高、低Cd积累水稻和小麦籽粒中Cu、Zn的富集特性

何 普,刘鸿雁,吴龙华,牟婷婷

(1.贵州大学农学院,贵州 贵阳 550025; 2.中国科学院南京土壤研究所/ 中国科学院土壤环境与污染修复重点实验室,江苏 南京 210008)

Cu、Zn元素含量过低不仅关系着稻麦植物的生长发育,也影响着其可食部分的营养价值。适量的Cu、Zn元素对维持植物的正常生长发育有着重要作用,若植物生长过程缺少,则会发生相应的生理生化变化而影响其生长发育。同时,Cu、Zn是与人体健康密切相关的必需微量营养元素[1]。目前,粮食作物中由于缺乏Cu、Zn元素引起的营养失衡问题在世界范围内引起了广泛关注。人体Zn摄入量不足会导致认知功能和免疫功能障碍、性腺发育不良以及肺炎等疾病[2]。全世界约有30%以上的人已经出现Cu、Zn元素缺乏的相应症状[3],中国大约有1亿人受到缺Zn的影响,且大多数生活在农村地区[4]。不同遗传来源的稻麦品种,其籽粒Cu、Zn吸收性存在较大差异,且种植区域不同的土壤也会对其吸收性造成影响[5-7]。国内外对稻麦重金属累积差异的研究较多,尤其是Cd吸收性差异方面[8-11],但目前所见的大多数报道是对不同土壤上稻麦的Cd积累性研究,对不同Cd积累稻麦品种Cu、Zn积累性研究相对缺乏,轮作体系下水稻优势产区土壤上种植的Cd积累性不同的稻麦品种Cu、Zn吸收差异研究则更少。因此,该研究旨在探讨稻麦轮作制度下,水稻优势产区土壤上种植的Cd积累性不同的稻麦品种Cu、Zn累积特征,及其与土壤Cu、Zn有效性的关系,以期为在不同土壤上合理安全地种植不同Cd累积性稻麦提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试水稻土采自全国18个水稻优势产区,分别为东北区:黑龙江、吉林、辽宁(pH 5.85～7.16);中西部区:山东、河南、陕西、宁夏(pH 5.37～8.48);长三角区:江苏、浙江、安徽(pH 5.04～8.94);南方区:湖北、湖南、江西、云南、广西、广东、福建、贵州(pH 4.47～8.08)。分别取0～20 cm耕层土壤,剔除石砾、根系碎屑等杂物,风干、过2 mm孔径尼龙筛。供试水稻为高Cd积累品种“叶里藏花”、低Cd积累品种“隆化毛葫”[12];供试小麦为高Cd积累品种“蓉麦4号”、低Cd积累品种“山农22号”[13]。水稻和小麦种子均用次氯酸钠进行消毒,水稻种子经催芽后播种,育秧移栽;小麦为直播。

供试土壤Cu、Zn含量见表1。对照GB 15618—2018《土壤环境质量标准 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》,只有江西水稻土Cu含量超标,为75.4 mg·kg-1。

表1供试土壤全量Cu、Zn含量

Table1Totalconcentrationofcopperandzincinthetestedsoils

mg·kg-1

1)n=4; 2)n=4; 3)n=10; 4)n=15。

1.2 试验设计

于2017年稻季进行稻麦轮作温室盆栽试验,至2018年麦季收获后结束。每种水稻土设Cd高、低积累2个品种处理,4次重复。每盆装土2 kg,基肥为尿素0.6 g·盆-1,KH2PO40.6 g·盆-1。水稻于2017年6月16日开始育苗,2017年6月29日移栽,每盆8株苗,在水稻生长季,除落干烤田(持续1周时间,以促进水稻根伸长并抑制无效分蘖)外,其余时间浇去离子水并使土壤保持淹水状态(水深约5 cm)。小麦于2017年11月15日播种,2018年5月18日收获,生长季浇去离子水,维持土壤含水量为持水量的60%～70%。

1.3 样品分析

作物成熟后,采集籽粒样品,出糙、磨粉,备用。用不锈钢土钻采集土样,晾干并过2和0.15 mm孔径尼龙筛,备用。土壤pH采用ThermoORION STAR A21型pH计测定〔w(土)∶V(水)=1∶2.5〕。土壤Cu、Zn全量采用HCl-HNO3(体积比为1∶1)消化,作物籽粒Cu、Zn全量采用HNO3-H2O2(体积比为 3∶1)消化,采用国家标准参比物质(土壤:GBW07405;植物:GBW10045)进行质量控制。土壤Cu、Zn有效态采用DTPA提取法,w(土)∶V(液)=1∶2。消解和提取液中Cu、Zn含量采用美国热电(Thermo)电感耦合等离子体质谱仪X2(ICP-MS)和火焰原子吸收分光光度计(Varian SpectrAA 220FS)测定。测定过程中采用试剂空白、平行双样和国家标准样品进行质量控制。

