水稻和大豆對重金屬Cd的富集效應差異性比較

趙懷敏，李 艷，劉麗萍，陶泉宏，胡 鈺，李 芯，官天培

(綿陽師范學院/生態安全與保護四川省重點實驗室，四川綿陽 621006)

0 引言

隨著現代工農業的快速發展，土壤環境污染在不斷地加劇，特別是土壤重金屬污染.土壤是農產品中重金屬的主要來源，農用地土壤中累積的重金屬元素在農作物中不斷富集，最終又會通過食物鏈進入到人體內，對人類的健康造成潛在的威脅.研究表明，土壤污染的加劇可增加農產品中重金屬的積累，但土壤污染程度并非是影響農作物吸收重金屬的唯一因素，不同種類農作物對重金屬的富集效果存在差異[1-2].例如，不同葉菜類蔬菜品種對重金屬的吸收富集具有特異性差異[3]，玉米和稻米中鎘的富集系數也存在差異[4].在對糧食作物富集重金屬的研究中發現大豆各器官對土壤中鎘的吸收強弱表現為根>莖>葉>果實[5].土壤鉛和鎘在玉米和大豆中不同器官的富集不盡相同，表現在根>秸稈>葉>果實[6].也有研究表明：不同類型水稻品種間對鎘的吸收與累積有差異，而且水稻植株對鎘的吸收與積累在不同器官也存在差異[7].

本研究借助田間試驗，分析了大豆和水稻各器官中重金屬Cd的含量，比較了富集特征以及對鎘的轉運能力，進而比較大豆和水稻對Cd的吸收運輸能力.

1 材料與方法

1.1 樣品采集

研究地位于涪江流域上游地區平武縣內，地處四川盆地西北部，屬北亞熱帶山地濕潤季風氣候，氣候溫和，年均溫為14.7 ℃，降水豐富，年降水量約為866.5 mm，多年平均日照時間1 376 h，光照充分，多年平均無霜期約為252 d.該區多高山陡坡，土壤侵蝕現象嚴重，土壤礫石含量高，土層淺薄、結構松散，土壤貧瘠.

在研究區域農田內隨機選擇了兩塊環境一致的農用地作為試驗區域，其中旱地種植大豆，水田種植水稻.兩塊農用地耕作層土壤中重金屬Cd的含量見表1.通過獨立樣本T檢驗，兩塊地的鎘含量無差異.據《土

壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 15618-2018)標準(表2)，該試驗區域土壤中Cd的平均含量超過了土壤環境質量二級標準，通過獨立樣本T檢驗分析，兩塊地的鎘含量無顯著差異.

1.2 樣品采集與測定

在研究區域的旱地和水田中隨機選取3塊旱地，每塊旱地和水田隨機取3株大豆和水稻，將大豆和水稻植株的根、莖、葉、豆莢/稻谷分開，并用蒸餾水洗掉泥土后，在105 ℃下殺青1 h，然后在80 ℃烘箱中烘干至恒重.將豆莢和稻谷的外殼去除，保留可食用部分，并分別將根、莖、葉與可食用部分研磨至粉末狀，過100目網篩，用于重金屬含量測定.

根據朱維晃等人(2004)的方法[8]，測定植物樣品中重金屬Cd的含量，即采用HNO3-HClO4-HF混合酸消解植物樣品，酸的體積比為2∶1∶1，將消解后的樣品，用電感耦合等離子體質譜法(ICP-MS)測定植物樣品中的重金屬Cd的含量.

1.3 重金屬轉運與富集系數

富集系數( biological concentration factor, BCF)能夠反映植物對重金屬的富集(吸收)能力，轉運系數( transfer factor, TF)可以用來反映植物對重金屬的轉運能力[9]，其計算方法參考文獻[10]：

BCF=植物器官中重金屬含量/土壤中相應重金屬含量

TF=植物地上部分重金屬含量/植物根部相應重金屬含量

1.4 重金屬污染評估

采用單因子污染指數法評估大豆和水稻可食用部分的重金屬Cd污染水平，根據《食品安全國家標準食品中污染物限量》(GB 2762-2012)標準，評價大豆和水稻可食用部分的Cd污染程度，其計算方法參考文獻[11]：

P=C/S

其中，P為可食用部分中重金屬Cd的單因子污染指數，C為可食用部分中重金屬Cd的實測濃度，S為重金屬Cd在《食品安全國家標準食品中污染物限量》(GB 2762-2012)標準中所對應的限量值.P<1.0,表明未受重金屬Cd污染；13，則受重度污染，指數越大，受污染程度越嚴重.

