應(yīng)急性鎘砷低積累水稻品種篩選

　　摘 要：【目的】 為重金屬污染耕地鎘、砷低積累水稻品種的選擇及建立鎘、砷低積累水稻品種篩選鑒定方法提供依據(jù)。【方法】 采用田間小區(qū)試驗(yàn)方法，分析18個(gè)水稻品種的鎘、砷吸收積累差異。【結(jié)果】 18個(gè)品種的平均產(chǎn)量為5.62±0.22 t/hm2 ，其中有較大減產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)的水稻品種有5個(gè)，其產(chǎn)量比平均產(chǎn)量減產(chǎn)超過(guò)5%。18個(gè)水稻品種的平均稻米鎘含量為 0.25±0.06 mg/kg，變異系數(shù)為 0.44;平均稻米砷含量為 0.13±0.04 mg/kg，變異系數(shù)為 0.28，且稻米鎘、砷含量與莖葉鎘、砷含量呈極顯著正相關(guān)。基于稻米鎘砷含量的聚類分析結(jié)果表明，鎘高積累水稻品種有P15、P16、P18，不宜在鎘污染稻田種植;鎘低積累水稻品種有P1、P6，適于輕中度鎘污染稻田的安全利用?！窘Y(jié)論】 稻米鎘、砷含量可直接反映水稻對(duì)鎘、砷的吸收積累特征。

　　劉湘軍; 劉匯川; 劉嫦娥; 王平艷; 易春麗; 李海英; 余泓; 潘淑芳; 謝運(yùn)河， 湖南生態(tài)科學(xué)學(xué)報(bào) 發(fā)表時(shí)間：2021-08-03

　　關(guān)鍵詞：水稻;鎘;砷;品種篩選;重金屬

　　種植重金屬低積累水稻品種是實(shí)現(xiàn)受污染耕地安全利用的重要手段。2014—2016年，湖南省開(kāi)展了大批量的應(yīng)急性鎘低積累水稻品種篩選并發(fā)布了推薦目錄[1]，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)水稻吸收積累鎘砷等重金屬開(kāi)展了大量研究[2]，也建立了鎘低積累水稻品種篩選與選育方法[3-6]，但尚未構(gòu)建水稻砷低積累水稻品種篩選方法，對(duì)砷低積累水稻品種的篩選研究也不多[7]。加之重金屬低積累水稻品種篩選進(jìn)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于水稻品種的審定進(jìn)程，適合區(qū)域生態(tài)氣候環(huán)境的重金屬低積累水稻新品種極為缺乏，尤其是受鎘、砷理化性質(zhì)相左的影響，不同水稻品種對(duì)鎘、砷的吸收積累存在極大差異[8-9]，對(duì)鎘砷的轉(zhuǎn)運(yùn)效果及機(jī)理也不相同[10-12]。因此，在世界銀行貸款湖南省農(nóng)田污染綜合管理項(xiàng)目的支持下，2020年以祁陽(yáng)縣本地18個(gè)優(yōu)勢(shì)品種為篩選對(duì)象，分析其鎘、砷的吸收積累差異，以期篩選出適合鎘、砷或鎘砷復(fù)合污染土壤可應(yīng)用的應(yīng)急性水稻品種，為項(xiàng)目區(qū)重金屬污染耕地應(yīng)急性鎘、砷低積累水稻品種的應(yīng)用及建立應(yīng)急性鎘、砷低積累水稻品種篩選鑒定方法提供依據(jù)。

　　1 材料與方法

　　1.1 供試土壤

　　試驗(yàn)地點(diǎn)位于祁陽(yáng)縣肖家鎮(zhèn)汪家坪村，土壤全鎘 0.49 mg/kg，有效態(tài)鎘 0.26 mg/kg;土壤總砷 7.05 mg/kg，有效砷0.10 mg/kg;土壤pH 5.40，有機(jī)質(zhì)34.4 g/kg，全氮2.95 g/kg，有效磷2.87 mg/kg，速效鉀82.0 mg/kg，堿解氮127.0 mg/kg。

