高镉累积水稻对镉污染农田的修复潜力

柳赛花，陈豪宇，纪雄辉，刘昭兵，谢运河，田发祥，潘淑芳

高镉累积水稻对镉污染农田的修复潜力

柳赛花，陈豪宇，纪雄辉※，刘昭兵，谢运河，田发祥，潘淑芳

（湖南省农业环境生态研究所，湖南省农业科学院，长沙 410125）

为探究高镉累积水稻品种扬稻6号和玉珍香对镉污染农田土壤的修复潜力，通过大田小区试验，测定6个不同生育期（返青、分蘖、孕穗、齐穗、蜡熟、完熟）5个部位（根、茎0～10 cm、茎10～20 cm 、茎20 cm以上和谷）稻草的镉含量，开展高镉累积水稻镉累积规律、移除时间和移除高度研究。结果表明，水稻扬稻6号和玉珍香各部位镉含量随生育期的延长而增加，孕穗期增幅最大，完熟期达到最大值，在同一时期不同部位镉含量分布随株高呈递减趋势；完熟期，水稻品种扬稻6号和玉珍香的根、茎0～10 cm、茎10～20 cm、茎20 cm以上部分和谷中镉含量分别为19.3、11.8、9.4、8.1和3.9 mg/kg与19.5、16.3、14.3、9.7和3.7 mg/kg，其对应的镉富集系数均大于1，对镉表现出高积累特性；稻草镉的移除含量在全育期均表现从大到小依次为整株收割、地上部全收割、离地10 cm 收割、离地20 cm收割，完熟期整株移除情况下，扬稻6号稻草镉累积移除含量达1 652.11g/株，玉珍香稻草镉累积移除含量达1 547.70g/株；一年种植一季水稻扬稻6号和玉珍香，整株移除情况下土壤镉移除效率分别为9.1%和8.5%，地上部全移除情况下土壤镉移除效率分别为7.2%和7.1%。因此为兼顾水稻移除修复效果和可操作性，建议稻草在完熟后按地上部全收割的方式移除。研究结果可为镉污染稻田的植物修复治理提供新的思路。

镉；农田；水稻；植物修复；富集

0 引 言

随着经济的发展和城市化进程的加快，农田土壤重金属污染日益严重，稻田镉污染已成为制约中国水稻安全生产和农业可持续发展的瓶颈，严重威胁农产品质量安全。环境保护部和国土资源部发布全国土壤污染状况调查公报显示中国耕地土壤点位超标率为 19.4%，其中轻微、轻度、中度和重度污染点位比例分别为13.7%、2.8%、1.8%和1.1%，镉更是排在主要污染物的首位，点位超标率为7.0%。Cd是一种生物蓄积性强、毒性持久、具有“三致”作用的剧毒元素，摄入过量的Cd对人体的危害极其严重[1]。针对目前中国稻田镉污染现状，研发出了以水稻低镉吸收品种[2]、水分管理[3-4]、石灰施用[5]为核心，以及土壤钝化调理[6]、叶面阻控[7-8]等技术相辅的技术模式，实现大面积轻度污染区水稻安全生产，但对于重度污染稻田实现农产品达标仍然困难，还存在土壤修复年限及效果稳定性的问题。

在重金属重度污染区采用植物修复方法是一种常规的原位污染土壤修复方法，具有一种低成本、环境友好、不破坏土壤的优点[9]，利用富集植物能大量吸收、固定重金属物质特性，通过成熟期收获植物从而去除土壤重金属。国内外已发现遏蓝菜（）、东南景天（）、龙葵（）、宝山堇菜（）等镉富集植物[10-13]，因其生物量小、生长缓慢或地域性强等特点，影响了植物修复技术的有效性和广泛性应用。对于低海拔地区稻田而言，巴西芥菜（.）、商陆（.）、叶用红菾菜（.）等旱作镉累积植物[14-16]不适合排水困难的水田，不耐高温不耐寒，另外，稻田采用旱作植物修复，需进行开沟排水降潜，长期的旱作管理将严重影响稻田水利设施和稻田保水性能，需要较大投入去修复灌、排及田埂等设施，从而当前的镉富集植物并不适宜于中国绝大部分镉污染农田的修复治理。

