主要气象因子对水稻产量与糙米重金属含量的影响

尹新芳，尹鑫军，王鑫澳，孙文星，高叶敏，敖和军

(湖南农业大学农学院,湖南 长沙 410128)

随着我国工业的快速发展,环境污染问题也越发严峻,严重影响作物生产。其中,重金属污染是威胁粮食安全的重要因素之一。水稻作为我国的主要粮食作物之一,在其生产过程中也易受重金属的毒害,最常见的重金属污染主要是镉、砷、汞、铅、铬[1]。2014 年全国土壤污染调查公报显示,我国的无机污染物镉、汞、砷、铅、铬5 种重金属元素的超标率分别为7.0%、1.6%、2.7%、1.5%、1.1%[2]。重金属胁迫会抑制植株的正常生长,进而影响产量和品质的形成[3]。土壤中的重金属具有富集性、不可逆性等特点,难以转化、代谢或消除。当人类通过食物链摄入被重金属污染的食物时,也会造成人体内重金属的积累[4],过量的摄入则会对人体的免疫、肾脏、神经、消化、呼吸等系统造成严重损害,甚至产生致癌效应[5-6]。近年来,众多学者通过植物修复[7]、目标品种的选育[8]、施入改良剂以改变重金属的赋存形态和降低其生物有效性[9-10]等方法来减少植株重金属积累。上述方法均能不同程度地降低植物对重金属的吸收,但重金属的活性受外部条件的影响,如温度变化会影响重金属的吸附量和吸附速率、改变土壤的理化性质和土壤微生物活性,从而间接提高重金属的生物有效性[11]。研究[12-14]表明,增温处理能降低土壤pH 值,增加水稻对镉的吸收转运及分配,进而增加糙米中的镉含量,也会增加土壤中砷的生物有效性,促进糙米对砷的吸收。持续淹水可显著降低土壤Cd 的有效性和根表胶膜的含量,从而降低镉向植株体内的转运[15]。以上结果均表明,外界因素不仅对土壤中重金属活性具有一定影响,并且对重金属元素在植株体内的吸收转运也产生影响。相关研究[16-19]也表明,气象因子对水稻的生长发育及产量和品质的形成都有直接或间接影响。本试验分析积温、日照时数、降水量对糙米重金属吸收的影响,以期为水稻重金属污染防控提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2020—2021 年在慈利县通津铺镇陈坪村谷丰组进行。试验地位于东经110°27′～111°20′,北纬29°04′～29°41′,年平均气温16.8 ℃,年活动积温5 200 ℃,年平均日照1 562.7 h,属中热带季风湿润气候。供试土壤基本理化性质见表1,土壤pH 为5.95,属酸性土壤,有机质含量与阳离子交换量均处于中等水平,全镉含量为0.63 mg/kg。根据《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB15618-201),只有镉含量超标,其余金属元素均未超标。

表1 供试土壤理化性质Table 1 Physical and chemical properties of the tested soil

1.2 试验设计

供试材料均采用当地一季稻主栽品种,分别为深两优5814、C 两优651、C 两优87、兆优5455、谷优明占、隆两优华占6 个品种。依据当地种植习惯,水稻秧苗采用常规软盘水育秧,播种和移栽时间及生育期见表2。采用随机区组设计,3 次重复,小区面积13.3 m2,四周设不少于5 行的保护行,移栽密度为20 cm×26.7 cm,施肥水平与水分管理同当地生产水平。不施用植物生长调节剂,全生育期严格注意病虫害防治。

1.3 测定项目与方法

土壤重金属元素含量:在移栽水稻前,按5 点采样法采集土壤样品,参照《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB15618-201)进行镉、砷、铅、铬、汞含量的测定。

水稻产量:在成熟期将水稻全部收获、脱粒,将谷子晒干后测定含水量,折算含水率为13.5%的单位面积产量。

糙米重金属元素含量:采用石墨炉原子吸收光谱法(GB/T 5009.15—2014、GB 5009.123—2014、GB 5009.12—2017)测定糙米Cd、Cr、Pb 含量；采用液相色谱—原子荧光光谱法(GB 5009.11—2014)测定砷(无机砷)含量,采用原子荧光光谱分析法(GB 500917—2014)测定汞含量。

