15个籼稻品种对砷元素的吸收与累积特征

王 璐

(贵州省兴仁市农业农村局, 贵州 兴仁 562300)

0 引言

【研究意义】2014年,环境保护部和国土资源部公布我国土壤污染现状,土壤无机污染物主要为镉和砷,其超标率分别为7%和2.7%[1]。贵州省兴仁市位于高砷煤矿区内,因其地理位置特殊,煤中砷含量高达32 000～35 000 mg/kg,而大量开采煤矿所产生的粉尘和废渣随着大气和雨水进入土壤及地下水中,导致煤矿区及其附近土壤表土砷含量远远高于我国表土砷背景值[2-4]。砷抑制水稻生长,使其植株矮小,叶黄根黑,甚至减产绝收[5]。长期食用砷超标稻米,人体器官组织容易增加变异风险,引起皮肤癌和肺癌等[6-7]。因此,分析籼稻对砷的吸收和累积特征,筛选砷低累积籼稻品种显得尤为迫切。【前人研究进展】水稻籽粒重金属吸收积累主要受基因、环境以及基因与环境互作影响,其中,镉、砷和镍含量水稻基因效应更明显[8]。不同类型水稻砷积累量表现为杂交稻高于常规稻和育种亲本材料,籼稻大于粳稻[9-10]。不同品种水稻砷含量存在显著差异,刘志彦等[11]对广东省20个水稻品种进行盆栽试验表明,II 优804、优优998和五丰优128为砷高耐性品种;陈丹艳等[12-13]对江苏省主栽水稻品种进行试验发现,镇稻16号、武粳15和南粳44等属砷低累积水稻品种。王玉峰[14]在湖南省开展123种水稻品种田间试验,筛选出3种砷低累积水稻品种(BR-3、BHD-7和BHD-3)和4种砷高累积水稻品种(XFY309、YLY888、ZD99和SD11)。涂德辉[9]以85份水稻亲本材料为研究对象开展水培试验和土培试验,水培试验筛选出6种砷高耐性品种(华航35号、五山丰占和雅康2A等)和5种砷低耐性品种(雅恢2119、Wxj-74和Wxj-380等);土培试验得出2种砷低累积品种(雅康2A、雅康3A)和1种砷高累积品种(雅恢 2119)。董飞等[15]研究表明,水稻不同部位对砷的转运、富集区别明显,砷含量最高部位为根表,根部和秸秆次之,糙米最低。由于不同类型、品种及部位对砷的积累、转运存在显著差异,通过种植砷低累积水稻品种不仅能够阻隔其进入土壤-作物-人体食物链,而且使砷轻中度污染耕地得到有效利用,是一种既经济实惠又易推广实施的农艺措施。【研究切入点】有研表明,兴仁市土壤及地表水体受一定程度的砷污染[16],水稻作为兴仁重要粮食作物之一,目前关于兴仁水稻砷污染研究主要集中于水稻对砷的富集、转运及形态分布[17],但水稻砷低累积品种筛选研究仍处空白。【拟解决的关键问题】以川优6203、川优3727等15份杂交籼稻品种为试验材料,通过在砷轻度超标水田开展大田试验,分析不同品种间产量差异、砷含量差异以及砷元素的转运和富集差异,筛选出适应当地水稻生产的砷低累积品种,为轻度砷污染耕地的水稻种植提供品种选择。

1 材料与方法

1.1 供试材料

1.1.1 供试水稻品种 以15份三系杂交籼稻品种为试验对象,分别为川优6203、川优3727、川种优3877、国泰香优2号、内6优107、蓉优33、蜀香优636、野香优明月丝苗、宜香2079、华浙优261、宜香优2115、宜香优62、甬优4949、兆优6377、兆优国泰,供试品种均购买于兴仁市农资市场。

1.1.2 供试土壤 试验在兴仁市某高砷煤矿区域开展,供试土壤为黄壤,基本理化性质为pH7.9,有机质36.1 g/kg,全氮0.212%,水解性氮194 mg/kg,全磷0.113%,有效磷12.8 mg/kg,全钾1.18%,速效钾89 mg/kg,阳离子交换量17.3 cmol(+)/kg,黏粒417 g/kg,土壤中砷含量为36.9 mg/kg。根据农用地土壤污染风险管控标准计算,该土壤中砷含量为农用地土壤污染风险筛选值(20 mg/kg)的1.85倍,单因子污染指数法判断供试土壤为轻度砷污染土壤(1

