不同水稻品種在堿性農田土壤中對鎘富集與轉運差異研究

楊牧青 和麗萍 楊濤明 曾沛藝 和淑娟 唐嫚 廖迎蕓

摘要 以9個玉米品種為試驗材料，通過添加小區試驗，分析在重金屬Cd污染堿性土壤條件下，不同水稻品種產量、籽粒中重金屬及各器官間富集轉運系數差異。結果表明，不同水稻品種的生物量及產量存在顯著差異，楚稻1、錦瑞4和楚粳37產量顯著高于其他品種；不同稻品種籽粒、莖葉、根對重金屬Cd的累積能力存在顯著差異，總體分布規律為根＞莖葉＞籽粒；9個水稻品種籽粒中Cd均符合食品中污染物限量標準，楚稻1、錦瑞4、玉粳17、楚粳37 4個品種顯著低積累；不同水稻品種籽粒、莖葉、根轉運能力存在顯著差異；楚稻1、錦瑞4、楚粳37 3個品種兼具高產及低積累特性，適宜在Cd中、輕度污染農用地安全利用中推廣種植；土壤pH堿性條件下，土壤中Cd進入水稻中的含量及在水稻各器官中的富集轉運能力明顯降低，在保障糧食生產前提下調節Cd污染農田土壤pH是實現農用地安全利用和農產品質量安全的有效措施。

關鍵詞 水稻；積累；轉運；篩選；鎘

中圖分類號 S511? 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2023）14-0075-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.14.019

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

作者簡介 楊牧青（1992—），男，云南麗江人，碩士，從事土壤重金屬污染修復研究。*通信作者，碩士，從事土壤重金屬污染修復研究。

收稿日期 2022-06-16；修回日期 2022-08-25

“萬物土中生，有土斯有糧”，土壤是農業最基本的生產資料，是農業發展的基礎，是不可再生的自然資源，干凈的土壤更是糧食質量安全的重要保障。但是隨著工農業的快速發展，大量重金屬等污染物通過污灌、大氣沉降、過量施用化肥農藥等途徑進入土壤環境，土壤重金屬污染本身具有隱蔽性和滯后性，土壤中重金屬等有毒有害物質不斷累積，造成生態環境遭到破壞、土壤環境質量退化、食用農產品超標等問題［ 1］。根據全國土壤污染狀況調查公報［ 2］，全國16%土壤面積遭污染，其中農用耕地方面，污染面積占比達19.4%，其中Cd超標點位占比7.0%，占比最高，整體形勢堪憂。農用地重金屬主要累積在耕作層，重金屬由于其特有物理性質在土壤環境非常難以被生物降解，所以土壤中重金屬從一定程度上為只進不出，不斷累積。且其中有效態，即可交換態可以被農作物吸收，在農產品中富集，最終通過食物鏈進入人體內，重金屬累積后對人體的危害相當大，引起人體慢性中毒［ 3］。

云南礦產儲量大、礦種多，被譽為“有色金屬王國”。采、選礦等活動歷史悠久，同時由于當時落后的生產工藝，環保設施不完善，環保管理薄弱等因素，礦區周邊及流域下游農用地土壤受到污染，農產品安全生產受到嚴重威脅。如何有效保障農用地安全生產成為土壤修復的焦點，目前土壤修復技術很多，但是能滿足“易推廣、成本低、效果好”的農用地修復技術主要為品種替代，同時存在顯著植物種內差異，即種植重金屬耐性強，低積累品種［ 4-6］。植物吸收和累積重金屬不僅存在顯著種間差異，同時存在顯著種內差異［ 7］，不同品種水稻對鎘的吸收累積存在較大差異［ 8］。易春麗等［ 9］在祁陽縣通過研究15個水稻品種發現，不同水稻吸收累積重金屬As、Cd有顯著差異，篩選出Y 兩優 9918 和野香優莉絲2個品種可優先在輕度鎘砷復合污染土地進行試種。董欣欣等［ 10］在沈陽市20個水稻品種篩選出4個籽粒中Cd均符合食品中污染物限量標準的低積累水稻品種。蔣剛等［ 11］通過25個水稻品種在不同土壤Cd含量條件下發現神9B、192B品種Cd積累量都很低且符合安全標準。很多研究都表明低積累水稻品種的篩選對農用地安全利用有重要意義［ 12-13］，但是由于不同地區水稻品種區域適宜性差異性大［ 14-15］，諸多研究成果難以跨區域有效應用。多數水稻篩選及富集轉運研究農田土壤pH為微酸性［ 9-10］，堿性土壤條件中開展的研究很少。因此，該研究借鑒前人研究方法，在堿性農田土壤針對不同水稻品種對鎘富集與轉運差異進行研究，在篩選Cd低積累的同時，兼顧推廣過程中農民最關注的產量因子，加強水稻品種可推廣性，旨在篩選出適宜當地Cd低積累、高產水稻品種，助力實現農用地安全利用。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗地塊位于云南某礦區農田。土壤基本理化性質為：pH 8.13；水溶性總鹽含量0.54 g/kg；有機質含量16.01 g/kg；全磷含量0.50 mg/kg；有效磷含量14.12 mg/kg；全氮含量1.07 g/kg；水解性氮含量68.46 mg/kg；全鉀含量20.68 g/kg；速效鉀含量80.40 mg/kg；重金屬鎘含量0.87 mg/kg，是土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準（GB 15618—2018）中風險篩選值0.60 mg/kg的1.45倍。

