土壤镉污染对水稻孕穗期植株生长及镉积累的影响

林肖，任艳芳，2，张艳超，王艳玲，何俊瑜，2*

（1.贵州大学农学院，贵州贵阳550025；2.常州大学环境与安全工程学院，江苏常州213164）

土壤镉污染对水稻孕穗期植株生长及镉积累的影响

林肖1，任艳芳1，2，张艳超1，王艳玲1，何俊瑜1，2*

（1.贵州大学农学院，贵州贵阳550025；2.常州大学环境与安全工程学院，江苏常州213164）

为了明确Cd对水稻孕穗期植株生长的影响及其在植株体内的积累分配特征，以水稻品种中优169为试材，通过盆栽试验，研究了土壤不同含量Cd对水稻孕穗期植株根系活力、干物质量以及Cd积累和分配的影响。结果表明：水稻孕穗期根系活力和器官干物质量均随土壤Cd含量的提高而降低，当Cd含量为5 mg/kg时，水稻根系活力和器官干物质量均受到明显抑制；随着Cd含量的提高，水稻根系和地上部的Cd含量以及积累量均明显增加；1 mg/kg的Cd处理下水稻根系Cd富集系数和分配比例下降，而转运系数以及地上部的富集系数和分配比例增加；5 mg/kg的Cd处理下水稻根系和地上部的Cd富集系数、转运系数以及地上部的Cd分配比例下降，而根系的Cd分配比例增加。较高程度的Cd污染，抑制了孕穗期水稻的生长。Cd污染增加了水稻各部位对Cd的积累，但高Cd污染时Cd向水稻地上部迁移与分配的能力会降低。

镉；土壤污染；水稻；孕穗期；根系活力；积累；分配

随着工业化和城镇化的不断发展，重金属通过生活污水排放、大气沉降、采矿冶炼、农药化肥的大量施用等途径进入农田，且数量逐年增加，造成农田土壤重金属污染形势越来越严重[1]，其中，以镉（Cd）污染最为严重，Cd污染面积约占总污染面积的40%[2]。Cd是生物体的非必需元素，在环境中具有很强的迁移转化特性，因对人体高度危害而被列为农田五大重金属污染元素之一[3]。因此，研究Cd对作物生长的影响以及作物对Cd的吸收积累特点，对合理利用Cd污染农田、保证农产品质量安全具有重要意义。

水稻是我国重要的粮食作物之一，也是吸收积累Cd较强的农作物[4]。稻田Cd污染会影响水稻生长，更为严重的是，Cd大量积累于稻米中会影响稻米质量[5]。据报道，我国受Cd污染的稻田已达28万hm2，每年生产的Cd含量超标农产品超过7.3亿t[6]。随着农田Cd污染的加剧，稻米安全问题与日俱增。近年来，我国学者在Cd污染对水稻生长发育、生理生化特性的影响[7]及其耐性机制[8，9]，Cd在水稻植株中的吸收积累[10，11]，以及不同水稻品种对Cd的积累差异[12，13]等方面进行了大量研究；但是，水稻对Cd积累方面的研究多设置单一土壤Cd含量，而在不同Cd污染条件下水稻对Cd的吸收、积累以及分配特征却鲜有报道。研究表明，水稻不同生育期和不同部位对Cd的吸收和积累效应不同[14，15]。孕穗期是水稻生长发育的重要时期，此时水稻代谢旺盛，对Cd的吸收能力强，若稻田受到Cd污染，不仅会对水稻生长、群体结构和产量产生较大影响，而且，还会造成Cd在植株体内积累，影响稻米质量安全，进而威胁人们的身体健康。因此，明确孕穗期水稻Cd的积累分配特征，对于采取有效措施降低水稻Cd累积、保证粮食质量安全具有重大的社会意义。通过盆栽试验，分析Cd污染对水稻孕穗期植株根系活力、干物质积累以及Cd吸收积累的影响，旨为明确孕穗期水稻Cd的分布特点，从而为采取相应措施降低水稻对Cd的吸收积累提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

