土壤pH值与镉含量对水稻产量和不同器官镉累积的影响

2019-05-30易镇邪袁珍贵陈平平郭莉莉屠乃美

核农学报 2019年5期

易镇邪袁珍贵陈平平郭莉莉屠乃美

(湖南农业大学农学院/南方粮油作物协同创新中心，湖南长沙 410128)

水稻(OryzasativaL.)是我国重要的粮食作物之一。土壤镉(Cd)污染是近年来备受关注的焦点问题之一。湖南省作为有色金属之乡，其土壤重金属污染。目前，土壤Cd污染对水稻影响的研究已有大量报道，主要集中在水稻种子萌发[1]、根系特性[2]、光合特性[3]、叶片保护酶活性[4]等方面。前人研究水稻的Cd积累与分配特性，认为水稻根系Cd含量最高，其次是茎秆，叶片和籽粒Cd含量远低于根系[5-7]。还有研究者比较不同水稻品种(亲本)的Cd积累分配特性，发现水稻Cd吸收总量与分配特性存在品种间差异[8-12]。同时，也有研究者探讨了水稻Cd低积累的生理生化机制[13-15]。

研究表明，pH值的改变能打破土壤中原有Cd存在形态的平衡，当pH值<6.5时，土壤中有效态Cd比例随着pH值的降低而相对增加，提高了土壤Cd的有效性[16-21]。水稻土壤Cd污染程度不一，势必影响水稻的Cd积累与分配。目前，土壤Cd含量对水稻Cd累积分配影响的研究较多，但关于品种间Cd积累分配差异尚缺乏较为深入的研究。同时，在大田条件下开展不同土壤pH值背景下土壤Cd含量对不同水稻品种Cd累积分配规律的研究尚鲜见报道。因此，本研究在湖南长沙地区两块土壤pH值差异明显的稻田上，同时开展不同晚稻品种Cd累积分配规律对土壤Cd含量的响应研究，旨在探明水稻产量与器官间Cd累积分配对土壤pH值与Cd含量的响应，为不同水稻品种在不同pH值、不同Cd含量稻田上的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试品种为前期品种筛选试验获得的3个籽粒Cd含量差异明显的晚稻品种，即天优华占(高Cd积累型品种)、星2号(中Cd积累型品种)和湘晚籼13号(低Cd积累型品种)，3个品种均于2014年6月22号播种，天优华占成熟期为10月22日，后两者成熟期均为10月29日，3个品种全生育期分别为122、129和129 d。

1.2 试验地点

在长沙县稻田土壤酸化监测区两块土壤pH值差异明显的稻田(pH值6.75和4.86)上开展大田试验。pH值6.75的稻田土壤总Cd和有效Cd含量分别为0.38和0.13 mg·kg-1；pH值4.86的稻田土壤总Cd和有效Cd含量分别为0.39和0.17 mg·kg-1。相关指标的室内测定在湖南农业大学作物生理与分子生物学教育部重点实验室进行。

1.3 试验设计

每块大田种植3个品种，采用随机区组试验设计，3次重复，小区面积25 m2。在各小区中用直径40 cm、高35 cm的PVC管设置9个微区(每个Cd水平处理安排3个微区)，PVC管深度至犁底层(泥面以上露出约15 cm)。通过添加超纯3CdSO4·8H2O设3个Cd含量水平：Cd1(土壤本底Cd含量)、Cd2(土壤本底Cd含量+0.5 mg·kg-1Cd)、Cd3(土壤本底Cd含量+1.0 mg·kg-1Cd)。具体操作步骤如下：首先采用环刀分别取两田块耕作层土壤，带回室内烘干至恒重，称重并计算土壤容重；然后测量两块田的耕层土壤深度，根据土壤容重、耕层土壤深度及PVC管内径横截面积计算微区中土壤重量，计算达到预设Cd水平所需要添加的3CdSO4·8H2O的量，逐一添加并搅拌均匀，2 d后人工插植水稻，每个微区内种植4穴水稻。各品种均于7月23号移栽，株行距16.7 cm × 20 cm，每穴基本苗3株。两块大田及微区施肥、灌水与其他管理措施均一致。大田施肥方法：整地前施用15-15-15三元复合肥600 kg·hm-2作基肥，拔节初期施用尿素(含N 46.4%)150 kg·hm-2作穗肥。大田灌水方法：水稻返青后采用干湿交替灌溉方式，即每次灌水5～6 cm，自然落干后再次灌水，如此反复，齐穗20 d后不再灌水。微区内肥料施用时期与大田一致，施肥量根据水稻穴数进行折算后单独施入；灌水时期和深度与大田一致。试验区病虫害防治等其他管理按照常规方法进行。