1.2 试验设计

试验于2021年4—10月在砷轻度污染(36.9 mg/kg)水田进行,以15份三系杂交籼稻品种为试验对象,采用单因素随机区组设计方法,设15个处理,每个处理3次重复,共设置45个小区,小区面积为16 m2(长×宽=4 m×4 m),各小区间距为50 cm,四周设置保护行。田间水分、施肥和除草等均按统一方式进行。

1.3 样品采集与测定

1.3.1 土壤样品 水稻成熟后,用木铲对供试地块表层土壤进行5点取样并搅拌混匀,再通过四分法缩分至1.5 kg,土壤样品存放于干净通风场所自然风干,使用木棒手工研磨制备成100目样品,用于测定理化性质以及土壤砷含量。土壤理化性质测定方法主要参考《土壤农化分析》[20],土壤砷用原子荧光法[21]测定。

1.3.2 水稻样品 水稻成熟后,每个小区随机采集3～4株,3次重复共采集10株形成混合样。各品种水稻植株按照根、茎、叶、籽粒4个部位分别装袋,每个样品至少1 kg,样品清洗干净后,烘箱烘干,不锈钢粉碎机磨碎,制备成40目样品,用于测定总砷和无机砷。总砷用ICP-MS电感耦合等离子体质谱法测定,无机砷用LC-AFS液相色谱-原子荧光光谱法测定[22]。

1.4 数据统计与指标计算

利用Excel 2000和SPSS 28.0处理数据和制图,采用转运系数(Translocation Factor,TF)和富集系数(Biological Enrichment Factor,BCF)评价水稻品种对砷的吸收与累积能力[23]。

(2)

式中,TF为转运系数,Clatter为水稻后一部位(砷转运后的部位,如茎、叶、籽粒)重金属含量(mg/kg),Cformer为前一部位(砷转运前的部位,如根、茎、叶)重金属含量(mg/kg);BCF为富集系数,Cr为水稻地上部分重金属含量(mg/kg),Cs为土壤中重金属含量(mg/kg)。

2 结果与分析

2.1 15个籼稻品种的产量及其构成因素

有效穗、穗粒数、结实率、千粒重等产量构成因素以及产量是衡量水稻是否适宜在重金属污染土地上推广种植的重要评判指标之一。从表1可知,有效穗变化幅度为8.82万～16.09万穗/667m2,以野香优明月丝苗和宜香2079有效穗最多,国泰香优2号最低。国泰香优2号穗粒数(200.60粒)和结实率(92.12%)最高,野香优明月丝苗和宜香2079千粒重(19 g)最低。15个籼稻理论产量和实际产量变化幅度分别为6 258.60～8 012.85 kg/hm2、6 050.1～7 400.1 kg/hm2,理论产量和实际产量最高品种均为兆优6377。

表1 15份籼稻品种的产量及产量构成因素

2.2 不同品种水稻各部位的砷含量

从表2可知,不同籼稻品种间以及水稻不同部位间砷含量差异显著(P<0.05)。15份籼稻品种根、茎、叶、籽粒砷含量分别为62.15～143.64 mg/kg、0.98～2.73 mg/kg、1.75～3.27 mg/kg、0.08～0.24 mg/kg,砷含量在籼稻不同部位间分布规律为根>叶>茎>籽粒。

表2 15份籼稻品种不同部位的砷含量

水稻籽粒砷含量是稻米安全食用的重要指标。对15个籼稻品种比较表明,籽粒中总砷含量排序为兆优6377>甬优4949>川种优3877>野香优明月丝苗>宜香优62>兆优国泰>宜香优2115>内6优107>华浙优261>川优3727>川优6203>蓉优33>宜香2079>蜀香优636>国泰香优2号。根据《食品安全国家标准 食品中污染物限量》(GB 2762—2017)[24]规定,总砷含量超过无机砷限量指标(0.2 mg/kg)时,需加测无机砷含量。由于川种优3877、甬优4949和兆优6377籽粒的总砷含量在0.20～0.24 mg/kg,故需加测其无机砷含量,加测结果表明,上述3个品种的无机砷含量分别为0.100 mg/kg、0.114 mg/kg、0.115 mg/kg,均在无机砷限量指标范围内。表明,15个籼稻品种的籽粒砷含量均未超出食品安全国家标准中无机砷限值。

2.3 不同品种水稻砷含量聚类

从图1看出,15个水稻品种植株砷含量聚类为3类,第I类为As较低累积品种(植株砷含量范围为65.85～79.23 mg/kg),分别为宜香优62、蓉优33、国泰香优2号、甬优4949、内6优107、蜀香优636;第II类为As中等累积品种(植株砷含量范围为93.08～121.31 mg/kg),分别为兆优6377、野香优明月丝苗、宜香2079、川种优3877、华浙优261、川优3727和宜香优2115;第III类为As较高累积品种(植株砷含量范围为135.16～149.04 mg/kg),分别为兆优国泰和川优6203。

