不同水稻品种抗镉富集能力研究

黄建立 林 滉 赖应辉 张青龄 陈凌锋

(福建省粮油质量监测所1，福州 350002) (福建省粮食和物资储备局2，福州 350002)

水稻位居我国三大粮食作物之首，是最重要的粮食作物[1]。近年来，我国农田土壤重金属污染日趋严重，重金属通过水稻吸收，进入食物链进而危害人类健康，成为水稻质量安全问题，受到了社会的广泛关注。鉴于我国的国情，对大面积的中轻度污染农田停止耕种，而通过长时间的植物修复或其它成本昂贵工程修复显然是不现实的[2]。从水稻本身出发，研究发现水稻品种不同，对重金属的吸收也显著不同[3-5]，在此基础上，Oliver等[6]和Liu等[7]发现水稻品种决定重金属Cd在水稻不同组织器官中的比例分配。因此，通过筛选抗重金属富集水稻品种，来保障粮食安全十分必要[8-10]。

本实验研究了不同水稻品种抗Cd富集能力，对从湖南引进的5个Cd低积累水稻品种：创优华占、Y两优957、Y两优911、旺两优958、旺两优950采用了大田种植方式，在福建省选择3处典型稻田进行了种植实验，旨在筛选出重金属Cd富集能力相对较低的水稻品种，为水稻安全生产提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器试剂

1.1.1 实验作物

从湖南引进的5个水稻品种：创优华占、Y两优957、Y两优911、旺两优958、旺两优950。采用大田种植方式分别在3处典型稻田种植(DCNY、SJHP、XTSX)，根据3处实验稻田当地农民的种植方式，进行田间管理。

1.1.2 仪器与试剂

仪器：Ultra ClearTMTWF UV TM超纯水机；Multiwave PRO微波反应系统；7900型电感耦合等离子质谱仪。

试剂：硝酸(优级纯)；含10 mg/L多元素标准贮备液(27元素)；含10 μg/mL Li、Y、Ce、Tl、Co的ICP-MS调谐液；含10 μg/mL Li、Sc、Ge、Rh、In、Tb、Lu、Bi的内标溶液；实验用水为超纯水；高纯氩气(纯度>99.9%)；高纯氦气(纯度>99.9%)。

1.1.3 ICP-MS工作条件

按照1.3中的ICP-MS调谐液对仪器条件进行优化，使仪器各项指标达到测定要求，仪器参数见表1。

表1 ICP-MS工作参数

1.2 取样与检测重金属Cd

在种植后60 d、收割当天采用随机取样法采集稻田表层(0～20 cm)土壤样品3个重复样，每份样品100 g；收割当天同时对水稻进行取样，按照实验设计要求每个水稻品种随机取3个重复样，每份样品500 g。

1)土壤样品测定

土壤样品在实验室自然风干后，用粉碎机粉碎过40目筛后，称取0.1 g左右样品，置于微波消解罐中，加入3 mL硝酸和2 mL氢氟酸，置于电热板中110 ℃预消解30 min，冷却后，置于微波消解仪中，按表3的消解程序设定微波消解升温步骤进行消解，消解结束，放气后置于电热板中110 ℃赶酸200 min至1 mL左右溶液，用超纯水定容40 mL，摇匀，制备成样品，同时做试剂空白实验，上机测定样品Cd含量。

参照NY/T 1377—2007《土壤pH的测定》[11]测定土壤样品的pH值。

2)稻谷样品测定

稻谷经晒干后，参照GB 5009.268—2016《食品安全国家标准 食品中多元素的测定》[12]，经砻谷机脱壳、粉碎机粉碎后过40目筛后，称取0.3 g左右样品，置于微波消解罐中，加入3 mL硝酸，置于电热板中110 ℃预消解30 min，冷却后，置于微波消解仪中，按表2的消解程序设定微波消解升温步骤进行消解，消解结束，放气后置于电热板中110 ℃赶酸200 min至1 mL左右溶液，用超纯水定容20 mL，摇匀，制备成样品，同时做试剂空白实验和国家标准物质糙米粉，上机测定样品Cd含量。

表2 微波消解程序

1.3 数据分析

富集系数(BF)=糙米中Cd含量/土中Cd含量，变异系数(CV)=标准偏差/平均值×100%。实验获得数据采用Microsoft Excel 2007进行数据整理，采用SPSS 17软件进行统计分析，主要数据处理方式有方差分析、相关性分析和聚类分析等，显著性差异用 One-Way ANOVA Duncan多重比较。

2 结果与分析

2.1 实验土壤pH值和重金属Cd含量

各实验稻田土壤的pH值和重金属含量检测结果见表3。根据差异显著性分析，三个实验中每个稻田在实验水稻种植中期和收获后的土壤的pH值和重金属Cd含量差异均无显著性差异，说明土壤在实验水稻种植期间pH值和重金属Cd含量未发生变化。

