不同水稻品种对重金属的积累特性

引用本文

林小兵, 周利军, 王惠明, 刘晖, 武琳, 俞莹, 胡敏, 何波, 周青辉, 黄欠如. 不同水稻品种对重金属的积累特性[J]. 环境科学, 2018, 39(11): 5198-5206.

LIN Xiao-bing, ZHOU Li-jun, WANG Hui-ming, LIU Hui, WU Lin, YU Ying, HU Min, HE Bo, ZHOU Qing-hui, HUANG Qian-ru. Accumulation of Heavy Metals in Different Rice Varieties[J]. Environmental Science, 2018, 39(11): 5198-5206.

不同水稻品种对重金属的积累特性

林小兵¹, 周利军¹, 王惠明², 刘晖², 武琳¹, 俞莹², 胡敏³, 何波³, 周青辉², 黄欠如¹

1. 江西省红壤研究所, 国家红壤改良工程技术研究中心, 南昌 331717;
2. 江西省农业环境监测站, 南昌 330046;
3. 萍乡市农业局, 萍乡 337000

收稿日期: 2018-04-03; 修订日期: 2018-05-16

基金项目: 江西省重点研发计划项目（20171ACG70022）；国家重点研发计划项目（2016YFD0200101）；公益性行业（农业）科研专项（201503122-11）

作者简介: 林小兵(1992~), 男, 硕士研究生, 主要研究方向土壤重金属污染修复及其评价, E-mail:linxiaobing@xtbg.ac.cn

通信作者: 黄欠如, E-mail:qianruhuang@163.com

摘要: 采用田间试验法，以南方主要种植的129个水稻品种为研究对象，通过对稻米样品中镉（Cd）、铅（Pb）、铬（Cr）、无机砷（As）和总汞（Hg）重金属含量的测定，分析不同品种和类型的水稻对重金属吸收能力的差异.结果表明，35个早稻糙米Cd含量在0.35~0.60 mg·kg^-1之间，超标率100%，糙米Pb含量在0.08~0.30 mg·kg^-1之间，超标率14.29%；54个中稻糙米Cd含量在0.03~0.45 mg·kg^-1之间，超标率33.33%；40个晚稻糙米Cd含量在0.08~0.20 mg·kg^-1之间，均未超过国家标准.早、中、晚稻都表现出三系杂交稻糙米Cd含量高于两系杂交稻，但是差异不明显；早稻三系杂交稻糙米Cr和总Hg含量显著高于两系杂交稻.中稻糙米Cd含量与Pb和总Hg含量间呈显著正相关；与糙米中无机As含量间存在极显著负相关；而与糙米中Cr含量间相关性不明显.总之，水稻对重金属的吸收积累，受遗传背景、品种类型和重金属互作的影响较大.

关键词: 水稻品种重金属镉杂交稻糙米

Accumulation of Heavy Metals in Different Rice Varieties

LIN Xiao-bing¹ , ZHOU Li-jun¹ , WANG Hui-ming² , LIU Hui² , WU Lin¹ , YU Ying² , HU Min³ , HE Bo³ , ZHOU Qing-hui² , HUANG Qian-ru¹

1. National Red Soil Improvement Engineering Technology Research Center, Red Soil Research Institute of Jiangxi Province, Nanchang 331717, China;
2. Agricultural Environmental Monitoring Station of Jiangxi, Nanchang 330046, China;
3. Agricultural Bureau of Pingxiang, Pingxiang 337000, China

Abstract: Field experiments were conducted on the heavy metal contents (Cd, Pb, Cr, inorganic As, and total Hg) of the 129 main cultivated rice varieties in southern China. We analyzed the effects of different varieties and types of rice on the absorption capacities of these heavy metals. The results showed that the Cd content in 35 brown rice of early rice was 0.35-0.60 mg·kg^-1, exceeding the standard rate of 100%. The Pb content in brown rice was 0.08-0.30 mg·kg^-1, exceeding the rate of 14.29%. The Cd content in 54 brown rice of medium rice was 0.03-0.45 mg·kg^-1, exceeding the rate of 33.33%. The Cd content in 40 brown rice of late rice was 0.08-0.20 mg·kg^-1, which did not exceed the national standard. Early, middle, and late rice all showed that the Cd content of three-line hybrid rice was higher than that of two-line hybrid rice, but the difference was not obvious. The contents of Cr and total Hg in brown rice of three-line hybrid rice in early rice were significantly higher than that of two-line hybrid rice. There was a significant positive correlation between Cd content in brown rice and Pb and total Hg content in medium rice, and there was a significant negative correlation between inorganic Cd content and inorganic As content, whereas there was no significant correlation between Cd and Cr content. In short, rice's absorption and accumulation of heavy metals is greatly affected by genetic background, species types, and heavy metal interactions.

Key words: rice variety heavy metal Cd hybrid rice brown rice

近年来, 由于污水灌溉、污泥农用及含有重金属的农药、化肥、杀虫剂等不合理使用, 造成我国农田土壤重金属污染日益加重, 土壤重金属长期积累不仅破坏土壤生态环境, 阻碍动植物生长, 而且通过食物链危及人体健康^[1].在我国土壤重金属污染主要以镉(Cd)、汞(Hg)、砷(As)、铅(Pb)、铬(Cr)、铜(Cu)等污染为主^[2].水稻是我国第一大粮食作物, 并且对重金属具有强吸收的特征, 土壤-水稻系统重金属污染问题已成为一个重要的研究领域^[3].在重金属污染土壤中种植水稻, 不仅影响了水稻产量, 而且稻米富集后通过食物链进入人体引起健康风险^[4].

