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(nóng)林大學(xué) 省部共建亞熱帶森林培育國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 311300；2. 浙江農(nóng)林大學(xué) 浙江省土壤污染生物修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 311300；3. 景寧畬族自治縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，浙江 景寧 323500）

肥料農(nóng)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(chǎn)生等人為活動(dòng)，導(dǎo)致土壤重金屬污染日趨嚴(yán)重[1-2]。2014年《全國土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示：中國土壤總污染點(diǎn)超標(biāo)率為16.1%，其中鎘污染點(diǎn)位超標(biāo)率占總超標(biāo)點(diǎn)位的7.0%[3]。水稻Oryza sativa是中國最主要的糧食作物之一，同時(shí)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(chǎn)的稻米已成為重金屬進(jìn)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(huì)損害腎小球和腎小管，降低骨密度，導(dǎo)致骨質(zhì)疏松，增加癌癥風(fēng)險(xiǎn)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(nóng)田土壤中種植低吸收鎘農(nóng)作物，既具有經(jīng)濟(jì)效益又保障了糧食安全生產(chǎn)，是目前安全利用污染農(nóng)田的研究熱點(diǎn)[9-10]。據(jù)報(bào)道，不僅不同農(nóng)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(wěn)定的低吸收水稻品種，可作為重金屬鎘污染農(nóng)田的安全來源[12]。通過試驗(yàn)篩選出的低吸收水稻品種已經(jīng)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(huán)境、施肥和水管理等農(nóng)藝措施的差異都會(huì)對作物鎘的吸收和積累產(chǎn)生一定的影響[14-16]。因此，為了選擇適合當(dāng)?shù)丨h(huán)境種植的低吸收水稻品種，本研究在鎘污染地區(qū)農(nóng)田中對5個(gè)水稻品種開展大田試驗(yàn)，測定不同生育期內(nèi)不同水稻品種的各項(xiàng)生長生理指標(biāo)，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(chǎn)提供參考。

1 研究區(qū)域概況

水稻試驗(yàn)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(fēng)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(shí)數(shù)為1 510.2 h。對水稻種植區(qū)土壤和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行摸底調(diào)查，全面掌握修復(fù)前各個(gè)地塊本底環(huán)境狀態(tài)以及相關(guān)歷史資料。通過實(shí)施區(qū)的摸排與試驗(yàn)區(qū)塊的確認(rèn)，在該村劃分出4 hm2的試驗(yàn)區(qū)。該試驗(yàn)區(qū)土壤pH為5.1，試驗(yàn)區(qū)表層鎘超標(biāo)率達(dá)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(yàn)材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試低吸收水稻品種為‘中浙優(yōu)1號’‘Zhongzheyou 1’、‘中浙優(yōu)8號’‘Zhongzheyou 8’、‘華浙優(yōu)71’‘Huazheyou 71’、‘甬優(yōu)17’‘Yongyou 17’和‘甬優(yōu)1540’‘Yongyou 1540’，其種子均在當(dāng)?shù)胤N子專賣店統(tǒng)一采購。

供試水稻于2019年6月插秧種植。在選定的耕地里設(shè)置5個(gè)處理，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，共15個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積均為30 m2。小區(qū)試驗(yàn)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(gè)育秧階段通過常規(guī)農(nóng)藝措施保證秧苗水肥供應(yīng)。秧苗生長35～40 d進(jìn)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(fù)合肥作為基肥[復(fù)合肥品牌為稻香源，氮+五氧化二磷+氧化鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥50%，m(N)∶m(P)∶m(K)=25∶5∶20]。在秧苗移栽大田后10～15 d進(jìn)行追肥，追肥采用150 kg·hm-2的尿素，其他水稻管理與當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)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(qū)土壤，供試耕地土壤的基本理化性質(zhì)見表1。

表 1 供試土壤基本性質(zhì)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(jù)HJ/T 166—2004《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)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(guī)避土壤本身空間分布不均造成的影響。采用多點(diǎn)取樣，再混合成1個(gè)混合樣品。每個(gè)樣品1.0 kg。采樣后帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干，磨細(xì)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(zhì)、全鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)及有效鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)[18]。