1.4 测定项目与方法

水稻各器官干物重：分别于水稻孕穗期(剑叶全展)、灌浆中期和成熟期取样，每个小区内每个处理取1个微区(3次取样后样品全部取完)，带土取出植株，将泥巴冲洗干净后，将水稻植株分为根、叶、茎、穗等部位，分别装袋后于105℃杀青30 min，然后于80℃烘至恒重，称重后粉碎过筛，备用。

水稻产量及其构成因素：水稻成熟后，将微区内水稻收获后带回室内，按照常规方法考察有效穗数、穗粒数、结实率、千粒重等产量构成因素，按照公式计算经济系数：

经济系数=经济产量/生物产量

(1)。

水稻各器官Cd含量：用HNO3-HClO4消解水稻根、叶、茎、穗等器官粉碎样品，采用原子吸收光谱法(石墨炉法)[22]测定Cd含量，同时添加消解空白和标准样品处理进行质量控制，按照公式计算水稻各器官Cd积累量(μg·穴-1)。

水稻各器官Cd积累量=Cd含量×各器官干物重

(2)。

1.5 数据处理

采用Microsoft Excel 2003整理数据；SPSS软件进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同pH值条件下土壤Cd含量对3个品种产量及其构成的影响

由表1可知，土壤pH值6.75条件下，天优华占的Cd1与Cd2处理间产量无显著差异，但Cd3处理显著下降，每穗实粒数随着Cd浓度的增加而降低，Cd2和Cd3处理的结实率和经济系数较Cd处理显著下降，而千粒重则随着Cd浓度的增加而增加，各处理间有效穗数差异与产量表现一致。土壤pH值4.86条件下，天优华占产量以Cd2处理最高，Cd3处理最低；各处理间每穗实粒数差异与产量表现一致，有效穗数表现为Cd2、Cd3处理显著低于Cd1，处理间千粒重、结实率均无显著差异，经济系数以Cd3处理最高，Cd1与Cd2处理间差异不显著。比较天优华占在两块不同pH值稻田的表现，发现其在酸化稻田上产量明显下降，降幅达17.52%～22.40%，这主要由有效穗数和经济系数下降所致。

土壤pH值6.75条件下，星2号产量随着Cd浓度增加而下降，其中Cd3处理下降显著，各处理间千粒重、经济系数均无显著差异，有效穗数、结实率均随着Cd浓度增加而下降，而每穗实粒数整体呈增大趋势。土壤pH值4.86条件下，星2号产量随着Cd浓度增加而显著下降，每穗实粒数和结实率变化趋势与产量变化一致，Cd3处理千粒重显著高于Cd1和Cd2处理；Cd2和Cd3处理经济系数较Cd1处理显著下降，而有效穗数则显著增加。比较星2号在两块不同pH值稻田的表现，发现其在酸化稻田上产量明显下降，降幅达21.72%～33.81%，且主要由每穗实粒数、结实率和经济系数下降所致。

土壤pH值6.75条件下，湘晚籼13号产量随着Cd浓度的增加而下降，其中Cd3处理下降显著，各处理间结实率几乎无变化，有效穗数、每穗实粒数、经济系数均以Cd1处理最高，千粒重以Cd2处理最高。土壤pH值4.86条件下，产量以Cd2处理最高，Cd3处理最低，每穗实粒数以Cd2处理最高，有效穗数、千粒重、结实率、经济系数均随着土壤Cd浓度增加而降低。比较湘晚籼13号在两块不同pH值稻田的表现，发现其在酸化稻田上产量明显下降，降幅达3.05%～17.71%，且主要由有效穗数下降所致。

注：同品种、同地点、同列不同小写字母表示相同地点的同一品种的不同处理间差异显著。下同。

Note: Different lowercase letters indicate significant difference at 0.05 level in the same column for the same variety and site. The same as following.