对于控制重金属向水稻中转移^[5]：一方面通过化学固定降低土壤中重金属的活性使其钝化, 例如调控土壤酸碱度(pH)、施用钝化剂或改良剂(如石灰石、沸石粉、磷酸盐类、膨润土、生物炭等)^{[6, 7]}; 另一方面则种植重金属抗性强、低累积型的水稻品种或合理灌溉^{[8, 9]}.已有研究表明^[10], 不同品种稻米中对于重金属的吸收和积累存在显著差异, 不同的水稻品种或基因类型对重金属的耐性不同, 从而对重金属元素的吸收和积累差异很大, 而且不同基因型水稻品种对重金属的种类也存在明显的差异^[11~13].不同品种水稻对Pb、Hg的耐性和富集能力存在显著的基因型差异.合理选育高耐性低积累水稻品种是有效降低稻米重金属污染风险的一个有效途径^[13~15].

大多数研究针对不同水稻品种对某一重金属吸收积累的差异, 当前的重金属低累积水稻品种筛选主要关注的是重金属Cd, 而对于其他重金属Hg尤其是As的低累积水稻品种报道较少^[10], 而事实上土壤环境中重金属的污染常常是多种重金属的复合污染^[16~18], 而对多种重金属复合污染土壤上水稻对重金属积累能力差异研究比较少.关于水稻对重金属的吸收特征研究以室内模拟为主, 但是研究表明水稻在室内模拟和大田试验条件下的生长状况、对重金属元素的吸收、积累和转运具有一定的差异^{[19, 20]}.本试验通过研究大田生产条件下不同水稻品种对土壤中重金属(Cd、Pb、Cr、无机As和总Hg)的积累特性的差异, 不仅对于模拟试验是必不可少的验证与补充, 也可以全面了解水稻品种对不同重金属积累特征.

本试验选用市场上已审定推广试验的早中晚主栽水稻品种, 在萍乡重金属污染土壤中进行水稻品种筛选大田试验, 分析同等条件下不同水稻品种对重金属Cd、Pb、Cr、无机As和总Hg吸收积累的差异性, 通过筛选出重金属低吸收或低积累水稻品种, 降低水稻重金属富集含量, 以期为研究水稻品种对重金属的吸收规律和机制提供科学、准确的数据, 并为土壤重金属修复治理提供技术支撑.

1 材料与方法 1.1 供试材料

参与筛选的水稻品种共129个, 其中早稻品种35个、中稻品种54个、晚稻品种40个.具体水稻品种目录见表 1~3.供试水稻品种由江西省农业科学院、江西省农技总站、湖南隆平高科、江西天涯种业、江西现代种业等单位或公司提供.

表 1 不同早稻品种稻米重金属含量的比较/mg·kg^-1 Table 1 Comparison of heavy metal content in brown rice of early rice varieties/mg·kg^-1

样品编号	品种名称	类型	镉(Cd) (标准要求≤0.2 mg·kg^-1)	铅(Pb) (标准要求≤0.2 mg·kg^-1)	铬(Cr) (标准要求≤1mg·kg^-1)	无机砷(As) (标准要求≤0.2 mg·kg^-1)	总汞(Hg) (标准要求≤0.02 mg·kg^-1)
ZZA01	株两优39	两系杂交稻	0.49±0.13	0.20±0.19	0.19±0.16	0.09±0.09	0.002±0.001
ZZA02	株两优6108	两系杂交稻	0.44±0.08	0.22±0.12	0.15±0.12	0.17±0.03	0.003±0.002
ZZA03	株两优538	两系杂交稻	0.46±0.10	0.30±0.36	0.33±0.17	0.12±0.03	0.004±0.001
ZZA04	株两优706	两系杂交稻	0.37±0.01	0.13±0.01	0.22±0.16	0.15±0.02	0.004±0.002
ZZA05	株两优606	两系杂交稻	0.48±0.09	0.17±0.09	0.24±0.16	0.12±0.03	0.009±0.005
ZZA06	株两优1号	两系杂交稻	0.45±0.08	0.08±0.05	0.18±0.12	0.13±0.04	0.007±0.004
ZZA07	株两优819	两系杂交稻	0.41±0.08	0.15±0.10	0.19±0.07	0.13±0.04	0.004±0.001
ZZA08	陵两优211	两系杂交稻	0.44±0.13	0.15±0.03	0.10±0.06	0.10±0.03	0.004±0.001
ZZA09	陵两优611	两系杂交稻	0.42±0.05	0.12±0.04	0.11±0.04	0.12±0.04	0.004±0.001
ZZA10	陵两优915	两系杂交稻	0.42±0.06	0.12±0.06	0.13±0.06	0.10±0.03	0.007±0.002
ZZA11	陵两优32	两系杂交稻	0.50±0.09	0.12±0.05	0.05±0.01	0.11±0.00	0.003±0.000
ZZA12	潭两优83	两系杂交稻	0.46±0.07	0.11±0.02	0.06±0.06	0.12±0.01	0.004±0.001
ZZA13	陆两优35	两系杂交稻	0.42±0.10	0.11±0.07	0.20±0.11	0.13±0.02	0.004±0.001
ZZA14	中早35	常规稻	0.49±0.07	0.15±0.02	0.02±0.02	0.13±0.03	0.003±0.001
ZZA15	中早39	常规稻	0.51±0.13	0.15±0.02	0.08±0.07	0.14±0.05	0.002±0.002
ZZA16	中嘉早17	常规稻	0.48±0.06	0.16±0.05	0.04±0.06	0.11±0.05	0.002±0.003
ZZA17	江早361	常规稻	0.47±0.09	0.17±0.07	0.08±0.11	0.10±0.01	0.005±0.003
ZZB01	陵两优268	两系杂交稻	0.35±0.10	0.14±0.07	0.26±0.07	0.14±0.05	0.006±0.001
ZZB02	陵两优104	两系杂交稻	0.47±0.06	0.28±0.07	0.16±0.06	0.08±0.04	0.006±0.001
ZZB03	陵两优942	两系杂交稻	0.35±0.05	0.18±0.08	0.21±0.11	0.06±0.00	0.006±0.001
ZZB04	荣优286	三系杂交稻	0.37±0.11	0.14±0.11	0.24±0.05	0.13±0.05	0.008±0.003
ZZB05	五丰优286	三系杂交稻	0.38±0.11	0.16±0.11	0.23±0.04	0.10±0.03	0.005±0.001
ZZB06	五优301	三系杂交稻	0.56±0.13	0.16±0.06	0.21±0.11	0.12±0.04	0.006±0.001
ZZB07	早丰优402	三系杂交稻	0.60±0.07	0.22±0.19	0.37±0.24	0.12±0.04	0.006±0.002
ZZB08	金优458	三系杂交稻	0.35±0.15	0.10±0.05	0.18±0.05	0.09±0.05	0.006±0.001
ZZB09	淦鑫203	三系杂交稻	0.52±0.10	0.12±0.05	0.38±0.31	0.12±0.04	0.013±0.007
ZZB10	优Ⅰ156	三系杂交稻	0.39±0.07	0.13±0.02	0.19±0.02	0.12±0.06	0.007±0.003
ZZB11	优Ⅰ651	三系杂交稻	0.48±0.07	0.19±0.17	0.26±0.08	0.13±0.04	0.007±0.001
ZZB12	优Ⅰ2009	三系杂交稻	0.49±0.12	0.10±0.04	0.20±0.10	0.07±0.02	0.007±0.002
ZZB13	五优156	三系杂交稻	0.54±0.05	0.19±0.23	0.26±0.17	0.10±0.04	0.006±0.001
ZZB14	五丰优623	三系杂交稻	0.39±0.02	0.13±0.06	0.21±0.06	0.13±0.05	0.006±0.001
ZZB15	陵两优193	两系杂交稻	0.44±0.11	0.11±0.05	0.15±0.04	0.07±0.04	0.006±0.000
ZZB16	陆两优98	两系杂交稻	0.47±0.07	0.21±0.16	0.27±0.06	0.05±0.04	0.007±0.002
ZZB17	荣优608	三系杂交稻	0.49±0.05	0.09±0.06	0.27±0.18	0.10±0.02	0.006±0.002
ZZB18	荣优463	三系杂交稻	0.53±0.10	0.14±0.01	0.20±0.06	0.09±0.05	0.005±0.002

