談宇榮，徐曉燕，丁永禎，鄭向群，戴禮洪，馮人偉，師榮光，周　莉，陳昢圳，楊　波（.天津農(nóng)學(xué)院農(nóng)學(xué)與資源環(huán)境學(xué)院，天津 300384；.農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測所，天津 3009）

旱稻吸收砷鎘的基因型差異研究

談宇榮1，2，徐曉燕1，丁永禎2*，鄭向群2，戴禮洪2，馮人偉2，師榮光2，周莉2，陳昢圳2，楊波2
（1.天津農(nóng)學(xué)院農(nóng)學(xué)與資源環(huán)境學(xué)院，天津 300384；2.農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測所，天津 300191）

通過盆栽試驗，比較了29種不同基因型旱稻對As、Cd的吸收與轉(zhuǎn)運。研究結(jié)果表明：不同基因型旱稻在生物量和As、Cd吸收上均表現(xiàn)出顯著差異，單株平均生物量和變異系數(shù)分別為23.57 g和15.8%。莖葉、穎殼和糙米As含量分別為1.022、0.177、0.050 mg·kg-1，變異系數(shù)分別為25.1%、54.3%和39.7%；Cd含量分別為0.811、0.230、0.116 mg·kg-1，變異系數(shù)分別為58.2%、38.9%和58.0%。旱稻不同器官對As、Cd累積的大小順序均為糙米＜穎殼＜莖葉，Cd、As在三器官間的比值分別為1∶1.9∶6.7和1∶3.5∶20.4，說明不同器官間Cd轉(zhuǎn)移系數(shù)高于As。相關(guān)性分析表明，莖葉與穎殼、莖葉與糙米、穎殼與糙米之間的相關(guān)系數(shù)：Cd分別為0.466（P＜0.05）、0.658（P＜0.01）和0.758（P＜0.01），As分別為0.437（P＜0.05）、0.290和0.611（P＜0.01）。旱稻對Cd的吸收與轉(zhuǎn)運能力以及其基因型差異均較As大。29份不同基因型旱稻糙米As含量均達(dá)標(biāo)（NY 5115—2002，0.5 mg·kg-1），82.8%的旱稻Cd達(dá)標(biāo)（GB 2762—2012，0.2 mg·kg-1），糙米As、Cd含量均低于二分之一標(biāo)準(zhǔn)的基因型占37.9%，包括V2、V3、V6、V11、V12、V13、V15、V16、V19、V20 和V25，表明通過篩選Cd、As低吸收的旱稻進(jìn)行非淹水種植可保障稻米安全生產(chǎn)。

旱稻；砷；鎘；基因型；篩選

談宇榮，徐曉燕，丁永禎，等.旱稻吸收砷鎘的基因型差異研究［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2016，35（8）：1436-1443.

TAN Yu-rong，XU Xiao-yan，DING Yong-zhen，et al.Genotypic variation of arsenic and cadmium uptake by upland rice［J］.Journal of Agro-Environment Science，2016，35（8）：1436-1443.

我國農(nóng)田土壤重金屬污染日益嚴(yán)重，2014年環(huán)保部、國土資源部聯(lián)合發(fā)布的“全國土壤污染狀況調(diào)查公報”顯示［1］，土壤鎘（Cd）、砷（As）污染問題最為突出，全國點位超標(biāo)率分別為7.0%和2.7%。農(nóng)業(yè)部對湖北、湖南、江西和四川四省重點污染區(qū)水稻田調(diào)查發(fā)現(xiàn)，鎘、砷超標(biāo)面積最大［2］。在主要農(nóng)作物中，水稻對Cd、As的吸收能力最強(qiáng)，稻米已成為我國Cd、As暴露的主要來源［3-4］。如何控制水稻Cd、As吸收，是當(dāng)前亟需解決的重要環(huán)境問題。

作物吸收重金屬，主要取決于作物本身的遺傳因素以及外界環(huán)境條件［5-6］。遺傳因素方面，作物吸收重金屬存在顯著的品種間差異［7］。蔣彬和張慧萍［8］發(fā)現(xiàn)，239份水稻品種籽粒鎘含量在0.01～1.98 mg·kg-1之間，砷含量在0.08～49.14 μg·kg-1之間，品種間差異極顯著。吳啟堂等［9］、劉志彥等［10］和Mei等［11］也發(fā)現(xiàn)不同水稻品種對鎘、砷的耐性和吸收具有顯著差異。選種鎘、砷低吸收水稻品種是實現(xiàn)稻米重金屬含量達(dá)標(biāo)的重要途徑之一。

