应急性镉砷低积累水稻品种筛选

2021-08-06刘湘军刘汇川刘嫦娥王平艳易春丽李海英余泓潘淑芳谢运河

湖南生态科学学报 2021年3期

刘湘军，刘汇川，刘嫦娥，王平艳，易春丽，李海英，余泓，潘淑芳，谢运河*

（1.祁阳县农业农村局，湖南永州 426100；2.湖南省农业对外经济合作中心，湖南长沙 410005；3.湖南省农业环境生态研究所，农业部长江中游平原农业环境重点实验室，农田土壤重金属污染防控与修复湖南省重点实验室，湖南长沙 410125）

种植重金属低积累水稻品种是实现受污染耕地安全利用的重要手段。2014—2016年，湖南省开展了大批量的应急性镉低积累水稻品种筛选并发布了推荐目录［1］，国内外学者针对水稻吸收积累镉砷等重金属开展了大量研究［2］，也建立了镉低积累水稻品种筛选与选育方法［3-6］，但尚未构建水稻砷低积累水稻品种筛选方法，对砷低积累水稻品种的筛选研究也不多［7］。加之重金属低积累水稻品种筛选进度远远落后于水稻品种的审定进程，适合区域生态气候环境的重金属低积累水稻新品种极为缺乏，尤其是受镉、砷理化性质相左的影响，不同水稻品种对镉、砷的吸收积累存在极大差异［8-9］，对镉砷的转运效果及机理也不相同［10-12］。因此，在世界银行贷款湖南省农田污染综合管理项目的支持下，2020年以祁阳县本地18个优势品种为筛选对象，分析其镉、砷的吸收积累差异，以期筛选出适合镉、砷或镉砷复合污染土壤可应用的应急性水稻品种，为项目区重金属污染耕地应急性镉、砷低积累水稻品种的应用及建立应急性镉、砷低积累水稻品种筛选鉴定方法提供依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

试验地点位于祁阳县肖家镇汪家坪村，土壤全镉0.49 mg/kg，有效态镉0.26 mg/kg；土壤总砷7.05 mg/kg，有效砷0.10 mg/kg；土壤pH 5.40，有机质34.4 g/kg，全氮2.95 g/kg，有效磷2.87 mg/kg，速效钾82.0 mg/kg，碱解氮127.0 mg/kg。

1.2 供试水稻

18个水稻品种（P1～P18）分别为深两优867、Y两优911、C两优87、C两优386、两优336、深优9586、隆两优1212、泸优9803、两优1号、C两优华占、C两优396、荃优粤农丝苗、恒丰优粤农丝苗、隆晶优1212、隆两优1686、晶两优1468、深两优5814、泰优390。2020年4月25日，每个品种采用网织袋单独封装，并用两个标签（一个内置，一个外挂）进行品种标识，再采用常规方法进行浸种催芽。同时进行秧田准备，4月27日采用育秧盘进行育秧，每个品种育秧10盘；每个品种间留30 cm空间隔开，每个品种用标识牌进行标识；秧田期田间管理采用当地常规方法进行。5月23日试验田整理好后移栽，水稻品种移栽时带标识牌，严防品种搞错。

1.3 研究方法

1.3.1 试验设计

试验小区按照随机区组排序，各3次重复。插秧密度为12×39=468株/小区，小区面积5 m×4 m=20 m2，小区间不做田埂，以空行隔开（0.8 m）。试验前先匀田，确保试验田块土壤理化性质和土壤污染程度相对均匀；平整田块，田面最高处与最低处落差不超过3 cm，尽量减少后期水分管理等农艺措施对各品种的影响。重复间和处理间各留0.8 m宽的过道，用于田间耕作和管理的走动，尽量减少插秧后小区内部的破坏。基肥施用15:15:15复合肥750 kg/hm2，插秧10 d后追尿素150 kg/hm2；水分管理采取分蘖盛期晒田7 d，前期淹水，后期干湿交替的方式进行；病虫害及其他措施参照当地习惯进行。