　　1.2 供試水稻

　　18個(gè)水稻品種(P1～P18)分別為深兩優(yōu)867、 Y兩優(yōu)911、C兩優(yōu)87、C兩優(yōu)386、兩優(yōu)336、深優(yōu) 9586、隆兩優(yōu)1212、瀘優(yōu)9803、兩優(yōu)1號(hào)、C兩優(yōu)華占、C兩優(yōu)396、荃優(yōu)粵農(nóng)絲苗、恒豐優(yōu)粵農(nóng)絲苗、隆晶優(yōu)1212、隆兩優(yōu)1686、晶兩優(yōu)1468、深兩優(yōu) 5814、泰優(yōu)390。2020年4月25日，每個(gè)品種采用網(wǎng)織袋單獨(dú)封裝，并用兩個(gè)標(biāo)簽(一個(gè)內(nèi)置，一個(gè)外掛)進(jìn)行品種標(biāo)識(shí)，再采用常規(guī)方法進(jìn)行浸種催芽。同時(shí)進(jìn)行秧田準(zhǔn)備，4月27日采用育秧盤進(jìn)行育秧，每個(gè)品種育秧10盤;每個(gè)品種間留30 cm空間隔開(kāi)，每個(gè)品種用標(biāo)識(shí)牌進(jìn)行標(biāo)識(shí);秧田期田間管理采用當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)方法進(jìn)行。5月23日試驗(yàn)田整理好后移栽，水稻品種移栽時(shí)帶標(biāo)識(shí)牌，嚴(yán)防品種搞錯(cuò)。

　　1.3 研究方法

　　1.3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

　　試驗(yàn)小區(qū)按照隨機(jī)區(qū)組排序，各3次重復(fù)。插秧密度為12×39=468 株/小區(qū)，小區(qū)面積5 m×4 m=20 m2 ，小區(qū)間不做田埂，以空行隔開(kāi)(0.8 m)。試驗(yàn)前先勻田，確保試驗(yàn)田塊土壤理化性質(zhì)和土壤污染程度相對(duì)均勻;平整田塊，田面最高處與最低處落差不超過(guò)3 cm，盡量減少后期水分管理等農(nóng)藝措施對(duì)各品種的影響。重復(fù)間和處理間各留0.8 m寬的過(guò)道，用于田間耕作和管理的走動(dòng)，盡量減少插秧后小區(qū)內(nèi)部的破壞?；适┯?5:15:15復(fù)合肥750 kg/hm2 ，插秧10 d后追尿素150 kg/hm2 ;水分管理采取分蘗盛期曬田7 d，前期淹水，后期干濕交替的方式進(jìn)行;病蟲害及其他措施參照當(dāng)?shù)亓?xí)慣進(jìn)行。

　　1.3.2 取樣及樣品分析

　　試驗(yàn)前采集基礎(chǔ)土樣，分析土壤基本理化性質(zhì);每個(gè)水稻品種成熟時(shí)，按照5點(diǎn)取樣法每個(gè)點(diǎn)位取樣 2株，共10株水稻分別按照稻草和稻谷分樣，烘干后稻草粉碎備用，稻谷則采用礱谷機(jī)去殼后，糙米粉碎備用。同時(shí)，根據(jù)水稻成熟時(shí)間分批測(cè)定各小區(qū)水稻產(chǎn)量，各小區(qū)單打單收，并采用水分測(cè)定儀測(cè)定水分含量后換算為13%的標(biāo)準(zhǔn)水分含量，計(jì)算每個(gè)小區(qū)的水稻實(shí)際產(chǎn)量。土壤全鎘采用HNO3-HClO4- HF(5:1:2，V/V)消煮，樣品消煮完全后趕酸至近干，加少量稀硝酸溶液溶解后轉(zhuǎn)移定容;水稻糙米鎘含量以及植株鎘、砷采用HNO3-H2O2(5:2，V/V)微波消煮，糙米無(wú)機(jī)砷含量采用6 mol/L HCl浸提法;土壤有效態(tài)鎘含量采用DTPA(二乙三胺五醋酸)提取方法進(jìn)行，稱10.00 g 過(guò)20目土樣，加入DTPA浸提液(土: 水=1:5)50 mL，震蕩2 h后過(guò)濾，稀釋20倍后待用;土壤有砷采用乙酸銨提取方法進(jìn)行，稱10.00 g土樣，加入1 mol/L的乙酸銨50 mL，25℃條件下180 r/min 震蕩1 h后過(guò)濾，稀釋20 ～ 100倍后待用。所有樣品鎘、砷含量使用ICP-MS(iCap-Q，美國(guó)Thermo公司)進(jìn)行測(cè)定。

　　1.3.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)

　　試驗(yàn)數(shù)據(jù)為3次重復(fù)平均值，數(shù)據(jù)采用WPS和 SPSS進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和方差分析，Origin作圖。根據(jù)收獲的成熟期稻米重金屬鎘、無(wú)機(jī)砷含量，與所對(duì)應(yīng)的生長(zhǎng)土壤中重金屬鎘、砷有效態(tài)含量，計(jì)算稻米鎘、砷的富集系數(shù)：