水稻品种为中优169。在无污染的稻田中育秧，备用。

基础土壤为典型稻田土。取自贵阳市花溪区稻田耕层，土样风干后去渣，过2mm筛后混匀，备用。土壤基础养分含量[16]为有机质23.21 g/kg、碱解氮133.83mg/kg、速效磷56.72mg/kg、速效钾216.57mg/kg，pH值6.96，Cd含量0.524 mg/kg，有效Cd含量0.116 mg/kg。

CdCl2·2.5H2O试剂，为优级纯。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计2015年在贵州大学农学院盆栽试验场采用盆栽试验进行研究，试验用盆为直径25 cm、高30 cm的黑色塑胶桶。在稻田土中添加不同剂量的Cd试剂，以模拟不同程度Cd污染的土壤。试验Cd污染土壤的Cd含量设1 mg/kg（Cd1）和5 mg/kg（Cd5）2个处理，以不添加Cd试剂的稻田土作为对照（CK），每处理36桶。将稻田土装入塑胶桶，装土量为15 kg/桶，分别添加1 mg/L的CdCl2·2.5H2O溶液14.51和136.38 mL，使土壤全Cd含量达到试验要求。将土搅拌均匀，加入去离子水完全淹水预培养1个月后种植水稻。种植前，所有试验土壤均加入尿素（N含量46%）0.32 g/kg、过磷酸钙（P2O5含量12%）0.14 g/kg和氯化钾（K2O含量60%）0.25 g/kg做基肥。5月25日栽秧，3穴/桶，2株/穴。尿素追肥和病虫害防治措施同当地水稻高产田。

1.2.2 测定项目与方法

1.2.2.1 植株根系活力。采用TTC还原法[17]测定。

1.2.2.2 植株生物量。孕穗期，将水稻全株收获，先用自来水清洗，再用去离子水反复冲洗，吸干表面水分，将植株分成根系和地上部2个部分，置于烘箱内先105℃杀青30 min，而后70℃恒温烘干至恒重，晾凉后，分别称量植株根系和地上部的干重。

1.2.2.3 植株Cd含量。采用硝酸-高氯酸（4∶1，V/V）湿法消煮，超纯水定容后，利用AA240FS型石墨炉原子吸收分光光度计（VARIAN，USA），测定水稻植株不同器官的Cd含量。以国家标准物质GB W080684为内标进行质量控制，同时全程做空白实验。所用器皿均用5%硝酸溶液浸泡过夜，并用去离子水冲洗干净。

1.2.2.4 植株Cd积累量。根据公式，计算水稻单株各部位的Cd积累量：

Cd积累量（μg/株）=Cd含量（mg/kg）×干重（g/株）

1.2.2.5 植株富集系数、转运系数、分配比例。根据公式[18]计算得到：

富集系数=水稻器官Cd含量/土壤Cd含量

转运系数=水稻地上部器官Cd含量/根部Cd含量

分配比例（%）=（植株各器官Cd积累量/整株Cd积累量）×100

1.2.3 数据处理采用Excel 2003和SPSS 19.0软件对试验数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 Cd污染土壤对水稻孕穗期植株根系活力的影响

根系是植物吸收养分的主要器官，其活力直接影响到植株的生长。较高的根系活力是植株干物质积累和良好生长发育的保证。土壤受到Cd污染后，根系作为直接接触重金属的器官，首当其冲遭受毒害。

Cd处理的水稻根系活力均＜CK，其中，Cd1处理与CK差异不显著；Cd5处理根系活力较CK降低17.66%，差异达显著水平（表1）。表明Cd污染会导致孕穗期水稻根系活力降低，其中，土壤Cd含量为1 mg/kg时抑制作用不明显。与刘春梅等[17]的研究结果相似。

表1 Cd污染土壤对水稻孕穗期根系活力以及植株根系和地上部干物质量的影响Table 1 Effects of Cd polluted soil on the roots activity，dry matter in roots and shoots of rice at booting stage

