影响水稻吸收镉的环境因子分析

杨定清，李 霞，周 娅，罗丽卉，李旭毅，张 东

(1.四川省农业科学院分析测试中心，四川 成都 610066；2.四川省农业科学院作物研究所，四川 成都 610066；3.德阳市农业局，四川 德阳 618000)

影响水稻吸收镉的环境因子分析

杨定清1，李 霞1，周 娅1，罗丽卉1，李旭毅2，张 东3

(1.四川省农业科学院分析测试中心，四川 成都 610066；2.四川省农业科学院作物研究所，四川 成都 610066；3.德阳市农业局，四川 德阳 618000)

采用大田调查与数理统计方法，研究了影响水稻吸收重金属镉的相关环境因子。结果表明，稻米Cd与土壤pH、有效Fe、Mn、Zn以及全Ca、Mg、Mn之间呈负相关关系，且与土壤pH达极显著负相关，相关系数为-0.672；与土壤有机质、有效Cd、全Cd之间则呈正相关关系，且与土壤有机质、有效Cd达极显著正相关，相关系数分别为0.579、0.631。

环境因子；镉；水稻；吸收

我国是主要的水稻生产和消费国家，水稻年种植面积约2860万hm2，占约我国粮食作物总面积的27 %以上，占全球种植面积的19 %；水稻年产量占我国各类粮食总产量的38 %以上，占全球总产量的29 %[1-2]。因此，水稻的质量安全是保障我国粮食生产安全重要环节，对确保全球粮食安全也具有重要意义[3]。然而，随着城市化进程的加快和工农业生产的快速发展，农田土壤重金属污染不断加剧，特别是土壤镉(Cd)污染最为突出[4-6]；且近年来我国受Cd污染的土壤正逐渐向稻田蔓延，使得各地“镉大米”事件频发，并通过食物链富集而危害到人体健康[7-9]。因此，水稻Cd污染成为我国最受关注的农业环境问题之一。

研究表明，土壤理化性质的变化会明显影响Cd的形态变化和作物对Cd的吸收[10-11]。例如，在添加外源Cd的条件下，有机物料能明显抑制水稻根系对Cd的吸收[12]；施用富硅肥料可明显抑制水稻体内Cd从秸秆向籽粒的转移，且不会明显影响水稻产量[13]；石灰、活性炭单独施用或二者配合施用都能抑制小麦对Cd的吸收和Cd向籽粒的转移，且石灰施用能显著降低土壤有效Cd含量[14]。可见，作物对Cd的吸收和积累受土壤环境变化的影响较大。且目前关于影响水稻吸收Cd环境因子的研究都是在不明确水稻品种的条件下得出的结论[15-18]，但大量研究表明不同水稻品对镉的吸收差异非常显著[19-22]。因此，要真正摸清影响水稻积累镉的环境因子，必须固定水稻品种才有意义，本研究选择四川成都平原稻麦轮作下的水稻土，以当地主打品种Ⅱ优838为研究材料，采集了稻米及其对应的土壤样品，对稻米镉与土壤相关环境因子进行关联分析，分析了稻米中Cd含量与土壤pH、有机质及其它金属元素之间的相互关系，旨在探讨影响水稻吸收Cd的土壤环境因子，以明确真正影响水稻吸收重金属镉的主要环境因子，为稻米镉污染治理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

研究区域位于四川省新都区军屯镇白碾村，地处川西平原腹心地带。其气候为典型亚热带湿润气候，四季分明，夏无酷暑，冬无严寒，年均气温16.1 ℃，年均降水量911.7 mm，年均无霜期279 d。土壤类型主要为岷江灰色冲积物发育而来的水稻土，主要种植方式为稻麦轮作。

1.2 试验实施概况

试验于2015年5月中旬至9月下旬在新都区屯镇白碾村进行。供试水稻品种为当地主打品种Ⅱ优838，全生育期为150±10 d。2015年5月中旬，将水稻分别移栽于20个不同的田块，水稻生长过程中均按当地农民习惯性管理方式进行管理，保证其生长正常。

1.3 样品采集与测定

水稻成熟期，按多点混合采样法分别采集各农户稻田中水稻植株及籽粒样品，带回实验室在105 ℃条件下杀青30 min后，在70 ℃条件下烘干，脱壳、粉碎备用；同时按多点混合采样方法采集各农户稻田土壤样品，每个样点土样采集土样个数为12～15个，并用四分法去除多余混合土样，带回实验室经自然风干后磨细后供指标测定[23]。

