基于多指标的镉低积累水稻品种筛选

林小兵,张鸿燕,张秋梅,周利军,徐德胜,郭乃嘉,邱祥凤,黄海平

(1.江西农业大学 国土资源与环境学院,江西 南昌 330045; 2.江西省红壤及种质资源研究所 国家红壤改良工程技术研究中心,江西 南昌 331717; 3.江西省农业生态与资源保护站,江西 南昌 330046; 4.新余市农业科学研究中心,江西 新余 338000; 5.萍乡市农业农村产业发展服务中心,江西 萍乡 337000; 6.吉安市农业农村产业发展服务中心,江西 吉安 343000)

随着工业化、城市化和集约化农业的快速发展,包括大气沉降、灌溉水、畜禽粪便、化肥施用和市政污泥等进入农业环境,导致农田土壤重金属污染问题日益严峻[1-2]。据报道,全国耕地土壤点位超标率为19.4%,其中镉(Cd)的点位超标率最高,达7%[3]。水稻(OryzasativaL.)是我国最主要的粮食作物,对重金属镉具有很强的吸收富集能力[4-5],镉可通过食物链对人体健康造成严重影响[6]。目前,我国镉污染农田修复措施主要包括种植低积累水稻品种、水分管理等农艺措施、石灰调酸、土壤钝化和叶面阻控技术等[7-10],其中利用水稻品种对重金属镉吸收富集能力的基因型差异来筛选和培育镉低积累水稻品种被当作是一项经济、长效、实用的技术[11-12]。

不同品种水稻对重金属镉的吸收存在显著差异,高积累水稻品种籽粒中镉的含量是低积累水稻品种的数倍至数十倍以上,种植镉低积累水稻品种,是抑制土壤中镉向糙米转移的方法之一[13-14]。Liu等[15]研究表明,不同品种的水稻糙米镉含量为0.22～2.86 mg·kg-1;任树友等[16]在试验中发现,C两优华占的糙米镉含量(0.79 mg·kg-1)是蜀优217糙米镉含量(0.08 mg·kg-1)的10倍。水稻对重金属镉的吸收富集不仅取决于水稻品种和土壤中重金属含量,还受到土壤类型、理化性质、耕作方式等的影响[17-18];同一水稻品种在不同地区对重金属镉的富集和转运能力也不同[19-20]。

虽然镉低积累水稻品种较多,但适宜栽培区域有局限性,种植在不适宜地区会影响水稻产量,这对镉低积累水稻品种的推广造成了一定影响。利用当地的主栽水稻品种就地筛选,可快速实现镉低积累水稻品种的推广和应用。单纯根据糙米镉含量来筛选镉低积累品种,不能准确筛选出适合当地的镉低积累品种。近年来,有研究将水稻产量、糙米镉含量、富集系数和转运系数等作为镉积累水稻品种筛选指标[14,21-22]。为筛选适宜特定污染区域种植的镉低积累水稻品种,本研究通过田间小区试验,在江西省新余市渝水区开展了10个当地早稻品种和12个当地晚稻品种对重金属镉的吸收富集研究,通过比较各水稻品种对重金属镉吸收、转运和富集的特征,结合水稻产量指标,筛选出适合当地种植的安全水稻品种,以期为受污染耕地的安全利用和稻米安全提供技术指导和理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地位于江西省新余市渝水区珠珊镇埠下村附近(27°46′41″ N,114°58′25″E),属亚热带季风气候,年均气温17.7 ℃,年均降雨量1 595 mm。试验地土壤为红壤性水稻土,土壤有机质含量为21.21 g·kg-1,pH值为5.24,阳离子交换量为6.51 cmol·kg-1,土壤全镉含量为0.40 mg·kg-1,有效态镉含量为0.21 mg·kg-1。

1.2 供试材料

供试材料为江西省新余市本地种植的10个早稻品种,12个晚稻品种,共22个水稻品种,具体水稻品种信息见表1。

表1 供试水稻品种

1.3 试验设计

每个品种小区面积为12 m2(4 m×3 m),3次重复,每个品种种植300穴,株行距为(20株×20 cm)×(15株×20 cm)。随机区组排列,每个小区间隔为50 cm,试验田四周覆膜,设置保护行,单排单灌,生育期为2021年4—11月。肥料施用依据当地农户习惯施肥,水稻移栽前施用45%复合肥(N 15-P2O515-K2O 15)600 kg·hm-2,移栽后7 d追施尿素450 kg·hm-2,分蘖期追施尿素和钾肥(K2O)各300 kg·hm-2。

1.4 样品采集与分析

于水稻收获期进行土壤和植株采样,分别对各小区采用双对角线法采集5个分样。水稻植株样品为每个小区采集10兜禾,每兜禾用去离子水洗净、晾干后在105 ℃杀青30 min,在70 ℃烘干至质量不变。稻谷脱壳后粉碎,消解后用电感耦合等离子体光谱仪(ICP-MS)测定根系、茎秆、叶片、谷壳和糙米中的镉含量。每个小区采集水稻时一同采集土壤样品,自然风干后测定相关指标。土壤总镉和有效态镉含量采用电感耦合等离子体光谱仪测定。

