桂西北岩溶区大田条件下不同水稻品种的镉累积特征

黄雁飞，黄玉溢，陈桂芬，熊柳梅，刘永贤，刘淑仪，刘 斌

(广西农业科学院农业资源与环境研究所，南宁 530007)

【研究意义】重金属Cd具有很强的生物毒性，是我国土壤的首要污染物[1]。桂西北岩溶区Cd含量高于国家土壤环境质量二级标准值54.0%，土壤中Cd的生态风险系数属于高风险[2]。Cd进入食物链中将严重威胁人体健康，近年来国内出现的广西龙江Cd污染及广东和湖南的Cd大米事件，更是引起了政府和社会各界人士的高度关注[3-4]。水稻具有富集Cd的特性，当前生产上主要通过以下几种技术措施解决Cd污染稻田和稻米Cd超标问题：土壤原位钝化修复技术、农艺措施、叶面阻控技术和植物修复技术，然而以上技术措施仍存在成本高、效率低和二次污染风险等问题[5]。在此背景下，水稻Cd低累积品种的研究与应用已成为当前解决Cd污染稻田稻米安全生产最经济高效的方法之一[6]。因此，针对不同区域开展不同水稻品种Cd累积特征研究，挖掘当地主栽低Cd累积水稻品种，对保障区域稻米安全生产具有重要意义。【前人研究进展】薛涛等[7]研究报道，不同水稻品种对Cd胁迫反应的敏感程度直接影响稻米对Cd的富集能力。张庭艳等[8]研究发现，根系Cd吸收强度和地上部茎秆对Cd的转运能力是决定稻米Cd累积的关键因素。王宇豪等[9]研究表明，Cd污染大田条件下不同水稻品种对Cd的吸收累积特征具有明显差异。兰艳[10]在对比籼稻和粳稻Cd累积差异研究中发现，籼稻品种相对于粳稻品种更容易吸收累积Cd。秦冉等[11]针对贵州当地10个主栽水稻品种进行富Cd研究，结果发现多数水稻品种Cd在根和茎中呈明显富集特征，而谷壳和糙米的Cd富集系数相对较小。黄其颖等[12]以浙江省主推的5个水稻品种为研究对象，成功筛选出2个低Cd积累水稻品种(甬优1540和浙两优274)。王萍等[13]采用不同水平Cd胁迫方法，筛选获得可在轻度Cd污染土壤上安全生产的Cd低累积水稻品种。冯爱煊等[14]采用微区和小区试验方法比较不同水稻品种对Cd的累积差异，成功获得适宜在浙江省Cd低污染农田推广种植的Cd低累积品种。殷萍等[15]对天津市主栽的武津粳1号、香糯ZP-3及皖香早-1 3个水稻品种开展Cd累积特征差异研究，结果表明，不同Cd污染浓度梯度处理各品种水稻的茎叶、稻壳和糙米Cd含量均随着土壤Cd污染程度的增加呈上升趋势，且各部位Cd累积量呈茎叶>稻壳>糙米的规律。张磊等[16]研究报道，苗期水培的不同水稻品种对Cd的耐性、累积性和转运能力均存在明显差异，其中，常规稻的耐Cd特性优于杂交稻和超级稻。吴照祥等[17]研究结果显示，在中、轻度Cd污染条件下同一闽恢3301系列杂交水稻不同品种的糙米Cd含量存在明显差异。陈毓瑾等[18]研究发现，不同常规水稻品种的耐Cd性能存在显著差异。而郭超等[19]研究认为，区域性土壤类型差异、重金属污染程度及气候条件差异同样会不同程度地影响水稻品种对Cd的吸收累积特征。【本研究切入点】我国不同区域气候条件差异明显，不同水稻品种具有特定的适种气候条件，其对Cd的富集特征也具有明显区域性特点[20]，而当前针对桂西北岩溶地区不同水稻品Cd累积特征的研究鲜见报道。【拟解决的关键问题】以桂西北主栽的19个水稻品种为研究对象，通过田间小区试验，分析其对Cd的吸收累积特征差异，为桂西北岩溶区Cd污染稻田稻米安全生产提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验在桂西北地区腹地的广西河池市金城江区(东经107°33′～108°13′，北纬24°22′～24°55′)进行。该区属跨中亚热带向南亚热带过渡的气候带，年均气温20.4 ℃，年降水量1470 mm，日照充足，气候温和，雨量充沛。全区地势自西北向东南倾斜，一般海拔为400～600 m，最高海拔为1114 m，属桂西北边陲要地，地貌风化强烈，流水侵蚀、溶蚀严重，以山地为主，属于典型的岩溶地区。试验地土壤基本理化性质：pH 6.37，有机质26.1 g/kg，全氮0.113%，全磷0.058%，全钾0.836%，重金属Cd全量1.12 mg/kg，有效态Cd 0.57 mg/kg。

