不同外源镉对水稻生长和富集镉的影响研究

龙思斯，宋正国，雷　鸣*，喻　理，王艺康，蒋宏芳，沈　跃

（1.湖南农业大学资源环境学院，长沙410128；2.农业部产地环境质量重点实验室/天津市农业环境与农产品安全重点实验室，天津300191；3.湖南安邦新农业科技股份有限公司/湖南省安邦农业研究院，湖南衡阳421200）



不同外源镉对水稻生长和富集镉的影响研究

龙思斯1，宋正国2*，雷鸣1*，喻理1，王艺康1，蒋宏芳3，沈跃2

（1.湖南农业大学资源环境学院，长沙410128；2.农业部产地环境质量重点实验室/天津市农业环境与农产品安全重点实验室，天津300191；3.湖南安邦新农业科技股份有限公司/湖南省安邦农业研究院，湖南衡阳421200）

摘要：为了探究不同来源镉对水稻富集镉的影响，通过盆栽种植水稻实验，以外源添加镉方式分别模拟土壤镉污染源、灌溉水镉污染源和大气降水镉污染源，对水稻的生长及其镉的含量和分布特征进行分析。结果表明：与对照相比，三种不同污染源中镉的含量对水稻株高以及稻谷的重量无显著影响（P＞0.05）。水稻植株各部位的镉含量随着污染源中镉浓度的升高而显著增加（P＜0.05），其中土壤污染和灌溉水污染处理下水稻植株中镉含量分布为根＞茎＞叶＞谷壳＞糙米，叶面污染为叶＞根＞茎＞谷壳＞糙米。无论是在同一污染源不同镉浓度还是不同单一污染源下，糙米中镉的含量与叶面中镉的含量呈显著线性关系（P＜0.05）。三种污染源对糙米富集镉的贡献顺序为叶面污染源＞灌溉水污染源＞土壤污染源。

关键词：水稻；镉；土壤污染源；灌溉水污染源；叶面污染源；糙米

龙思斯，宋正国，雷鸣,等.不同外源镉对水稻生长和富集镉的影响研究[J].农业环境科学学报, 2016, 35（3）：419-424.

LONG Si-si, SONG Zheng-guo, LEI Ming, et al. Growth and Cd accumulation of rice（Oryzasativa L.）grown in soils amended with Cd from different pollution sources[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2016, 35（3）: 419-424.

水稻是世界三大主要粮食作物之一，也是亚洲最重要的粮食来源。但是由于人类活动的影响，导致水稻中重金属，尤其是镉含量严重超标。由于镉（Cd）对人体危害的风险水平超过Hg和Pb的3～4个数量级[1]，对人体健康造成巨大的威胁。我国稻米中Cd含量超标问题日趋严重，随着国民经济发展和人们生活水平的提高，Cd超标的粮食安全问题也愈加引起国内外消费者的广泛关注。研究表明，造成水稻中重金属含量超标原因有多种，如大气降尘、污水灌溉和污染土壤、工业三废排放、超标肥料施用以及不合理的农业措施等[2-8]，但究竟是哪一种污染源是造成水稻中重金属含量的主要污染源，目前的报道还存在不同的观点。如赵雄等[3]认为土壤中Cd含量对水稻糙米中Cd的富集量贡献较大；严连香等[4]调查表明，污水灌溉能显著导致作物中Cd的含量超标；而于瑞莲等[8]研究发现大气沉降中Cd含量导致城市道路和工业区作物中Cd含量超标。可见，作物富集重金属Cd的来源比较复杂，如何确定稻米富集Cd主要污染来源是当前研究的热门问题。本研究在温室开展盆栽实验，通过对土壤添加外源Cd、灌溉水施加Cd和叶面喷施Cd分别模拟土壤Cd污染源、灌溉水Cd污染源和大气降水Cd污染源，探讨这三类污染途径下，水稻对Cd的吸收积累规律，分析三种不同污染源对糙米富集Cd的贡献关系，其结果对水稻的安全生产具有指导作用，并为阻控稻米Cd超标问题提供科学理论依据。