综上所述，3个品种均因土壤pH值下降而减产，但降幅存在明显的品种间差异，其中星2号降幅最大，天优华占其次，湘晚籼13号降幅最小；3个品种产量在不同Cd浓度下的变化与Cd处理浓度有关，其中Cd2处理下降幅不显著，而Cd3处理下均显著下降，且其降幅与品种和土壤pH值有关，星2号和湘晚籼13号在酸化条件下降幅较大，而天优华占在正常pH值条件下降幅较大。

2.2 不同pH值条件下土壤Cd含量对水稻植株Cd含量的影响

2.2.1 水稻植株Cd含量由表2可知，3个品种3个时期植株Cd含量均随着土壤Cd浓度的增加而显著提高，且两块稻田上表现趋势一致。比较同一品种在两块大田上的表现，发现在土壤pH值4.86条件下植株Cd含量明显较高，3个品种在不同Cd处理下，其孕穗期、灌浆中期和成熟期的植株Cd含量变化趋势一致。不同生育时期间比较发现，pH值6.75条件下，以成熟期植株Cd含量最高，而pH值4.86条件下多以灌浆中期或孕穗期最高。品种间比较发现，植株Cd含量一般以星2号最高，天优华占次之，湘晚籼13号最低。结果表明，晚稻植株Cd含量存在品种间差异，但各品种植株Cd含量均随着土壤Cd浓度增加而显著提高，且均因土壤酸化而进一步提高，同时各品种植株Cd含量峰值因土壤酸化而提前。

2.2.2 水稻植株各器官Cd含量由表3可知，天优华占在孕穗期，pH值6.75条件下，叶、茎、根等器官Cd含量均随着土壤Cd浓度增加而显著增大，叶、茎、根Cd含量分别增大1.0～1.8倍、6.4～12.9倍、4.4～11.1倍；pH值4.86条件下，叶、茎、根等器官Cd含量也均随着土壤Cd浓度增加呈显著增大的趋势，叶、茎、根Cd含量分别增大9.7～17.8倍、4.7～6.5倍、5.6～7.7倍。各器官间Cd含量存在较大差异，以根最高，茎次之，叶最低；pH值6.75条件下，Cd1处理下的根Cd含量分别是叶、茎Cd含量的44.0倍和15.5倍，Cd2处理下的根Cd含量分别是叶、茎Cd含量的118.8倍和11.3倍，Cd3处理下的根Cd含量分别是叶、茎Cd含量的187.7倍和13.5倍；pH值4.86条件下，Cd1处理下的根Cd含量分别是叶、茎Cd含量的91.5倍和6.3倍，Cd2处理根Cd含量分别是叶、茎Cd含量的56.8倍和7.3倍，Cd3处理根Cd含量分别是叶、茎Cd含量的42.2倍和7.3倍。灌浆中期与成熟期，各器官Cd含量随着土壤Cd浓度增加而增大，与孕穗期基本一致，除天优华占在灌浆中期，pH值4.86条件下外，其器官间Cd含量均表现为根>茎>穗>叶。此外，不同器官在3个时期间的Cd含量存在差异，其中，叶Cd含量自孕穗期后增大；灌浆中期与成熟期基本相当，茎Cd含量自孕穗期后持续增大，穗Cd含量至成熟期达最大；根Cd含量在pH值6.75条件下以灌浆中期最高，pH值4.86条件下以孕穗期最高。

星2号、湘晚籼13号植株各器官Cd含量在器官间、Cd浓度间、土壤pH间、时期间的变化趋势与天优华占基本一致。结果表明，3个品种间器官Cd含量差异明显，各时期各条件下变化趋势基本一致，营养器官(叶、茎、根)Cd含量表现为星2号>天优华占>湘晚籼13号，而穗Cd含量表现为天优华占>星2号>湘晚籼13号。

表3 不同pH值条件下土壤Cd含量对3个品种植株各器官Cd含量的影响

表3(续)

注：“-”表示未检测到或不存在。下同。

Note: ‘-’ indicates not tested or not existed. The same as following.

综上所述，水稻叶、茎、根等器官Cd含量差异较大，各器官Cd含量均随着土壤Cd浓度增加而显著增大，且受到土壤pH值的影响；水稻植株各器官Cd含量随着生育进程的推进表现出不同的变化趋势；品种间Cd含量差异明显。

2.3 不同pH值条件下土壤Cd含量对水稻植株Cd累积量的影响

由表4可知，天优华占在孕穗期，两块不同pH值稻田上，水稻叶、茎、根、全株Cd累积量均随着土壤Cd浓度增加而显著增大；pH值6.75条件下器官间Cd累积量均表现为根>茎>叶，而pH值4.86条件下则表现为茎>根>叶；土壤酸化条件下，水稻植株Cd累积量明显增大，pH值4.86条件下全株Cd累积量较pH值6.75条件下提高2.4～2.6倍。灌浆中期与成熟期，除pH值6.75条件下叶Cd积累量的Cd2处理最大外，各器官及全株Cd积累量均随着土壤Cd浓度增大而显著增加；灌浆中期各器官累积量在pH值6.75条件下表现为根>茎>穗>叶，在pH值4.86条件下表现为茎>根>穗>叶，而成熟期除Cd1处理各器官Cd累积量在2种土壤pH条件下均表现为茎>穗>根>叶。