1.5 數據處理

注：不同小寫字母表示不同物種間的差異顯著 (P<0.05)，不同大寫字母表示同一物種不同 器官間的差異顯著(P<0.05)，下同.圖1 大豆和水稻以及不同器官中Cd含量Fig.1 Cd content in soybeans and rice,and in different organs

采用Excel 2016 對數據進行初步處理，用SPSS 23．0 對數據進行統計分析,用origin作圖.先將數據進行方差分析，數據符合正態分布，當數據方差不齊性時，將數據進行對數轉換，使其達到方差齊性.兩組數據間差異性比較采用T檢驗中的獨立樣本T檢驗的方法，而多組數據間差異性比較先進行單因素方差分析(one-way ANOVA)，再用Duncan檢驗法進行多重比較，圖表中數據為平均值±標準誤差.

2 結果與分析

2.1 大豆和水稻中重金屬Cd含量的分布特征

大豆和水稻整株中及其各器官中Cd含量結果如圖1所示.水稻整株中重金屬Cd的含量顯著高于大豆整株中的含量.兩種農作物的不同器官進行比較，根、莖、葉、可食用部分中的Cd含量水稻中顯著高于大豆.每種農作物各個器官間的Cd含量存在顯著差異，并且都是在根部含量最大，其次是莖，大豆在可食用部分中的含量最小，約為0.069 mg/kg，而水稻在可食用部分的含量大于在葉片中的含量，可食用部分中Cd含量約為0.608 mg/kg，大豆和水稻中各器官間差異均達顯著水平.

2.2 大豆與水稻對重金屬Cd的富集和轉運特征

大豆和水稻對Cd的富集和轉運特征如圖2和圖3所示.水稻的地上部分和地下部分Cd的含量均顯著高于大豆(圖2).水稻和大豆對重金屬Cd的富集系數均大于1，水稻為9.687，顯著大于大豆對重金屬Cd的富集系數1.734，約是大豆富集系數的5.6倍.水稻和大豆地上部分Cd含量均顯著大于地下部分Cd含量，大豆和水稻對Cd的轉運系數均大于1，但大豆對Cd的轉運系數顯著高于水稻.

圖2 大豆與水稻地上、地下部分Cd含量Fig.2 Cd content of soybeans and riceon the ground and underground圖3 大豆與水稻的轉運、富集系數Fig.3 Transfer and biological concentrationfactor of soybeans and rice

2.3 不同器官對重金屬Cd的富集特征

圖4 不同器官對Cd的富集系數 Fig.4 The biological concentration factor of cd for different organs

不同器官對重金屬Cd的富集能力也有差異(圖4).在大豆植株中，不同器官對Cd的富集系數由大到小的順序為：根>莖>葉>可食用部分；而在水稻植株中，對Cd的富集系數由大到小依次為：根>莖>可食用部分>葉.從圖4中還可以看出，不僅不同器官對Cd的富集系數不同，且大豆和水稻植株中相同器官對Cd的富集系數也具有顯著差異.水稻的根、莖、葉、可食用部分實對Cd的富集系數分別顯著大于大豆植株中對應器官對Cd的富集系數.

2.4 可食用部分重金屬單項污染指數評價

用單項污染指數法對大豆和水稻可食用部分重金屬Cd污染水平進行評價(表3).大豆可食用部分Cd污染指數值小于1，大豆可食用部分未受Cd的污染；水稻可食用部分Cd污染指數值約為3.040，大于3，受到Cd污染嚴重.

3 討論

Hao等人測定了受污染土壤中毛豆、豇豆、芝麻、辣椒四種植物的重金屬含量，發現其重金屬含量最高的是芝麻，其次是毛豆、豇豆，含量最低的是辣椒，該結果表明了不同作物體內重金屬含量也不同[12].但也有研究表明，由于不同的作物具有不一樣的生物學特性，使其對重金屬元素的吸收積累量具有明顯的種間差異，一般情況為：豆類>小麥>水稻>玉米[13]，這與本研究結果不同.本研究結果表明，大豆和水稻對Cd的吸收具有差異，且水稻比大豆更容易吸收積累Cd，這可能與研究地土壤重金屬水平以及水稻和大豆的根系形態、根對Cd的吸收能力和生理活性[14]以及對Cd的富集轉運能力有關.

