地質高背景區鎘污染稻田中低累積水稻品種篩選

秦冉 婁飛 代良羽 王虎 周凱 何守陽 何騰兵 付天嶺

摘要：【目的】探究地質高背景區鎘（Cd）污染稻田水稻對Cd的富集轉運特征，篩選適用于稻田安全生產的Cd低累積水稻品種，為該地區的水稻安全生產提供參考。【方法】以貴州開陽縣10個主栽水稻品種為材料，采用田間小區試驗的方法，測定土壤、水稻不同組織部位Cd含量，對比不同水稻品種對Cd的富集和轉運特征，并結合水稻產量和聚類分析，篩選Cd低累積水稻品種。【結果】參試水稻品種的稻田土壤pH為5.88～6.37、全Cd含量為0.89～1.30 mg/kg、有效態Cd含量為0.40～0.58 mg/kg，不同品種間土壤pH及Cd含量無顯著差異（P>0.05，下同）。水稻不同組織部位間的Cd含量以莖部和根部積累較高。相對于根際土，Cd在水稻莖、根中呈明顯的富集特征，富集系數均超過1.00，但多數品種谷殼、糙米對Cd的富集系數小于1.00。Cd轉運系數以糙米/谷殼、莖/根轉運系數較高，其中，水稻體內Cd從根向莖、谷殼向糙米的轉運能力相對較強，接近或超過1.00。在水稻品種間產量無顯著差異的前提下，結合聚類分析可將10個水稻品種劃分為三類：第Ⅰ類（較低值類）包括成優1479和天優1177;第Ⅱ類（中間值類）包括C兩U華占、黑糯80、川華優320、紅優2號、C兩優華占和瀘香優110;第Ⅲ類（較高值類）包括金優2017和宜香優2115。【結論】10個參試水稻品種中，本地主栽水稻品種各部位相對易于富集Cd，其中，金優2017和宜香優2115糙米Cd含量嚴重超標，不建議在Cd污染稻田中種植;成優1479和天優1177的糙米Cd含量較低，可作為Cd低累積水稻品種推廣種植。

關鍵詞：Cd污染稻田;水稻;Cd含量;富集系數;轉運系數;低累積品種

中圖分類號：S511? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼： A 文章編號：2095-1191（2021）10-2709-08

Abstract：【Objective】A plot study was performed to explore the bioaccumulation and transport of cadmium（Cd）in the paddy fields of a high geological-background area，and to screen low-bioaccumulation rice varieties，providing refe-rence for safe rice production in the area.【Method】Ten rice varieties that spread throughout central Kaiyang of Guizhou? were tested by plot experiment. The Cd content of different soil and rice tissues was determined， and the enrichment and transport characteristics of Cd were compared with different rice varieties， and combined with rice yield and cluster analysis to select Cd low accumulation rice varieties. 【Result】The soil pH of the tested rice varieties was 5.88 to 6.37， full Cd content was 0.89 to 1.30 mg/kg， and effective Cd content was 0.40-0.58 mg/kg. There was no significant difference in soil pH and Cd content between different varieties （P>0.05， the same below）. Cd content in different tissues of rice was high in stem and root. Compared with rhizosphere soil， Cd was obviously enriched in rice stems and roots， and the enrichment coefficient was more than 1.00， but the enrichment coefficient of most varieties of husk and brown rice was less than 1.00. The Cd transport coefficient was high in brown rice/chaff and stem/root transport coefficient， and the capacity of Cd transport from root to stem and chaff to brown rice was relatively strong， close to or over 1.00. On the premise of no significant difference in yield among rice varieties， combined with cluster analysis， 10 rice varieties could be divided into three categories：category Ⅰ（lower value category） including Chengyou 1479 and Tianyou 1177; category II （intermediate value category） including C Liang U Huazhan， Heinuo 80， Chuanhuayou 320， Hongyou 2， C Liang U Huazhan and Luxianyou 110; category Ⅲ（higher value category） including Jinyou 2017 and Yixiangyou 2115. 【Conclusion】Among the 10 tested rice varieties， all parts of local main rice varieties are relatively easy to enrich Cd. Among them， the Cd content of Jinyou 2017 and Yixiangyou 2115 brown rice seriously exceeds the standard， so it is not recommended to plant in Cd polluted rice fields. The brown rice of Chengyou 1479 and Tianyou 1177 has low Cd content， which can be populari-zed as rice varieties with low Cd accumulation.

