镉轻度污染农田的水稻品种筛选

王会来 ,陈丽芬 ,李赛慧 ,吴东涛 ,褚军杰 ,马进川 ,邹平∗

(1.丽水市莲都区土肥能源发展中心,浙江 丽水 323000;2.丽水市农业农村局,浙江 丽水 323000:3.浙江农林大学 环境与资源学院,浙江 杭州 311300:4.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)

稻米中镉的累积严重危害人们的健康,长期食用镉超标大米,会导致人体对镉的过量累积,进而引起前列腺癌、肺癌、睾丸癌、肾小管损伤、鼻炎、肺气肿、骨软化和骨折等疾病[1-2]。根据我国糙米重金属镉含量0.2 mg·kg-1的限量标准 (GB 2762—2017),我国稻米重金属超标率超过10%[3]。水稻是一种具有镉累积特性的作物,糙米中镉的累积与土壤镉污染紧密相关,人类活动和地质背景是稻田土壤镉超标的主要原因。在我国水稻主产区,近1/3 的稻田土壤镉含量超过农用地土壤污染风险筛选值 (GB 15618—2018),平均镉含量达0.45 mg·kg-1,从2005 年到2016 年土壤镉含量呈现增加趋势[4]。如何限制镉从土壤进入食物链,安全利用镉轻、中度污染稻田,减少对人类的潜在健康风险成为当代农业科技工作者面临的一个重要挑战。

基因型是影响水稻吸收Cd 的重要因素。已有报道分析不同水稻品种水稻籽粒对重金属镉的累积特性,结果表明,镉在水稻植株中不同部位的累积具有显著差异,不同水稻品种对重金属的吸收转运存在明显的基因型差异,通过选育镉低积累水稻品种,可以实现镉轻、中度污染稻田的安全利用[5-9]。水稻对镉的累积特性易受到气候条件、土壤条件、田间水分状况及管理等农事行为的影响,并且我国中、轻度重金属镉污染农田面积较大,结合区域环境条件和区域主推水稻品种,筛选出适宜于不同地区环境条件的镉低积累水稻品种是保障水稻安全生产、受污染耕地安全利用、国家粮食安全的重要途径。本文通过对丽水市莲都区主要市售单季稻品种重金属镉的累积特性进行研究,筛选出适宜当地气候和土壤环境的籽粒镉低积累水稻品种。

1 材料与方法

1.1 土壤背景

试验地位于丽水市莲都区山间谷地,由于历史矿山开采等原因导致该区农田土壤轻度镉污染。水稻试验前采用S 形取样法采集试验小区土壤,作为基础混合土壤样品,测定土壤基础理化指标。供试农田土壤pH 4.65、全氮含量2 g·kg-1、碱解氮含量89.45 mg·kg-1、有效磷含量10.87 mg·kg-1、速效钾含量82.62 mg·kg-1、有机质含量32.12 g·kg-1、土壤总镉含量0.37 mg·kg-1、有效态镉含量0.14 mg·kg-1。

1.2 供试材料

供试水稻品种为丽水市莲都区当地主要市售水稻品种,品种及种植茬口信息见表1。于2018—2020 年连续3 a 开展镉低积累水稻品种筛选试验(单季稻),其中种植茬数为1、2、3 的水稻品种分别代表种植一年、两年和三年。

表1 供试水稻品种的情况

1.3 试验方法

1.3.1 处理设计

收集丽水市莲都区主要市售水稻品种,于同一田块连续开展镉低积累水稻品种筛选试验,试验田块面积约2 000 m2。2018 年供试水稻品种为中浙优8 号、甬优15、和两优1 号、甬优538 和甬优362,2019 年供试水稻品种为中浙优8 号、甬优15、甬优538、甬优362、甬优9 号、甬优1540、深两优332、中浙优1 号、嘉优中科13-1、华浙优1 号,2020 年供试水稻品种为中浙优8 号、甬优538、甬优362、甬优1540、嘉优中科1 号、深两优322 和中浙优1 号。每个品种种植面积根据当年参与筛选品种数设定,以沟分隔,不设重复。田间生产管理同当地农事习惯保持一致。试验结束后,将水稻秸秆移除处理。

1.3.2 样品采集与分析

水稻收获期采集植物样品,每个试验处理采集3 个植株样品,每个样品取3 穴。依次用自来水和蒸馏水清洗水稻植株,并将植株分为根、茎、叶和稻谷四部分。将所有植株样品110 ℃杀青,70 ℃烘干至恒重,粉碎,待测试。水稻收获期采集土壤样品,每个试验处理取3 份土壤样品,每个样品取3 钻表层土壤 (0～20 cm) 混合。土壤样品自然风干,去杂质,粉碎过100 目筛,待测。

土壤重金属有效态镉采用二乙胺三酸五乙酸(DTPA) 浸提后,用石墨炉原子吸收光谱仪进行分析测定;土壤重金属全镉采用HNO3-H2O2-HF 微波法进行样品消解,用石墨炉原子吸收光谱仪进行分析测定;植株全量镉采用HNO3-H2O2微波法进行样品消解,石墨炉原子吸收光谱仪进行分析测定。以国家标准物质GB W07443 (土壤形态成分标准物质)、GB W07452 (土壤成分分析标准物质)、GBW (E) 100358 (大米粉成分分析标准物质) 作为土壤有效态、全量、植株的内标控制分析质量。土壤pH 值的测定使用pH 计 (山海英格pHs-25)。

