不同化學試劑和鎘鈍化肥料對水稻吸鎘影響的研究

羅玉萍,曾 麗,彭 燕,劉 賽,梁滿中,陳良碧,戴小軍

(湖南師范大學生命科學學院作物不育資源創新與利用湖南省重點實驗室,中國湖南長沙410081)

近幾十年來,隨著我國工農業的迅速發展,土壤重金屬鎘(cadmium,Cd)的污染程度逐步加重[1～3]。土壤鎘污染造成的農作物產品質量下降、產量降低、品質不安全等問題,影響我國農業的可持續發展,并且嚴重威脅到人類的身體健康[4～7]。水稻作為我國第一大糧食作物,年種植面積大,范圍廣,保障其品質安全非常重要[8～9],但水稻鎘污染日趨嚴重,加強鎘污染稻田的綜合防治,尤其是中輕度污染水平下土壤原位修復,是降低水稻吸鎘,保障糧食質量、產量和品質的重要應急措施之一。

雖然國內外學者對土壤鎘污染的治理策略、治理技術和治理方法,以及能夠降低土壤中鎘生物有效性的肥料、土壤改良劑和鈍化劑等產品的研究比較多[10～21],但是在降鎘產品對土壤鎘的有效性和水稻吸收鎘的影響等方面缺乏深入研究和系統評價。本研究以高吸鎘的G283、低吸鎘的湘晚秈12號等為材料,采用水培法和盆栽實驗方法研究了鎘離子親和度不同的化學試劑與鎘鈍化肥料對水稻吸鎘的影響,旨在為研究出降低稻米鎘含量的生產技術措施提供理論依據和技術支撐。

1 材料和方法

1.1 材料

供試水稻材料有G283(高吸鎘材料)、湘晚秈12 號(低吸鎘材料)以及 9311、陸兩優 996、KT27S、T91S、株兩優819共7種,由湖南師范大學生命科學學院植物分子與發育實驗室提供?；瘜W試劑有 NH4Cl、CH3COONH4、EDTANa2、Na2SH 等 4 種,購買于國藥集團化學試劑有限公司。鎘鈍化肥料有土壤調理劑Ⅰ、土壤調理劑Ⅱ、土壤調理劑Ⅲ、堿性顆粒肥、金無蹤、高嶺土6種,由湖南省重金屬治理辦提供。

1.2 方法

1.2.1 供試材料不同鎘濃度溶液的處理

當供試水稻幼苗進入3葉期后,分別用含1 μmol/L、5 μmol/L、10 μmol/L、15 μmol/L、20 μmol/L、25 μmol/L 6種鎘離子(Cd2+)濃度的完全水培液培育,pH調節為6.0,其中鎘源為硝酸鎘,每個處理培育25 d,3次重復。

1.2.2 水培條件下化學試劑和鎘鈍化肥料的處理

為了研究化學試劑和鎘鈍化肥料對水稻吸鎘的影響,在完全水培液的條件下做了11個處理:(1)對照(CK):加入5 μmol/L Cd2+,調pH值為6.0；(2～5)加入 5 μmol/L Cd2+,再分別加入 0.2 mmol/L的 NH4Cl、CH3COONH4、EDTANa2、Na2SH,調 pH值為 6.0；(6～11)加入 5 μmol/L Cd2+,調 pH 值為 6.0,再分別加入50 mg/L的土壤調理劑Ⅰ、土壤調理劑Ⅱ、土壤調理劑Ⅲ、堿性顆粒肥、金無蹤、高嶺土。其中鎘源為硝酸鎘,每個處理培育25 d,3次重復。

1.2.3 土培條件下化學試劑和鎘鈍化肥料的處理

在土培條件下研究不同土壤鎘濃度下化學試劑和鎘鈍化肥料對水稻吸鎘的影響。用于種植早稻材料陸兩優996和株兩優819的土壤全鎘含量為1.4 mg/kg；用于種植晚稻材料湘晚秈12號和G283的土壤全鎘含量為3.9 mg/kg。將土壤自然風干,除雜后裝入桶中,每桶8 kg土壤。早稻材料設置8個處理,3次重復。8個處理分別為:1)對照(CK)；2)土壤調理劑Ⅰ；3)土壤調理劑Ⅱ；4)土壤調理劑Ⅲ；5)金無蹤；6)EDTANa2；7)NH4Cl；8)CH3COONH4。晚稻材料設置了4個處理,3次重復。4個處理分別為:1)對照(CK)；2)土壤調理劑Ⅰ；3)土壤調理劑Ⅱ；4)土壤調理劑Ⅲ。