表 1 不同早稻品种稻米重金属含量的比较/mg·kg^-1 Table 1 Comparison of heavy metal content in brown rice of early rice varieties/mg·kg^-1

表 2 不同中稻品种稻米重金属含量的比较/mg·kg^-1 Table 2 Comparison of heavy metal content in brown rice of different middle rice varieties/mg·kg^-1

样品编号	品种名称	类型	镉(Cd) (标准要求≤0.2 mg·kg^-1)	铅(Pb) (标准要求≤0.2 mg·kg^-1)	铬(Cr) (标准要求≤1mg·kg^-1)	无机砷(As) (标准要求≤0.2 mg·kg^-1)	总汞(Hg) (标准要求≤0.02 mg·kg^-1)
YJA01	C两优华占	两系杂交稻	0.11±0.01	0.04±0.03	0.07±0.01	0.14±0.02	0.003±0.001
YJA02	欣荣优华占	三系杂交稻	0.11±0.06	0.03±0.03	0.12±0.09	0.15±0.00	0.002±0.001
YJA03	天优华占	三系杂交稻	0.15±0.02	0.02±0.01	0.06±0.05	0.13±0.01	0.002±0.000
YJA04	川优华占	三系杂交稻	0.11±0.06	0.01±0.0	0.11±0.09	0.14±0.04	0.002±0.001
YJA05	农香优676	三系杂交稻	0.10±0.02	0.03±0.02	0.04±0.02	0.15±0.04	0.001±0.001
YJA06	丰优989	三系杂交稻	0.18±0.04	0.02±0.01	0.05±0.02	0.18±0.02	0.003±0.001
YJA07	两优8106	两系杂交稻	0.08±0.04	0.03±0.05	0.04±0.02	0.05±0.01	0.003±0.001
YJA08	徽两优996	两系杂交稻	0.06±0.07	0.03±0.06	0.06±0.03	0.16±0.04	0.003±0.000
YJA09	徽两优9810	两系杂交稻	0.11±0.08	0.02±0.02	0.09±0.02	0.16±0.02	0.002±0.002
YJA10	新华两优9号	两系杂交稻	0.25±0.03	0.02±0.01	0.05±0.02	0.16±0.01	0.004±0.001
YJA11	常3号	常规稻	0.08±0.04	0.06±0.06	0.06±0.01	0.16±0.01	0.009±0.001
YJA12	内5优8015	三系杂交稻	0.24±0.02	0.03±0.05	0.11±0.03	0.19±0.01	0.003±0.001
YJBO1	C两优608	两系杂交稻	0.15±0.05	0.13±0.04	0.07±0.04	0.17±0.01	0.008±0.007
YJBO2	盐两优888	两系杂交稻	0.24±0.02	0.08±0.06	0.08±0.03	0.16±0.01	0.005±0.002
YJBO3	新两优6380	两系杂交稻	0.14±0.12	0.06±0.05	0.08±0.03	0.17±0.02	0.003±0.001
YJBO4	深两优865	两系杂交稻	0.18±0.02	0.08±0.07	0.18±0.17	0.11±0.01	0.007±0.004
YJBO5	和两优1号	两系杂交稻	0.17±0.11	0.04±0.01	0.07±0.02	0.12±0.01	0.006±0.002
YJBO6	Y两优9918	两系杂交稻	0.09±0.06	0.02±0.02	0.09±0.05	0.16±0.02	0.003±0.002
YJBO7	创两优520	两系杂交稻	0.09±0.04	0.09±0.08	0.13±0.05	0.17±0.02	0.003±0.003
YJBO8	C两优520	两系杂交稻	0.17±0.03	0.06±0.03	0.06±0.02	0.13±0.01	0.005±0.003
YJBO9	徽两优520	两系杂交稻	0.08±0.06	0.09±0.09	0.07±0.04	0.15±0.02	0.005±0.001
YJB10	广两优520	两系杂交稻	0.06±0.04	0.05±0.04	0.07±0.05	0.17±0.01	0.005±0.001
YJB11	荃优68	三系杂交稻	0.14±0.05	0.07±0.06	0.08±0.04	0.15±0.02	0.006±0.003
YJB12	湘晚籼13号	常规稻	0.03±0.01	0.08±0.08	0.08±0.04	0.14±0.01	0.007±0.004
YJC01	Y两优1号	两系杂交稻	0.29±0.06	0.12±0.06	0.09±0.02	0.13±0.01	0.004±0.002
YJC02	中浙优1号	三系杂交稻	0.29±0.21	0.09±0.03	0.08±0.02	0.13±0.01	0.008±0.009
