2021, Vol. 42
近年来, 随着城市的快速发展, 工农业水平的提高, 工业上的“三废”大量排放, 农业上化肥和农药的不合理使用, 导致了土壤重金属污染的问题日益加剧[1, 2].根据最新的全国土壤污染调查(2014年)显示, 我国土壤环境状况总体不佳, 其中Cd是所有重金属中点位超标率最高的(7%)[3].Cd是人体非必需元素, 被列为第一类人类致癌物, 是土壤中流动性最强的重金属之一[4].土壤Cd污染不仅会导致土壤肥力下降[5], 还会通过食物链富集进入人体, 最终对人体健康造成危害[6].农作物是土壤重金属Cd进入人体的重要途径[7], 而水稻作为我国的主要粮食作物, 与其他粮食作物相比, 水稻对土壤中重金属Cd的富集能力更强[8].随着土壤Cd污染越来越严重, 特别是, 我国南方地区和北方地区大米人均日食用量分别为310 g和116 g, 而全国人均日食用量为219 g, 说明我国南方镉大米问题比北方更加严重[9, 10].土壤Cd污染修复和水稻的安全利用问题亟待解决.
影响水稻中Cd含量的因素较为复杂, 主要分为内部因素和外部因素, 内部因素主要是水稻品种, 不同品种的水稻对Cd的吸收存在显著的差异, 对Cd的积累能力可相差数倍[11, 12].Liu等[13]的研究显示, 不同品种的水稻糙米中Cd含量为0.22~2.86 mg ·kg-1.任树友等[14]在川西平原种植了21种水稻, 稻米镉平均含量最高的品种是C两优华占, 平均Cd含量为0.789 mg ·kg-1; 稻米镉平均含量最低的品种是蜀优217, 平均Cd含量为0.078 mg ·kg-1, 相差高达10倍.有研究表明, 某些水稻品种即使在土壤Cd含量较高的情况下, 稻米中的Cd含量依旧能保持在安全水平以下.Zhang等[15]的研究从146个水稻品种中筛选出17个Cd低累积品种, 在土壤Cd浓度接近10 mg ·kg-1时, 仍有部分水稻品种的稻米镉含量在安全水平以下.外部因素包括土壤理化性质、农艺措施等, 代子雯等[16]的研究表明, 稻米Cd含量受到土壤pH、Eh和EC, 地下部生物量等的显著影响.因此, 筛选重金属Cd的低累积水稻品种是保障稻米Cd安全的有效方法[17].
因为田间试验条件繁琐, 受外界影响较大, 管理上较为困难, 所以关于不同品种水稻积累Cd的特征影响大多是在室内模拟研究为主, 田间试验研究报道较少[18~21].大田生产条件下受外界影响更为严重, 管理上更加困难, 所以大田条件下研究报道更为少有.
同时, 大多数研究集中于稻米Cd含量的水稻品种筛选, 对于稻米中Cd含量的影响因素研究较少.所以, 本文以适合当地种植的8个水稻品种为试验对象, 选择西南某Cd污染农田, 开展大田试验, 比较不同品种水稻对重金属Cd的积累、吸收和转运特征, 筛选出适合当地种植的Cd低累积水稻品种, 并研究其影响因素, 以期为Cd污染土壤水稻的安全生产提供依据.
1 材料与方法 1.1 试验区概况本研究在我国西南地区的某大面积农田土壤中进行, 面积为1.334 km2(约2 000亩), 主要由长期旱水交替耕作形成的水田组成.该地海拔585 m, 降雨极不均匀, 最大降雨量为1 420 mm, 最小降雨量为608 mm, 多年平均年降雨量为1 035 mm.夏季最高气温为36.5℃, 冬季最冷月平均气温为5.5℃, 多年平均气温为15.7℃.该地土壤母质来源于北部典型含磷岩系和含煤地层山脉, 该地区的土壤受到了不同程度的Cd污染.该地区土壤总镉质量分数为0.68 mg ·kg-1, 有效态镉质量分数为0.30 mg ·kg-1, 为轻度Cd污染土壤.土壤的主要理化性质见表 1所示.
