基于BCF的砷低积累水稻品种筛选

周珍华， 谷有君， 刘汇川， 胡文玲， 黄蕊，柳赛花， 田发祥， 谢运河*

(1.张家界市永定区农业农村局，湖南 张家界 427000；2.湖南省农业对外经济合作中心，湖南 长沙 410005；3.湖南省农业环境生态研究所，湖南 长沙 410125；4.农业部长江中游平原农业环境重点实验室，湖南 长沙 410125；5.农田土壤重金属污染防控与修复湖南省重点实验室，湖南 长沙 410125)

湖南省是我国著名的“有色金属之乡”，矿产资源开发造成农田大面积受到重金属污染。水稻是重金属超标最为严重的粮食作物之一，镉、砷污染稻田是农田重金属污染治理的重点与难点[1]。种植低积累水稻品种已成为重金属污染农田安全利用的重要手段[2]。基于水稻基因型差异，国内外学者开展了大量的重金属低积累品种(系)的筛选工作。龚浩如等[3]通过盆栽试验从湘潭地区广泛种植的82个早、晚稻品种中筛选出4个镉低积累水稻品种；李贵松等[4]采用微区和小区试验分别比较了43个和6个水稻品种(系)对镉累积的差异，筛选出2个适合浙江省种植的镉低积累水稻品种；刘三雄等[5]通过3个不同污染程度的镉污染稻田筛选出适合湖南省种植的镉低积累品种及其不育系和恢复系；刘洋等[6]和方宝华等[7]创建了镉低积累水稻品种的筛选、评价与鉴定方法；胡培松等[8]、尹宇杰等[9]则建立了低积累重金属镉水稻品种的选育方法。2014—2016年，湖南省开展了多年多点的镉低积累水稻品种筛选，并发布了应急性镉低积累水稻品种推荐目录[10]。也有部分学者基于镉砷复合污染稻田研究了水稻镉砷的累积规律，并开展了镉砷低积累水稻品种的筛选[11-14]。总的来看，当前国内外学者主要侧重于镉低积累水稻品种的筛选及选育研究，但对砷低积累水稻品种的关注较少。

本研究在世界银行贷款湖南省农田污染综合管理项目的支持下，基于项目区出现大量稻米砷超标的现象，通过比较水稻砷累积的品种间差异，建立基于BCF(富集系数)的砷低积累水稻品种筛选方法，筛选适合当地推广种植的品种，为区域砷污染稻田的安全利用提供技术支撑，并为建立砷低积累水稻品种筛选评价方法提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地点及土壤

试验地点位于湖南省张家界市永定区。2019—2021年选址后坪街道大庸所村、崇文街道丁家庄村、尹家溪镇西尹村的典型污染耕地进行大田试验。试验地土壤基本理化性质见表1。

表1 试验地土壤基本理化性质Table 1 Soil physical and chemical properties in the experiment site

1.2 供试水稻品种及种植

2019年供试的水稻品种15个(P1～P15)，2020年15个(P16～P30)，2021年18个(P31～P48)。其中，年度间设置2个品种的验证试验，2019—2021连续3年种植的品种深两优5814(编号分别为P13、P27、P43)；2019和2020年连续2年种植的品种泰优390(编号分别为P12和P16)；2019和2021年种植的品种隆两优华占(编号分别为P6和P37)、晶两优1212(编号分别为P10和P33)；2020和2021年种植的品种韵两优332(编号分别为P21和P39)、晶两优1468(编号分别为P24和P34)；供试水稻品种名称见表2。

表2 2019—2021年供试水稻品种Table 2 Rice varieties from 2019 to 2021

5月上旬，根据气候情况进行育秧准备，每个品种用网织袋单独封装，并用两个标签进行品种标识，一个内置，一个外挂，采用常规方法进行浸种催芽；同步准备秧田，用育秧盘进行育秧，每个品种10盘，每个品种间隔30 cm；秧田期水肥等田间管理。2019年5月7日播种，6月11日移栽；2020年5月10日播种，6月14日移栽；2021年5月4日播种，6月7日移栽。

1.3 试验设计

试验采用随机区组设计，分小区进行，每个品种3次重复，小区面积20 m2(5 m×4 m)，插秧密度为468株/小区(33.3 cm×12.8 cm)，小区间间隔0.8 m，无隔离田埂，以确保各小区水肥等一致。试验前先平整，确保试验田块土壤理化性质和土壤污染程度相对一致。本试验基肥皆施用复合肥(15∶15∶15)750 kg/hm2，插秧10 d后追施尿素150 kg/hm2。在80%以上的品种达到分蘖盛期开始晒田，晒田7 d，其余时间采用干湿交替的方式进行水分管理；病虫害防治及其它措施参照当地习惯进行。