1.2 试验材料

19个供试水稻品种均为广西河池市金城江区当地主栽品种，其种子购自当地农资市场，分别为特优6811、H两优991、Y两优286、宜香2239、兆两优7213、亚航金占(常规稻)、五山丝苗(常规稻)、和两优1号、黔两优58、丰两优3305、恒丰优华占、泸香658、湘优1126、裕优641、恒丰优777、深两优9569、F优498、广8优华占和绿香313。

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计 选取地力均一，形状相对方正的田块，通过拉线分出57个小区，每小区长4 m，宽3 m，面积12 m2，小区四周留有50 cm宽过道，不做田埂。采用随机区组设计，每个水稻品种为1个处理，每处理3次重复。秧苗统一在同一块秧田中繁育，小区划分完成后选长势均一的壮苗进行移栽，移栽时间为2021年4月7日，每小区移栽秧苗株数及插秧规格均保持一致。整个试验大区周围设2 m宽保护行，保护行采用农户自有的1个水稻品种按统一规格插满。水稻生产过程中其他田间管理措施与当地农户保持一致。

1.3.2 样品采集 水稻秧苗移栽前采集试验田基础土壤样品，阴干过筛备用；由于不同水稻品种成熟时间存在差异，采样时根据不同试验处理小区水稻成熟时间采集成熟期水稻样品，每小区随机连根拔起水稻，15蔸为一个样品，每蔸水稻稻穗部分使用尼龙网袋套紧，根部先用自来水将土壤洗干净，再带回实验室用去离子水反复清洗后置于烘箱105 ℃杀青，随后将水稻植株按根、秸秆、稻穗分别进行采样，室内阴干，稻穗部分考种完成后稻谷采用小型砻谷机脱壳，最终分成根、秸秆、谷壳和糙米4个组分样品，分别放入信封中置于烘箱烘至恒重，随后采用小型高速粉碎机粉碎过60目筛备用；小区样品采集后利用小型打谷机进行脱粒实收，稻谷折干并加上前面采集的15蔸水稻样品的产量即获得小区水稻实际产量。

1.3.3 测定指标及方法 土壤样品主要测定养分含量、pH、全Cd和有效态Cd含量等指标。其中，pH采用玻璃电极法测定，土水质量比为1.0∶2.5；有机质含量采用重铬酸钾容量法测定；全氮含量采用半微量开氏法测定；土壤样品经H2SO4-HClO4消煮后，采用钼锑抗比色法测定全磷含量；采用火焰光度法测定全钾含量[21]；全Cd含量采用HCl-HNO3-HF- HClO4消煮法测定，有效态Cd含量采用DTPA萃取法测定。水稻植株测定株高、穗长、穗粒数、结实率和千粒重等指标，水稻各部位根、秸秆、谷壳和糙米的Cd含量指标根据GB 509.15—2014《食品安全国家标准食品中Cd的测定》的规定采用湿式法消解测定。