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表 1 试验田水稻土的理化性质 Table 1 Physical-chemical properties of paddy soil in experimental field |
1.2 试验处理
本试验以水稻品种为处理, 共8个水稻品种, 每个处理一个水稻品种.水稻种植分为育秧施工和种植施工, 育秧施工采用机械整地+人工播种方式进行, 水稻种植施工采用机械整地+人工移栽的方式进行.整地前人工进行复合肥施撒(N ∶P ∶K=15 ∶15 ∶15)作为底肥.追肥、灌溉、病虫害防治等田间管理方式与当地种植习惯相同.在水稻成熟后进行水稻和根际土壤的采样.
试验水稻品种: 本研究选取适合本地区的8种水稻品种种植, 包括A类水稻品种(小试筛选的水稻品种)和B类水稻品种(当地常种植水稻品种), 其中A类水稻品种有: 川优3203、川优6203、德香4103、德粳6号、沈优17和中嘉早17; B类水稻品种有: F优498和宜香2115.本研究使用的水稻品种均来源于市场购买.
1.3 样品的采集与分析在水稻成熟期间, 从研究区域采集了431份土壤-水稻配对样品, 采样点位如图 1所示, 水稻样品信息如表 2所示. 每个样本都是由5个均匀分布在现场的子样本混合而成.每个土样都是采集的0~20 cm耕作层土样, 原始重量超过1 kg.土壤样品和水稻样品都是几个子样品的混合物.土壤样品放置于风干盘中在阴凉处自然风干后用玛瑙球磨机研磨过10目的尼龙筛后用自封袋保存, 水稻样品自然晾干后用玛瑙球磨机研磨, 过尼龙筛后用自封袋保存.
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图 1 研究区位置及布点示意 Fig. 1 Diagram of location and distribution of the study area |
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表 2 水稻样品信息 Table 2 Rice sample information sheet |
样品检测指标包括土壤pH值、总镉、有效态镉以及水稻茎和稻米中总镉.采用pH计(PHSJ-4A) 分析土壤样品中的pH, 采用原子吸收分光光度计(AA900T)分析土壤样品中的总镉, 采用原子吸收分光光度计(AA700F)分析土壤样品中的有效态镉; 采用电感耦合等离子体质谱仪(NexION 350X)分析水稻样品中的总镉.设置空白对照并使用国家标准物质(植物标准物质为GBW 10043, 土壤标准物质为GBW 08303)进行质量控制, 加标回收率为95% ~105%.具体的测试指标和测试方法如表 3所示.
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表 3 样品的测试指标和测试方法 Table 3 Test index and test method for samples |
1.4 数据处理
为了表示不同水稻品种对水稻土中重金属Cd的吸收和积累特征, 计算了不同水稻品种对Cd的稻米富集系数(BCF)和茎叶向稻米转运系数(TF), 根据以下公式进行计算[22]:
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为了表示不同水稻品种对重金属镉的综合积累能力进行评价, 参照土壤单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法, 采用单因子积累指数(Pi)和综合积累指数(PN)来对不同水稻品种对重金属Cd的综合积累能力进行评价, 根据以下公式进行计算[23, 24]:
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式中, Pi为单因子积累指数; Ci为稻米中重金属Cd的实测值; Si为稻米中重金属镉的安全限值, 根据食品中污染物限量标准(GB 2762-2017), 稻米Cd标准限值为0.2 mg ·kg-1; PN为综合积累指数; Pimax为最大单项积累指数; Piave为平均单项积累指数.
所有试验数据均用SPSS 19.0和Excel 2010进行处理与分析, 采用Origin 9.0作图.
