不同水平Cd 胁迫下低累积Cd 水稻品种筛选

王萍 罗沐欣键 刘静 田茂苑 柴冠群 秦松*

（1 贵州省农业资源环境管理站，贵阳550001；2贵州省农业科学院土壤肥料研究所，贵阳550009；第一作者：45940970@qq.com；*通讯作者：2480406180@qq.com）

土壤和农产品重金属污染问题是当前国内外的研究热点，尤其在城市化和经济快速发展的背景下，土壤和农产品的重金属污染情况受到各个国家的广泛关注。近20 年来，随着我国高度集约化农业生产、粗放型矿产资源开发利用和城镇化快速推进，境内大面积农田土壤遭受重金属污染，严重影响了农业的可持续发展。据2014 年4 月公布的《全国土壤污染状况调查公报（2005—2013）》显示，我国土壤污染总超标率为16.1%，耕地点位超标率为19.4%，重金属Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn 和Ni 等8 类污染物点位超标率分别高达7.0%、1.6%、2.7%、2.1%、1.5%、1.1%、0.9%和4.8%。我国每年因土壤重金属污染导致粮食减产高达1 000多万t，污染粮食多达1 200 万t，合计经济损失至少200 亿元[1]。同时，Cd、Hg、As、Pb 等4 类污染物的含量分布呈现从西北到东南、从东北到西南方向逐渐升高的态势。西南及中南区域的重金属污染问题比较突出，矿产资源丰富的西南地区重金属污染最为严重[2]。

Cd 是一种生物蓄积性强、毒性持久、具有“三致”作用的剧毒元素，摄入过量的Cd 会对生物体生殖系统、免疫系统、心血管系统造成损伤，进而引发多种疾病[3-5]。工业化以来，由于人类工业废弃物排放、污水灌溉、大气沉降和长期施用化肥等，导致农田土壤Cd 含量逐年增加[2,6]。Cd 在一定浓度时能促进植物的生长，因而其易被植物吸收并在体内累积。水稻作为我国重要的粮食作物，全国有近60%的人口以稻米为主食，水稻的质量安全直接关乎国民的身体健康。大量研究报道，水稻对Cd 具有较强的富集能力，Cd 易转移到稻米中大量累积[7-9]，长期摄入Cd 含量过高的大米易导致肾脏损害、骨质疏松、病理性骨折、关节疼痛等疾病，对人体健康构成严重威胁[10-12]。而且，Cd 对水稻的危害不仅仅在于影响籽粒的食用安全，在高浓度Cd 的胁迫下水稻叶绿素会减少，光合作用能力降低，进而造成水稻减产，甚至绝收[13-14]。有学者指出，不同水稻品种稻米中的Cd 累积量或存在成倍差异[15-17]，这说明水稻品种对Cd在土壤-稻米中的迁移具有重要影响。选育低累积Cd、抗Cd 毒害能力强的水稻品种是潜在的解决稻田土壤Cd 污染问题的突破点。基于此，本研究分析了10 个水稻品种在不同水平Cd 胁迫下稻米对Cd 的吸收累积情况及对水稻生长的影响，以期筛选出适宜推广种植的Cd 低积累水稻品种，为全国Cd 污染稻田土壤安全利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以贵州分布面积最广的黄壤作为供试土壤，采集0～20 cm 表层土壤，经自然风干后过10 目尼龙筛，将所有土壤充分混匀，保存备用。

供试水稻品种10 个，分别是两优585、中优295、F优498、Y 两优1 号、宜香2115、蜀优217、中优169、俞优109、川香优1618 和川农优894，全部为籼稻，均由贵州省水稻研究所提供。

1.2 试验设计

本次试验起始时间为2017 年5 月，以盆栽的方式进行，地点为贵州省农业科学院通风大棚内。每个水稻品种设4 个处理：CK，不加外源Cd；T1，添加0.3 mg/kg Cd；T2，添加1.0 mg/kg Cd；T3，添加3.0 mg/kg Cd。每个处理3 次重复，共120 盆。

根据试验需要，选择合适的水稻种植试验箱（长40 cm、宽30 cm、高28 cm）若干，每盆装入5 kg 试验土壤，加入一定量的尿素、磷酸一铵和氯化钾作底肥（折算成每667 m2的N、P2O5、K2O 用量分别为12 kg、5 kg、8 kg）。施肥前将配制好的CdCl2溶液添加至土壤中，再加入适量水，使试验土壤上覆水厚度保持2～3 cm，最后充分混匀土壤，静置7～10 d 后插秧并追肥1 次（追肥量为第1 次施肥量的1/3）。