稻米镉含量采用HNO3-HClO4(v∶v, 1∶1)消解-原子吸收光谱法测定[24]；土壤pH采用去离子水浸提(水土比2.5∶1)-玻璃电极法测定；有机质采用重铬酸钾容量法-外加热法测定；土壤全Cd、Ca、Mg、Zn、Mn、Fe、Cu含量采用HF-HClO4-HNO3(v∶v∶v, 1∶1∶3) 消解-石墨炉原子吸收光谱法测定；土壤有效Cd、Zn、Mn、Fe、Cu含量采用DTPA浸提-石墨炉原子吸收光谱法测定。

图1 稻米Cd与土壤pH的关系Fig.1 The relationship between Cd in rice and soil pH

1.4 数据处理

试验数据采用Microsoft Excel 2003进行整理和作图，SPSS 19.0进行统计分析和皮尔逊(Pearson's)相关分析。

2 结果与分析

2.1 稻米Cd含量与土壤pH值之间的关系

水稻对Cd的吸收受多种因素影响，其中酸碱度是主要因素之一，土壤酸碱变化会直接影响Cd在土壤中的存在形态。本研究中，土壤pH与稻米Cd含量呈极显著负相关关系(P<0.01)，相关系数为-0.672，随着pH的降低，稻米Cd含量呈逐渐增加趋势 (图1)。这与赵晶和 Li 等的研究结果相似[25-26]。土壤pH调控着土壤重金属元素的存在形态和有效性，且对土壤的结构、微生物活动以及植物生长都有很大影响[27]。当土壤pH较低时，土壤溶液中H+增多，被胶体、粘土矿物吸附及其它离子络合的Cd2+会与H+发生交换，Cd2+被解吸下来，从而使土壤溶液中Cd2+浓度增加，Cd活度增加，有效性增强，促进水稻对Cd的吸收及稻米中Cd的富集。而欧阳喜辉等研究则认为，植物中Cd含量与土壤pH无显著相关，这可能是因为植物种类对Cd有效性的反应有所不同[28]。

2.2 稻米Cd含量与土壤有机质之间的关系

土壤有机质是土壤的重要组成部分之一，其含量水平不仅表征着土壤的质量状况，还可与土壤中重金属元素形成络合物，从而影响重金属元素的移动性和生物有效性。相关分析表明，土壤有机质与稻米Cd含量呈显著正相关(P<0.05)，R=0.526， (图2)。表明稻米Cd含量随着土壤有机质含量增加而增加，这不同于大部分研究结果[29-30]。一方面可能是因为本研究区域农户习惯秸秆直接还田，在其腐熟过程中，会产生有机酸，导致土壤环境酸化，使土壤中Cd的有效性增加，增强了水稻对土壤Cd的吸收和富集，这也可以从该研究中有机质含量与土壤pH的相关分析得到佐证：有机质=-5.195 pH + 68.99,R= 0.049,P=0.047，即随着土壤有机质含量的增加，土壤pH也随之降低，且二者之间达显著负相关(P<0.05)；另一方面，可能是由于研究区土壤中可溶性有机物含量较高，且能和Cd2+形成络合物，增加Cd的移动性和有效性，提高水稻对Cd的吸收[31-32]。因此在镉污染地区，对秸秆直接还田技术要慎用。

图2 稻米Cd与土壤有机质的关系Fig.2 The relationship between Cd in rice and soil organic matter

2.3 稻米Cd含量与土壤有效Cd、Fe、Mn、Zn含量之间的关系

土壤-植物生态系统中，大量金属元素与Cd同时存在，它们或与Cd化学性质相似，或因某种形态或结构与Cd产生联系，因此它们可能在植物吸收和积累等方面与Cd发生相互作用。如 图3所示，稻米Cd含量与土壤有效Cd含量成显著正相关(P<0.05)(R=0.631)，稻米中Cd含量随着土壤中有效Cd含量增加而增加。这是因为土壤中Cd元素一般分为有效态(水溶交换态)、碳酸盐结合态、有机结合态、铁锰氧化物态和残留态，有效态是植物可吸收利用的主要形态，土壤中有效Cd含量越多，植物各部位吸收和富集的Cd也越多，二者通常呈显著正相关关系。然而，稻米Cd含量与土壤有效Fe、Mn呈负相关趋势(图3)。可能是因为Fe2+和Mn2+在水稻根系泌氧作用下被氧化，形成铁锰氧化物胶膜[33-34]，该胶膜上可发生离子吸附与解吸、沉淀与溶解、氧化与还原等化学反应[35]，因此对重金属离子表现出较强的富集能力，进而调控着水稻根系对Cd2+等重金属离子的吸收，提高水稻抗重金属污染能力[36]。此外，土壤有效Zn对稻米Cd含量也表现出明显的抑制作用，二者间间呈负相关趋势(图3)，这与胡坤等的研究结果相似[37]。可能是因为Zn2+与Cd2+的性质相似，因此在土壤理化反应和植物吸收方面表现出一定的拮抗作用；更有研究指出土壤中Cd浓度较低时，Zn与Cd的拮抗作用更明显[38]。

