贵州青黄泥田重金属元素低积累水稻品种筛选

张容慧 张秀锦 柴冠群 范成五 何腾兵 秦松

（1 贵州大学 农学院，贵阳 550025；2 贵州大学 新农村发展研究院，贵阳 550025；3 贵州民族大学，贵阳 550025；4 贵州省农业科学院土壤与肥料研究所，贵阳 550025；第一作者：1490169159@qq.com；*通信作者：2480406180@qq.com）

近年来，国内耕地土壤重金属污染问题日益突出。据统计，全国土壤点位总超标率为16.1%，耕地土壤点位超标率达19.4%，以中轻度污染为主[1]。水稻是我国主要的粮食作物，作为重金属高累积型大宗谷物类作物，可通过自身的富集和转运作用将重金属累积于籽粒，影响食品安全与人体健康[2]。贵州耕地资源紧缺，且自然地质背景值较高，在重金属复合污染耕地上种植水稻会增加其污染风险。因此，如何控制与修复稻田重金属污染、保障中轻度重金属污染地区水稻的安全生产已成为当前亟待解决的问题。在众多的修复技术中，物理化学修复效果较好，但成本高、易二次污染、工程量大[3]。植物修复周期较长，将贵州大面积中轻度污染的农田（青黄泥田面积约0.61 万hm2）停止农作，进行长期修复也不现实[4]。培育和筛选重金属低累积水稻品种，可避免修复周期与作物耕种需求相冲突，是一条解决稻米重金属超标、保障人体健康的有效途径。

近年来，国内外对水稻重金属低累积品种筛选研究从单一重金属污染向多元素复合污染发生转变。邹艳虹等[5]在滇南矿区周边重金属复合污染稻田进行2～3 年的大田试验，证明不同基因型稻米中砷（As）、铅（Pb）和镉（Cd）含量差异极显著。冯莲莲等[6]在典型Cd和Pb 复合污染农田对7 个水稻品种开展品种筛选试验，7 个品种籽粒Cd 和Pb（除台粳8 号外）含量均未超标，东联5 号含量最低。单天宇等[7]以4 个低Cd 累积水稻品种和2 个当地主栽品种为研究对象，探索Cd 、As复合污染稻田下不同水稻品种对Cd、As 的吸收和累积特征，结果表明，品种间对Cd、As 的富集能力和各部位的转运能力存在差异，其中低Cd 吸收品种体内Cd 从颖壳向籽粒的转运能力较低，主栽品种马坝油粘籽粒Cd 含量显著高于低累积品种。林小兵等[8]对比分析了129 个水稻品种对Cd、Pb、Cr（铬）、As 和Hg（汞）累积的影响，发现早、中、晚稻均为三系杂交稻Cd 含量高于两系杂交稻，三系杂交早稻糙米Cr 和总Hg 含量显著高于两系杂交早稻，中稻糙米Cd 含量与Pb 和总Hg 含量间呈显著正相关。结果表明水稻对重金属的吸收累积受遗传背景、品种类型和重金属互作的影响较大。冯爱煊等[9]在重金属复合污染区对重庆市13 个主推水稻品种开展筛选试验，结果表明，不同水稻品种籽粒Cd、As、Pb 和Cr 含量极值相差分别超过3 倍、4 倍、20 倍和3 倍，通过籽粒重金属含量区分为低累积值类、中间值类和高累积值类，其中隆两优534、Y 两优1 号、袁两优908 和渝香203 为重庆地区适宜种植的低累积品种。潘荣庆[10]和李虎等[4]经多年研究验证发现，品种桂育12和裕丰优158 种植在中低度重金属污染稻田，其籽粒Cd 和As 含量不超标，籽粒低累积性状较稳定，可在广西推广。现有的重金属复合污染稻田低累积水稻品种筛选的研究多涵盖数个稻区，而不同的水稻品种具有不同的生态适应性，不同生态区土壤重金属复合污染及转化特性不同，导致不同的低累积水稻品种的应用通常具有很强的区域性[11-12]。目前，适宜贵州中部地区重金属复合污染稻田，尤其是青黄泥田（潜育型水稻土）种植的低累积水稻品种鲜见报道。