2.2 Cd污染土壤对水稻孕穗期植株干物质量的影响

干物质量可以反映作物的生长发育状况。Cd处理的水稻根系和地上部干物质量均＜CK，其中，Cd1处理2个指标值与CK差异均不显著；Cd5处理根系、地上部干物质量分别较CK降低12.04%和16.31%，差异均达到了显著水平。表明Cd污染会抑制孕穗期水稻根系和地上部生长，其中，土壤Cd含量为1mg/kg时抑制作用不明显。与张艳超等[19]的研究结果相似。

2.3 Cd污染土壤对水稻孕穗期植株Cd含量和积累量的影响

2.3.1 对植株Cd含量的影响Cd处理的水稻根系、地上部Cd含量均显著＞CK，且Cd5处理的指标值均显著＞Cd1处理（表2）。表明Cd污染会导致孕穗期水稻根系和地上部Cd含量明显提高，且Cd含量均随Cd污染程度的增大而明显提高。与莫争等[10]的研究结果相一致。

对Cd污染稻田水稻植株不同部位的Cd含量进行分析后发现，根系的Cd含量明显＞地上部。表明水稻受到Cd污染后，Cd主要集中在根部。原因是Cd进入根系的皮层细胞后，与根内蛋白质、多糖、核糖、核酸等结合形成稳定的大分子络合物或不溶性有机大分子而沉积下来[20]。Cd1、Cd5处理地上部的Cd含量分别为其相应处理根系的11.57%和5.34%，表明随着Cd污染程度的增大，水稻孕穗期地上部与根系的Cd含量差距增大。

表2 Cd污染土壤对水稻孕穗期根系和地上部Cd含量的影响（mg/kg）Table 2 Effects of Cd polluted soil on Cd contents in roots and shoots of rice at booting stage

2.3.2 对植株Cd积累量的影响Cd处理的水稻根系、地上部以及整株Cd积累量均显著＞CK，且Cd5处理的指标值均显著＞Cd1处理（表3）。表明Cd污染会导致孕穗期水稻根系、地上部以及整株Cd积累量明显提高，且Cd积累量均随Cd污染程度的增大而明显提高。

对Cd污染稻田水稻植株不同部位的Cd积累量进行分析后发现，Cd1、Cd5处理根系的Cd积累量分别占整株Cd积累总量的58.52%和69.30%。表明水稻受到Cd污染后，其吸收的Cd大部分累积在根部，而较少向地上部转移。Cd1、Cd5处理地上部的Cd积累量分别为其相应处理根系的70.89%和44.31%，表明随着Cd污染程度的增大，水稻孕穗期地上部与根系的Cd积累量差距增大。

表3 Cd污染土壤对水稻孕穗期根系和地上部Cd积累量的影响（μg/株）Table 3 Effects of Cd polluted soil on Cd accumulation in roots and shoots of rice at booting stage

2.4 水稻孕穗期不同器官的Cd富集系数、转移系数和分配比例

不同程度的Cd污染，对水稻不同部位Cd的富集系数和分配比例以及转运系数影响不同（表4）。与CK相比，Cd1处理的根系Cd富集系数降低了9.02%、地上部Cd富集系数增加了15.38%，Cd由根系向地上部的转运系数提高了33.33%，使根系Cd分配比例下降了9.36%、地上部Cd分配比例增加了17.04%；而Cd5处理的根系和地上部Cd富集系数分别降低了38.89%和46.15%，Cd由根系向地上部的转运系数下降了11.11%，使根系Cd分配比例提高了7.34%、地上部Cd分配比例降低了13.37%。表明随着Cd污染程度的增大，水稻孕穗期Cd向地上部迁移与分配的能力下降。

表4 Cd污染土壤对孕穗期水稻不同部位Cd富集系数、转移系数和分配比例的影响Table 4 Effects of Cd polluted soil on enrichment coefficient，transfer coefficient and distribution ratio of Cd in different organs of rice at booting stage