試驗所用9個水稻品種為楚粳40、楚粳37、楚粳26、楚稻1、玉粳11、玉粳17、玉粳24、錦瑞4、合系22，依次編號1～9，均為試驗區所在地種子站出售及當地主栽品種。

1.2 試驗設計

試驗區水稻種植習慣為每年3月底小區培育秧苗，4月中旬移栽至大田，均為人工操作。試驗于2021年3月進行，在試驗地范圍內設置9個小區培育秧苗，育苗小區面積為4 m2，長寬比例1∶1，育苗小區面積合計36 m2。水稻移栽種植工作于2021年4月中旬進行，9個水稻品種每個品種3組重復，共計27個小區，小區面積40 m2，長寬比例范圍（2～5）∶1，試驗區盡量設置為長10 m、寬4 m的長方形狀，合計面積約1 080 m2。各試驗組采用隨機分布，按照當地習慣進行統一栽種及田間管理。

1.3 樣品采集與分析

1.3.1 土壤樣品采集。水稻栽種前在試驗地網格取樣布點采集0～20 cm耕作層土壤，風干后樣品置于瑪瑙球磨機進行研磨，使樣品全部通過0.15～0.40 mm的尼龍篩，混合均勻裝袋。土壤pH、有機質等理化性質指標按照《土壤農業化學分析方法》規定方法測定，Cd測定采用石墨爐原子吸收分光光度（GFAA）法測定。

1.3.2 水稻生物量、產量測定及樣品采集。水稻成熟后，在每個試驗小區內選擇3個1 m2水稻長勢較為均勻的區域為1個單元，單元區塊避免與相鄰實驗小區保持適當距離，避免邊界影響。在單元區長勢均勻的區域各采集約10株完整水稻，先切下根部后對其余地上部分進行稱重取平均值，然后計算水稻實際單位面積的生物量（地上部分質量）。現場脫離裝袋稱重取平均值，計算水稻實際單位面積產量。最后分別采集水稻籽粒、莖葉和根的混合樣品。帶回實驗室65 ℃輔熱烘干，烘干后樣品置于瑪瑙球磨機進行研磨，使樣品全部通過0.25～0.40 mm的尼龍篩，混合均勻裝袋。水稻樣品采用混合酸HNO3∶HClO4（4∶1）消解制備成待測液，Cd測定采用石墨爐原子吸收分光光度（GFAA）法測定。

1.4 數據分析 數據及圖表采用Microsoft Excel 2019和SPSS19.0統計軟件進行制作及分析。

水稻Cd富集系數（BCF）和轉運系數（TF）計算方法［ 7，16-17］如下：

富集系數（BCF）=地上部分重金屬含量/土壤中對應重金屬元素含量

籽粒轉運系數（TF）=籽粒中重金屬含量/根中對應重金屬元素含量

莖葉轉運系數（TF）=莖葉中重金屬含量/根中對應重金屬元素含量

籽粒與莖葉轉運系數（TF）=籽粒中重金屬含量/莖葉中對應重金屬元素含量

2 結果與分析

2.1 水稻生物量及產量差異性分析

在Cd污染試驗地種植9個水稻品種生物量和產量存在顯著差異（P＜0.05）。由表1可知，9個水稻品種平均生物量為22 506.34 kg/hm2，生物量最高的為4號品種楚稻1，為31 579.67 kg/hm2;其次為8號錦瑞4和2號楚粳37，分別為29 243.93和28 812.37 kg/hm2，兩者間差異不顯著；最低的1號品種楚粳40，為14 945.10 kg/hm2，楚稻1生物量為楚粳40的2.11倍。