本研究以贵州中部地区近年10 个主栽水稻品种为试验材料，在中轻度重金属复合污染农田土壤上开展田间原位小区试验，分析不同水稻品种对不同重金属的吸收累积能力差异，以期筛选出适宜该地区青黄泥田种植的重金属低累积品种，为贵州省水稻安全生产提供品种选择。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2021 年开展。试验地点位于贵州中部地区，地理位置东经106°30′、北纬26°55′，海拔1 259 m。该地区属北亚热带季风湿润气候，夏无酷暑，冬无严寒，雨量充沛，雨日多，日照少，山区气候特色明显。供试土壤类型为青黄泥田，属于潜育型水稻土，基本理化性质如下：pH 5.73，有机质122.20 g/kg，总氮0.46 g/kg，总磷0.60 g/kg，碱解氮246.70 mg/kg，有效磷15.00 mg/kg，速效钾82.00 mg/kg，土壤肥力较高。

供试土壤Cd、Cr、Pb、Ni、Cu 和Zn 含量见表1，以GB 15618—2018《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》土壤风险筛选值为标准，Cd、Cr、Pb、Ni、Cu 和Zn 的污染指数依次为1.53、1.32、0.37、1.44、3.92 和1.10，除Pb 外，其他5 种重金属元素含量均超过GB 15618—2018 土壤风险筛选值和贵州土壤背景值[13]，说明区域内稻田土壤存在重金属复合污染。

表1 供试土壤重金属含量（单位：mg/kg）

1.2 供试材料

供试水稻品种为贵州中部地区近年推广的主栽品种，分别为乐优891、中优295、宜香优800、蓉3 优918、秀香优8 号、丽香优5 号、野香优莉丝、中优808、野香优2988 和花香优357，种子由当地农业农村局提供。

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计

田间小区试验，1 个品种即为1 个处理，每个处理3 次重复，10 个品种采用随机区组排列，每个品种种植面积15 m2，共设置30 个小区，种植密度为15.15 万丛/hm2。4 月10 日育苗，秧龄52 d，6 月2 日移栽，9 月24 日收获。田间管理措施与往常保持一致。

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1.3.2 样品采集与处理

水稻样品：成熟期，每个小区按梅花形取样法取5株水稻及对应土壤样品，按同一小区组成混合样，装入尼龙网袋，带回实验室测量农艺性状，再用自来水洗净后纯水冲洗3 遍，置于烘箱105 ℃杀青2 h，80 ℃烘干至恒质量，后进行脱粒、称重，使用不锈钢植物粉碎机粉碎，过0.25 mm 筛后装入聚乙烯自封袋备用。

土壤样品：水稻成熟期，协同采集水稻根区土壤样品30 个，室内自然风干，剔除植株残根等，用木锤磨碎，玛瑙研钵研磨分别过1.65 mm 和0.15 mm 尼龙筛，置于聚乙烯自封袋密封保存。

1.3.3 测定方法

pH、有机质、总氮、总磷、速效钾、有效磷、碱解氮等土壤基本理化性质测定参照《土壤农化分析》[14]。水稻各部位样品采用HNO3+HClO4（4∶1）混酸湿法消解，土壤样品采用HNO3+HF+HClO4（3∶1∶1）高压密闭法消解[15]，消解液均用ICP-MS（X2，赛默飞）测定。土壤重金属有效态含量参照HJ804—2016《土壤8 种有效态元素的测定》，用DTPA-CaCl2-TEA 缓冲液浸提，浸提液采用ICP-OES（X2，赛默飞）测定。土壤、植物样品分别采用空白、平行双样以及国家标准物质GBW10012（GSB-3、GSS-5）进行质控，保证回收率在95%以上。