1.4 稻麦籽粒的Cu、Zn富集系数

稻麦籽粒Cu、Zn富集特征采用生物富集系数(biological concentration factor,BCF,Fb,c)表示。

Fb,c=C植株/C土壤。

(1)

式(1)中,C植株为水稻或小麦植株体中Cu或Zn质量含量,mg·kg-1;C土壤为土壤中Cu或Zn质量含量,mg·kg-1。

1.5 数据分析

采用Excel 2013软件处理数据,采用SPSS 21.0软件进行Pearson相关性分析,采用方差分析和多重比较(Duncan检验)方法分析不同处理间数据的差异性。

2 结果与分析

2.1 不同品种水稻和小麦籽粒Cu、Zn含量比较

稻麦籽粒重金属全量测定结果见表2,高Cd和低Cd积累水稻品种糙米Cu平均质量含量分别为5.07和5.75 mg·kg-1,Zn平均质量含量分别为42.10和33.60 mg·kg-1,品种间差异显著(P<0.05);高Cd和低Cd积累小麦籽粒Cu平均质量含量分别为4.37和4.94 mg·kg-1,Zn平均质量含量分别为34.40和35.40 mg·kg-1,品种间差异不显著。

表2水稻和小麦籽粒Cu和Zn含量

Table2Totalcopperandzincconcentrationsinriceandwheat

重金属作物种类作物品种最大值/(mg·kg-1)最小值/(mg·kg-1)平均值1)/(mg·kg-1)标准差/(mg·kg-1)变异系数/% Cu水稻叶里藏花7.123.455.07b0.9619.0 隆化毛葫8.113.645.75a1.0818.7 小麦蓉麦4号9.882.274.37c1.3531.0 山农22号8.702.584.94bc1.2224.7 Zn水稻叶里藏花53.1030.3042.10a4.8011.4 隆化毛葫41.1026.5033.60b4.6713.9 小麦蓉麦4号58.6014.4034.40b11.6033.6 山农22号65.8013.1035.40b13.1037.0

1)英文小写字母不同表示不同品种之间同一重金属元素含量差异显著(P<0.05)。

2个小麦品种籽粒Zn含量变异系数均大于30%,为强变异;山农22号Cu含量变异系数在20%～30%之间,为中等变异,蓉麦4号Cu含量变异系数大于30%,为强变异。2个水稻品种籽粒Cu、Zn含量变异系数在10%～20%之间,为中等变异,说明稻麦中Cu、Zn分布差异显著,受土壤Cu、Zn含量影响较大。

由表3可知,叶里藏花、隆化毛葫籽粒Zn富集系数(0.57、0.46)大于Cu(0.29、0.33);蓉麦4号、山农22号籽粒Zn富集系数(0.47、0.48)也大于Cu(0.23、0.26),表明稻麦籽粒Zn富集能力高于Cu,这与朱宇恩等[14]的研究结果相似;但是,稻麦籽粒Cu、Zn平均富集系数在同一个数量级。

表3水稻和小麦对土壤中Cu和Zn的富集系数

Table3Copperandzincbio-concentrationfactors(BCF)oftestedriceandwheatcultivars

重金属作物种类作物品种最大值最小值平均值1)标准差变异系数/% Cu水稻叶里藏花1.240.080.29ab0.2070.0 隆化毛葫1.330.080.33a0.2266.7 小麦蓉麦4号0.750.080.23b0.1256.3 山农22号0.770.090.26ab0.1350.4 Zn水稻叶里藏花1.200.280.57a0.2340.4 隆化毛葫1.170.180.46a0.2145.7 小麦蓉麦4号1.130.130.47a0.2557.0 山农22号1.440.120.48a0.2860.1

1)英文小写字母不同表示不同品种之间同一重金属元素富集系数差异显著(P<0.05)。

2.2 土壤与稻麦籽粒Cu、Zn含量的相关性分析

由表4～5可知,土壤全量Cu与小麦籽粒Cu含量以及土壤有效态Cu含量与水稻、小麦籽粒中Cu含量均呈极显著正相关(P<0.01);而土壤有效态Zn含量只与小麦籽粒Zn含量呈极显著正相关(P<0.01),说明有效态Cu比全量Cu更能反映土壤对稻麦Cu的供应状态。

表4水稻和小麦籽粒Cu含量与土壤全量Cu和DTPA提取态Cu含量的相关性

Table4CorrelationofgraincopperconcentrationsofriceandwheatanditssoiltotalandDTPA-extractableconcentrations