1.4 测定项目与方法

试验前采集基础土样，分析土壤基本理化指标；每个水稻品种成熟时，每小区按5点取样法进行水稻和土壤样品取样，每个点取水稻样2株，并分别按照稻草和稻谷进行分样，烘干后稻草粉碎备用，稻谷则采用砻谷机去壳后，糙米粉碎备用。稻米和植株砷含量采用HNO3-H2O2(5∶2，V/V)微波消煮，样品消煮完全后赶酸至近干，加少量稀硝酸溶液溶解后转移定容待测；土壤总砷采用HNO3-HClO4-HF(5∶1∶2，V/V)消煮，样品消煮完全后赶酸至近干，加少量稀硝酸溶液溶解后转移定容；土壤有效态砷采用乙酸铵提取方法进行，称10.00 g土样，加入1 mol/L的乙酸铵50 mL，25 ℃条件下180 r/min震荡1 h后过滤，稀释20～100倍后待用；所有样品砷含量皆用仪器ICP-MS(iCap-Q，美国Thermo公司)进行测定。

1.5 数据处理与统计

数据用SPSS 17.0进行统计和方差分析。

根据收获的成熟期稻米砷含量，与所对应的生长土壤中总砷及有效态砷含量，计算稻米砷的转运系数和富集系数。

稻米中砷的富集系数(BCFAs-T、BCFAs-A)的计算：

BCFAs-T=Crice/Csoil-T；BCFAs-A=Crice/Csoil-A

式中：Crice为糙米砷含量，单位mg/kg；Csoil-T为土壤总砷含量，单位mg/kg；Csoil-A为土壤有效态砷含量，单位mg/kg；

稻米中砷的转运系数(TFAs)的计算：

TFAs=Crice/Cstem

式中：Crice为糙米砷含量，单位mg/kg；Cstem为稻草砷含量，单位mg/kg。

2 结果与分析

2.1 不同年份水稻品种稻米及茎叶的砷含量

测定2019—2021年不同水稻品种稻米及茎叶砷含量结果表明(表3～表5)，水稻稻米及茎叶砷含量均存在显著的品种间和年份间差异。2019—2021年稻米砷含量变异系数分别为16.15%、19.36%、13.43%；砷平均含量分别为0.194±0.031、0.255±0.049、0.296±0.040 mg/kg，2020年和2021年稻米砷平均含量分别比2019年高31.4%(P<0.05)和52.6%(P<0.05)。茎叶砷含量变异系数分别为20.38%、20.98%、24.06%；砷平均含量分别为6.014±1.225、6.988±1.466、6.878±1.655 mg/kg，2020年和2021年的茎叶砷平均含量比2019年分别高16.2%和14.4%，差异不明显。可见，同一年份内不同水稻品种间稻米和茎叶砷含量差异显著，且总体上表现为茎叶砷含量的变异度高于稻米；而不同年份间茎叶砷平均含量差异不明显，且稻米砷平均含量的变化程度高于茎叶。

表3 2019年试验水稻品种砷含量及转运系数和富集系数Table 3 Arsenic content and transport coefficient and enrichment coefficient of experimental rice varieties in 2019

表4 2020年试验水稻品种砷含量及转运系数和富集系数Table 4 Arsenic content and transport coefficient and enrichment coefficient of experimental rice varieties in 2020

表5 2021年试验水稻品种砷含量及转运系数和富集系数Table 5 Arsenic content and transport coefficient and enrichment coefficient of experimental rice varieties in 2021

2.2 不同年份水稻品种的砷转运系数

2019—2021年不同水稻品种砷的转运系数结果(表3～表5)表明，水稻砷转运系数存在显著的品种间和年份间差异。2019—2021年砷转运系数TFAs平均值分别为0.034±0.007、0.039±0.009、0.048±0.011，其变异系数分别为20.87%、22.66%和22.32%；2020年和2021年的砷平均转运系数比2019年分别增加了14.7%和41.2%(P<0.05)，表明砷的转运系数品种间差异较大，也存在显著的年份间差异。

2.3 不同年份水稻品种的砷富集系数

2019—2021年不同水稻品种砷的富集系数结果(表3～表5)表明，水稻砷富集系数BCFAs-T也存在显著的品种间和年份间差异，而富集系数BCFAs-A仅存在显著的品种间差异。2019—2021年砷平均富集系数BCFAs-T分别为0.010±0.002、0.019±0.004、0.022±0.003，2020年和2021年的砷平均富集系数BCFAs-T比2019年分别增加了90.0%(P<0.05)和120.0%(P<0.05)；砷平均富集系数BCFAs-A分别为1.900±0.031、1.906±0.369、1.872±0.251，2019—2021年BCFAs-A的差异皆不明显。

2.4 砷低积累水稻品种筛选

对砷低积累水稻品种进行评价可知，2019—2021年的稻米砷含量评价阈值分别为0.163、0.206、0.256 mg/kg，根据砷含量指标进行筛选，2019年的P5和P14、2020年的P21和P26、2021年的P35和P38为低砷品种；而计算2019—2021年砷富集系数BCFAs-T的评价阈值分别为0.009、0.016、0.019，砷富集系数BCFAs-A的评价阈值分别为1.593、1.537、1.621，根据该指标，筛选出的品种同样为2019年的P5和P14、2020年的P21和P26、2021年的P35和P38为低砷品种。