1.3.2 取样及样品分析

试验前采集基础土样，分析土壤基本理化性质；每个水稻品种成熟时，按照5点取样法每个点位取样2株，共10株水稻分别按照稻草和稻谷分样，烘干后稻草粉碎备用，稻谷则采用砻谷机去壳后，糙米粉碎备用。同时，根据水稻成熟时间分批测定各小区水稻产量，各小区单打单收，并采用水分测定仪测定水分含量后换算为13%的标准水分含量，计算每个小区的水稻实际产量。土壤全镉采用HNO3-HClO4-HF(5:1:2，V/V)消煮，样品消煮完全后赶酸至近干，加少量稀硝酸溶液溶解后转移定容；水稻糙米镉含量以及植株镉、砷采用HNO3-H2O2(5:2，V/V)微波消煮，糙米无机砷含量采用6 mol/L HCl浸提法；土壤有效态镉含量采用DTPA(二乙三胺五醋酸)提取方法进行，称10.00 g过20目土样，加入DTPA浸提液(土:水=1:5)50 mL，震荡2 h后过滤，稀释20倍后待用；土壤有砷采用乙酸铵提取方法进行，称10.00 g土样，加入1 mol/L的乙酸铵50 mL，25℃条件下180 r/min震荡1 h后过滤，稀释20～100倍后待用。所有样品镉、砷含量使用ICP-MS（iCap-Q，美国Thermo公司）进行测定。

1.3.3 数据处理与统计

试验数据为3次重复平均值，数据采用WPS和SPSS进行统计和方差分析，Origin作图。根据收获的成熟期稻米重金属镉、无机砷含量，与所对应的生长土壤中重金属镉、砷有效态含量，计算稻米镉、砷的富集系数：

稻米中镉的富集系数（BCFCd）的计算：

式中：Crice为糙米镉含量，单位mg/kg；Csoil为土壤有效态镉含量，单位mg/kg；

稻米中砷的富集系数（BCFAs）的计算：

式中：Crice为糙米无机砷含量，单位mg/kg；Csoil为土壤中有效态砷含量，单位mg/kg；

稻米中镉的转运系数（TFCd）的计算：

式中：Crice为糙米镉含量，单位mg/kg；Cstem为茎镉含量，单位mg/kg；

稻米中砷的转运系数（TFAs）的计算：

式中：Crice为糙米无机砷量，单位mg/kg；Cstem为茎总砷含量，单位mg/kg。

2 结果与分析

2.1 不同水稻品种的生育期及产量差异

不同水稻品种生育时期结果表明（图1），不同品种成熟期存在较大差异，平均生育期为127.8 d。其中，生育期较短的是P1、P6、P11、P13、P18，即深优9586、深两优867、恒丰优粤农丝苗、C两优396、泰优390，其生育期118 d；而生育期较长的有P7、P15、P17，即隆两优1212、深两优5814、隆两优1686，其生育期140 d。

图1 不同水稻品种的生育期Fig.1 Growth periods of different rice varieties

测定成熟期水稻产量结果表明（图2），18个水稻品种的平均产量为5.62±0.22 t/hm2，不同水稻品种间产量差异显著，产量最高的为P7，产量达6.09±0.22 t/hm2；产量最低的为P8，产量仅5.14±0.17 t/hm2，比P7低15.64%（P＜0.05）；与平均产量相比，增产的品种有11个，增产超过5%的有P7、P9、P10、P16等4个；减产的品种有7个，其中减产超过5%的有P2、P6、P8、P13、P18等5个。

图2 不同水稻品种水稻产量（AVE：所有品种的平均值，下同）Fig.2 Rice yield of different rice varieties(AVE:average value of all varieties,the same below)