　　稻米中鎘的富集系數(shù)(BCFCd)的計(jì)算： BCFCd=Crice/Csoil 式中：Crice為糙米鎘含量，單位mg/kg;Csoil為土壤有效態(tài)鎘含量，單位mg/kg;稻米中砷的富集系數(shù)(BCFAs)的計(jì)算： BCFAs=Crice/Csoil式中：Crice為糙米無(wú)機(jī)砷含量，單位mg/kg;Csoil 為土壤中有效態(tài)砷含量，單位mg/kg;稻米中鎘的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(TFCd)的計(jì)算： TFCd=Crice/Cstem 式中：Crice為糙米鎘含量，單位mg/kg;Cstem為莖鎘含量，單位mg/kg;稻米中砷的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(TFAs)的計(jì)算： TFAs=Crice/Cstem 式中：Crice為糙米無(wú)機(jī)砷量，單位mg/kg;Cstem為莖總砷含量，單位mg/kg。

　　2 結(jié)果與分析

　　2.1 不同水稻品種的生育期及產(chǎn)量差異

　　不同水稻品種生育時(shí)期結(jié)果表明(圖1)，不同品種成熟期存在較大差異，平均生育期為127.8 d。其中，生育期較短的是P1、P6、P11、P13、P18，即深優(yōu)9586、深兩優(yōu)867、恒豐優(yōu)粵農(nóng)絲苗、C兩優(yōu) 396、泰優(yōu)390，其生育期118 d;而生育期較長(zhǎng)的有 P7、P15、P17，即隆兩優(yōu)1212、深兩優(yōu)5814、隆兩優(yōu)1686，其生育期140 d。

　　測(cè)定成熟期水稻產(chǎn)量結(jié)果表明(圖2)，18個(gè)水稻品種的平均產(chǎn)量為5.62±0.22 t/hm2 ，不同水稻品種間產(chǎn)量差異顯著，產(chǎn)量最高的為P7，產(chǎn)量達(dá)6.09±0.22 t/hm2 ;產(chǎn)量最低的為P8，產(chǎn)量?jī)H5.14±0.17 t/hm2 ，比P7低 15.64%(P<0.05);與平均產(chǎn)量相比，增產(chǎn)的品種有 11個(gè)，增產(chǎn)超過(guò)5%的有P7、P9、P10、P16等4個(gè);減產(chǎn)的品種有7個(gè)，其中減產(chǎn)超過(guò)5%的有P2、P6、 P8、P13、P18等5個(gè)。

　　2.2 不同水稻品種稻米及莖葉鎘砷含量差異

　　測(cè)定成熟期水稻稻米鎘、砷含量結(jié)果表明(圖3)，18 個(gè)水稻品種的平均稻米鎘含量為0.25±0.06 mg/kg，稻米砷含量為0.13±0.04 mg/kg，稻米鎘含量高于稻米砷含量。根據(jù)食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB2762—2017) 中鎘、砷的限值(≤0.2 mg/kg)，有4個(gè)品種的稻米鎘含量達(dá)標(biāo)，為P1、P6、P9和P12;而稻米砷含量全部達(dá)標(biāo)。與稻米平均鎘、砷含量相比，稻米鎘含量高于平均值的6個(gè)，分別為P7、P8、P14、P15、 P16、P18;而稻米砷含量高于平均值的有5個(gè)，分別為P6、P13、P14、P17、P18。計(jì)算稻米鎘、砷含量的變異系數(shù)可知，稻米鎘的變異系數(shù)為0.44，而稻米砷含量的變異系數(shù)為0.28，稻米鎘含量變異系數(shù)是砷含量變異系數(shù)的1.6倍，表明不同水稻品種間稻米鎘含量的變化差異高于稻米砷含量。

　　測(cè)定成熟期水稻莖葉鎘、砷含量結(jié)果表明(圖4)，18 個(gè)水稻品種的平均莖葉鎘含量為0.99±0.37 mg/kg，莖葉砷含量為1.95±0.70 mg/kg，莖葉砷含量高于莖葉鎘含量。莖葉鎘含量的變異系數(shù)為0.37，而莖葉砷含量的變異系數(shù)為0.36，莖葉鎘含量的變異系數(shù)與砷含量的變異系數(shù)相當(dāng)。

　　可見(jiàn)，稻米鎘含量品種間的變異程度最大，其次是莖葉鎘含量和莖葉砷含量，稻米砷含量的變異程度相對(duì)較小，也表明稻米鎘低積累水稻品種篩選到的可能性要高于稻米砷低積累水稻品種的篩選。