水分管理是影響水稻鎘、砷吸收最主要的外界環(huán)境因素之一，而且二者吸收量大小受田間水分的影響幾乎完全相反：田間水分多，Cd吸收量少但As吸收量大［12］；田間水分少，Cd吸收量大但As吸收量小。研究表明［13］，糙米Cd含量在長期淹水下比間歇灌溉下降了41.3%，比濕潤灌溉下降了70.7%。淹水條件下稻米總砷可達(dá)富氧條件下的10～15倍，籽粒無機(jī)砷是富氧條件下的2.6～2.9倍［14］。針對南方大面積的鎘、砷復(fù)合污染農(nóng)田，如何進(jìn)行水分管理確是一大難題。

旱稻是全球五大稻作類型之一，是一種抗旱性極強(qiáng)的栽培稻，其一生無需水層，種植旱稻可能會顯著降低As的吸收。目前，有關(guān)旱稻吸收砷、鎘的研究報道相對較少［15-18］，本研究擬以29份不同基因型旱稻為材料，研究非淹水條件下其對Cd、As的吸收與累積特征，以篩選出低As與低Cd吸收品種，為Cd與As污染農(nóng)田稻米安全生產(chǎn)提供支持。

1　材料與方法

1.1供試材料

29份旱稻材料由上海市農(nóng)業(yè)生物基因中心提供，其品種名稱及類型見表1。這些旱稻資源收集于世界各地，具有較大的遺傳差異背景。土壤采自湖南省郴州市某地，屬石灰性土壤發(fā)育的水稻土（0～20 cm），經(jīng)自然風(fēng)干、過篩、去雜質(zhì)和充分混勻后備用。土壤基本理化性狀：pH 7.59、CEC 21.6 cmol·L-1、有機(jī)質(zhì)15.25 g·kg-1、堿解氮35.47 mg·kg-1、速效磷21.58 mg·kg-1、速效鉀35.23 mg·kg-1，全As含量82.6 mg· kg-1，全Cd含量1.35 mg·kg-1，As、Cd分別是土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 15618—1995）的4.13、1.35倍。

表1　供試旱稻基本信息Table 1 Basic information of the tested upland rice cultivars

1.2實驗方法

試驗于玻璃溫室內(nèi)進(jìn)行，采用盆栽試驗，每盆裝風(fēng)干土6 kg，每種基因型重復(fù)3次，播種前按N∶P2O5∶K2O＝1∶1∶1（質(zhì)量比）施入基肥并澆水使土壤保持潤濕，平衡2周。旱稻直播，每盆播種8～10粒，在三葉期定植，每盆留3株。其他操作同常規(guī)大田生產(chǎn)。

旱稻成熟后采樣，收集地上部，先進(jìn)行脫粒，用自來水洗凈莖葉和稻谷，最后用去離子水潤洗，用濾紙吸干表面水分，于105℃殺青30 min，70℃烘干至恒重后粉碎。稻谷風(fēng)干后脫殼，分為穎殼和糙米兩部分，分別烘干至恒重后粉碎過篩待測。

1.3樣品檢測

樣品用硝酸-高氯酸（4∶1）混合消煮［19］。As、Cd使用ICP-MS（Agilent 7700x，USA）測定，儀器檢出限＜0.01 μg·L-1。分析過程中每隔20個樣品隨機(jī)選取1個樣品進(jìn)行重復(fù)測量，重復(fù)性偏差滿足相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，同時在測定過程中每20個樣品回測1次標(biāo)準(zhǔn)溶液，回測偏差≤5%。使用國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)大米粉（GBW10010）進(jìn)行質(zhì)量控制，測定結(jié)果全部在定值范圍內(nèi)。