2.2 不同水稻品种稻米及茎叶镉砷含量差异

测定成熟期水稻稻米镉、砷含量结果表明（图3），18个水稻品种的平均稻米镉含量为0.25±0.06 mg/kg，稻米砷含量为0.13±0.04 mg/kg，稻米镉含量高于稻米砷含量。根据食品安全国家标准（GB2762—2017)中镉、砷的限值（≤0.2 mg/kg），有4个品种的稻米镉含量达标，为P1、P6、P9和P12；而稻米砷含量全部达标。与稻米平均镉、砷含量相比，稻米镉含量高于平均值的6个，分别为P7、P8、P14、P15、P16、P18；而稻米砷含量高于平均值的有5个，分别为P6、P13、P14、P17、P18。计算稻米镉、砷含量的变异系数可知，稻米镉的变异系数为0.44，而稻米砷含量的变异系数为0.28，稻米镉含量变异系数是砷含量变异系数的1.6倍，表明不同水稻品种间稻米镉含量的变化差异高于稻米砷含量。

图3 不同水稻品种稻米镉砷含量Fig.3 Cadmium and arsenic content in rice of different rice varieties

测定成熟期水稻茎叶镉、砷含量结果表明（图4），18个水稻品种的平均茎叶镉含量为0.99±0.37 mg/kg，茎叶砷含量为1.95±0.70 mg/kg，茎叶砷含量高于茎叶镉含量。茎叶镉含量的变异系数为0.37，而茎叶砷含量的变异系数为0.36，茎叶镉含量的变异系数与砷含量的变异系数相当。

图4 不同水稻品种茎叶镉砷含量Fig.4 Cadmium and arsenic content in stem and leaf of different rice varieties

可见，稻米镉含量品种间的变异程度最大，其次是茎叶镉含量和茎叶砷含量，稻米砷含量的变异程度相对较小，也表明稻米镉低积累水稻品种筛选到的可能性要高于稻米砷低积累水稻品种的筛选。

2.3 不同水稻品种镉砷转运及富集系数差异

计算不同水稻品种镉砷转运及富集系数结果表明（表1），18个品种镉转运系数TFCd范围为0.14～0.35，平均为0.26，变异系数为0.30；砷转运系数范围为0.05～0.11，平均为0.07，变异系数为0.34。可见，镉的转运系数远高于砷的转运系数，但镉砷转运系数品种间变异程度相差不大。

表1 不同水稻品种的镉砷转运系数及富集系数Table 1 Transport coefficient and enrichment coefficient of cadmium and arsenic in different rice varieties

以土壤有效态镉含量计算不同水稻品种镉的富集系数表明，18个品种镉富集系数范围为0.45～1.94，平均为0.97，变异系数为0.44；以土壤有效态砷含量计算不同水稻品种砷富集系数表明，18个品种镉富集系数范围为0.82～1.88，平均为1.28，变异系数为0.28。可见，砷的富集系数高于镉的富集系数，但镉富集系数品种间变异程度高于砷。其原因主要是土壤砷有效率远小于土壤镉的有效率。

续表

2.4 水稻镉砷含量及其转运与富集系数的相关分析

分析水稻镉砷含量与转运、富集系数间的相关性（表2）表明，米镉含量与茎镉含量、米砷含量与茎砷含量皆呈极显著正相关，表明茎镉、砷含量越高，稻米中镉、砷含量也越高；而米镉含量与米砷含量、茎镉含量与茎砷含量皆无显著的相关性，表明在本次筛选试验中，不同品种对镉、砷的吸收累积存在较大差异；米镉含量、BCFCd皆与转运系数呈极显著正相关，表明茎镉含量越高，米镉含量越高，镉的富集系数越大；茎砷含量与BCFAs呈极显著正相关，而与TFAs呈极显著负相关，但米砷含量与BCFAs和TFAs皆无明显的相关性，表明稻米砷含量品种间变化较小，而茎砷含量变化较大，稻米中砷含量的增加或降低的幅度小于茎砷含量的增加或降低幅度；镉的转运系、富集系数皆与砷的转运、富集系数无显著相关性，表明不同品种间的镉、砷转运、富集无明显的拮抗或者协同效应，也表明不同品种对镉、砷的吸收、转运存在极大的个体差异。

表2 不同水稻镉砷含量与转运、富集系数间的相关系数Table 2 Correlation coefficient between cadmium and arsenic content and transport and enrichment coefficient in different rice

