重金属镉在土壤-水稻中迁移转化特征

张悦妍， 郭兴强， 莫桂兰， 秦信凤

(贵州大学 资源与环境工程学院， 贵州 贵阳 550025)

0 引言

【研究意义】据《全国土壤污染状况调查公报》显示，中国土壤污染物总超标率为16.1%，其中镉污染尤为严重，点位超标率达7.0%[1]，居重金属污染物之首。在国家土地利用分类中，耕地是人类赖以生存的基本条件，耕地质量决定了我国粮食生产能力，然而其镉污染状况不容乐观。近年来，全国土壤质量污染普查表明，我国部分地区存在镉超标问题。我国受镉污染的耕地面积约为27.86万hm2[2]，占全国总耕地面积的20%[3]。镉作为一种毒性高、迁移性强的金属，极易转化为营养覆盖，最终进入食物链，且经营养级的传递，镉的浓度能够通过生物放大作用逐级增加。据统计，我国大田作物每年镉含量超标的农产品高达146万t[4]。大米消费量占中国每年消费谷物的一半以上[5]，是我国口粮中最主要的消费品种。据市场统计(2018年10月至2019年9月)，我国稻谷消费量为2.03亿t，其中食用消费占比高达81.96%。然而，水稻极易吸收和富集镉,因此，研究重金属镉在水稻各器官的积累量及其在土壤-水稻中的迁移转化特征对控制稻米镉污染，保障粮食生产安全具有重要现实意义。【前人研究进展】在各种饮食中，稻米是一般非吸烟人群饮食中Cd摄入量的最大贡献者[6]。人体内的镉元素沉积可导致严重的慢性疾病，包括骨损伤、肺癌、胃肠道肿瘤、肾脏损伤和肝脏疾病等，同时也可导致生殖系统、免疫系统、神经系统等病变，严重时具有致癌性和致畸性。此外，镉与蛋白质分子结合后形成镉-蛋白质，易导致人体对一些必需物质(脂质、糖分、蛋白)吸收受到抑制，从而导致威胁较大的急性病症[7]的产生。稻米重金属超标问题为人体健康带来巨大隐患。在土壤pH 4.0～8.0，精米镉含量与土壤有效镉含量呈极显著相关[8]；土壤镉浓度对各器官镉富集效率影响显著，重度镉污染土壤组各器官镉富集系数及土壤-糙米的镉转运系数均显著高于中轻度镉污染土壤组[9]。【研究切入点】现有研究多是从土壤或水稻的单一角度研究镉污染，从土壤-水稻系统角度研究也有一些报道。已有研究表明，水稻各器官的富集程度及土壤-水稻系统中各部位间转运效率均受土壤镉胁迫程度影响[9]，但不同镉污染土壤条件下，镉在土壤-水稻中的迁移转化规律仍需进一步研究。【拟解决的关键问题】通过人工模拟镉污染盆栽试验，选取分蘖期和成熟期的水稻，设置4种浓度梯度，探究不同镉污染土壤条件下水稻各器官的镉富集能力及土壤-水稻系统各部分间转运特征，分析水稻对镉的响应机制，旨在为更好地控制水稻中的镉含量及保障粮食生产安全提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

供试土壤采自贵州大学周边农田，土样为黄壤土。供试稻为粳稻，种子来自贵州大学资源与环境工程学院。试剂为镉标液，上海市计量测试技术研究院提供。硝酸、过氧化氢及高氯酸，均为优级纯，川东化工公司生产。仪器设备包括MARS6高通量密闭微波消解仪(美国培安)，X2电感耦合等离子体质谱仪(美国赛默飞世尔科技)。供试试验盆直径20 cm、高20 cm。

1.2 方法

1.2.1 材料预处理

1) 土壤。将土壤以外源加镉方式进行预处理，分别控制土壤镉含量为0.3 mg/kg(轻微污染)、0.6 mg/kg(轻度污染)、0.9 mg/kg(中度污染)及1.5 mg/kg(重度污染)4个污染水平，经预处理的土壤陈化1周后装盆，每盆装土5 kg，然后1盆移栽1株幼苗，备用。