1.4數(shù)據(jù)處理與分析

砷、鎘在旱稻不同器官間的轉(zhuǎn)運系數(shù)按以下公式計算：

GH=糙米含量/穎殼含量

GS=糙米含量/莖葉含量

HS=穎殼含量/莖葉含量

數(shù)據(jù)用Microsoft Excel 2013處理，統(tǒng)計分析和差異顯著性檢驗用SPSS 22.0統(tǒng)計軟件，顯著性差異水平為P＜0.05。

2　結(jié)果與分析

2.1旱稻生物量

由圖1可以看出，As和Cd復(fù)合污染土壤條件下，不同旱稻品種間生物量差異顯著。29份不同基因型旱稻平均單株地上部生物量為23.57 g，變異系數(shù)為15.8%。單株地上部生物量從小到大，排在前幾位的是V6、V10、V1、V27、V4、V22、V28和V12，排在后幾位的是V19、V13、V8和V20，最大者V20 （31.09 g）是最小者V6（18.21 g）的1.7倍，說明不同基因型旱稻在生物量方面具有較大的差異。究其原因：一方面可能源于不同基因型旱稻的遺傳差異；另一方面，可能是由鎘、砷脅迫的敏感程度不同而引起。

2.2不同基因型旱稻各器官As、Cd含量

不同基因型旱稻各器官As、Cd含量見表2。29份基因型旱稻莖葉As平均含量為1.022 mg·kg-1，變異系數(shù)為25.1%，品種V22、V24含量最高，而品種V8、V13、V16、V17和V19含量較低，最高者V22 （1.574 mg·kg-1）是最低者V19（0.569 mg·kg-1）的2.8倍。穎殼As平均含量為0.177 mg·kg-1，變異系數(shù)為54.3%，品種V24含量最高，品種V8、V13、V16、V19、V22和V23中含量較低，最高者V24（0.515 mg·kg-1）是最低者V16（0.066 mg·kg-1）的7.8倍。糙米中As平均含量為0.050 mg·kg-1，變異系數(shù)為39.7%，品種V7、V11、V17、V24、V25、V26和V29含量較高，而品種V8、V13、V16和V19含量較低，最高者V26（0.084 mg·kg-1）是最低者V8（0.014 mg·kg-1）的6.0倍。

圖1　不同基因型旱稻成熟期單株生物量Figure 1 The biomass comparisons of different upland rice genotypes at maturation

表2　旱稻不同器官As、Cd含量Table 2 The content of As and Cd in different tissues of upland rice cultivars

不同旱稻各部位Cd含量差異也非常大，莖葉Cd平均含量為0.811 mg·kg-1，變異系數(shù)為58.2%，品種V1、V4、V22和V27的莖葉Cd含量較高，而V2、V3、V5、V7、V13、V19、V20、V24和V29莖葉Cd含量較低，最大者V27（1.672 mg·kg-1）是最小者V13（0.170 mg·kg-1）的9.8倍。穎殼Cd平均含量為0.230 mg·kg-1，變異系數(shù)為38.9%，品種V1和V28中含量最高，旱稻品種V6、V13、V16、V19和V20中含量較低，最高者V28（0.456 mg·kg-1）是最低者V20（0.100 mg·kg-1）的4.6倍。糙米Cd平均含量為0.116mg·kg-1，變異系數(shù)為58.0%，品種V1和V22含量最高，而品種V3、V11、V13、V16、V19和V20含量較低，最高者V1（0.290 mg· kg-1）是最低者V11（0.027mg·kg-1）的10.7倍。

2.3不同基因型旱稻As、Cd在莖葉、穎殼和糙米中的轉(zhuǎn)運差異

不同基因型旱稻As轉(zhuǎn)運系數(shù)見圖2。29份旱稻品種之間存在較大的差異。GH變化范圍為0.151～0.596，平均值為0.311，變異系數(shù)為34.0%；GS變化范圍為0.020～0.115，平均值為0.051，變異系數(shù)為43.6%；HS變化范圍為0.053～0.342，平均值為0.173，變異系數(shù)為43.4%。As在不同器官間的轉(zhuǎn)運系數(shù)差異大，說明旱稻對As的吸收和轉(zhuǎn)運存在較大的基因型差異。除個別品種外（V1、V5、V21、V24、V29），總體表現(xiàn)為GH＞HS＞GS，說明As從穎殼轉(zhuǎn)移到籽粒最容易，從莖葉轉(zhuǎn)移到穎殼次之，從莖葉轉(zhuǎn)移到籽粒最低。