2 结果与分析 2.1 不同品种水稻稻米Cd积累特征 2.1.1 不同品种水稻稻米Cd含量总体特征从图 2可以看出, 8种水稻的稻米Cd含量在0.053~0.368 mg ·kg-1之间. 稻米Cd含量最低的品种是川优6203和川优3203, 其稻米Cd含量分别为0.053 mg ·kg-1和0.06 mg ·kg-1; 稻米镉含量最高的品种是宜香2115, 稻米镉含量为0.368 mg ·kg-1. 川优6203和川优3203稻米Cd含量显著低于其他水稻品种, 宜香2115稻米Cd含量显著高于其他水稻品种. 根据食品中污染物限量标准(GB 2762-2017), 稻米Cd标准限值为0.2 mg ·kg-1; 不同品种水稻稻米Cd含量超标情况如表 4所示, 所有水稻品种中, 只有宜香2115的稻米Cd含量超过了标准限值, 为轻微超标. B类水稻的Cd超标程度显著高于A类水稻的Cd超标程度. B类水稻中超标程度最低的是F优498, 超标程度为25.81%, 而A类水稻的超标程度大部分均低于10%. 在所有水稻品种中, 川优3203和川优6203表现出稻米Cd含量低, 超标程度低的特性.
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不同小写字母表示不同水稻品种之间的差异显著(P<0.05) 图 2 不同品种水稻稻米Cd含量 Fig. 2 Cd content in different rice varieties |
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表 4 不同品种水稻稻米Cd含量超标情况 Table 4 Excess Cd content in different rice varieties |
2.1.2 不同品种水稻稻米对Cd的累积能力差异
根据不同品种水稻稻米中的Cd含量差异, 采用系统聚类分析方法, 将不同品种水稻分成3类来表示不同品种水稻稻米对Cd的累积能力差异, 具体分为Ⅰ类(稻米对Cd积累较低的水稻品种)、Ⅱ类(稻米对Cd积累中等的水稻品种)和Ⅲ类(稻米对Cd积累较高的水稻品种), 具体如图 3所示.根据不同品种水稻稻米Cd含量聚类分析, A类水稻有德香4103、沈优17、德粳6号、川优3203和川优6203; Ⅱ类水稻有中嘉早17和F优498; Ⅲ类水稻有宜香2115.
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图 3 不同品种水稻稻米Cd含量聚类分析 Fig. 3 Cluster analysis diagram of Cd content in different rice varieties |
上述结果表明, 不同品种的水稻对Cd的累积能力有明显的差异, 在Cd污染的土壤中筛选适合种植的水稻品种时, 要优先选择Ⅰ类水稻, 尽量避免选择Ⅲ类水稻, 更有利于保障Cd污染土壤下稻米粮食安全.在所有水稻品种中, 德香4103、沈优17、德粳6号、川优3203和川优6203表现出稻米对Cd积累能力较低的特性.
2.1.3 不同品种水稻Cd的综合累积特征根据上述分析, 参照土壤单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法, 采用单因子积累指数(Pi)和综合积累指数(PN)来对不同水稻品种对重金属Cd的综合积累能力进行评价, 并将结果分为5类: 综合积累能力低(PN≤0.7)、综合积累能力较低(0.7＜PN≤1.0)、综合积累能力中等(1.0＜PN≤2.0)、综合积累能力较高(2.0＜PN≤3.0)和综合积累能力高(PN＞3.0), 具体结果如表 5所示, 对Cd综合积累能力低的水稻品种有: 川优3203、川优6203、德粳6号和沈优17; 对Cd综合积累能力较低的水稻品种有: 中嘉早17; 对Cd综合积累能力中等的水稻品种有: 德香4103; 对Cd综合积累能力较高的水稻品种有: 宜香2115; 对Cd综合积累能力高的水稻品种有: F优498.在所有水稻品种中, 川优3203、川优6203、德粳6号和沈优17表现出对Cd综合积累能力低的特性.
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表 5 不同品种水稻Cd的综合积累能力 Table 5 Comprehensive Cd accumulation ability of different rice varieties |
2.2 不同品种水稻的产量
不同品种的水稻产量存在着一定差距, 产量变幅为431.74~656.60 kg ·(667 m2)-1, 均值为515.30 kg ·(667 m2)-1.具体如表 6所示, B类水稻和A类水稻的产量之间存在明显的差异, A类水稻的产量普遍大于B类水稻的产量.在所有水稻品种中, 产量最高的水稻品种是川优6203, 产量为656.60 kg ·(667 m2)-1; 产量最低的水稻品种是宜香2115, 产量为431.74 kg ·(667 m2)-1.在A类水稻的产量中, 川优3203、川优6203、德香4103和中嘉早17的产量高于平均产量515.30 kg ·(667 m2)-1; 德粳6号和沈优17的产量低于平均产量515.30 kg ·(667 m2)-1.