Key words：Cd contaminated paddy field; rice; Cd content; enrichment coefficient;transport coefficient; low-bioaccumulation varieties

Foundation item：Karst Center Project of National Natural Science Foundation of China-Guizhou Provincial People’s Government （U1612442）; Science and Technology Basic Condition Platform Project of Guizhou Provincial Department of Science and Technology （QKHPTRC〔2019〕5701）

0 引言

【研究意義】我國農用地鎘（Cd）污染形勢嚴峻，據環境保護部和國土資源部2014年發布的《全國土壤污染狀況調查公報》顯示，Cd污染物點位超標率為7%，主要集中在中南、西南喀斯特等高背景值地區（Duan et al.，2016）。而貴州作為西南喀斯特連片集中區域，“七五”背景調查點土壤母質層Cd平均含量為1.24 mg/kg，遠高于全國的土壤Cd平均水平（0.084 mg/kg），且大面積地表土壤偏酸性（pH<6.5）（高雪等，2013;駱永明和滕應，2018）。以GB 15618—2018《土地環境質量農用地土壤污染風險管控標準（試行）》中土壤污染風險篩選值（0.3 mg/kg）為標準，貴州農用地存在大面積Cd超標風險（田茂苑，2019）。在貴州耕地后備資源日漸趨緊的態勢下，針對輕中度重金屬污染農田，采用低累積品種篩選是實現作物安全生產的推薦應用模式（陳彩艷和唐文幫，2018），對保障當地糧食輸出潛力及主栽品種的推廣和應用均具有重要意義。【前人研究進展】近年來，有關低累積型水稻品種篩選及應用研究已趨于成熟（薛濤等，2019）。何玉龍（2016）研究表明，水稻的根和莖對Cd具有強富集能力，可抑制Cd向籽粒轉運;蘭艷（2017）以31份粳稻品種和8份秈稻品種為材料開展Cd排異型水稻品種篩選，結果表明，相對秈稻品種，粳稻品種不易富集Cd;張玉燭等（2019）通過開展285個雙季水稻Cd低累積品種篩選試驗，發現25個應急性Cd低累積水稻品種基本能保證糧食安全達標;薛濤等（2019）研究發現水稻對Cd的敏感程度不同，繼而使糙米Cd積累產生差異，可作為篩選低累積水稻品種的前提;馮愛煊等（2020）在Cd污染土壤上種植水稻，通過水稻糙米Cd含量區分為較高值、中間值、較低值3類，進而篩選出Cd低累積型水稻品種;王萍等（2021）研究發現個別水稻品種對Cd有良好的吸收能力，并篩選出適宜在輕度Cd污染土壤上種植的Cd低累積水稻品種。【本研究切入點】目前，關于低累積水稻品種篩選的研究主要集中在湖南、廣東、東北等地區，但低累積水稻品種的應用通常具有區域性（肖蓉等，2018），而針對貴州地區Cd污染稻田低累積水稻品種的研究鮮見報道。【擬解決的關鍵問題】以貴州當地主栽的10個水稻品種為試驗材料，開展田間小區試驗，探討不同水稻品種對Cd的轉運富集特征，為地質高背景區Cd污染稻田的安全生產提供參考。

1 材料與方法

1. 1 試驗區概況

試驗地位于貴州省貴陽市開陽縣（東經106°44′～107°16′，北緯26°47′～27°22′），地處云貴高原地區腹地。開陽縣屬北亞熱帶季風濕潤氣候，冬無嚴寒，夏無酷暑，雨熱同季，全縣海拔在506.5～1702.0 m，全年無霜期約315 d，年平均氣溫10.6～15.4 ℃，年降水量1100～1200 mm。境內地貌由于風化強烈，流水侵蝕、溶蝕嚴重，形成復雜多樣的地貌類型，以山地為主，屬于典型喀斯特地區。土壤有著廣泛的富硒巖層及出露含硒量高的石煤層，土壤層存在一定的石漠化，敏感性以輕度敏感為主，土壤有效鉀、有效磷缺乏。貴陽市土壤Cd含量背景值為0.119 mg/kg（李娟和汪境仁，2003;鄧秋靜等，2006）。

1. 2 試驗材料

供篩選的水稻品種為10個貴州開陽縣本地主栽品種，分別為本地品種黑糯80、紅優2號及雜交稻宜香優2115、C兩U華占、成優1479、川華優320、金優2017、花優375、瀘香優110和天優1177。種子購自開陽縣種子站和貴州省農業科學院水稻研究所。