圖2　不同基因型旱稻As轉(zhuǎn)運系數(shù)Figure 2 As transport coefficients of different upland rice genotypes

不同基因型旱稻Cd轉(zhuǎn)運系數(shù)也存在較大的差異（圖3）。GH變化范圍為0.153～0.941，平均值為0.493，變異系數(shù)為37.5%；GS變化范圍為0.028～0.569，平均值為0.185，變異系數(shù)為70.0%；HS變化范圍為0.141～1.416，平均值為0.420，變異系數(shù)為75.4%。與As比較，Cd轉(zhuǎn)運系數(shù)的變異系數(shù)較大，說明旱稻對Cd的吸收在不同品種間差異更大?？傮w來說，旱稻莖葉向糙米Cd轉(zhuǎn)移系數(shù)最低，部分基因型糙米轉(zhuǎn)移到穎殼容易，部分從莖葉轉(zhuǎn)移到穎殼容易，品種間的Cd轉(zhuǎn)移系數(shù)較As轉(zhuǎn)移系數(shù)更為復(fù)雜。

2.4旱稻吸收As、Cd的相關(guān)性分析

旱稻對Cd和As吸收、累積的相關(guān)性如表3。莖葉和糙米中，As與Cd含量相關(guān)性不顯著，說明莖葉和籽粒累積As、Cd沒有必然聯(lián)系。但在穎殼中，As、Cd含量相關(guān)系數(shù)為0.386，呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），表明較高的Cd含量可能伴隨著較高的As含量。

表3　旱稻器官As、Cd含量相關(guān)性Table 3 The correlation coefficients among Cd and As content

圖3　不同基因型旱稻Cd轉(zhuǎn)運系數(shù)Figure 3 Cd transport coefficients of different upland rice genotypes

同種元素在不同器官間的相關(guān)性：As表現(xiàn)為莖葉與穎殼相關(guān)系數(shù)0.437，呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），穎殼與糙米相關(guān)系數(shù)0.611，呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），莖葉與糙米間相關(guān)性不顯著；Cd表現(xiàn)為莖葉與穎殼呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)0.466，穎殼與糙米、莖葉與糙米間均呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.758和0.658。Cd在莖葉與糙米、穎殼與糙米間的相關(guān)系數(shù)都比對應(yīng)的As高，說明Cd更易于在不同器官間遷移。

3　討論

土壤As、Cd復(fù)合污染脅迫下，29份不同基因型旱稻生物量差異顯著，單株地上部生物量最大值與最小值相差近1倍，差異大的原因主要在于旱稻間本身的遺傳差異，以及不同基因型旱稻對鎘、砷脅迫的耐性差異。

作物對重金屬的吸收與轉(zhuǎn)運差異，主要受遺傳因素控制［20］，不同基因型旱稻各器官對As或Cd的吸收、累積差異較大，莖葉、穎殼和糙米等部位含量的變異系數(shù)，As分別為25.1%、54.3%和39.7%，Cd分別為58.2%、38.9%和58.0%，顯示出旱稻對As或Cd的吸收存在顯著的品種間差異。這與前人的研究結(jié)果一致［21-23］。而且，Cd的變異系數(shù)總體高于As，與程旺大［24］針對31份不同基因型水稻進(jìn)行連續(xù)3年的重金屬吸收差異結(jié)果一致。王林友等［25］研究了78份水稻對Cd、As的吸收，也發(fā)現(xiàn)糙米Cd含量變異系數(shù)（40.5%）大于As（17.7%）。張紅振等［26］通過文獻(xiàn)大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，亦得到相同的結(jié)論。但蔣斌和張慧萍［8］比較的239份水稻品種中，精米As變異系數(shù)（51.8%）大于Cd（39.8%）。本研究莖葉和籽粒Cd變異系數(shù)大于As，但穎殼相反，在一定程度上說明不同基因型旱稻對Cd的吸收差異更大。

