水稻和大豆对重金属Cd的富集效应差异性比较

赵怀敏，李 艳，刘丽萍，陶泉宏，胡 钰，李 芯，官天培

(绵阳师范学院/生态安全与保护四川省重点实验室，四川绵阳 621006)

0 引言

随着现代工农业的快速发展，土壤环境污染在不断地加剧，特别是土壤重金属污染.土壤是农产品中重金属的主要来源，农用地土壤中累积的重金属元素在农作物中不断富集，最终又会通过食物链进入到人体内，对人类的健康造成潜在的威胁.研究表明，土壤污染的加剧可增加农产品中重金属的积累，但土壤污染程度并非是影响农作物吸收重金属的唯一因素，不同种类农作物对重金属的富集效果存在差异[1-2].例如，不同叶菜类蔬菜品种对重金属的吸收富集具有特异性差异[3]，玉米和稻米中镉的富集系数也存在差异[4].在对粮食作物富集重金属的研究中发现大豆各器官对土壤中镉的吸收强弱表现为根>茎>叶>果实[5].土壤铅和镉在玉米和大豆中不同器官的富集不尽相同，表现在根>秸秆>叶>果实[6].也有研究表明：不同类型水稻品种间对镉的吸收与累积有差异，而且水稻植株对镉的吸收与积累在不同器官也存在差异[7].

本研究借助田间试验，分析了大豆和水稻各器官中重金属Cd的含量，比较了富集特征以及对镉的转运能力，进而比较大豆和水稻对Cd的吸收运输能力.

1 材料与方法

1.1 样品采集

研究地位于涪江流域上游地区平武县内，地处四川盆地西北部，属北亚热带山地湿润季风气候，气候温和，年均温为14.7 ℃，降水丰富，年降水量约为866.5 mm，多年平均日照时间1 376 h，光照充分，多年平均无霜期约为252 d.该区多高山陡坡，土壤侵蚀现象严重，土壤砾石含量高，土层浅薄、结构松散，土壤贫瘠.

在研究区域农田内随机选择了两块环境一致的农用地作为试验区域，其中旱地种植大豆，水田种植水稻.两块农用地耕作层土壤中重金属Cd的含量见表1.通过独立样本T检验，两块地的镉含量无差异.据《土

壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618-2018)标准(表2)，该试验区域土壤中Cd的平均含量超过了土壤环境质量二级标准，通过独立样本T检验分析，两块地的镉含量无显著差异.

1.2 样品采集与测定

在研究区域的旱地和水田中随机选取3块旱地，每块旱地和水田随机取3株大豆和水稻，将大豆和水稻植株的根、茎、叶、豆荚/稻谷分开，并用蒸馏水洗掉泥土后，在105 ℃下杀青1 h，然后在80 ℃烘箱中烘干至恒重.将豆荚和稻谷的外壳去除，保留可食用部分，并分别将根、茎、叶与可食用部分研磨至粉末状，过100目网筛，用于重金属含量测定.

根据朱维晃等人(2004)的方法[8]，测定植物样品中重金属Cd的含量，即采用HNO3-HClO4-HF混合酸消解植物样品，酸的体积比为2∶1∶1，将消解后的样品，用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)测定植物样品中的重金属Cd的含量.

1.3 重金属转运与富集系数

富集系数( biological concentration factor, BCF)能够反映植物对重金属的富集(吸收)能力，转运系数( transfer factor, TF)可以用来反映植物对重金属的转运能力[9]，其计算方法参考文献[10]：

BCF=植物器官中重金属含量/土壤中相应重金属含量

TF=植物地上部分重金属含量/植物根部相应重金属含量

1.4 重金属污染评估

采用单因子污染指数法评估大豆和水稻可食用部分的重金属Cd污染水平，根据《食品安全国家标准食品中污染物限量》(GB 2762-2012)标准，评价大豆和水稻可食用部分的Cd污染程度，其计算方法参考文献[11]：

P=C/S

其中，P为可食用部分中重金属Cd的单因子污染指数，C为可食用部分中重金属Cd的实测浓度，S为重金属Cd在《食品安全国家标准食品中污染物限量》(GB 2762-2012)标准中所对应的限量值.P<1.0,表明未受重金属Cd污染；13，则受重度污染，指数越大，受污染程度越严重.