作物种类籽粒Cu含量土壤全量Cu土壤有效态Cu含量 水稻叶里藏花0.498∗∗0.433∗∗隆化毛葫0.2810.405∗∗ 小麦蓉麦4号0.716∗∗0.810∗∗山农22号0.745∗∗0.719∗∗

**表示相关极显著(P<0.01),n=33。

表5水稻和小麦籽粒Zn含量与土壤全量Zn和DTPA提取态Zn含量的相关性

Table5CorrelationofgraincopperconcentrationsofriceandwheatanditssoiltotalandDTPA-extractableconcentrations

作物种类籽粒Zn含量土壤全量Zn土壤有效态Zn含量 水稻叶里藏花0.2000.259 隆化毛葫-0.3270.042 小麦蓉麦4号0.0030.617∗∗山农22号0.0210.642∗∗

**表示相关极显著(P<0.01),n=33。

2.3 不同地区稻麦籽粒对Cu、Zn的富集特征

不同地区土壤类型不同,稻麦籽粒Cu、Zn含量也有较大差异(图1)。从不同地区同一品种水稻来看,南方区和东北区水稻品种隆化毛葫糙米Cu、Zn含量具有显著差异,但叶里藏花Cu、Zn含量差异均不显著;南方区和东北区小麦品种蓉麦4号、山农22号Cu含量均具有显著差异,但2个品种Zn含量差异均不显著。从同一地区不同品种来看,东北区水稻和小麦Cu、Zn含量都具有显著差异,南方区水稻和小麦Cu含量差异均不显著。除长三角区2个小麦品种籽粒Cu含量差异显著外,其余地区小麦籽粒Cu、Zn含量差异均不显著,这也与前述高、低Cd积累小麦籽粒中Cu、Zn平均含量差异不显著(表2)相一致。比较4个地区不同品种水稻籽粒Cu、Zn含量发现,4个地区隆化毛葫糙米Cu含量均大于叶里藏花,叶里藏花Cu含量以南方区为最大,隆化毛葫Cu含量以东北区为最大。4个地区山农22号麦粒Cu含量均大于蓉麦4号,且2个品种小麦Cu含量均以南方区为最大。在4个地区,叶里藏花糙米Zn含量均大于隆化毛葫,且2个品种水稻Zn含量均以东北区为最大;除长三角区蓉麦4号Zn含量低于山农22号外,其余3个地区蓉麦4号Zn含量均大于山农22号,且2个品种小麦Zn含量均以南方区为最大。

英文大写字母不同表示同一品种在不同地区之间Cu或Zn含量差异显著(P<0.05),英文小写字母不同表示同一地区不同品种之间Cu或Zn含量差异显著(P<0.05)。

对东北区、中西部区、长三角区和南方区不同品种水稻和小麦富集系数(图2)进行比较发现,对比2个水稻品种,4个地区隆化毛葫Cu富集系数均大于叶里藏花,且2个水稻品种Cu富集系数均以东北区为最大;4个地区叶里藏花Zn富集系数均大于隆化毛葫,且2个水稻品种Zn富集系数也以东北区为最大。东北区土壤上高和低Cd积累水稻糙米Cu、Zn富集系数分别为0.31、0.73和0.41、0.64,而高和低Cd积累小麦Cu、Zn富集系数分别为0.19、0.44和0.22、0.42,即糙米Cu、Zn富集能力显著高于小麦,但其他地区土壤上则无明显差异。对比2个小麦品种,4个地区山农22号Cu富集系数均大于蓉麦4号;南方区和长三角区山农22号Zn富集系数大于蓉麦4号,蓉麦4号Zn富集系数以中西部区为最大,山农22号Zn富集系数以长三角区为最大。东北区水稻富集Cu、Zn的能力高于小麦,南方区无明显差异。