2) 水稻。水稻预先在贵州大学资源与环境工程学院进行田间育苗，筛选长势一致，正常生长的幼苗期水稻备用。

1.2.2 试验设计 试验设5个处理，将土壤以外源加镉方式进行预处理，分别控制土壤镉含量为0.3 mg/kg(轻微污染)、0.6 mg/kg(轻度污染)、0.9 mg/kg(中度污染)及1.5 mg/kg(重度污染)4个污染水平，以自然土壤作为对照(CK)。每个浓度4盆(4个平行)，加上空白对照合计20盆。试验在贵州大学资源与环境工程学院进行，湿度、光照及温度等均为自然条件。肥料选用甲壳素纳米硅肥，统一采用自来水进行灌溉，全生育期保持土壤淹水2～4 cm。盆栽期间施肥与病虫害防治与当地田间管理措施一致。

1.2.3 样品采集与预处理

1) 样品采集。试验共采样2次，分别在水稻分蘖期(生长43 d)和成熟期(生长110 d)进行。每次采样均随机选取一组包含各浓度水平的盆栽，进行水稻植株和根际土壤的收集。植株分为地下部分、地上部分及籽粒(成熟期)，采集的样品依次用自来水和超纯水洗净后自然风干。植物样品和土壤样品分别用粉碎机和研钵磨碎，同一试验盆中样本同一部位磨碎处理后混合均匀并装入密封袋保存待测。

2) 样品预处理。土壤样品：称取0.1 g左右待测土样置于消解罐中，加入6 mL优级纯硝酸和2 mL过氧化氢，送入微波消解仪进行消解，待样品完全冷却后，加入1 mL高氯酸。将消解罐放入BHW-09C恒温加热器赶酸，待罐中仅剩1～2 mL溶液时，将样品转移至50 mL容量瓶中定容。植物样品：称取0.5 g左右待测植物样品置于消解罐中，加入5 mL优级纯硝酸，预反应12 h后，加入3 mL过氧化氢，送入微波消解仪进行消解。将消解后的样品放入BHW-09C恒温加热器赶酸，待消解罐中仅剩2～3 mL溶液时，将样品转移至50 mL容量瓶中定容。

1.2.4 指标测定 植物及土壤镉含量均采用ICP-MS进行测定。计算水稻植株不同部位镉的浓度，然后根据浓度计算富集系数(BCF)，镉在土壤-水稻系统中的迁移能力用转运系数(TF)表示。

BCF=CP/CS

TFx-y=Cy/Cx

式中，BCF表示植株中某一器官对镉的富集系数；CP代表该器官的镉含量；CS代表土壤全镉含量[10]；x和y分别代表土壤-水稻系统中的某一组成部分(土壤、根系、茎叶、糙米)；TFx-y代表镉从x转运至y的转运系数；Cx、Cy分别代表2个部分中的镉含量[11]。

1.3 数据统计与分析

采用Excel 2010和Oringin 2010对数据进行统计分析与制图。

2 结果与分析

2.1 不同镉污染程度土壤和水稻各器官的镉含量

从表1看出，土壤镉污染程度对水稻各器官镉积累量的影响较明显。随着镉胁迫浓度的增加，水稻各器官镉含量相应增加(分蘗期茎叶除外)，植株镉积累量明显增大。土壤镉污染程度每升高1个等级，植株镉积累量平均提高至上一级的2倍左右。重度污染(1.5 mg/kg)条件下，水稻分蘖期和成熟期植株镉含量分别为对照(0 mg/kg)的11.58倍和20.22倍。分蘖期植株镉含量显著高于成熟期，在轻微、轻度、中度和重度镉污染条件下，分蘖期植株镉积累量分别为成熟期的3.19倍、1.41倍、1.12倍和2.05倍。

表1 不同镉污染程度土壤和水稻各器官的镉含量

成熟期同一水稻植株中不同器官的镉含量均为根系>茎叶>糙米。在成熟植株中，水稻根系对植株镉积累量的贡献最大，其镉含量占整个水稻植株的56.53%～85.54%；其次为水稻茎叶中的镉，占比为13.06%～39.35%，成熟期糙米中的镉含量占比仅为植株镉积累量的1.40%～4.33%。