所有基因型旱稻對Cd、As器官間的吸收大小均表現(xiàn)為莖葉＞穎殼＞糙米，呈現(xiàn)自下而上遞減的規(guī)律，與前人結(jié)果基本一致［8，27］。As、Cd在地上部不同器官間的轉(zhuǎn)移系數(shù)不同，糙米、穎殼和莖葉中平均含量的比值，As為1∶3.5∶20.4，Cd為1∶1.9∶6.7。從穎殼到糙米，Cd的轉(zhuǎn)運能力是As的1.8倍；從莖葉到穎殼，Cd的轉(zhuǎn)運能力是As的1.7倍；從莖葉到籽粒，Cd的轉(zhuǎn)運能力是As的3倍。同時，Cd含量在莖葉、穎殼和糙米不同部位間均具有顯著正相關(guān)性，而且相應(yīng)相關(guān)系數(shù)均大于As，表明Cd不同器官間遷移性更強(qiáng)。程旺大等［24］比較了31份不同基因型水稻對Cd和As的吸收，也發(fā)現(xiàn)Cd從莖葉轉(zhuǎn)運到籽粒遠(yuǎn)大于As。同時，就As、Cd在不同基因型旱稻器官間的轉(zhuǎn)移系數(shù)來說，3種轉(zhuǎn)運系數(shù)（GH、GS和HS）及其變異系數(shù)均表現(xiàn)為Cd高于As。這些結(jié)果說明，Cd在旱稻不同器官間的遷移能力較As強(qiáng)，而且旱稻轉(zhuǎn)運Cd能力的基因型差異也大于As。

作物吸收重金屬除受本身的遺傳因素影響外，外界環(huán)境條件也是重要因素之一。不同基因型旱稻種植在超過土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 15618—1995）4.13倍的砷污染土壤中，糙米As平均含量僅為0.05 mg· kg-1，遠(yuǎn)低于“無公害食品-大米”標(biāo)準(zhǔn)（NY 5115—2002）的0.5 mg·kg-1，而且糙米As最大值（0.084 mg· kg-1）僅為標(biāo)準(zhǔn)的16.8%。供試土壤As含量高，而旱稻籽粒As含量極低的主要原因在于，旱作可顯著降低土壤As活性，從而減少作物As吸收。土壤砷主要以無機(jī)態(tài)的As（Ⅲ）和As（V）存在，二者間的轉(zhuǎn)化主要受氧化-還原電位所控制［28］。富氧條件下，As（Ⅲ）氧化為As（V），后者被吸附到粘粒礦物、鐵錳氧化物及其水化氧化物和土壤有機(jī)質(zhì)上，并且還可以和鐵礦以砷酸鐵的形式共沉淀，從而降低了其生物有效性。Xu等［14］研究表明，淹水條件下稻米總砷是富氧條件下的10～15倍。干濕交替條件下種植出的稻米As含量遠(yuǎn)低于較持續(xù)淹水條件［29］。因此，旱稻是降低As暴露風(fēng)險、保障稻米質(zhì)量安全的有利選擇。

然而，旱作條件在降低糙米As含量的同時，可能會導(dǎo)致Cd含量的增加［15］。旱作可使稻田土壤交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)Cd含量增加，從而促進(jìn)Cd向植株的遷移和累積［30-31］。29份旱稻品種糙米Cd含量與國標(biāo)0.2 mg·kg-1（GB 2762—2012）相比，超標(biāo)和接近超標(biāo)的品種有V1、V17、V22、V27和V28共5份，占比17.2%，另外24個品種均未超標(biāo)，糙米Cd合格率的基因型達(dá)82.8%?？傮w來說，在土壤Cd超標(biāo)1.35倍的情況下，旱稻Cd超標(biāo)率相對較低，其原因可能是供試土壤屬堿性土（pH 7.59），Cd的有效態(tài)含量較低，導(dǎo)致植株吸收量較小。比較旱稻與水稻之間的差異，本研究旱稻Cd從莖葉向糙米的轉(zhuǎn)移系數(shù)為0.185，馮文強(qiáng)等［32］研究的20個品種水稻，相應(yīng)轉(zhuǎn)運系數(shù)與本研究旱稻相當(dāng)（0.200），但李坤權(quán)等［33］研究的20份水稻，相應(yīng)轉(zhuǎn)運系數(shù)比較?。?.030），說明旱稻與水稻在Cd轉(zhuǎn)運能力方面差異可能不大。但是，植物吸收轉(zhuǎn)運重金屬，與環(huán)境、遺傳及環(huán)境與遺傳交互作用有關(guān)［5-6，34］。旱稻與水稻對Cd的轉(zhuǎn)運能力出現(xiàn)差異的原因還需進(jìn)一步研究。