湘晚籼13号植株各器官Cd累积量在器官间、Cd浓度间、土壤pH间、时期间的变化趋势与天优华占基本一致，而星2号在器官间Cd累积则表现出一定差异，其在各时期、2种土壤pH值条件下均以茎Cd累积量最大，而另外2个品种在孕穗期与灌浆中期pH值6.75条件下以根Cd累积量最大。

3个品种比较发现，营养器官和整株Cd累积量均表现为星2号>湘晚籼13号>天优华占，而穗Cd累积量表现为天优华占>星2号>湘晚籼13号。可见，3个品种的Cd累积特性差异较大，星2号Cd累积总量最大，但穗Cd累积量居中，天优华占Cd累积总量最小，但穗Cd累积量最大，而湘晚籼13号总累积量居中，但穗Cd积累量最小。

综上，水稻叶、茎、根、全株Cd累积量均随着土壤Cd浓度增加和土壤pH值降低而显著增大，孕穗期与灌浆中期器官间累积量差异在不同pH值稻田上与不同品种间表现有差异，而成熟期均表现为茎>穗>根>叶；品种间Cd累积量差异明显。

表4 不同pH值条件下土壤Cd含量对3个品种植株各器官Cd累积量的影响

表4(续)

2.4 不同pH值条件下土壤Cd含量对水稻植株Cd分配的影响

由表5可知，天优华占在pH值6.75条件下，Cd1处理的穗、茎Cd累积量占总量比例相当，其次是根，叶最低；随着土壤Cd浓度的增大，穗、叶Cd累积比例均有所降低，而根呈先下降后上升的趋势，茎呈上升趋势；pH值4.86条件下，Cd1处理下的茎Cd累积量占总量比例为64.08%，穗为24.46%，叶、根Cd所占比例分别为6.60%和4.86%；随着土壤Cd浓度的增大，茎、叶Cd比例均呈先下降后上升的趋势，穗、根Cd比例则呈先上升后下降的趋势。星2号在pH值6.75条件下，茎Cd累积量占总量比例最高，叶Cd比例最低；随着土壤Cd浓度的增大，穗Cd比例略有增加，但变化不明显，叶、根Cd比例均有所降低，而茎Cd比例明显增大；pH值4.86条件下，器官间Cd所占比例表现为茎>穗>根>叶。湘晚籼13号在pH值6.75条件下，器官间Cd所占比例均表现为茎>根>穗>叶；pH值4.86条件下，除Cd1处理外，各器官间Cd所占比例表现为茎>穗>根>叶，其中茎Cd比例高达70%以上，不同Cd浓度处理间差异不大。

品种间Cd分配比例存在一定差异，天优华占与星2号一般表现为茎>穗>根>叶，而湘晚籼13号在不同pH值稻田上存在差异，pH值6.75条件下表现为茎>根>穗>叶，而pH值4.86条件下(除Cd1处理外)表现为茎>穗>根>叶。比较各品种穗Cd所占比例发现，天优华占最高(24.46%～41.71%)，且处理间差异较大，其次为星2号(15.75%～21.55%)，湘晚籼13号最低(11.54%～14.14%)，且处理间差异较小。

综上所述，水稻Cd在不同器官的比例，一般以茎最高，叶最低；土壤酸化条件下，水稻茎、叶Cd所占比例增大，根、穗Cd所占比例降低；品种间Cd分配比例存在一定差异，穗Cd所占比例表现为天优华占>星2号>湘晚籼13号。

