环境科学  2021, Vol. 42 Issue (4): 2016-2023   PDF    
地质高背景农田土壤下不同水稻品种对Cd的累积特征及影响因素
代子雯, 方成, 孙斌, 魏志敏, 胡锋, 李辉信, 徐莉     
南京农业大学资源与环境科学学院, 南京 210095
摘要: 选取2种地质高背景农田土壤(马岭和云表),盆栽条件下种植7种不同水稻品种(宁两优1号、Y两优1号、深两优、泰两优、粤晶丝苗、油占八号和黄华占),分析比较不同水稻对Cd的吸收累积特征,并探究可能的影响因素.结果表明:①两种地质高背景土壤下种植的7种水稻稻米Cd含量均未超标(GB 2762-2017),其中深两优稻米Cd含量最低;②7种水稻稻米Cd含量均表现出在马岭土壤种植的高于在云表土壤种植的;③冗余和相关分析发现,稻米Cd累积主要是受水稻株高、根表面积、土壤全Cd含量、抽穗期土壤EC和Eh等因素影响.两种土壤中影响稻米Cd累积的主要因素存在差异:云表土壤下稻米Cd含量与水稻根长呈极显著相关;马岭土壤下稻米Cd含量与水稻地上部生物量呈极显著相关.
关键词: 水稻品种      镉累积      筛选      地质高背景农田土壤      盆栽种植     
Cadmium Accumulation Characteristics and Impacting Factors of Different Rice Varieties Under Paddy Soils with High Geological Backgrounds
DAI Zi-wen , FANG Cheng , SUN Bin , WEI Zhi-min , HU Feng , LI Hui-xin , XU Li     
College of Resources and Environmental Sciences, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China
Abstract: The cadmium (Cd) accumulation characteristics of seven rice varieties (Ningliangyou 1, Y Liangyou 1, Shenliangyou, Tailiangyou, Yuejingsimiao, Youzhanbahao, and Huang Huazhan) were studied by pot-culture experiments in two paddy soils (Maling, Yunbiao) with different high geological backgrounds, and the possible impacting factors were explored. The results indicated that: ① The grain Cd contents of the seven rice varieties grown in the two soils did not exceed the national food safety standard (GB 2762-2017), and the grain Cd content of Shengliangyou was the lowest; ② The grain Cd content of the seven rice varieties planted in the soil of Maling was higher than those of Yunbiao; ③ The redundancy analysis revealed that the accumulation of Cd in grains was influenced by the plant height, surface area of root, total cadmium in the soil, and EC and Eh of the soil during the heading stage. The correlation analysis indicated that the leading impacting factor of the grain Cd accumulation varied. In the Maling soil, the grain Cd content was primarily related to the rice root length, while it was related to the aboveground rice biomass in the Yunbiao soil.
Key words: rice variety      cadmium accumulation      screening      farmland soil with high geological background      potted planting     

目前, 重金属污染已经成为农业生产中面临的重要问题.生态环境部门对30万hm2基本农田保护区的土壤进行监控, 发现农田土壤重金属超标率为12.1%[1].土壤重金属来源主要为人为来源与自然来源[2], 前者为工业和农业活动造成, 后者为成土母质本身重金属含量高而导致, 也称地质高背景土壤[3], 主要分布在我国的西南和中南等岩溶区[4].人为源的重金属有效性较高, 易被作物吸收富集, 而自然源的重金属多为成土母质本身所具有, 重金属含量随不同地区土壤的富集类型不同存在差异[5], 受成土母质和成土过程等成土因素影响, 重金属生物有效性不明确.目前有关农田重金属的研究多集中在人为源污染特征和风险, 而关于地质高背景重金属污染报道较少.

镉(Cd)是人体的非必需元素[6], 也是生物毒性最强的重金属元素之一, 容易被植物吸收转移, 且不能被降解, 广泛存在于生态环境中[7].水稻作为我国重要的粮食作物[8], 其对重金属具有很强的吸收性.Cd污染不仅会导致粮食产量和质量下降, 还会通过食物链对人类健康造成危害[9], 早在20世纪, 日本发生的“痛痛病”就是由于当地居民食用含Cd超标的大米所致[10].所以在应对农田土壤重金属污染时, 既需要保证粮食产量, 也需要保持粮食质量(重金属不超标), 使得选育低重金属累积的水稻品种成为热点.

