

賈軍偉，陳振華，廖詩彥，駱文軒，徐煒杰，鐘 斌，馬嘉偉，葉正錢，柳 丹

（1. 浙江農林大學 省部共建亞熱帶森林培育國家重點實驗室，浙江 杭州 311300；2. 浙江農林大學 浙江省土壤污染生物修復重點實驗室，浙江 杭州 311300；3. 景寧畬族自治縣農業農村局，浙江 景寧 323500）

肥料農藥的大量使用、化石燃料的燃燒、采礦和冶煉、城市廢物的處理以及污水污泥的產生等人為活動，導致土壤重金屬污染日趨嚴重[1-2]。2014年《全國土壤污染狀況調查公報》顯示：中國土壤總污染點超標率為16.1%，其中鎘污染點位超標率占總超標點位的7.0%[3]。水稻Oryza sativa是中國最主要的糧食作物之一，同時又是容易富集重金屬的糧食作物[4-5]，因此，在重金屬污染土壤中生產的稻米已成為重金屬進入人體的重要途徑之一[6]。有研究表明：人體過多的重金屬累積會損害腎小球和腎小管，降低骨密度，導致骨質疏松，增加癌癥風險等[7]。

為了緩解中國水稻土中廣泛存在的鎘污染，人們篩選和培育了低積累水稻品種[8]。在輕中度鎘污染農田土壤中種植低吸收鎘農作物，既具有經濟效益又保障了糧食安全生產，是目前安全利用污染農田的研究熱點[9-10]。據報道，不僅不同農作物吸收和積累重金屬鎘的能力存在差異，而且同一作物的不同品種之間也存在差異[11]。有研究表明：選擇并培育遺傳因子穩定的低吸收水稻品種，可作為重金屬鎘污染農田的安全來源[12]。通過試驗篩選出的低吸收水稻品種已經投入使用，并且取得了很好的種植效果[13]。但也有研究表明：諸如環境、施肥和水管理等農藝措施的差異都會對作物鎘的吸收和積累產生一定的影響[14-16]。因此，為了選擇適合當地環境種植的低吸收水稻品種，本研究在鎘污染地區農田中對5個水稻品種開展大田試驗，測定不同生育期內不同水稻品種的各項生長生理指標，并分析鎘在不同水稻品種植株中的積累和分布特征，為輕中度鎘污染耕地安全利用和糧食安全生產提供參考。

1 研究區域概況

水稻試驗大田位于浙江省麗水市景寧畬族自治縣某村，屬亞熱帶季風氣候，四季分明，存在著垂直地帶。年平均氣溫為18.3 ℃，年降水量為1 824.8 mm。年均日照時數為1 510.2 h。對水稻種植區土壤和農業生產進行摸底調查，全面掌握修復前各個地塊本底環境狀態以及相關歷史資料。通過實施區的摸排與試驗區塊的確認，在該村劃分出4 hm2的試驗區。該試驗區土壤pH為5.1，試驗區表層鎘超標率達99%，最高值為2.91 mg·kg-1，主要來源于大氣沉降、秸稈還田以及前幾年田塊附近開礦。

2 材料與方法

2.1 試驗材料與試驗設計

供試低吸收水稻品種為‘中浙優1號’‘Zhongzheyou 1’、‘中浙優8號’‘Zhongzheyou 8’、‘華浙優71’‘Huazheyou 71’、‘甬優17’‘Yongyou 17’和‘甬優1540’‘Yongyou 1540’，其種子均在當地種子專賣店統一采購。

供試水稻于2019年6月插秧種植。在選定的耕地里設置5個處理，每個處理3個重復，共15個小區，每個小區面積均為30 m2。小區試驗全部采用人工移栽的插秧方式，將不同水稻品種的種子播種于事先平整好的育秧地，按照不同品種劃分各自育秧地塊，在整個育秧階段通過常規農藝措施保證秧苗水肥供應。秧苗生長35～40 d進行大田移栽，株行距為25 cm×20 cm，每穴2～3株，淺插勻植。種植前按照600 kg·hm-2的復合肥作為基肥[復合肥品牌為稻香源，氮+五氧化二磷+氧化鉀質量分數≥50%，m(N)∶m(P)∶m(K)=25∶5∶20]。在秧苗移栽大田后10～15 d進行追肥，追肥采用150 kg·hm-2的尿素，其他水稻管理與當地常規管理模式保持一致。供試土壤為浙江省麗水市景寧畬族自治縣某村鎘污染地區土壤，供試耕地土壤的基本理化性質見表1。

