不同水稻品种的镉吸收特性

毛亚西，符建荣，马军伟，邹 平，雷廷海，李 欢，李袁玮，黄益孝，王玲莉

(1.浙江农林大学 环境与资源学院，浙江 杭州 311300； 2.浙江省农业科学院 环境资源与土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021)

镉(Cd)是生物毒性最强的重金属元素。镉污染不仅影响水稻生长发育和代谢活动[1-2]，影响水稻产量，还会在水稻体内大量富集[3-4]，并通过食物链进入人体[5-6]。浙江是水稻主产区，水稻是当地主要的粮食作物，也是具有镉高积累风险的植物，由稻米镉积累引起的食品安全风险受到高度关注。不同水稻品种对重金属的吸收存在显著差异[7-9]。殷敬峰等[10]指出，常规稻中镉、锌、铜含量差异并不明显，但在杂交稻中，三系杂交稻的糙米镉含量极显著高于二系杂交稻，二系杂交稻糙米中锌含量显著高于三系杂交稻。不同遗传背景的水稻品种糙米中锌、镉含量也存在明显差异，Liu等[11]和Oliver等[12]认为镉在水稻不同器官中的分配与水稻品种密切相关；所以，在水稻品种选育过程中应注意培育耐镉品种。关于水稻对镉的吸收转运能力，Nocito等[13]研究表明，进入植物体中的Cd在根中的富集量在49%～79%，胡莹等[14]研究显示，根中镉含量并不能决定稻米中镉含量，还须考虑茎和稻米对Cd的转运能力。本研究在大田进行镉胁迫试验，以便在当地的自然条件下研究4种水稻品种对镉的吸收积累转运特性，为选育低积累水稻品种及保证稻米的安全生产提供较为可靠的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本研究于2015年在分别位于宁海县、温岭市、绍兴市的浙江省农业科学院试验基地上进行。供试土壤类型按中国土壤发生分类系统划分[15]，分别为黏质脱潜水稻土(绍兴)、涂泥潴育水稻土(宁海)和涂泥渗育水稻土(温岭)，供试水稻品种分别为秀水134(XS)、嘉禾218(JH)、春优84(CY)和甬优538(YY)。不同试验地点采用的水稻品种及供试土壤理化性质如表1所示。

1.2 试验设计

为了与大田试验环境条件保持一致，开展PVC塑料框盆栽微区试验，即将塑料框直接布置于试验区大田中。试验塑料框的长、宽、高分别为40、30、20 cm，每个塑料框内种植4株水稻。预将少量试验点供试土壤与高浓度CdCl2溶液混合，制成母土。稻田灌水之后，将母土置于试验塑料框内与深度接近15 cm的原始土壤混匀，静置7 d，使母土和当地土壤达到均衡。本试验共设置1个对照和3个处理，分别记为CK、T1、T2、T3，其中，CK为原始土壤。每个处理4个重复。框内土壤添加外源镉后，在水稻季试验结束后土壤实际总镉含量见表2。试验结束后，将塑料框连同框内植株和土壤一起从田间移走，集中处理，以免污染农田。

1.3 样品采集和样品Cd的测定

表1 供试土壤理化性质Table 1 Physiochemical properties of tested soils

OM，有机质；TN，全氮；CEC，阳离子交换量。
OM，Organic matter; TN，Total nitrogen; CEC，Cation exchange capacity.

表2 供试土壤添加外源Cd后土壤中实际Cd浓度Table 2 Actual Cd concentration of in tested soil after addition of exogenous Cd mg·kg-1

试验植株样品在于2015年10月份水稻成熟期采集，植株样品先后用自来水、蒸馏水洗净，然后按照根、茎叶和稻谷三部分用网袋分装。稻谷经风干后用研钵研磨，制备糙米样品备用。茎叶和根样品经110 ℃杀青后，在70 ℃烘干至恒重，磨碎，过60目筛。土壤样品在水稻种植前及收获后采集，所有土壤样品自然风干，挑出杂质，分别过10目和100目筛。土壤和植株样品镉含量的测定采用HNO3湿法消解，土壤有效态Cd采用0.11%(体积分数)醋酸提取，所有浸提液均用ICP-MS测定。

1.4 数据处理与分析

利用Microsoft Excel 2007和SPSS 19.0进行数据整理分析。

2 结果与分析

2.1 添加外源镉后试验区土壤有效态Cd含量变化

Cd在环境中的生物有效性和毒性除了与Cd全量有关外，还取决于重金属形态，外源镉进入土壤后，通过吸附、沉淀、络合等反应，可分为交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机结合态、残留态，其中前4种可以被植物吸收，又称有效态，有效态含量可以作为植物吸收重金属难易的指标。如表3所示，随着外源Cd浓度的增加，各处理土壤有效态Cd含量也相应增加。在不同镉浓度下，黏质脱潜水稻土有效态Cd含量占土壤全量的21%～23%，涂泥渗育水稻土有效态Cd含量占土壤全量的33%～35%，涂泥潴育水稻土有效态Cd含量占土壤全量的24%～34%。土壤有效态镉含量会直接影响水稻不同部位Cd的富集量与转运能力。