1.2.4 鎘含量測定

把烘干的材料按所需部分分別磨成粉末,使用NX-100F食品重金屬檢測儀測定鎘含量。

1.2.5 數據分析

實驗所得數據用Excel 2016軟件進行初步處理,采用SPSS 22.0軟件進行單因素統計分析,采用GraphPad Prism v8.0.2.263軟件制圖。

2 結果

2.1 不同水稻品種幼苗吸鎘規律的比較分析

不同鎘濃度下水稻幼苗地上部分和根部的鎘含量分析結果表明,隨著鎘濃度的增加,7種水稻材料地上部分和根部的鎘含量都明顯增加(圖1)。在同一鎘濃度下,不同水稻幼苗吸鎘情況存在明顯差異,其中G283幼苗地上部分和根部吸鎘最多,T91S幼苗地上部分和根部吸鎘最少。G283幼苗隨著鎘濃度的增加,地上部分和根部的鎘含量都顯著增加。湘晚秈12號幼苗鎘含量主要積累在根部,但是當鎘濃度增加時,鎘往上運輸顯著增加。

圖1 不同鎘濃度下水稻幼苗地上部分(A)和根部(B)的鎘含量數據為平均值±標準差,同一鎘濃度下不同小寫字母表示水稻幼苗之間鎘含量差異顯著(P＜0.05)。Fig.1 The Cd contents of shoots(A)and roots(B)in rice seedlings treated with different Cd concentrationsData are presented as mean±standard deviation.Different lowercase letters at the same Cd concentration indicate significant differences in the Cd contents among rice seedlings(P＜0.05).

2.2 不同化學試劑對水稻幼苗吸鎘的影響

在5 μmol/L鎘濃度的水培條件下,經不同化學試劑處理后分別測定了水稻幼苗地上部分和根部的鎘含量(圖 2)。結果表明,G283、9311、KT27S和株兩優819幼苗地上部分和根部的鎘含量在NH4Cl和CH3COONH4處理下與CK對比沒有顯著差異；在EDTANa2處理下,7種水稻材料幼苗地上部分和根部的鎘含量顯著降低；在Na2SH處理下,陸兩優996、湘晚秈12號、KT27S、T91S及株兩優819的地上部分和根部的鎘含量與CK對比顯著降低。此研究結果說明,在5 μmol/L鎘濃度水培條件下,NH4Cl和CH3COONH4添加對水稻根系吸收和運輸鎘的影響較弱,而EDTANa2和Na2SH能顯著降低水稻幼苗對鎘的吸收和轉運。

圖2 不同化學試劑處理下水稻幼苗地上部分(A)和根部(B)的鎘含量數據為平均值±標準差,不同小寫字母表示同一水稻材料在不同化學試劑處理下鎘含量差異顯著(P＜0.05)。Fig.2 The Cd contents of shoots(A)and roots(B)in rice treated with different chemical reagentsData are presented as mean±standard deviation.Different lowercase letters indicate that the Cd contents of the same rice material are significantly different under treatment with different chemical reagents(P＜0.05).

2.3 不同土壤調理劑對水稻幼苗吸鎘的影響

在5 μmol/L鎘濃度水培條件下,不同土壤調理劑處理對水稻幼苗地上部分和根部鎘含量的影響如圖3所示,除了陸兩優996根部鎘含量在土壤調理劑Ⅲ下略有升高外,7種水稻幼苗地上部分和根部的鎘含量在3種土壤調理劑下都降低,表明在5 μmol/L鎘濃度水培條件下,土壤調理劑可以有效降低水稻幼苗對鎘的吸收。

圖3 土壤調理劑處理下水稻幼苗地上部分(A)和根部(B)的鎘含量數據為平均值±標準差,不同小寫字母表示同一水稻材料在不同土壤調理劑處理下鎘含量的差異顯著(P＜0.05)。Fig.3 The Cd contents of shoots(A)and roots(B)in rice treated with different soil conditionersData are presented as mean±standard deviation.Different lowercase letters indicate that the Cd contents of the same rice material are significantly different under treatment with different soil conditioners(P＜0.05).