總體來說，所有旱稻的糙米As含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于無公害食品標(biāo)準(zhǔn)（NY 5115—2002），說明非淹水種植旱稻可完全實現(xiàn)稻米As的安全控制。糙米Cd含量達(dá)標(biāo)（0.2 mg·kg-1）的基因型占82.8%；糙米Cd含量不到國標(biāo)50%的基因型占37.9%，包括V11（0.027mg·kg-1）、V13（0.030 mg·kg-1）、V3（0.032 mg·kg-1）、V19（0.036 mg·kg-1）、V20（0.038 mg·kg-1）、V16（0.062 mg·kg-1）、V25（0.076 mg·kg-1）、V6（0.078 mg·kg-1）、V12（0.088 mg·kg-1）、V15（0.091 mg·kg-1）和V2（0.094 mg·kg-1）；糙米Cd含量不到國標(biāo)的25%基因型占17.2%。研究表明，完全可以通過篩選出具有As、Cd均低吸收的旱稻品種，在非淹水富氧條件下種植，有效實現(xiàn)Cd、As復(fù)合污染情況下的稻米安全生產(chǎn)。

4　結(jié)論

（1）土壤As、Cd復(fù)合污染下，不同基因型旱稻在生物量和As、Cd吸收量上均存在顯著的基因型差異，而且旱稻吸收Cd的基因型差異性較As更大。

（2）旱稻不同器官對鎘、砷積累量大小順序均為莖葉＞穎殼＞糙米。旱稻As轉(zhuǎn)運系數(shù)整體表現(xiàn)為GH＞HS＞GS，Cd轉(zhuǎn)運系數(shù)GS最低，GH和HS大小因基因型差異而不同。結(jié)果表明，Cd在旱稻不同器官間的遷移能力較As強(qiáng)，而且旱稻轉(zhuǎn)運Cd能力的基因型差異也大于As。

（3）供試旱稻糙米As含量均遠(yuǎn)低于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，糙米Cd含量達(dá)標(biāo)的基因型占82.8%，在國標(biāo)50%和25%以下的基因型分別占37.9%和17.2%，表明在Cd、As復(fù)合污染情況下，通過篩選對鎘和砷均低吸收的旱稻品種進(jìn)行非淹水種植可實現(xiàn)稻米安全生產(chǎn)。

［1］環(huán)境保護(hù)部，國土資源部.全國土壤污染狀況調(diào)查公報［R］.2014-04-17. The Ministry of Environmental Protection，The Ministry of Land and Resources.Report on the national soil contamination survey［R］.2014-04-17.

［2］方問禹，倪元錦.我國局地土壤重金屬超標(biāo)驚人［N］.經(jīng)濟(jì)參考報，2014-12-08. FANG Wen-yu，NI Yuan-jin.Heavy metal in soil alarmingly high in some parts of China［N］.Economic Information Daily，2014-12-08.

［3］劉文菊，趙方杰.植物砷吸收與代謝的研究進(jìn)展［J］.環(huán)境化學(xué)，2011，30（1）：56-62. LIU Wen-ju，ZHAO Fang-jie.A brief review of arsenic uptake and metabolism in plants［J］.Environmental Chemistry，2011，30（1）：56-62.

［4］Zhao F J，Ma Y B，Zhu Y G，et al.Soil contamination in China：Current status and mitigation strategies［J］.Environmental Science and Technology，2015，49（2）：750-759.

［5］Gareth J N，Guilan D，Tapash D，et al.Environmental and genetic control of arsenic accumulation and speciation in rice grain：Comparing a range of common cultivars grown in contaminated sites across bangladesh，China，and India［J］.Environmental Science and Technology，2009，43 （21）：8381-8386.

［6］段桂蘭，張紅梅，劉云霞，等.水稻基因類型與生長環(huán)境對精米中砷積累的影響［J］.生態(tài)毒理學(xué)報，2013，8（2）：156-162. DUAN Gui-lan，ZHANG Hong-mei，LIU Yun-xia，et al.Impact of rice genotype and growing environment on arsenic accumulation in rice polished grains［J］.Asian Journal of Ecotoxicology，2013，8（2）：156-162.