2.2 不同镉浓度下水稻不同部位Cd含量差异

如表4所示，同一水稻品种随着镉浓度增加，糙米中镉含量亦呈现递增趋势，供试4个水稻品种在CK条件下，稻米中Cd含量均未超过国家食品卫生限定标准[16]。在黏质脱潜水稻土上，甬优538在各供试镉浓度下稻米中Cd含量均未超标(≤0.2 mg·kg-1)，春优84在T3处理下(土壤实际Cd含量为1.41 mg·kg-1)，稻米中Cd含量超标。在各供试Cd浓度下，甬优538稻米中Cd含量均低于春优84，说明在黏质脱潜水稻土上甬优538稻米中镉低积累特性更为突出。黄维[17]采用盆栽试验研究了5种杂交稻和常规稻在镉胁迫下大米中的镉含量，发现甬优538大米中镉含量随外源Cd含量增加增幅最小，且耐镉性能较好。在涂泥渗育水稻土上，嘉禾218在T2处理下(土壤实际Cd浓度为0.91 mg·kg-1)，稻米中Cd含量即超过国家食品卫生标准。在涂泥潴育水稻土上，秀水134在T1处理下(土壤实际Cd浓度为0.52 mg·kg-1)，稻米中Cd含量超标。在本试验条件下，除秀水134在T1水平下外，其他3个水稻品种在CK及T1处理下糙米中Cd含量均未超过食品安全国家标准规定，而在T1处理条件下各供试土壤的全Cd含量均已超过土壤环境质量标准(GB 15618—1995)[18]，表明试验所选水稻品种均具有一定的低积累特性。

观察4个水稻品种在不同镉胁迫浓度下稻米中Cd含量变化发现，稻米中Cd含量在T1处理下富集最快，随着土壤中Cd浓度的进一步增加，稻米吸收积累Cd的速度放缓，这说明稻米对Cd的吸收积累并不是没有限度的。当土壤Cd含量超过一定值时，稻米吸收积累Cd的能力会随着Cd含量的增加而减弱。在本试验中，当土壤Cd浓度达到0.52～0.57 mg·kg-1时，稻米吸收积累Cd的速度即已放缓。

表3 供试土壤有效态镉含量Table 3 Available cadmium concentration in tested soil mg·kg-1

同列数据后无相同小写字母的表示差异显著(P<0.05)。下同。
Data followed by no same letters within the same column indicated significant difference atP<0.05. The same as below.

不同品种水稻根和地上部的Cd含量见表5。随着镉浓度的增加，水稻根和地上部的镉含量也相应增加。在黏质脱潜水稻土上，在CK、T1处理下，甬优538根中Cd含量低于春优84，在T2、T3处理下，春优84根中富集的Cd含量反而少于甬优518，这与稻米中Cd含量表现出一定的差异。就地上部Cd含量而言，各处理条件下，春优84始终高于甬优538，这与稻米中Cd含量的表现一致。在涂泥渗育水稻土上，嘉禾218根与地上部Cd含量增加幅度在T1～T3处理下都表现出逐渐上升的趋势，与稻米Cd含量表现一致。在涂泥潴育水稻土上，秀水134根和地上部在土壤实际Cd浓度为0.52 mg·kg-1时富集Cd的速度最快，特别是秀水134根中Cd含量在CK～T1水平下迅速从0.66 mg·kg-1增加至4.32 mg·kg-1，这是稻米Cd含量在T1水平下超标的重要原因。

对比表4和表5发现，水稻不同部位中Cd含量总的趋势是根>地上部>稻米。刘侯俊等[19]研究提出，根系和茎叶中Cd 的累积量占植株总Cd 量的 98%以上，根部Cd含量较高，这既可能成为水稻地上部分Cd积累的源，也可能是通过根部积聚成为向地上部分转移的屏障。

2.3 不同镉浓度下各水稻品种的镉转运系数

土壤中的镉被根吸收后，一部分留在根部或者排出体外，一部分在植物体内由下而上转运。Fujimaki等[20]认为，镉从土壤转移到水稻籽粒中包括如下过程：1)从土壤中被吸收进入根组织中的共质体；2)流向木质部或在根细胞中被封存；3)向地上部的木质部运输；4)在茎节中的木质部-韧皮部转移；5)韧皮部转移进入籽粒；6)后韧皮部运输并在籽粒中累积。过程1、2、4、6是跨膜运输，可能受到重金属载体的调节，过程4中木质部-韧皮部的转移应该是镉在水稻中转移的关键步骤。