1.4 数据处理与统计分析

数据采用Excel 2019 计算整理；使用SPSS 24.0 进行单因素方差分析（One-way ANVOA）与聚类分析，应用Origin 2021 绘图。

1.4.1 富集系数

为表征不同水稻品种糙米中重金属吸收与累积的差异，计算了不同水稻品种对土壤Cd、Cr、Pb、Ni、Cu 和Zn 全量与有效态的富集系数，公式如下：水稻糙米对土壤重金属全量的富集系数=糙米重金属含量/土壤重金属全量含量；水稻糙米对土壤重金属有效态的富集系数=糙米重金属含量/土壤重金属有效态含量。

1.4.2 重金属污染程度评价方法

为表征不同水稻品种对重金属的累积能力，参照土壤污染评价法，引入内罗梅综合污染指数法对糙米重金属累积进行表征[15]，公式如下：Pi=Ci/Si；PZ=[(Pimax2+Piave2)/2]1/2。式中，Pi是单一重金属污染指数；Ci是样品中重金属i 的实测值（mg/kg）；Si是食品污染i 的安全限值（mg/kg），谷物糙米中Cd、Cr、Pb 和Ni 安全限量值分别为0.2、1.0、0.2 和1.0 mg/kg（GB2762—2017），Pz是稻米重金属综合污染指数；Pimax是最大单项污染指数；Piave是平均单项污染指数。参照内梅罗风险指数对糙米受重金属污染情况进行等级划分，划分结果如表2 所示。

表2 水稻糙米受污染评价等级

2 结果与分析

2.1 不同水稻品种产量与构成分析

由表3 可见，10 个水稻品种的株高、分蘖数、穗数、有效穗数、穗粒数、千粒重和产量等经济性状差异显著。10 个供试水稻品种产量在8 242.8～13 434.0 kg/hm2之间，平均产量10 843.8 kg/hm2，极差相差较大，为47.9%。不同水稻品种产量大小表现为蓉3 优918＞野香优2988＞乐优891＞中优295＞秀香优8 号＞宜香优800＞中优808＞6＞花香优357＞野香优莉丝。

表3 主要水稻品种产量与构成

2.2 土壤pH、重金属全量及有效态含量分析

如表4 所示，不同水稻品种根区土壤pH 变幅为4.75～5.07，差异显著；土壤中Pb 和Ni 含量差异不显著，pH、Cd、Cr、Cu 和Zn 含量差异显著。试验地不同水稻品种根区土壤Cd、Cr、Pb、Ni、Cu 和Zn 含量平均值分别为0.36、171.16、31.55、93.68、174.24 和196.03 mg/kg，各品种小区间平均重金属含量差异显著，且同一品种小区间重金属含量亦存在一定的田间异质性。对比GB 15618—2018《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》风险筛选值和管制值发现，土壤中Zn 和Pb 含量未超过风险筛选值，Cd、Cr、Ni 和Cu 含量均值分别是土壤污染风险筛选值的1.20、1.14、1.34 和3.48 倍，是贵州土壤背景值[13]的1.45、1.90、5.44 和2.34倍。由表5 可知，试验地不同水稻品种根区除Ni 以外，其他重金属元素有效态含量差异均显著，Cr、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb 的有效态平均提取率分别为23.51%、0.05%、3.96%、1.75%、6.43%和1.01%，其中Cd 的生物有效性远高于其他重金属元素。