2019—2021年砷吸收积累特征。以稻米砷含量为评价指标可知，2019—2021年稻米砷平均含量为0.251±0.058 mg/kg，其评价阈值为0.193 mg/kg，低砷品种为P2、P3、P5～P8、P10、P11、P13～P15和P21；以平均富集系数BCFAs-T为评价指标可知，2019—2021年的砷富集系数BCFAs-T为0.017±0.006，其评价阈值为0.011，低砷品种为P1～P3、P5～P8、P10、P11、P13～P15；以平均富集系数BCFAs-A为评价指标可知，2019—2021年的平均砷富集系数BCFAs-A为1.892±0.303，其评价阈值为1.589，低砷品种为P5、P14、P21、P24、P26、P28、P35和P38。

3 讨 论

2019—2021年，本研究在同一地区的三个试验点的土壤氮磷钾、有机质等无显著差异，但pH差异较大，其中崇文街道试点呈弱酸性，后坪街道试点接近中性，而尹家溪镇试点则呈弱碱性。三个不同试点的砷污染特征也略有不同，后坪街道试点土壤总砷含量较高，但有效砷含量较低；崇文街道和尹家溪镇两试点的土壤总砷含量和有效砷含量差异不显著。大量研究也表明，水稻砷吸收积累受环境、基因型及其互作影响明显[15-17]。本研究从群体水平看，2019年稻米砷含量最低，2020年中等，2021年最高，而2019—2021年的秸秆砷含量年份间无显著差异，表明稻米砷含量更容易受环境或气候因子的影响，而茎叶砷含量更多的受基因型的调控；本研究结果还表明，同一品种稻米砷含量在不同年份间差异明显，如深两优5814在2019—2021年的稻米砷含量分别为0.187 mg/kg(P13)、0.246 mg/kg(P27)、0.289 mg/kg(P43)，其他品种也表现出类似的特征，表明稻米砷的积累受环境影响明显。王林友等[18]研究认为，水稻对砷积累的基因型远没有镉铅丰富，筛选到砷低积累水稻品种相对更难；柳赛花等[19]基于GGE双标图和BLUP分析筛选镉砷同步低累积水稻品种的研究表明，稻米砷含量差异主要受环境以及环境与品种互作的影响。可见，水稻对砷的吸收积累除受品种基因型差异的影响外，可能还受环境因子的影响。因此，选择科学合理的评价指标，减少环境因素对评价结果的影响，更有利于客观评价不同水稻品种的砷累积特征。

本研究采用平均值减去一倍标准偏差值作为低砷积累品种筛选评价阈值，是一种较为可靠的方法。本研究中，以稻米砷含量或富集系数(BCFAs-T、BCFAs-A)指标按年度对供试品种进行低砷积累品种筛选，结果分别为P5、P14、P21、P26、P35、P38；但以稻米砷含量为指标对3年的试验品种进行筛选，低砷积累品种为P2、P3、P5～P8、P10、P11、P13～P15和P21，与按年份筛选出的低砷品种差异极大；以富集系数BCFAs-T为指标对3年的供试品种进行筛选，低砷积累品种为P1～P3、P5～P8、P10、P11、P13～P15，与每年筛选出的低砷品种差异也极大；但以富集系数BCFAs-A为指标对3年的供试品种进行筛选，低砷积累品种为P5、P14、P21、P24、P26、P28、P35和P38，包含了按年份筛选出的低砷积累品种。可见，以稻米砷含量和土壤有效态砷计算不同水稻品种的富集系数，可有效降低环境因素引起的误差，更适合作为筛选指标。但由于土壤有效态砷含量的测定方法很多[20]，不同砷提取形态与砷活性及稻米砷积累存在较大差异[21]。因此，基于稻米砷累积与土壤砷活性的关联，科学选择合理的有效态砷提取方法，探明基因型与环境的互作关系，科学精准地建立砷低积累品种筛选鉴定指标及评价方法，可最大程度地降低环境因素对评价结果的影响，指导砷低积累水稻品种的筛选。

此外，本研究中的三个地点皆在张家界市永定区，年度间小气候及土壤环境虽存在一定差异，但未经过不同地区的区域大气候环境差异的验证。因此，下一步还有待通过省内或省级的不同水稻种植生态区进行验证低砷品种筛选评价指标及方法的可靠性和稳定性。

4 结 论

(1)2019—2021年连续三年的砷低积累水稻品种筛选试验结果表明，水稻稻米及茎叶砷含量皆存在显著的品种间和年份间差异；

(2)水稻砷转运系数和富集系数BCFAs-T(稻米砷含量/土壤总砷含量)皆存在显著的品种间和年份间差异，而富集系数BCFAs-A(稻米砷含量/土壤有效态砷含量)仅存在显著的品种间差异；

(3)富集系数BCFAs-A可作为砷低积累水稻品种的筛选指标，能有效减少环境对评价结果的影响；用该筛选指标从供试品种中共筛选出P5、P14、P21、P24、P26、P28、P35和P38共8个砷低积累品种。