1. 3 試驗方法

插秧田間小區試驗：集中播種育苗，施肥，淹水，機械打田，按4 m×5 m（20 m2）劃分小區，小區之間筑田埂并覆膜，每個小區內人工插秧，每窩2株稻秧，行間距25 cm×35 cm，共計156窩，重復2次，共20個小區。田間管理按當地常規要求進行，生長期180 d。開陽縣東風水庫水灌溉，分蘗期曬田1次，揚花期稻瘟病防御施藥1次，收割前7 d排水曬田。同時監測灌溉水水質3次，大氣干濕沉降2次。

1. 4 樣品采集及指標測定

于水稻成熟期之際，每個試驗小區應用棋盤式采樣法采集1窩稻穗，脫粒后進行稱量計算稻米產量;小區中心采集整窩水稻樣品，并采集相應點的水稻根際土壤樣品。采集的水稻樣品先用自來水沖洗后用超純水洗凈，稻谷使用小型脫粒礱谷機進行脫殼，去皮即為糙米樣品，共分成根、莖、葉（含葉柄）、谷殼、糙米，室內陰干，分別用牛皮紙信封包裝，放入65 ℃烘箱中，烘至恒重;水稻各個部分用小型植物磨樣機打成粉末，過40目尼龍篩備用。土壤陰干后，研磨過20目、100目篩，用于測定土壤pH及全Cd和有效態Cd含量。

水稻根際土壤樣品采用HNO3-HF-HCIO（3∶1∶1）三酸高壓密閉法消解，土壤中生物有效態Cd采用DTPA浸提法進行提取（薛濤等，2019）。水稻根、莖、葉、谷殼與糙米采用HNO3消解法，在石墨消解儀（YKM-36，長沙永樂康儀器設備有限公司）中升溫至120 ℃消解2 h，消解液、浸提液均采用ICP-MS（X2，賽默飛）測定根際土有效態Cd、全Cd和水稻各部位Cd含量（Chen et al.，2005）。土壤和植物樣品分別采用國家標準物質GBW07405（GSS-5）和GBW10012（GSB-3）進行分析質量控制。

水稻各部位Cd的富集、轉運系數計算公式：

富集系數=植物各部分Cd含量/土壤中Cd含量

轉運系數=Ci/Cj

式中，Ci代表植物后一部位Cd含量，Cj代表植物前一部位Cd含量。

1. 5 統計分析

采用SPSS 25.0進行相關分析（Person檢驗，雙尾，P為0.05）和雙因素方差分析（HSD檢驗，P為0.05）;利用Origin 8.5制圖。

2 結果與分析

2. 1 土壤環境分析及水稻產量對比

如表1所示，水稻根際土pH范圍為5.88～6.37，但各品種間的根際土pH差異均不顯著（P>0.05，下同）;根際土全Cd含量為0.89～1.30 mg/kg，平均含量為1.02 mg/kg，是GB 15618—2018《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準》Cd風險篩選值（0.4 mg/kg）的2.23～3.25倍;根際土有效態Cd含量為0.40～0.58 mg/kg，有效態Cd占全Cd質量分數的19%～27%，其中，黑糯80根際土有效態Cd含量最高，達0.58 mg/kg，屬于高活性水平，但各品種根際土間的Cd含量差異也未達顯著水平。

10個水稻品種的產量在6075～7999 kg/ha，均無顯著差異，平均產量為6702 kg/ha。產量排序為：天優1177>川華優320>花優375>金優2017>C兩U華占>黑糯80>紅優2號>成優1479>宜香優2115>瀘香優110。

2. 2 水稻不同部位的Cd含量分析

由表2可知，水稻根、莖、葉、谷殼和糙米的Cd含量分別是3.12～9.00 mg/kg、2.35～10.98 mg/kg、0.30～2.64 mg/kg、0.06～1.47 mg/kg和0.22～1.17 mg/kg，Cd含量累積以莖部和根部最高。不同品種的糙米Cd含量均超出GB 2762—2017《食品安全國家標準 食品中污染物限量》限值（0.2 mg/kg），其中，成優1479和天優1177糙米Cd含量較低，分別為0.36和0.22 mg/kg，較糙米Cd含量最高的金優2017（1.17 mg/kg）分別顯著降低69.2%和81.2%（P<0.05，下同）。10個水稻品種糙米Cd含量排序為：天優1177<成優1479<紅優2號<川華優320<黑糯80<瀘香優110<C兩U華占<花優375<宜香優2115<金優2017。

