不同水平Cd 脅迫下低累積Cd 水稻品種篩選

王萍 羅沐欣鍵 劉靜 田茂苑 柴冠群 秦松*

（1 貴州省農業資源環境管理站，貴陽550001；2貴州省農業科學院土壤肥料研究所，貴陽550009；第一作者：45940970@qq.com；*通訊作者：2480406180@qq.com）

土壤和農產品重金屬污染問題是當前國內外的研究熱點，尤其在城市化和經濟快速發展的背景下，土壤和農產品的重金屬污染情況受到各個國家的廣泛關注。近20 年來，隨著我國高度集約化農業生產、粗放型礦產資源開發利用和城鎮化快速推進，境內大面積農田土壤遭受重金屬污染，嚴重影響了農業的可持續發展。據2014 年4 月公布的《全國土壤污染狀況調查公報（2005—2013）》顯示，我國土壤污染總超標率為16.1%，耕地點位超標率為19.4%，重金屬Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn 和Ni 等8 類污染物點位超標率分別高達7.0%、1.6%、2.7%、2.1%、1.5%、1.1%、0.9%和4.8%。我國每年因土壤重金屬污染導致糧食減產高達1 000多萬t，污染糧食多達1 200 萬t，合計經濟損失至少200 億元[1]。同時，Cd、Hg、As、Pb 等4 類污染物的含量分布呈現從西北到東南、從東北到西南方向逐漸升高的態勢。西南及中南區域的重金屬污染問題比較突出，礦產資源豐富的西南地區重金屬污染最為嚴重[2]。

Cd 是一種生物蓄積性強、毒性持久、具有“三致”作用的劇毒元素，攝入過量的Cd 會對生物體生殖系統、免疫系統、心血管系統造成損傷，進而引發多種疾病[3-5]。工業化以來，由于人類工業廢棄物排放、污水灌溉、大氣沉降和長期施用化肥等，導致農田土壤Cd 含量逐年增加[2,6]。Cd 在一定濃度時能促進植物的生長，因而其易被植物吸收并在體內累積。水稻作為我國重要的糧食作物，全國有近60%的人口以稻米為主食，水稻的質量安全直接關乎國民的身體健康。大量研究報道，水稻對Cd 具有較強的富集能力，Cd 易轉移到稻米中大量累積[7-9]，長期攝入Cd 含量過高的大米易導致腎臟損害、骨質疏松、病理性骨折、關節疼痛等疾病，對人體健康構成嚴重威脅[10-12]。而且，Cd 對水稻的危害不僅僅在于影響籽粒的食用安全，在高濃度Cd 的脅迫下水稻葉綠素會減少，光合作用能力降低，進而造成水稻減產，甚至絕收[13-14]。有學者指出，不同水稻品種稻米中的Cd 累積量或存在成倍差異[15-17]，這說明水稻品種對Cd在土壤-稻米中的遷移具有重要影響。選育低累積Cd、抗Cd 毒害能力強的水稻品種是潛在的解決稻田土壤Cd 污染問題的突破點。基于此，本研究分析了10 個水稻品種在不同水平Cd 脅迫下稻米對Cd 的吸收累積情況及對水稻生長的影響，以期篩選出適宜推廣種植的Cd 低積累水稻品種，為全國Cd 污染稻田土壤安全利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以貴州分布面積最廣的黃壤作為供試土壤，采集0～20 cm 表層土壤，經自然風干后過10 目尼龍篩，將所有土壤充分混勻，保存備用。

供試水稻品種10 個，分別是兩優585、中優295、F優498、Y 兩優1 號、宜香2115、蜀優217、中優169、俞優109、川香優1618 和川農優894，全部為秈稻，均由貴州省水稻研究所提供。

1.2 試驗設計

本次試驗起始時間為2017 年5 月，以盆栽的方式進行，地點為貴州省農業科學院通風大棚內。每個水稻品種設4 個處理：CK，不加外源Cd；T1，添加0.3 mg/kg Cd；T2，添加1.0 mg/kg Cd；T3，添加3.0 mg/kg Cd。每個處理3 次重復，共120 盆。

根據試驗需要，選擇合適的水稻種植試驗箱（長40 cm、寬30 cm、高28 cm）若干，每盆裝入5 kg 試驗土壤，加入一定量的尿素、磷酸一銨和氯化鉀作底肥（折算成每667 m2的N、P2O5、K2O 用量分別為12 kg、5 kg、8 kg）。施肥前將配制好的CdCl2溶液添加至土壤中，再加入適量水，使試驗土壤上覆水厚度保持2～3 cm，最后充分混勻土壤，靜置7～10 d 后插秧并追肥1 次（追肥量為第1 次施肥量的1/3）。

