不同外源鎘對水稻生長和富集鎘的影響研究

龍思斯，宋正國，雷　鳴*，喻　理，王藝康，蔣宏芳，沈　躍

（1.湖南農業大學資源環境學院，長沙410128；2.農業部產地環境質量重點實驗室/天津市農業環境與農產品安全重點實驗室，天津300191；3.湖南安邦新農業科技股份有限公司/湖南省安邦農業研究院，湖南衡陽421200）

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不同外源鎘對水稻生長和富集鎘的影響研究

龍思斯1，宋正國2*，雷鳴1*，喻理1，王藝康1，蔣宏芳3，沈躍2

（1.湖南農業大學資源環境學院，長沙410128；2.農業部產地環境質量重點實驗室/天津市農業環境與農產品安全重點實驗室，天津300191；3.湖南安邦新農業科技股份有限公司/湖南省安邦農業研究院，湖南衡陽421200）

摘要：為了探究不同來源鎘對水稻富集鎘的影響，通過盆栽種植水稻實驗，以外源添加鎘方式分別模擬土壤鎘污染源、灌溉水鎘污染源和大氣降水鎘污染源，對水稻的生長及其鎘的含量和分布特征進行分析。結果表明：與對照相比，三種不同污染源中鎘的含量對水稻株高以及稻谷的重量無顯著影響（P＞0.05）。水稻植株各部位的鎘含量隨著污染源中鎘濃度的升高而顯著增加（P＜0.05），其中土壤污染和灌溉水污染處理下水稻植株中鎘含量分布為根＞莖＞葉＞谷殼＞糙米，葉面污染為葉＞根＞莖＞谷殼＞糙米。無論是在同一污染源不同鎘濃度還是不同單一污染源下，糙米中鎘的含量與葉面中鎘的含量呈顯著線性關系（P＜0.05）。三種污染源對糙米富集鎘的貢獻順序為葉面污染源＞灌溉水污染源＞土壤污染源。

關鍵詞：水稻；鎘；土壤污染源；灌溉水污染源；葉面污染源；糙米

龍思斯，宋正國，雷鳴,等.不同外源鎘對水稻生長和富集鎘的影響研究[J].農業環境科學學報, 2016, 35（3）：419-424.

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水稻是世界三大主要糧食作物之一，也是亞洲最重要的糧食來源。但是由于人類活動的影響，導致水稻中重金屬，尤其是鎘含量嚴重超標。由于鎘（Cd）對人體危害的風險水平超過Hg和Pb的3～4個數量級[1]，對人體健康造成巨大的威脅。我國稻米中Cd含量超標問題日趨嚴重，隨著國民經濟發展和人們生活水平的提高，Cd超標的糧食安全問題也愈加引起國內外消費者的廣泛關注。研究表明，造成水稻中重金屬含量超標原因有多種，如大氣降塵、污水灌溉和污染土壤、工業三廢排放、超標肥料施用以及不合理的農業措施等[2-8]，但究竟是哪一種污染源是造成水稻中重金屬含量的主要污染源，目前的報道還存在不同的觀點。如趙雄等[3]認為土壤中Cd含量對水稻糙米中Cd的富集量貢獻較大；嚴連香等[4]調查表明，污水灌溉能顯著導致作物中Cd的含量超標；而于瑞蓮等[8]研究發現大氣沉降中Cd含量導致城市道路和工業區作物中Cd含量超標。可見，作物富集重金屬Cd的來源比較復雜，如何確定稻米富集Cd主要污染來源是當前研究的熱門問題。本研究在溫室開展盆栽實驗，通過對土壤添加外源Cd、灌溉水施加Cd和葉面噴施Cd分別模擬土壤Cd污染源、灌溉水Cd污染源和大氣降水Cd污染源，探討這三類污染途徑下，水稻對Cd的吸收積累規律，分析三種不同污染源對糙米富集Cd的貢獻關系，其結果對水稻的安全生產具有指導作用，并為阻控稻米Cd超標問題提供科學理論依據。