重金属转运系数是水稻地上部转运重金属的评价标准，转运系数越大，表示水稻转运重金属的能力越强。稻米吸收积累的镉含量与根和茎的转运能力有直接关系。如表6所示，水稻不同部位转运系数存在极大差异，根/土转运系数大于1，说明Cd更容易富集在根部。茎(地上部)/根和米/茎转运系数小于1，说明重金属Cd进入作物地上部分后具有一定的稀释效应。在黏质脱潜水稻土上，从根/土、茎/根转运系数上看，春优84>甬优538(T3处理下根/土除外)，这说明较低的根/土、茎/根转运能力在一定程度上限制了土壤中Cd向甬优538地上部的转运和在籽粒中的积累，这可能是甬优538稻米中Cd含量小于春优84的一个重要原因。在涂泥渗育水稻土上，嘉禾218在CK～T3处理水平下根/土转运系数呈缓慢增加趋势，且在T1～T3处理下维持在5以上，而茎/根、米/茎转运系数则是先升后降。在涂泥潴育水稻土上，秀水134根/土转运系数在CK～T3处理水平下表现为先上升后下降，茎/根、米/茎转运系数则表现为先降后升，在T1～T3水平下，根/土转运系数为6.72～9.08，茎/根转运系数在0.46～0.54，均高于相同处理下的其他水稻品种，其稻米Cd含量在相同处理下也高于其他品种。由此可以推断，不同品种水稻稻米中Cd的积累与根部吸收Cd及根部Cd向地上部分转移的能力相关，根/土、茎/根转移系数能够在一定程度上表征稻米中Cd的积累差异。

表4 不同水稻品种糙米中的Cd含量Table 4 Cd content in rice grain of different rice varieties mg·kg-1

表5 不同水稻品种根和地上部的Cd含量Table 5 Cd content in root and shoot of different rice varieties mg·kg-1

表6 不同水稻品种各部位转运系数Table 6 Cd transfer coefficients of different rice varieties

2.4 试验区土壤Cd安全临界值探讨

我国的土壤类型多样，不同地区的土壤理化性质差异大，作物种类千差万别，国内外各研究者基于不同区域得出的研究结果通常并不具有普遍性的指导意义，特别是用现有的国家土壤环境质量的统一标准难以对水稻产地土壤重金属污染效应作出符合客观实际的评价，对重金属污染土壤的控制与农产品安全生产的指导性不强。因此，迫切需要依据土壤理化特性及水稻品种特性，研讨基于稻米安全生产的土壤重金属限量值。本试验针对所选的3种水稻土类型，通过稻米镉含量与土壤中镉含量的对应关系，筛选相关模型，然后根据食品安全国家标准(GB 2762—2017)，提出试验区水稻安全生产土壤Cd临界值。试验结果初步表明，稻米中的Cd含量与土壤Cd全量之间的关系可用直线回归方程拟合，相关性均达显著(P<0.05)水平(表7)。由于本试验所选用的4个水稻品种均具有Cd低积累特性，因此其安全生产的土壤Cd临界值均高于现行的土壤环境质量标准(GB 15618—1995)限量值。不同水稻品种表现为甬优538>春优84>嘉禾218>秀水134，不同土壤类型表现为黏质脱潜水稻>涂泥渗育水稻土>涂泥潴育水稻土。范中亮[21]通过模拟，并基于国家大米中重金属限量标准，推算出潮土和水稻土安全临界值为1.63、0.74 mg·kg-1，李志博等[22]推算出在pH为6和7时，土壤的安全临界值分别是0.79、1.49 mg·kg-1。但要指出的是，本研究取得的结果都是在特定试验条件下得到的，鉴于样本及试验重复的局限性，仅供今后研究及生产中参考。

表7 推算出的试验区土壤临界值Table 7 Calculated critical value of soil cadmium concentration in experimental sites

*，P<0.05；**，P<0.01.

3 结论

(1)供试四个水稻品种均具有一定的低积累特性，甬优538、春优84、嘉禾218和秀水134稻米Cd超标时所对应的处理中土壤Cd浓度分别为>1.41、1.41、0.91、0.52 mg·kg-1。

(2)不同品种稻米中Cd的积累与根部吸收Cd以及根部Cd向地上部分转移的能力相关，根/土、茎/根转移系数能表征不同品种水稻稻米中Cd的积累差异。

(3)根据稻米中的Cd含量与土壤Cd全量之间的关系拟合线性回归方程，不同水稻品种安全生产的土壤Cd临界值表现为甬优538>春优84>嘉禾218>秀水134，试验所得水稻安全生产土壤Cd临界值略高于现行的土壤环境质量标准(GB 15618—1995)。

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