2.4 鎘鈍化肥料對水稻幼苗吸鎘的影響

在5 μmol/L鎘濃度水培條件下,鎘鈍化肥料處理對水稻幼苗地上部分和根部鎘含量的影響如圖4所示,與CK對比,7種水稻幼苗地上部分的鎘含量在金無蹤、高嶺土和堿性顆粒肥處理下顯著降低。在堿性顆粒肥的處理下,陸兩優996、湘晚秈12號、KT27S、T91S和株兩優819幼苗的地上部分鎘含量降低了50%以上,G283和9311幼苗的地上部分鎘含量分別降低了39.5%和30.1%。在金無蹤和高嶺土處理下,7種水稻幼苗根部的鎘含量與對照對比存在差異,但是鎘含量總體表現為降低。

圖4 鎘鈍化肥料處理下水稻幼苗地上部分(A)和根部(B)的鎘含量數據為平均值±標準差,不同小寫字母表示同一水稻材料在不同鎘鈍化肥料處理下鎘含量的差異顯著(P＜0.05)。Fig.4 The Cd contents of shoots(A)and roots(B)in rice treated with different fertilizersData are presented as mean±standard deviation.Different lowercase letters indicate that the Cd contents of the same rice material are significantly different under treatment with different Cd passivation fertilizers(P＜0.05).

2.5 不同化學試劑與鈍化肥料對陸兩優996和株兩優819植株各部分鎘含量的影響

不同處理下陸兩優996植株各部分的鎘含量結果顯示:在土壤調理劑Ⅰ、土壤調理劑Ⅱ、土壤調理劑Ⅲ、金無蹤和EDTANa2的處理下,與CK對比,陸兩優996的根、莖、葉、谷殼和糙米的鎘含量顯著降低；在NH4Cl和CH3COONH4的處理下,與CK對比,陸兩優996的根、莖、葉、谷殼和糙米的鎘含量顯著升高(表1)。此研究結果表明,土壤調理劑、金無蹤和EDTANa2可顯著降低陸兩優996各器官的鎘含量,而NH4Cl和CH3COONH4導致陸兩優996各器官鎘含量增加。

表1 不同化學試劑和鎘鈍化肥料處理下陸兩優996各部分的鎘含量Table 1 The Cd contents in different organs of Luliangyou996 treated with different chemical reagents and Cd passivation fertilizers/(mg·kg-1)

不同處理下株兩優819植株各部分的鎘含量結果顯示:在土壤調理劑Ⅰ、土壤調理劑Ⅱ、土壤調理劑Ⅲ、金無蹤和EDTANa2的處理下,與CK對比,株兩優819的根、莖、葉、谷殼和糙米的鎘含量顯著降低；在NH4Cl、CH3COONH4的處理下,與CK對比,株兩優819的根、葉、谷殼和糙米的鎘含量上升(表2)。此研究結果表明,土壤調理劑、金無蹤和EDTANa2可顯著降低株兩優819各器官的鎘含量,而NH4Cl和CH3COONH4導致株兩優819各器官鎘含量增加。

表2 不同化學試劑和鎘鈍化肥料處理下株兩優819各部分的鎘含量Table 2 The Cd contents in different organs of Zhuliangyou819 treated with different chemical reagents and Cd passivation fertilizers/(mg·kg-1)

在CK條件下,陸兩優996和株兩優819植株不同器官的鎘含量均表現為根＞莖＞葉＞谷殼＞籽粒。在不同處理下,陸兩優996根、莖、葉、谷殼和籽粒中的鎘含量基本均大于株兩優819。在CK條件下,陸兩優996根中的鎘含量比株兩優819高了16.54%,在各器官中差異最大,這可能是株兩優819籽粒中的鎘含量不超標,而陸兩優996籽粒中鎘含量超標的主要原因。

