不同水稻品种在碱性农田土壤中对镉富集与转运差异研究

杨牧青 和丽萍 杨涛明 曾沛艺 和淑娟 唐嫚 廖迎芸

摘要 以9个玉米品种为试验材料，通过添加小区试验，分析在重金属Cd污染碱性土壤条件下，不同水稻品种产量、籽粒中重金属及各器官间富集转运系数差异。结果表明，不同水稻品种的生物量及产量存在显著差异，楚稻1、锦瑞4和楚粳37产量显著高于其他品种；不同稻品种籽粒、茎叶、根对重金属Cd的累积能力存在显著差异，总体分布规律为根＞茎叶＞籽粒；9个水稻品种籽粒中Cd均符合食品中污染物限量標准，楚稻1、锦瑞4、玉粳17、楚粳37 4个品种显著低积累；不同水稻品种籽粒、茎叶、根转运能力存在显著差异；楚稻1、锦瑞4、楚粳37 3个品种兼具高产及低积累特性，适宜在Cd中、轻度污染农用地安全利用中推广种植；土壤pH碱性条件下，土壤中Cd进入水稻中的含量及在水稻各器官中的富集转运能力明显降低，在保障粮食生产前提下调节Cd污染农田土壤pH是实现农用地安全利用和农产品质量安全的有效措施。

关键词 水稻；积累；转运；筛选；镉

中图分类号 S511  文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2023）14-0075-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.14.019

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

作者简介 杨牧青（1992—），男，云南丽江人，硕士，从事土壤重金属污染修复研究。*通信作者，硕士，从事土壤重金属污染修复研究。

收稿日期 2022-06-16；修回日期 2022-08-25

“万物土中生，有土斯有粮”，土壤是农业最基本的生产资料，是农业发展的基础，是不可再生的自然资源，干净的土壤更是粮食质量安全的重要保障。但是随着工农业的快速发展，大量重金属等污染物通过污灌、大气沉降、过量施用化肥农药等途径进入土壤环境，土壤重金属污染本身具有隐蔽性和滞后性，土壤中重金属等有毒有害物质不断累积，造成生态环境遭到破坏、土壤环境质量退化、食用农产品超标等问题［ 1］。根据全国土壤污染状况调查公报［ 2］，全国16%土壤面积遭污染，其中农用耕地方面，污染面积占比达19.4%，其中Cd超标点位占比7.0%，占比最高，整体形势堪忧。农用地重金属主要累积在耕作层，重金属由于其特有物理性质在土壤环境非常难以被生物降解，所以土壤中重金属从一定程度上为只进不出，不断累积。且其中有效态，即可交换态可以被农作物吸收，在农产品中富集，最终通过食物链进入人体内，重金属累积后对人体的危害相当大，引起人体慢性中毒［ 3］。

云南矿产储量大、矿种多，被誉为“有色金属王国”。采、选矿等活动历史悠久，同时由于当时落后的生产工艺，环保设施不完善，环保管理薄弱等因素，矿区周边及流域下游农用地土壤受到污染，农产品安全生产受到严重威胁。如何有效保障农用地安全生产成为土壤修复的焦点，目前土壤修复技术很多，但是能满足“易推广、成本低、效果好”的农用地修复技术主要为品种替代，同时存在显著植物种内差异，即种植重金属耐性强，低积累品种［ 4-6］。植物吸收和累积重金属不仅存在显著种间差异，同时存在显著种内差异［ 7］，不同品种水稻对镉的吸收累积存在较大差异［ 8］。易春丽等［ 9］在祁阳县通过研究15个水稻品种发现，不同水稻吸收累积重金属As、Cd有显著差异，筛选出Y 两优 9918 和野香优莉丝2个品种可优先在轻度镉砷复合污染土地进行试种。董欣欣等［ 10］在沈阳市20个水稻品种筛选出4个籽粒中Cd均符合食品中污染物限量标准的低积累水稻品种。蒋刚等［ 11］通过25个水稻品种在不同土壤Cd含量条件下发现神9B、192B品种Cd积累量都很低且符合安全标准。很多研究都表明低积累水稻品种的筛选对农用地安全利用有重要意义［ 12-13］，但是由于不同地区水稻品种区域适宜性差异性大［ 14-15］，诸多研究成果难以跨区域有效应用。多数水稻筛选及富集转运研究农田土壤pH为微酸性［ 9-10］，碱性土壤条件中开展的研究很少。因此，该研究借鉴前人研究方法，在碱性农田土壤针对不同水稻品种对镉富集与转运差异进行研究，在筛选Cd低积累的同时，兼顾推广过程中农民最关注的产量因子，加强水稻品种可推广性，旨在筛选出适宜当地Cd低积累、高产水稻品种，助力实现农用地安全利用。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验地块位于云南某矿区农田。土壤基本理化性质为：pH 8.13；水溶性总盐含量0.54 g/kg；有机质含量16.01 g/kg；全磷含量0.50 mg/kg；有效磷含量14.12 mg/kg；全氮含量1.07 g/kg；水解性氮含量68.46 mg/kg；全钾含量20.68 g/kg；速效钾含量80.40 mg/kg；重金属镉含量0.87 mg/kg，是土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（GB 15618—2018）中风险筛选值0.60 mg/kg的1.45倍。

