镉污染对水稻分蘖期植株生长及镉积累的影响

2017-06-21任艳芳张艳超王艳玲何俊瑜

浙江农业科学 2017年5期

关键词：分配比例分蘖期分蘖

林肖，任艳芳，张艳超，王艳玲，何俊瑜

(贵州大学农学院，贵州贵阳 550025)

镉污染对水稻分蘖期植株生长及镉积累的影响

林肖，任艳芳，张艳超，王艳玲，何俊瑜*

(贵州大学农学院，贵州贵阳 550025)

以水稻中优169为材料，通过盆栽试验，研究了不同浓度Cd污染对水稻分蘖期植株生长、根系活力、Cd积累与分配的影响。结果表明，5 mg·kg-1的Cd污染使分蘖期水稻植株根系活力和生物量明显降低，茎蘖数减少。随着Cd污染程度的增加，水稻根和茎叶Cd含量和积累量明显增加；根和茎叶的Cd富集系数、转移系数均呈降低趋势。1 mg·kg-1和5 mg·kg-1Cd使水稻根系Cd分配比例增加，茎叶Cd分配比例下降，且趋于稳定。

镉；水稻；分蘖期；积累；分配

镉(Cd)是主要的土壤重金属污染物之一。工业活动、过度施肥和废物处置不当等原因引发我国农业生产面临严重的Cd污染。Cd不是植物生长发育所必需的元素，农田土壤中的Cd能被作物吸收，影响植株生长并通过食物链，威胁人体健康。

水稻是我国重要粮食作物之一，也是吸收积累Cd较强的农作物[1]。稻田Cd污染不仅影响水稻生长，更为严重的是Cd大量积累于稻米中，影响稻米质量[2]。据报道，我国受Cd污染稻田已经达28万 hm2，每年生产的Cd含量超标农产品已超过7.3亿t[3]，随着农田Cd污染的加剧，稻米安全问题与日俱增。近年来，关于Cd污染对水稻生长发育、生理生化特性的影响[4]及其耐性机制[5-6]、Cd在水稻植株中的吸收积累[7-8]等方面已有大量研究，但有关水稻植株不同器官对Cd的吸收、累积及分配特征缺乏系统研究。研究表明，水稻Cd积累不仅受到土壤Cd污染程度等的影响，而且存在种间、种内差异。此外，不同生育时期不同部位对Cd的吸收积累效应差异较大[9-10]。

研究表明，水稻从土壤中吸收Cd主要集中在抽穗扬花之前的营养生长阶段，该阶段所吸收的Cd占整个生育期吸收Cd的91%[11]。分蘖期作为水稻营养生长阶段的重要时期，代谢旺盛，对重金属Cd的吸收能力强，不仅造成重金属在水稻植株体内积累，而且对水稻的生长、群体结构、产量影响很大。因此，明确分蘖期Cd的积累分配特征对于采取有效措施降低水稻重金属Cd累积，保障粮食质量安全具有重要意义。为此，本文通过盆栽试验研究了Cd污染对水稻分蘖期植株分蘖、根系活力和干物质积累的影响以及根系和地上部对Cd积累分配特征，以明确分蘖期水稻Cd积累分布规律，从而为采取相应措施降低水稻对Cd的吸收积累提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

盆栽试验于2015年在贵州大学农学院盆栽试验场进行。供试水稻品种为中优169，在无污染稻田进行育秧。供试土壤为贵阳市花溪区典型稻田土。采集耕层土风干去渣后，过2 mm筛，混匀。另取少许土样分别过2 mm和0.149 mm尼龙筛，测定土壤基本理化性状[12]。土壤pH值63.96，有机质含量23.21 g·kg-1；碱解氮、速效钾、速效磷、全镉、有效镉含量分别为133.83、216.57、56.72、0.524和0.116 mg·kg-1。