　　2.3 不同水稻品種鎘砷轉(zhuǎn)運(yùn)及富集系數(shù)差異

　　計(jì)算不同水稻品種鎘砷轉(zhuǎn)運(yùn)及富集系數(shù)結(jié)果表明 (表 1)，18 個(gè)品種鎘轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù) TFCd 范圍為 0.14～0.35，平均為0.26，變異系數(shù)為0.30;砷轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)范圍為0.05～0.11，平均為0.07，變異系數(shù)為 0.34。可見(jiàn)，鎘的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)遠(yuǎn)高于砷的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)，但鎘砷轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)品種間變異程度相差不大。

　　以土壤有效態(tài)鎘含量計(jì)算不同水稻品種鎘的富集系數(shù)表明，18個(gè)品種鎘富集系數(shù)范圍為0.45～1.94，平均為0.97，變異系數(shù)為0.44;以土壤有效態(tài)砷含量計(jì)算不同水稻品種砷富集系數(shù)表明，18個(gè)品種鎘富集系數(shù)范圍為0.82～1.88，平均為1.28，變異系數(shù)為 0.28?？梢?jiàn)，砷的富集系數(shù)高于鎘的富集系數(shù)，但鎘富集系數(shù)品種間變異程度高于砷。其原因主要是土壤砷有效率遠(yuǎn)小于土壤鎘的有效率。

　　2.4 水稻鎘砷含量及其轉(zhuǎn)運(yùn)與富集系數(shù)的相關(guān)分析

　　分析水稻鎘砷含量與轉(zhuǎn)運(yùn)、富集系數(shù)間的相關(guān)性(表2)表明，米鎘含量與莖鎘含量、米砷含量與莖砷含量皆呈極顯著正相關(guān)，表明莖鎘、砷含量越高，稻米中鎘、砷含量也越高;而米鎘含量與米砷含量、莖鎘含量與莖砷含量皆無(wú)顯著的相關(guān)性，表明在本次篩選試驗(yàn)中，不同品種對(duì)鎘、砷的吸收累積存在較大差異;米鎘含量、BCFCd皆與轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)呈極顯著正相關(guān)，表明莖鎘含量越高，米鎘含量越高，鎘的富集系數(shù)越大;莖砷含量與BCFAs呈極顯著正相關(guān)，而與TFAs呈極顯著負(fù)相關(guān)，但米砷含量與BCFAs 和TFAs皆無(wú)明顯的相關(guān)性，表明稻米砷含量品種間變化較小，而莖砷含量變化較大，稻米中砷含量的增加或降低的幅度小于莖砷含量的增加或降低幅度;鎘的轉(zhuǎn)運(yùn)系、富集系數(shù)皆與砷的轉(zhuǎn)運(yùn)、富集系數(shù)無(wú)顯著相關(guān)性，表明不同品種間的鎘、砷轉(zhuǎn)運(yùn)、富集無(wú)明顯的拮抗或者協(xié)同效應(yīng)，也表明不同品種對(duì)鎘、砷的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)存在極大的個(gè)體差異。

　　2.5 水稻品種鎘砷含量的聚類分析

　　以18個(gè)水稻品種的稻米鎘、砷含量?jī)蓚€(gè)指標(biāo)進(jìn)行聚類分析可知(圖5)，18個(gè)水稻品種主要分為2組;一組是P15、P16、P18，分析其稻米鎘、砷含量可知，該類型為水稻鎘高積累類型，占16.7%;其余為第二組，而第二組又可以分為兩個(gè)亞組，一組是P1、P6，為水稻鎘低積累類型，占11.1%;其余的為另一組，為鎘中等積累類型?？梢?jiàn)，本試驗(yàn)通過(guò)稻米鎘、砷含量進(jìn)行聚類分組，其分組結(jié)果主要受稻米鎘含量的影響，而對(duì)稻米砷并未表現(xiàn)出明顯的分類效果，其原因是稻米鎘含量品種間的變異系數(shù)大于稻米砷含量的變異系數(shù)所致。

　　3 討 論

　　本項(xiàng)目以祁陽(yáng)縣本地優(yōu)勢(shì)品種為主，對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)一種植和管理，產(chǎn)量實(shí)測(cè)結(jié)果表明，不同水稻品種間差異明顯，產(chǎn)量最低的P8比產(chǎn)量最高的P7低 15.64%。本研究中，水稻產(chǎn)量最低的為P8，其生育期132 d，處于中等水平;而減產(chǎn)超過(guò)5%的P2、P6、 P13、P18等品種的生育期明顯短于其他品種。可見(jiàn)，生育期長(zhǎng)短是影響其水稻產(chǎn)量的重要因子[13]，祁陽(yáng)縣的地理氣候等環(huán)境條件也對(duì)其產(chǎn)量具有較大的調(diào)控作用[14]。因此，在實(shí)際推廣過(guò)程中，對(duì)減產(chǎn)超過(guò) 5%的P2、P6、P8、P13、P18等品種應(yīng)慎重推廣。