污染土壤上水稻稻米Cd累积的途径主要是由水稻根系吸收, 经过木质部及韧皮部迁移, 最终到达稻米籽粒[11].影响该过程的因素主要包括内在和外在两个方面:内在因素包括水稻品种和与Cd吸收有关基因的表达情况[12], 薛涛[13]在湖南采矿区Cd污染的农田上种植18种水稻品种, 发现稻米Cd的累积最高为卓201s/R2115品种, 稻米Cd含量达0.450mg·kg-1, 最低为长两优品种, 稻米Cd含量为0.085 mg·kg-1, 相差5.3倍; Takahashi等[14]的研究得出OsHMA2的表达可以降低稻米Cd的浓度; Uraguchi等[15]的研究发现控制Cd从节点向稻米转移的转运蛋白OsLCT1基因过量表达会提高稻米Cd积累.外在因素包括土壤理化性质和农艺管理措施等, 王一志等[16]和董霞等[17]比较不同土壤条件下水稻对外源Cd的累积特征, 发现土壤pH、有效态Cd含量和土壤质地等均对稻米Cd含量存在影响; Zhang等[18]和李磊明[19]的研究发现干湿交替和施用硅肥等方法在保证水稻产量的同时, 还可以显著减低稻米Cd的累积.

虽然前人对水稻的Cd累积特征及影响因素做了很多工作, 但主要是针对人为来源重金属污染, 而对于地质背景土壤下稻米Cd累积的影响因素研究较少.对地质高背景土壤下水稻的研究多集中在大田采样的数据结果[3, 20, 21], 进行多件土壤-水稻Cd含量的模型预测, 发现地质高背景下, 土壤有效态Cd、pH值和有机质等也是稻米Cd累积的主要影响因子, 但大田采样分析研究存在采集的水稻品种信息不全, 不同水稻稻米Cd累积差异无法表现, 以及农户种植方式差异导致土壤性状存在多样性的局限.

因此, 本试验设置室内盆栽培养, 选择pH值、Cd含量特征不同的2种典型地质高背景土壤, 选择7种水稻品种, 比较研究不同土壤条件下, 不同水稻稻米Cd的累积特征, 并分析水稻特征和地质高背景土壤特征对稻米Cd累积的影响, 以期为自然地质高背景污染土壤的防治以及农产品安全种植提供理论基础与科学依据.

1 材料与方法 1.1 供试材料

供试土壤来自于广西省南宁市横县:云表镇(东经109°17′37″, 北纬22°55′10″); 马岭镇(东经109°18′55″, 北纬22°47′02″).调查资料横县为典型的喀斯特岩溶区, 云表镇出露地层为第四纪桂平组, 岩性为主要碎屑岩; 马岭镇地层为中石炭纪大埔组, 岩性以碳酸盐为主.采样点多年种植水稻, 附近无发达工业, 重金属主要来源为成土母质.本试验所采用的水稻品种来源于广西壮族自治区农业科学院及市场购买, 包括广西本地种植品种和通用水稻品种, 其中杂交稻品种包括:宁两优一号(NL)、Y两优一号(YL)、深两优(S)和泰两优(T), 常规稻水稻品种包括:粤晶丝苗(YJ)、油占八号(YZ)和黄华占(HH).采用育秧盘育秧, 待水稻3叶期后, 选择长势一致的秧苗进行移栽.

1.2 盆栽试验设计

盆栽试验于2019年3~8月在南京农业大学牌楼温室试验基地进行, 设置2个土壤和7个水稻品种, 每个处理4个重复, 共计56盆.土壤风干后(3.5 kg)过10目筛, 转移至直径25 cm、高25 cm的塑料桶中, 加自来水使得土壤含水量维持在70%最大田间持水量平衡1周.移栽前1 d施入生长所需的基肥:尿素0.602 kg·盆-1、过磷酸钙1.75 kg·盆-1、氯化钾0.133 kg·盆-1.试验所用化学试剂均为优级纯, 水稻全生育期进行常规淹水水分管理, 本试验中水稻于2019年3月17日移栽, 每盆2穴, 每穴1苗.