表 1 供試土壤基本性質Table 1 Basic properties of tested soil

2.2 樣品采集與分析

2.2.1 樣品采集 根據HJ/T 166—2004《土壤環境監測技術規范》，采集耕作層0～20 cm的土樣[17]。為了使采集的土壤樣品更具代表性，盡量規避土壤本身空間分布不均造成的影響。采用多點取樣，再混合成1個混合樣品。每個樣品1.0 kg。采樣后帶回實驗室風干，磨細后，用10目和100目的篩子過篩后裝袋備用，用于測定大田土壤基本理化性質、全鎘質量分數及有效鎘質量分數[18]。

試驗過程中，分別在水稻分蘗期、拔節期、育穂期和成熟期采集土壤樣品及水稻樣品。采集后的土壤樣品自然風干，研磨，去除動植物殘渣和石頭，分別過10目和100目備用；水稻樣品用去離子水洗干凈后，105 ℃殺青30 min，在75 ℃烘干至恒量，再將試驗各時期水稻分為根、莖、葉、穗(育穂期和成熟期)、籽粒(成熟期)，然后用粉碎機把所有樣品碾碎后，用100目篩過裝袋備用。

2.2.2 分析方法 土壤全鎘采用三酸消解法測定[19]：稱取研磨通過100目篩子的均勻土壤0.100 0 g于50 mL聚四氟乙烯坩堝中，再用實驗用去離子水濕潤土壤，然后加入7 mL氟化氫溶液和5 mL濃硝酸溶液，在電熱板上消煮蒸發至近干燥，取下聚四氟乙烯坩堝，冷卻后，加入1 mL高氯酸，繼續消煮到不再冒白煙，坩堝內殘渣呈均勻的淺色(呈凹凸狀為消煮不完全)。若消煮不完全，則添加1mL硝酸繼續加熱溶解殘渣，至溶液完全澄清后轉移到50 mL容量瓶中，定容搖勻，過濾保存，然后用石墨爐原子吸收光譜儀(島津AA-7000，日本)測定鎘元素。

土壤有效鎘的測定[20]：稱取10.0 g過2 mm篩孔的風干土樣于100 mL塑料瓶中，加入20 mL DTPA浸提劑。在振蕩機上振蕩2 h，過濾取上清液，用石墨爐原子吸收光譜儀(島津AA-7000，日本)測定鎘元素。

植物樣分析：稱取0.3 g植物樣品于消煮管中，加入5 mL的濃硝酸，在消煮儀中160 ℃消煮2 h，消煮完成冷卻后，用蒸餾水定容至25 mL，采用石墨爐原子吸收光譜(島津AA-7000，日本)測定。所有藥品及試劑均為優級純或基準試劑。

2.3 數據處理與分析

采用Excel 2016和SPSS V13.0 進行方差分析(ANOVA)和最小差異顯著法(LSD)分析。采用SigmaPlot 12.5繪圖。富集系數(FBA)=稻米鎘質量分數/土壤鎘質量分數。轉移系數(TF)=水稻組織(莖、葉、殼和米)鎘質量分數/水稻組織(根、莖、葉和殼)鎘質量分數。