2.2 不同品种稻谷重金属Cd含量

5个待筛查的水稻品种重金属Cd含量在不同的稻田表现不一致(表4)：在XTSX稻田中，创优华占重金属Cd含量最高，Y两优911重金属Cd含量最低，且极显著低于其他4个品种金属Cd含量(P<0.01)；在SJPH稻田，旺两优950重金属Cd含量最高，Y两优911重金属Cd含量最低，且极显著低于旺两优958、旺两优950和Y两优957等3个品种金属Cd含量(P<0.01)，与创优华占差异不显著；在DCNY稻田中，每个品种重金属Cd含量均超过限量0.2 mg/kg[13]，其中Y两优911和Y两优957重金属Cd含量最低(两个品种间差异不显著)，且极显著低于其他3个品种金属Cd含量(P<0.01)。

表3 实验稻田土壤pH值和Cd含量

注：同列数值后肩注不同小写字母者表示差异显著(P<0.05)，肩注相同小写字母或未标字母的者表示差异不显著(P>0.05)。

表4 不同品种稻谷Cd含量/(mg/kg)

注：同列数值后肩注不同小写字母者表示差异显著(P<0.05)，肩注不同大写字母者表示差异极显著(P<0.01)，肩注相同小写字母或未标字母的者表示差异不显著(P>0.05)，余同。

2.3 不同品种稻谷重金属Cd的聚类分析

对不同品种稻谷重金属Cd含量进行聚类分析，结果见图1，不同品种稻谷重金属Cd含量聚类分析可分为3类：第Ⅰ类各2个品种(旺两优958和旺两优950)，第Ⅱ类各1个品种(Y两优957)，第Ⅲ类各2个品种(Y两优911和创优华占)。其中第Ⅰ类品种稻谷重金属Cd含量最高，第Ⅱ类品种稻谷重金属Cd含量次之，因此，在重金属污染区进行品种选择时可以优先考虑第Ⅲ类的品种。

图1 不同品种稻谷重金属Cd的聚类分析

2.4 不同品种稻谷重金属Cd富集能力的差异

为了进一步了解不同品种稻谷重金属Cd吸收的差异，通过比较不同品种稻谷重金属Cd富集能力发现(表5)：XTSX、SJPH和DCNY的3个实验稻田中，Y两优911稻谷重金属Cd富集能力除同SJPH种植的创优华占和DCNY的Y两优957比较差异不显著以外，均极显著低于其余品种(P<0.01)。因此，可将Y两优911作为重金属污染区减少稻谷重金属富集的品种种植。

表5 品种稻谷重金属Cd富集能力的差异

3 讨论

3.1 同一稻田中不同品种水稻重金属Cd含量不同

土壤中的重金属Cd首先被水稻的根系吸收，再经过木质部转运到水稻植株的地上部分，通过生物转化在水稻组织中沉淀，最终成为水稻籽粒中的大部分重金属Cd来源，大量研究表明，由于水稻遗传特性存在差异，对重金属Cd的吸收也存在差异[14，15]。本实验通过对每一稻田中种植的不同品种水稻Cd含量进行测定、比较，并对不同品种水稻重金属Cd含量进行聚类分析，发现每一个品种在同一个稻田中重金属Cd含量不同，这与前人的研究结论一致[3-5]。

3.2 同一品种水稻在不同稻田的重金属Cd含量不同

通过本实验在不同稻田水稻重金属Cd含量进行测定比较，发现每一个品种在不同稻田中Cd吸收的含量均不同。研究发现，水稻对Cd的吸收积累因土壤重金属的生物活性的不同而有很大的差异[16]。另外，土壤微环境影响植物对Cd2+的吸收[17]，这主要是由于各个稻田土壤中重金属Cd背景、土壤的理化性质和施用农药化肥都不相同，导致水稻从不同土壤中吸收的Cd含量也不同，且含量不由于土壤中Cd含量的升高而升高或降低，最终反映出水稻籽粒中Cd含量不同且不呈现线性相关。

3.3 不同品种水稻重金属Cd富集能力不同

水稻重金属Cd富集能力是考察稻谷颗粒从土壤中吸收重金属Cd能力的一个重要的指标，根据种植收获期每个稻田的重金属Cd含量和每个稻田中不同品种水稻的重金属Cd含量求得水稻重金属Cd富集。通过对实验数据的分析，发现Y两优911在三个实验稻田中重金属Cd富集能力最低，可优先考虑Y两优911作为耕地抗重金属Cd水稻品种的对象，深入研究。

3.4 稻田环境条件影响情况

根据GB 15618—2018《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准》[18]，土壤的Cd含量限量依据土壤pH值不同而不同。XTSX稻田的土壤pH值小于5.5，重金属Cd在0.216～0.221 mg/kg之间，SJPH的pH值小于5.5，重金属Cd在0.36～0.54 mg/kg之间，DCNY为6.5

4 结论

选取3块典型稻田进行不同品种水稻种植实验，通过实验收集的数据分析，证实了水稻重金属Cd含量因品种和种植稻田不同而不同，同时筛选出重金属Cd富集能力相对较低的Y两优911品种，为水稻质量安全生产提供参考。