1.3 样品的采集与保存

水稻样品:水稻成熟时, 用不锈钢剪刀对水稻进行收割, 盆中2株水稻分别采集, 记录水稻的有效穗数、株高, 然后将每盆水稻样品全部连根拔起, 用超纯水反复冲洗, 分为根、茎、叶和穗装入牛皮纸制的信封中, 标记后在105℃杀青30 min后在75℃烘干至恒重, 然后将穗上的稻米脱粒脱壳.根系、茎、叶样品用不锈钢植物粉碎机粉碎, 稻米用玛瑙研钵研磨成粉末状, 过100目的尼龙筛后保存.

土壤样品:采集水稻根系土壤样品1 kg, 放在干净的牛皮纸上清除根系等杂物后放在阴凉处自然风干.将风干后的土壤在玛瑙研钵上研磨过20目和100目的尼龙筛后自封袋保存.

1.4 测定方法

稻米Cd含量采用HNO3+H2O2(优级纯)微波消解(体积比4∶1), 土壤全量重金属采用盐酸-硝酸-高氯酸-氢氟酸消解, 土壤有效态Cd采用0.1 mol·L-1 CaCl2浸提, 后用电感耦合等离子体光谱仪测定Cd含量.分析过程中设置3组平行, 植物以GBW 07603(GSV-2)为标准物质, 土壤使用GBW 07404(GSS-4)控制测定质量, 样品回收率均在95%以上.

土壤抽穗期和灌浆期的pH、Eh和EC采用土壤原位测定, 其中pH采用型号为pH30P-L的加长刺入型pH测试笔测定, 氧化还原电位采用型号ORP30P的刺入型ORP测试笔测定, 电导率采用型号为CON30的防水型笔试电导率计测定.

1.5 数据处理

利用Microsoft office Excel 2019对数据进行整理和作图, SPSS 20.0进行方差分析与相关分析, LSD法进行显著性检验(P<0.05), Canoco 5.0对数据进行冗余分析并作图.

2 结果与分析 2.1 水稻种植前土壤基本理化性质及Cd含量

表 1可见, 云表土壤偏酸性, 而马岭土壤偏碱性; 马岭土壤有机质含量高于云表土壤; 两种土壤Cd含量均高于中国土壤Cd环境背景值(0.07mg·kg-1), 马岭土壤总Cd含量远大于云表土壤, 但有效态Cd低于云表土壤; 除速效钾和有效镉含量外, 马岭土壤的总氮、总磷、电导率均较云表土壤高.

表 1 供试土壤理化性质1) Table 1 Physicochemical properties of the experimental soil

2.2 不同品种水稻稻米的Cd累积情况

图 1中可以看出, 云表土壤中种植的不同水稻稻米Cd含量在0.01~0.02 mg·kg-1之间, 马岭土壤中种植的不同稻米Cd含量在0.03~0.19 mg·kg-1之间.在云表土壤种植的7种水稻稻米Cd含量均低于在马岭土壤种植的.

同一大小写字母表示同一土壤不同 水稻之间的显著差异(P<0.05) 图 1 供试水稻稻米Cd含量 Fig. 1 Content of Cd in brown rice of different varieties

两种土壤条件下, S品种的水稻稻米Cd累积量均为最低, 而Cd含量最高的品种有所不同, 云表土壤中T、HH和NL品种水稻Cd积累最高, 马岭土壤中YZ品种水稻Cd积累最高.

土壤和品种对稻米Cd累积的双因素方差分析结果可见, 土壤性质与水稻品种对稻米Cd含量累积均有显著影响, 且土壤性质和水稻品种之间存在交互作用.

2.3 不同土壤下水稻的生长情况

农艺性状是评价水稻生长情况的重要指标[22], 由表 2可见不同土壤种植的水稻品种间存在差异.总体来看, 同一品种, 在马岭土壤种植的株高和有效穗数高于在云表土壤种植的, 而水稻地上、地下部生物量和根系指标(根长、根表面积、根体积和根平均直径, 下同) 均低于云表土壤上种植的(YJ品种除外).