表4 不同水稻品种根区土壤pH、重金属全量含量

表5 不同水稻品种根区土壤土壤重金属有效态含量（单位：mg/kg）

2.3 糙米重金属富集特征

2.3.1 糙米重金属累积总体特征

由图1 可见，糙米重金属Cd、Cr、Pb、Ni、Cu 和Zn含量在不同水稻品种间均呈显著性差异，Cd、Cr、Pb、Ni、Cu 和Zn 含量变幅分别为0.008 ～0.042、1.114 ～4.300、0.043～0.481、0.372～2.136、0.781～3.110 和7.260～34.998 mg/kg，Cd、Pb、Ni 含量最低的品种均为宜香优800，Cr 和Zn 含量最低的品种均为野香优莉丝，Cu 含量最低的品种为秀香优8 号；Cd、Cr、Pb 和Zn 含量最高的品种均为中优808，Ni 含量最高的品种为乐优891，Cu 含量最高的品种为野香优2988。参照GB 2762—2017《食品安全国家标准食品中污染物限量》中重金属限值，对于Cd，10 个受试水稻品种均未超标；对于Cr，10 种水稻品种均超标；对于Ni，野香优莉丝、乐优891 超标；对于Pb，乐优891、野香优莉丝、中优808、野香优29888 和花香优357 超标。结果表明，糙米对重金属的累积能力受品种与重金属元素的影响，且同一品种对不同重金属元素的累积存在显著差异。

图1 供试水稻品种糙米重金属累积量

2.3.2 糙米重金属综合累积特征

如表6 所示，糙米受单项重金属污染程度大小表现为Pi（Cr）＞Pi（Pb）＞Pi（Ni）＞Pi（Cd），其中，Cr 含量超标最严重，其单项污染指数处于中度污染至重度污染水平；部分水稻品种糙米中的Ni 和Pb 含量略高于食品安全限值，其单项污染指数处于轻度污染至中度污染水平。引入综合累积污染指数PZ，对不同水稻品种糙米重金属综合累积能力进行评价，结果表明，除了宜香优800 品种PZ小于1，其他9 个品种PZ均大于1，仅有宜香优800 和野香优莉丝接近或处于轻微污染水平；乐优891、中优295、蓉3 优918、野香优2988、花香优357、丽香优5 号等7 个品种处于中度污染水平；中优808 处于重度污染水平。

表6 不同水稻糙米重金属污染程度评价结果

2.3.3 不同水稻品种糙米重金属累积能力

根据10 个水稻品种糙米中的Cd、Cr、Pb、Ni、Cu 和Zn 含量，采用聚类分析并结合统计差异性检验结果，可将参试品种分成三类（图2）：较低值类（第Ⅰ类）、中间值类（第Ⅱ类）和较高值类（第Ⅲ类）。乐优891、野香优莉丝、宜香优800、秀香优8 号、花香优357、中优295、野香优2988、蓉3 优918 和丽香优5 号等9 个品种Cd 含量明显较低，属第Ⅰ类，可作为Cd 低积累推荐品种。宜香优800 和野香优莉丝Cr 含量较低，属第Ⅰ类，可作为Cr 低积累水稻品种。丽香优5 号、蓉3 优918、中优295、宜香优800 和秀香优8 号等5 个品种Pb 含量较低，属第Ⅰ类，可作为Pb 低积累推荐品种。中优808、宜香优800、中优295、秀香优8 号、花香优357、野香优2988、蓉3 优918 和丽香优5 号等8 个品种Ni 含量较低，属第Ⅰ类，可作为Ni 低积累推荐品种。野香优莉丝、宜香优800 和秀香优8 号Cu 和Zn 含量较低，属第Ⅰ类，可作为Cu 和Zn 低积累推荐品种。

图2 供试水稻品种糙米重金属含量聚类分析图

此外，参试10 个品种中，中优808 的Cd、Cr、Pb、Cu 和Zn 含量属于第Ⅲ类，乐优891 的Pb 和Ni 含量属于第Ⅲ类，野香优2988、花香优357 和野香优莉丝的Pb 含量属于第Ⅲ类，中优295、野香优2988、蓉3 优918、丽香优5 号的Cu 含量属于第Ⅲ类。上述水稻品种对相应重金属富集能力较强，应尽量避免在相应污染土壤上种植。