水稻產量區間4 861.77～12 204.20? kg/hm2，平均產量為8 350.34? kg/hm2，變異系數為0.271 8。產量前3分別為4號品種楚稻1、8號錦瑞4和2號楚粳37，產量分別為12 204.20、11 176.37和10 095.03 kg/hm2；產量最小的1號品種楚粳40為4 861.77 kg/hm2，楚稻1產量為楚粳40的2.51倍。

2.2 水稻根、莖葉、籽粒中Cd含量差異性分析

在Cd污染試驗地種植9個水稻各部位Cd含量存在顯著差異（P＜0.05）。由表2可知，Cd在水稻器官中總體分布規律為根＞莖葉＞籽粒。根中Cd含量區間為0.125 0～0.685 7 mg/kg，平均值為0.451 1 mg/kg。莖葉中Cd含量區間為0.093 0～0.705 0 mg/kg，平均值為0.354 1 mg/kg，試驗區水稻莖葉中Cd含量均滿足《國家飼料衛生標準》（GB 13078—2017 ）中植物性飼料原料中重金屬Cd限量值1 mg/kg。籽粒中Cd含量區間為0.018 7～0.159 7 mg/kg，平均值為0.085 4 mg/kg，試驗區水稻籽粒中Cd含量均滿足農產品質量安全標準《食品安全國家標準 食品中污染物限量》（GB 2762—2017 ）中稻谷中重金屬Cd限量值0.2 mg/kg。

2.3 水稻籽粒中Cd含量聚類分析

為能有效識別分類試驗區9個水稻品種籽粒中Cd含量，聚類分析發現可分為4類。第一類為品種1、7、9，Cd平均含量為0.143 1 mg/kg，Cd含量遠高于其他品種，累積性較強。第二類為品種3和5，Cd平均含量為0.088 7 mg/kg。第三類為品種2、4和6，Cd平均含量為0.047 7 mg/kg。第四類為品種8，Cd平均含量為0.018 7 mg/kg。

2.4 水稻Cd累積和轉運差異性分析

通過富集系數可以發現，在Cd污染試驗地種植9個水稻對Cd富集能力存在顯著差異（P＜0.05）。由表3可知，總體來看，水稻莖葉Cd富集系數大于籽粒Cd富集系數，BCF莖葉＞BCF籽粒，平均值分別為0.407 0和0.098 1，水稻莖葉Cd富集系數是籽粒Cd富集系數的約4.15倍。9個水稻品種莖葉中Cd富集系數區間為0.106 9～0.810 4，平均值為0.407 0，品種間富集性差異顯著。籽粒中Cd富集系數區間為0.021 5～0.183 6，平均值為0.098 1，品種間富集性差異顯著。

通過轉運系數可以發現在Cd污染試驗地種植9個水稻對Cd轉運能力存在顯著差異（P＜0.05）。水稻莖葉中Cd轉運至籽粒的轉運系數為0.118 8～0.287 7，平均值為0.185 0。水稻根中Cd轉運至籽粒的轉運系數為0.103 4～0.250 3，平均值為0.161 0。水稻根中Cd轉運至莖葉的轉運系數為0.501 0～1.123 2，平均值為0.760 8。轉移規律為TF莖葉/根＞TF籽粒/莖葉＞TF籽粒/根，從根轉運至莖葉的能力強于其他轉運環節。

3 討論

該研究中9個水稻品種間生物量、產量差異顯著，生物量最大值是最小值的2.11倍，變異系數為0.251 8；產量最大值是最小值的2.51倍，變異系數為0.271 8。差異大的原因主要在于水稻本身的遺傳差異，以及不同基因型水稻對鎘脅迫的耐性和生長環境適應性差異［ 18-21］。籽粒中Cd含量區間為0.018 7～0.159 7 mg/kg，平均值為0.085 4 mg/kg，均滿足農產品質量安全標準《食品安全國家標準 食品中污染物限量》（GB 2762—2017 ）中稻谷中重金屬Cd限量值為0.2 mg/kg的標準，根據籽粒中Cd含量聚類分析結果，品種2、4、6、8具有相對低積累的特性，綜合水稻產量及Cd在籽粒中含量發現（圖2），2號楚粳37、4號楚稻1、8號錦瑞4在9個試驗品種中兼具高產及低積累特性，適宜在中、輕度Cd污染農用地安全利用中推廣種植。