2. 3 水稻不同部位對Cd的富集特征

從表3可知，不同水稻品種不同部位對Cd的富集能力存在差異，各水稻品種根、莖、葉、谷殼和糙米對Cd的富集系數分別為2.59～8.97、1.95～10.04、0.25～2.82、0.06～1.35和0.18～1.16。10個品種均以根和莖部Cd富集能力較強。就水稻莖部富集系數而言，天優1177、黑糯80對Cd的富集能力顯著低于成優1479、宜香優2115、金優2017，10個水稻品種中，宜香優2115、紅優2號、C兩U華占、川華優320、金優2017、花優375的莖部Cd累積量占水稻自身Cd累積量50%以上，說明莖部是水稻體內主要的Cd富集器官。就水稻谷殼富集系數而言，天優1177、黑糯80對Cd的富集能力顯著低于金優2017、宜香優2115。水稻葉對Cd的富集能力低于莖，莖成為主要阻擋Cd向上遷移至糙米的主要部位。天優1177糙米Cd富集系數最低（0.18），金優2017糙米Cd富集系數最高（1.16），但不同品種間的糙米Cd富集系數均無顯著差異。

2. 4 水稻不同部位對Cd的轉運特征

由表4可知，10個水稻品種莖/根、葉/莖、谷殼/莖及糙米/谷殼的轉運系數分別為0.51～1.65、0.13～0.30、0.03～0.17、0.77～3.25，以糙米/谷殼、莖/根轉運系數相對較高。Cd從谷殼到糙米的遷移轉運過程中，遷移能力最大的水稻品種為天優1177，轉運系數為3.25，顯著高于其他水稻品種（黑糯80除外）的糙米/谷殼轉運系數。除黑糯80和天優1177外，其他水稻品種莖/根的轉運系數均大于1.00，說明Cd在水稻體內易從地下根部向地上部遷移。

2. 5 水稻糙米Cd含量的聚類分析及其與各指標的相關性

由圖1可看出，根據糙米Cd含量，采用聚類分析并結合統計差異性檢驗結果，可將不同水稻品種分成三類：第Ⅰ類（較低值類）有2個品種，包括成優1479和天優1177;第Ⅱ類（中間值類）有6個品種，包括C兩U華占、黑糯80、川華優320、紅優2號、C兩優華占和瀘香優110;第Ⅲ類（較高值類）有2個品種，包括金優2017和宜香優2115。表明不同水稻品種的糙米Cd累積能力存在差異。

由圖1中各水稻品種糙米Cd含量與其他指標的相關分析結果可知，僅黑糯80的水稻根際土pH與糙米Cd含量呈顯著負相關，其他水稻品種根際土pH與糙米Cd含量的相關性均未達顯著水平。水稻根Cd含量與糙米Cd含量呈顯著負相關的水稻品種有金優2017、花優375、川華優320和紅優2號，呈顯著或極顯著（P<0.01，下同）正相關的水稻品種有宜香優2115、C兩U華占和瀘香優110。水稻莖Cd含量與糙米Cd含量呈顯著負相關的水稻品種為金優2017，呈極顯著正相關的水稻品種有川華優320和瀘香優110。葉Cd含量與糙米Cd含量呈顯著負相關的水稻品種為金優2017，呈顯著或極顯著正相關的品種有C兩U華占和川華優320。水稻谷殼Cd含量與糙米Cd含量呈顯著負相關的水稻品種有黑糯80和花優375，呈顯著或極顯著正相關的水稻品種有瀘香優110、C兩U華占、紅優2號、川華優320和宜香優2115。水稻根際土全Cd、有效態Cd含量與糙米Cd含量呈顯著正相關的水稻品種僅有金優2017，根際土有效態Cd含量與糙米Cd含量呈顯著或極顯著負相關的水稻品種為C兩U華占和紅優2號。綜上，表明水稻糙米Cd含量較高的品種，如花優375、金優2017、宜香優2115，糙米Cd含量受根際土、根、莖、葉、谷殼Cd含量影響較大;而糙米Cd含量較低的水稻品種，如成優1479和天優1177，糙米Cd含量與根際土pH、Cd含量及根、莖、葉、谷殼Cd含量的相關性均不顯著。