水稻秧苗培育在贵州省农业科学院水稻研究所试验田内进行，后将秧苗移栽到试验箱中，栽培管理措施按当地大田生产习惯，整个生育期保持淹水状态（2 cm水层），待种植1 季后整株收获。

1.3 样品处理

待各水稻品种成熟后，采集每盆稻谷样品及根系土壤。土壤样品采集后装入自封袋，将其带回实验室自然风干，后经研磨过100 目尼龙筛，密封保存于聚乙烯袋中待测。水稻样品采集后带回实验室，用去离子水冲洗干净，装入干净无污染的网袋中自然风干，然后将干燥好的稻米经脱壳处理后制成精米，研磨后过100 目尼龙筛，密封保存于聚乙烯袋中待测。

1.4 测定项目及方法

1.4.1 土壤Cd 含量

准确称量0.5 g 土样于50.0 mL 聚四氟乙烯坩埚中，用少量水湿润后加入王水20.0 mL，盖好后置于微孔数显电热板上，调节电热板温度使样品溶液在微沸状态下回流至澄清，然后取下盖子进行赶酸，赶酸完成后加入0.5 mL 浓硝酸和20.0 mL 水后复溶1～2 min，然后转移并定容，待测。消解液用ICP-MS（iCapQ 电感耦合等离子体质谱仪，赛默飞世尔科技公司）测定。

1.4.2 水稻植株及稻谷Cd 含量

准确称量0.5 g 植物样于聚四氟乙烯消解罐中，用少量水湿润后加入4∶1 的硝酸-高氟酸混合酸5 mL，置微波消解仪（迈尔斯通公司，ETHOSONE）内消解。微波消化程序设定为：250W 6 min，然后400W 6 min，最后450W 5 min。取出内罐放于电热板上加热赶酸，赶酸完毕后转移定容。消解液用ICP-MS 测定。

1.4.3 叶绿素相对含量（SPAD 值）

使用叶绿素计SPAD-502 对剑叶的上、中、下3 个位置进行测量，所得平均值即为SPAD 值。

1.5 质量控制

为确保实验方法的可靠性和数据的准确性，每个样品设置1 个平行样，同时设置空白样及加标样，并保证测定回收率为80%～120%。每个样测3 次，每测15个样后须测1 个标准样以确保仪器的稳定性，所测样品之间的相对标准偏差应小于5%。

1.6 数据统计与分析

采用Excel 2010、SPSS 20.0 进行数据统计分析，用Origin 8.5 及SPSS 20.0 进行绘图。

2 结果与分析

2.1 不同水稻品种栽植土壤的Cd 含量

从表1 可以看出，经过1 季的水稻种植，试验土壤对照组Cd 平均含量为0.15 mg/kg，变化范围为0.12～0.18 mg/kg，低于试验土壤初始值（0.17 mg/kg）。T1、T2、T3 处理土壤的Cd 平均含量只有0.23 mg/kg、0.39 mg/kg 和1.24 mg/kg，均显著低于土壤Cd 初始含量，分别只有初始土壤中Cd 含量的49%、33%和39%，这说明水稻对土壤Cd 具有很强的吸收能力。从表1 可以看出，CK 组栽植水稻对土壤中Cd 的含量影响很小，平均减少量不足初始土壤Cd 含量的18%。而T1、T2、T3 试验组土壤Cd 含量分别减少了51%、67%和61%，减少程度较大。推测此现象可能与所添加的外源Cd 有关，外源Cd 活性强，易被水稻吸收；而原始土壤中主要以惰性Cd 的形态存在，生物可利用态Cd 含量低。

2.2 土壤Cd 对水稻叶绿素含量的影响

有研究表明，SPAD 值与叶绿素绝对量具有极显著的正相关性[18]，说明SPAD 值可以真实反映叶绿素的含量。因植株叶绿素水平与其生长发育关系密切，所以SPAD 值亦能作为植物生长发育的表征量。如图1 所示，水稻叶绿素含量随Cd 浓度增加呈现出先增加后降低的趋势。在CK 条件下，所有品种的SPAD 均值为41.17。当Cd 添加浓度提升至0.3、1.0 mg/kg 时，所有水稻的SPAD 均值分别为46.88、46.68，符合不少研究得出的结论，即低浓度的Cd 可以刺激植株的生长和发育。当添加Cd 浓度高达3.0 mg/kg 时，所有水稻品种SPAD 均值降低至46.87，暗示了高浓度的Cd 会抑制植物的生长发育。

