不同化学试剂和镉钝化肥料对水稻吸镉影响的研究

罗玉萍,曾 丽,彭 燕,刘 赛,梁满中,陈良碧,戴小军

(湖南师范大学生命科学学院作物不育资源创新与利用湖南省重点实验室,中国湖南长沙410081)

近几十年来,随着我国工农业的迅速发展,土壤重金属镉(cadmium,Cd)的污染程度逐步加重[1～3]。土壤镉污染造成的农作物产品质量下降、产量降低、品质不安全等问题,影响我国农业的可持续发展,并且严重威胁到人类的身体健康[4～7]。水稻作为我国第一大粮食作物,年种植面积大,范围广,保障其品质安全非常重要[8～9],但水稻镉污染日趋严重,加强镉污染稻田的综合防治,尤其是中轻度污染水平下土壤原位修复,是降低水稻吸镉,保障粮食质量、产量和品质的重要应急措施之一。

虽然国内外学者对土壤镉污染的治理策略、治理技术和治理方法,以及能够降低土壤中镉生物有效性的肥料、土壤改良剂和钝化剂等产品的研究比较多[10～21],但是在降镉产品对土壤镉的有效性和水稻吸收镉的影响等方面缺乏深入研究和系统评价。本研究以高吸镉的G283、低吸镉的湘晚籼12号等为材料,采用水培法和盆栽实验方法研究了镉离子亲和度不同的化学试剂与镉钝化肥料对水稻吸镉的影响,旨在为研究出降低稻米镉含量的生产技术措施提供理论依据和技术支撑。

1 材料和方法

1.1 材料

供试水稻材料有G283(高吸镉材料)、湘晚籼12 号(低吸镉材料)以及 9311、陆两优 996、KT27S、T91S、株两优819共7种,由湖南师范大学生命科学学院植物分子与发育实验室提供。化学试剂有 NH4Cl、CH3COONH4、EDTANa2、Na2SH 等 4 种,购买于国药集团化学试剂有限公司。镉钝化肥料有土壤调理剂Ⅰ、土壤调理剂Ⅱ、土壤调理剂Ⅲ、碱性颗粒肥、金无踪、高岭土6种,由湖南省重金属治理办提供。

1.2 方法

1.2.1 供试材料不同镉浓度溶液的处理

当供试水稻幼苗进入3叶期后,分别用含1 μmol/L、5 μmol/L、10 μmol/L、15 μmol/L、20 μmol/L、25 μmol/L 6种镉离子(Cd2+)浓度的完全水培液培育,pH调节为6.0,其中镉源为硝酸镉,每个处理培育25 d,3次重复。

1.2.2 水培条件下化学试剂和镉钝化肥料的处理

为了研究化学试剂和镉钝化肥料对水稻吸镉的影响,在完全水培液的条件下做了11个处理:(1)对照(CK):加入5 μmol/L Cd2+,调pH值为6.0；(2～5)加入 5 μmol/L Cd2+,再分别加入 0.2 mmol/L的 NH4Cl、CH3COONH4、EDTANa2、Na2SH,调 pH值为 6.0；(6～11)加入 5 μmol/L Cd2+,调 pH 值为 6.0,再分别加入50 mg/L的土壤调理剂Ⅰ、土壤调理剂Ⅱ、土壤调理剂Ⅲ、碱性颗粒肥、金无踪、高岭土。其中镉源为硝酸镉,每个处理培育25 d,3次重复。

1.2.3 土培条件下化学试剂和镉钝化肥料的处理

在土培条件下研究不同土壤镉浓度下化学试剂和镉钝化肥料对水稻吸镉的影响。用于种植早稻材料陆两优996和株两优819的土壤全镉含量为1.4 mg/kg；用于种植晚稻材料湘晚籼12号和G283的土壤全镉含量为3.9 mg/kg。将土壤自然风干,除杂后装入桶中,每桶8 kg土壤。早稻材料设置8个处理,3次重复。8个处理分别为:1)对照(CK)；2)土壤调理剂Ⅰ；3)土壤调理剂Ⅱ；4)土壤调理剂Ⅲ；5)金无踪；6)EDTANa2；7)NH4Cl；8)CH3COONH4。晚稻材料设置了4个处理,3次重复。4个处理分别为:1)对照(CK)；2)土壤调理剂Ⅰ；3)土壤调理剂Ⅱ；4)土壤调理剂Ⅲ。