箱图的上下横线分别表示最大值和最小值,方框表示50%变异区间,方框中横线表示对应指标的中值,*表示极端值,○表示离散值。

3 讨论

3.1 水稻和小麦籽粒间Cu、Zn积累性差异的原因

植物体内微量元素含量受生态环境和遗传因素的影响很大。常旭虹等[15]报道,在各种影响微量元素含量变异的因素中,栽培环境的影响大于遗传因素。姜丽娜等[16]的研究也表明,小麦籽粒微量元素含量存在较大的基因型和环境差异,且小麦籽粒Cu含量变异系数小于Zn含量变异系数,笔者试验结果与之基本一致。俄胜哲[17]研究报道,稻米中Cu含量受环境条件影响最大,Zn含量受环境条件影响最小,笔者试验结果也与之一致。即使是同一品种小麦,不同地点间籽粒含量变化也很大,介于14～43 mg·kg-1之间[18]。笔者研究中,高和低Cd积累水稻品种间糙米Cu、Zn含量差异显著,高和低Cd积累小麦品种间籽粒Cu、Zn含量差异不显著,这可能与小麦籽粒Cu、Zn变异系数大多属于强变异有关。变异系数较小的品种在不同环境中微量元素含量静态稳定性较好,变异系数大则表明该品种在不同环境中微量元素含量静态稳定性差,生态条件对其影响较大,该性状栽培可塑性强。而小麦籽粒Cu、Zn变异系数大于水稻糙米,则与稻麦的耕作条件不同有关,旱作与水耕的不同氧化还原环境导致Cu、Zn形态与有效性的变化,或者是由于水稻和小麦在生物量和作物种类上的差异所致,其作用机制有待深入探讨。在同样的管理条件和气候条件下种植同一品种,不同土壤间稻麦籽粒含量仍有明显变异,也说明这种变异与土壤条件有着更密切的关系,但鉴于土壤条件这个环境因素比较复杂,具体的环境因子与籽粒Cu、Zn含量的关系仍需进一步深入研究。

3.2 不同地区不同品种稻麦籽粒Cu、Zn积累性差异的原因

一般认为,土壤中Cu、Zn的迁移以及植物中Cu、Zn累积受土壤pH值、有机质、机械组成等因素的影响[19]。土壤淹水时,土壤有机质极易与可交换态重金属形成稳定性更强的有机结合态重金属,即土壤有机质中—CO、—OH和—COOH能以多种途径与不同水溶性Cu、Zn进行吸附、络合[20]。笔者研究中,东北区水稻富集Cu、Zn能力明显高于小麦,东北区土壤有机质含量较高,土壤有机质的积累使水稳定性聚集体更加稳定,使Cu、Zn在土壤颗粒上的吸附作用得到促进[21],有利于Cu、Zn在水稻植株的迁移累积。

土壤中Cu、Zn元素具有不稳定和易结合的特点,因此发生交互作用的可能性大。不同品种稻麦对Cu、Zn吸收积累常有差异,Cu、Zn元素的交互作用是造成植物吸收Cu、Zn差异的主要原因之一。元素间交互作用是以特定作物和一定含量比为前提的,不同植物对元素之间的交互作用已有较多报道,但得出的结论有所不同。如徐照丽等[22]指出,低含量Cu促进烤烟对Zn的吸收,高含量Cu抑制Zn的吸收;GRANT等[23]研究发现,亚麻种子中Cd和Zn含量呈明显负相关。郭俊娒等[24]指出三七景天具有较强的Cd富集能力,Zn对三七景天地上部Cd吸收具有“低促高抑”效应。周启星等[25]发现Cd的积累增加了大豆籽实中Zn的积累。殷敬峰等[26]的相关分析结果表明,糙米中Cu、Cd含量间呈极显著正相关,Cu、Zn含量间呈极显著负相关,而Cd、Zn含量间的相关性不明显。笔者研究与前人研究结果略有不同,Cu、Zn在Cd高、低积累品种水稻籽粒的平均含量差异达显著水平(P<0.05),对于高Cd积累水稻,其Zn积累高,Cu积累低,低Cd积累水稻则反之。土壤中有效态Cu含量与水稻籽粒全量Cu呈极显著正相关,土壤有效态Zn含量与水稻籽粒全量Zn无相关性,因此这与土壤有效态可能并无关系,可能与元素间交互作用的影响有关,有待进一步研究影响这些元素吸收性差异的原因。高、低Cd积累水稻糙米和小麦籽粒Cu、Zn含量,均高于《中国食物成分表》中稻米可食部分Cu、Zn含量[27],表明种植高、低Cd积累稻麦并不会导致Cu、Zn含量过低而引起营养失衡。Cu、Zn元素在人体中的功能无法替代,也无法在体内合成,必须从食物中摄取。植物是食物链的起点,粮食作物是世界上绝大部分人口的主食,因此,在农业生产中若能选育出Cd低积累,Cu、Zn高效吸收的作物品种,则可一举两得。

4 结论

采集我国水稻优势产区典型土壤,选择Cd高、低积累性明显不同的水稻和小麦品种各2个,结果显示高、低Cd积累水稻品种间糙米Cu、Zn含量差异显著(P<0.05),高、低Cd积累小麦品种间籽粒Cu、Zn含量差异不显著;稻麦籽粒Zn富集系数均高于Cu,且东北区糙米Cu、Zn富集能力显著高于小麦。因此,与小麦相比,在北方区种植水稻能更有效地提高Cu、Zn在作物中的富集。从作物安全品质和营养品质角度考虑,种植高、低Cd积累稻麦并不会导致Cu、Zn含量过低而引起营养失衡。

致谢: Cd高、低积累水稻和小麦种质材料分别由华中农业大学练兴明老师和四川农业大学张锡洲老师提供,在此表示诚挚的感谢!