2.6 不同土壤調理劑對G283和湘晚秈12號植株各部分鎘含量的影響

土壤調理劑處理下G283植株各部分的鎘含量結果顯示:在土壤調理劑Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ處理下,G283莖、葉和糙米的鎘含量與對照相比顯著降低；在土壤調理劑Ⅰ的處理下,G283根部的鎘含量較對照略升高,不存在顯著差異；在土壤調理劑Ⅱ、Ⅲ的處理下,與CK對比,G283根的鎘含量也顯著降低(表 3)。

土壤調理劑處理下湘晚秈12號植株各部分的鎘含量結果顯示:在土壤調理劑Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的處理下,與CK對比,湘晚秈12號根、莖、葉和糙米部的鎘含量顯著降低(表3)。

這些研究結果表明,土壤調理劑可降低G283和湘晚秈12號植株各部分鎘含量。

比較G283和湘晚秈12號在3.9 mg/kg土壤鎘條件下植株的鎘含量(表3)可知,在CK處理下,湘晚秈12號根、莖、葉、籽粒中的鎘含量均低于G283。湘晚秈12號和G283各器官中的鎘含量關系為:莖＞葉＞根＞籽粒。兩種水稻的鎘在莖中積累最多,推測這是G283和湘晚秈12號籽粒中鎘嚴重超標的主要原因；在3種土壤調理劑的作用下,水稻根、莖、葉、糙米中的鎘含量顯著降低,尤其是莖、葉中的鎘含量。在土壤調理劑Ⅰ的處理下,湘晚秈12號中的鎘主要積累在根中,G283的鎘主要積累在莖中,且湘晚秈12號籽粒中的鎘含量比G283低50%。在土壤調理劑Ⅱ的處理下,湘晚秈12號中的鎘主要積累在根和莖中,G283的鎘主要積累在莖和葉中,且湘晚秈12號籽粒中的鎘含量比G283低20.2%。在土壤調理劑Ⅲ的處理下,湘晚秈12號葉、籽粒中的鎘含量低于G283,根、莖中的鎘含量高于G283,且湘晚秈12號籽粒中的鎘含量比G283低38.1%。

表3 土壤調理劑處理下G283和湘晚秈12號各部分的鎘含量Table 3 The Cd contents in different organs of G283 and Xiangwanxian12 treated with different soil conditioners/(mg·kg-1)

3 討論

目前在鎘污染稻田常采取施用化學試劑或鎘鈍化劑等方法來降低水稻的鎘含量,其對土壤鎘有效性和糙米鎘含量的影響已有報道[22～26]。水稻對鎘的吸收主要在苗期,而不同化學試劑和鎘鈍化劑對水稻苗期吸鎘的影響規律并不清楚。本研究比較分析了常用化學試劑和鎘鈍化肥料對不同基因型水稻材料苗期的鎘積累特點,發現NH4Cl和CH3COONH4添加對水稻根系吸收和運輸鎘的影響較弱,而EDTANa2能顯著降低水稻幼苗對鎘的吸收和轉運。其他土壤調理劑和鎘鈍化劑都可以降低水稻幼苗對鎘的吸收,但其效果存在差異。該研究結果表明,在水稻苗期施加的化學試劑或鎘鈍化劑均具有不同的降鎘能力,而施用化學試劑EDTANa2和土壤調理劑可望成為降低水稻和稻米鎘含量的有效技術措施。

施用化學試劑和土壤調理劑除了可降低水稻幼苗對鎘的吸收及稻米鎘含量外,本研究進一步發現:在土壤調理劑、金無蹤和EDTANa2處理下,水稻根、莖、葉、谷殼、籽粒中的鎘含量都明顯降低,低吸鎘水稻材料各器官的鎘含量都低于高吸鎘材料。不同調理劑對各器官鎘含量的調控具有差異,表明其調節鎘在水稻各器官分布的機理并不相同。上述研究提示,在施土壤調理劑時,可根據不同需要選擇不同的土壤調理劑。

雖然施用化學試劑EDTANa2、土壤調理劑等可快速有效降低水稻鎘污染,但是長期施用且不控制用量肯定會對土壤生態環境造成一定影響。因此,確定合適的化學試劑和土壤調理劑的施用量,使它們既能降低水稻鎘污染又不危害環境還需要進一步深入研究。