1.2 处理设计

试验设3个镉浓度，分别为1 mg·kg-1Cd(Cd1)、5 mg·kg-1Cd(Cd5)、以未添加Cd的稻田土为对照(Cd0)，每处理种植36桶。

试验盆钵为25 cm(直径)×30 cm(高)黑色塑胶桶。将过筛混匀土装入塑胶桶，每桶装土15 kg，通过添加CdCl2·2.5H2O溶液模拟污染土壤，使土壤镉浓度达到试验要求。施入镉后将桶中土搅拌均匀，加入去离子水完全淹水预培养1个月后种植水稻。种植前，按每千克土加入0.32 g尿素(含N 46%)、0.14 g磷酸二氢钾(含P2O512%)和0.25 g氯化钾(含K2O 60%)作为基肥。于5月25日移栽育好的水稻秧苗，每桶3穴，每穴2株。尿素追肥和病虫害防治措施同当地水稻高产田。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 分蘖动态观察

通过定点记录每穴分蘖数，测定植株的分蘖动态。

1.3.2 生物量测定

植株收获后，先用自来水小心清洗，再用去离子水反复冲洗并吸干表面水分，分为根系和茎叶两部分，置于烘箱中105 ℃下杀青30 min，70 ℃恒温下烘干至恒重并用万分之一电子天平称量植株根和茎叶干重。

1.3.3 根系活力测定

采用TTC还原法测定根系活力[13]。

1.3.4 植株Cd含量测定

植株不同器官Cd含量采用硝酸-高氯酸(4∶1，V∶V)湿法消煮，超纯水定容后用石墨炉原子吸收分光光度计(AA240FS，VARIAN，USA)进行测定。以国家标准物质GBW080684为内标进行质量控制，同时全程做空白试验。分析所用试剂均为优级纯，分析所用器皿均以5%硝酸溶液浸泡过夜，用去离子水洗净。

1.4 富集系数、转运系数、分配比例

参照文献[14]。富集系数=水稻器官Cd含量/土壤Cd含量，转运系数=水稻地上部各器官Cd含量/根部Cd含量，分配比例/%=(植株各器官Cd积累量/整株Cd积累量)×100。

1.5 数据处理

采用Excel 2003和SPSS 19.0软件分析处理数据。

2 结果与分析

2.1 镉污染对水稻分蘖的影响

从图1可以看出，Cd污染下水稻茎蘖数随生育期的变化趋势总体相似，呈单峰型曲线。Cd污染下水稻的最大茎蘖数有所降低，与对照相比，1 mg·kg-1Cd和5 mg·kg-1Cd污染下分蘖速度较慢，且分蘖峰值低，每穴最大茎蘖数分别低0.67和1.67个，分别下降2.38%和5.96%。此外，Cd污染使水稻的有效茎蘖数有所下降，与对照相比，1 mg·kg-1Cd和5 mg·kg-1Cd污染下有效茎蘖数分别下降3.35%和8.35%，其中5 mg·kg-1Cd污染下差异明显(P<0.05)；分蘖成穗率分别下降0.99%和3.18%。

图1 镉污染对水稻分蘖动态的影响

2.2 镉污染对水稻分蘖期植株生物量的影响

干物质量可反映作物生长发育的好坏。图2表明，不同Cd污染下水稻单株根和茎叶干物质积累量不同，与对照相比，1 mg·kg-1Cd污染下水稻根系和茎叶的生物量未受明显影响；5 mg·kg-1Cd污染下水稻分蘖期根系和地上部的生物量明显降低(P<0.05)，分别降低12.31%和14.81%。这与吕银斐等[15]的研究结果一致。

图2 镉污染对水稻植株生物量的影响

2.3 镉污染对水稻分蘖期根系活力的影响

根系是植物吸收养分的主要器官，其活力的强弱直接影响植株的生长。由图3可以看出，1 mg·kg-1Cd污染对水稻根系活力无明显的抑制作用，而5 mg·kg-1Cd污染处理使水稻根系活力明显降低(P<0.05)，与对照相比，根系活力降低9.20%。这与刘春梅等[13]的研究结果一致。