YJC03	广两优1128	两系杂交稻	0.20±0.03	0.10±0.03	0.17±0.12	0.12±0.04	0.004±0.002
YJC04	甬优1538	三系杂交稻	0.15±0.13	0.06±0.03	0.10±0.06	0.12±0.03	0.003±0.000
YJC05	Y两优5813	两系杂交稻	0.33±0.09	0.07±0.06	0.39±0.48	0.12±0.02	0.002±0.001
YJC06	丰两优四号	两系杂交稻	0.16±0.10	0.07±0.05	0.09±0.00	0.13±0.05	0.002±0.001
YJC07	Y两优3218	两系杂交稻	0.24±0.19	0.05±0.01	0.18±0.14	0.10±0.02	0.002±0.002
YJC08	两优126	两系杂交稻	0.24±0.24	0.07±0.02	0.08±0.01	0.10±0.02	0.004±0.003
YJC09	常1号	常规稻	0.20±0.14	0.12±0.09	0.10±0.03	0.11±0.02	0.003±0.002
YJC10	常2号	常规稻	0.11±0.02	0.03±0.05	0.97±1.56	0.09±0.01	0.002±0.001
YJC11	黄华占	常规稻	0.10±0.13	0.02±0.02	0.07±0.02	0.14±0.03	0.002±0.001
YJC12	五山丝苗	常规稻	0.12±0.06	0.11±0.05	0.17±0.11	0.10±0.01	0.002±0.000
YJD01	Y两优5867	两系杂交稻	0.19±0.06	0.16±0.13	0.23±0.31	0.12±0.03	0.006±0.001
YJD02	珞优8号	三系杂交稻	0.28±0.04	0.04±0.04	0.16±0.21	0.11±0.01	0.006±0.003
YJD03	Y两优689	两系杂交稻	0.20±0.07	0.07±0.06	0.06±0.03	0.12±0.04	0.007±0.001
YJD04	Y两优2号	两系杂交稻	0.16±0.05	0.06±0.01	0.23±0.02	0.13±0.05	0.006±0.001
YJD05	深两优5814	两系杂交稻	0.15±0.03	0.05±0.00	0.11±0.05	0.10±0.01	0.005±0.000
YJD06	Y两优302	两系杂交稻	0.45±0.15	0.08±0.07	0.06±0.07	0.13±0.01	0.005±0.001
YJD07	Y两优6号	两系杂交稻	0.17±0.12	0.07±0.01	0.08±0.04	0.10±0.01	0.008±0.004
YJD08	Y两优646	两系杂交稻	0.20±0.01	0.07±0.01	0.08±0.08	0.11±0.03	0.006±0.001
YJD09	荆两优1198	两系杂交稻	0.19±0.05	0.05±0.06	0.15±0.18	0.13±0.02	0.006±0.001
YJD10	广两优香66	两系杂交稻	0.45±0.08	0.02±0.04	0.12±0.09	0.13±0.01	0.007±0.003
YJD11	Y两优3399	两系杂交稻	0.27±0.09	0.03±0.03	0.05±0.03	0.13±0.06	0.007±0.003
YJD12	Y两优916	两系杂交稻	0.25±0.07	0.08±0.02	0.05±0.02	0.11±0.01	0.006±0.000
YJE01	春优84	三系杂交稻	0.31±0.06	0.16±0.02	0.19±0.26	0.09±0.08	0.008±0.001
YJE02	甬优12号	三系杂交稻	0.37±0.03	0.17±0.03	0.35±0.35	0.09±0.04	0.009±0.001
YJE03	甬优9号	三系杂交稻	0.42±0.11	0.14±0.00	0.09±0.02	0.05±0.01	0.008±0.001
YJE04	秀水09	常规稻	0.15±0.03	0.16±0.01	0.03±0.00	0.10±0.11	0.007±0.002
YJE05	甬优538	籼粳杂交稻	0.25±0.04	0.19±0.01	0.28±0.15	0.10±0.04	0.007±0.000
YJE06	外引7号	常规稻	0.43±0.11	0.11±0.00	0.07±0.02	0.03±0.00	0.010±0.002

表 2 不同中稻品种稻米重金属含量的比较/mg·kg^-1 Table 2 Comparison of heavy metal content in brown rice of different middle rice varieties/mg·kg^-1

表 3 不同晚稻品种稻米重金属含量的比较/mg·kg^-1 Table 3 Comparison of heavy metal content in brown rice of different late rice varieties/mg·kg^-1