3 讨论

3.1 水稻植株Cd含量与累积量对土壤pH值与Cd含量的响应

水稻对Cd的吸收运转受诸多因素影响，包括水稻品种[23-24]、土壤理化性质[25]及栽培措施[26]等。本试验发现，在土壤pH值4.86条件下水稻植株及各器官Cd含量与累积量均显著高于pH值6.75的大田，说明土壤酸化促进了水稻对Cd的吸收。研究表明，pH值对土壤Cd有效性有较大影响，能打破土壤中原有Cd存在形态的平衡，提高有效态Cd含量[27]。可见，土壤酸化条件下植株Cd含量与累积量增加，应是pH值降低提高了土壤有效态Cd含量，从而促进了植株对Cd的吸收。王美娥等[12]也认为，土壤 Cd 含量与 pH 值是影响稻米对 Cd 吸收的重要因素。这与本研究结果相同。本研究表明，同一pH条件下水稻植株各器官Cd含量与累积量均随着土壤Cd含量提高而增加，但并未成倍增长，即未呈线性增长趋势，这种特性可被认为是植物生长在污染环境中的一种环境生理响应。胡宁静等[28]研究土壤中植物有效态Cd提取方法时也得到类似结果，即青菜对Cd的吸收能力随着土壤中Cd浓度及植株Cd积累浓度的增加而逐渐减弱。

3.2 水稻植株Cd在器官间的分配特性

研究表明，Cd在水稻植株各器官间的分配不均匀[8-9]，一般以根系Cd含量较高，其次是茎秆，叶片和籽粒Cd含量远低于根系[5-7]。这与本研究结果一致。本研究也发现水稻各器官间Cd含量表现为根>茎>穗>叶。此外，本研究还分析了水稻各器官Cd累积量的差异，发现孕穗期与灌浆中期器官间Cd累积量差异在不同pH值稻田上与不同品种间存在差异，而成熟期均表现为茎>穗>根>叶。一般认为，水稻秸秆还田是提高土壤有机质含量、培肥土壤的有效措施。而对Cd污染稻田来说，因其茎秆Cd累积量最大，所以从Cd移除的角度考虑，Cd污染稻田中秸秆是否还田尚需商榷。

3.3 不同土壤pH值与Cd含量下水稻产量变化的品种间差异

土壤pH值对植物的生长有较大影响。研究表明，土壤酸化胁迫造成植株株高变矮，产量降低[29]，各时期植株干物质量在酸化条件下显著降低[30-31]。本研究发现水稻产量因土壤pH值下降而下降，且品种间降幅差异明显，星2号最大，其次天优华占，湘晚籼13号最小。进一步分析其产量构成因素发现，酸化条件下天优华占产量下降主要与有效穗数和经济系数的下降有关，湘晚籼13号产量的下降主要由有效穗数减少所致，而引起星2号产量下降的因素在不同土壤Cd含量条件下存在差异，即不添加外源Cd条件下，产量下降主要由有效穗减少所致；添加外源Cd条件下，产量下降主要由每穗实粒数和结实率下降所致。表明不同水稻品种在土壤酸化条件下产量下降的原因存在差异。因此，在酸化稻田的水稻生产中，需针对不同品种来制定减损与稳产栽培措施。

Cd胁迫对水稻生长的影响不尽一致。研究表明，低浓度Cd胁迫对水稻的生长具有促进作用[32]。本试验中，3个水稻品种产量在添加0.5 mg·kg-1Cd条件下整体均有所下降，但不显著，但在添加1.0 mg·kg-1Cd条件下均显著下降，且其降幅与品种和土壤pH值有关。其中星2号和湘晚籼13号以酸化条件下降幅较大，而天优华占在正常pH值条件下降幅较大。可见，不同水稻品种对土壤Cd含量的敏感程度不同，应因地制宜开展研究。

3.4 水稻Cd累积分配的品种间差异

前人研究表明，水稻Cd吸收总量存在品种间差异，且Cd在植株各器官间的分配不均匀[8-9]。因此，在稻田Cd污染防控措施中，选用低Cd积累水稻品种是一项重要措施。本研究选用的试验材料是前期品种筛选试验获得的3个籽粒Cd含量差异明显的晚稻品种，即高Cd积累型品种天优华占、中Cd积累型品种星2号和低Cd积累型品种湘晚籼13号，表明3个水稻品种的Cd积累能力差异明显。

本试验发现天优华占整株Cd累积能力最弱，但其向稻穗分配比例最大，导致其穗Cd含量与累积量最大；星2号整株Cd累积能力最强，但是其分配到稻穗的比例相对较低，因而稻穗Cd含量较天优华占低；湘晚籼13号整株Cd累积能力居中，但是其分配到稻穗的比例最低，因而稻穗Cd含量最低。可见，水稻在Cd积累与分配特性上存在明显的品种间差异，因此，在考察和评价水稻品种Cd累积能力的同时，还应关注整株及稻穗Cd含量与累积量，为生产上筛选低(穗)镉积累水稻品种提供科学依据。