鎘污染對水稻分蘗期植株生長及鎘積累的影響

林 肖，任艷芳，張艷超，王艷玲，何俊瑜

(貴州大學 農學院，貴州 貴陽 550025)

鎘污染對水稻分蘗期植株生長及鎘積累的影響

林 肖，任艷芳，張艷超，王艷玲，何俊瑜*

(貴州大學 農學院，貴州 貴陽 550025)

以水稻中優169為材料，通過盆栽試驗，研究了不同濃度Cd污染對水稻分蘗期植株生長、根系活力、Cd積累與分配的影響。結果表明，5 mg·kg-1的Cd污染使分蘗期水稻植株根系活力和生物量明顯降低，莖蘗數減少。隨著Cd污染程度的增加，水稻根和莖葉Cd含量和積累量明顯增加；根和莖葉的Cd富集系數、轉移系數均呈降低趨勢。1 mg·kg-1和5 mg·kg-1Cd使水稻根系Cd分配比例增加，莖葉Cd分配比例下降，且趨于穩定。

鎘； 水稻； 分蘗期； 積累； 分配

鎘(Cd)是主要的土壤重金屬污染物之一。工業活動、過度施肥和廢物處置不當等原因引發我國農業生產面臨嚴重的Cd污染。Cd不是植物生長發育所必需的元素，農田土壤中的Cd能被作物吸收，影響植株生長并通過食物鏈，威脅人體健康。

水稻是我國重要糧食作物之一，也是吸收積累Cd較強的農作物[1]。稻田Cd污染不僅影響水稻生長，更為嚴重的是Cd大量積累于稻米中，影響稻米質量[2]。據報道，我國受Cd污染稻田已經達28萬 hm2，每年生產的Cd含量超標農產品已超過7.3億t[3]，隨著農田Cd污染的加劇，稻米安全問題與日俱增。近年來，關于Cd污染對水稻生長發育、生理生化特性的影響[4]及其耐性機制[5-6]、Cd在水稻植株中的吸收積累[7-8]等方面已有大量研究，但有關水稻植株不同器官對Cd的吸收、累積及分配特征缺乏系統研究。研究表明，水稻Cd積累不僅受到土壤Cd污染程度等的影響，而且存在種間、種內差異。此外，不同生育時期不同部位對Cd的吸收積累效應差異較大[9-10]。

研究表明，水稻從土壤中吸收Cd主要集中在抽穗揚花之前的營養生長階段，該階段所吸收的Cd占整個生育期吸收Cd的91%[11]。分蘗期作為水稻營養生長階段的重要時期，代謝旺盛，對重金屬Cd的吸收能力強，不僅造成重金屬在水稻植株體內積累，而且對水稻的生長、群體結構、產量影響很大。因此，明確分蘗期Cd的積累分配特征對于采取有效措施降低水稻重金屬Cd累積，保障糧食質量安全具有重要意義。為此，本文通過盆栽試驗研究了Cd污染對水稻分蘗期植株分蘗、根系活力和干物質積累的影響以及根系和地上部對Cd積累分配特征，以明確分蘗期水稻Cd積累分布規律，從而為采取相應措施降低水稻對Cd的吸收積累提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

盆栽試驗于2015年在貴州大學農學院盆栽試驗場進行。供試水稻品種為中優169，在無污染稻田進行育秧。供試土壤為貴陽市花溪區典型稻田土。采集耕層土風干去渣后，過2 mm篩，混勻。另取少許土樣分別過2 mm和0.149 mm尼龍篩，測定土壤基本理化性狀[12]。土壤pH值63.96，有機質含量23.21 g·kg-1；堿解氮、速效鉀、速效磷、全鎘、有效鎘含量分別為133.83、216.57、56.72、0.524和0.116 mg·kg-1。

1.2 處理設計

試驗設3個鎘濃度，分別為1 mg·kg-1Cd(Cd1)、5 mg·kg-1Cd(Cd5)、以未添加Cd的稻田土為對照(Cd0)，每處理種植36桶。

試驗盆缽為25 cm(直徑)×30 cm(高)黑色塑膠桶。將過篩混勻土裝入塑膠桶，每桶裝土15 kg，通過添加CdCl2·2.5H2O溶液模擬污染土壤，使土壤鎘濃度達到試驗要求。施入鎘后將桶中土攪拌均勻，加入去離子水完全淹水預培養1個月后種植水稻。種植前，按每千克土加入0.32 g尿素(含N 46%)、0.14 g磷酸二氫鉀(含P2O512%)和0.25 g氯化鉀(含K2O 60%)作為基肥。于5月25日移栽育好的水稻秧苗，每桶3穴，每穴2株。尿素追肥和病蟲害防治措施同當地水稻高產田。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 分蘗動態觀察