2.2 镉在水稻植株中的富集特征

从图1看出，不同浓度镉胁迫土壤条件下水稻根、茎、叶和糙米中镉富集系数的变化。

图 1 不同镉污染程度水稻分蘖期和成熟期各器官镉的富集系数

2.2.1 分蘖期 随着镉污染程度增大，根系和茎叶的镉富集系数均呈先升后降再升趋势，且均表现为相同污染程度时根系的镉富集系数明显较茎叶的高。水稻植株根系与地上部分的镉富集系数随镉胁迫浓度的变化趋势呈大体一致，但二者与镉胁迫浓度未表现出相关性。

2.2.2 成熟期 水稻根系及地上部分对镉的富集系数均表现为在镉胁迫浓度范围为0.3～0.9 mg/kg时，随镉胁迫浓度增大，根系和茎叶的镉富集系数均呈先升后降趋势，即在中度镉污染时达最高，然后下降；根系的变幅较大，茎叶的变幅较小。糙米镉富集系数呈先降后升趋势，变幅较小；其每提升1个污染等级，稻米对镉的富集系数平均增加至前一等级的1.7倍左右。重度镉污染土壤条件下，稻米对镉的富集系数为轻微镉污染土壤条件下的3.92倍。5种不同镉污染程度的土壤条件下，同一水稻植株内，各器官镉富集系数均相同，均呈糙米<茎叶<根系。其中，植株根系的镉富集能力明显高于植株地上部分，其平均为地上部分的4倍。水稻生育期及土壤镉污染程度对水稻各器官镉富集能力大小的一般规律未产生明显影响。

2.3 镉在土壤-水稻系统中的迁移特征

从表2看出，除成熟期样品中的轻微污染土壤组外，土壤-水稻系统各部分间转运系数均表现为TF土壤-根系>TF根系-茎叶>TF茎叶-稻米，且不同环节数值差距较大，成熟期土壤至根系的转运系数均值分别为根系至植株地上部分以及植株地上部分至稻米的3.14倍和10.89倍。镉胁迫浓度与土壤-水稻系统各部分间转运系数无明显相关性。

表2 不同镉污染程度镉在土壤-水稻系统各部分间的转运系数

2.3.1 分蘖期 对于分蘖期的水稻植株，土壤-根的转运系数及根-地上部分的转运系数变化趋势相似，均呈先升后降再升趋势，且在轻度污染时达最大值，分别为2.180 3和0.300 8；土壤-根的转运系数在中度污染条件下最低，为1.294 2；根-地上部分的转运系数在轻微污染条件下最低，为0.049 1。

2.3.2 成熟期 对于成熟期的水稻植株，土壤-根的转运系数及根-地上部分的转运系数呈完全相反的变化趋势。土壤-根的转运系数在轻微镉污染土壤条件下最小，为0.221 8；随镉胁迫浓度增加转运系数增大，在中度污染条件达最大值，为3.582 5；之后呈减小趋势。根-地上部分的转运系数则在轻微镉污染土壤条件下最大，为0.696 1；随镉胁迫浓度增加转运系数减小，在中度污染条件下达最小值，为0.152 6；之后呈增大趋势。茎叶-稻米的转运系数镉胁迫浓度较小时呈现短暂的下降趋势，而在镉胁迫浓度为0.6～1.5 mg/kg时随污染程度增大而增加。

3 讨论

研究结果表明，随着土壤镉胁迫浓度的增加，水稻植株镉积累量明显增大，二者呈绝对正相关。与史静等[12-13]的研究结果基本一致。此外，水稻分蘖期植株镉含量显著高于成熟期，原因在于：一方面水稻在生长前期吸收的镉会随着生长发育而损失掉一部分[14]，故成熟期植株中镉含量低于分蘖期；另一方面，分蘖期为水稻的生长阶段，需要大量的外部营养，有害元素镉与营养元素一起被主动吸收，从而导致植株中镉含量较高[15]。此外，成熟期同一水稻植株中不同器官的镉含量均为根系>茎叶>糙米。对此规律，有研究认为，相比于必需元素和水分，镉在水稻植株体内的迁移速度很慢[16-17]。体现出水稻细胞对必需元素和有害元素存在一定的辨识能力，对Cd的跨膜运输以及在组织间的转运有明显的拦截作用。水稻各器官在构造上的差异决定了其组控功能的不同，进而导致镉由根系向地上部转运过程中转运强度和速率的不同以及水稻不同器官对镉积累量的差异。