糙米Cd富集系数、水稻各部位Cd转运系数(TF)计算公式[22]如下。

富集系数=糙米中Cd含量/土壤中Cd含量

TF秸秆/根=秸秆中Cd含量/根中Cd含量

TF谷壳/秸秆=谷壳中Cd含量/秸秆中Cd含量

TF糙米/谷壳=糙米中Cd含量/谷壳中Cd含量

1.4 统计分析

采用Excel 2016进行数据整理和图表制作，以SPSS 19.0进行试验数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同水稻品种的产量及产量构成因素差异比较

由表1可知，19个水稻品种的株高范围为96.0～123.7 cm，平均为108.7 cm，株高最高的是宜香2239，最低的是黔两优58；穗长范围为21.2～26.8 cm，平均为23.6 cm，其中，湘优1126的穗长最长，特优6811的穗长最短；穗粒数范围为136.1～235.8粒，平均为164.4粒，其中，深两优9569的穗粒数最多，泸香658的穗粒数最少；结实率为70.1%～81.0%，平均为77.3%，其中，特优6811的结实率最高，亚航金占的结实率最低；千粒重范围为20.5～32.1 g，平均为26.0 g，其中，五山丝苗的千粒重最轻，裕优641的千粒重最重；虽然不同水稻品种的产量(429.5～627.8 kg/667 m2)差异明显，但均在相应品种理论产量范围，平均为541.0 kg/667 m2，其中，深两优9569的产量最高，五山丝苗(465.4 kg/667 m2)和亚航金占(429.5 kg/667 m2)2个常规稻品种的产量较19个品种的平均产量分别降低14.0%和20.6%，较产量最高的深两优9569显著降低25.9%和31.6%(P<0.05，下同)。说明不同水稻品种的产量及产量主要构成因素(株高、穗长、穗粒数、结实率和千粒重)均存在明显差异，但实际产量均在理论产量范围内未出现大幅度减产现象。

2.2 不同品种水稻不同部位的Cd含量特征

由表2可知，19个水稻品种根、秸秆、谷壳和糙米的Cd含量分别为9.99～27.87 mg/kg、0.24～1.52 mg/kg、0.29～1.06 mg/kg和0.35～1.11 mg/kg，各部位Cd含量平均值排序为根>糙米>秸秆>谷壳。其中，根的Cd含量平均为20.85 mg/kg，以湘优1126的Cd含量最高，特优6811、H两优991、五山丝苗、亚航金占和丰两优3305等5个品种根的Cd含量相对较低；秸秆Cd含量平均为0.77 mg/kg，以和两优1号的Cd含量最高，裕优641的Cd含量最低；谷壳Cd含量平均为0.56 mg/kg，以湘优1126的Cd含量最高，F优498的Cd含量最低；糙米Cd含量平均为0.79 mg/kg，19个水稻品种的糙米Cd含量均超出GB 2762—2017《食品安全国家标准 食品中污染物限量》要求的限值(0.20 mg/kg)，但以特优6811、H两优991和五山丝苗3个品种的Cd含量较低，分别为0.35、0.37和0.37 mg/kg，较糙米Cd含量平均值分别降低55.7%、53.2%和53.2%，较糙米Cd含量最高的恒丰优777分别显著降低68.5%、66.7%和66.7%。说明不同水稻品种各部位Cd含量存在明显差异，其中以特优6811、H两优991和五山丝苗3个品种糙米Cd含量相对较低，更接近食品安全国家标准要求的限值。