样品编号	品种名称	类型	镉(Cd) (标准要求≤0.2 mg·kg^-1)	铅(Pb) (标准要求≤0.2 mg·kg^-1)	铬(Cr) (标准要求≤1mg·kg^-1)	无机砷(As) (标准要求≤0.2 mg·kg^-1)	总汞(Hg) (标准要求≤0.02 mg·kg^-1)
WZA01	五优308	三系杂交稻	0.14±0.02	0.12±0.02	0.13±0.11	0.07±0.02	0.004±0.000
WZA02	五优103	三系杂交稻	0.14±0.01	0.11±0.02	0.08±0.10	0.06±0.03	0.003±0.000
WZA03	五丰优61	三系杂交稻	0.16±0.02	0.12±0.01	0.30±0.39	0.04±0.02	0.003±0.000
WZA04	天丰优T025	三系杂交稻	0.13±0.01	0.10±0.01	0.04±0.02	0.03±0.02	0.004±0.001
WZA05	早丰优华占	三系杂交稻	0.13±0.03	0.13±0.03	0.11±0.11	0.09±0.08	0.003±0.000
WZA06	丰两优晚三	两系杂交稻	0.11±0.01	0.12±0.02	0.26±0.23	0.08±0.06	0.003±0.000
WZA07	两优6206	两系杂交稻	0.12±0.03	0.13±0.02	0.26±0.29	0.04±0.02	0.004±0.000
WZA08	湘丰优100	三系杂交稻	0.08±0.03	0.13±0.01	0.13±0.03	0.06±0.01	0.004±0.000
WZA09	奥两优28	两系杂交稻	0.13±0.02	0.13±0.03	0.14±0.09	0.03±0.02	0.004±0.001
WZA10	泰优398	三系杂交稻	0.15±0.02	0.13±0.03	0.12±0.07	0.07±0.01	0.003±0.000
WZA11	五丰优T025	三系杂交稻	0.14±0.02	0.12±0.02	0.13±0.14	0.03±0.01	0.003±0.000
WZA12	丰两优一号	两系杂交稻	0.12±0.02	0.11±0.02	0.13±0.08	0.04±0.02	0.004±0.000
WZA13	隆优308	三系杂交稻	0.14±0.04	0.14±0.04	0.10±0.11	0.06±0.04	0.004±0.001
WZA14	泰优98	三系杂交稻	0.13±0.03	0.13±0.01	0.11±0.10	0.08±0.03	0.003±0.000
WZA15	吉优225	三系杂交稻	0.14±0.01	0.12±0.01	0.06±0.02	0.03±0.01	0.003±0.000
WZA16	岳优617	三系杂交稻	0.13±0.03	0.13±0.02	0.13±0.09	0.06±0.02	0.004±0.000
WZA17	荣优308	三系杂交稻	0.15±0.01	0.12±0.02	0.07±0.07	0.03±0.01	0.003±0.000
WZA18	吉优335	三系杂交稻	0.17±0.04	0.31±0.29	0.10±0.09	0.04±0.01	0.003±0.000
WZA19	农丰优909	三系杂交稻	0.10±0.01	0.12±0.02	0.11±0.07	0.04±0.01	0.004±0.001
WZA20	湘晚籼12号	常规稻	0.15±0.04	0.13±0.04	0.05±0.04	0.04±0.01	0.003±0.001
WZB01	欣优827	三系杂交稻	0.14±0.04	0.15±0.03	0.09±0.05	0.07±0.02	0.003±0.001
WZB02	江科736	三系杂交稻	0.17±0.04	0.14±0.05	0.14±0.03	0.08±0.02	0.004±0.001
WZB03	汕优736	三系杂交稻	0.12±0.04	0.13±0.01	0.09±0.06	0.05±0.01	0.003±0.000
WZB04	天优827	三系杂交稻	0.15±0.04	0.12±0.01	0.08±0.02	0.05±0.02	0.003±0.000
WZB05	天丰优6418	三系杂交稻	0.17±0.04	0.12±0.00	0.14±0.08	0.05±0.01	0.003±0.000
WZB06	科优6418	三系杂交稻	0.1±50.01	0.11±0.02	0.16±0.12	0.03±0.01	0.003±0.001
WZB07	五优华占	三系杂交稻	0.13±0.03	0.12±0.01	0.07±0.01	0.06±0.04	0.003±0.000
WZB08	五优航666	三系杂交稻	0.12±0.02	0.11±0.01	0.07±0.03	0.03±0.00	0.003±0.001
WZB09	五优航1573	三系杂交稻	0.08±0.01	0.12±0.02	0.09±0.06	0.03±0.01	0.003±0.001
WZB10	奥龙优282	两系杂交稻	0.16±0.03	0.12±0.05	0.10±0.06	0.05±0.02	0.003±0.001
WZB11	五丰优淦3号	三系杂交稻	0.20±0.02	0.14±0.01	0.15±0.07	0.06±0.02	0.003±0.000
WZB12	泰优淦3号	三系杂交稻	0.17±0.01	0.14±0.01	0.15±0.05	0.04±0.01	0.003±0.000
WZB13	深优1029	三系杂交稻	0.11±0.02	0.16±0.03	0.10±0.06	0.04±0.01	0.004±0.001
WZB14	荣优华占	三系杂交稻	0.13±0.02	0.11±0.01	0.07±0.04	0.04±0.01	0.003±0.000
WZB15	五丰优662	三系杂交稻	0.16±0.03	0.13±0.01	0.09±0.04	0.03±0.00	0.003±0.000
WZB16	湘晚籼13号	常规稻	0.13±0.03	0.12±0.02	0.12±0.02	0.05±0.02	0.003±0.000
WZB17	甬优2640	籼粳杂交稻	0.18±0.03	0.13±0.02	0.07±0.01	0.06±0.04	0.003±0.001
WZB18	甬优5549	籼粳杂交稻	0.16±0.04	0.10±0.02	0.12±0.03	0.05±0.01	0.002±0.000
WZB19	花优14	三系杂交稻	0.15±0.02	0.11±0.02	0.17±0.11	0.05±0.00	0.003±0.001
WZB20	小叶迟熟	常规稻	0.11±0.03	0.12±0.03	0.09±0.07	0.05±0.04	0.003±0.001