因此在不改变稻田属性和结构情况下，本研究拟用前期筛选的高镉累积水稻（.）品种扬稻6号（9311）和玉珍香（YZX），开展高镉累积水稻镉累积规律、移除时间和移除高度研究，以期明确高镉累积水稻修复重度污染农田的移除技术，为镉污染稻田的植物修复治理提供新的思路。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验在浏阳永和镇相邻的镉污染稻田（28º29'N，113º89'E）进行，稻田土壤理化性质和污染程度较为一致，为沙壤土，耕层土壤pH值为5.83±0.11，土壤全量镉含量为(1.69±0.05) mg/kg，CaCl2提取态镉含量(0.44±0.05) mg/kg，土壤有机质(30.0±1.05) g/kg，全氮(2.06±0.55) g/kg，有效磷(3.55±0.20) mg/kg，速效钾(55.0±0.2) mg/kg，碱解氮(144.0±8.7) mg/kg。污染原因上游七宝山矿石开采引起下游农田镉砷污染。

试验水稻品种为前期试验筛选出的水稻品种玉珍香（YZX，湘审稻2009，常规中熟晚籼）和扬稻6号（9311，苏审稻1997，常规迟熟中籼），每个品种设置3个小区，小区面积为30 m2，周边设置0.5 m的保护行。扬稻6号于5月24日育秧，6月15日移栽，玉珍香于6月13日育秧，7月17日移栽。并分别于两个品种的返青期（SS）、分蘖期（TS）、孕穗期（BS）、齐穗期（FHS）、蜡熟期（RS）和完熟期（FRS）等6个不同时期取植株样品。试验小区间用薄膜覆盖田埂隔开，田埂高出田面35 cm，保证各小区独立，防止串灌串排，水分管理采取常规水分管理，且于分蘖末期和成熟期2次晒田，肥料管理按照当地管理方式进行。

1.2 样品处理和测定

不同时期取的水稻植株样品，植株洗净泥土后晾干，再以去离子水润洗2遍后晾干于105 ℃杀青2 h后，用70 ℃烘干至质量不变后，青苗期、分蘖期和孕穗期3个时期的样品直接分为根和地上部分（此部分为和齐穗期至完熟期的数据统计分析保持一致，亦标记为茎0～10 cm，齐穗期至完熟期的植株样品分为根、稻草和谷子，其中稻草分为3段，分别为茎0～10 cm（标记为A）、茎10～20 cm（标记为B）和茎20 cm以上部分（标记为C）。不同部位的植株样品粉碎，过0.147 mm尼龙筛。分析所用器皿均以10％稀硝酸溶液浸泡过夜。样品中总镉测定采用微波消解，称取0.500 0 g植物样品，加入5 mL HNO3和2 mL H2O2，利用微波消解仪消解，超纯水定容至100 mL，用ICP-MS（iCap-Q，美国Thermo公司）测定总Cd浓度。样品分析中所用试剂均为优级纯，并添加国家标准参比物质（大米：GSB-22）为内标进行质量控制，分析器皿均以5％硝酸溶液浸泡过夜，以去离子水洗净。稻田土壤全量镉采用HNO3-H2O2-HF微波消解，有效态镉以0.01 mol/L CaCl2浸提，溶液镉含量使用ICP-MS进行测定。土壤基本理化性质参考土壤农业化学分析的方法进行测定。