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表 6 不同水稻品种的产量 Table 6 Yield of different rice varieties |
在所有水稻品种中, 川优3203和川优6203表现出水稻产量高的特征, 兼顾水稻对重金属Cd的综合积累情况和水稻产量, 推荐川优3203和川优6203作为该地区适宜栽种的水稻品种, 既能保证稻米的安全质量, 又能保证水稻的高产量.
2.3 不同品种水稻在不同条件下稻米中Cd含量从图 4可以看出, 在不同pH范围内川优3203和川优6203的稻米Cd含量均低于0.1 mg ·kg-1, 表现出很好的镉安全性, 而德香4103和F优498稻米中Cd含量虽然低于0.2 mg ·kg-1, 但是含量普遍较高, 且川优3203和川优6203的稻米Cd含量显著低于其他两个水稻品种.
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不同小写字母表示同种水稻不同pH之间的差异显著(P<0.05); 不同大写字母表示不同水稻品种同pH范围之间的差异显著(P<0.05) 图 4 不同品种水稻在不同pH范围内稻米中Cd含量 Fig. 4 Content of Cd in rice of different varieties in different pH range |
从图 5可以看出, 在不同总镉范围内川优3203和川优6203的稻米Cd含量均较低, 稳定在0.05 mg ·kg-1左右, 表现出很好的镉安全性, 而德香4103和F优498稻米中Cd含量普遍较高, 有部分超过0.2 mg ·kg-1的限值.且川优3203和川优6203的稻米Cd含量显著低于其他两个水稻品种.
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不同小写字母表示同种水稻不同pH之间的差异显著(P<0.05); 不同大写字母表示不同水稻品种同pH范围之间的差异显著(P<0.05) 图 5 不同品种水稻在不同总镉范围内稻米中Cd含量 Fig. 5 Content of Cd in rice of different varieties in different total Cd range |
水稻的稻米富集系数在一定程度上能够反映水稻稻米对Cd的吸收积累情况.如图 6所示, 本试验的水稻富集系数范围为0.064~0.298.在所有水稻品种中, 川优3203的富集系数最低为0.064, 宜香2115的富集系数最高为0.298.所有试验品种水稻富集系数均小于1, 说明试验的8种不同品种水稻稻米对Cd的吸收积累能力较弱; 同时, A类水稻的富集系数普遍低于B类水稻的富集系数.在所有水稻品种中, 川优3203的富集系数显著低于其他品种水稻的富集系数.
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不同小写字母表示不同水稻品种之间的差异显著(P<0.05) 图 6 不同品种水稻富集系数 Fig. 6 Enrichment coefficient of different rice varieties |
水稻的茎叶向稻米转运系数在一定程度上能够反映水稻茎叶向水稻稻米的转运能力.如图 7所示, 本试验的水稻转运系数范围为0.319~0.405.在所有水稻品种中, 川优3203的转运系数最低为0.319, 宜香2115的转运系数最高为0.405.所有试验品种水稻转运系数均小于1, 说明试验的8种不同品种水稻所吸收的Cd不易在植株体内迁移; A类水稻和B类水稻的转运吸收没有明显差异.所有的试验水稻的转运系数均没有显著差异.在所有水稻品种中, 川优3203表现出低稻米富集系数和低茎叶向稻米转运系数的特征.
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不同小写字母表示不同水稻品种之间的差异显著(P<0.05) 图 7 不同品种水稻转运系数 Fig. 7 Translocation coefficient of different rice varieties |
将稻米Cd含量与根际土pH、总镉、有效态镉、水稻茎中镉、转运系数和富集系数进行相关性分析, 具体如图 8所示.稻米Cd含量与根际土壤总Cd含量呈显著正相关; 稻米Cd含量与根际土壤pH值呈极显著负相关; 稻米Cd含量与根际土壤有效态Cd含量、水稻茎中Cd含量、水稻转运系数和水稻富集系数呈极显著正相关.在所有指标中, 显著性最低的指标为根际土壤总Cd含量, 其相关性系数为0.115; 显著性最高的指标为水稻富集系数, 其相关性系数为0.882.说明在所有指标中, 稻米Cd含量受水稻富集系数影响最大, 受根际土壤总镉含量影响最小.