1　材料与方法

1.1试验材料

供试土壤为湖南农业大学耘园农田表层土壤，pH值为7.05，土壤Cd本底为（0.06±0.01）mg·kg-1。土壤去除杂质后，风干，混匀，过1 cm×1 cm筛。Cd的污染物为CdCl2·2.5H2O分析纯化学试剂。供试水稻为中嘉早17号（浙审稻2006020），供试盆栽容器为直径22 cm、高25 cm的塑料桶。

1.2盆栽试验设计

盆栽实验在湖南农业大学通风玻璃房进行。每个塑料桶装土6.5 kg，实验设置4种处理：无Cd污染（对照，CK）、土壤外源Cd污染（T）、灌溉水外源Cd污染（G）和叶面外源Cd污染（Y）。为了避免过多的干扰因素，每种污染源中Cd的浓度设置一样，即设置3个Cd处理浓度（CdCl2·2.5H2O）：1.5、3.0、6.0 mg·kg-1，每个浓度设置3次平行，对照组（CK）也设3次平行，共30盆。土壤外源Cd的添加是将Cd以溶液的形式与风干土混匀，注水至饱和，平衡3～4周。移栽水稻秧苗前，按N：0.150 g·kg-1（氮肥比例按3：2的比例做基肥和分蘖肥施用）、P2O5：0.120 g· kg-1、K2O：0.150 g·kg-1施加基肥，注水饱和放置3～7 d，然后移植水稻秧苗，每桶均匀摘插3兜，每穴2株。水稻秧苗于2014年4月25日插入盆栽。叶面外源Cd和灌溉水外源Cd设计在水稻分蘖期、孕穗期、抽穗期、扬花期、乳熟期，于早上9点和下午5点后分别进行叶面Cd喷施和Cd溶液的灌溉，每次分别喷施和灌溉150 mL不同Cd浓度的溶液，共10次。叶面喷施时为避免溶液进入土壤，用塑料薄膜覆盖，待叶面近干，移走薄膜。在水稻整个生育期水分管理与大田管理方式一致，所用日常水Cd浓度为1.12 μg·L-1，未超过国家灌溉水标准值（＜10 μg·L-1）。在病虫害出现初期，及时喷施农药。

1.3土壤和植物样品采集与分析

土壤样品以四分法取样，经风干后，研磨过100目尼龙筛，采用电位法（水土比为2.5：1）测定pH[9]，用王水（HNO3：HCl=3：1）硝化法消煮，同时用土壤国家标准参比物质（GSS-5）和空白样进行分析质量控制，并用原子吸收分光光度计-石墨炉法（GTA120，美国Varian）测定土壤本底Cd含量。

在水稻收获期采集植株样品，用自来水清洗，并分离根、茎、叶、谷壳和糙米。将谷粒样品置于室外阳光下晒干，其他部位样品皆装入A4信封袋编号后置于102℃烘箱内2 h，后调至65℃烘至恒重。记录谷粒的干重后，用JLG-Ⅱ型砻谷机分离谷壳和糙米，水稻的根、茎、叶用植物粉碎机粉碎后，装入密封袋保存待用。水稻样品（根、茎、叶、谷壳和糙米）采用混合酸硝酸-高氯酸（体积比为4：1）消化法消煮，同时用植物国家标准参比物质[灌木枝叶GBW07603（GSV-2）]、大米植物国家标准参比物质[GBW10010（GSB-1）]和空白样进行分析质量控制。镉全量测定采用原子吸收分光光度计-石墨炉法（GTA120，美国Varian）测定。分析过程中所用试剂均为优级纯。

1.4数据处理

所有数据均采用3次重复的平均值±标准偏差来表示。采用SPSS 18. 0统计分析软件进行单因素方差分析，采用Excel 2003进行数据的绘图。相关方程与相关系数在SPSS中通过“分析-回归-线性”程序检验实现。