1　材料與方法

1.1試驗材料

供試土壤為湖南農業大學耘園農田表層土壤，pH值為7.05，土壤Cd本底為（0.06±0.01）mg·kg-1。土壤去除雜質后，風干，混勻，過1 cm×1 cm篩。Cd的污染物為CdCl2·2.5H2O分析純化學試劑。供試水稻為中嘉早17號（浙審稻2006020），供試盆栽容器為直徑22 cm、高25 cm的塑料桶。

1.2盆栽試驗設計

盆栽實驗在湖南農業大學通風玻璃房進行。每個塑料桶裝土6.5 kg，實驗設置4種處理：無Cd污染（對照，CK）、土壤外源Cd污染（T）、灌溉水外源Cd污染（G）和葉面外源Cd污染（Y）。為了避免過多的干擾因素，每種污染源中Cd的濃度設置一樣，即設置3個Cd處理濃度（CdCl2·2.5H2O）：1.5、3.0、6.0 mg·kg-1，每個濃度設置3次平行，對照組（CK）也設3次平行，共30盆。土壤外源Cd的添加是將Cd以溶液的形式與風干土混勻，注水至飽和，平衡3～4周。移栽水稻秧苗前，按N：0.150 g·kg-1（氮肥比例按3：2的比例做基肥和分蘗肥施用）、P2O5：0.120 g· kg-1、K2O：0.150 g·kg-1施加基肥，注水飽和放置3～7 d，然后移植水稻秧苗，每桶均勻摘插3兜，每穴2株。水稻秧苗于2014年4月25日插入盆栽。葉面外源Cd和灌溉水外源Cd設計在水稻分蘗期、孕穗期、抽穗期、揚花期、乳熟期，于早上9點和下午5點后分別進行葉面Cd噴施和Cd溶液的灌溉，每次分別噴施和灌溉150 mL不同Cd濃度的溶液，共10次。葉面噴施時為避免溶液進入土壤，用塑料薄膜覆蓋，待葉面近干，移走薄膜。在水稻整個生育期水分管理與大田管理方式一致，所用日常水Cd濃度為1.12 μg·L-1，未超過國家灌溉水標準值（＜10 μg·L-1）。在病蟲害出現初期，及時噴施農藥。

1.3土壤和植物樣品采集與分析

土壤樣品以四分法取樣，經風干后，研磨過100目尼龍篩，采用電位法（水土比為2.5：1）測定pH[9]，用王水（HNO3：HCl=3：1）硝化法消煮，同時用土壤國家標準參比物質（GSS-5）和空白樣進行分析質量控制，并用原子吸收分光光度計-石墨爐法（GTA120，美國Varian）測定土壤本底Cd含量。

在水稻收獲期采集植株樣品，用自來水清洗，并分離根、莖、葉、谷殼和糙米。將谷粒樣品置于室外陽光下曬干，其他部位樣品皆裝入A4信封袋編號后置于102℃烘箱內2 h，后調至65℃烘至恒重。記錄谷粒的干重后，用JLG-Ⅱ型礱谷機分離谷殼和糙米，水稻的根、莖、葉用植物粉碎機粉碎后，裝入密封袋保存待用。水稻樣品（根、莖、葉、谷殼和糙米）采用混合酸硝酸-高氯酸（體積比為4：1）消化法消煮，同時用植物國家標準參比物質[灌木枝葉GBW07603（GSV-2）]、大米植物國家標準參比物質[GBW10010（GSB-1）]和空白樣進行分析質量控制。鎘全量測定采用原子吸收分光光度計-石墨爐法（GTA120，美國Varian）測定。分析過程中所用試劑均為優級純。

1.4數據處理

所有數據均采用3次重復的平均值±標準偏差來表示。采用SPSS 18. 0統計分析軟件進行單因素方差分析，采用Excel 2003進行數據的繪圖。相關方程與相關系數在SPSS中通過“分析-回歸-線性”程序檢驗實現。