1.3 数据统计与处理

转运系数TF

TFA/root=A/root（1）

TFB/A=B/A（2）

TFC/B=C/B（3）

TFgrain/C=grain/C（4）

式中root、A、B、C和grain分别是根、茎0～10 cm、茎10～20 cm、茎20 cm以上和谷中镉的含量，mg/kg。

富集系数BCF=植物中镉含量(mg/kg)] ∕

[土壤中镉含量(mg/kg)] （5）

土壤Cd去除率=[每公顷植物镉累积量(mg)] ∕

[修复前每公顷土壤Cd全量(mg)]×100%（6）

试验数据用Excel 2016和SPSS 19.0进行统计分析和作图，5%水平下LSD多重比较检验各处理平均值之间的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 不同生育期水稻各部位中镉含量

两个水稻品种的水稻各部位中镉含量随生育期的延长而增加，孕穗期增加幅度最大。同一时期水稻不同部位镉含量分布随株高呈递减趋势从大到小依次为根、茎0～10 cm、茎10～20 cm、茎20 cm以上、谷（图1）。返青期到完熟期，根中镉含量从1.4增加到19.3 mg/kg，茎0～10 cm中镉含量从0.2 mg/kg增加到11.8 mg/kg。茎10～20 cm、茎20 cm以上和谷中镉含量亦随生育期的延长而增加，与根和茎0～10 cm中镉含量增长趋势一致，在完熟期含量最高。完熟期水稻品种9311和YZX根、茎0～10 cm、茎10～20 cm、茎20 cm以上和谷中镉含量分别为19.3、11.8、9.4、8.1和3.9 mg/kg与19.5、16.3、14.3、9.7和3.7 mg/kg。

水稻不同生育期各部位镉转运系数分析来看（表1），水稻品种9311中茎0～10 cm对根的转运系数随生育期的延长而增加，在孕穗期达到显著水平，齐穗期至完熟期转运系数增加但增加趋势不显著，从齐穗期至完熟期茎10～20 cm对茎0～10 cm、茎20 cm以上对茎10～20 cm和谷对茎20 cm以上的转运系数与茎0～10 cm对根的转运系数变化趋势一致，随生育期的增加而增加，但不显著。而不同生育时期水稻品种YZX中不同部位的镉的各级转运系数变化趋势与水稻品种9311不同，其中茎0～10 cm对根的转运系数变化趋势与随生育期的延长而增加，在完熟期达到显著水平，茎10～20 cm对茎0～10 cm、茎20 cm以上对茎10～20 cm和谷对茎20 cm以上的转运系数在齐穗期最大，并从齐穗期至完熟期逐渐降低。

表1 水稻不同生育期各部位镉转运系数

注：大写字母A、B、C分别代表茎0～10 cm、茎10～20 cm和茎20 cm以上的部分；不同小写字母表示不同生育期水稻部位间镉转运系数在<0.05 水平上差异显著。下同。

Note: Capital letters A, B, and C standed for the part of the stem 0-10 cm, the part of the stem 10-20 cm, and the part of the stem above 20 cm, respectively; Different letters indicated that cadmium transport coefficient between rice parts at different growth stages had significant difference at the level of<0.05. The same as below.

水稻不同生育期各部位镉富集系数分析来看（表2），水稻9311和YZX各部位的镉富集系数的表现趋势较为一致，随着生育期的延长，根、茎0～10 cm、茎10～20 cm、茎20 cm以上和谷对镉的富集系数逐渐变大，并在完熟期期达到最大值（表2），从孕穗期开始，水稻9311和YZX根和地上部各部位对镉的富集系数均大于1，二者的各部位富集系数从大到小依次为根、茎0～10 cm、茎10～20 cm 、茎20 cm以上、谷。在完熟期，除谷的镉富集系数外，水稻YZX各部位镉富集系数均大于水稻9311各部位富集系数，水稻9311根、茎0～10 cm、茎10～20 cm、茎20 cm以上部分和谷对镉的富集系数分别为11.40、7.00、5.58、4.81和2.29。