2.4 不同水稻品种糙米对重金属的富集能力分析

由表7 和表8 可见，参试的10 个水稻品种糙米对根区土壤Cd、Cr、Pb、Ni、Cu 和Zn 富集系数平均值分别为0.041、0.016、0.008、0.009、0.013 和0.121，极差分别为7.60%、1.80%、1.50%、1.80%、1.30%和12.10%，说明这些品种对土壤中Zn 的富集能力最强（富集系数0.097），对Cd 的富集能力较强（富集系数0.041），对Cr、Cu 的富集能力较弱（富集系数0.016 和0.012），对Ni、Pb 的富集能力最弱（富集系数低于0.01）。参试水稻品种糙米对基础土壤中Cd、Cr、Pb、Ni、Cu 和Zn 同一数据富集系数平均值分别为0.032、0.014、0.008、0.009、0.012 和0.117，极差分别为7.30%、1.60%、1.40%、1.70%、1.20%和11.70%。通过表7 和表8 对比分析，水稻品种对根区土壤6 种重金属富集系数较基础土壤样品同一数据的富集系数分别高32.33%、14.91%、1.50%、6.76%、10.89%和12.91%，表明各品种小区间重金属含量存在一定的田间异质性。

表7 不同水稻品种糙米对根区土壤重金属全量的富集系数

表8 不同水稻品种糙米重金属元素对土壤基础土壤重金属的富集系数

如表9 可见，不同水稻品种糙米对土壤Cd、Cr、Ni、Cu、Pb 和Zn 有效态的富集能力表现出显著性差异，其富集能力大小顺序表现为Cr＞Zn＞Ni＞Pb＞Cu＞Cd，对Cd的富集系数最小，而对Cr 和Zn 富集系数均大于1。结合表7 和表9 来看，糙米对土壤Cd、Cr、Ni、Cu 和Zn 的累积能力具有一定的差异性，且对重金属有效态的富集能力明显大于对土壤重金属全量的富集能力。

表9 不同水稻品种糙米对土壤重金属有效态的富集系数

3 结论与讨论

3.1 土壤重金属空间异质性对水稻品种重金属吸收累积的影响

有研究表明，土壤重金属空间分布受自然与人为因素共同控制，人为活动会导致重金属在同一块地分布不均匀，导致同一块地重金属分布具有一定的差异性[16-17]。本研究中不同水稻品种重复间根区土壤重金属全量与有效态存在一定的田间异质性，与秦冉等[15]在芸豆上的研究结果一致。这可能是由土壤类型与人为活动不同导致的结果。猜测可能是水稻田进出水口处水位变化导致土壤氧化还原电位（Eh）大小不同，Eh 是影响土壤重金属形态和溶解度的主要因素之一[18-19]。由于重金属易与对Eh 敏感的组分发生吸附、络合、沉淀等化学反应，土壤氧化还原电位的升降会直接或间接导致土壤重金属生物有效性的变化[19]，如淹水条件下土壤中硝盐、铁锰氧化物和硫酸盐等被还原，使重金属离子（如Cd）与之形成硫化物沉淀（CdS），在这过程中可能会导致部分重金属被还原（如Cr 和Hg），或部分重金属元素如Pb 等与OH-反应形成难溶化合物，从而降低土壤中Cd、Cr 和Pb 等的生物有效性，不同的氧化还原电位对水稻土Cu、Zn、Ni 等形态变化具有显著影响[20-21]。pH 是影响土壤重金属有效态含量的重要因素之一[22]，本研究中不同水稻品种根区土壤pH 具有一定差异，导致这种差异的原因可能有以下两方面：一是Eh 变化时，pH 也会随之变化；二是不同水稻品种根系分泌的有机酸、氨基酸和酚类等物质不同[12，23]。通过改变重金属在土壤中的存在形态而影响重金属的生物有效性[24]，这进一步解释了本研究不同水稻品种间重金属累积存在一定田间异质性的原因。