植物對重金屬的吸收轉移能力可以用富集系數和轉運系數綜合反映.富集系數越大，則植物對該重金屬的富集能力就越強，當富集系數大于1時，更有利于植物對土壤中相應重金屬的吸收.當轉運系數大于1時，有利于植物將根系吸收的重金屬轉移到地上部分.而當轉運系數小于1時，則表明地上部分重金屬的含量低于地下部分重金屬含量，這不利于重金屬向地上部分轉移，從而減少對植物的毒害作用.在本研究中，水稻和大豆對Cd的富集系數、轉運系數均大于1，但水稻對Cd的富集系數更大，則表明水稻和大豆都容易吸收土壤中的重金屬Cd，大豆和水稻植株地上部分重金屬Cd含量均大于所對應的土壤環境中的重金屬Cd含量，這說明水稻和大豆都更易積累Cd而受到土壤中Cd的影響.大豆對Cd的轉運系數大于水稻對Cd的轉運系數，且均大于1，則表明大豆和水稻根系中吸收的Cd很容易被轉移到地上部分，即大豆和水稻能通過根不斷的吸收土壤中的相應重金屬而轉運到地上部分，一方面減少土壤中的重金屬含量可起到一定作用，但對食用種子的植物來說，重金屬往地上部分的轉移則可能造成食用部分的鎘超標.

植物的不同器官對重金屬的吸收能力也有差異，本研究結果顯示，大豆各器官中重金屬Cd含量的順序為：根>莖>葉>果；水稻中各器官中Cd含量的順序為：根>莖>稻米>葉.吳燕玉等人的研究表明植物各器官對元素的吸收能力不同，元素在作物體內的分布一般為：根>莖>葉>籽實，呈寶塔狀分布，水稻根部吸收重金屬多，但向上遷移的較少，大豆根部雖然吸收的少，但向上遷移的較多[15].邵云等人研究了五種重金屬在小麥不同器官中的分布特征，顯示了重金屬在小麥中各部位的累積量不同，小麥植株中較易富集Cd的是根、葉和廢棄物[16].王倩倩的研究表明水稻中的Cd主要積累在根、莖中[17]；莫爭等人的研究發現，在水稻成熟期Cd大部分積累在根部[18]；Liu 等人研究表明，Cd在水稻植株體內的累積順序大致為：根系>莖>葉>糙米[19].本研究結果也表明，無論是大豆還是水稻，其根中Cd的含量最多，根對Cd的富集系數最大，說明根對Cd的吸收能力最大.推測大豆和水稻的根系可以作為一種屏障或過濾器，抑制Cd進一步向植物地上部分遷移.而大豆和水稻的莖中Cd的含量僅次于根，則表明莖可以進一步的抑制Cd向葉片和果實中運輸.大豆和水稻植株中不同器官對Cd的吸收積累能力的差異，可能是由于各器官對元素吸收的功能不同，如根主要負責吸收土壤中的Cd，而莖主要是運輸根中吸收的Cd，從而使Cd在植株的葉片和果實中積累.但在本研究中，稻米的Cd含量高于葉片，這可能是因為稻米對Cd的富集能力高于水稻葉片對Cd的富集能力.水稻各器官以及整株中Cd的總量也要顯著高于大豆，這可能是因為水稻植株中的各器官比大豆植株中的各器官富集Cd能力更強，最終導致水稻整株對Cd的富集能力高于大豆.

不同植物中重金屬的富集系數和轉運系數不同[20]；地上部分中重金屬富集系數大于1的植物吸收的重金屬大部分分布在地上部分，具有較高的地上部/根濃度比率，且能在重金屬污染的土壤中正常生長[21].大豆和水稻地上部分對Cd的積累能力不同，水稻對Cd的積累能力大于大豆，但它們對Cd的富集系數均大于1，且它們對Cd的轉運系數也均大于1，表明了無論是水稻還是大豆，它們轉運重金屬Cd的能力較強.由此可見，大豆和水稻吸收的Cd大部分分布在地上部分，并能在Cd污染的土壤中正常生長，不會出現重金屬Cd毒害現象.因此，在農田的Cd低污染區域，種植大豆和水稻可起到一定修復農田Cd污染的效果.根據國家發行的《食品安全國家標準 食品中污染物限量》(GB2762-2017)可知，稻谷、糙米、大米、豆類及其制品中Cd的限量均為0.2 mg/kg，但本研究中稻米中Cd含量約為0.608 mg/kg，超過了食品安全國家標準，大豆中Cd含量低于0.2 mg/kg，符合食品安全國家標準.從單項污染指數來看，大豆的Cd污染指數小于1，受Cd污染較小，但稻米的Cd污染指數大于3，受到Cd的嚴重污染.所以從人類健康來看，受到Cd輕污染土地不適合種植水稻食用.

4 結論

大豆和水稻均較易吸收積累Cd，雖然與大豆相比，水稻更容易吸收、積累Cd，但大豆根系吸收的重金屬Cd更容易被轉移到地上部分，且大部分停留在莖和葉中，而水稻中Cd更容易停留在稻米中.因此，可將水稻和大豆用于農田的Cd污染修復，即水稻和大豆對受鎘污染的土壤有一定修復作用，但從人類健康考慮，受輕度鎘污染的土壤，不適合種植水稻供食用.