通過定點記錄每穴分蘗數，測定植株的分蘗動態。

1.3.2 生物量測定

植株收獲后，先用自來水小心清洗，再用去離子水反復沖洗并吸干表面水分，分為根系和莖葉兩部分，置于烘箱中105 ℃下殺青30 min，70 ℃恒溫下烘干至恒重并用萬分之一電子天平稱量植株根和莖葉干重。

1.3.3 根系活力測定

采用TTC還原法測定根系活力[13]。

1.3.4 植株Cd含量測定

植株不同器官Cd含量采用硝酸-高氯酸(4∶1，V∶V)濕法消煮，超純水定容后用石墨爐原子吸收分光光度計(AA240FS，VARIAN，USA)進行測定。以國家標準物質GBW080684為內標進行質量控制，同時全程做空白試驗。分析所用試劑均為優級純，分析所用器皿均以5%硝酸溶液浸泡過夜，用去離子水洗凈。

1.4 富集系數、轉運系數、分配比例

參照文獻[14]。富集系數=水稻器官Cd含量/土壤Cd含量，轉運系數=水稻地上部各器官Cd含量/根部Cd含量，分配比例/%=(植株各器官Cd積累量/整株Cd積累量)×100。

1.5 數據處理

采用Excel 2003和SPSS 19.0軟件分析處理數據。

2 結果與分析

2.1 鎘污染對水稻分蘗的影響

從圖1可以看出，Cd污染下水稻莖蘗數隨生育期的變化趨勢總體相似，呈單峰型曲線。Cd污染下水稻的最大莖蘗數有所降低，與對照相比，1 mg·kg-1Cd和5 mg·kg-1Cd污染下分蘗速度較慢，且分蘗峰值低，每穴最大莖蘗數分別低0.67和1.67個，分別下降2.38%和5.96%。此外，Cd污染使水稻的有效莖蘗數有所下降，與對照相比，1 mg·kg-1Cd和5 mg·kg-1Cd污染下有效莖蘗數分別下降3.35%和8.35%，其中5 mg·kg-1Cd污染下差異明顯(P<0.05)；分蘗成穗率分別下降0.99%和3.18%。

圖1 鎘污染對水稻分蘗動態的影響

2.2 鎘污染對水稻分蘗期植株生物量的影響

干物質量可反映作物生長發育的好壞。圖2表明，不同Cd污染下水稻單株根和莖葉干物質積累量不同，與對照相比，1 mg·kg-1Cd污染下水稻根系和莖葉的生物量未受明顯影響；5 mg·kg-1Cd污染下水稻分蘗期根系和地上部的生物量明顯降低(P<0.05)，分別降低12.31%和14.81%。這與呂銀斐等[15]的研究結果一致。

圖2 鎘污染對水稻植株生物量的影響

2.3 鎘污染對水稻分蘗期根系活力的影響

根系是植物吸收養分的主要器官，其活力的強弱直接影響植株的生長。由圖3可以看出，1 mg·kg-1Cd污染對水稻根系活力無明顯的抑制作用，而5 mg·kg-1Cd污染處理使水稻根系活力明顯降低(P<0.05)，與對照相比，根系活力降低9.20%。這與劉春梅等[13]的研究結果一致。

圖3 Cd污染對水稻根系活力的影響

2.4 Cd污染對水稻分蘗期植株Cd含量和積累的影響

分蘗期水稻根、莖葉Cd含量見圖4。在不同濃度Cd污染下水稻不同部位Cd含量差異顯著。各部位Cd含量均隨著Cd污染濃度增大明顯增加，且根中Cd含量顯著高于莖葉。這與莫爭等[7]的研究結果一致。Cd主要集中在根部，與Cd進入根皮層細胞后，同根內蛋白質、多糖、核糖、核酸等化合形成穩定的大分子絡合物，或與形成不溶性有機大分子而沉積下來有關[16]。在1 mg·kg-1Cd污染下，根內Cd含量為莖葉的4.91倍。在5 mg·kg-1Cd污染下，根內Cd含量是莖葉內的4.61倍，表明較高濃度Cd污染下，根系與莖葉Cd含量差距在減小。

