不同水稻品种对Cd、Zn的积累特性

陈德，叶雪珠*，张棋，盛利，肖文丹，赵首萍，倪中应，高娜，黄淼杰，胡静

(1.浙江省农业科学院农产品质量标准研究所 农产品质量安全危害因子与风险防控国家重点实验室(筹) 农业农村部农产品信息溯源重点实验室，浙江 杭州 310021； 2.湘阴县农业农村局，湖南 湘阴 414600；3.桐庐县农业和林业技术推广中心，浙江 桐庐 311500)

土壤重金属污染是全球性问题。发达国家在工业化发展进程中也曾面临较为严重的土壤重金属污染问题，如日本的痛痛病和水俣病等[1-2]。土壤中的Cd等重金属会通过食物链途径在人体蓄积，长期食用重金属严重超标的农产品可能会对人体健康造成不同程度的危害[3-5]。在过去三四十年间，我国工业和经济快速发展，经过较长时期的积累，我国土壤环境也面临着较为严重的重金属污染问题[6]。据2014年《全国土壤污染状况调查公报》，我国土壤总的点位超标率为16.1%，主要污染类型为无机污染(82.8%)，其中，Cd的点位超标率为7.0%，是超标率最高的重金属元素。2016年5月，国务院印发《土壤污染防治行动计划》，要求到2020年和2030年，受污染耕地安全利用率分别达到90%和95%左右。我国人口众多，耕地资源紧缺，一方面要保障粮食安全，另一方面受污染的耕地面积又较大，因此，在对受污染耕地进行治理的过程中，不宜改变农田利用现状，即应着力在保证正常农业生产的前提下实现受污染耕地的安全利用。

水稻是我国第一大粮食作物，同时也被认为是Cd吸收能力最强的大宗谷类作物[5]。我国南方地区作为水稻主产区，土壤大多呈酸性，十分利于水稻对Cd的吸收，尤其是在Cd污染的农田土壤中[6]。另外，由于膳食结构和摄入量的问题，我国食品中污染物限量标准(GB 2762—2017)规定，稻米中Cd的限量值为0.2 mg·kg-1，低于联合国粮食及农业组织、日本等规定的0.4 mg·kg-1的标准，这也是导致我国稻米中Cd超标率较高、稻米质量安全风险相对其他作物较高的重要原因。如何有效降低Cd等重金属在水稻中的积累，实现稻米安全生产，已成为农业生产中亟待解决的问题。

作物不同品种对特定重金属(如Cd)的吸收、富集能力存在很大差异。Simmons等[7]通过对重金属污染水稻田中不同品种水稻Cd含量的调查发现，不同品种水稻籽粒中Cd的含量在0.02～5.00 mg·kg-1，高积累水稻品种籽粒中Cd的含量是低积累水稻品种的250倍。王美娥等[8]在湖南的田间试验表明，当地主栽水稻品种株两优06籽粒中Cd的含量仅为其他品种的20%左右，可以实现稻米安全生产。由此可见，低积累品种的筛选是降低稻米中Cd含量的有效途径，也是实现受污染耕地稻米安全生产的重要途径。受限于不同品种的区域适宜性，选择适宜于特定区域种植的Cd低积累品种，对于推进受污染耕地的安全利用具有重要意义。

稻米中的Cd含量是影响稻米品质和安全性的重要因素，然而有研究表明，其他因素如Zn等元素的含量也会影响到含Cd稻米的食用安全性[5,9]。水稻在吸收Cd的同时会减少对Zn等营养元素的吸收，从而导致Zn等元素在水稻籽粒中的积累不足[5,10-11]。人体如果长期食用Cd含量超标的稻米，会由于饮食中缺乏充足的Zn等营养元素而加速人体对Cd的吸收；相反，当饮食中添加充足的Zn等营养元素后，人体对Cd的吸收就会降低[5, 12]。因此，稻米中Cd的潜在毒性不仅与Cd含量有关，还取决于Zn的含量，以及Cd与Zn的比例(Cd/Zn)[9]。有学者提出，以0.015作为稻米中Cd/Zn的临界值，食用低于该临界值的稻米可有效防止因Zn摄入量不足而导致的Cd过量吸收，从而有效降低食用稻米对人体造成的健康风险[5]。然而，当前关于Cd低积累品种的筛选中，较少有研究关注稻米中Zn的含量和Cd/Zn等因素。