3 結果與討論

3.1 不同生育期水稻植株不同器官重金屬鎘的分布

如圖1A所示：不同水稻品種在分蘗期根、莖、葉全鎘質量分數基本一致。不同水稻品種根部鎘質量分數都高于莖、葉片中的鎘質量分數。不同水稻器官對鎘的吸收累積是不同的，其中‘中浙優8號’‘甬優17’‘華浙優71’等3個水稻品種不同器官吸收的鎘從大到小依次為根、莖、葉，而‘中浙優1號’和‘甬優1540’莖部在分蘗期的吸附累積量略高于葉部；不同品種根和葉對鎘吸收積累無顯著差異(P＞0.05)。如圖1B所示：5個水稻品種在拔節期根部鎘質量分數均高于莖部、葉部，各器官對鎘的積累存在一定的規律性，從大到小均表現為根、莖、葉。‘甬優17’和‘華浙優71’水稻品種的莖和葉鎘質量分數顯著低于‘中浙優1號’和‘中浙優8號’(P＜0.05)。5個水稻品種在孕穗期各器官對鎘的吸收和積累從大到小依次為根、莖、葉、穗，即在土壤中根部吸收積累鎘的數量高于莖、葉和穗(圖1C)；‘華浙優71’水稻品種的穗鎘質量分數顯著低于其他品種(P＜0.05)。在成熟期時，‘中浙優1號’‘甬優17’和‘華浙優71’等3個水稻品種的根鎘質量分數小于莖，高于葉，‘中浙優8號’和‘甬優1540’等2個水稻品種的不同器官對鎘吸收和積累的量從大到小依次為根、莖、葉、糙米、稻殼；不同水稻品種中，‘華浙優71’的根鎘質量分數顯著低于其他品種(P＜0.05)，‘中浙優8號’水稻品種的莖和糙米鎘質量分數顯著低于其他品種(P＜0.05)。

圖 1 中度污染土壤中水稻根、莖、葉、稻殼、糙米在不同生長期鎘質量分數差異Figure 1 Differences in Cd contents in rice roots, stems, leaves, husks, and brown rice in moderately polluted soils at different growth periods

同一水稻品種在不同生育期階段的相同器官中的鎘積累情況不同，根莖葉中鎘質量分數從小到大依次為分蘗期、拔節期、孕穗期、成熟期。

3.2 成熟期土壤全鎘和有效鎘分布特征

由表2可知：‘中浙優8號’土壤有效鎘和全鎘質量分數最高，分別為(0.64±0.35)和(1.82±0.05)mg·kg-1；‘甬優17’土壤有效鎘和全鎘質量分數最低，分別為(0.28±0.17)和(0.94±0.37) mg·kg-1。這可能是‘中浙優8號’對鎘的吸收能力較弱，導致土壤中的鎘質量分數無顯著變化，而‘甬優17’吸收了土壤中大量的鎘，導致土壤中的鎘減少。

3.3 水稻糙米鎘積累特征及其相關性分析

3.3.1 不同水稻品種對鎘積累和轉運的影響 表3顯示了不同水稻品種對鎘積累和轉運的影響。水稻中鎘的TF在‘甬優1540’‘甬優17’和‘華浙優71’中表現出相似的趨勢：TF殼—米＞TF根—莖＞TF莖—殼＞TF莖—葉，‘中浙優8號’表現出TF殼—米＞TF根—莖＞TF莖—葉＞TF莖—殼，在‘中浙優8號’水稻中觀察到最低TF為0.06。鎘在糙米中的FBA從大到小依次為‘中浙優1號’‘甬優1540’和‘華浙優71’‘甬優17’‘中浙優8號’。

表 2 各試驗小區土壤全鎘和有效鎘Table 2 Total Cd and available Cd in the soil of each test plot

表 3 水稻鎘積累和轉運特征Table 3 Accumulation and transport characteristics of Cd in Rice

3.3.2 水稻生長特征 由表4可知：不同水稻品種產量為(5 137.5～7 549.5) kg·hm-2，均值為6 762.3kg·hm-2。在5個水稻品種中，‘中浙優8號’產量最高，為(7 549.5±29.3) kg·hm-2，顯著高于其他品種(P＜0.05)；‘甬優17’品種水稻產量最低。在各水稻品種中，‘中浙優8號’水稻千粒重和分蘗數最高，分別為(34.87±3.46) g和(24.22±2.55)個·叢-1。

表 4 水稻各項生長指標數據統計Table 4 Statistics of various growth indicators of rice

3.3.3 稻米鎘質量分數相關分析 稻米鎘與土壤有效鎘、土壤全鎘、水稻產量、千粒重和分蘗數的相關性分析可知(表5)：土壤有效鎘與土壤全鎘具有極顯著相關關系(P＜0.01)，稻米鎘與分蘗數顯著相關(P＜0.05)，千粒重與水稻產量和分蘗數顯著相關(P＜0.05)，稻米鎘與土壤有效鎘、全鎘無顯著相關。