2.5 水稻品种镉砷含量的聚类分析

以18个水稻品种的稻米镉、砷含量两个指标进行聚类分析可知（图5），18个水稻品种主要分为2组；一组是P15、P16、P18，分析其稻米镉、砷含量可知，该类型为水稻镉高积累类型，占16.7%；其余为第二组，而第二组又可以分为两个亚组，一组是P1、P6，为水稻镉低积累类型，占11.1%；其余的为另一组，为镉中等积累类型。可见，本试验通过稻米镉、砷含量进行聚类分组，其分组结果主要受稻米镉含量的影响，而对稻米砷并未表现出明显的分类效果，其原因是稻米镉含量品种间的变异系数大于稻米砷含量的变异系数所致。

图5 18个水稻品种稻米镉砷含量的聚类分析图Fig.5 Cluster analysis of cadmium and arsenic content in 18 rice varieties

3 讨论

本项目以祁阳县本地优势品种为主，对其进行统一种植和管理，产量实测结果表明，不同水稻品种间差异明显，产量最低的P8比产量最高的P7低15.64%。本研究中，水稻产量最低的为P8，其生育期132 d，处于中等水平；而减产超过5%的P2、P6、P13、P18等品种的生育期明显短于其他品种。可见，生育期长短是影响其水稻产量的重要因子［13］，祁阳县的地理气候等环境条件也对其产量具有较大的调控作用［14］。因此，在实际推广过程中，对减产超过5%的P2、P6、P8、P13、P18等品种应慎重推广。

在稻田淹水-落干的特殊生境中，氧化还原交替过程频繁，土壤镉、砷对EH、pH几乎表现出完全相反的行为特征［15］，进而影响水稻对镉、砷的吸收积累。尤其是在不同水肥管理条件下，水稻对镉、砷的吸收积累规律不同，淹水显著降低水稻对镉的吸收但显著增加稻米砷的累积，而干湿交替则显著降低稻米砷含量但显著增加稻米镉的积累［16-17］；施用石灰提升土壤pH降低稻米镉含量的同时也会增加稻米砷的吸收［18］。可见，稻米镉、砷含量不仅与水稻品种有关，还受外界环境的调控。有研究表明，水稻对镉砷的吸收积累皆呈先增后降趋势［19］，但其对镉、砷的吸收积累不同步，镉的最大累积量在乳熟期，而砷则主要是分蘖期；加之水稻对镉砷在器官间的分配也不完全相同，水稻根系砷含量远高于镉，砷由根向上位器官的迁移转运效率远低于镉［11］。本研究结果表明，稻米镉含量品种间的变异系数较高，而砷含量的变异系数较低，且稻米镉、砷含量分别与茎叶镉、砷含量呈显著正相关，表明同一水稻品种的稻米镉、砷含量与茎叶的镉、砷含量趋势基本一致，稻米镉、砷含量的差异也代表了水稻地上部对镉、砷的吸收累积特征。因此，采用稻米镉、砷含量可直接反应水稻对镉、砷的吸收积累特征。

本研究中，基于稻米镉、砷含量的聚类分析结果表明，镉高积累和镉低积累类型的水稻品种数量相对较少，主要为镉中等积累的品种。其中，P1、P6为镉低积累品种，可进行推广；而P15、P16、P18为镉高积累水稻品种，不宜在镉污染稻田应用。此外，由于本研究选择的试验田土壤为镉轻度污染（全镉含量0.49 mg/kg），土壤总砷含量7.05 mg/kg，未达污染标准。土壤总砷含量低也在一定程度上降低了水稻对砷的吸收，也降低了稻米砷含量品种间的差异。且稻米镉平均含量为0.25±0.06 mg/kg，稻米砷含量仅0.13±0.04 mg/kg，稻米砷含量也未超标，在一定程度上降低了稻米砷含量的差异。因此，镉砷低积累水稻品种的筛选应选择土壤砷含量相对较高的稻田或者选择稻米容易超标的稻田，以便更真实的反应水稻对土壤砷的吸收积累特征，筛选到真正需要的砷低积累水稻品种。