1.4 数据处理

鉴于农田土壤有效态镉含量的空间变异,为进一步明确不同水稻品种对镉的累积特性,我们用镉从土壤到糙米中的转运系数来表征不同水稻品种糙米镉的累积特性。

转运系数=籽粒中镉含量/土壤中有效态镉含量。采用Microsoft Excel 2010 和SPSS 10.1 统计软件对数据进行处理和分析。

2 结果与分析

2.1 不同水稻品种糙米中镉累积特性

供试的12 个水稻品种糙米镉含量如图1 所示。供试水稻品种中除甬优9 号糙米镉含量0.222 mg·kg-1外,其他水稻品种糙米镉含量为0.004～0.148 mg·kg-1,均低于 《食品安全国家标准 食品中污染物限量》 (GB 2762—2017) 规定的限量值,满足试验区轻度污染稻田安全生产需求。2018—2020年连续种植3 茬,甬优538 糙米镉含量分别为0.015、0.013 和0.016 mg·kg-1,甬优362 糙米镉含量分别为0.008、0.042 和0.011 mg·kg-1,中浙优8 号糙米镉含量分别为0.026、0.045 和0.008 mg·kg-1,3 个水稻品种均表现出较为稳定的镉低累积特性。甬优15 在2018 年和2019 年种植试验中糙米镉含量分别为0.022 和0.110 mg·kg-1;甬优1540 在2019 年和2020 年种植试验中糙米镉含量分别为0.039 和0.011 mg·kg-1,表现出较低的糙米镉累积特性。

图1 不同品种水稻的糙米镉含量

2.2 不同水稻品种的镉转移情况

镉从土壤到糙米中的转运系数可以直观地反映不同水稻品种对镉的累积特性。2018 年供试的5个水稻品种中,镉从土壤到糙米的转运系数依次为中浙优8 号>和两优1 号>甬优15>甬优538>甬优362 (表2)。2019 年供试的10 个水稻品种中,镉从土壤到糙米的转运系数依次为嘉优中科13-1>中浙优1 号>深两优332>甬优15>甬优9 号>华浙优1号>中浙优8 号>甬优362>甬优1540>甬优538。2020 年供试的7 个水稻品种中,镉从土壤到糙米的转运系数依次为中浙优1 号>甬优362>深两优322>中浙优8 号>甬优538>甬优1540>嘉优中科1 号。

表2 不同水稻品种镉从土壤到糙米的转运系数

2.3 同一水稻品种糙米镉累积的年际差异

由表3 可知,同一水稻品种不同年份的糙米中镉含量存在明显差异。同一水稻品种在3 a 的种植中,糙米镉累积量总体表现为2018 年>2020 年>2019 年。镉从土壤到糙米的转运系数结果表明,不同年份同一水稻品种镉从土壤到糙米中的转运系数表现为2018 年>2020 年>2019 年,与糙米中镉含量的趋势保持一致。由于本研究连续3 a 在同一田块中进行,每年的农事操作均保持一致,因此,同一水稻品种糙米中镉累积的年际差异可能是由于气候等环境因子差异所引起。

表3 糙米镉含量及转运系数

3 小结与讨论

我国农田土壤重金属镉污染问题尤为突出,实现镉轻中度污染稻田安全生产在产量和品质上保障我国粮食安全具有重要意义。镉低积累水稻品种筛选是实现镉轻中度污染稻田安全利用的主要措施之一。因此,筛选出适用于丽水市莲都区的镉低积累水稻品种,对推动该区镉污染稻田的安全利用具有重要意义。本研究结果表明,供试的13 个水稻品种中,糙米镉累积状况具有明显的差异,其中甬优9 号具有较高的镉累积特性,而水稻品种甬优362、甬优1540、甬优538 等具有较低的镉累积特性,表明通过镉低积累水稻品种筛选具有实现镉轻中度污染稻田安全生产的潜力,该结果与已有研究结果一致[5]。

本文结果表明,同一田块、同一水稻品种的镉累积特性存在明显的年际差异。水稻籽粒中镉的累积不仅受水稻基因型、土壤类型及镉污染程度的影响,还受到诸多外部因素的影响,如气候条件、田间水分状况、管理模式等[10-11]。黄奇等[12]研究表明,同一田块中早稻糙米镉累积量显著低于晚稻,关键期蒸腾强度的差异可能是导致早稻和晚稻糙米镉含量差异的关键因素。水分管理是水稻生产中最重要的农艺措施之一。大量研究表明,不同水分管理模式对水稻籽粒镉含量具有显著影响。李鹏等[13]研究表明,不同水分处理下糙米中镉含量顺序依次为不灌溉旱作>间歇性灌溉>全生育期淹水灌溉。葛颖等[14]研究表明,不同水分管理模式下糙米镉含量从高到低依次为湿润灌溉>灌浆期淹水>长期淹水。可见淹水灌溉是降低糙米镉累积的有效措施。淹水条件下,稻田土壤性质发生变化,水稻根际分泌物、微生物等交叉影响土壤镉的形态,进而影响水稻对镉的吸收[15]。由于本研究中均在同一田块开展镉低积累水稻品种筛选,土壤基本理化性质、镉含量及农艺措施等差异不大,因此,气候和田间水分状况可能是导致同一水稻品种镉累积特性年际间差异的主要因素。综合考虑糙米镉含量及镉从土壤到籽粒转运系数的年际差异,水稻品种甬优362、甬优1540、甬优538 等具有相对较低和稳定的镉累积特性,具有在丽水莲都区镉中轻度污染稻田推广应用的价值。