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*和** 分别表示在0.05和0.01水平上差异显著 图 8 稻米镉含量相关性分析 Fig. 8 Correlation analysis of Cd content in rice |
根据文献[25], 稻米Cd标准限值为0.2 mg ·kg-1, 本研究显示, 在所有试验的8种水稻品种中, 只有宜香2115的稻米Cd含量超过了标准限值, 为轻微超标.川优6203和川优3203稻米Cd含量显著低于其他水稻品种, 宜香2115稻米Cd含量显著高于其他水稻品种, 且A类水稻和B类水稻稻米中Cd含量无明显差异.各品种水稻稻米Cd含量依次为: 川优3203＜川优6203＜沈优17＜德香4103＜德粳6号＜F优498＜中嘉早17＜宜香2115.任树友等[14]的研究发现, 德香4103和川优6203稻米Cd含量较低, 宜香2115稻米Cd含量较高, 为0.511 mg ·kg-1, 这与本研究的结果一致.结果表明, 不同品种的水稻对Cd的积累能力存在显著的差异.根据本文聚类分析图结果显示, 可以将所有水稻品种分为3类: Ⅰ类水稻有德香4103、沈优17、德粳6号、川优3203和川优6203; Ⅱ类水稻有中嘉早17和F优498; Ⅲ类水稻有宜香2115.在李正文等[26]和张成等[27]的研究中发现, 水稻稻米对重金属的积累存在显著的品种间的差异, 在林小兵等[28]的研究中发现, 水稻稻米对重金属的积累还存在品种类型间的差异, 三系A类水稻中Cd、Cr和Hg积累能力高于两系A类水稻, 三系A类水稻和两系A类水稻Pb和无机As积累能力没有明显差异.在薛涛等[29]的研究中发现, 水稻稻米对重金属的积累还存在着早晚稻间的显著差异.依据综合积累指数(PN)对不同品种水稻对Cd的积累能力进行分类: ①对Cd综合积累能力低的水稻品种有: 川优3203、川优6203、德粳6号和沈优17; ②对Cd综合积累能力较低的水稻品种有: 中嘉早17; ③对Cd综合积累能力中等的水稻品种有: 德香4103; ④对Cd综合积累能力较高的水稻品种有: 宜香2115; ⑤对Cd综合积累能力高的水稻品种有: F优498.
有研究表明, 不同品种的水稻的产量存在着显著的差异[30].但不同品种的水稻在Cd的胁迫下受到的抑制也不相同, 水稻产量因为品种的不同而受到的影响也不相同[31, 32].所以, 在Cd污染土壤上筛选水稻品种, 既要关注水稻对Cd的积累情况, 也要兼顾水稻的产量.本文研究显示, 不同品种水稻产量依次为: 川优6203＞中嘉早17＞川优3203＞德香4103＞F优498＞沈优17＞德粳6号＞宜香2115; 产量最高的水稻品种是川优6203, 产量为656.60 kg ·(667 m2)-1; 产量最低的水稻品种是宜香2115, 产量为431.74 kg ·(667 m2)-1.兼顾水稻稻米Cd的积累情况和水稻的产量, 推荐川优3203和川优6203作为该地区适宜种植的水稻品种, 既能保证水稻的质量安全, 又能保证水稻产量的高产.