試驗(yàn)過程中，分別在水稻分蘗期、拔節(jié)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(fēng)干，研磨，去除動(dòng)植物殘?jiān)褪^，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(yàn)各時(shí)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(jī)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(shí)驗(yàn)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(fā)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(xù)消煮到不再冒白煙，坩堝內(nèi)殘?jiān)示鶆虻臏\色(呈凹凸?fàn)顬橄蟛煌耆?。若消煮不完全，則添加1mL硝酸繼續(xù)加熱溶解殘?jiān)寥芤和耆吻搴筠D(zhuǎn)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(fēng)干土樣于100 mL塑料瓶中，加入20 mL DTPA浸提劑。在振蕩機(jī)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(yōu)級純或基準(zhǔn)試劑。

2.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2016和SPSS V13.0 進(jìn)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(shù)(FBA)=稻米鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)/土壤鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)。轉(zhuǎn)移系數(shù)(TF)=水稻組織(莖、葉、殼和米)鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)/水稻組織(根、莖、葉和殼)鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

3 結(jié)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(zhì)量分?jǐn)?shù)基本一致。不同水稻品種根部鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)都高于莖、葉片中的鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)。不同水稻器官對鎘的吸收累積是不同的，其中‘中浙優(yōu)8號’‘甬優(yōu)17’‘華浙優(yōu)71’等3個(gè)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(yōu)1號’和‘甬優(yōu)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(gè)水稻品種在拔節(jié)期根部鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于莖部、葉部，各器官對鎘的積累存在一定的規(guī)律性，從大到小均表現(xiàn)為根、莖、葉?！畠?yōu)17’和‘華浙優(yōu)71’水稻品種的莖和葉鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著低于‘中浙優(yōu)1號’和‘中浙優(yōu)8號’(P＜0.05)。5個(gè)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(shù)量高于莖、葉和穗(圖1C)；‘華浙優(yōu)71’水稻品種的穗鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著低于其他品種(P＜0.05)。在成熟期時(shí)，‘中浙優(yōu)1號’‘甬優(yōu)17’和‘華浙優(yōu)71’等3個(gè)水稻品種的根鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于莖，高于葉，‘中浙優(yōu)8號’和‘甬優(yōu)1540’等2個(gè)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(yōu)71’的根鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著低于其他品種(P＜0.05)，‘中浙優(yōu)8號’水稻品種的莖和糙米鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)從小到大依次為分蘗期、拔節(jié)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(yōu)8號’土壤有效鎘和全鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，分別為(0.64±0.35)和(1.82±0.05)mg·kg-1；‘甬優(yōu)17’土壤有效鎘和全鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低，分別為(0.28±0.17)和(0.94±0.37) mg·kg-1。這可能是‘中浙優(yōu)8號’對鎘的吸收能力較弱，導(dǎo)致土壤中的鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)無顯著變化，而‘甬優(yōu)17’吸收了土壤中大量的鎘，導(dǎo)致土壤中的鎘減少。

3.3 水稻糙米鎘積累特征及其相關(guān)性分析

3.3.1 不同水稻品種對鎘積累和轉(zhuǎn)運(yùn)的影響 表3顯示了不同水稻品種對鎘積累和轉(zhuǎn)運(yùn)的影響。水稻中鎘的TF在‘甬優(yōu)1540’‘甬優(yōu)17’和‘華浙優(yōu)71’中表現(xiàn)出相似的趨勢：TF殼—米＞TF根—莖＞TF莖—?dú)ぃ綯F莖—葉，‘中浙優(yōu)8號’表現(xiàn)出TF殼—米＞TF根—莖＞TF莖—葉＞TF莖—?dú)?，在‘中浙?yōu)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(yōu)1號’‘甬優(yōu)1540’和‘華浙優(yōu)71’‘甬優(yōu)17’‘中浙優(yōu)8號’。