图1 15份籼稻品种植株及籽粒As含量的品种聚类树

15个水稻品种籽粒砷含量聚类为3类,第I类为As较低累积品种(籽粒砷含量范围为0.08～0.10 mg/kg),分别为国泰香优2号、蜀香优636、宜香2079、蓉优33、川优6203和川优3727;第II类为As中等累积品种(籽粒砷含量范围为0.11～0.15 mg/kg),分别为华浙优261、内6优107、兆优国泰、宜香优2115、宜香优62和野香优明月丝苗;第III类为As较高累积品种(籽粒砷含量范围为0.20～0.24 mg/kg),分别为川种优3877、甬优4949和兆优6377。

2.4 不同品种水稻相邻部位间砷的转运能力

转运系数表明砷元素在水稻根、茎、叶和籽粒等相邻部位间转运情况,转运系数越小,砷元素在籼稻相邻部位间转运能力越弱,越容易固定在籼稻相邻前一部分。从表3可知,砷元素在15个籼稻品种间相邻部位的转运能力差异显著,不同部位砷元素转运能力为TF茎-叶>TF茎-籽粒>TF叶-籽粒>TF根-叶>TF根-茎,其中茎到叶的平均转运系数(TF茎-叶)>1,表明,15个籼稻品种茎中大部分砷元素都转运至叶部,因此水稻地上部分中叶的砷含量最高。

表3 15份籼稻品种砷的转运系数(TF)

不同品种间水稻砷转运能力差异显著(P<0.05)。国泰香优2号的TF根-茎和甬优4949的 TF根-叶最大,宜香优2115的 TF根-茎和TF根-叶最小;川种优3877的TF茎-叶最大,国泰香优2号的TF茎-叶最小;兆优6377的 TF叶-籽粒最大,川种优3877 TF茎-籽粒最大。因此,茎或叶到籽粒砷转运系数越高,籽粒砷含量越高。

2.5 不同品种水稻砷的富集差异

富集系数主要衡量土壤砷在水稻根、茎、叶和籽粒等部位的累积情况,富集系数越大,砷元素在籼稻某部位的富集能力越强,砷含量越高。从表4看出,籼稻各部位间砷富集能力为BCF根>BCF叶>BCF茎>BCF籽粒。砷元素在籼稻不同部位的富集能力差异显著,籼稻根平均富集系数(2.580 3)最高,籽粒平均富集系数(0.003 5)最低。

表4 15份籼稻品种砷的富集系数(BCF)

不同品种间砷富集能力差异明显(P<0.05)。川优6203根对砷的富集系数(3.892 7)最大,宜香优62(1.684 1)最小。川优3727茎对砷的富集系数(0.074 0)最大,川种优3877(0.026 5)最小;甬优4949叶对砷的富集系数(0.091 6)最大,蜀香优636(0.047 5)最小;兆优6377籽粒对砷的富集系数(0.006 4)最大,国泰香优2号(0.002 1)最小。总体看,除根对土壤砷的富集系数大于1.0,茎、叶和籽粒对土壤砷的富集系数均小于1.0,表明籼稻根部对土壤砷吸收富集能力较强。

3 讨论

3.1 砷污染对籼稻生长与产量的影响

产量及其构成因素不仅反映出不同砷污染程度对水稻毒害影响,而且也是衡量所种品种是否适合轻中度砷污染稻田的重要指标[25]。王玲梅等[26]研究发现,土壤砷水平持续升高后,根重、穗数等生长指标出现显著变化,低砷状态时(10 mg/kg)水稻(威优 402号)根系增多、地上部分减少,高砷状态时(40 mg/kg)株高、穗数等指标显著降低,且产量降低至少56%。中国科学院南京土壤研究所环保室提出无机砷为低浓度(8 mg/kg)时,水稻中磷元素增多,水稻植株未出现明显毒害症状,产量甚至呈现增长态势;无机砷为较高浓度(40 mg/kg)时,水稻根系总数以及总根长度均不同程度减少,叶片生长发育受到限制,产量和品质大幅度降低;无机砷为高浓度(160 mg/kg)时,水稻停止生长[27]。研究发现,稻田土壤砷为36.9 mg/kg时,供试水稻产量及其产量构成未发生显著变化,表明供试籼稻品种暂未受到土壤砷的显著影响。该结论与前人研究结果不一致,可能与试验田块的土壤养分状况、气候环境及水稻品种等因素有关。因此,砷低累积水稻品种的筛选应结合当地土壤养分状况、气候环境等环境因素及品种因素等开展。