Cd在土壤中的生物有效性在很大程度上取决于: ①土壤的类型及其理化性质, 例如土壤的pH和氧化还原电位; ②Cd的形态或者Cd的性质; ③土壤中的微生物的性质以及降雨、蒸发等能够改变土壤性质的活动[33].易亚科等[34]的研究显示, 稻米Cd含量与土壤pH值呈极显著相关.同时, 土壤pH的增高, 土壤中H+减少, 与Cd离子的竞争作用减弱, 从而增强土壤对Cd离子的吸附, 使得土壤中的有效态Cd含量降低[35].有研究表明, 可以通过调控土壤pH来减少Cd进入水稻稻米, 将土壤pH调控到6.5以上是降低稻米中Cd含量的重要手段[36].本研究发现, 德香4103和F优498在不同pH范围内稻米中Cd含量有显著差异, 说明这两种水稻稻米中Cd含量受pH的影响较大, 这与易亚科等[34]的研究中发现pH对晚稻稻米中Cd含量有显著影响一致; 而川优3203和川优6203在不同pH范围内稻米中Cd含量无显著差异, 这与邹佳玲等[37]的研究结果不一致, 这可能是川优3203和川优6203作为Cd低累积水稻受pH的影响较小, 在不同pH下表现得较为稳定; 同时, 在各个pH范围内川优3203和川优6203稻米Cd含量均显著低于德香4103和F优498.有报道称, 土壤总Cd含量高, 水稻稻米Cd超标风险随之增高[38].本研究发现, 德香4103和F优498随着土壤总Cd升高, 稻米中Cd含量随之增高, 这与代子雯等[16]的研究结果一致.而川优3203和川优6203随着土壤总Cd的升高, 稻米中Cd含量并无显著变化且含量较低, 说明该两种水稻对Cd的积累能力较低且在各个土壤环境条件下都很稳定.
水稻从土壤中吸收Cd并运输到籽粒的过程有4个主要的步骤: ①水稻根系吸收Cd, 该过程有两种途径, 一种是共质体途径, 另外一种是质外体途径[39]; ②通过木质部负载转运到地上部分; ③通过结节处的维管重新定向运输; ④通过韧皮部从叶片再动员并最终运输到籽粒[40].稻米对Cd的富集系数和茎叶向稻米Cd转运系数在一定程度上能够分别反映稻米对Cd的积累能力和茎叶向稻米的Cd转运能力.本研究显示, 水稻品种的差异对水稻的稻米富集能力有较大的影响, 而对水稻茎叶向水稻稻米的转运能力的影响较小.且相关性分析发现富集系数、转运系数和稻米Cd含量呈极显著正相关.并且本研究筛选出来的川优3203和川优6203稻米Cd含量显著低于其他水稻品种, 同时, 这两种水稻的富集系数低于其他品种, 加之较低的转运能力, 最终呈现出稻米较低的镉富集能力.这和冯爱煊等[24]的研究中渝香203和C两优华占稻米中Cd含量低, 其水稻富集系数和转运系数也低的结果一致.
相关性分析结果表明, 稻米Cd含量与根际土壤pH值、根际土壤有效态Cd含量、水稻茎中Cd含量、水稻转运系数和水稻富集系数存在极显著相关关系, 受水稻富集系数影响最大, 受根际土壤总镉含量影响最小.
4 结论(1) 根据综合积累指数(PN)可以将不同水稻品种对重金属Cd的综合积累能力进行评价, 并将结果分为5类: 对Cd综合积累能力低的水稻品种有: 川优3203、川优6203、德粳6号和沈优17; 对Cd综合积累能力较低的水稻品种有: 中嘉早17; 对Cd综合积累能力中等的水稻品种有: 德香4103; 对Cd综合积累能力较高的水稻品种有: 宜香2115; 对Cd综合积累能力高的水稻品种有: F优498.
(2) 综合考虑水稻稻米Cd含量和水稻产量, 适合在该地区种植的水稻品种为川优3203和川优6203, 既能安全保障稻米Cd含量, 又能保证水稻高产.
(3) 川优3203和川优6203在不同pH和不同总镉范围内稻米中Cd含量均显著低于其他品种, 且在不同土壤条件下表现得很稳定.
(4) 水稻品种的差异对水稻的稻米富集能力有较大的影响, 而对水稻茎叶向水稻稻米的转运能力的影响较小; 川优3203和川优6203的低富集系数, 加之其较低的转运, 最终呈现出稻米较低的镉富集能力.
(5) 相关性分析发现稻米Cd含量与根际土壤pH值、根际土壤有效态Cd含量、水稻茎中Cd含量、水稻转运系数和水稻富集系数存在极显著相关关系; 稻米Cd含量受水稻富集系数影响最大, 受根际土壤总Cd含量影响最小.
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