表 3 不同晚稻品种稻米重金属含量的比较/mg·kg^-1 Table 3 Comparison of heavy metal content in brown rice of different late rice varieties/mg·kg^-1

试验地位于江西省萍乡市湘东区湘东镇某村(113°46′02″E, 27°33′47″N, 160 m).属于亚热带湿润季风气候区, 四季分明, 光照充足, 雨量丰沛, 气候温和, 霜期较短, 年平均气温17.3℃, 平均日照时间为1 500 h左右, 年平均降雨量1 580 mm.试验区土壤为红壤性水稻土, 壤土, 土壤肥力中等, 排灌方便, 属于已受污染的常规耕作大田.对试验田土壤按梅花形5点混合取样进行检测分析其土壤理化性质.试验前耕层土壤pH值5.30, 有机质33.43 g·kg^-1, 阳离子交换量20.16 cmol·kg^-1, 土壤重金属Cd含量0.86 mg·kg^-1, 土壤Pb含量34.00 mg·kg^-1、土壤Cr含量61.73 mg·kg^-1和土壤As含量14.60 mg·kg^-1.

1.2 试验设计

试验大田面积为1hm², 其中早稻和晚稻每个品种小区面积为1.5 m²(1 m×1.5 m), 中稻每个品种小区面积为2.4 m²(1.2 m×2 m).整个试验分早稻、中稻和晚稻这3组分别进行品种筛选试验, 采用随机区组排列, 设3次重复, 每个小区种植50穴, 其中早稻和晚稻株行距为(5株×20 cm)×(10株×16.5 cm), 中稻株行距为(5株×26.5 cm)×(10株×20 cm).试验田四周设保护行, 保护行栽插对应小区品种, 保护行不少于5行.小区间、小区与保护行间留操作走道.供试早稻品种2015年4月6日播种, 采用湿润水育秧, 用农膜保温, 5月3日施基肥, 5月4日同规格移栽, 移栽密度为16.5 cm×20 cm, 7月15日采集稻谷样品, 7月20日收割.供试中稻品种2015年5月21日播种, 采用湿润水育秧, 6月11日施基肥, 6月12日同规格移栽, 移栽密度为20 cm×26.5 cm, 针对中稻生长期分别在9月24日、10月3日和10月17日采集稻谷样品.供试晚稻品种2015年6月16日播种, 采用湿润水育秧, 用农膜保温, 7月8日同规格移栽, 移栽密度为16.5 cm×20 cm, 10月21日采集稻谷样品, 10月28日收割.肥料施用：统一测土配方施肥法施肥, 移栽前整田块时施45%复合肥600 kg·hm^-2作基肥, 移栽后7 d施尿素600 kg·hm^-2作促蘖肥, 孕穗初期施尿素、氯化钾600 kg·hm^-2作穗肥.

1.3 样品采集与分析

植株样品采集于水稻收获期, 分别对各小区进行样品的采集, 每个处理小区采5株水稻, 收获的水稻样品各部分分别用去离子水洗净, 晾干后放入烘箱, 于105℃下杀青30 min, 在70℃下烘干至恒重, 稻谷脱壳成糙米并粉碎.样品用湿式消解法消解后, 用石墨炉原子吸收光谱法测定Cd、Pb、Cr; 样品中无机As测定, 用湿式消解法消解后, 用原子荧光光度法测定; 样品中总Hg测定, 用微波消解法消解, 用原子荧光光度法测定.在测定稻米样品的同时, 使用国家标准物质湖南大米GBW10045(GSB-23), 进行质量控制分析, 同时全程进行空白试验.

1.4 数据处理

不同品种水稻糙米Cd、Pb、Cr、无机As和总Hg含量数据均为平均值±标准差.应用R 3.4.3(www.r-project.org)进行统计和分析数据, 各处理间差异显著性分析采用R语言vegan程序包中t检验, 通过R语言线性相关分析糙米Cd含量与其对应重金属Pb、Cr、无机As和总Hg含量的相关性, 以上制图通过R语言软件完成.不同水稻品种糙米Cd含量聚类分析由DPS数据处理软件完成并制图.

2 结果与分析 2.1 不同品种稻米重金属含量差异

由表 1中不同早稻品种稻米重金属含量的比较可以看出.各品种糙米Cd含量变幅不大, 35个水稻品种糙米Cd含量在0.35~0.60 mg·kg^-1之间, 最高值和最低值相差2倍, 均值为0.46 mg·kg^-1, 均超过GB/T 5009.15(国家标准要求≤0.2 mg·kg^-1), 超标率100%, 吸收量最多的主要为早丰优402、五优301、五优156、荣优463、淦鑫203等.糙米Pb含量在0.08~0.30 mg·kg^-1之间, 均值为0.15 mg·kg^-1, 其中5个水稻品种超过GB 5009.12(国家标准要求≤0.2 mg·kg^-1), 超标率14.29%, 5个糙米Pb含量超标的水稻品种为株两优538、株两优6108、陵两优104、早丰优402和陆两优98. 35个品种糙米Cr含量(GB/T 5009.123, 国家标准要求≤1 mg·kg^-1)、无机As含量(GB/T 5009.11, 国家标准要求≤0.2 mg·kg^-1)和总Hg含量(GB/T 5009.17, 国家标准要求≤0.02 mg·kg^-1)均未超过国家标准, 其中糙米Cr含量在0.02~0.38 mg·kg^-1之间, 均值为0.19 mg·kg^-1; 糙米无机As含量在0.05~0.17 mg·kg^-1之间, 均值为0.11mg·kg^-1; 糙米总Hg含量在0.002~0.013 mg·kg^-1之间, 均值为0.005 mg·kg^-1.