气象数据:积温、日照时数和降水量数据采集自当地气象站。

1.4 数据处理

采用Excel 2016 进行数据整理、计算和作图；采用SPSS 17.0 进行数据统计分析；采用LSD 法在0.05 水平下进行方差分析。所有数据均表示为平均值±标准误。

2 结果分析

2.1 两年间气象因子差异

对试验地2020 年和2021 年水稻全生育期的积温、降水量和日照时数进行统计和比较,结果见图1。在水稻全生育期,2021 年积温比2020 年多508～533 ℃,2021 年日照时数比2020 年多145～183 h,2020 年降水量比2021 年多1 046～1 067 mm。两年间气象因素变化相差很大,降水量尤为突出,2020年比2021 年高3.6～3.7 倍。据湖南省气象局发布的气候公报,2020 年9 月2 日至2020 年10 月9 日湖南省出现长期低温阴雨寡照天气,期间全省降水量较常年同期增加158.75%,平均气温为20.9 ℃,较常年同期偏低1.9 ℃,累计日照时数49.0 h,为1961 年以来最少。

图1 两年间主要气象因子变化情况Fig.1 Changes of meteorological factors in two years

2.2 两年间水稻产量差异

由表3 可知,同一品种在两年间的产量差异显著,深两优5814、C 两优651、C 两优87、兆优5455、谷优明占、隆两优华占2021 年的产量分别比2020年增长35.04%、8.48%、20.49%、52.44%、31.59%、23.22%。同一年份不同品种间产量亦差异显著。

表3 两年间水稻产量差异Table 3 Differences in rice yield between two years kg·hm-2

2.3 两年间糙米重金属含量差异

由表4 可知,糙米中金属镉的含量在不同年份间差异显著,2020 年各品种糙米镉含量为0.020～0.026 mg/kg,平均镉含量仅为0.023 mg/kg,且品种间差异不显著。2021 年各品种糙米镉含量较高,为0.324～0.836 mg/kg,平均镉含量为0.642 mg/kg,C两优87 和兆优5455 镉含量显著高于其他品种；同一品种在不同年份间镉含量差异显著,2021 年深两优5814、C 两优651、C 两优87、兆优5455、谷优明占和隆两优华占糙米镉含量分别为2020 年的25.3、25.4、34.8、30.0、26.2、14.7 倍。砷含量亦是如此,2020 年平均砷含量为0.106 mg/kg,而2021 年超过国家食品安全标准,达0.447～0.220 mg/kg,分别为2020 年的3.9、3.7、2.5、3.3、2.3、3.6 倍,且同一品种在不同年份间砷含量具有显著差异。金属铅在不同年份间差异显著,在不同品种间无显著差异。汞和铬在不同品种间和年份间均有差异,但金属铅、汞和铬均未超过国家食品安全,并且含量甚微。以上结果表明,同一品种在不同年份对不同重金属的吸收积累存在差异,并且不同品种的重金属含量也存在差异,说明重金属含量积累与品种基因型的差异和外界环境条件密切相关。

表4 不同年份糙米重金属含量差异Table 4 Differences of metal content in rice in different years mg·kg-1

2.4 气象因子与产量的相关性分析

由表5 可知,积温和日照时数与产量呈极显著正相关(P＜0.01),降水量与产量呈极显著负相关(P＜0.01)。2021 年各品种产量为8 328.0～7 294.5 kg/hm2,平均产量为7 740.4 kg/hm2,而2020 年平均产量仅为6 066.6 kg/hm2,主要是因为2020 年出现极端低温阴雨天气,影响水稻各生育期的正常生长发育,使水稻开花受精受阻,导致结实率降低,同时影响水稻灌浆速率,导致光合产物积累不足,产量下降。因此,气象因子对水稻产量具有明显影响。

2.5 重金属镉、砷含量与产量相关性分析

在所检测的重金属中,镉和砷含量在年份间变化幅度较大,且2021 年糙米中的两种金属含量均超过国家食品安全规定。值得一提的是,在2020 年水稻产量低时,糙米中镉、砷含量均未超过国家食品安全规定,但在2021 年产量较高时,镉、砷含量均超过0.2 mg/kg,并且2021 年镉含量是2020 年的14.70～34.80 倍,砷含量是2020 年的2.04～3.90 倍,而水稻产量与两者含量呈正相关,决定系数分别为0.833 7、0.554 3。