表1 不同水稻品种的产量表现及产量主要构成因素比较

2.3 不同品种水稻的糙米Cd富集特征

如图1所示，19个水稻品种的糙米Cd富集系数为0.310～0. 985。其中，特优6811、H两优991、亚航金占和五山丝苗4个品种的糙米Cd富集系数

表2 不同品种水稻各部位的Cd含量比较

分别为0.310、0.330、0.380和0.330，均显著低于其他15个品种，恒丰优777的糙米Cd富集系数最高，为0.985，显著高于除宜香2239、丰两优3305、F优498和广8优华占外的14个水稻品种；19个水稻品种的糙米Cd富集系数均小于1.000，说明糙米对Cd的吸收累积能力相对较弱；19个品种的糙米Cd富集累积能力排序依次为恒丰优777>广8优华占>丰两优3305>宜香2239>F优498>湘优1126>恒丰优华占>绿香313>黔两优58>裕优641>和两优1号>深两优9569>泸香658>兆两优7213>Y两优286>亚航金占>五山丝苗>H两优991>特优6811。

2.4 不同品种水稻不同部位Cd的转运特征

由表3可知，19个品种水稻Cd的TF秸秆/根、TF谷壳/秸秆和TF糙米/谷壳分别为0.009～0.093、0.434～3.470和0.627～3.713。其中，Cd的TF秸秆/根最小，TF糙米/谷壳最大(湘优1126除外)；Cd TF秸秆/根最大的品种是特优6811，最小的品种是裕优641；Cd TF谷壳/秸秆最大的品种是裕优641，且显著大于其他品种，而特优6811、五山丝苗及和两优1号3个品种Cd的TF谷壳/秸秆显著小于除H两优991和广8优华占外的其他品种；19个水稻品种中有15个品种的Cd TF糙米/谷壳大于1.000，说明参试大部分品种谷壳中的Cd较容易向糙米中转运累积，其中F优498 Cd的TF糙米/谷壳最大，特优6811、H两优991和五山丝苗3个品种Cd的TF糙米/谷壳较小，分别为0.645、0.627和0.717，显著小于其他16个水稻品种。可见，不同品种水稻不同部位Cd的TF差异明显，其中特优6811、H两优991和五山丝苗3个品种Cd由谷壳向糙米的转运能力显著低于其他品种，可有效缓解Cd向糙米中转运累积。

表3 不同品种水稻对Cd的转运系数

续表3 Continued table 3

2.5 糙米Cd含量与根、秸秆和谷壳部位Cd含量及TF秸秆/根、TF谷壳/秸秆 和TF糙米/谷壳的相关分析

相关分析(表4)表明，糙米Cd含量与根Cd含量呈显著正相关，与TF糙米/谷壳和糙米Cd富集系数呈极显著正相关(P<0.01，下同)；糙米Cd含量与谷壳Cd含量和TF谷壳/秸秆呈正相关；糙米Cd含量与秸秆Cd含量呈显著负相关，与TF秸秆/根呈极显著负相关，说明当Cd相对集中累积在水稻秸秆部位时可在一定程度上缓解其向糙米转运累积；在所有与糙米Cd含量呈正相关的指标中，相关性最低的为谷壳Cd含量，相关系数为0.115，相关性最高的为糙米Cd富集系数，相关系数为1.000，其次是TF糙米/谷壳，相关系数为0.694，说明糙米Cd含量受糙米Cd富集系数及Cd由谷壳向糙米转运能力的影响最明显。

3 讨 论

不同水稻品种对Cd胁迫的敏感程度存在明显差异[7]，Cd胁迫可在不同程度上影响水稻产量甚至造成大范围减产[23-24]。因此，在Cd污染土壤上开展水稻低累积品种筛选研究，水稻产量必然是关注的重要指标，即在获得Cd低积累品种的同时又能兼顾产量[9]。本研究结果表明，不同水稻品种的产量及产量构成因素株高、穗长、穗粒数、结实率和千粒重均存在明显差异，主要原因可能与不同水稻品种遗传特性存在差异有关；19个水稻品种的实际产量均未出现大幅减产现象，其中亚航金占和五山丝苗2个常规稻品种的产量虽明显低于杂交稻品种，但均在当地常规稻实际产量范围(429.5～627.8 kg/667 m2)内，说明本研究19个供试水稻品种在桂西北岩溶区土壤Cd含量为1.12 mg/kg条件下栽培，其产量受影响不明显。