2　結果與討論

2.1外源Cd對水稻株高和稻谷產量的影響

Cd進入植物體內后，對水稻的污染具有強烈的隱蔽性和危害性。由表1可知，三種污染源處理的株高與對照無顯著差異（P＞0.05），土壤源和葉面源的不同濃度間均無顯著差異（P＞0.05）；灌溉水污染源處理下G-1的株高顯著大于G-2和G-3，說明此類污染源的Cd脅迫對水稻生長有一定抑制作用。水稻稻谷的重量在不同處理間均無顯著性差異（P＞0.05），說明三種污染源下的不同Cd濃度對本實驗供試水稻的產量影響不大。有研究表明，水稻在長期受到Cd脅迫時會產生抗性，從而使植株適應這種逆境并進行生長補償[10]，最終毒害作用相對減輕。孫聰等[11]通過盆栽試驗發現在中堿性水稻土中，多種水稻品種生物量隨著Cd污染濃度增加沒有顯著性差異，說明在低濃度Cd（10 mg·kg-1）污染下不同水稻品種表現的生長性各有差異[12]。

2.2外源Cd污染下水稻植株各部位的Cd含量

如表2所示，對照處理下，水稻谷殼和糙米中Cd的含量分別為0.09 mg·kg-1和0.04 mg·kg-1。隨著土壤中Cd濃度的增加，水稻各部位Cd的含量也相應升高，稻谷中的Cd含量差異性顯著（P＜0.05）。水稻各部位Cd含量大小順序為根＞莖＞葉＞谷殼＞糙米。水稻地上部分Cd的含量遠低于根，這一規律和已有的研究結果一致[13]。

土壤受到灌溉水Cd污染時，水稻各部位Cd含量與對照組相比達到了顯著差異水平（P＜0.05），其大小順序為根＞莖＞葉＞谷殼＞糙米。隨著灌溉水中Cd濃度的增加，水稻植株各部位中Cd含量升高。可見，灌溉水中Cd2+極易被水稻吸收積累，水稻地上部分的Cd主要來源于根部對灌溉水中離子態Cd的吸收，且李玉清等[14]研究表明當Cd2+質量濃度＞0.005 mg·L-1時，稻米富集Cd的量隨著灌溉水中Cd質量濃度的升高而顯著增加。

表1　外源Cd污染對水稻地上部生物量的影響Table 1 Effects of Cd pollution on aboveground biomass of rice

表2　不同Cd污染源條件下水稻植株Cd的含量Table 2 Content of Cd in rice plants treated with different pollution sources

通過噴施葉面Cd2+時，發現水稻葉子中Cd的積累效果非常明顯，其次就是莖跟籽實，達到了顯著水平（P＜0.05）。隨著Cd噴施濃度的增加，水稻地下部分的Cd含量相差不大，差異水平不顯著（P＞0.05）。水稻植株中Cd的含量大小順序為葉＞根＞莖＞谷殼＞糙米，表明葉片中Cd的含量可作為判斷水稻富集重金屬來源的依據。糙米Cd含量所占葉片中的比重隨污染濃度增加而減小，說明Cd在葉片中存在永久性積累[15]，超過一定濃度后，葉片向糙米的運輸會有局限性。

綜上所述，隨著外源Cd污染濃度的增加，水稻各部位Cd含量也相應增加[16]。相同Cd濃度條件下，不同污染源對水稻Cd積累貢獻順序基本為葉面污染源＞灌溉水污染源＞土壤污染源。當Cd處理濃度≥1.5 mg·kg-1時，三種污染源都導致了稻米中Cd含量超標。研究表明，如果是土壤污染源和灌溉水污染源，水稻主要通過根的質外體和共質體途徑從土壤溶液中吸收Cd，然后從根系中柱流向木質部，最后Cd被運輸到莖、葉以及籽實中[17]，且根際周圍Cd離子越多，水稻地下部分對Cd的吸收積累也會增多[18]。土壤源和灌溉水源較葉面源下糙米Cd含量所占根部Cd含量比重小，由于土壤自身生態環境以及氣候條件等諸多因素都會對植株從土壤中吸收Cd造成一定影響[19]，根部積累的Cd通過維束管組織向地上各器官轉運過程中會受到各組織細胞壁的活性化合物阻控作用，最后能達到葉片和谷粒的量是有限的[20-21]。而葉面污染源，水稻吸收Cd主要是通過葉面氣孔、葉表面角質層的親水小孔以及葉片細胞的質外連絲進行主動吸收這三種途徑進入葉肉細胞[22]。根莖部Cd含量在Y-1 和Y-2處理下分別大于T-1和T-2的處理，分析認為葉片一部分Cd能向下遷移，葉片中富集的Cd主要來自于葉面噴施污染源，而不是從土壤中吸收獲得。