图3 Cd污染对水稻根系活力的影响

2.4 Cd污染对水稻分蘖期植株Cd含量和积累的影响

分蘖期水稻根、茎叶Cd含量见图4。在不同浓度Cd污染下水稻不同部位Cd含量差异显著。各部位Cd含量均随着Cd污染浓度增大明显增加，且根中Cd含量显著高于茎叶。这与莫争等[7]的研究结果一致。Cd主要集中在根部，与Cd进入根皮层细胞后，同根内蛋白质、多糖、核糖、核酸等化合形成稳定的大分子络合物，或与形成不溶性有机大分子而沉积下来有关[16]。在1 mg·kg-1Cd污染下，根内Cd含量为茎叶的4.91倍。在5 mg·kg-1Cd污染下，根内Cd含量是茎叶内的4.61倍，表明较高浓度Cd污染下，根系与茎叶Cd含量差距在减小。

图4 Cd污染下水稻不同部位Cd含量

水稻植株不同部位及整株Cd积累量均随着Cd污染浓度增大而明显增加。由表1可知，与对照相比，1 mg·kg-1Cd污染下，根、茎叶和植株Cd积累量分别增加1.30、0.51和0.82倍；5 mg·kg-1Cd污染下，根、茎叶和植株Cd积累量分别增加5.57、3.78和4.49倍。可见，Cd污染明显促进植株中Cd的积累。

表1 Cd污染下水稻根与茎叶Cd积累量

处理积累量/μg根茎叶植株积累总量Cd02094±022c3156±025c5251±061cCd14826±054b4753±043b9578±152bCd511655±143a11914±116a23569±206a

注：处理间无相同字母表示差异显著。

2.5 水稻分蘖期不同部位的Cd富集系数、转移系数和分配比例

由表2可知，Cd污染对水稻分蘖期各部位的Cd富集系数有一定影响。随着Cd污染程度的增加，水稻分蘖期根和茎叶的Cd富集系数均呈降低趋势，与对照相比，1和5 mg·kg-1Cd污染下，根系Cd富集系数分别下降16.50%和39.81%，茎叶Cd富集系数分别下降43.75%和59.38%。Cd在水稻植株体内的转移系数随着Cd污染程度的增加呈下降趋势。相比对照，1和5 mg·kg-1Cd使分蘖期水稻根系Cd分配比例增加，而使茎叶Cd分配比例下降，且二者间无明显差异，说明随着Cd污染程度的增加，水稻分蘖期根、茎叶的分配比例较为稳定。

表2 Cd污染下水稻不同器官Cd富集、转移和分配情况

处理富集系数根茎叶转移系数分配比例/%根茎叶Cd010303203139896011Cd108601802250384962Cd506201302049455055

3 小结与讨论

水稻是我国重要的农作物，在整个国民经济和社会安定中起着重要作用。稻田重金属Cd污染导致水稻生长发育受阻，进而影响产量。土壤Cd污染对水稻分蘖期植株生长、发育及器官Cd积累的作用受土壤因素和品种基因型的影响甚为显著，常因试验条件不一导致试验结果多有差异。研究表明，土壤低浓度Cd含量能促进植物的生长发育，使其生物量显著增加，但当Cd达到一定浓度时会抑制植物的光合生产力，根系活力受抑，生物量减少[17-18]。本试验结果表明，与不加Cd处理相比，1 mg·kg-1Cd污染对水稻的分蘖、生物量和根系活力均未受到明显的影响，但在5 mg·kg-1Cd污染下，水稻的生长发育(分蘖、生物量和根系活力)受到明显的抑制，呈现出较为明显的Cd毒害特征，这与吕银斐等[15]研究结果相一致。不同Cd浓度对分蘖期水稻器官Cd吸收累积有明显的影响。本试验得出，分蘖期水稻根系与茎叶中Cd含量与积累量随土壤Cd浓度的增加而明显升高，这与喻华等[18]的研究结果相似。此外，随着Cd污染程度的增加，根和茎叶的Cd富集系数、转移系数均呈降低趋势。1和5 mg·kg-1Cd使水稻根系Cd分配比例增加，茎叶Cd分配比例下降，且趋于稳定。

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