2.4 稻米Cd含量与土壤全Cd、Ca、Mg、Mn含量之间的关系

稻米Cd含量与不同土壤金属全量之间也表现出不同的相关关系 (图4)。其中稻米Cd与土壤全Cd呈正相关趋势，表明土壤全Cd含量在一定程度上影响着稻米Cd的富集，但相比土壤有效Cd其影响不显著。因为外源Cd进入土壤以后主要是以铁锰氧化物态、有机结合态和残渣态等形态积累，较少部分直接以离子交换态存在[39]。而稻米Cd与土壤全Ca、Mg、Mn间则均呈负相关趋势 (图4)，表明土壤中全Ca、Mg、Mn的存在在一定程度上会抑制水稻对Cd的吸收。这与Solti和朱智伟等人的研究结果相似[40-41]。土壤中Ca对稻米吸收Cd的抑制作用，一方面是因为其Ca2+的离子半径与Cd2+相似，(Ca2+为99 pm，Cd2+为97 pm)，极易竞争Cd的吸附位点，会阻碍植物根系对Cd2+的吸收；另一方面是土壤中的CaCO3会促进土壤交换态Cd想络合态转化，增加土壤对Cd的吸附能力，降低土壤中Cd的有效性[42]。土壤中Mg对稻米吸收Cd 的抑制则是因为植物吸收Mg后能维持植物体内Fe浓度，提高植物抗氧化酶活性，增强作物抗氧化作用，进而解除或减缓植物受到Cd等有毒物质的毒害[43]。

图3 稻米Cd与土壤有效Cd、Fe、Mn、Zn的关系Fig.3 Relationship between Cd in rice and soil available Cd, Fe, Mn, Zn

图4 稻米Cd与土壤有效Cd、Ca、Mg、Mn的关系Fig.4 Relationship between Cd in rice and soil available Cd、Ca、Mg、Mn

3 结 论

土壤pH变化会直接影响土壤中重金属Cd的存在形态和有效性，与水稻吸收Cd含量呈负相关关系，随着土壤pH的降低，水稻吸收Cd含量则呈逐渐增加趋势。

未完全腐熟的秸秆直接施用到稻田，因产生有机酸，降低土壤pH， 增加土壤Cd的有效性，促进水稻对土壤Cd的吸收和富集，因此在镉污染地区慎用秸秆直接还田技术。

土壤中Cd元素的有效态是水稻可吸收利用的主要形态，土壤有效Cd含量越多，水稻生长过程中各器官吸收和富集的重金属Cd也越多。在水稻品种固定的前提下，土壤全镉含量也与稻米镉含量呈现正相关趋势。

土壤中Ca、Mg、Fe、Mn、Zn等大量金属元素与Cd同时存在，它们或与Cd化学性质相似，或因某种形态或结构与Cd产生联系，与水稻吸收Cd表现为拮抗关系。

[1]孙浩燕, 李小坤, 任 涛, 等. 长江中下游水稻生产现状调查分析与展望—以湖北省为例[J]. 中国稻米, 2015,21(3):24-27.

[2]安 宁, 范明生, 张福锁. 水稻最佳作物管理技术的增产增效作用[J]. 植物营养与肥料学报, 2015, 21(4):846-852.

[3]詹 杰, 魏 树, 牛荣成. 我国稻田土壤镉污染现状及安全生产新措施[J]. 农业环境科学学报, 2012, 31(7):1257-1263.

[4]Prokop Z, Cupr P, Zlevorova V, et al. Mobility, bioavailability, and toxic effects of cadmium in soil samples[J]. Environment Research , 2003, 91(2):119-126.

[5]肖相芬, 张经廷, 周丽丽, 等.中国水稻重金属镉与铅污染GAP栽培控制关键点分析[J]. 2009, 25(21):130-136.