2.3外源Cd污染處理下水稻各部位Cd含量的相關分析

2.3.1外源Cd污染處理下水稻各部位和稻谷中Cd富集的相關性

水稻暴露在不同的污染源下，經過根或葉面對Cd的吸收后，都會進入其體內造成一定的富集[23]。為了探究水稻各部位Cd含量對稻谷中Cd含量的影響，建立水稻根、莖、葉片與稻谷（谷殼+糙米）的一元方程，如圖1所示。在三種污染源處理下，水稻根部Cd含量與稻谷中Cd含量的相關方程為y=-0.001 6x+ 3.448 1，R2=0.000 04（P＞0.05，n=10）；水稻莖中Cd含量與稻谷中Cd含量的相關方程為y=0.3847x+0.114 0，R2=0.856 5（P＞0.05，n=10），水稻葉片中Cd含量與稻谷中Cd含量的相關方程為y=0.171 4x+0.907 7，R2= 0.910 8（P＜0.01，n=10）。由此可知，葉片中Cd含量對稻谷富集Cd有顯著的影響。

2.3.2外源Cd污染處理下水稻葉片Cd含量和稻谷中Cd富集的相關性

圖1　三種污染源處理下水稻根、莖、葉片Cd含量與稻谷中Cd含量相關性Figure 1 Correlation between Cd concentrations in roots，shoots，and leaves and brown rice under three Cd pollution sources

為了進一步探究不同污染源下葉片Cd含量對糙米Cd含量的影響，建立水稻葉片和糙米之間的一元方程。如圖2所示，土壤外源污染時，糙米中Cd含量與葉片中Cd含量之間的相關方程為y=0.269 2x-0.059 7，R2=0.979 8；葉面外源污染時，糙米中Cd含量與葉片中Cd含量之間的相關方程為y=0.056 9x+ 0.378 8，R2=0.964 9；灌溉水外源污染時，糙米中Cd含量與葉片中Cd含量之間的相關方程為y=0.171 5x+ 0.082 5，R2=0.922 9。在三種污染源處理下，葉片中Cd含量與糙米中Cd含量的相關系數都顯著相關（P＜0.05），說明此處理下葉片中Cd的輸出可直接影響水稻糙米中的Cd含量，因此在盆栽條件下，通過葉片Cd含量的測定來檢測水稻可食部分Cd超標是可行的。

圖2　三種污染源處理下葉片Cd含量和糙米Cd含量相關性Figure 2 Correlations between Cd concentrations in leaves and brown rice under three Cd pollution sources

根據圖2線性方程得出，當葉片富集Cd＜1.50 mg·kg-1時，糙米中富集Cd的程度大小為灌溉水污染源＞土壤污染源；當葉片富集Cd＜2.07 mg·kg-1時，糙米中富集Cd的程度大小為葉面污染源＞土壤污染源；當葉片富集Cd＜2.61 mg·kg-1時，糙米中富集Cd的程度大小為葉面污染源＞灌溉水污染源。綜上所述，在葉片含Cd濃度為1.50 mg·kg-1以下時，三種污染源對水稻稻谷中富集Cd的貢獻大小為葉面污染源＞灌溉水污染源＞土壤污染源。以國家糧食安全標準值Cd 0.2 mg·kg-1（GB 2762—2012）為評價標準，發現大氣沉降中的Cd很容易通過葉片吸收向水稻稻谷轉移，因此，相比土壤和灌溉水污染源更容易造成稻米中Cd含量超標問題。