圖4 Cd污染下水稻不同部位Cd含量

水稻植株不同部位及整株Cd積累量均隨著Cd污染濃度增大而明顯增加。由表1可知，與對照相比，1 mg·kg-1Cd污染下，根、莖葉和植株Cd積累量分別增加1.30、0.51和0.82倍；5 mg·kg-1Cd污染下，根、莖葉和植株Cd積累量分別增加5.57、3.78和4.49倍。可見，Cd污染明顯促進植株中Cd的積累。

表1 Cd污染下水稻根與莖葉Cd積累量

處理積累量/μg根莖葉植株積累總量Cd02094±022c3156±025c5251±061cCd14826±054b4753±043b9578±152bCd511655±143a11914±116a23569±206a

注：處理間無相同字母表示差異顯著。

2.5 水稻分蘗期不同部位的Cd富集系數、轉移系數和分配比例

由表2可知，Cd污染對水稻分蘗期各部位的Cd富集系數有一定影響。隨著Cd污染程度的增加，水稻分蘗期根和莖葉的Cd富集系數均呈降低趨勢，與對照相比，1和5 mg·kg-1Cd污染下，根系Cd富集系數分別下降16.50%和39.81%，莖葉Cd富集系數分別下降43.75%和59.38%。Cd在水稻植株體內的轉移系數隨著Cd污染程度的增加呈下降趨勢。相比對照，1和5 mg·kg-1Cd使分蘗期水稻根系Cd分配比例增加，而使莖葉Cd分配比例下降，且二者間無明顯差異，說明隨著Cd污染程度的增加，水稻分蘗期根、莖葉的分配比例較為穩定。

表2 Cd污染下水稻不同器官Cd富集、轉移和分配情況

處理富集系數根莖葉轉移系數分配比例/%根莖葉Cd010303203139896011Cd108601802250384962Cd506201302049455055

3 小結與討論

水稻是我國重要的農作物，在整個國民經濟和社會安定中起著重要作用。稻田重金屬Cd污染導致水稻生長發育受阻，進而影響產量。土壤Cd污染對水稻分蘗期植株生長、發育及器官Cd積累的作用受土壤因素和品種基因型的影響甚為顯著，常因試驗條件不一導致試驗結果多有差異。研究表明，土壤低濃度Cd含量能促進植物的生長發育，使其生物量顯著增加，但當Cd達到一定濃度時會抑制植物的光合生產力，根系活力受抑，生物量減少[17-18]。本試驗結果表明，與不加Cd處理相比，1 mg·kg-1Cd污染對水稻的分蘗、生物量和根系活力均未受到明顯的影響，但在5 mg·kg-1Cd污染下，水稻的生長發育(分蘗、生物量和根系活力)受到明顯的抑制，呈現出較為明顯的Cd毒害特征，這與呂銀斐等[15]研究結果相一致。不同Cd濃度對分蘗期水稻器官Cd吸收累積有明顯的影響。本試驗得出，分蘗期水稻根系與莖葉中Cd含量與積累量隨土壤Cd濃度的增加而明顯升高，這與喻華等[18]的研究結果相似。此外，隨著Cd污染程度的增加，根和莖葉的Cd富集系數、轉移系數均呈降低趨勢。1和5 mg·kg-1Cd使水稻根系Cd分配比例增加，莖葉Cd分配比例下降，且趨于穩定。

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(責任編輯：張瑞麟)

2017-02-23

國家自然科學基金(31460100；41261095)

林 肖(1990—)，男，貴州畢節人，碩士研究生，研究方向為重金屬污染與植物營養。

何俊瑜，教授，從事環境生理生態方面的研究工作，E-mail：junyuhe0303@sina.com。

10.16178/j.issn.0528-9017.20170505

S511

A

0528-9017(2017)05-0743-04

文獻著錄格式：林肖，任艷芳，張艷超，等. 鎘污染對水稻分蘗期植株生長及鎘積累的影響[J].浙江農業科學，2017，58(5)：743-746.