1.2.4 镉含量测定

把烘干的材料按所需部分分别磨成粉末,使用NX-100F食品重金属检测仪测定镉含量。

1.2.5 数据分析

实验所得数据用Excel 2016软件进行初步处理,采用SPSS 22.0软件进行单因素统计分析,采用GraphPad Prism v8.0.2.263软件制图。

2 结果

2.1 不同水稻品种幼苗吸镉规律的比较分析

不同镉浓度下水稻幼苗地上部分和根部的镉含量分析结果表明,随着镉浓度的增加,7种水稻材料地上部分和根部的镉含量都明显增加(图1)。在同一镉浓度下,不同水稻幼苗吸镉情况存在明显差异,其中G283幼苗地上部分和根部吸镉最多,T91S幼苗地上部分和根部吸镉最少。G283幼苗随着镉浓度的增加,地上部分和根部的镉含量都显著增加。湘晚籼12号幼苗镉含量主要积累在根部,但是当镉浓度增加时,镉往上运输显著增加。

图1 不同镉浓度下水稻幼苗地上部分(A)和根部(B)的镉含量数据为平均值±标准差,同一镉浓度下不同小写字母表示水稻幼苗之间镉含量差异显著(P＜0.05)。Fig.1 The Cd contents of shoots(A)and roots(B)in rice seedlings treated with different Cd concentrationsData are presented as mean±standard deviation.Different lowercase letters at the same Cd concentration indicate significant differences in the Cd contents among rice seedlings(P＜0.05).

2.2 不同化学试剂对水稻幼苗吸镉的影响

在5 μmol/L镉浓度的水培条件下,经不同化学试剂处理后分别测定了水稻幼苗地上部分和根部的镉含量(图 2)。结果表明,G283、9311、KT27S和株两优819幼苗地上部分和根部的镉含量在NH4Cl和CH3COONH4处理下与CK对比没有显著差异；在EDTANa2处理下,7种水稻材料幼苗地上部分和根部的镉含量显著降低；在Na2SH处理下,陆两优996、湘晚籼12号、KT27S、T91S及株两优819的地上部分和根部的镉含量与CK对比显著降低。此研究结果说明,在5 μmol/L镉浓度水培条件下,NH4Cl和CH3COONH4添加对水稻根系吸收和运输镉的影响较弱,而EDTANa2和Na2SH能显著降低水稻幼苗对镉的吸收和转运。

图2 不同化学试剂处理下水稻幼苗地上部分(A)和根部(B)的镉含量数据为平均值±标准差,不同小写字母表示同一水稻材料在不同化学试剂处理下镉含量差异显著(P＜0.05)。Fig.2 The Cd contents of shoots(A)and roots(B)in rice treated with different chemical reagentsData are presented as mean±standard deviation.Different lowercase letters indicate that the Cd contents of the same rice material are significantly different under treatment with different chemical reagents(P＜0.05).

2.3 不同土壤调理剂对水稻幼苗吸镉的影响

在5 μmol/L镉浓度水培条件下,不同土壤调理剂处理对水稻幼苗地上部分和根部镉含量的影响如图3所示,除了陆两优996根部镉含量在土壤调理剂Ⅲ下略有升高外,7种水稻幼苗地上部分和根部的镉含量在3种土壤调理剂下都降低,表明在5 μmol/L镉浓度水培条件下,土壤调理剂可以有效降低水稻幼苗对镉的吸收。

图3 土壤调理剂处理下水稻幼苗地上部分(A)和根部(B)的镉含量数据为平均值±标准差,不同小写字母表示同一水稻材料在不同土壤调理剂处理下镉含量的差异显著(P＜0.05)。Fig.3 The Cd contents of shoots(A)and roots(B)in rice treated with different soil conditionersData are presented as mean±standard deviation.Different lowercase letters indicate that the Cd contents of the same rice material are significantly different under treatment with different soil conditioners(P＜0.05).