試驗水稻器官中Cd總體分布規律為根＞莖葉＞籽粒，富集規律為BCF莖葉＞BCF籽粒，轉運規律為TF莖葉/根＞TF籽粒/莖葉＞TF籽粒/根，與前人研究結果基本一致，水稻不同部位Cd分布及轉運存在顯著差異［ 22］。王燦等［ 23］在貴州喀斯特地區Cd污染農田的研究發現，水稻各部位對 Cd 的富集能力從大到小依次為莖節＞根＞莖＞穗軸＞枝梗＞葉＞糙米＞稻殼；張標金等［ 18］研究發現，在水稻整個生育期中，2個供試水稻中Cd含量都是根＞莖＞葉。該研究中，9個品種水稻間的籽粒、莖葉、根中Cd含量差異顯著，變異系數分別為0.563 6、0.542 1、0.398 7。根中Cd含量區間為0.125 0～0.685 7 mg/kg，平均值為0.451 1 mg/kg；莖葉中Cd含量區間為0.093 0～0.705 0 mg/kg，平均值為0.354 1 mg/kg；籽粒中Cd含量區間為0.018 7～0.159 7 mg/kg，平均值為0.085 4 mg/kg。與易春麗等［ 9］和董欣欣等［ 10］研究相比，土壤中Cd進入水稻中的含量顯著偏低。以易春麗等［ 9］在祁陽縣的研究為例，供試土壤Cd含量為0.62，pH 5.33，為酸性土壤，15個參試水稻品種稻米鎘含量平均值為0.58 mg/kg，莖葉鎘平均含量為 2.68 mg/kg。該研究土壤中水溶性總鹽含量為0.54 g/kg，pH 8.13，為堿性土壤，Cd含量為0.87 mg/kg。對比發現，在土壤pH堿性條件下，土壤Cd含量接近時，土壤中Cd進入水稻的含量及在各器官中的富集轉運能力差異較大，土壤中Cd有效進入水稻中的量顯著偏低，這與pH不同有較大關系。土壤 pH 作為影響鎘形態的重要因素之一，不同pH條件下鎘的形態含量占比不同，導致其生物有效性、遷移性及毒性發生變化，尤其在土壤-作物體系中，直接影響著鎘的遷移轉化能力［ 24-25］。侯青葉等［ 26］在研究成都平原水稻土鎘形態分布及影響因素時發現，水溶態鎘和離子交換態鎘隨著 pH 的增大含量顯著降低，但碳酸鹽結合態鎘的含量卻明顯增加，說明隨著土壤pH的增大，活動態鎘的含量下降，在土壤-水稻體系中的遷移能力降低。陳楠等［ 27］在研究土壤 pH 對鎘形態及稻米鎘積累的影響時發現，隨著土壤 pH 的升高，土壤可交換態鎘含量降低，可還原態鎘和殘渣態鎘含量升高。高 pH（pH>6）條件下，土壤中的鎘會通過絡合、螯合及沉淀等作用以難溶態的氫氧化物、碳酸鹽及磷酸鹽的形式存在，溶解度較小，土壤溶液中活性 Cd2+濃度也較低，導致鎘的生物有效性下降［ 28］。對比發現，土壤pH堿性條件下，土壤中Cd進入水稻中含量及在水稻各器官中的富集轉運能力明顯降低，在保障糧食生產前提下調節Cd污染農田土壤pH是實現農用地安全利用和農產品質量安全的有效措施。

4 結論

（1）不同水稻品種的生物量及產量存在顯著差異，楚稻1、錦瑞4和楚粳37產量顯著高于其他品種。

（2）不同稻品種籽粒、莖葉、根對重金屬Cd的累積能力存在顯著差異，總體分布規律為根＞莖葉＞籽粒。9個水稻品種籽粒中Cd均符合食品中污染物限量標準，楚稻1、錦瑞4、玉粳17、楚粳37 4個品種顯著低積累。

（3）不同水稻品種籽粒、莖葉、根轉運能力存在顯著差異，富集規律為BCF莖葉＞BCF籽粒，轉運規律為TF莖葉/根＞TF籽粒/莖葉＞TF籽粒/根。

（4）楚稻1、錦瑞4、楚粳37 3個品種兼具高產及低積累特性，適宜在Cd中、輕度污染農用地安全利用中推廣種植。

（5）土壤pH堿性條件下，土壤中Cd進入水稻中的含量及在水稻各器官中的富集轉運能力明顯降低，在保障糧食生產前提下調節Cd污染農田土壤pH是實現農用地安全利用和農產品質量安全的有效措施。

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