[6]Romkens, P F A M, Guo H Y, et al. Prediction of cadmium uptake by brown rice and derivation of soil-plant transfer models to improve soil protection guidelines. Environmental Pollution[J]. 2009, 157(8-9):2435-2444.

[7]侯青叶, 杨忠芳, 杨晓燕, 等.成都平原区水稻土成土剖面 Cd 形态分布特征及影响因素研究[J]. 2008, 15(5):35-46.

[8]Wang M Y, Chen A K, Wong M H, et al. Cadmium accumulation in and tolerance of rice (Oryza sativa L.) varieties with different rates of radial oxygen loss[J]. Environmental Pollution, 2011, 159 (6):1730-1736.

[9]Ogo Y, Kakei Y, Itai R N, et al. Spatial transcriptomes of iron-deficient and cadmium-stressed rice[J]. 2014, 201(3):781-794.

[10]Basta N T, Ryan J A, Chaney R L. Trace element chemistry in residual-treated soil:Key concepts and metal bioavailability[J]. Journal of Environmental Quality, 2005, 34 (1), 49-63.

[11]普锦成, 符娟林, 章明奎. 土壤性质对水稻土中外源镉与铅生物有效性的影响[J]. 生态环境 2008, 17(6):2253-2258.

[12]张秋芳, 王 果, 杨佩艺, 等. 有机物料对土壤镉形态及其生物有效性的影响[J]. 应用生态学报, 2002, 13(12):1659-1662.

[13]陈 喆, 铁柏清, 雷 鸣, 等. 施硅方式对稻米镉阻隔潜力研究[J].环境科学, 2014, 35(7):2762-2770.

[14]周相玉, 冯文强, 秦鱼生, 等. 镁、锰、活性炭和石灰及其交互作用对小麦镉吸收的影响[J]. 生态学报, 2013, 33(14):4289-4296.

[15]潘 杨, 赵玉杰, 周其文, 等. 南方稻区土壤pH变化对稻米吸收镉的影响[J]. 安徽农业科学, 2015, 43(16):235-238.

[16]王 维. 水稻镉吸收的区域模型及其调控研究[D]. 南京:南京林业大学, 2012.

[17]李志博, 骆永明, 宋 静, 等. 基于稻米摄入风险的稻田土壤镉临界值研究:个案研究[J].土壤学报, 2008, 45(1):76-81.

[18]李 野, 赵玉杰, 周启星, 等. 基于土壤—稻米镉传输模型的太湖流域水稻禁产区筛选研究[J]. 农业环境科学学报, 2012, 31(1):75-84.

[19]曾 翔, 张玉烛, 王凯荣, 等. 不同品种水稻糙米含镉量差异[J]. 生态与农村环境学报，2006, 22(1):67-69, 83.

[20]陈京都, 何 理, 林忠成, 等. 不同生育期类型水稻对镉积累的研究[J]. 生态与农村环境学报， 2013, 29(3):390-393.

[21]李正文, 张艳玲, 潘根兴, 等. 不同水稻品种籽粒 Cd 、Cu 和 Se 的含量差异及其人类膳食摄取风险[J]. 环境科学, 2003, 24(3):112-115.

[22]吴启堂, 陈 卢, 王广寿. 水稻不同品种对Cd吸收累积的差异和机理研究[J]. 生态学报, 1999, 19(1):104-107.

[23]全国农业技术推广服务中心编.土壤分析技术规范 (第二版) [M]. 北京：中国农业出版社，2006.

[24]中华人民共和国国家标准.GB/T 5009.15-2003.食品中镉的测定[S].

[25]赵 晶, 冯文强, 秦鱼生, 等. 不同磷、钾肥对小麦产量及吸收镉的影响[J]. 西南农业学报, 2009, 22(3):690-696.

[26]Li Z Y, Tang S R, Deng X F, et al. Contrasting effects of elevated CO2 on Cu and Cd uptake by different rice varieties grown on contaminated soils with two levels of metals:Implication for phytoextraction and food safety[J]. Journal of Hazardous Materials, 2010, 177(1-3):352-361.

[27]Zhao J, Dong Y, Xie X B, et al. Effect of annual variation in soil pH on available soil nutrients in pear orchards[J]. Acta Ecologica Sinica, 2011, 31(4):212-216.

[28]欧阳喜辉, 赵玉杰, 刘凤枝, 等. 不同种类蔬菜对土壤镉吸收能力的研究[J]. 农业环境科学学报, 2007, 27(1):67-70.