表 5 稻米中鎘與土壤鎘及生長特性的相關性分析Table 5 Correlation analysis of Cd contents in rice and soil and their growth characteristics

4 討論

由于水稻根系和土壤中重金屬鎘直接接觸，水稻根部是吸收和積累鎘的主要部位[21]。龍小林等[22]探究了鎘脅迫下粳、秈稻對鎘元素的吸收特征，得出水稻各器官對鎘吸收從小到大依次為谷殼、糙米、葉、莖、根，與本試驗結果相似。不同于上述研究的是本研究為大田驗證試驗。成熟時，稻殼對鎘的吸收和積累低于根、莖和葉，其平均吸收量為0.150 mg·kg-1，糙米中的平均鎘質量分數也高于稻殼，為0.198 mg·kg-1。糙米的鎘平均質量分數占根系的8.75%、莖部的11.71%和葉片的24.36%，這表明水稻中的鎘是垂直向上轉移的。水稻根、莖和葉中的鎘有可能被運輸到米粒中。由于不同低吸收水稻品種自身基因型不同，所以決定了不同水稻品種在輕中度污染土壤中其植株不同器官鎘的累積量在不同生長發育期存在顯著差異，因此品種差異是影響水稻對重金屬元素吸收的主要因素[23]。相關研究表明[24]：水稻對重金屬的耐受性和吸收能力具有明顯的品種差異性。本研究中，‘中浙優8號’水稻對鎘的吸收能力最小，適合在鎘污染土壤中種植。王宇豪等[25]通過大田試驗篩選低積累水稻品種，表明不同水稻品種中鎘的分布特征和積累能力存在顯著差異。

土壤中的有效鎘含量一定程度上會影響水稻籽粒中的鎘含量[26]。不同基因型水稻對鎘的親和、耐受、吸收積累差異較大[27]。本研究中，稻米鎘質量分數與土壤有效鎘、土壤全鎘無顯著相關。因此，不能依據土壤有效鎘質量分數對不同水稻品種糙米鎘質量分數進行評價。

在進行水稻低積累品種篩選時，不僅要考慮其本身低積累特性，還要考慮其在重金屬鎘影響下，植株體內重金屬轉運特性[28]。不同水稻品種鎘的吸收與各部位的轉運能力存在差異[29]，鎘在水稻中最主要的轉運步驟為木質部—韌皮部的轉移[30]。本研究發現：相比其他水稻品種，‘中浙優8號’TF莖—葉最高，TF莖—殼最低，說明在鎘脅迫下，‘中浙優8號’有效地把重金屬鎘從莖部轉移到葉部，降低了莖部到籽粒的轉移，同時降低了籽粒鎘積累的風險。在進行水稻低積累品種篩選時，也要考慮在鎘影響下的產量及生長狀況[31]。有研究表明：不同水稻品種在鎘脅迫下，其產量和生長狀況存在顯著的差異[32]。綜合水稻生長及產量和水稻稻米鎘的積累情況，推薦‘中浙優8號’作為該區適宜種植的水稻品種，既能保證水稻的產量，又能保證水稻的質量安全。

5 結論

同一水稻品種不同器官中鎘的積累存在差異，在分蘗期鎘質量分數從大到小依次為根、莖和葉，在拔節期和孕穗期，鎘質量分數從大到小依次為根、莖、葉、穗；在成熟期，除‘中浙優8號’外，其余水稻品種鎘質量分數從大到小依次為莖、根、葉、糙米、稻殼；在不同水稻品種中，‘華浙優71’的根鎘質量分數顯著低于其他品種，‘中浙優8號’的莖和糙米鎘質量分數顯著低于其他品種。同一水稻品種在不同生育期根莖葉中鎘質量分數從小到大依次為分蘗期、拔節期、孕穗期、成熟期。在不同水稻品種中，‘中浙優8號’土壤有效鎘和全鎘質量分數最高，‘甬優17’土壤有效鎘和全鎘質量分數最低。不同水稻品種糙米中吸收和積累的重金屬鎘與分蘗數具有顯著相關關系，與千粒重、水稻產量等水稻生長指標，以及土壤全鎘和土壤有效鎘無顯著關系。

綜合分析可知：‘中浙優8號’稻米中的鎘質量分數較低，可以達到耕地安全利用、糧食安全生產的目的。