3　結論

（1）與空白對照組相比，模擬土壤污染源、灌溉污染源和葉面污染源中Cd的含量對水稻的生長及稻谷重量無顯著影響。

（2）在三種污染源處理下，水稻植株各部位Cd的含量隨污染源中Cd的濃度升高而顯著增加，其中土壤污染源和灌溉水污染源處理下，水稻各部位Cd含量大小順序為根＞莖＞葉＞谷殼＞糙米，葉面污染源為葉＞根＞莖＞谷殼＞糙米。

（3）可以通過測定葉片Cd含量來預測水稻糙米中Cd的含量，但是在田間的實際應用，有待于進一步研究。

（4）葉面污染源更容易導致糙米中Cd含量超過國家食品衛生標準值，其次是灌溉水污染源，最后是土壤污染源。

此外，本研究只考慮在單一污染源下的可能性，但是在農田環境中，水稻可同時受到多方面的污染源影響。因此，在三種污染源的復合污染下，具體是哪一種或者哪幾種污染源中Cd對水稻富集Cd的貢獻率最大還有待深入研究。

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雷鳴E-mail：leiming8297@163.com

Growth and Cd accumulation of rice（Oryza sativa L.）grown in soils amended with Cd from different pollution sources

LONG Si-si1, SONG Zheng-guo2*, LEI Ming1*, YU Li1, WANG Yi-kang1, JIANG Hong-fang3, SHEN Yue2
（1.College of Resources and Environment, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China; 2.Key Laboratory of Production Environment and Agro-product Safety of Ministry of Agriculture and Tianjin Key Laboratory of Agro-environment and Food Safety, Tianjin 300191, China; 3.Hunan Anbang New Agricultural Science and Technology Corp and Hunan Anbang Academy of Agricultural, Hengyang 421200, China）

Abstract：Cadmium from different pollution sources may have different bioavailability, thus showing various effects on plants. Here an experiment was carried out to study the effects of different sources of Cd on growth and Cd uptake of rice（Oryza sativa L.）under greenhouse condition. Cadmium was added to soil-rice system via mixing soil with Cd(2+)-containing solution, irrigating water and leaf-spraying to simulate soil pollution, irrigation water pollution, and atmospheric deposit pollution sources, respectively. Compared with the control, there were no significant differences in plant height and grain yields of rice among three different Cd pollution sources（P＞0.05）, while the contents of Cd in rice plants significantly increased（P＜0.05）with increasing Cd concentrations in three pollution sources. The distributions of Cd in rice plants treated with soil pollution and irrigation water pollution sources were：root＞stem＞leaf＞husk＞brown rice, whereas it was leaf＞root＞stem＞husk＞brown rice under atmospheric Cd pollution. Significant linear relationship（P＜0.05）was found between Cd content in leaves and in husks of rice in the same Cd pollution source, or across different pollution sources. The highest concentration of Cd in brown rice was observed under atmospheric pollution source, followed by irrigation water pollution and soil pollution sources, suggesting that enrichment of Cd in brown rice decreased in order of atmospheric pollution＞irrigation water pollution＞soil pollution.

Keywords：rice plant; cadmium; soil pollution source; irrigation water pollution source; atmospheric pollution source; brown rice

*通信作者：宋正國E-mail：forestman1218@163.com

作者簡介：龍思斯（1991—），女，湖南婁底人，碩士研究生，研究方向為環境污染修復與治理。E-mail：358719093@qq.com

基金項目：國家863項目子課題（2012AA10404-5）；湖南省安邦農業研究院資助項目

收稿日期：2015-11-09

中圖分類號：X503.231

文獻標志碼：A

文章編號：1672-2043（2016）03-0419-06

doi:10.11654/jaes.2016.03.002