2.4 镉钝化肥料对水稻幼苗吸镉的影响

在5 μmol/L镉浓度水培条件下,镉钝化肥料处理对水稻幼苗地上部分和根部镉含量的影响如图4所示,与CK对比,7种水稻幼苗地上部分的镉含量在金无踪、高岭土和碱性颗粒肥处理下显著降低。在碱性颗粒肥的处理下,陆两优996、湘晚籼12号、KT27S、T91S和株两优819幼苗的地上部分镉含量降低了50%以上,G283和9311幼苗的地上部分镉含量分别降低了39.5%和30.1%。在金无踪和高岭土处理下,7种水稻幼苗根部的镉含量与对照对比存在差异,但是镉含量总体表现为降低。

图4 镉钝化肥料处理下水稻幼苗地上部分(A)和根部(B)的镉含量数据为平均值±标准差,不同小写字母表示同一水稻材料在不同镉钝化肥料处理下镉含量的差异显著(P＜0.05)。Fig.4 The Cd contents of shoots(A)and roots(B)in rice treated with different fertilizersData are presented as mean±standard deviation.Different lowercase letters indicate that the Cd contents of the same rice material are significantly different under treatment with different Cd passivation fertilizers(P＜0.05).

2.5 不同化学试剂与钝化肥料对陆两优996和株两优819植株各部分镉含量的影响

不同处理下陆两优996植株各部分的镉含量结果显示:在土壤调理剂Ⅰ、土壤调理剂Ⅱ、土壤调理剂Ⅲ、金无踪和EDTANa2的处理下,与CK对比,陆两优996的根、茎、叶、谷壳和糙米的镉含量显著降低；在NH4Cl和CH3COONH4的处理下,与CK对比,陆两优996的根、茎、叶、谷壳和糙米的镉含量显著升高(表1)。此研究结果表明,土壤调理剂、金无踪和EDTANa2可显著降低陆两优996各器官的镉含量,而NH4Cl和CH3COONH4导致陆两优996各器官镉含量增加。

表1 不同化学试剂和镉钝化肥料处理下陆两优996各部分的镉含量Table 1 The Cd contents in different organs of Luliangyou996 treated with different chemical reagents and Cd passivation fertilizers/(mg·kg-1)

不同处理下株两优819植株各部分的镉含量结果显示:在土壤调理剂Ⅰ、土壤调理剂Ⅱ、土壤调理剂Ⅲ、金无踪和EDTANa2的处理下,与CK对比,株两优819的根、茎、叶、谷壳和糙米的镉含量显著降低；在NH4Cl、CH3COONH4的处理下,与CK对比,株两优819的根、叶、谷壳和糙米的镉含量上升(表2)。此研究结果表明,土壤调理剂、金无踪和EDTANa2可显著降低株两优819各器官的镉含量,而NH4Cl和CH3COONH4导致株两优819各器官镉含量增加。

表2 不同化学试剂和镉钝化肥料处理下株两优819各部分的镉含量Table 2 The Cd contents in different organs of Zhuliangyou819 treated with different chemical reagents and Cd passivation fertilizers/(mg·kg-1)

在CK条件下,陆两优996和株两优819植株不同器官的镉含量均表现为根＞茎＞叶＞谷壳＞籽粒。在不同处理下,陆两优996根、茎、叶、谷壳和籽粒中的镉含量基本均大于株两优819。在CK条件下,陆两优996根中的镉含量比株两优819高了16.54%,在各器官中差异最大,这可能是株两优819籽粒中的镉含量不超标,而陆两优996籽粒中镉含量超标的主要原因。