3.2 不同水稻品种对不同重金属元素吸收累积的影响

本研究中，参试水稻品种糙米对试验地土壤中6种重金属的吸收累积效果存在显著差异。根据聚类分析可分为较低值类、中间值类和较高值类。本研究试验区土壤Cd、Cr、Ni 和Cu 含量均高于土壤风险筛选值，但参试水稻糙米中重金属超标率与土壤含量并非呈简单线性关系。如试验区土壤Cd 含量在超过贵州土壤背景值情况下，参试品种糙米Cd 含量极低，而Pb 表现则相反，有5 个品种存在Pb 超标，Pb 超标风险需引起关注。这与水稻品种遗传特性差异以及对Pb 的吸收能力不同有一定关系[25]，这5 个水稻品种对Pb 具有较强的基因表达能力和吸收机制[26]。本研究中，水稻对不同重金属富集能力强弱表现为Zn＞Cd＞Cr＞Cu＞Ni＞Pb 的规律，对Zn 的富集能力最强，其次是Cd 和Cr，这与前人在水稻[25]、苦荞[27]和芸豆[15]上的研究结果一致，可能是因为不同基因型水稻品种根系对重金属吸收和不同器官对重金属元素的运输通道和转运机制不同。结合糙米对土壤重金属元素的富集系数及其重金属超标情况，虽然糙米对Cd 土壤全量的富集系数远大于Cr 和Pb，但糙米Cr 含量全部超标、Pb 含量部分超标、而Cd含量全不超标。导致这种差异的原因可能有以下三方面：一是因为土壤重金属多以伴生或共生状态存在，它们之间存在一定拮抗或协同作用，不同重金属竞争生物吸附位点的能力存在差异[28]。水稻根系对Cr 和Pb的结合能力强于对Cd，或者水稻对Cr 和Pb 吸收存在某种相同的转运蛋白，尤其在土壤Cr 含量很高的时候，水稻首先吸收Cr，弱化了水稻对Cd 的吸收[28]。二是水稻应对Cd 胁迫时，根系对Cd 产生滞留作用，导致Cd 向水稻地上部转运减少，或者水稻体内抗氧化酶系统活性提高，清除Cd 诱导产生的氧自由基，提高了水稻对Cd 的耐性[29]。三是土壤Zn 含量高，抑制了水稻对Cd 的吸收和迁移。研究表明，在土壤中增施Zn 元素，会显著降低土壤中的Cd 向植物中迁移[28]。季冬雪等[30]研究表明，在单一Cd 浓度溶液中添加Zn 可使水稻幼苗Cd 含量最高降低48.4%。可见，影响水稻对重金属的吸收因素并不是单一的，除本身的遗传特性和环境因子外，还与重金属元素之间的复合作用有关，但因其比较复杂，影响因素较多，具体作用机理还需后续进一步研究。

3.3 重金属低累积水稻品种推荐

重金属累积能力是低累积水稻品种筛选的第一指标，通常情况下，单项重金属元素的低积累水稻品种筛选以籽粒对重金属的富集系数与单因素评价指数（Pi）为依据，将籽粒重金属富集系数与单因素评价指数（Pi）最小值的水稻作为单项重金属低积累推荐品种。多目标重金属元素复合污染下低积累品种筛选以内梅罗综合污染指数（PZ）作为依据，在重金属复合污染条件下筛选低累积品种，应结合多元素污染程度进行评价，综合污染指数最低且处于警戒线或以下的品种可认为是低累积品种[27]。本研究中虽然蓉3 优918、野香优2988、乐优891、中优295 和秀香优8 号等5 个品种的产量较高，但其综合污染指数均达中度污染水平，不宜在该地区种植。宜香优800 综合污染指数处于警戒线水平，且产量居中，可推荐为低累积水稻品种种植。