低镉富硒水稻品种的筛选

关浩然 张恒磊 丁利群 夏 川 郑 雯

(1.浙江大学环境与资源学院,浙江 杭州 310058;2.开化县农业技术推广中心,浙江 衢州 324300;3.衢州市开化生态环境监测站,浙江 衢州 324300;4.开化县自然资源和规划局,浙江 衢州 324300)

黑色岩系在浙江省西部广泛分布,富集有重金属镉(Cd)且含有丰富的硒(Se)资源,因此由其发育而来的土壤存在Cd、Se伴生现象[1]7-23,[2],这两种元素都可通过食物链在人体内累积[3]。Cd是致癌元素,过量摄入会严重威胁人体健康[4];而Se是人体必需微量元素,对人体心血管疾病、大骨节病、克山病等疾病有预防作用,还具有抗癌、抗衰老等功效[5]。

我国是水稻生产和消费大国,食用稻米是Cd和Se进入人体的重要途径[6-7]。在相同种植条件下,不同水稻品种由于基因型的差异,对土壤中Cd和Se的吸收、富集、转运能力差异显著[8]。因此,在富含Cd和Se的地区筛选低Cd富Se水稻可有效降低Cd的饮食暴露量、提高Se的膳食摄入量,是Cd污染稻田安全利用协同土壤宝贵Se资源高效开发的重要工作[9-10]。已有研究筛选出了适应浙江省种植的Cd低累积水稻品种[11-12]。然而,Cd低累积水稻品种是否同时具备较强的富Se能力仍有待进一步筛选。此外,气候特征、土壤类型和水分条件等差异也会限制筛选出的水稻品种推广和应用[13]。因此,因地制宜地筛选出适合当地的稳定低Cd富Se水稻品种才是实现Cd污染稻田安全利用并打造绿色富Se水稻的一项最具性价比的措施。

开化县位于浙西山地丘陵区,黑色岩系分布广泛且地层发育完整,其发育的土壤高Cd富Se[1]24,[14]。本研究以19个水稻品种(包括先前研究筛选出的Cd低累积水稻品种和当地主要市售水稻品种)为试验对象,在开化县杨林镇高Cd富Se稻田开展田间小区试验和稳定性验证,以稻米Cd和Se含量、水稻产量和稳定性为评价指标筛选出适应当地高Cd富Se土壤种植的低Cd富Se水稻品种,为Cd污染稻田的安全利用和土壤宝贵Se资源的开发提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试品种

供试水稻品种包括王会来等[15]1660发现的Cd低累积品种甬优538、中浙优8号和甬优15,徐颖菲[16]25发现的Cd低累积品种秀水121和秀水519,以及当地主要市售品种甬优5550、甬优7850、宁两优1513、中浙优15、嘉禾优1号、清香优19香、中浙优26、嘉丰优911、浙两优272、华浙优223、泰丰优2、中浙优H7、江两优7901和嘉丰优3号,共计19个水稻品种。

1.2 试验设计

试验田土壤类型为潴育型水稻土,土壤pH为5.30～7.13,Cd质量浓度为0.62～0.67 mg/kg,Se质量浓度为0.38～0.45 mg/kg。田间小区试验为期2年,第1年对19个供试品种进行初筛,第2年对第1年已筛选出的低Cd富Se品种进行稳定性验证。试验采取完全随机区组设计,每个水稻品种设置3个重复,共设置57个小区,每个小区面积为21 m2(3 m×7 m),小区之间以田埂相隔并设置独立的进排水沟。田埂上先覆盖1层黑色塑料膜以抑制杂草生长,再覆盖1层不透水透明塑料膜以避免小区间水分互扰,并在试验田四周设置约1 m宽的保护带。所有小区试验在当地常规水肥农艺调控管理措施下进行,以水稻收获后籽粒中Cd和Se含量、水稻产量和稳定性为评价指标筛选出适合当地种植的低Cd富Se水稻品种。

1.3 样品采集与分析

在水稻收获期,按照五点采样法依次采集各小区水稻样品,每个小区采集5株水稻的稻穗,脱粒后均匀混合,放入塑料自封袋中带回实验室,用去离子水冲洗干净,70 ℃烘干至恒重,脱壳粉碎,在硝酸、双氧水、氢氟酸体积比4∶3∶1的体系中微波消解,使用NexION300X电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)测定Cd含量,使用AFS-9760原子荧光光度计测定Se含量。消解全程进行空白对照,并使用国家标准物质GBW10044对稻米样品的Cd、Se含量测定进行质量控制。