表 2 两种土壤下不同水稻品种的农艺性状1) Table 2 Agronomic traits of different rice cultivars

云表土壤种植的7种水稻品种中, 株高最高的品种为NL, 最低为S; 干穗重最高为T, 最低为YJ; 有效穗数最高为HH, 最低为NL和YJ; 地上部生物量最高为NL, 最低为YZ; 地下部最高的品种为S, 最低为YJ; S品种的根长、根表面积和根体积显著高于其余品种, YZ品种的根长和根表面积最低, NL的根体积最低; 根平均直径最高为T, 最低为YZ.

马岭土壤种植的7种水稻品种中, 株高最高的品种为NL, 最低为YZ; 干穗重最高为YJ, 最低为YZ; 有效穗数最高为T, 最低为NL、S和YZ; 地上、下部生物量最高的品种为YJ, 最低为YZ; YJ品种的根长、根表面积和根体积明显最高, YZ品种根长和根体积最低, T品种的根表面积最低; 根平均直径最高为S, 最低为YZ.

2.4 不同土壤下水稻生长过程中土壤性质的变化

抽穗期与灌浆期为水稻重金属累积的关键时期, 特别灌浆期是稻米质量的累积时期, 也是根部重金属向上转移能力提高的时期[23].研究土壤抽穗期和灌浆期土壤理化性质的变化可有效地分析稻米Cd累积特征, 本试验中抽穗期与灌浆期土壤的理化性质见表 3.同一水稻品种在抽穗期和灌浆期均表现出马岭土壤Eh、EC和pH值高于云表土壤, YJ品种土壤的EC值除外.

表 3 水稻不同时期土壤Eh、EC与pH值 Table 3 Soil Eh, EC, and pH during different periods of rice growth

不同水稻品种对土壤的理化性质影响较大.云表土壤上, 在水稻抽穗期, Eh、EC值最高为种植YL品种的土壤, 最低为YZ; 土壤pH值最高为种植YJ和HH品种的土壤, 最低为YL.水稻灌浆期, Eh最高为种植NL品种的土壤, 最低为T; EC最高为种植S品种的土壤, 最低为HH; pH值最高为种植NL品种的土壤, 最低为HH.

马岭土壤上, 水稻抽穗期和灌浆期Eh值最高均为种植YL品种的土壤, 最低为YJ; 但是不同时期土壤EC和pH值变化趋势并不相同, 水稻抽穗期, EC值最高为种植HH品种的土壤, 最低为YJ, pH值最高为种植YL品种的土壤, 最低为T; 水稻灌浆期, EC值最高为种植YZ品种的土壤, 最低为YJ, pH值最高为种植S品种的土壤, 最低为YJ和HH.

2.5 影响稻米Cd含量累积的相关因子

利用冗余分析(RDA)对水稻农艺性状、土壤指标与稻米Cd累积数据进行分析, 见图 2.发现RDA1和RDA2解释量分别为41.91%和0.95%, 受到水稻农艺性状和土壤化学性质的影响, 云表、马岭水稻显著分离.

YB、ML、TCd和ACd分别表示云表、马岭、土壤全Cd和有效态Cd 图 2 稻米Cd累积因素冗余分析(RDA) Fig. 2 Redundancy analysis factors of Cd accumulation in rice(RDA)

稻米Cd含量受到抽穗期土壤pH、EC和Eh、灌浆期土壤Eh和EC、土壤全Cd、株高、有效穗数、地上及下部生物量、根体积和根表面积较强的影响, 而水稻千粒重、灌浆期pH和土壤有效态Cd对其无显著影响.

将稻米Cd含量与水稻农艺性状和土壤指标进行相关性分析(表 4), 得到云表土壤种植的水稻稻米Cd含量与水稻干穗重呈极显著正相关, 与水稻根长呈极显著负相关关系, 与根平均直径和抽穗期土壤Eh值存在显著正相关关系, 与土壤全Cd呈显著负相关; 马岭土壤种植的水稻稻米Cd含量与水稻农艺性状均呈负相关关系, 其中与地上部生物量、根体积、根表面积和根平均直径呈极显著负相关, 与株高、干穗重和地下部生物量呈显著负相关, 与抽穗期的Eh和pH值、灌浆期EC存在显著正相关关系, 与灌浆期pH值存在极显著负相关关系.两种土壤的有效态Cd含量与稻米Cd含量之间的相关性均不明显.