　　在稻田淹水-落干的特殊生境中，氧化還原交替過(guò)程頻繁，土壤鎘、砷對(duì)EH、pH幾乎表現(xiàn)出完全相反的行為特征[15]，進(jìn)而影響水稻對(duì)鎘、砷的吸收積累。尤其是在不同水肥管理?xiàng)l件下，水稻對(duì)鎘、砷的吸收積累規(guī)律不同，淹水顯著降低水稻對(duì)鎘的吸收但顯著增加稻米砷的累積，而干濕交替則顯著降低稻米砷含量但顯著增加稻米鎘的積累[16-17];施用石灰提升土壤pH降低稻米鎘含量的同時(shí)也會(huì)增加稻米砷的吸收[18]?？梢?jiàn)，稻米鎘、砷含量不僅與水稻品種有關(guān)，還受外界環(huán)境的調(diào)控。有研究表明，水稻對(duì)鎘砷的吸收積累皆呈先增后降趨勢(shì)[19]，但其對(duì)鎘、砷的吸收積累不同步，鎘的最大累積量在乳熟期，而砷則主要是分蘗期;加之水稻對(duì)鎘砷在器官間的分配也不完全相同，水稻根系砷含量遠(yuǎn)高于鎘，砷由根向上位器官的遷移轉(zhuǎn)運(yùn)效率遠(yuǎn)低于鎘[11]。本研究結(jié)果表明，稻米鎘含量品種間的變異系數(shù)較高，而砷含量的變異系數(shù)較低，且稻米鎘、砷含量分別與莖葉鎘、砷含量呈顯著正相關(guān)，表明同一水稻品種的稻米鎘、砷含量與莖葉的鎘、砷含量趨勢(shì)基本一致，稻米鎘、砷含量的差異也代表了水稻地上部對(duì)鎘、砷的吸收累積特征。因此，采用稻米鎘、砷含量可直接反應(yīng)水稻對(duì)鎘、砷的吸收積累特征。

　　本研究中，基于稻米鎘、砷含量的聚類分析結(jié)果表明，鎘高積累和鎘低積累類型的水稻品種數(shù)量相對(duì)較少，主要為鎘中等積累的品種。其中，P1、 P6為鎘低積累品種，可進(jìn)行推廣;而P15、P16、P18 為鎘高積累水稻品種，不宜在鎘污染稻田應(yīng)用。此外，由于本研究選擇的試驗(yàn)田土壤為鎘輕度污染(全鎘含量0.49 mg/kg)，土壤總砷含量7.05 mg/kg，未達(dá)污染標(biāo)準(zhǔn)。土壤總砷含量低也在一定程度上降低了水稻對(duì)砷的吸收，也降低了稻米砷含量品種間的差異。且稻米鎘平均含量為0.25±0.06 mg/kg，稻米砷含量?jī)H0.13±0.04 mg/kg，稻米砷含量也未超標(biāo)，在一定程度上降低了稻米砷含量的差異。因此，鎘砷低積累水稻品種的篩選應(yīng)選擇土壤砷含量相對(duì)較高的稻田或者選擇稻米容易超標(biāo)的稻田，以便更真實(shí)的反應(yīng)水稻對(duì)土壤砷的吸收積累特征，篩選到真正需要的砷低積累水稻品種。

　　4 結(jié)論

　　1)18個(gè)品種的平均產(chǎn)量為5.62±0.22 t/hm2 ，其中比平均產(chǎn)量減產(chǎn)超過(guò)5%的有P2、P6、P8、P13、 P18等5個(gè)，具有較大的減產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。

　　2)18個(gè)水稻品種的平均稻米鎘含量為0.25±0.06 mg/kg，稻米砷含量為0.13±0.04 mg/kg，18個(gè)水稻品種的聚類分析結(jié)果表明，鎘高積累水稻品種有P15、 P16、P18等，鎘污染稻田不宜推廣;鎘低積累水稻品種有P1、P6，適于輕中度鎘污染稻田的安全利用;其余的為中等鎘積累類型。

　　3)采用稻米鎘、砷含量可直接反應(yīng)水稻對(duì)鎘、砷的吸收積累特征。