2.2 不同生育期期各部位中镉累积含量

随着生育期的延长水稻品种9311和YZX中各部位镉累积含量逐渐增加并达到显著增加水平，各部位镉累积含量均在完熟期达到最大值（图2），两个品种均为茎20 cm以上部位稻草中镉累积含量最高，分别为612.3和657.7g/株，茎10～20 cm中含量最低，分别为107.6和164.9g/株。在完熟期时，品种9311中各部位镉累积含量按高到低依次为：茎20 cm以上、谷、根、茎0～10 cm和茎10～20 cm，分别为占整株镉累积含量的37.1%、22.7%、21.3%、12.4%和6.5%；品种YZX中各部位镉累积含量按高到低依次为：茎20 cm以上、谷、根、茎0～10 cm和茎10～20 cm，分别为占整株镉累积含量的42.5%、18.4%、17.4%、11.0%和10.7%。

表2 水稻不同生育期各部位的镉富集系数

注：不同字母表示不同生育期水稻同一部位间在<0.05水平上差异显著。

Note: Different letters indicated that cadmium bioconcentration factor between rice parts at different growth stages had significant difference at the level of<0.05.

2.3 不同收割高度下水稻各部位中镉累积含量

在不同收割方式下 9311和YZX稻草镉累积移除含量差异显著，在不同生育期从大到小依次为整株收割、地上部全收割、离地10 cm收割、离地20 cm收割（图3），在完熟期，水稻9311的整株移除镉累积含量为1 652.11g/株，地上部收割、离地10 cm收割和离地20 cm收割下稻草镉累积移除含量分别为1 299.90、1 095.59和988.04g/株，分别为整株稻草镉累积含量的78.7%、66.3%和59.8%；水稻YZX整株移除的镉累积含量为1 547.70g/株，地上部全收割、离地10 cm收割和离地20 cm收割下稻草镉的累积移除含量分别为1 278.33、1 107.66和942.77g/株，分别为整株稻草镉累积含量的82.6%、71.6%和60.9%。

因各部位镉累积含量随生育期的延长而增加并在完熟期达到最大，水稻9311蜡熟期中整株、地上部、离地10 cm和离地20 cm稻草中镉累积含量分别是完熟期的64.8%、63.5%、60.3%和58.9%，而水稻YZX蜡熟期中整株、地上部、离地10 cm和离地20 cm稻草中镉累积含量分别是完熟期的73.1%、75.1%、77.7%和80.9%，因此从各部位稻草中镉的移除量来看，完熟期是稻草镉移除量最大时期。

3 讨 论

很多研究表明不同水稻品种镉积累差异显著，在中国华南地区471个当地主栽高产品种稻米镉含量差异达32倍[17]，四大粮食产区总计687个大米样品的稻米镉含量差异分别为0.004～1.38 mg/kg[18]，课题组前期品种筛选试验发现不同水稻品种稻米镉含量为0.20～4.21 mg/kg[19]，因此这可为镉污染农田提供适宜的高镉累积水稻修复品种。早在1977年Brooks等提出了重金属超富集植物的衡量标准：植株长势良好情况下，地上部Cd含量达到100 mg/kg以上，地上部对地下部重金属转运系数大于1，植物对土壤重金属的富集系数大于1[20-21]。在已发现的超富集植物400余种中，大部分都是野生植物资源，其生境特殊，地域性强，虽然其重金属吸收含量量高，但生长速度慢、生物量低。因此为解决中国农田土壤重金属污染问题很多学者筛选和发现了适合本地种植且其重金属镉累积能力与超富集植物相当的本地植物品种，如籽粒苋、叶用红菾菜等[22-24]。在本研究中，在完熟期水稻品种9311和YZX的各个部位（包括根、茎0～10 cm、茎10～20 cm、茎20 cm以上和谷）中镉的富集系数均大于1（表2），虽然其各部位对镉的转运系数均小于1（表1），但其根和茎0～10 cm中镉含量水平可类比在镉污染农田上种植的镉超富集模式植物遏蓝菜镉含量水平[25]。另外，通过统计水稻品种9311和YZX每株各部位的生物量可知，水稻品种9311根和地上部中镉累积含量分别为352.2和1 299.9g/株，品种YZX根和地上部中镉累积含量分别为269.4和1 278.3g/株。两个品种的种植密度按2.1×105株/hm2计算，水稻品种9311与YZX的根和地上部每公顷的镉累积含量分别73.5g和273.0g与15.0g和268.5g，水稻品种9311与YZX地上部镉累积含量已超过高富集烟草和油菜轮作所富集的镉含量（176.75 g/hm2）[26]，由此可见，水稻品种9311和YZX表现出镉的高积累特性。