表 4 水稻稻米Cd含量与水稻农艺性状、土壤理化性质之间相关系数1) Table 4 Correlation coefficients of heavy metal concentrations in rice grains with rice agronomic traits and various soil properties

3 讨论

相比土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(GB 15618-2018), 水田土壤pH值小于6.5时, Cd含量的风险筛选值为0.40 mg·kg-1、大于7.5时风险筛选值为0.80 mg·kg-1, 管制值为4.00mg·kg-1, 供试云表土壤Cd含量为0.16 mg·kg-1风险较低, 马岭土壤Cd含量为2.66mg·kg-1, 存在一定风险.两种土壤Cd含量出现差异可能与地层形成时间有关, 马岭土壤地层形成时间较云表土壤早, 成土母质受到的风化淋溶程度更深, 次生富集也就越大, 所以其Cd的富集含量越高[5].虽然马岭土壤全Cd含量远高于云表土壤, 但马岭土壤有效态Cd含量低于云表土壤, 原因可能是马岭土壤中存在大量的铁锰结合颗粒, 铁锰结合对重金属有较强的吸附作用[24]; 此外, 云表土壤偏酸性, 酸性土壤的氢离子通过吸附-解析作用释放土壤有效态Cd[25].云表土壤CaCl2-Cd含量占全Cd含量的26.20%, 马岭土壤CaCl2-Cd含量占全Cd含量的0.51%, 相比外源添加或人为污染的土壤, Cd在这两种地质高背景土壤上表现的生物有效性较低[3].同样马宏宏等[21]的研究通过采集广西碳酸盐区稻米和根系土样品68套, 得出地质高背景区土壤重金属相比人为污染土壤重金属表现出全量高、有效态含量低的特点, 刘旭等[26]的研究也发现横县Cd含量较高, 但Cd的生物有效性系数较低, 平均为25.90%, 而人为源的有效态Cd占总Cd的1/3左右[27], 与本研究的结果一致.

本研究中, 两种土壤种植的稻米Cd含量均未超过国家粮食安全标准中规定的稻米Cd限定标准值0.20 mg·kg-1(GB 2762-2017), 特别是马岭土壤, 即使其土壤全Cd含量达到2.66 mg·kg-1, 远超国家土壤污染风险值标准, 但马岭土壤种植的7种稻米Cd均未超标, 这与该地区土壤pH为碱性, 且土壤富含铁锰结合颗粒, 导致土壤中Cd的生物有效性较低有关[3].同一品种在云表土壤种植的稻米Cd含量均低于马岭土壤种植, 而从土壤有效态Cd含量看, 马岭土壤有效态Cd含量低于云表, 相关性分析结果表明, 云表稻米Cd含量与水稻根长负相关, 云表土壤水稻植株长势较好, 根系发达, Cd更容易在根部积累.而马岭土壤下稻米Cd含量与水稻生物量呈极显著负相关, 生物量的减少, 降低了对Cd的截留, 可能导致水稻籽粒中Cd的积累.冗余分析结果也显示稻米Cd含量与土壤总Cd含量存在正相关关系, 马岭土壤总Cd含量远高于云表土壤, 这与王梦梦等[28]的研究结果一致.