试验所用9个水稻品种为楚粳40、楚粳37、楚粳26、楚稻1、玉粳11、玉粳17、玉粳24、锦瑞4、合系22，依次编号1～9，均为试验区所在地种子站出售及当地主栽品种。

1.2 试验设计

试验区水稻种植习惯为每年3月底小区培育秧苗，4月中旬移栽至大田，均为人工操作。试验于2021年3月进行，在试验地范围内设置9个小区培育秧苗，育苗小区面积为4 m2，长宽比例1∶1，育苗小区面积合计36 m2。水稻移栽种植工作于2021年4月中旬进行，9个水稻品种每个品种3组重复，共计27个小区，小区面积40 m2，长宽比例范围（2～5）∶1，试验区尽量设置为长10 m、宽4 m的长方形状，合计面积约1 080 m2。各试验组采用随机分布，按照当地习惯进行统一栽种及田间管理。

1.3 样品采集与分析

1.3.1 土壤样品采集。水稻栽种前在试验地网格取样布点采集0～20 cm耕作层土壤，风干后样品置于玛瑙球磨机进行研磨，使样品全部通过0.15～0.40 mm的尼龙筛，混合均匀装袋。土壤pH、有机质等理化性质指标按照《土壤农业化学分析方法》规定方法测定，Cd测定采用石墨炉原子吸收分光光度（GFAA）法测定。

1.3.2 水稻生物量、产量测定及样品采集。水稻成熟后，在每个试验小区内选择3个1 m2水稻长势较为均匀的区域为1个单元，单元区块避免与相邻实验小区保持适当距离，避免边界影响。在单元区长势均匀的区域各采集约10株完整水稻，先切下根部后对其余地上部分进行称重取平均值，然后计算水稻实际单位面积的生物量（地上部分质量）。现场脱离装袋称重取平均值，计算水稻实际单位面积产量。最后分别采集水稻籽粒、茎叶和根的混合样品。带回实验室65 ℃辅热烘干，烘干后样品置于玛瑙球磨机进行研磨，使样品全部通过0.25～0.40 mm的尼龙筛，混合均匀装袋。水稻样品采用混合酸HNO3∶HClO4（4∶1）消解制备成待测液，Cd测定采用石墨炉原子吸收分光光度（GFAA）法测定。

1.4 数据分析 数据及图表采用Microsoft Excel 2019和SPSS19.0统计软件进行制作及分析。

水稻Cd富集系数（BCF）和转运系数（TF）计算方法［ 7，16-17］如下：

富集系数（BCF）=地上部分重金属含量/土壤中对应重金属元素含量

籽粒转运系数（TF）=籽粒中重金属含量/根中对应重金属元素含量

茎叶转运系数（TF）=茎叶中重金属含量/根中对应重金属元素含量

籽粒与茎叶转运系数（TF）=籽粒中重金属含量/茎叶中对应重金属元素含量

2 结果与分析

2.1 水稻生物量及产量差异性分析

在Cd污染试验地种植9个水稻品种生物量和产量存在显著差异（P＜0.05）。由表1可知，9个水稻品种平均生物量为22 506.34 kg/hm2，生物量最高的为4号品种楚稻1，为31 579.67 kg/hm2;其次为8号锦瑞4和2号楚粳37，分别为29 243.93和28 812.37 kg/hm2，两者间差异不显著；最低的1号品种楚粳40，为14 945.10 kg/hm2，楚稻1生物量为楚粳40的2.11倍。