为筛选适宜特定污染条件下区域种植的Cd低积累水稻品种，本研究通过田间小区试验，在浙江省桐庐县开展了20个水稻品种对Cd的积累特性研究，通过研究各品种对Cd、Zn吸收、转运、积累，以及稻米中Cd/Zn的差异，筛选出适合当地种植的安全品种，以期为受污染耕地的安全利用和稻米安全生产提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验为田间小区试验。供试地块位于浙江省桐庐县瑶琳镇某Cd轻度污染农田，土壤类型为水稻土，其基本理化性质如下：pH值5.52，有机质含量36.2 g·kg-1，全氮含量1.80 g·kg-1，全磷含量0.70 g·kg-1，有效磷含量47.2 mg·kg-1，Cd、Zn总量分别为0.43、103 mg·kg-1。

供试水稻品种为浙江省内常见的市售品种，共搜集20个，具体如下：秀水519(C1)、秀水03(C2)、嘉58(C3)、钱优0508(C4)、内5优8015(C5)、隆两优1988(C6)、嘉花1号(C7)、甬优362(C8)、N两优1998(C9)、甬优15(C10)、天两优3000(C11)、Y两游689(C12)、甬优1540(C13)、春优84(C14)、云两优5455(C15)、甬优7861(C16)、甬优538(C17)、浙优18(C18)、甬优9(C19)、甬优12(C20)。

1.2 处理与方法

选择地势平坦、地力均匀、重金属污染变异小的地块进行田间小区试验。在水稻播种前平整土地、划定小区，每个小区面积6 m2(2 m×3 m)，每个品种重复3次，随机区组排列，共60个小区。小区试验在同一块水稻田里进行，四周设置1.5 m的保护行，相邻小区间隔20 cm。将上述水稻品种随机编号，催芽后根据各品种的推荐种植密度直播、定植。严格控制水肥、农药等管理一致，记录相关田间管理信息。于2019年6月21日直播，10月27日收获。水肥管理依照当地习惯进行。在翻地时施入复合肥(N 15%，P2O515%，K2O 15%)450 kg·hm-2作为基肥。此外，在播种后7、30、60 d以尿素(N 46%)的形式分别施入N 69、69、20.7 kg·hm-2作为追肥。在播种后30、60 d分别同时以氯化钾(K2O 60%)的形式施入K2O 45 kg hm-2作为追肥。田间水分管理按照干湿交替的管理模式进行，灌溉水来自当地河流，水质重金属指标达标，小区试验所在地无工矿企业污染。

1.3 样品处理与分析

待水稻成熟后进行测产并采集植株样品，每个小区随机采集8株植株样，用不锈钢剪刀将根、茎叶和稻穗分离，装入尼龙网袋后带回实验室。先用自来水将水稻根和地上部的泥土等杂质冲洗干净，再用去离子水冲洗3次以保证植株各部位清洁、无附着物。晾干水分后装入干净的信封，在烘箱中105 ℃杀青30 min后70 °C烘至恒重。烘干后的水稻穗粒用不锈钢砻谷机脱壳，弃掉砻糠保留糙米。然后将糙米、茎叶和根用不锈钢粉碎机粉碎，保存于自封袋中备用。

植物样品中Cd和Zn的测定分析：样品中加入HNO3-HClO3(体积比5∶1)浸泡过夜后采用微波消解仪消解，然后使用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS，X-series 2，Thermo Fisher Scientifc Inc.，美国)测定Cd和Zn的含量[13]。每批样品消煮时带有3个空白和标准样品。选择国家标准物质GBW10045和GBW10048进行质量控制，Cd的标样回收率范围为93%～104%，Zn的标样回收率范围为92%～106%。

