主要氣象因子對水稻產量與糙米重金屬含量的影響

尹新芳，尹鑫軍，王鑫澳，孫文星，高葉敏，敖和軍

(湖南農業大學農學院,湖南 長沙 410128)

隨著我國工業的快速發展,環境污染問題也越發嚴峻,嚴重影響作物生產。其中,重金屬污染是威脅糧食安全的重要因素之一。水稻作為我國的主要糧食作物之一,在其生產過程中也易受重金屬的毒害,最常見的重金屬污染主要是鎘、砷、汞、鉛、鉻[1]。2014 年全國土壤污染調查公報顯示,我國的無機污染物鎘、汞、砷、鉛、鉻5 種重金屬元素的超標率分別為7.0%、1.6%、2.7%、1.5%、1.1%[2]。重金屬脅迫會抑制植株的正常生長,進而影響產量和品質的形成[3]。土壤中的重金屬具有富集性、不可逆性等特點,難以轉化、代謝或消除。當人類通過食物鏈攝入被重金屬污染的食物時,也會造成人體內重金屬的積累[4],過量的攝入則會對人體的免疫、腎臟、神經、消化、呼吸等系統造成嚴重損害,甚至產生致癌效應[5-6]。近年來,眾多學者通過植物修復[7]、目標品種的選育[8]、施入改良劑以改變重金屬的賦存形態和降低其生物有效性[9-10]等方法來減少植株重金屬積累。上述方法均能不同程度地降低植物對重金屬的吸收,但重金屬的活性受外部條件的影響,如溫度變化會影響重金屬的吸附量和吸附速率、改變土壤的理化性質和土壤微生物活性,從而間接提高重金屬的生物有效性[11]。研究[12-14]表明,增溫處理能降低土壤pH 值,增加水稻對鎘的吸收轉運及分配,進而增加糙米中的鎘含量,也會增加土壤中砷的生物有效性,促進糙米對砷的吸收。持續淹水可顯著降低土壤Cd 的有效性和根表膠膜的含量,從而降低鎘向植株體內的轉運[15]。以上結果均表明,外界因素不僅對土壤中重金屬活性具有一定影響,并且對重金屬元素在植株體內的吸收轉運也產生影響。相關研究[16-19]也表明,氣象因子對水稻的生長發育及產量和品質的形成都有直接或間接影響。本試驗分析積溫、日照時數、降水量對糙米重金屬吸收的影響,以期為水稻重金屬污染防控提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2020—2021 年在慈利縣通津鋪鎮陳坪村谷豐組進行。試驗地位于東經110°27′～111°20′,北緯29°04′～29°41′,年平均氣溫16.8 ℃,年活動積溫5 200 ℃,年平均日照1 562.7 h,屬中熱帶季風濕潤氣候。供試土壤基本理化性質見表1,土壤pH 為5.95,屬酸性土壤,有機質含量與陽離子交換量均處于中等水平,全鎘含量為0.63 mg/kg。根據《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB15618-201),只有鎘含量超標,其余金屬元素均未超標。

表1 供試土壤理化性質Table 1 Physical and chemical properties of the tested soil

1.2 試驗設計

供試材料均采用當地一季稻主栽品種,分別為深兩優5814、C 兩優651、C 兩優87、兆優5455、谷優明占、隆兩優華占6 個品種。依據當地種植習慣,水稻秧苗采用常規軟盤水育秧,播種和移栽時間及生育期見表2。采用隨機區組設計,3 次重復,小區面積13.3 m2,四周設不少于5 行的保護行,移栽密度為20 cm×26.7 cm,施肥水平與水分管理同當地生產水平。不施用植物生長調節劑,全生育期嚴格注意病蟲害防治。

1.3 測定項目與方法

土壤重金屬元素含量:在移栽水稻前,按5 點采樣法采集土壤樣品,參照《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB15618-201)進行鎘、砷、鉛、鉻、汞含量的測定。

水稻產量:在成熟期將水稻全部收獲、脫粒,將谷子曬干后測定含水量,折算含水率為13.5%的單位面積產量。

糙米重金屬元素含量:采用石墨爐原子吸收光譜法(GB/T 5009.15—2014、GB 5009.123—2014、GB 5009.12—2017)測定糙米Cd、Cr、Pb 含量；采用液相色譜—原子熒光光譜法(GB 5009.11—2014)測定砷(無機砷)含量,采用原子熒光光譜分析法(GB 500917—2014)測定汞含量。