表 2 各試驗(yàn)小區(qū)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(zhuǎn)運(yùn)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(chǎn)量為(5 137.5～7 549.5) kg·hm-2，均值為6 762.3kg·hm-2。在5個(gè)水稻品種中，‘中浙優(yōu)8號’產(chǎn)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(yōu)17’品種水稻產(chǎn)量最低。在各水稻品種中，‘中浙優(yōu)8號’水稻千粒重和分蘗數(shù)最高，分別為(34.87±3.46) g和(24.22±2.55)個(gè)·叢-1。

表 4 水稻各項(xiàng)生長指標(biāo)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 4 Statistics of various growth indicators of rice

3.3.3 稻米鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)相關(guān)分析 稻米鎘與土壤有效鎘、土壤全鎘、水稻產(chǎn)量、千粒重和分蘗數(shù)的相關(guān)性分析可知(表5)：土壤有效鎘與土壤全鎘具有極顯著相關(guān)關(guān)系(P＜0.01)，稻米鎘與分蘗數(shù)顯著相關(guān)(P＜0.05)，千粒重與水稻產(chǎn)量和分蘗數(shù)顯著相關(guān)(P＜0.05)，稻米鎘與土壤有效鎘、全鎘無顯著相關(guān)。

表 5 稻米中鎘與土壤鎘及生長特性的相關(guān)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(yàn)結(jié)果相似。不同于上述研究的是本研究為大田驗(yàn)證試驗(yàn)。成熟時(shí)，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(zhì)量分?jǐn)?shù)也高于稻殼，為0.198 mg·kg-1。糙米的鎘平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhuǎn)移的。水稻根、莖和葉中的鎘有可能被運(yùn)輸?shù)矫琢Ｖ?。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(fā)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(guān)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(yōu)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(yàn)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(huì)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(zhì)量分?jǐn)?shù)與土壤有效鎘、土壤全鎘無顯著相關(guān)。因此，不能依據(jù)土壤有效鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)對不同水稻品種糙米鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行評價(jià)。

在進(jìn)行水稻低積累品種篩選時(shí)，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(nèi)重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)特性[28]。不同水稻品種鎘的吸收與各部位的轉(zhuǎn)運(yùn)能力存在差異[29]，鎘在水稻中最主要的轉(zhuǎn)運(yùn)步驟為木質(zhì)部—韌皮部的轉(zhuǎn)移[30]。本研究發(fā)現(xiàn)：相比其他水稻品種，‘中浙優(yōu)8號’TF莖—葉最高，TF莖—?dú)ぷ畹?，說明在鎘脅迫下，‘中浙優(yōu)8號’有效地把重金屬鎘從莖部轉(zhuǎn)移到葉部，降低了莖部到籽粒的轉(zhuǎn)移，同時(shí)降低了籽粒鎘積累的風(fēng)險(xiǎn)。在進(jìn)行水稻低積累品種篩選時(shí)，也要考慮在鎘影響下的產(chǎn)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(chǎn)量和生長狀況存在顯著的差異[32]。綜合水稻生長及產(chǎn)量和水稻稻米鎘的積累情況，推薦‘中浙優(yōu)8號’作為該區(qū)適宜種植的水稻品種，既能保證水稻的產(chǎn)量，又能保證水稻的質(zhì)量安全。

5 結(jié)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(zhì)量分?jǐn)?shù)從大到小依次為根、莖和葉，在拔節(jié)期和孕穗期，鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)從大到小依次為根、莖、葉、穗；在成熟期，除‘中浙優(yōu)8號’外，其余水稻品種鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(yōu)71’的根鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著低于其他品種，‘中浙優(yōu)8號’的莖和糙米鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)從小到大依次為分蘗期、拔節(jié)期、孕穗期、成熟期。在不同水稻品種中，‘中浙優(yōu)8號’土壤有效鎘和全鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，‘甬優(yōu)17’土壤有效鎘和全鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(shù)具有顯著相關(guān)關(guān)系，與千粒重、水稻產(chǎn)量等水稻生長指標(biāo)，以及土壤全鎘和土壤有效鎘無顯著關(guān)系。

綜合分析可知：‘中浙優(yōu)8號’稻米中的鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，可以達(dá)到耕地安全利用、糧食安全生產(chǎn)的目的。