1.4 数据分析与统计

用转运系数(TF)表示水稻根系或茎叶向籽粒转运Cd的能力[14]，其中：TFG/R表示Cd由水稻根向籽粒的转运系数，TFG/S表示Cd由水稻茎叶向籽粒的转运系数。

试验数据采用SPSS 20软件进行统计分析，采用皮尔逊(Pearson)相关系数法分析不同参数间的相关性。

2 结果与分析

2.1 不同品种水稻产量

如图1所示，不同品种的水稻产量在5.52～9.92 t·hm-2，C6(隆两优1988)产量最高，C7(嘉花1号)产量最低。常规稻品种，如嘉花1号(C7)、秀水03(C2)、嘉58(C3)、秀水519(C1)等的产量总体要比杂交稻品种低。但杂交稻不同品种间的产量差异也较大(6.28～9.92 t·hm-2)。

图1 不同品种的水稻产量

2.2 不同品种水稻籽粒Cd含量

由图2可知，不同水稻品种籽粒中Cd的含量在0.07～0.39 mg·kg-1。秀水519(C1)籽粒中Cd的含量最低，其次为秀水03(C2)、嘉58(C3)，这3个品种均为常规稻，籽粒中的Cd含量均≤0.1 mg·kg-1；浙优18(C18)、甬优9(C19)和甬优12(C20)籽粒中的Cd含量相对最高，均超过0.3 mg·kg-1，且均为杂交稻。在20个供试品种中，有12个品种的籽粒中Cd含量低于国家限量标准值(0.2 mg·kg-1)。总体来看，常规稻品种籽粒中的Cd含量相对较低，而杂交稻籽粒中的Cd含量差别较大。

图2 不同品种水稻籽粒中的Cd含量

2.3 不同品种水稻籽粒Zn含量和Cd/Zn

不同水稻品种籽粒中的Zn含量如图3所示，范围在16.9～26.6 mg·kg-1。籽粒中的Zn含量与常规稻或杂交稻无显著关联，如Zn含量最高和最低的品种均为杂交稻。

图3 不同品种水稻籽粒中的Zn含量

Cd/Zn在一定程度上可反映稻米的食用安全风险。如图4所示，各品种籽粒中Cd/Zn的范围在0.002 8～0.020 1，其中，仅有3个品种的籽粒Cd/Zn超过推荐值0.015，分别是Cd积累能力较高的浙优18(C18，0.019 5)、甬优9(C19，0.016 5)和甬优12(C20，0.020 1)。相关性分析(图5)表明，水稻籽粒中Cd/Zn与籽粒中Cd的含量呈极显著正相关。

2.4 不同品种水稻的Cd转运系数

由图6可知，不同水稻品种的TFG/S在0.06～0.26，TFG/R在0.020～0.095。总体来看，不同水稻品种的TFG/S和TFG/R均随着籽粒中Cd浓度的增加而增加。相关性分析结果(图7)也表明，水稻籽粒中Cd的浓度与TFG/S和TFG/R均呈极显著(P<0.01)正相关。

图4 不同品种水稻籽粒中Cd/Zn含量比值

图5 水稻籽粒中Cd/Zn与Cd含量的相关性

图6 不同品种水稻的Cd转运系数

图7 水稻籽粒中Cd浓度与TFG/S和TFG/R的相关性

3 小结与讨论

本研究发现，20份水稻品种籽粒中的Cd含量在0.07～0.39 mg·kg-1，有12份水稻品种籽粒中的Cd含量低于国家限量标准值，常规稻品种秀水519、秀水03、嘉58等可作为低积累水稻品种在当地种植。与Cd相比，不同品种水稻籽粒中Zn的含量变幅较小(16.9～26.6 mg·kg-1)，水稻籽粒中的Cd/Zn与籽粒中的Cd含量呈显著正相关。水稻品种对Cd的积累能力与其对Cd的转运能力有关，由根向地上部的转运能力越强，水稻籽粒中的Cd含量越高。