云表土壤上各品种稻米Cd含量依次为:T>HH>NL>YZ>YL>YJ>S; 马岭土壤上各品种稻米Cd含量依次为:YZ>HH>NL>YL>T>YJ>S.S品种在两种土壤种植条件下均表现出稻米Cd含量最低, 杜瑞英等[29]研究广东粤北矿区人为源污染为主的农田稻米Cd积累情况, 使用与本试验相同的S水稻品系, 得到S稻米Cd积累最高, 与本研究的结果相反, 这可能与其研究是基于水稻样品的采集分析, 并未对土壤Cd含量及土壤性质进行测定, 从而未能构建土壤-水稻积累规律有关, 这也侧面证实土壤性质及重金属来源会影响水稻稻米Cd的累积特征.YZ在两种土壤上稻米Cd积累表现出明显差异, YZ品种在马岭土壤中稻米Cd积累最高, 但在云表土壤中稻米Cd积累居中.相关性表明马岭土壤中稻米Cd含量与株高显著负相关, YZ品种在马岭土壤种植时, 株高显著低于其他品种, 这与易亚科等[30]的发现一致, 即土壤pH值在4.00~8.00的范围内, 稻米Cd含量与株高存在极显著负相关性.而在云表土壤中, 稻米Cd含量与抽穗期Eh显著正相关, YZ品种在云表土壤种植时, 抽穗期Eh相对较低, 抽穗期的低Eh会影响水稻稻米对Cd的积累[31].方差分析也表明水稻品种、土壤性质对稻米Cd含量均存在显著影响, 这与杜瑞英等[29]和柯庆明等[32]的研究结果一致.

云表土壤种植的所有水稻的生物量和根系生长情况均优于马岭土壤种植的相应品种水稻, 但云表土壤的有机质等养分含量低于马岭土壤, 说明马岭土壤的高Cd含量会抑制水稻的生长.研究表明Cd浓度大于0.600mg·kg-1会对水稻生长产生抑制作用[33].两种土壤下, S品种的根系发育最佳, 但稻米中的Cd积累均为最低, 冗余和相关分析都表明根长、根体积和根表面积与稻米Cd含量呈负相关, 这与根系是Cd累积的重要部位[34], 并且不影响地上部对地下部的转运比例有关[35].

水稻培养前后土壤Eh、EC值下降, 这与长期淹水土壤含氧量减少有关[31].不同时期土壤pH不同, 相比抽穗期pH, 云表灌浆期土壤pH升高, 马岭土壤灌浆期pH降低, 这与水稻培养过程会使土壤pH趋于中性有关[36].水稻品种会影响土壤的Eh和EC, 种植YL水稻会显著提高抽穗期马岭和云表土壤的Eh值, 这与YL水稻在两种土壤条件下根系发育较好, 根系泌氧能力较高有关[37].种植S品种显著提高马岭和云表土壤EC值, 这与S水稻具有最高的根系生物量, 根系分泌物增加有关[38].

相关性分析表明, 云表土壤下稻米Cd含量与根长呈极显著负相关; 而马岭土壤下稻米Cd含量与水稻生物量呈极显著负相关.土壤Cd含量会影响水稻根长与水稻生物量[33], 在Cd含量偏低的云表土壤, 水稻根系生长发育好[34], 根系的发育可以有效促进对土壤Cd的吸收, 但并不改变地下部向地上部的转移[35], 同时根长的增加也为Cd在根系的累积提供更多的位点[39], 从而降低Cd向籽粒的运输和积累, 表现出稻米Cd含量与根长的极显著负相关.在Cd含量高的马岭土壤上, 水稻地上部长势较弱, 有研究表明水稻茎叶生物量是Cd截留的重要部位, 水稻在吸收积累Cd时会优先分配到叶片中去, 从而减少可食部分Cd的积累[40], 而马岭土壤由于土壤Cd含量高, 水稻地上部长势弱, 因此降低了对Cd的截留, 导致水稻籽粒中Cd的积累多, 表现出稻米Cd含量与水稻生物量极显著负相关.

4 结论

7个水稻品种在2种地质高背景下种植稻米Cd含量均未超标.马岭土壤种植的水稻稻米Cd含量累积均较云表土壤高.水稻品种深两优在2种土壤下稻米Cd含量均为最低.方差分析表明水稻品种和土壤性质对稻米Cd累积均存在显著影响.冗余分析得到稻米Cd含量与抽穗期土壤pH、EC和Eh、灌浆期土壤Eh和EC、土壤全Cd、株高、地上及下部生物量、根体积和根表面积具有较强的影响.进一步相关性分析显示云表稻米Cd含量与根长存在极显著相关关系, 马岭土壤稻米Cd含量与地上部生物量存在极显著相关关系.

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