[29]Li P, Wang X X, Zhang T L, et al. Effects of several amendments on rice growth and uptake of copper and cadmium from a contaminated soil[J]. Journal of Environmental Sciences, 2008, 20(4):449-455.

[30]叶新新, 孙 波. 品种和土壤对水稻镉吸收的影响及镉生物有效性预测模型研究进展[J]. 土壤, 2012, 44(3):360-365.

[31]Salati S, Quadri G, Tambone F, et al. Fresh organic matter of municipal solid waste enhances phytoextraction of heavy metals from contaminated soil[J]. Environmental Pollution, 2009, 158(5):1899-1906.

[32]Bai Y C, Gu C H, Tao T Y, et al. Straw incorporation increases solubility and uptake of cadmium by rice plants[J]. Acta Agriculturae Scandinavica, Section B—Soil & Plant Science, 2013, 63(3):193-199.

[33]Laskov C, Horn O, Hupfer M. Environmental factors regulating the radial oxygen loss from roots of Myriophyllum spicatum and Potamogeton crispus[J]. Aquatic Botany, 2006, 84(4):333-340.

[34]唐冰培, 杨世杰, 王代长, 等. 硫素对氧化还原条件下水稻土氧化铁和砷形态影响[J]. 环境科学, 2014, 35(10):3851-3861.

[35]刘文菊, 朱永官. 湿地植物根表的铁锰氧化物膜[J]. 生态学报, 2005, 25(2):358-363.

[36]Robinson B, Kimb N, Marchetti M, et al. Arsenic hyperaccumulation by aquatic macrophytes in the Taupo Volcanic Zone, New Zealand[J]. Environmental and Experimental Botany, 2006, 58(1-3):206-215.

[37]胡 坤, 喻 华, 冯文强, 等. 中微量元素和有益元素对水稻生长和吸收镉的影响[J]. 生态学报, 2011, 31(8):2341-2348.

[38]Zasoski R J, Burau R G. Sorption and Sorptive Interaction of Cadmium and Zinc on Hydrous Manganese Oxide[J]. Soil Science Society of America Journal, 1988, 52:81-87.

[39]莫 争, 王春霞, 陈 琴, 等. 重金属Cu、Pb、Zn、Cr、Cd在土壤中的形态分布和转化[J]. 农业环境保护, 2002,21(1):9-12.

[41]朱智伟, 陈铭学, 牟仁祥, 等. 水稻镉代谢与控制研究进展[J]. 中国农业科学, 2014, 47(18):3633-3640.

[42]熊礼明, 鲁如坤. 几种物质对水稻吸收镉的影响及机理[J]. 土壤, 1992, 24(4):197-200.

[43]Hermans C, Chen J G, Coppens F, et al. Low magnesium status in plants enhances tolerance to cadmium exposure[J]. New Phytologist, 2011, 92(2):428-436.

(责任编辑 李 洁)

Analysis of Environmental Factors Affecting Cadmium Uptake in Rice

YANG Ding-qing1, LI Xia2, ZHOU Ya1, LUO Li-hui1, LI Xu-yi2,ZHANG Dong3

(1.Testing Center of Sichuan Academy of Agricultural Sciences, Sichuan Chengdu 610066, China; 2.Crop Research Institute of Sichuan Academy of Agricultural Sciences, Sichuan Chengdu 610066, China; 3.Agricultural Bureau of Deyang, Sichuan Deyang 618000, China)

Field investigation and the mathematical statistic method were conducted to investigate the effect of environmental factors on the cadmium uptake of heavy metals in rice. The results showed that there was a negative correlation between Cd and soil pH, Mn, Fe, Zn, Mg, Mn, and among them the soil pH were significantly negative correlated with Cd (-0.672); whereas the correlation coefficient between Cd, the soil organic matter, available Cd, and total Cd were positively correlated, in which the soil organic matter and available Cd were significantly positive correlated with Cd. The correlation coefficients were 0.579 and 0.631, respectively.

Environmental factors; Cadmium; Rice; Soil; Absorption

1001-4829(2016)10-2496-05

10.16213/j.cnki.scjas.2016.10.044

2015-10-12

四川省科技计划项目-秸秆还田对水稻重金属镉积累影响的研究(2016JY0140)；公益性行业(农业)科研专项-农产品产供安全过程管控技术研究与示范(201303088)；科技部支撑计划项目-重金属超标农田原位钝化/固化与农艺调控技术研究(2015BAD05B01)

杨定清(1964-)，女，四川彭州人，硕士，研究员，主要从事农产品重金属污染研究，E-mail：417341130@qq.com。

S511

A