由表 2中不同中稻品种稻米重金属含量的比较可以看出, 各品种糙米Cd含量变幅较大, 54个水稻品种糙米Cd含量在0.03~0.45 mg·kg^-1之间, 最高值和最低值相差15倍, 均值为0.19 mg·kg^-1, 18个品种糙米镉含量在0.24~0.45 mg·kg^-1之间, 超过国家标准, 超标率33.33%; 36个品种糙米镉含量在0.03~0.20 mg·kg^-1之间, 符合国家标准, 吸收量最多的主要为Y两优302、Y两优5813、中浙优1号、Y两优1号、珞优8号等. 54个品种糙米Pb含量、Cr含量、无机As含量和总Hg含量均未超过国家标准, 其中糙米Pb含量在0.01~0.19 mg·kg^-1之间, 均值为0.07 mg·kg^-1; 糙米Cr含量在0.03~0.97 mg·kg^-1之间, 均值为0.13 mg·kg^-1; 糙米无机As含量在0.03~0.19 mg·kg^-1之间, 均值为0.13 mg·kg^-1; 糙米总Hg含量在0.001~0.010 mg·kg^-1之间, 均值为0.005 mg·kg^-1.

由表 3中不同晚稻品种稻米重金属含量的比较可以看出.各品种糙米Cd含量变幅不大, 40个水稻品种糙米Cd含量在0.08~0.20 mg·kg^-1之间, 最高值和最低值相差2倍, 均值为0.14 mg·kg^-1, 均未超过国家标准.糙米Pb含量在0.10~0.41 mg·kg^-1之间, 均值为0.13 mg·kg^-1, 其中1个水稻品种超标(0.31 mg·kg^-1), 超标率2.5%, 糙米Pb含量超标的水稻品种为吉优335. 40个品种糙米Cr含量、无机As含量和总Hg含量均未超过国家标准, 其中糙米Cr含量在0.04~0.30 mg·kg^-1之间, 均值为0.12 mg·kg^-1; 糙米无机As含量在0.03~0.09 mg·kg^-1之间, 均值为0.05 mg·kg^-1; 糙米总Hg含量在0.002~0.004 mg·kg^-1之间, 均值为0.003 mg·kg^-1.

2.2 不同水稻品种糙米Cd含量聚类分析

对供试水稻糙米重金属Cd含量进行聚类分析, 结果见图 1.早稻糙米Cd含量聚类分析可分为3类[图 1(a)]：第Ⅰ类各1个品种(优Ⅰ2009)、第Ⅱ类各1个品种(早丰优402)和第Ⅲ类其他33个品种.中稻糙米Cd含量聚类分析可分为3类[图 1(b)]：第Ⅰ类各4个品种(Y两优302、广两优香66、甬优9号和外引7号)、第Ⅱ类各1个品种(甬优12号)和第Ⅲ类其他49个品种.晚稻糙米Cd含量聚类分析可分为3类[图 1(c)]：第Ⅰ类各2个品种(湘丰优100和优航1573)、第Ⅱ类各2个品种(丰两优一号和五丰优淦3号)和第Ⅲ类其他38个品种.其中第Ⅰ类和第Ⅱ类糙米重金属Cd含量最高, 因此, 在重金属污染区进行品种选择时可以优先考虑第Ⅲ类.

图 1 不同水稻品种糙米Cd含量聚类分析 Fig. 1 Clustering analysis of the Cd content of brown rice in different rice varieties

2.3 不同类型水稻糙米重金属积累特性

为了进一步分析水稻品种对重金属吸收的差异, 通过选择不同种植时期不同水稻类型比较了两系杂交稻与三系杂交稻重金属积累差异.从图 2可以看出, 早、中、晚稻都表现出三系杂交稻Cd含量略高于两系杂交稻, 但是两系杂交稻与三系杂交稻间糙米Cd含量无明显差异[P＞0.05, 图 2(a)].早稻两系杂交稻与三系杂交稻间糙米Cr、总Hg含量有显著差异(P＜0.01), 具体表现为三系杂交稻糙米Cr、总Hg含量极显著高于两系杂交稻[图 2(c)和图 2(e)].两系杂交稻与三系杂交稻间糙米Pb含量和无机As含量无明显差异[P＞0.05, 图 2(b)和图 2(d)].

**与n.s.表示相同种植时期水稻的杂交稻品种显著差异, 其中**表示P < 0.01, n.s.表示P>0.05 图 2 二系和三系杂交稻糙米重金属含量的差异 Fig. 2 Differences in heavy metal content in brown rice between two-line hybrid rice and three-line hybrid rice

2.4 糙米Cd与重金属Pb、Cr、无机As和总Hg间的相互关系

进一步了解糙米重金属之间吸收机制, 分析了早、中、晚稻糙米中Cd含量与糙米Pb、Cr、无机As和总Hg含量相互间的关系, 中稻糙米Cd含量与Pb含量间呈显著正相关(r=0.44, P=0.02);中稻糙米Cd含量与总Hg含量间呈极显著正相关(r=0.34, P=0.001);中稻糙米Cd含量与无机As含量间存在极显著负相关(r=0.43, P=0.001);中稻糙米Cd含量与Cr含量间相关性较差(r=0.28, P=0.65).