图2 镉含量与产量相关性Fig.2 Correlation between cadmium content and yield

图3 砷含量与产量相关性Fig.3 Correlation between cadmium content and yield

2.6 气象因素与糙米重金属含量的相关性分析

由表6 可知,积温与重金属镉、砷、铅、汞含量呈极显著正相关(P＜0.01),与铬含量呈极显著负相关(P＜0.01)。日照时数与镉、砷、铅、汞的含量呈极显著正相关(P＜0.01),与铬含量呈极显著负相关(P＜0.01)。降水量与镉、砷、铅、汞的含量呈极显著负相关(P＜0.01),与铬含量呈极显著正相关(P＜0.01)。金属镉含量与砷、铅和汞含量之间呈极显著正相关,相关系数分别为0.758、0.884、0.886,金属镉含量与铬含量呈极显著负相关,相关系数为-0.831。砷含量与镉、铅和汞含量之间具有极显著正相关,砷含量与铬含量呈极显著负相关(P＜0.01)。

表6 气象因素与各重金属含量之间的相关性Table 6 Correlation between meteorological factors and metal content

3 讨论

在本研究中,不同品种糙米的重金属含量有显著差异,不同年份间糙米镉含量亦差异显著。韩娟英等[20]认为,有基因型差异的水稻品种,即使在相同种植条件下,其对重金属的吸收和转运机制也不同,从而导致其糙米中重金属的含量具有显著差异。程旺大等[21]研究表明,基因型与环境互作对水稻籽粒中重金属含量具有显著影响。冯爱煊等[22]研究表明,不同品种水稻籽粒Cd、As、Pb 和Cr 含量相差数倍,同一品种对不同重金属积累也存在显著差异。这些结论均与本文研究结果一致。

温度和降水量直接影响水稻产量构成因素,日照时数的多少与光合作用同化干物质具有明显关系,三者共同决定水稻产量[23-24]。2020 年低温、阴雨等恶劣环境条件下,积温和日照时数较往年大幅度降低,而降水量偏高,因此水稻产量下降。

本研究发现,水稻产量与镉和砷的含量呈正相关关系,决定系数分别为0.833 7 和0.554 3。镉在水稻体内的转运、积累和分配与砷的运输途径类似,都经过木质部运输和韧皮部装载[25-26]。喻华等[27]研究表明,水稻籽粒中的镉主要来源于根系吸收和叶片再分配,后随着光合同化产物运输到籽粒。Wang 等[28]研究表明,水稻生育期砷含量变化呈动态分布,叶片中的砷浓度高于茎,且通过光合作用运输到籽粒。在低温阴雨条件下,水稻开花结实受阻,灌浆不充分,籽粒中分配的同化产物减少,重金属没有通过搭便车的形式运输到籽粒,故糙米中的重金属含量降低。此外,水稻对重金属的吸收除受本身特性影响外,还受土壤中重金属的种类及形态影响[29]。

本研究中,2020 年糙米中的镉、砷、汞、铅、铬5种重金属含量均未超过国家食品安全标准,2021 年糙米中的砷和镉含量超出国家食品安全标准,其余3 种均未超标。分析表明,重金属镉和砷的含量与水稻全生育期积温和日照时数呈极显著正相关,与降水量呈极显著负相关。2020 年水稻全生育期降水量达到1 400 mm,并在9 月2 日至10 月9 日出现长时间的低温阴雨天气,在淹水条件下,镉处于还原状态,生物有效性降低,减少了水稻对镉的吸收[30]。而砷则具有与镉相反的化学性质。Xu 等[31]研究表明,水稻在有氧条件下种植会显著降低砷从土壤到谷物的转移。Xu 等[31]研究表明,温度升高会促进砷在土壤中的生物有效性,导致糙米中砷含量增加,蒸腾作用加强亦可增加砷在植株体内的转运。Farhat等[32]也发现温度升高会促进水稻对砷的吸收。王金贵等[33]研究发现,温度升高提高了土壤对镉的吸附量,增加了金属离子的交换量。也有研究[34]表明,气温升高抑制了根表铁膜的形成,间接促进了镉从土壤溶液向根部维管柱的转运,并可通过提高叶片蒸腾速率增加镉从根部到地上部转移的比例,进而导致糙米中镉含量的提高。

4 结论

在本试验条件下,积温、日照时数对糙米重金属镉、砷的吸收和水稻产量具有促进作用；降水量则对糙米镉的吸收和水稻产量具有抑制作用,而对糙米砷的吸收具有促进作用。