1.5 数据处理

注：不同小写字母表示不同物种间的差异显著 (P<0.05)，不同大写字母表示同一物种不同 器官间的差异显著(P<0.05)，下同.图1 大豆和水稻以及不同器官中Cd含量Fig.1 Cd content in soybeans and rice,and in different organs

采用Excel 2016 对数据进行初步处理，用SPSS 23．0 对数据进行统计分析,用origin作图.先将数据进行方差分析，数据符合正态分布，当数据方差不齐性时，将数据进行对数转换，使其达到方差齐性.两组数据间差异性比较采用T检验中的独立样本T检验的方法，而多组数据间差异性比较先进行单因素方差分析(one-way ANOVA)，再用Duncan检验法进行多重比较，图表中数据为平均值±标准误差.

2 结果与分析

2.1 大豆和水稻中重金属Cd含量的分布特征

大豆和水稻整株中及其各器官中Cd含量结果如图1所示.水稻整株中重金属Cd的含量显著高于大豆整株中的含量.两种农作物的不同器官进行比较，根、茎、叶、可食用部分中的Cd含量水稻中显著高于大豆.每种农作物各个器官间的Cd含量存在显著差异，并且都是在根部含量最大，其次是茎，大豆在可食用部分中的含量最小，约为0.069 mg/kg，而水稻在可食用部分的含量大于在叶片中的含量，可食用部分中Cd含量约为0.608 mg/kg，大豆和水稻中各器官间差异均达显著水平.

2.2 大豆与水稻对重金属Cd的富集和转运特征

大豆和水稻对Cd的富集和转运特征如图2和图3所示.水稻的地上部分和地下部分Cd的含量均显著高于大豆(图2).水稻和大豆对重金属Cd的富集系数均大于1，水稻为9.687，显著大于大豆对重金属Cd的富集系数1.734，约是大豆富集系数的5.6倍.水稻和大豆地上部分Cd含量均显著大于地下部分Cd含量，大豆和水稻对Cd的转运系数均大于1，但大豆对Cd的转运系数显著高于水稻.

图2 大豆与水稻地上、地下部分Cd含量Fig.2 Cd content of soybeans and riceon the ground and underground图3 大豆与水稻的转运、富集系数Fig.3 Transfer and biological concentrationfactor of soybeans and rice

2.3 不同器官对重金属Cd的富集特征

图4 不同器官对Cd的富集系数 Fig.4 The biological concentration factor of cd for different organs

不同器官对重金属Cd的富集能力也有差异(图4).在大豆植株中，不同器官对Cd的富集系数由大到小的顺序为：根>茎>叶>可食用部分；而在水稻植株中，对Cd的富集系数由大到小依次为：根>茎>可食用部分>叶.从图4中还可以看出，不仅不同器官对Cd的富集系数不同，且大豆和水稻植株中相同器官对Cd的富集系数也具有显著差异.水稻的根、茎、叶、可食用部分实对Cd的富集系数分别显著大于大豆植株中对应器官对Cd的富集系数.

2.4 可食用部分重金属单项污染指数评价

用单项污染指数法对大豆和水稻可食用部分重金属Cd污染水平进行评价(表3).大豆可食用部分Cd污染指数值小于1，大豆可食用部分未受Cd的污染；水稻可食用部分Cd污染指数值约为3.040，大于3，受到Cd污染严重.

3 讨论

Hao等人测定了受污染土壤中毛豆、豇豆、芝麻、辣椒四种植物的重金属含量，发现其重金属含量最高的是芝麻，其次是毛豆、豇豆，含量最低的是辣椒，该结果表明了不同作物体内重金属含量也不同[12].但也有研究表明，由于不同的作物具有不一样的生物学特性，使其对重金属元素的吸收积累量具有明显的种间差异，一般情况为：豆类>小麦>水稻>玉米[13]，这与本研究结果不同.本研究结果表明，大豆和水稻对Cd的吸收具有差异，且水稻比大豆更容易吸收积累Cd，这可能与研究地土壤重金属水平以及水稻和大豆的根系形态、根对Cd的吸收能力和生理活性[14]以及对Cd的富集转运能力有关.

植物对重金属的吸收转移能力可以用富集系数和转运系数综合反映.富集系数越大，则植物对该重金属的富集能力就越强，当富集系数大于1时，更有利于植物对土壤中相应重金属的吸收.当转运系数大于1时，有利于植物将根系吸收的重金属转移到地上部分.而当转运系数小于1时，则表明地上部分重金属的含量低于地下部分重金属含量，这不利于重金属向地上部分转移，从而减少对植物的毒害作用.在本研究中，水稻和大豆对Cd的富集系数、转运系数均大于1，但水稻对Cd的富集系数更大，则表明水稻和大豆都容易吸收土壤中的重金属Cd，大豆和水稻植株地上部分重金属Cd含量均大于所对应的土壤环境中的重金属Cd含量，这说明水稻和大豆都更易积累Cd而受到土壤中Cd的影响.大豆对Cd的转运系数大于水稻对Cd的转运系数，且均大于1，则表明大豆和水稻根系中吸收的Cd很容易被转移到地上部分，即大豆和水稻能通过根不断的吸收土壤中的相应重金属而转运到地上部分，一方面减少土壤中的重金属含量可起到一定作用，但对食用种子的植物来说，重金属往地上部分的转移则可能造成食用部分的镉超标.