3 討論

本研究表明，Cd主要在水稻的根和莖部積累，且在水稻體內的遷移由下至上通過根、莖、葉、谷殼，最后到達糙米。張儒德（2016）、肖美秀等（2006）研究表明，Cd在水稻體內的分布規律為根>莖>葉>谷殼>糙米。本研究結果與上述前人研究結果不一致，可能與重金屬離子在水稻體內的吸收和遷移機制取決于水稻品種和土壤中重金屬的濃度有關（涂宇等，2020;林承奇等，2021）。另外，生長在不同地域的不同水稻品種對Cd的吸收富集轉運機制有較大差異，主要體現在水稻不同部位的Cd分布（陳彩艷和唐文幫，2018;郭超等，2021），正是這種差異性為篩選低累積型水稻提供可能性。

植株各器官對Cd的吸收富集能力主要由植株本身性質和環境因素決定（Liu et al.，2010;孫亞莉等，2017;祝志娟和傅志強，2020）。水稻根系吸收Cd的能力及根部向上轉運Cd的強度和地上部Cd的遷移共同決定糙米Cd含量（黃太慶等，2017;張庭艷等，2021）。劉侯俊等（2011）通過對32個水稻品種的Cd累積特性進行研究，發現Cd在水稻體內遵循根系>莖葉>穎殼>籽粒的規律;葉秋明等（2015）研究發現Cd在水稻體內的累積呈根系>莖葉>籽粒規律。李慧敏等（2018）研究發現，水稻根部Cd富集能力最強，不同部位對Cd的富集能力呈根>莖葉>糙米的趨勢。楊德毅等（2018）等研究表明，Cd在水稻品種甬優15和浙油50根部的富集系數遠高于莖和籽粒。本研究以10個水稻品種為材料，對水稻各部位的Cd富集特征進行探索，發現莖部Cd富集能力最強。該結果與上述前人研究結果不完全一致，其原因可能與水稻品種自身的特性有關。有研究指出，隨著水稻生長到成熟期，莖部對重金屬的代謝機制弱化，致使從土壤和根部遷移轉運到莖部的重金屬易積累（莫爭等，2002），而木質部決定Cd從水稻根部轉運至莖部的速率，由于通過莖部的大多數Cd被儲存在木質部，導致水稻莖部Cd積累性增強（Uraguchi et al.，2009）。通過對比研究發現，不同水稻品種莖部富集系數有顯著差異，但糙米富集系數卻差異不顯著，說明莖對Cd的富集能力并不能直接反映糙米對Cd的富集情況。

從水稻植株轉運系數可知，不同水稻品種根系向莖、葉、谷殼部位的Cd轉運能力逐漸降低，以糙米/谷殼、莖/根轉運系數較高，這與前人的研究結果相似（李貴杰，2016）。Liu等（2007）研究發現，水稻糙米中的Cd更易受地上部遷移轉運的控制，而Cd從根遷移至地上部對糙米Cd含量影響不明顯。本研究中，Cd主要富集在水稻根部和莖部，故莖/根轉運系數明顯高于葉/莖和谷殼/莖轉運系數。莖向其他部位的轉運能力降低，有可能是莖向葉或谷殼轉運Cd的通道并不通暢，致使糙米中Cd含量較低，但其葉/莖等轉運機制和能力還有待進一步探討。

綜合考慮富集系數、轉運系數及低累積水稻品種的特征，包括當地氣候特征和土地類型及水稻種植習慣，初步篩選出成優1479和天優1177可作為低累積品種，但仍存在超標風險，需輔以阻隔重金屬在莖、葉等環節的農藝措施，如噴施葉面肥、根際調理等將糙米Cd含量降至國家食品安全限量標準（0.2 mg/kg）。本研究開展地質高背景單一Cd污染稻田低累積水稻品種篩選，但該地區還存在Cd與其他重金屬的復合污染稻田，其他重金屬離子可能也會影響水稻籽粒的Cd富集，導致水稻可食部位重金屬含量控制達不到預期目標（季冬雪等，2018;牟力等，2018）。因此，今后仍需進一步開展其他單一重金屬污染或復合污染條件下低累積水稻品種的篩選工作。

4 結論

在地質高背景區輕中度Cd污染條件下進行低累積水稻品種篩選，10個參試水稻品種中，本地主栽水稻品種各部位相對易于富集Cd，其中，金優2017和宜香優2115糙米Cd含量嚴重超標，不建議在Cd污染稻田中種植;成優1479和天優1177的糙米Cd含量較低，可作為Cd低累積水稻品種推廣種植。

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（責任編輯 王 暉）