植物对Cd的吸收累积特征取决于植物本身的特性及其生长环境[25]。已有研究表明，不同水稻品种对Cd的吸收及Cd在水稻不同部位的分布特征受到栽培地域土壤和气候条件的显著影响[19,26]。本研究结果显示，不同品种水稻、不同部位的Cd含量差异明显，其中糙米Cd含量以恒丰优777最高，特优6811、H两优991、亚航金占和五山丝苗4个品种较低；水稻不同部位的Cd含量平均值排序为根>糙米>秸秆>谷壳，与前人报道的水稻根部Cd富集能力最强、含量显著大于秸秆和糙米的研究结果基本一致[27-28]，但与部分研究报道的水稻不同部位Cd含量排序为根>秸秆>颖壳>籽粒的结果存在差异[29]，究其原因，可能与本研究供试水稻品种特性及桂西北岩溶区特定气候条件和土壤性质不同有关。

表4 糙米Cd含量与根、秸秆和谷壳部位Cd含量及TF秸秆/根、TF谷壳/秸秆 和TF糙米/谷壳的相关分析

稻米Cd富集系数及Cd在水稻不同部位的转运系数在一定程度上可反映稻米对Cd的吸收累积特性[30-31]。本研究结果显示，不同水稻品种糙米Cd富集系数及水稻不同部位Cd的转运系数存在明显差异，其中，恒丰优777糙米Cd富集系数最高，特优6811、H两优991和五山丝苗3个品种糙米Cd富集系数和TF糙米/谷壳均显著小于其他品种，而糙米Cd含量与根Cd含量呈显著正相关，与糙米富集系数和TF糙米/谷壳呈极显著正相关，说明糙米对Cd的吸收累积与根对Cd的吸收能力密切相关[32-33]，而Cd由谷壳向糙米转运的能力是糙米Cd富集累积的关键过程[14]，二者共同决定糙米Cd的累积量[34]。秦冉等[11]研究发现，谷壳的Cd含量与糙米Cd富集系数无显著相关性，表明谷壳的Cd含量不能直接反映糙米对Cd的富集能力。本研究中，糙米Cd含量与秸秆Cd含量和TF秸秆/根呈显著负相关，与TF谷壳/秸秆呈正相关，说明减少Cd由秸秆向谷壳运输使Cd相对集中累积在水稻秸秆是水稻缓解Cd向稻米中累积的一个途径，但三者间的具体互作分子机制有待进一步探究。

本研究以糙米Cd含量、糙米Cd富集系数、水稻各部位Cd的转运系数和Cd富集特征等指标为评价依据筛选出的2个杂交稻品种(特优6811和H两优991)和1个常规稻品种(五山丝苗)，其糙米Cd含量、糙米Cd富集系数及TF糙米/谷壳均显著低于其他品种，具有低累积水稻品种潜质，但其糙米Cd含量仍未低于国家食品安全标准限值0.20 mg/kg(GB 2762—2017)的要求，原因可能与试验区域的土壤Cd含量过高有关，因此，还需辅以土壤原位钝化、叶面阻控及水分管理等技术措施等才能将糙米Cd含量降至国家食品安全限量标准以下[35-38]。

4 结 论

在桂西北岩溶区土壤Cd含量为1.12 mg/kg条件下，19个当地主栽水稻品种的糙米Cd含量均高于国家食品安全标准限值(0.20 mg/kg)，其中，恒丰优777、宜香2239、丰两优3305、湘优1126、F优498和广8优华占的糙米Cd含量较高，不建议在该区域内土壤Cd含量大于1.12 mg/kg的污染稻田中种植；特优6811、H两优991和五山丝苗糙米的Cd含量、糙米Cd富集系数和TF糙米/谷壳均较低，具有低累积品种潜质，可通过配套其他Cd污染稻田修复技术在桂西北岩溶区域作为Cd低累积品种推广种植。