氣象數據:積溫、日照時數和降水量數據采集自當地氣象站。

1.4 數據處理

采用Excel 2016 進行數據整理、計算和作圖；采用SPSS 17.0 進行數據統計分析；采用LSD 法在0.05 水平下進行方差分析。所有數據均表示為平均值±標準誤。

2 結果分析

2.1 兩年間氣象因子差異

對試驗地2020 年和2021 年水稻全生育期的積溫、降水量和日照時數進行統計和比較,結果見圖1。在水稻全生育期,2021 年積溫比2020 年多508～533 ℃,2021 年日照時數比2020 年多145～183 h,2020 年降水量比2021 年多1 046～1 067 mm。兩年間氣象因素變化相差很大,降水量尤為突出,2020年比2021 年高3.6～3.7 倍。據湖南省氣象局發布的氣候公報,2020 年9 月2 日至2020 年10 月9 日湖南省出現長期低溫陰雨寡照天氣,期間全省降水量較常年同期增加158.75%,平均氣溫為20.9 ℃,較常年同期偏低1.9 ℃,累計日照時數49.0 h,為1961 年以來最少。

圖1 兩年間主要氣象因子變化情況Fig.1 Changes of meteorological factors in two years

2.2 兩年間水稻產量差異

由表3 可知,同一品種在兩年間的產量差異顯著,深兩優5814、C 兩優651、C 兩優87、兆優5455、谷優明占、隆兩優華占2021 年的產量分別比2020年增長35.04%、8.48%、20.49%、52.44%、31.59%、23.22%。同一年份不同品種間產量亦差異顯著。

表3 兩年間水稻產量差異Table 3 Differences in rice yield between two years kg·hm-2

2.3 兩年間糙米重金屬含量差異

由表4 可知,糙米中金屬鎘的含量在不同年份間差異顯著,2020 年各品種糙米鎘含量為0.020～0.026 mg/kg,平均鎘含量僅為0.023 mg/kg,且品種間差異不顯著。2021 年各品種糙米鎘含量較高,為0.324～0.836 mg/kg,平均鎘含量為0.642 mg/kg,C兩優87 和兆優5455 鎘含量顯著高于其他品種；同一品種在不同年份間鎘含量差異顯著,2021 年深兩優5814、C 兩優651、C 兩優87、兆優5455、谷優明占和隆兩優華占糙米鎘含量分別為2020 年的25.3、25.4、34.8、30.0、26.2、14.7 倍。砷含量亦是如此,2020 年平均砷含量為0.106 mg/kg,而2021 年超過國家食品安全標準,達0.447～0.220 mg/kg,分別為2020 年的3.9、3.7、2.5、3.3、2.3、3.6 倍,且同一品種在不同年份間砷含量具有顯著差異。金屬鉛在不同年份間差異顯著,在不同品種間無顯著差異。汞和鉻在不同品種間和年份間均有差異,但金屬鉛、汞和鉻均未超過國家食品安全,并且含量甚微。以上結果表明,同一品種在不同年份對不同重金屬的吸收積累存在差異,并且不同品種的重金屬含量也存在差異,說明重金屬含量積累與品種基因型的差異和外界環境條件密切相關。

表4 不同年份糙米重金屬含量差異Table 4 Differences of metal content in rice in different years mg·kg-1

2.4 氣象因子與產量的相關性分析

由表5 可知,積溫和日照時數與產量呈極顯著正相關(P＜0.01),降水量與產量呈極顯著負相關(P＜0.01)。2021 年各品種產量為8 328.0～7 294.5 kg/hm2,平均產量為7 740.4 kg/hm2,而2020 年平均產量僅為6 066.6 kg/hm2,主要是因為2020 年出現極端低溫陰雨天氣,影響水稻各生育期的正常生長發育,使水稻開花受精受阻,導致結實率降低,同時影響水稻灌漿速率,導致光合產物積累不足,產量下降。因此,氣象因子對水稻產量具有明顯影響。

2.5 重金屬鎘、砷含量與產量相關性分析

在所檢測的重金屬中,鎘和砷含量在年份間變化幅度較大,且2021 年糙米中的兩種金屬含量均超過國家食品安全規定。值得一提的是,在2020 年水稻產量低時,糙米中鎘、砷含量均未超過國家食品安全規定,但在2021 年產量較高時,鎘、砷含量均超過0.2 mg/kg,并且2021 年鎘含量是2020 年的14.70～34.80 倍,砷含量是2020 年的2.04～3.90 倍,而水稻產量與兩者含量呈正相關,決定系數分別為0.833 7、0.554 3。