本研究的20个供试品种中有12个品种的水稻籽粒中Cd含量低于国家限量标准值，说明在当前的土壤污染条件下，可以通过选择种植Cd积累程度较低的水稻品种来实现污染耕地中稻米的安全生产。本研究中，20个水稻品种籽粒Cd含量在0.07～0.39 mg·kg-1，相差近6倍。Pinson等[15]对田间采集的1 763种基因型的水稻籽粒重金属Cd含量进行调查，发现在淹水与非淹水条件下水稻籽粒中的Cd含量分别相差41倍和154倍，不同基因型会显著影响水稻对土壤中Cd的吸收累积能力。本研究中，秀水519、秀水03、嘉58等Cd含量最低的品种均为常规稻，而浙优18、甬优9和甬优12等Cd含量相对最高的品种均为杂交稻，可见，总体上杂交稻品种的Cd累积能力要高于常规稻，这与前人的研究结果一致[16-17]。然而，殷敬峰等[18]发现，常规稻和杂交稻糙米Cd含量差异不明显。也有研究发现，不同基因型水稻籽粒中Cd含量从高到低依次为常规籼稻>杂交稻>常规粳稻[19]。本研究中，粳稻和籼稻籽粒中的Cd积累量无明显规律，如籽粒中Cd积累量最低的3个品种(秀水519、秀水03、嘉58)和最高的2个品种(甬优9和甬优12)均为粳稻。李坤权等[20]研究发现，不同基因型水稻糙米中Cd的积累不仅与品种相关，而且与基因型密切相关，表现为籼型>新株型>粳型。Sun等[21]以617份长江中下游主栽籼稻杂交稻品种和68份常规稻品种为材料进行试验，发现杂交籼稻与常规籼稻亚群镉含量无显著差异，但与常规粳稻亚群镉含量差异显著。就现有研究的总体结果来看，籼稻对Cd的富集能力一般高于粳稻，杂交稻比常规稻(非杂交稻)更容易富集Cd。这可能与水稻品种的选择有关。水稻品种种类繁多，常规的品种对比试验通常采集适宜于当地种植的小范围品种，由于选取的品种不同，这可能会影响到对结果的判断。此外，籽粒中镉的积累也与特定水稻品种对Cd在不同器官间的转运能力有关[20,22]。

本研究中，不同品种水稻籽粒中Zn含量的差异要明显小于品种间Cd含量的差异。殷敬峰等[18]的研究也表明，在Cd污染土壤上进行盆栽试验，21个水稻品种糙米中Cd含量最高值和最低值相差15倍，而Zn含量相差不到1倍。这除了由基因型造成的差异外，还可能与水稻对Zn的吸收机制有关。Shi等[23]通过田间试验研究了110个水稻品种对Cd和Zn的吸收，发现与普通杂交稻相比，超级稻在籽粒中积累更高量的Cd，而Zn的含量较低。Chen等[22]通过在湖南2 a的早、晚稻田间试验(每个水稻季2个品种)表明，籼型杂交稻籽粒中Cd的浓度显著高于籼型常规稻，但前者籽粒中Zn的浓度却显著低于后者，籼型常规稻籽粒的Cd/Zn更低，食用安全性更高。本研究中，虽然个别品种的籽粒Cd、Zn含量表现为Cd低Zn高(如秀水519和甬优362)，以及Cd高Zn低(如浙优18和甬优12)，但是20个品种之间籽粒Cd和Zn的含量无显著的相关关系，即前述现象不具有普遍性。不同品种籽粒中Cd的含量与Cd/Zn呈现出正相关性，这可能与品种间Cd的含量变异大、Zn的含量变异小有关。如果以Cd/Zn等于0.015作为推荐阈值，那么仅有Cd积累能力较高的浙优18、甬优9和甬优12的Cd/Zn超过推荐值。张良运等[9]的研究表明，我国南方矿区周边及市场稻米样品有70%的Cd/Zn超出0.015。有的研究发现，低Cd积累的水稻籽粒中Zn的浓度较高，因而稻米的Cd/Zn比更低，其食用安全性更高[11, 23]。这除了和水稻的基因型有关系外，更重要的是土壤的污染程度。此外，目前多数研究认为水稻体内Cd和Zn存在拮抗作用，即水稻在Zn供应较多的情况下会降低对Cd的吸收，然而这种拮抗作用与土壤Cd污染程度、水稻品种，以及Zn的供应水平均有很大关系。辜娇峰等[24]发现，向土壤Cd含量为5.26 mg·kg-1的土壤中施Zn能降低2个水稻品种各部位的Cd含量。李虹呈等[25]研究发现，向轻度Cd污染土壤中施用外源 Zn 可显著降低两个品种糙米中Cd的含量，在中度Cd污染的土壤中施用低量Zn可显著降低2个品种糙米中Cd的含量，但当外源Zn浓度超过40 mg·kg-1却将增加威优46糙米中的Cd含量。因此，筛选Cd含量低而Zn含量高的水稻品种在Cd低积累品种的筛选过程中可能会更有意义。