1.4 数据处理与制图

使用Microsoft Excel 2019和IBM SPSS Statistics 26进行数据整理与分析,使用Origin Pro 2023进行制图。

2 结果与讨论

2.1 不同品种稻米Cd、Se累积特征

由图1可见,供试水稻品种的稻米Cd质量浓度为0.017～0.547 mg/kg,稻米Se质量浓度为0.014～0.469 mg/kg,不同供试品种间的稻米Cd和Se差异显著。Cd和Se在稻米中的累积程度受到水稻品种的基因型影响,不同品种对两种元素的吸收、转运和富集差异造成稻米中的累积差异[17-20]。聚类分析法可有效反映出不同水稻品种对目标元素累积能力的差异[21]。根据稻米Cd、Se含量进行的聚类分析结果(如图2所示),19个水稻品种可分为4类,包括高Cd富Se品种1种:甬优538;高Cd贫Se品种7种:中浙优26、嘉丰优3号、甬优7850、江两优7901、甬优5550、清香优19香和秀水121;低Cd贫Se品种5种:中浙优15、秀水519、浙两优272、宁两优1513和华浙优223;低Cd富Se品种6种:中浙优H7、甬优15、中浙优8号、泰丰优2、嘉禾优1号和嘉丰优911。

注:Cd限量标准指《食品安全国家标准 食品中污染物限量》(GB 2762—2017)的Cd限量标准(<0.20 mg/kg);富Se标准指《富硒稻谷》(GB/T 22499—2008)的富Se标准(0.04～0.30 mg/kg)。不同小写字母表示组间差异显著(p<0.01),图3同。

图2 基于稻米Cd、Se质量浓度的品种聚类

在低Cd富Se品种当中,中浙优8号、泰丰优2、嘉禾优1号和嘉丰优911这4个品种稻米Cd均低于0.20 mg/kg,符合GB 2762—2017的Cd限量标准;且稻米Se均满足GB/T 22499—2008的富Se标准(0.04～0.30 mg/kg);而中浙优H7和甬优15稻米Cd质量浓度分别为0.286、0.223 mg/kg,超过了GB 2762—2017中Cd限量标准。

在Cd低累积品种中,中浙优8号和秀水519稻米Cd含量低于GB 2762—2017的Cd限量标准,与前人研究一致[15]1659,[16]25;然而,通常作为Cd低累积品种的甬优15稻米Cd含量却有超标,可能是由试验区土壤类型、地势和气候差异造成的[22]。水稻对土壤Cd和Se的吸收机理不同[23],因此Cd和Se在稻米中的累积特征并不一样。聚类分析结果显示,在相同种植条件下中浙优H7等6个品种属于低Cd富Se水稻品种(包括先前研究发现的Cd低累积品种中浙优8号),其中嘉禾优1号、中浙优8号、泰丰优2和嘉丰优911稻米Cd不超标(<0.20 mg/kg)且达到富Se标准(0.04～0.30 mg/kg)。因此,将嘉禾优1号、中浙优8号、泰丰优2和嘉丰优911作为备选的低Cd富Se水稻品种。

2.2 不同品种水稻产量

筛选低Cd富Se品种同时也需保证水稻产量。由图3可见,供试水稻品种的水稻产量为5 303～10 047 kg/hm2,平均为8 167 kg/hm2,甬优系列杂交晚稻的产量明显高于秀水系列常规晚粳稻,这与徐立军等[24]的研究结果一致。在2.1节的备选低Cd富Se水稻品种中,嘉丰优911、中浙优8号和泰丰优2的产量高于7 500 kg/hm2,达到浙江省水稻产量的常规水平[25];而嘉禾优1号产量仅为5 970 kg/hm2。因此,兼顾稻米Cd、Se含量和水稻产量,筛选泰丰优2、中浙优8号和嘉丰优911为低Cd富Se水稻品种。

图3 不同品种水稻产量

2.3 低Cd富Se水稻品种稳定性验证

基于第1年兼顾稻米Cd、Se含量和水稻产量筛选的结果,在第2年将3个低Cd富Se水稻品种(泰丰优2、中浙优8号和嘉丰优911)进行稳定性验证,结果如表1所示。泰丰优2、中浙优8号和嘉丰优911这3个品种的稻米依旧保持较低的Cd质量浓度(0.099～0.161 mg/kg)和较高的Se质量浓度(0.124～0.290 mg/kg),Cd达到GB 2762—2017的Cd限量标准且Se满足GB/T 22499—2008的富Se标准。而且,这3个低Cd富Se水稻品种的产量依旧保持在7 500 kg/hm2以上。因此,泰丰优2、中浙优8号和嘉丰优911能够稳定表现出较强的低Cd富Se能力且可以稳定重现,当属优选低Cd富Se水稻品种。

表1 低Cd富Se水稻品种第2年的Cd、Se质量浓度及水稻产量

3 结 论

通过田间小区试验对19个水稻品种进行筛选,经过第1年品种筛选与第2年稳定性验证,兼顾稻米Cd、Se含量和水稻产量并经过稳定性验证发现,泰丰优2、中浙优8号和嘉丰优911表现出稳定的低Cd富Se能力且水稻产量达到浙江省水稻产量的常规水平,优选为低Cd富Se水稻品种,推荐其在浙西高Cd富Se稻田推广种植。