表1 种植一季水稻后试验土壤中Cd 含量变化情况 （单位：mg/kg）

表2 不同水稻品种稻米中Cd 含量情况 （单位：mg/kg）

图1 水稻叶绿素含量变化情况

2.3 不同品种水稻的稻米Cd 含量分析与低累积品种筛选

如表2 所示，不同水稻品种栽植于各Cd 浓度环境中，其稻米中Cd 的含量存在显著差异。在CK 组中，F优498 的稻米Cd 含量仅为0.15 mg/kg，而川农优894高达1.26 mg/kg。在栽植土壤Cd 含量分别为0.47 mg/kg、1.17 mg/kg 和3.17 mg/kg 的情况下，各品种稻米中的Cd 含量差异进一步加大，最大、最小值的差值分别达3.26 mg/kg、3.89 mg/kg 和7.36 mg/kg。

图2 不同品种水稻的聚类分析

图3 不同处理各水稻品种稻米中Cd 含量

图4 土壤与稻米Cd 含量相关性分析

从图2 可见，可从10 的分类距离上将10 个水稻品种分为3 类。Ⅰ类为低累积Cd 品种，包括中优295、Y 两优1 号、F 优498 和蜀优217，在外源Cd 添加浓度为0、0.3、1.0、3.0 mg/kg 的条件下，稻米Cd 含量范围分别 为0.15 ～0.58、0.37 ～0.57、1.83 ～3.69、6.63 ～10.17 mg/kg；Ⅱ类为中度累积Cd 品种，包括川香优1618、川农优894、两优585 和宜香2115，在外源Cd 添加浓度为0、0.3、1.0、3.0 mg/kg 的条件下，稻米Cd 含量范围分别为0.30～1.23、0.55～2.22、3.54～5.72、4.31～6.79 mg/kg；Ⅲ类为高度富集Cd 品种，包括中优169 和俞优109，在外源Cd 添加浓度为0、0.3、1.0、3.0 mg/kg 的条件下，稻米Cd 含 量 范 围 分 别 为0.47 ～0.77、3.06 ～3.65、4.70 ～5.55、10.60～11.67 mg/kg。

如图3 所示，在Cd 低浓度条件下（CK），除F 优498 外，其他品种稻米Cd 含量均超出国家食品卫生安全标准规定的限定值（0.2 mg/kg），而添加了不同浓度外源Cd 的土壤中所有参试品种稻米的Cd 含量均超过了国家安全标准限定值。结合聚类分析结果，筛选出1个可在低Cd 土壤中种植的Cd 低累积水稻品种——F优498。

2.4 土壤Cd 与稻米Cd 相关性分析

参试品种稻米的Cd 含量平均为0.58 mg/kg，是国家食品卫生安全标准规定限定值的2.9 倍。其中，当外源Cd 添加浓度为0.3 mg/kg 时，稻米Cd 含量平均为1.40 mg/kg，为国家食品卫生安全标准规定限定值的7.0 倍；当外源Cd 添加浓度从0.3 mg/kg 增加到1.0 mg/kg，稻米平均Cd 含量达4.18 mg/kg，为国家食品卫生安全标准规定限定值的20.9 倍；当外源Cd 添加浓度增加到3.0 mg/kg 时，稻米平均Cd 含量高达7.74 mg/kg，为国家食品卫生安全标准规定限定值的38.7倍。如图4 所示，稻米Cd 含量与土壤Cd 含量呈显著正相关关系，相关系数R2=0.84（P＜0.01）。这说明水稻对土壤中的Cd 普遍具有较好的吸收，稻米会随着土壤Cd 含量的增加大量累积Cd。暗示随着土壤Cd 浓度的增加，稻米Cd 超标风险变大，因而经筛选得到的Cd 低累积水稻品种亦只适合栽种于无污染或Cd 轻度污染区域。

3 结论

本研究通过盆栽试验探究了10 个水稻品种在不同Cd 含量土壤上种植收获后稻米中Cd 的含量情况，获以下结论：不同水稻品种稻米对土壤中Cd 的吸收累积效果存在显著差异，稻米Cd 累积量与外源Cd 输入量关系较大，与土壤原始Cd 含量关系较小。对SPAD值测定分析后发现，土壤中低浓度的Cd 能提升水稻叶绿素含量，高浓度的Cd 则会降低水稻中叶绿素含量。通过设置不同浓度的外源Cd 添加试验，筛选得到1 个Cd 低累积水稻品种——F 优498。相关性研究发现，稻米Cd 含量与土壤Cd 含量呈显著正相关关系，所以经筛选得到的Cd 低累积水稻品种亦只适宜栽植在无污染或Cd 轻度污染的土壤之中。