本研究中，水稻籽粒中的Cd含量与水稻产量无显著相关关系。然而，对特定的品种如秀水03而言，尽管其籽粒中Cd含量较低，其产量也较低；而对隆两优1988而言，其籽粒中的Cd较低，产量却最高。李坤权等[20]的研究发现，水稻产量越高，稻米中Cd含量也越高，不同品种水稻糙米中镉含量和水稻产量呈极显著正相关，即高产伴随高镉。Duan等[26]在湖南攸县的田间试验也发现，水稻产量与籽粒中Cd含量存在显著正相关。刘洋等[27]的研究表明，糙米中的Cd含量与水稻产量之间无必然联系，无论是高产还是低产，糙米中的Cd含量均有高也有低。蔡秋玲等[28]通过田间小区试验发现，84个水稻品种的产量与糙米Cd含量之间不存在显著的相关性，经聚类分析将水稻分为高产高Cd、高产低Cd、低产高Cd和低产低Cd共4类，认为Cd在水稻籽粒中的积累主要在于根系向茎叶、籽粒的转运能力。因此，从大范围来看，Cd低积累品种的筛选与产量之间的普遍关系仍需更多试验验证，但这并不妨碍Cd低积累、高产水稻品种的筛选。陈彩艳等[29]通过分子标记的方法，筛选出14份高产、低镉、优质的水稻品种。

此外，同一水稻品种在不同年份籽粒中Cd的积累也有很大差别，尤其是温度和降水差别大的年份。Chen等[22]在湖南的田间试验表明，同一早稻品种湘早籼45，其籽粒中Cd的含量在2013年是2014年的近24倍，主要原因是前一年从灌浆期到成熟期降雨量少、气温高，而后一年相同生育期降雨量增多，平均气温降低。因此，低积累品种的筛选工作需考虑到气候波动对结果的影响。陈彩艳等[29]分析了87份水稻材料在4个不同污染程度稻田中的稻米镉含量，发现在土壤污染程度变异较大的条件下，相对于水稻基因型，土壤污染程度是决定稻米中Cd含量的主要因素，在污染程度一致的土壤环境下，稻米中Cd含量的差异主要受其基因型的控制。这说明，低积累水稻品种的选择也要考虑污染程度的变化对其Cd积累特性的影响。尽管目前对于Cd低积累品种尚无明确的定义，对Cd低积累品种的筛选也未有统一的标准，但Cd低积累品种的认定仍应该通过多年、多点、多个污染水平的试验进行多方位验证。因此，本研究中筛选出的Cd含量相对较低的水稻品种尽管对于当地种植具有一定的借鉴意义，但仍需进行连续多年的田间试验验证。