植物的不同器官对重金属的吸收能力也有差异，本研究结果显示，大豆各器官中重金属Cd含量的顺序为：根>茎>叶>果；水稻中各器官中Cd含量的顺序为：根>茎>稻米>叶.吴燕玉等人的研究表明植物各器官对元素的吸收能力不同，元素在作物体内的分布一般为：根>茎>叶>籽实，呈宝塔状分布，水稻根部吸收重金属多，但向上迁移的较少，大豆根部虽然吸收的少，但向上迁移的较多[15].邵云等人研究了五种重金属在小麦不同器官中的分布特征，显示了重金属在小麦中各部位的累积量不同，小麦植株中较易富集Cd的是根、叶和废弃物[16].王倩倩的研究表明水稻中的Cd主要积累在根、茎中[17]；莫争等人的研究发现，在水稻成熟期Cd大部分积累在根部[18]；Liu 等人研究表明，Cd在水稻植株体内的累积顺序大致为：根系>茎>叶>糙米[19].本研究结果也表明，无论是大豆还是水稻，其根中Cd的含量最多，根对Cd的富集系数最大，说明根对Cd的吸收能力最大.推测大豆和水稻的根系可以作为一种屏障或过滤器，抑制Cd进一步向植物地上部分迁移.而大豆和水稻的茎中Cd的含量仅次于根，则表明茎可以进一步的抑制Cd向叶片和果实中运输.大豆和水稻植株中不同器官对Cd的吸收积累能力的差异，可能是由于各器官对元素吸收的功能不同，如根主要负责吸收土壤中的Cd，而茎主要是运输根中吸收的Cd，从而使Cd在植株的叶片和果实中积累.但在本研究中，稻米的Cd含量高于叶片，这可能是因为稻米对Cd的富集能力高于水稻叶片对Cd的富集能力.水稻各器官以及整株中Cd的总量也要显著高于大豆，这可能是因为水稻植株中的各器官比大豆植株中的各器官富集Cd能力更强，最终导致水稻整株对Cd的富集能力高于大豆.

不同植物中重金属的富集系数和转运系数不同[20]；地上部分中重金属富集系数大于1的植物吸收的重金属大部分分布在地上部分，具有较高的地上部/根浓度比率，且能在重金属污染的土壤中正常生长[21].大豆和水稻地上部分对Cd的积累能力不同，水稻对Cd的积累能力大于大豆，但它们对Cd的富集系数均大于1，且它们对Cd的转运系数也均大于1，表明了无论是水稻还是大豆，它们转运重金属Cd的能力较强.由此可见，大豆和水稻吸收的Cd大部分分布在地上部分，并能在Cd污染的土壤中正常生长，不会出现重金属Cd毒害现象.因此，在农田的Cd低污染区域，种植大豆和水稻可起到一定修复农田Cd污染的效果.根据国家发行的《食品安全国家标准 食品中污染物限量》(GB2762-2017)可知，稻谷、糙米、大米、豆类及其制品中Cd的限量均为0.2 mg/kg，但本研究中稻米中Cd含量约为0.608 mg/kg，超过了食品安全国家标准，大豆中Cd含量低于0.2 mg/kg，符合食品安全国家标准.从单项污染指数来看，大豆的Cd污染指数小于1，受Cd污染较小，但稻米的Cd污染指数大于3，受到Cd的严重污染.所以从人类健康来看，受到Cd轻污染土地不适合种植水稻食用.

4 结论

大豆和水稻均较易吸收积累Cd，虽然与大豆相比，水稻更容易吸收、积累Cd，但大豆根系吸收的重金属Cd更容易被转移到地上部分，且大部分停留在茎和叶中，而水稻中Cd更容易停留在稻米中.因此，可将水稻和大豆用于农田的Cd污染修复，即水稻和大豆对受镉污染的土壤有一定修复作用，但从人类健康考虑，受轻度镉污染的土壤，不适合种植水稻供食用.