水稻秧苗培育在貴州省農業科學院水稻研究所試驗田內進行，后將秧苗移栽到試驗箱中，栽培管理措施按當地大田生產習慣，整個生育期保持淹水狀態（2 cm水層），待種植1 季后整株收獲。

1.3 樣品處理

待各水稻品種成熟后，采集每盆稻谷樣品及根系土壤。土壤樣品采集后裝入自封袋，將其帶回實驗室自然風干，后經研磨過100 目尼龍篩，密封保存于聚乙烯袋中待測。水稻樣品采集后帶回實驗室，用去離子水沖洗干凈，裝入干凈無污染的網袋中自然風干，然后將干燥好的稻米經脫殼處理后制成精米，研磨后過100 目尼龍篩，密封保存于聚乙烯袋中待測。

1.4 測定項目及方法

1.4.1 土壤Cd 含量

準確稱量0.5 g 土樣于50.0 mL 聚四氟乙烯坩堝中，用少量水濕潤后加入王水20.0 mL，蓋好后置于微孔數顯電熱板上，調節電熱板溫度使樣品溶液在微沸狀態下回流至澄清，然后取下蓋子進行趕酸，趕酸完成后加入0.5 mL 濃硝酸和20.0 mL 水后復溶1～2 min，然后轉移并定容，待測。消解液用ICP-MS（iCapQ 電感耦合等離子體質譜儀，賽默飛世爾科技公司）測定。

1.4.2 水稻植株及稻谷Cd 含量

準確稱量0.5 g 植物樣于聚四氟乙烯消解罐中，用少量水濕潤后加入4∶1 的硝酸-高氟酸混合酸5 mL，置微波消解儀（邁爾斯通公司，ETHOSONE）內消解。微波消化程序設定為：250W 6 min，然后400W 6 min，最后450W 5 min。取出內罐放于電熱板上加熱趕酸，趕酸完畢后轉移定容。消解液用ICP-MS 測定。

1.4.3 葉綠素相對含量（SPAD 值）

使用葉綠素計SPAD-502 對劍葉的上、中、下3 個位置進行測量，所得平均值即為SPAD 值。

1.5 質量控制

為確保實驗方法的可靠性和數據的準確性，每個樣品設置1 個平行樣，同時設置空白樣及加標樣，并保證測定回收率為80%～120%。每個樣測3 次，每測15個樣后須測1 個標準樣以確保儀器的穩定性，所測樣品之間的相對標準偏差應小于5%。

1.6 數據統計與分析

采用Excel 2010、SPSS 20.0 進行數據統計分析，用Origin 8.5 及SPSS 20.0 進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同水稻品種栽植土壤的Cd 含量

從表1 可以看出，經過1 季的水稻種植，試驗土壤對照組Cd 平均含量為0.15 mg/kg，變化范圍為0.12～0.18 mg/kg，低于試驗土壤初始值（0.17 mg/kg）。T1、T2、T3 處理土壤的Cd 平均含量只有0.23 mg/kg、0.39 mg/kg 和1.24 mg/kg，均顯著低于土壤Cd 初始含量，分別只有初始土壤中Cd 含量的49%、33%和39%，這說明水稻對土壤Cd 具有很強的吸收能力。從表1 可以看出，CK 組栽植水稻對土壤中Cd 的含量影響很小，平均減少量不足初始土壤Cd 含量的18%。而T1、T2、T3 試驗組土壤Cd 含量分別減少了51%、67%和61%，減少程度較大。推測此現象可能與所添加的外源Cd 有關，外源Cd 活性強，易被水稻吸收；而原始土壤中主要以惰性Cd 的形態存在，生物可利用態Cd 含量低。

2.2 土壤Cd 對水稻葉綠素含量的影響

有研究表明，SPAD 值與葉綠素絕對量具有極顯著的正相關性[18]，說明SPAD 值可以真實反映葉綠素的含量。因植株葉綠素水平與其生長發育關系密切，所以SPAD 值亦能作為植物生長發育的表征量。如圖1 所示，水稻葉綠素含量隨Cd 濃度增加呈現出先增加后降低的趨勢。在CK 條件下，所有品種的SPAD 均值為41.17。當Cd 添加濃度提升至0.3、1.0 mg/kg 時，所有水稻的SPAD 均值分別為46.88、46.68，符合不少研究得出的結論，即低濃度的Cd 可以刺激植株的生長和發育。當添加Cd 濃度高達3.0 mg/kg 時，所有水稻品種SPAD 均值降低至46.87，暗示了高濃度的Cd 會抑制植物的生長發育。