2　结果与讨论

2.1外源Cd对水稻株高和稻谷产量的影响

Cd进入植物体内后，对水稻的污染具有强烈的隐蔽性和危害性。由表1可知，三种污染源处理的株高与对照无显著差异（P＞0.05），土壤源和叶面源的不同浓度间均无显著差异（P＞0.05）；灌溉水污染源处理下G-1的株高显著大于G-2和G-3，说明此类污染源的Cd胁迫对水稻生长有一定抑制作用。水稻稻谷的重量在不同处理间均无显著性差异（P＞0.05），说明三种污染源下的不同Cd浓度对本实验供试水稻的产量影响不大。有研究表明，水稻在长期受到Cd胁迫时会产生抗性，从而使植株适应这种逆境并进行生长补偿[10]，最终毒害作用相对减轻。孙聪等[11]通过盆栽试验发现在中碱性水稻土中，多种水稻品种生物量随着Cd污染浓度增加没有显著性差异，说明在低浓度Cd（10 mg·kg-1）污染下不同水稻品种表现的生长性各有差异[12]。

2.2外源Cd污染下水稻植株各部位的Cd含量

如表2所示，对照处理下，水稻谷壳和糙米中Cd的含量分别为0.09 mg·kg-1和0.04 mg·kg-1。随着土壤中Cd浓度的增加，水稻各部位Cd的含量也相应升高，稻谷中的Cd含量差异性显著（P＜0.05）。水稻各部位Cd含量大小顺序为根＞茎＞叶＞谷壳＞糙米。水稻地上部分Cd的含量远低于根，这一规律和已有的研究结果一致[13]。

土壤受到灌溉水Cd污染时，水稻各部位Cd含量与对照组相比达到了显著差异水平（P＜0.05），其大小顺序为根＞茎＞叶＞谷壳＞糙米。随着灌溉水中Cd浓度的增加，水稻植株各部位中Cd含量升高。可见，灌溉水中Cd2+极易被水稻吸收积累，水稻地上部分的Cd主要来源于根部对灌溉水中离子态Cd的吸收，且李玉清等[14]研究表明当Cd2+质量浓度＞0.005 mg·L-1时，稻米富集Cd的量随着灌溉水中Cd质量浓度的升高而显著增加。

表1　外源Cd污染对水稻地上部生物量的影响Table 1 Effects of Cd pollution on aboveground biomass of rice

表2　不同Cd污染源条件下水稻植株Cd的含量Table 2 Content of Cd in rice plants treated with different pollution sources

通过喷施叶面Cd2+时，发现水稻叶子中Cd的积累效果非常明显，其次就是茎跟籽实，达到了显著水平（P＜0.05）。随着Cd喷施浓度的增加，水稻地下部分的Cd含量相差不大，差异水平不显著（P＞0.05）。水稻植株中Cd的含量大小顺序为叶＞根＞茎＞谷壳＞糙米，表明叶片中Cd的含量可作为判断水稻富集重金属来源的依据。糙米Cd含量所占叶片中的比重随污染浓度增加而减小，说明Cd在叶片中存在永久性积累[15]，超过一定浓度后，叶片向糙米的运输会有局限性。

综上所述，随着外源Cd污染浓度的增加，水稻各部位Cd含量也相应增加[16]。相同Cd浓度条件下，不同污染源对水稻Cd积累贡献顺序基本为叶面污染源＞灌溉水污染源＞土壤污染源。当Cd处理浓度≥1.5 mg·kg-1时，三种污染源都导致了稻米中Cd含量超标。研究表明，如果是土壤污染源和灌溉水污染源，水稻主要通过根的质外体和共质体途径从土壤溶液中吸收Cd，然后从根系中柱流向木质部，最后Cd被运输到茎、叶以及籽实中[17]，且根际周围Cd离子越多，水稻地下部分对Cd的吸收积累也会增多[18]。土壤源和灌溉水源较叶面源下糙米Cd含量所占根部Cd含量比重小，由于土壤自身生态环境以及气候条件等诸多因素都会对植株从土壤中吸收Cd造成一定影响[19]，根部积累的Cd通过维束管组织向地上各器官转运过程中会受到各组织细胞壁的活性化合物阻控作用，最后能达到叶片和谷粒的量是有限的[20-21]。而叶面污染源，水稻吸收Cd主要是通过叶面气孔、叶表面角质层的亲水小孔以及叶片细胞的质外连丝进行主动吸收这三种途径进入叶肉细胞[22]。根茎部Cd含量在Y-1 和Y-2处理下分别大于T-1和T-2的处理，分析认为叶片一部分Cd能向下迁移，叶片中富集的Cd主要来自于叶面喷施污染源，而不是从土壤中吸收获得。