［7］劉維濤，周啟星.重金屬污染預(yù)防品種的篩選與培育［J］.生態(tài)環(huán)境學(xué)報，2010，19（6）：1452-1458. LIU Wei-tao，ZHOU Qi-xing.Selection and breeding of heavy metal pollution-safe cultivars［J］.Ecology and Environmental Sciences，2010，19（6）：1452-1458.

［8］蔣彬，張慧萍.水稻精米中鉛鎘砷含量基因型差異的研究［J］.云南師范大學(xué)學(xué)報，2002，22（3）：37-40. JIANG Bin，ZHANG Hui-ping.Genotypic differences in concentrations of plumbum，cadmium and arsenic in polished rice grains［J］.Journal of Yunnan Normal University，2002，22（3）：37-40.

［9］吳啟堂，陳盧，王廣壽.水稻不同品種對Cd吸收累積的差異和機(jī)理研究［J］.生態(tài)學(xué)報，1999，19（1）：104-107. WU Qi-tang，CHEN Lu，WANG Guang-shou.Differences on Cd uptake and accumulation among rice cultivars and its mechanism［J］.Acta Ecologica Sinica，1999，19（1）：104-107.

［10］劉志彥，陳桂珠，田耀武.不同水稻品系幼苗對砷（As）的耐性、吸收及轉(zhuǎn)運［J］.生態(tài)學(xué)報，2008，28（7）：3230-3235. LIU Zhi-yan，CHEN Gui-zhu，TIAN Yao-wu.Arsenic tolerance，uptake and translocation by seedlings of three rice cultivars［J］.Acta Ecologica Sinica，2008，28（7）：3230-3235.

［11］Mei X Q，Ye Z H，Wong M H.The relationship of root porosity and radial oxygen loss on arsenic tolerance and uptake in rice grains and straw［J］.Environmental Pollution，2009，157（8/9）：2550-2557.

［12］紀(jì)雄輝，梁永超，魯艷紅，等.污染稻田水分管理對水稻吸收積累鎘的影響及其作用機(jī)理［J］.生態(tài)學(xué)報，2007，27（9）：3930-3939. JI Xiong-hui，LIANG Yong-chao，LU Yan-hong，et al.The effect of water management on the mechanism and rate of uptake and accumulation of cadmium by rice growing in polluted paddy soil［J］.Acta Ecologica Sinica，2007，27（9）：3930-3939.

［13］邱丘.菜心Cd累積的品種間差異及Cd污染控制方法研究［D］.廣州：中山大學(xué)，2011. QIUQiu.Genotype variation of Cd accumulation and control methods for Cd pollution in Chinese flowering cabbage（Brassica parachinensis）［D］. Guangzhou：Sun Yat-sen University，2011.

［14］Xu X Y，McGrath S P，Meharg A A，et al.Growing rice aerobically markedly decreases arsenic accumulation［J］.Environmental Science and Technology，2008，42（15）：5574-5579.

［15］Hu P J，Ouyang Y N，Wu L H，et al.Effects of water management on arsenic and cadmium speciation and accumulation in an upland rice cultivar［J］.Journal of Environmental Sciences，2015，27（1）：225-231.

［16］丁永禎，劉瀟威，宋正國，等.砷污染稻作區(qū)發(fā)展旱稻控制稻米砷暴露風(fēng)險探討［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境與發(fā)展，2012，29（2）：57-60. DING Yong-zhen，LIU Xiao-wei，SONG Zheng-guo，et al.Discussion on the control of arsenic exposure by planting upland rice in arsenicpolluted farmland［J］.Agro-Environment and Development，2012，29 （2）：57-60.

［17］劉云霞，周益奇，董妍，等.接種叢枝菌根真菌（Glomus mosseae）對旱稻吸收砷及土壤砷形態(tài)變化的影響［J］.生態(tài)毒理學(xué)報，2012，7 （2）：195-200. LIU Yun-xia，ZHOU Yi-qi，DONG Yan，et al.Effect of inoculation of arbuscular mycorrhizal fungi（Glomus mosseae）on As uptake of upland rice and transformation of As speciation in soil［J］.Asian Journal of E-cotoxicology，2012，7（2）：195-200.