3.2 籼稻对砷元素吸收、累积和富集特征

水稻籽粒砷含量受水稻基因和生长环境共同影响,不同水稻品种对砷的积累特性差异显著,加上土壤酸碱值、氧化还原电位、土壤机械构成及有机质等方面影响土壤砷的形态及有效性,因此不同水稻品种及其不同部位间对砷的吸收、累积存在显著差异[28-30]。单天宇等[31]研究发现,根表铁膜中砷含量最高,其次是根系和茎叶,最后是颖壳和籽粒。研究发现,砷含量在籼稻不同部位间分布规律为根>叶>茎>籽粒,与前人研究结果相似。易春丽等[32]以镉、砷含量进行聚类分析,筛选出4种高镉低砷水稻品种(C两优386、晶两优1212、隆两优1988、隆两优华占)、1种低镉低砷水稻品种(Y两优9918)以及10种高砷低镉水稻品种(泰优390、野香优莉丝、荃优丝苗等)。本研究籼稻籽粒中砷含量聚类分析表明,蜀香优636、宜香2079和国泰香优2号等6种籼稻品种为砷较低累积品种,宜香优2115、兆优国泰和内6优107等6种籼稻品种为砷中等累积品种,川种优3877、甬优4949和兆优6377等3种籼稻品种为砷较高累积品种,以上聚类分析结果是否适宜兴仁市轻度砷污染土壤,仍需大田试验进一步验证其产量、砷含量等。程旺大等[33]提出,籽粒中砷元素的累积量与籽粒灌浆速率呈正比,灌浆前期砷含量与同化物同时进入木质部并快速转运至根叶中,不同品种灌浆速率的差异导致部位间砷元素转运及富集的显著差异。刘志彦等[34]研究得知,水稻根部为砷主要富集部位,但水稻砷元素从地下部到地上部的转运能力较弱。研究显示,15份籼稻品种根部对砷的富集系数>1,砷元素主要富集于籼稻根部,且转运系数TF茎-根和TF根-叶均小于1,根部向茎和叶转运砷元素能力较弱,与前人研究结果一致。

4 结论

在砷轻度污染(36.9 mg/kg)水田中以15份三系杂交籼稻品种为对象,开展不同籼稻品种对砷元素的吸收及其累积的研究,筛选砷低累积籼稻品种。在轻度砷污染条件下,15份三系杂交籼稻实际产量为6 050.1～7 400.1 kg/hm2,产量排序为兆优6377>内6优107、宜香优62>宜香优2115>川优6203、甬优4949>蜀香优636、兆优国泰>川优3727、蓉优33>国泰香优2号、华浙优261、野香优明月丝苗>川种优3877>宜香2079;籼稻籽粒总砷含量为0.08～0.24 mg/kg,其中,川种优3877、甬优4949、兆优6377总砷含量在0.20～0.24 mg/kg(等于或超过无机砷限量指标0.2 mg/kg),但其无机砷含量均未超出食品安全国家标准限值。因此,15份籼稻品种籽粒无机砷含量均未超出食品安全国家标准限值。

籼稻不同部位间茎到叶的砷转运能力最强,其平均转运系数(TF茎-叶=1.748)最大,茎中砷元素大量转向叶部。籽粒中砷含量高低主要取决于叶和茎砷转运能力的强弱,在15个籼稻品种中,兆优6377叶到籽粒砷转运系数最大,TF叶-籽粒为0.081;川种优3877茎到籽粒砷转运系数最大,TF茎-籽粒为0.200。籼稻不同部位间根的砷富集系数最大,其次是叶,籽粒的砷富集系数最小。籽粒砷富集反映籼稻对砷的累积状况,富集系数越大,籽粒砷含量越高,其食用风险越高。在15个籼稻品种中,川种优3877、甬优4949和兆优6377的籽粒砷富集系数较大,分别为0.005 3、0.005 7和0.006 4;宜香2079和国泰香优2号较小,分别为0.002 3和0.002 1。

15个水稻品种籽粒砷含量聚类为3类,第I类为As较低累积品种(籽粒砷含量在0.08～0.10 mg/kg),分别为国泰香优2号、蓉优33、蜀香优636、宜香2079、川优6203和川优3727;第II类为As中等累积品种(籽粒砷含量在0.11～0.15 mg/kg),分别为华浙优261、内6优107、兆优国泰、宜香优2115、宜香优62和野香优明月丝苗;第III类为As较高累积品种(籽粒砷含量为0.20～0.24 mg/kg),分别为川种优3877、甬优4949和兆优6377。结合籼稻产量及其对砷元素的吸收和积累特性, As较低累积的6个籼稻品种可作为轻度砷污染区的水稻候选品种。