2.3外源Cd污染处理下水稻各部位Cd含量的相关分析

2.3.1外源Cd污染处理下水稻各部位和稻谷中Cd富集的相关性

水稻暴露在不同的污染源下，经过根或叶面对Cd的吸收后，都会进入其体内造成一定的富集[23]。为了探究水稻各部位Cd含量对稻谷中Cd含量的影响，建立水稻根、茎、叶片与稻谷（谷壳+糙米）的一元方程，如图1所示。在三种污染源处理下，水稻根部Cd含量与稻谷中Cd含量的相关方程为y=-0.001 6x+ 3.448 1，R2=0.000 04（P＞0.05，n=10）；水稻茎中Cd含量与稻谷中Cd含量的相关方程为y=0.3847x+0.114 0，R2=0.856 5（P＞0.05，n=10），水稻叶片中Cd含量与稻谷中Cd含量的相关方程为y=0.171 4x+0.907 7，R2= 0.910 8（P＜0.01，n=10）。由此可知，叶片中Cd含量对稻谷富集Cd有显著的影响。

2.3.2外源Cd污染处理下水稻叶片Cd含量和稻谷中Cd富集的相关性

图1　三种污染源处理下水稻根、茎、叶片Cd含量与稻谷中Cd含量相关性Figure 1 Correlation between Cd concentrations in roots，shoots，and leaves and brown rice under three Cd pollution sources

为了进一步探究不同污染源下叶片Cd含量对糙米Cd含量的影响，建立水稻叶片和糙米之间的一元方程。如图2所示，土壤外源污染时，糙米中Cd含量与叶片中Cd含量之间的相关方程为y=0.269 2x-0.059 7，R2=0.979 8；叶面外源污染时，糙米中Cd含量与叶片中Cd含量之间的相关方程为y=0.056 9x+ 0.378 8，R2=0.964 9；灌溉水外源污染时，糙米中Cd含量与叶片中Cd含量之间的相关方程为y=0.171 5x+ 0.082 5，R2=0.922 9。在三种污染源处理下，叶片中Cd含量与糙米中Cd含量的相关系数都显著相关（P＜0.05），说明此处理下叶片中Cd的输出可直接影响水稻糙米中的Cd含量，因此在盆栽条件下，通过叶片Cd含量的测定来检测水稻可食部分Cd超标是可行的。

图2　三种污染源处理下叶片Cd含量和糙米Cd含量相关性Figure 2 Correlations between Cd concentrations in leaves and brown rice under three Cd pollution sources

根据图2线性方程得出，当叶片富集Cd＜1.50 mg·kg-1时，糙米中富集Cd的程度大小为灌溉水污染源＞土壤污染源；当叶片富集Cd＜2.07 mg·kg-1时，糙米中富集Cd的程度大小为叶面污染源＞土壤污染源；当叶片富集Cd＜2.61 mg·kg-1时，糙米中富集Cd的程度大小为叶面污染源＞灌溉水污染源。综上所述，在叶片含Cd浓度为1.50 mg·kg-1以下时，三种污染源对水稻稻谷中富集Cd的贡献大小为叶面污染源＞灌溉水污染源＞土壤污染源。以国家粮食安全标准值Cd 0.2 mg·kg-1（GB 2762—2012）为评价标准，发现大气沉降中的Cd很容易通过叶片吸收向水稻稻谷转移，因此，相比土壤和灌溉水污染源更容易造成稻米中Cd含量超标问题。