本试验地耕层土壤（0～20 cm）镉含量为1.69 mg/kg，农田耕层土壤镉含量为253.5 g/hm2，故在整株移除的情况下，每公顷种植一季水稻9311与YZX可以带走土壤中9.1%和8.5%的镉，估算出在该污染水平区连续单季种植水稻9311与YZX约8～9 a时间可以使得该片农田土壤恢复安全健康水平（农田土壤Cd 含量小于筛选值0.4 mg/kg），在只移除地上部稻草的情况下，每公顷地种植一季水稻9311与YZX可以带走土壤中7.2%和7.1%的镉，估算出在该污染水平区连续单季种植水稻9311与YZX约10～11 a时间可以使得该片农田土壤恢复安全健康水平，故使用高镉累积水稻品种用于修复农田Cd 污染具有较好的应用前景。另外从图2中可看出，水稻9311与YZX在孕穗期以后镉高效吸收，因此在保证晚稻季正常种植的情况下，在早稻季节种植非全生育期的该二者水稻品种或是种植高镉累积早稻品种可提高水稻提取镉的含量，从而缩短修复年限。

目前中国农田重金属镉污染治理形势严峻，利用遏蓝菜、景天等超积累植物或藿香蓟、黄麻等具有高镉积累能力的植物作为镉污染农田环境修复材料的研究很多（表3），但利用高镉累积水稻品种修复镉污染农田的研究还较少。研究表明水稻根系是水稻吸收累积镉的主要部位[27]，在本研究中水稻9311与YZX根是水稻吸收镉含量最高的部位，占整株植物镉累积含量的21.3%和17.4%，根系的镉是否移除显著影响土壤镉的移除效果及修复年限。虽然基于高镉水稻较旱作植物修复镉污染农田无需改变土壤结构和当地长期习惯的种植方式，操作简单、更经济、适宜面积更广，然而水稻根系不易移除，因此水稻根系机械化移除设施完善是后续水稻修复镉污染农田要解决的问题。另外，在后续研究和实际应用过程中，还需进一步明确品种可获得性、农民的可接受性，从种子到收割，高镉植株和稻谷的全过程监管与安全处置，以防流入市场，进入食物链。

表3 不同镉富集植物的镉富集特征及土壤镉移除效率对比

4 结 论

1）水稻扬稻6号和玉珍香各部位中镉含量随生育期的延长而增加，孕穗期增加幅度最大，在整个生育期中水稻不同部位镉含量分布均随株高呈递减趋势。

2）孕穗期至完熟期，水稻扬稻6号和玉珍香各个部位对镉富集系数均大于1，对镉表现出高积累特性。

3）水稻扬稻6号和玉珍香稻草镉累积移除含量在整个生育期从大到小依次为整株收割、地上部全收割、离地10 cm 收割、离地20 cm收割，完熟期整株移除情况下，9311稻草镉累积移除含量达1 652.11g/株，YZX稻草镉累积移除含量达1 547.70g/株。

4）整株移除情况下种植一季水稻扬稻6号和玉珍香，土壤镉移除效率分别为9.1%和8.5%，仅地上部移除情况下，土壤镉移除效率分别为7.2%和7.1%。

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Remediation potential of rice with high cadmium accumulation to cadmium contaminated farmland

Liu Saihua, Chen Haoyu, Ji Xionghui※, Liu Zhaobing, Xie Yunhe, Tian Fangxiang, Pan Shufang

(-,,410125,)