圖2 鎘含量與產量相關性Fig.2 Correlation between cadmium content and yield

圖3 砷含量與產量相關性Fig.3 Correlation between cadmium content and yield

2.6 氣象因素與糙米重金屬含量的相關性分析

由表6 可知,積溫與重金屬鎘、砷、鉛、汞含量呈極顯著正相關(P＜0.01),與鉻含量呈極顯著負相關(P＜0.01)。日照時數與鎘、砷、鉛、汞的含量呈極顯著正相關(P＜0.01),與鉻含量呈極顯著負相關(P＜0.01)。降水量與鎘、砷、鉛、汞的含量呈極顯著負相關(P＜0.01),與鉻含量呈極顯著正相關(P＜0.01)。金屬鎘含量與砷、鉛和汞含量之間呈極顯著正相關,相關系數分別為0.758、0.884、0.886,金屬鎘含量與鉻含量呈極顯著負相關,相關系數為-0.831。砷含量與鎘、鉛和汞含量之間具有極顯著正相關,砷含量與鉻含量呈極顯著負相關(P＜0.01)。

表6 氣象因素與各重金屬含量之間的相關性Table 6 Correlation between meteorological factors and metal content

3 討論

在本研究中,不同品種糙米的重金屬含量有顯著差異,不同年份間糙米鎘含量亦差異顯著。韓娟英等[20]認為,有基因型差異的水稻品種,即使在相同種植條件下,其對重金屬的吸收和轉運機制也不同,從而導致其糙米中重金屬的含量具有顯著差異。程旺大等[21]研究表明,基因型與環境互作對水稻籽粒中重金屬含量具有顯著影響。馮愛煊等[22]研究表明,不同品種水稻籽粒Cd、As、Pb 和Cr 含量相差數倍,同一品種對不同重金屬積累也存在顯著差異。這些結論均與本文研究結果一致。

溫度和降水量直接影響水稻產量構成因素,日照時數的多少與光合作用同化干物質具有明顯關系,三者共同決定水稻產量[23-24]。2020 年低溫、陰雨等惡劣環境條件下,積溫和日照時數較往年大幅度降低,而降水量偏高,因此水稻產量下降。

本研究發現,水稻產量與鎘和砷的含量呈正相關關系,決定系數分別為0.833 7 和0.554 3。鎘在水稻體內的轉運、積累和分配與砷的運輸途徑類似,都經過木質部運輸和韌皮部裝載[25-26]。喻華等[27]研究表明,水稻籽粒中的鎘主要來源于根系吸收和葉片再分配,后隨著光合同化產物運輸到籽粒。Wang 等[28]研究表明,水稻生育期砷含量變化呈動態分布,葉片中的砷濃度高于莖,且通過光合作用運輸到籽粒。在低溫陰雨條件下,水稻開花結實受阻,灌漿不充分,籽粒中分配的同化產物減少,重金屬沒有通過搭便車的形式運輸到籽粒,故糙米中的重金屬含量降低。此外,水稻對重金屬的吸收除受本身特性影響外,還受土壤中重金屬的種類及形態影響[29]。

本研究中,2020 年糙米中的鎘、砷、汞、鉛、鉻5種重金屬含量均未超過國家食品安全標準,2021 年糙米中的砷和鎘含量超出國家食品安全標準,其余3 種均未超標。分析表明,重金屬鎘和砷的含量與水稻全生育期積溫和日照時數呈極顯著正相關,與降水量呈極顯著負相關。2020 年水稻全生育期降水量達到1 400 mm,并在9 月2 日至10 月9 日出現長時間的低溫陰雨天氣,在淹水條件下,鎘處于還原狀態,生物有效性降低,減少了水稻對鎘的吸收[30]。而砷則具有與鎘相反的化學性質。Xu 等[31]研究表明,水稻在有氧條件下種植會顯著降低砷從土壤到谷物的轉移。Xu 等[31]研究表明,溫度升高會促進砷在土壤中的生物有效性,導致糙米中砷含量增加,蒸騰作用加強亦可增加砷在植株體內的轉運。Farhat等[32]也發現溫度升高會促進水稻對砷的吸收。王金貴等[33]研究發現,溫度升高提高了土壤對鎘的吸附量,增加了金屬離子的交換量。也有研究[34]表明,氣溫升高抑制了根表鐵膜的形成,間接促進了鎘從土壤溶液向根部維管柱的轉運,并可通過提高葉片蒸騰速率增加鎘從根部到地上部轉移的比例,進而導致糙米中鎘含量的提高。

4 結論

在本試驗條件下,積溫、日照時數對糙米重金屬鎘、砷的吸收和水稻產量具有促進作用；降水量則對糙米鎘的吸收和水稻產量具有抑制作用,而對糙米砷的吸收具有促進作用。