3 结论与讨论

水稻是我国重要的农作物，在整个国民经济和社会安定中起重要作用。稻田重金属污染会造成水稻生长发育受阻，产量降低[7，19]。丁园等[21]研究了Cd污染对水稻不同生育期生长和品质的影响，发现在同一生育期内随着土壤Cd含量的增加，水稻根系活力明显受到抑制。本研究结果显示，Cd污染会抑制孕穗期水稻的根系活力，且这种抑制作用随着Cd胁迫程度的增大而增大。喻华等[22]研究显示，土壤低含量Cd污染对植物生长发育有一定的促进作用，当Cd含量达到一定程度时，植物生长发育受阻，生物量减少。本研究条件下，与稻田土（CK）相比，土壤Cd含量为1 mg/kg时水稻各部位生物量和根系活力均未受到明显影响，但当Cd含量达到5 mg/kg时水稻生长发育受到显著抑制，表现出较为明显的Cd毒害特征，这与张艳超等[19]的研究结果一致。

土壤Cd不同污染水平对孕穗期水稻不同部位的Cd吸收累积有明显影响。本研究结果显示，Cd在孕穗期水稻体内不同部位的分布顺序为根系＞地上部，且各部位的Cd含量和积累量均随土壤Cd含量的增加而明显增加，与喻华等[22]的研究结果一致。此外，随着Cd污染程度的增大，根系对Cd的富集系数逐渐降低；但对于地上部来说，Cd转运系数和地上部Cd富集系数表现为土壤Cd含量1 mg/kg污染时增加，而在5 mg/kg污染时降低。从不同程度Cd污染稻田水稻根系与地上部Cd的分配比例看，土壤Cd含量为1 mg/kg时，水稻根系Cd分配比例降低，地上部Cd分配比例增加；而土壤Cd含量达到5 mg/kg时，水稻根系Cd分配比例增加，地上部Cd分配比例降低。说明Cd污染程度较低时有利于Cd向水稻地上部迁移与分配，而Cd污染程度较高时Cd向水稻地上部迁移与分配的能力下降。

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Effects of Cadmium Polluted Soil on Plant Growth and Accumulation of Cadmium in Rice at Booting Stage

LIN Xiao1，REN Yan-fang1，2，ZHANG Yan-chao1，WANG Yan-ling1，HE Jun-yu1，2*
（1.College of Agriculture，Guizhou University，Guiyang 550025，China；2.College of Environmental and Safety Engineering，Changzhou University，Changzhou 213164，China）

In order to make clear the effect of Cd on plant growth and the accumulation and distribution characteristics of Cd in rice,the root activity，dry matter，accumulation and distribution of Cd in rice cultivar Zhongyou169 at booting stage were studied under different Cd concentrations by pot experiment.The results showed that the root activity and dry matter of rice decreased with the increase of Cd concentration.When the Cd concentration was 5 mg/kg，the root activity and dry matter of rice were significantly inhibited.With the increase of Cd concentration，the accumulation of Cd increased significantly in roots and shoots of rice.1 mg/kg Cd decreased the enrichment coefficient and distribution ratio of Cd in rice roots，while it increased the transfer coefficient，enrichment coefficient and distribution ratio of Cd in shoots.5 mg/kg Cd decreased the enrichment coefficient and transfer coefficient of Cd in rice roots and shoots，and distribution ratio of Cd in shoots，while it increased the distribution ratio of Cd in roots.High concentration of Cd inhibited the growth of rice.Cd pollution increased the accumulation of Cd in different parts of rice.Moreover，high Cd pollution reduced the capacity of transfer and distribution of Cd in shoots of rice.

Cadmium；Soil pollution；Rice；Booting stage；Root activity；Accumulation；Distribution

S511

A

1008-1631（2017）03-0096-04

2016-12-30

国家自然科学基金项目（31460100）；国家自然科学基金项目（41261095）

林肖（1990-），男，贵州毕节人，硕士研究生在读，研究方向为重金属污染与植物营养。

何俊瑜（1975-），男，山西河曲人，教授，博士，主要从事环境生理生态研究。E-mail：junyuhe0303@sina.com。