Phytoremediation is a typical environmentally friendly and economical method to in situ natural remediation of soil pollution. Therefore, it can widely be expected to serve as a very feasible way to remediate the contaminated rice paddy fields with high cadmium accumulation, particularly without changing the property and structure of farmland. This study aims to explore the remediation potential of high Cadmium (Cd) accumulated rice varieties (Yangdao 6 and Yuzhenxiang) in the contaminated farmland soil. A field plot experiment was conducted to investigate the accumulation regularity in rice, removal time and removal height of rice varieties with high cadmium accumulation. The content of Cd was also determined in 5 parts (root, stem 0-10 cm, stem 10-20 cm, stem above 20 cm and grain) of rice straw at 6 different growth stages (seedling, tillering, booting, full heading, ripening and full ripening). The results showed that the content of Cd in different parts of rice (Yangdao 6 and Yuzhenxiang) increased with the prolongation of the growth stage ranging from the booting to the mature stage, where the maximum was observed. Besides, the Cd distribution in different parts of rice decreased with the plant height in the same period. At the mature stage, the Cd content in roots, 0-10 cm stem, 10-20 cm stem, above 20 cm stem, and grain of rice varieties Yangdao 6 and Yuzhenxiang were 19.3, 11.8, 9.4, 8.1, and 3.9 mg/kg, and 19.5, 16.3, 14.3, 9.7 and 3.7 mg/kg, respectively. The Cd enrichment coefficients were also all greater than 1, indicating high Cd accumulation. The removal content of cumulative cadmium was ranked in order of the whole plant, the whole ground part, 10 cm above the ground, 20 cm above the ground, harvested rice stalk of Yangdao 6 and Yuzhenxiang during the whole growth period. Specifically, the removal contents of cumulative cadmium in the rice stalk of Yangdao 6 and Yuzhenxiang were up to 1 299.90 and 1 278.33g/plant, respectively, when the whole shoot was removed at the full maturity stage. The removal contents of cumulative cadmium in the rice straw of Yangdao 6 and Yuzhenxiang were up to 1 652.11 and 1 547.70g/plant, respectively, when the whole plant was removed at the full maturity stage. The removal efficiency of soil Cd was 9.1% and 8.5%, respectively, when the rice varieties Yangdao 6 and Yuzhenxiang were planted once a year and the whole plant was removed. By contrast, the removal efficiency of soil Cd was 7.2% and 7.1%, respectively, when the whole shoot was removed. It infers that the Cd polluted rice roots were difficult to be removed. Therefore, it was strongly recommended to remove the rice stalk by harvesting the whole ground part after the rice was fully ripe, particularly considering the remediation and operability. As such, the remediation of Cd contaminated rice paddy fields can remain the soil structure and local planting pattern in a long term, compared with dryland phytoremediation of Cd polluted farmland. The finding can provide a new insightful idea for the phytoremediation in cadmium-contaminated paddy fields.

cadmium; farmland; rice; phytoremediation; accumulation

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.10.021

S154.1

A

1002-6819(2021)-10-0175-07

柳赛花，陈豪宇，纪雄辉，等. 高镉累积水稻对镉污染农田的修复潜力[J]. 农业工程学报，2021，37(10)：175-181.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.10.021 http://www.tcsae.org

Liu Saihua, Chen Haoyu, Ji Xionghui, et al. Remediation potential of rice with high cadmium accumulation to cadmium contaminated farmland[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(10): 175-181. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.10.021 http://www.tcsae.org

2021-03-09

2021-04-16

国家自然科学基金（42007118）；国家水稻产业体系（CARS-01-28）；湖南省农业科技创新资金项目（2020CX54）；湖南省自然科学基金青年基金项目（2020JJ5297）；湖南省农业科技创新资金项目（2020CX06-03）

柳赛花，助理研究员，研究方向为农田重金属污染治理。Email：285398758@qq.com

纪雄辉，博士，研究员，研究方向为农村生态环境污染治理。Email：1546861600@qq.com