水稻产量区间4 861.77～12 204.20  kg/hm2，平均产量为8 350.34  kg/hm2，变异系数为0.271 8。产量前3分别为4号品种楚稻1、8号锦瑞4和2号楚粳37，产量分别为12 204.20、11 176.37和10 095.03 kg/hm2；产量最小的1号品种楚粳40为4 861.77 kg/hm2，楚稻1产量为楚粳40的2.51倍。

2.2 水稻根、茎叶、籽粒中Cd含量差异性分析

在Cd污染试验地种植9个水稻各部位Cd含量存在显著差异（P＜0.05）。由表2可知，Cd在水稻器官中总体分布规律为根＞茎叶＞籽粒。根中Cd含量区间为0.125 0～0.685 7 mg/kg，平均值为0.451 1 mg/kg。茎叶中Cd含量区间为0.093 0～0.705 0 mg/kg，平均值为0.354 1 mg/kg，试验区水稻茎叶中Cd含量均满足《国家饲料卫生标准》（GB 13078—2017 ）中植物性饲料原料中重金属Cd限量值1 mg/kg。籽粒中Cd含量区间为0.018 7～0.159 7 mg/kg，平均值为0.085 4 mg/kg，试验区水稻籽粒中Cd含量均满足农产品质量安全标准《食品安全国家标准 食品中污染物限量》（GB 2762—2017 ）中稻谷中重金属Cd限量值0.2 mg/kg。

2.3 水稻籽粒中Cd含量聚类分析

为能有效识别分类试验区9个水稻品种籽粒中Cd含量，聚类分析发现可分为4类。第一类为品种1、7、9，Cd平均含量为0.143 1 mg/kg，Cd含量远高于其他品种，累积性较强。第二类为品种3和5，Cd平均含量为0.088 7 mg/kg。第三类为品种2、4和6，Cd平均含量为0.047 7 mg/kg。第四类为品种8，Cd平均含量为0.018 7 mg/kg。

2.4 水稻Cd累积和转运差异性分析

通过富集系数可以发现，在Cd污染试验地种植9个水稻对Cd富集能力存在显著差异（P＜0.05）。由表3可知，总体来看，水稻茎叶Cd富集系数大于籽粒Cd富集系数，BCF茎叶＞BCF籽粒，平均值分别为0.407 0和0.098 1，水稻茎叶Cd富集系数是籽粒Cd富集系数的约4.15倍。9个水稻品种茎叶中Cd富集系数区间为0.106 9～0.810 4，平均值为0.407 0，品种间富集性差异显著。籽粒中Cd富集系数区间为0.021 5～0.183 6，平均值为0.098 1，品种间富集性差异显著。

通过转运系数可以发现在Cd污染试验地种植9个水稻对Cd转运能力存在显著差异（P＜0.05）。水稻茎叶中Cd转运至籽粒的转运系数为0.118 8～0.287 7，平均值为0.185 0。水稻根中Cd转运至籽粒的转运系数为0.103 4～0.250 3，平均值为0.161 0。水稻根中Cd转运至茎叶的转运系数为0.501 0～1.123 2，平均值为0.760 8。转移规律为TF茎叶/根＞TF籽粒/茎叶＞TF籽粒/根，从根转运至茎叶的能力强于其他转运环节。

3 讨论

该研究中9个水稻品种间生物量、产量差异显著，生物量最大值是最小值的2.11倍，变异系数为0.251 8；产量最大值是最小值的2.51倍，变异系数为0.271 8。差异大的原因主要在于水稻本身的遗传差异，以及不同基因型水稻对镉胁迫的耐性和生长环境适应性差异［ 18-21］。籽粒中Cd含量區间为0.018 7～0.159 7 mg/kg，平均值为0.085 4 mg/kg，均满足农产品质量安全标准《食品安全国家标准 食品中污染物限量》（GB 2762—2017 ）中稻谷中重金属Cd限量值为0.2 mg/kg的标准，根据籽粒中Cd含量聚类分析结果，品种2、4、6、8具有相对低积累的特性，综合水稻产量及Cd在籽粒中含量发现（图2），2号楚粳37、4号楚稻1、8号锦瑞4在9个试验品种中兼具高产及低积累特性，适宜在中、轻度Cd污染农用地安全利用中推广种植。