1.5 数据处理

采用R4.2.1软件对数据进行方差分析和最小差异显著法分析。聚类分析通过R语言软件程序包ggplot2和NbClust完成。参照文献[22-23]的方法计算富集系数(BCF)和转运系数(TF)。计算公式如下:

Fc=crice/csoil;

(1)

Ft=crice/chusk。

(2)

式(1)、(2)中:Fc代表富集系数;crice代表糙米中镉含量;csoil代表土壤中总镉(有效态镉)含量;Ft代表转运系数;chusk代表谷壳中镉含量。

2 结果与分析

2.1 不同水稻品种各部分的镉含量

由表2可知,10个早稻品种根系、茎秆、叶片、谷壳和糙米中镉含量分别为1.47～3.33、0.68～1.60、0.21～0.58、0.08～0.15、0.11～0.25 mg·kg-1,各部位镉含量平均值大小为根系>茎秆>叶片>糙米>谷壳,不同水稻品种各部位镉含量均存在显著差异(P<0.05)。根系中镉含量平均为2.11 mg·kg-1,中早47镉含量最高,启两优1639镉含量最低。茎秆中镉含量平均为1.07 mg·kg-1,中早47镉含量最高,甬籼15镉含量最低。叶片中镉含量平均为0.34 mg·kg-1,启两优2216镉含量最高,启两优1639镉含量最低。谷壳中镉含量平均为0.11 mg·kg-1,株两优104镉含量最高,陵两优47镉含量最低。糙米中镉含量平均为0.16 mg·kg-1,启两优1639和陵两优171的糙米镉含量超出国家限量标准值(0.20 mg·kg-1);优I 2058、陵两优47和中早47的糙米镉含量较低,分别为0.11、0.12、0.13 mg·kg-1,较糙米镉平均含量分别降低了31.3%、25.0%和18.8%,较糙米镉含量最高的启两优1639分别显著降低了56.0%、52.0%和48.0%。

表2 不同水稻品种各部位的镉含量

12个晚稻品种根系、茎秆、叶片、谷壳和糙米中镉含量分别为1.53～3.57、0.81～2.62、0.34～0.85、0.07～0.50、0.05～0.21 mg·kg-1,各部位镉含量平均值大小为根系>茎秆>叶片>谷壳>糙米,除叶片和谷壳外,不同水稻品种各部位镉含量均存在明显差异(P<0.05)。根系中镉含量平均为2.28 mg·kg-1,以航两优1738镉含量最高,甬优6760镉含量最低。茎秆中镉含量平均为1.59 mg·kg-1,兴安香占镉含量最高,丝香优香丝镉含量最低。叶片中镉含量平均为0.47 mg·kg-1,启两优1810镉含量最低,兴安香占镉含量最高。谷壳中镉含量平均为0.20 mg·kg-1,甬优6760镉含量最低,欢优和占镉含量最高。糙米中镉含量平均为0.11 mg·kg-1,仅有兴安香占糙米镉含量超出国家限量标准值(0.20 mg·kg-1);五优5013糙米镉含量最低,较糙米镉平均含量分别降低了54.5%,较糙米镉含量最高的兴安香占显著降低了76.2%。

2.2 不同水稻品种的产量、糙米镉富集系数和谷壳-糙米转运系数

由表3所示,不同早稻品种的产量为6.30～11.11 t·hm-2,且不同水稻品种间产量差异显著(P<0.05),平均产量为8.60 t·hm-2,启两优1639产量最高,甬籼15产量最低。不同早稻品种的糙米镉富集系数为0.26～0.57,其中,启两优1639的富集系数最高,显著(P<0.05)高于优Ⅰ 2058和中早47,10个早稻品种的糙米镉富集系数均小于1,说明糙米对镉的吸收累积能力相对较弱。不同早稻品种的糙米/土壤有效态镉富集系数为0.60～1.57,其中,启两优1639的富集系数最高,显著(P<0.05)高于中早47和优Ⅰ 2058。不同早稻品种的谷壳-糙米转运系数为1.12～2.62,其中,启两优1639的转运系数最高,显著高于除陵两优171外的其他品种。

表3 不同品种水稻产量、糙米镉富集系数和谷壳-糙米转运系数

不同晚稻品种的水稻产量为6.89～11.69 t·hm-2,且不同水稻品种间产量差异显著(P<0.05),平均产量为8.85 t·hm-2,甬优4949产量最高,丝香优香丝产量最低。不同晚稻品种的糙米镉富集系数为0.17～0.73,其中兴安香占的富集系数最高,五优5013的富集系数最低,12个晚稻品种的糙米镉富集系数也均小于1,说明糙米对镉的吸收累积能力相对较弱。不同晚稻品种的糙米/土壤有效态镉富集系数为0.24～1.08,岑香玉晶和兴安香占的富集系数较高,显著(P<0.05)高于五优5013。不同晚稻品种的谷壳-糙米转运系数为0.26～2.75,不同品种间无显著差异,其中,甬优6760、航两优1738和馨优399的转运系数较高,欢优和占和五优5013的转运系数较低。