3　结论

（1）与空白对照组相比，模拟土壤污染源、灌溉污染源和叶面污染源中Cd的含量对水稻的生长及稻谷重量无显著影响。

（2）在三种污染源处理下，水稻植株各部位Cd的含量随污染源中Cd的浓度升高而显著增加，其中土壤污染源和灌溉水污染源处理下，水稻各部位Cd含量大小顺序为根＞茎＞叶＞谷壳＞糙米，叶面污染源为叶＞根＞茎＞谷壳＞糙米。

（3）可以通过测定叶片Cd含量来预测水稻糙米中Cd的含量，但是在田间的实际应用，有待于进一步研究。

（4）叶面污染源更容易导致糙米中Cd含量超过国家食品卫生标准值，其次是灌溉水污染源，最后是土壤污染源。

此外，本研究只考虑在单一污染源下的可能性，但是在农田环境中，水稻可同时受到多方面的污染源影响。因此，在三种污染源的复合污染下，具体是哪一种或者哪几种污染源中Cd对水稻富集Cd的贡献率最大还有待深入研究。

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雷鸣E-mail：leiming8297@163.com

Growth and Cd accumulation of rice（Oryza sativa L.）grown in soils amended with Cd from different pollution sources

LONG Si-si1, SONG Zheng-guo2*, LEI Ming1*, YU Li1, WANG Yi-kang1, JIANG Hong-fang3, SHEN Yue2
（1.College of Resources and Environment, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China; 2.Key Laboratory of Production Environment and Agro-product Safety of Ministry of Agriculture and Tianjin Key Laboratory of Agro-environment and Food Safety, Tianjin 300191, China; 3.Hunan Anbang New Agricultural Science and Technology Corp and Hunan Anbang Academy of Agricultural, Hengyang 421200, China）

Abstract：Cadmium from different pollution sources may have different bioavailability, thus showing various effects on plants. Here an experiment was carried out to study the effects of different sources of Cd on growth and Cd uptake of rice（Oryza sativa L.）under greenhouse condition. Cadmium was added to soil-rice system via mixing soil with Cd(2+)-containing solution, irrigating water and leaf-spraying to simulate soil pollution, irrigation water pollution, and atmospheric deposit pollution sources, respectively. Compared with the control, there were no significant differences in plant height and grain yields of rice among three different Cd pollution sources（P＞0.05）, while the contents of Cd in rice plants significantly increased（P＜0.05）with increasing Cd concentrations in three pollution sources. The distributions of Cd in rice plants treated with soil pollution and irrigation water pollution sources were：root＞stem＞leaf＞husk＞brown rice, whereas it was leaf＞root＞stem＞husk＞brown rice under atmospheric Cd pollution. Significant linear relationship（P＜0.05）was found between Cd content in leaves and in husks of rice in the same Cd pollution source, or across different pollution sources. The highest concentration of Cd in brown rice was observed under atmospheric pollution source, followed by irrigation water pollution and soil pollution sources, suggesting that enrichment of Cd in brown rice decreased in order of atmospheric pollution＞irrigation water pollution＞soil pollution.

Keywords：rice plant; cadmium; soil pollution source; irrigation water pollution source; atmospheric pollution source; brown rice

*通信作者：宋正国E-mail：forestman1218@163.com

作者简介：龙思斯（1991—），女，湖南娄底人，硕士研究生，研究方向为环境污染修复与治理。E-mail：358719093@qq.com

基金项目：国家863项目子课题（2012AA10404-5）；湖南省安邦农业研究院资助项目

收稿日期：2015-11-09

中图分类号：X503.231

文献标志码：A

文章编号：1672-2043（2016）03-0419-06

doi:10.11654/jaes.2016.03.002