试验水稻器官中Cd总体分布规律为根＞茎叶＞籽粒，富集规律为BCF茎叶＞BCF籽粒，转运规律为TF茎叶/根＞TF籽粒/茎叶＞TF籽粒/根，与前人研究结果基本一致，水稻不同部位Cd分布及转运存在显著差异［ 22］。王灿等［ 23］在贵州喀斯特地区Cd污染农田的研究发现，水稻各部位对 Cd 的富集能力从大到小依次为茎节＞根＞茎＞穗轴＞枝梗＞叶＞糙米＞稻壳；张标金等［ 18］研究发现，在水稻整个生育期中，2个供试水稻中Cd含量都是根＞茎＞叶。该研究中，9个品种水稻间的籽粒、茎叶、根中Cd含量差异显著，变异系数分别为0.563 6、0.542 1、0.398 7。根中Cd含量区间为0.125 0～0.685 7 mg/kg，平均值为0.451 1 mg/kg；茎叶中Cd含量区间为0.093 0～0.705 0 mg/kg，平均值为0.354 1 mg/kg；籽粒中Cd含量区间为0.018 7～0.159 7 mg/kg，平均值为0.085 4 mg/kg。与易春丽等［ 9］和董欣欣等［ 10］研究相比，土壤中Cd进入水稻中的含量显著偏低。以易春丽等［ 9］在祁阳县的研究为例，供试土壤Cd含量为0.62，pH 5.33，为酸性土壤，15个参试水稻品种稻米镉含量平均值为0.58 mg/kg，茎叶镉平均含量为 2.68 mg/kg。该研究土壤中水溶性总盐含量为0.54 g/kg，pH 8.13，为碱性土壤，Cd含量为0.87 mg/kg。对比发现，在土壤pH碱性条件下，土壤Cd含量接近时，土壤中Cd进入水稻的含量及在各器官中的富集轉运能力差异较大，土壤中Cd有效进入水稻中的量显著偏低，这与pH不同有较大关系。土壤 pH 作为影响镉形态的重要因素之一，不同pH条件下镉的形态含量占比不同，导致其生物有效性、迁移性及毒性发生变化，尤其在土壤-作物体系中，直接影响着镉的迁移转化能力［ 24-25］。侯青叶等［ 26］在研究成都平原水稻土镉形态分布及影响因素时发现，水溶态镉和离子交换态镉随着 pH 的增大含量显著降低，但碳酸盐结合态镉的含量却明显增加，说明随着土壤pH的增大，活动态镉的含量下降，在土壤-水稻体系中的迁移能力降低。陈楠等［ 27］在研究土壤 pH 对镉形态及稻米镉积累的影响时发现，随着土壤 pH 的升高，土壤可交换态镉含量降低，可还原态镉和残渣态镉含量升高。高 pH（pH>6）条件下，土壤中的镉会通过络合、螯合及沉淀等作用以难溶态的氢氧化物、碳酸盐及磷酸盐的形式存在，溶解度较小，土壤溶液中活性 Cd2+浓度也较低，导致镉的生物有效性下降［ 28］。对比发现，土壤pH碱性条件下，土壤中Cd进入水稻中含量及在水稻各器官中的富集转运能力明显降低，在保障粮食生产前提下调节Cd污染农田土壤pH是实现农用地安全利用和农产品质量安全的有效措施。

4 结论

（1）不同水稻品种的生物量及产量存在显著差异，楚稻1、锦瑞4和楚粳37产量显著高于其他品种。

（2）不同稻品种籽粒、茎叶、根对重金属Cd的累积能力存在显著差异，总体分布规律为根＞茎叶＞籽粒。9个水稻品种籽粒中Cd均符合食品中污染物限量标准，楚稻1、锦瑞4、玉粳17、楚粳37 4个品种显著低积累。

（3）不同水稻品种籽粒、茎叶、根转运能力存在显著差异，富集规律为BCF茎叶＞BCF籽粒，转运规律为TF茎叶/根＞TF籽粒/茎叶＞TF籽粒/根。

（4）楚稻1、锦瑞4、楚粳37 3个品种兼具高产及低积累特性，适宜在Cd中、轻度污染农用地安全利用中推广种植。

（5）土壤pH碱性条件下，土壤中Cd进入水稻中的含量及在水稻各器官中的富集转运能力明显降低，在保障粮食生产前提下调节Cd污染农田土壤pH是实现农用地安全利用和农产品质量安全的有效措施。

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