2.3 不同水稻品种聚类分析

为进一步比较不同水稻品种产量,选取产量为变量,按照最远邻元素分析的系统聚类方式,将所有水稻品种进行聚类分析。根据早稻产量,将不同水稻品种分成3类:第Ⅰ类为高产水稻(启两优1639、陵两优47和株两优104),第Ⅱ类为中产水稻(陵两优171、株两优2013、启两优2216、中早47、兴安早占和优I 2058),第Ⅲ类为低产水稻(甬籼15)。根据晚稻产量,将不同水稻品种分成3类:第Ⅰ类为高产水稻(甬优4949和馨优399),第Ⅱ类为中产水稻(岑香玉晶、兴安香占、航两优1738、五优5013和甬优1538),第Ⅲ类为低产水稻(启两优1810、岑香一号、甬优6760、欢优和占和丝香优香丝)。

为进一步研究具有类似镉富集能力的水稻富集与转运特征,选取糙米镉含量、糙米镉富集系数、糙米有效镉富集系数和谷壳-糙米转运系数4个变量,按照最远邻元素分析的系统聚类方式,将不同早稻品种分成3类,第Ⅰ类(较低值类)、第Ⅱ类(中间值类)、第Ⅲ类(较高值类)。第Ⅰ类有3个品种,分别为优I 2058、陵两优47和中早47;第Ⅱ类有5个品种,分别为甬籼15、兴安早占、株两优104、株两优2013和启两优2216;第Ⅲ类有2个品种,分别为启两优1639和陵两优171。根据晚稻糙米镉含量、富集系数和转运系数的聚类分析,第Ⅰ类有7个品种,分别为启两优1810、岑香一号、甬优1538、欢优和占、甬优4949、丝香优香丝和五优5013;第Ⅱ类有3个品种,分别为甬优6760、航两优1738和馨优399;第Ⅲ类有2个品种,分别为岑香玉晶和兴安香占。

3 讨论

10份早稻品种糙米中镉含量为0.11～0.25 mg·kg-1,12份晚稻品种糙米中镉含量为0.05～0.21 mg·kg-1。早稻品种启两优1639和陵两优171、晚稻品种兴安香占的糙米镉含量高于国家限量标准值。陈德等[24]的田间试验表明,20份水稻品种籽粒镉含量在0.07～0.39 mg·kg-1,相差近6倍。殷敬峰等[25]基于盆栽试验发现,21个水稻品种糙米中镉含量最高值和最低值相差15倍。白荣辉[26]的研究结果也表明,不同水稻品种稻谷对土壤中镉的富集特性具有很大差异。不同水稻品种对重金属吸收、转运和积累差异主要受遗传背景影响[27]。Pan等[28]在高镉积累和低镉积累的水稻中发现了OsABCB24基因的差异表达。另外,土壤类型差异也会影响不同水稻品种对重金属镉的吸收[29]。

不同品种间水稻产量为6.30～11.69 t·hm-2,早稻产量较高的是启两优1639,晚稻产量较高的是甬优4949。陈德等[24]研究表明,水稻籽粒中的镉含量与水稻产量无显著相关关系。刘洋等[30]发现,糙米中的镉含量与水稻产量之间无必然联系,无论是高产还是低产,糙米中的镉含量均有高也有低。富集系数反映了水稻富集重金属镉的能力指标,转移系数可评价水稻体内重金属镉迁移的能力,富集系数和转移系数可作为筛选低镉积累水稻品种的重要指标[31]。一般来说,糙米镉含量高的品种对土壤的镉富集系数和植株转运系数也较高,本研究中启两优1639、兴安香占等对重金属镉的富集和转运能力较强。王宇豪等[32]研究表明,稻米镉含量受水稻富集系数影响最大,受根际土壤总镉含量影响最小;吴照祥等[12]研究也表明,水稻品种差异是影响水稻对重金属元素吸收的主要因素。

启两优1639、陵两优47和株两优104为高产早稻品种,优I 2058、陵两优47和中早47为低镉早稻品种。甬优4949和馨优399为高产晚稻品种,启两优1810、岑香一号、甬优1538、欢优和占、甬优4949、丝香优香丝和五优5013为低镉晚稻品种。兼顾水稻产量和对重金属镉的综合累积情况,推荐早稻品种陵两优47和晚稻品种甬优4949为新余市高产低镉品种,既能保证水稻高产,又能保证水稻安全。参考国家水稻数据中心(https://www.ricedata.cn/variety/)资料:陵两优47属籼型两系杂交水稻,出糙率和精米率较好,但垩白粒率和垩白度较高,直链淀粉和胶稠度较低,影响米质,口感差;穗颈瘟为9级,属高感稻瘟病。参考国家水稻数据中心资料:甬优4949属籼粳交三系杂交水稻,垩白少,胶稠度高,米质较优,但出糙率和精米率较低;穗瘟损失率最高达5级,中感稻瘟病;白叶枯病5级,中感白叶枯病。所选水稻品种抽穗期要注意防治穗瘟,根据当地病虫害发生情况及时防治二化螟、稻飞虱、稻纵卷叶螟、白叶枯病等。