3 讨论 3.1 不同品种稻米重金属含量差异

品种差异是影响水稻对重金属元素吸收的主要因素.本研究中糙米重金属污染影响最大的是Cd, 其次是Pb, 而Cr、无机As和总Hg影响较小.本试验中35个早稻品种糙米Cd含量在0.35~0.60 mg·kg^-1之间, 均值为0.46mg·kg^-1, 超标率100%;糙米Pb含量在0.08~0.30 mg·kg^-1之间, 超标率14.29%;糙米Cr、无机As和总Hg含量均未超过国家标准. 54个中稻品种糙米Cd含量在0.03~0.45 mg·kg^-1之间, 均值为0.19 mg·kg^-1, 超标率33.33%;糙米Pb、Cr、无机As和总Hg含量均未超过国家标准. 40个晚稻品种糙米Cd含量在0.08~0.20 mg·kg^-1之间, 均值为0.14mg·kg^-1, 均未超过国家标准; 糙米Pb含量在0.10~0.41 mg·kg^-1之间, 超标率2.5%;糙米Cr、无机As和总Hg含量均未超过国家标准.已有研究表明水稻对镉的积累和耐性具有明显的品种间差异^[21~23].水稻品种不同, 造成作物形态结构和生理特性产生差异, 导致水稻对重金属元素的吸收和分配存在很大差异^{[24, 25]}.温娜^[26]的研究表明在轻微度和轻度污染区(土壤有效镉含量在0.3~0.9 mg·kg^-1之间), 株两优819和中嘉早17属于稻米中Cd积累量较低且遗传稳定性好的基因型, 而在本试验中株两优819和中嘉早17的稻谷Cd含量超标, 可能是由于不同筛选试验研究的条件不统一, 即环境因素不同而引起的, 特别是本试验选用的土壤Cd含量较高需要进一步试验和探讨, 各水稻品种对镉吸收和累积受地力条件、农艺操作等环境因素影响大, 可能要远远大于基因型效应.

3.2 不同类型水稻糙米重金属积累特性

早、中、晚稻都表现出三系杂交稻Cd含量高于两系杂交稻, 但是差异不明显, 早稻三系杂交稻糙米Cr、总Hg含量显著高于两系杂交稻, 两系杂交稻与三系杂交稻间糙米Pb和无机As含量没有明显差异.殷敬峰等^[17]的研究发现, 三系杂交稻的糙米Cd、Cu含量极显著高于两系杂交稻, 曾翔等^[27]的研究结果也表明糙米对Cd的积累能力表现为三系杂交晚稻>两系杂交晚稻.本试验中表现出三系杂交稻Cd含量略高于两系杂交稻, 但是没有达到显著差异, 可能由于样本量大小和水稻品种的影响.李波等^[8]的研究发现对Hg的吸收积累顺序是：籼型常规稻＞三系杂交稻＞两系杂交稻.仲维功等^[28]的研究同时发现, 不同类型水稻品种对于As的累积不存在显著差异性, 这一点与本研究水稻品种对于As的累积没有明显差异结果相一致.不同水稻品种由于遗传上的差异, 对稻田中重金属的吸收存在很大差异, 水稻对重金属的吸收积累, 受品种类型和遗传背景的影响较大.

3.3 糙米Cd与重金属Pb、Cr、无机As和总Hg间的相互关系

中稻糙米Cd含量与Pb和总Hg含量间呈显著正相关; 与无机As含量间存在极显著负相关; 而与Cr含量间相关性较差.这表明, 本试验过程中中稻对Cd、Pb和Cd、总Hg的吸收积累表现出协同吸收, 对Cd、无机As的吸收积累表现出拮抗作用, 而对Cd、Cr的积累相互间关系不明显.周启星等^[29]和徐加宽等^[30]的研究发现, 土壤中不同重金属元素组合和器官、不同供试品种、浓度、以及在不同供试条件下, 重金属间的相互作用具有不同的表现形式(协同作用或拮抗作用).研究发现不同基因类型水稻品种吸收重金属时重金属元素间的排斥作用不同^[31].关于水稻糙米吸收积累重金属的过程以及重金属元素间的相互作用还要进一步研究和证实.

以上研究表明, 水稻各品种间和类型对重金属(以重金属Cd为主)的吸收和累积存在差异, 早、中、晚稻品种筛选试验数据差异很大, 不仅受到季节差异、降水、气温影响, 而且还与试验田土壤、农艺操作等因素有关.综上, 水稻对重金属特别是镉的吸收和累积是个复杂的过程, 而本试验是基于萍乡地区一年周期大田试验, 受各种环境因素影响大, 因此还需要通过更多因素的比较试验, 同时应增加盆栽试验, 为筛选出镉低积累型水稻品种提供更准确、全面的数据.

4 结论

(1) 35个早稻品种糙米Cd含量在0.35~0.60 mg·kg^-1之间, 均值为0.46 mg·kg^-1, 超标率100%, 糙米Pb含量在0.08~0.30 mg·kg^-1之间, 超标率14.29%; 54个中稻品种糙米Cd含量在0.03~0.45 mg·kg^-1之间, 均值为0.19 mg·kg^-1, 超标率33.33%; 40个晚稻品种糙米Cd含量在0.08~0.20 mg·kg^-1之间, 均值为0.14 mg·kg^-1, 均未超过国家标准.

(2) 根据糙米Cd含量进行聚类分析, 将早、中、晚稻划为3类, 其中第Ⅰ类和第Ⅱ类糙米重金属Cd含量最高, 在重金属污染区进行品种选择时可以优先考虑第Ⅲ类.

(3) 早、中、晚稻都表现出三系杂交稻Cd含量明显高于两系杂交稻, 早稻三系杂交稻糙米Cr、总Hg含量显著高于两系杂交稻, 而两系杂交稻与三系杂交稻间糙米Pb和无机As含量差异不明显.

(4) 中稻糙米Cd含量与Pb和总Hg含量间呈显著正相关; 与无机As含量间存在极显著负相关; 而与Cr含量间相关性较差.

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环境科学 2018, Vol. 39 Issue (11): 5198-5206	PDF