表1 種植一季水稻后試驗土壤中Cd 含量變化情況 （單位：mg/kg）

表2 不同水稻品種稻米中Cd 含量情況 （單位：mg/kg）

圖1 水稻葉綠素含量變化情況

2.3 不同品種水稻的稻米Cd 含量分析與低累積品種篩選

如表2 所示，不同水稻品種栽植于各Cd 濃度環境中，其稻米中Cd 的含量存在顯著差異。在CK 組中，F優498 的稻米Cd 含量僅為0.15 mg/kg，而川農優894高達1.26 mg/kg。在栽植土壤Cd 含量分別為0.47 mg/kg、1.17 mg/kg 和3.17 mg/kg 的情況下，各品種稻米中的Cd 含量差異進一步加大，最大、最小值的差值分別達3.26 mg/kg、3.89 mg/kg 和7.36 mg/kg。

圖2 不同品種水稻的聚類分析

圖3 不同處理各水稻品種稻米中Cd 含量

圖4 土壤與稻米Cd 含量相關性分析

從圖2 可見，可從10 的分類距離上將10 個水稻品種分為3 類。Ⅰ類為低累積Cd 品種，包括中優295、Y 兩優1 號、F 優498 和蜀優217，在外源Cd 添加濃度為0、0.3、1.0、3.0 mg/kg 的條件下，稻米Cd 含量范圍分別 為0.15 ～0.58、0.37 ～0.57、1.83 ～3.69、6.63 ～10.17 mg/kg；Ⅱ類為中度累積Cd 品種，包括川香優1618、川農優894、兩優585 和宜香2115，在外源Cd 添加濃度為0、0.3、1.0、3.0 mg/kg 的條件下，稻米Cd 含量范圍分別為0.30～1.23、0.55～2.22、3.54～5.72、4.31～6.79 mg/kg；Ⅲ類為高度富集Cd 品種，包括中優169 和俞優109，在外源Cd 添加濃度為0、0.3、1.0、3.0 mg/kg 的條件下，稻米Cd 含 量 范 圍 分 別 為0.47 ～0.77、3.06 ～3.65、4.70 ～5.55、10.60～11.67 mg/kg。

如圖3 所示，在Cd 低濃度條件下（CK），除F 優498 外，其他品種稻米Cd 含量均超出國家食品衛生安全標準規定的限定值（0.2 mg/kg），而添加了不同濃度外源Cd 的土壤中所有參試品種稻米的Cd 含量均超過了國家安全標準限定值。結合聚類分析結果，篩選出1個可在低Cd 土壤中種植的Cd 低累積水稻品種——F優498。

2.4 土壤Cd 與稻米Cd 相關性分析

參試品種稻米的Cd 含量平均為0.58 mg/kg，是國家食品衛生安全標準規定限定值的2.9 倍。其中，當外源Cd 添加濃度為0.3 mg/kg 時，稻米Cd 含量平均為1.40 mg/kg，為國家食品衛生安全標準規定限定值的7.0 倍；當外源Cd 添加濃度從0.3 mg/kg 增加到1.0 mg/kg，稻米平均Cd 含量達4.18 mg/kg，為國家食品衛生安全標準規定限定值的20.9 倍；當外源Cd 添加濃度增加到3.0 mg/kg 時，稻米平均Cd 含量高達7.74 mg/kg，為國家食品衛生安全標準規定限定值的38.7倍。如圖4 所示，稻米Cd 含量與土壤Cd 含量呈顯著正相關關系，相關系數R2=0.84（P＜0.01）。這說明水稻對土壤中的Cd 普遍具有較好的吸收，稻米會隨著土壤Cd 含量的增加大量累積Cd。暗示隨著土壤Cd 濃度的增加，稻米Cd 超標風險變大，因而經篩選得到的Cd 低累積水稻品種亦只適合栽種于無污染或Cd 輕度污染區域。

3 結論

本研究通過盆栽試驗探究了10 個水稻品種在不同Cd 含量土壤上種植收獲后稻米中Cd 的含量情況，獲以下結論：不同水稻品種稻米對土壤中Cd 的吸收累積效果存在顯著差異，稻米Cd 累積量與外源Cd 輸入量關系較大，與土壤原始Cd 含量關系較小。對SPAD值測定分析后發現，土壤中低濃度的Cd 能提升水稻葉綠素含量，高濃度的Cd 則會降低水稻中葉綠素含量。通過設置不同濃度的外源Cd 添加試驗，篩選得到1 個Cd 低累積水稻品種——F 優498。相關性研究發現，稻米Cd 含量與土壤Cd 含量呈顯著正相關關系，所以經篩選得到的Cd 低累積水稻品種亦只適宜栽植在無污染或Cd 輕度污染的土壤之中。