稻米中含镉的主要原因是土壤中的镉经由质外体途径和共质体途径被水稻根系吸收富集后因蒸腾作用和根压向上迁移，而迁移至茎叶中的镉将通过稻穗穗轴中的维管束进行汇聚后一并转运至稻米[18]，故水稻稻米对Cd的积累主要取决于整个过程中的镉的迁移能力以及各部分间转运镉的难易程度。吴照祥等[19]提出，重金属在植物组织分布特征基本遵从自下而上逐渐降低的规律。莫争等[20]认为，重金属在水稻植株内分布的一般规律是在新陈代谢旺盛器官的积累量大于营养贮藏器官中的积累量，根、茎、叶、籽粒各器官中的镉积累量依次减小。周鸿凯等[21]研究表明，水稻植株器官中Cd分布情况大致为糙米<茎<叶<鞘<根，而冯莲莲等[22]的研究显示，Cd在各组织中的含量分别表现为糙米<叶<茎<根。该研究结果与上述研究结果基本一致。研究结果表明，5种不同镉污染程度的土壤条件下，同一水稻植株内，各器官镉富集系数均相同，均呈糙米<茎叶<根系。

周静等[9，23]对水稻各器官镉富集能力的研究表明，水稻植株各个器官对镉富集能力的大小顺序均为根系>茎秆>叶>糙米，与该研究结论基本一致。水稻各部位的转运能力和富集能力是造成稻米Cd含量差异的主要原因。有研究表明，造成籽粒富集能力低于根系的原因之一为进入根部的重金属首先与蛋白质、多糖类和核酸等物质结合，然后向植株地上部分转移，重金属通过木质部导管、韧皮部运输进入籽粒的过程需要消耗能量，而距离越远的器官越难以运输[17]。在植株成熟期，水稻根系及地上部分对镉的富集系数均随镉胁迫浓度的增加而增大，在中度镉污染土壤组达到最高值后呈下降趋势。原因可能是随着镉浓度的提高，镉的迁移转化能力逐渐趋于稳定或达到平衡。茎叶-稻米的转运系数镉胁迫浓度较小时呈短暂的下降趋势，而在镉胁迫浓度为0.6～1.5 mg/kg时随污染程度增大而增加，究其原因可能是Cd在土壤-水稻系统中的转运规律受植物本身遗传特性及镉存在形态等多种因素共同作用的影响，而此次试验并未排除其他因素的影响，仅以控制镉胁迫浓度为唯一控制变量。

4 结论

随镉胁迫浓度增加，水稻镉积累量显著增大，其规律表现为重度污染(1.5 mg/kg)>中度污染(0.9 mg/kg)>轻度污染(0.6 mg/kg)>轻微污染(0.3 mg/kg)>对照(0 mg/kg)。分蘖期水稻植株镉含量显著高于成熟期水稻植株镉含量；水稻各器官对镉的富集能力大小顺序均表现为根系>茎叶>糙米，此规律不受水稻生育期及土壤镉污染程度的影响；对于成熟期水稻植株，重金属镉在水稻各器官的富集能力与土壤镉胁迫浓度整体上呈正相关。重度镉污染土壤条件对水稻根系和茎叶器官的富集能力表现出一定抑制作用；Cd 在土壤-水稻系统中的转运规律受多种因素共同作用的影响。土壤-水稻系统各部分间转运系数表现为TF土壤-根系>TF根系-茎及叶>TF茎及叶-稻米，而镉胁迫浓度与土壤-水稻系统各部分间转运系数无明显相关性。