2.6 不同土壤调理剂对G283和湘晚籼12号植株各部分镉含量的影响

土壤调理剂处理下G283植株各部分的镉含量结果显示:在土壤调理剂Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ处理下,G283茎、叶和糙米的镉含量与对照相比显著降低；在土壤调理剂Ⅰ的处理下,G283根部的镉含量较对照略升高,不存在显著差异；在土壤调理剂Ⅱ、Ⅲ的处理下,与CK对比,G283根的镉含量也显著降低(表 3)。

土壤调理剂处理下湘晚籼12号植株各部分的镉含量结果显示:在土壤调理剂Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的处理下,与CK对比,湘晚籼12号根、茎、叶和糙米部的镉含量显著降低(表3)。

这些研究结果表明,土壤调理剂可降低G283和湘晚籼12号植株各部分镉含量。

比较G283和湘晚籼12号在3.9 mg/kg土壤镉条件下植株的镉含量(表3)可知,在CK处理下,湘晚籼12号根、茎、叶、籽粒中的镉含量均低于G283。湘晚籼12号和G283各器官中的镉含量关系为:茎＞叶＞根＞籽粒。两种水稻的镉在茎中积累最多,推测这是G283和湘晚籼12号籽粒中镉严重超标的主要原因；在3种土壤调理剂的作用下,水稻根、茎、叶、糙米中的镉含量显著降低,尤其是茎、叶中的镉含量。在土壤调理剂Ⅰ的处理下,湘晚籼12号中的镉主要积累在根中,G283的镉主要积累在茎中,且湘晚籼12号籽粒中的镉含量比G283低50%。在土壤调理剂Ⅱ的处理下,湘晚籼12号中的镉主要积累在根和茎中,G283的镉主要积累在茎和叶中,且湘晚籼12号籽粒中的镉含量比G283低20.2%。在土壤调理剂Ⅲ的处理下,湘晚籼12号叶、籽粒中的镉含量低于G283,根、茎中的镉含量高于G283,且湘晚籼12号籽粒中的镉含量比G283低38.1%。

表3 土壤调理剂处理下G283和湘晚籼12号各部分的镉含量Table 3 The Cd contents in different organs of G283 and Xiangwanxian12 treated with different soil conditioners/(mg·kg-1)

3 讨论

目前在镉污染稻田常采取施用化学试剂或镉钝化剂等方法来降低水稻的镉含量,其对土壤镉有效性和糙米镉含量的影响已有报道[22～26]。水稻对镉的吸收主要在苗期,而不同化学试剂和镉钝化剂对水稻苗期吸镉的影响规律并不清楚。本研究比较分析了常用化学试剂和镉钝化肥料对不同基因型水稻材料苗期的镉积累特点,发现NH4Cl和CH3COONH4添加对水稻根系吸收和运输镉的影响较弱,而EDTANa2能显著降低水稻幼苗对镉的吸收和转运。其他土壤调理剂和镉钝化剂都可以降低水稻幼苗对镉的吸收,但其效果存在差异。该研究结果表明,在水稻苗期施加的化学试剂或镉钝化剂均具有不同的降镉能力,而施用化学试剂EDTANa2和土壤调理剂可望成为降低水稻和稻米镉含量的有效技术措施。

施用化学试剂和土壤调理剂除了可降低水稻幼苗对镉的吸收及稻米镉含量外,本研究进一步发现:在土壤调理剂、金无踪和EDTANa2处理下,水稻根、茎、叶、谷壳、籽粒中的镉含量都明显降低,低吸镉水稻材料各器官的镉含量都低于高吸镉材料。不同调理剂对各器官镉含量的调控具有差异,表明其调节镉在水稻各器官分布的机理并不相同。上述研究提示,在施土壤调理剂时,可根据不同需要选择不同的土壤调理剂。

虽然施用化学试剂EDTANa2、土壤调理剂等可快速有效降低水稻镉污染,但是长期施用且不控制用量肯定会对土壤生态环境造成一定影响。因此,确定合适的化学试剂和土壤调理剂的施用量,使它们既能降低水稻镉污染又不危害环境还需要进一步深入研究。