［18］羅方舟，向壘，李慧，等.叢枝菌根真菌對旱稻生長、Cd吸收累積和土壤酶活性的影響［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2015，34（6）：1090-1095. LUO Fang-zhou，XIANG Lei，LI Hui，et al.Effects of Arbuscular Mycorrhizal Fungi（AMF）on growth and Cd accumulation of upland rice and soil［J］.Journal of Agro-Environment Science，2015，34（6）：1090-1095.

［19］仲維功，楊杰，陳志德，等.水稻品種及其器官對土壤重金屬元素Pb、Cd、Hg、As積累的差異［J］.江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報，2006，22（4）：331-338. ZHONG Wei-gong，YANG Jie，CHEN Zhi-de，et al.Differences in accumulation and distribution of Pb，Cd，Hg and As in rice cultivars and their organs（Oryza sativa L.）［J］.Jiangsu Journal of Agricultural Sciences，2006，22（4）：331-338.

［20］王玲梅，韋朝陽，楊林生，等.兩個品種水稻對砷的吸收富集與轉(zhuǎn)化特征及其健康風(fēng)險［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2010，30（4）：832-840. WANG Ling-mei，WEI Chao-yang，YANG Lin-sheng，et al.Arsenic accumulation and speciation in two rice varieties and related health risks［J］.Acta Scientiae Circumstantiae，2010，30（4）：832-840.

［21］雷鳴，曾敏，王利紅，等.湖南市場和污染區(qū)稻米中As、Pb、Cd污染及其健康風(fēng)險評價［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2010，30（11）：2314-2320. LEI Ming，ZENG Min，WANG Li-hong，et al.Arsenic，lead，and cadmium pollution in rice from Hunan markets and contaminated areas and their health risk assessment［J］.Acta Scientiae Circumstantiae，2010，30（11）：2314-2320.

［22］段桂蘭，王利紅，陳玉，等.水稻砷污染健康風(fēng)險與砷代謝機(jī)制的研究［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2007，26（2）：430-435. DUAN Gui-lan，WANG Li-hong，CHEN Yu，et al.Health risk from consumption of rice with elevated arsenic and studies of arsenic metabolism in rice plants［J］.Journal of Agro-Environment Science，2007，26（2）：430-435.

［23］彭小燕，王茂意，劉鳳杰，等.水稻砷污染及其對砷的吸收和代謝機(jī)制［J］.生態(tài)學(xué)報2010，30（17）：4782-4791. PENG Xiao-yan，WANG Mao-yi，LIU Feng-jie，et al.Arsenic contamination，uptake and metabolism in rice（Oryza sativa L.）［J］.Acta Ecologica Sinica，2010，30（17）：4782-4791.

［24］程旺大.水稻籽粒有毒重金屬含量的基因型和環(huán)境效應(yīng)研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2004：30-41. CHENG Wang-da.Genotypic and environmental effect of toxic heavy metal concentration in rice grains［D］.Hangzhou：Zhejiang University，2004：30-41.

［25］王林友，竺朝娜，王建軍，等.水稻鎘、鉛、砷低含量基因型的篩選［J］.浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報，2012，24（1）：133-138. WANG Lin-you，ZHU Chao-na，WANG Jian-jun，et al.Screening for rice（Oryza sativa L.）genotypes with lower Cd，Pb and As contents［J］. Acta Agriculturae Zhejiangensis，2012，24（1）：133-138.

［26］張紅振，駱永明，章海波，等.水稻、小麥籽粒砷、鎘、鉛富集系數(shù)分布特征及規(guī)律［J］.環(huán)境科學(xué)，2010，31（2）：488-495. ZHANG Hong-zhen，LUO Yong-ming，ZHANG Hai-bo，et al.Characterizing the plant uptake factor of As，Cd and Pb for rice and wheat cereal［J］.Environmental Science，2010，31（2）：488-495.

［27］Sun，G X，Williams P N，Carey A M，et al.Inorganic arsenic in rice bran and its products are an order of magnitude higher than in bulk grain［J］. Environmental Science and Technology，2008，42（19）：7542-7546.

［28］Zhu Y G，Yoshinaga M，Zhao F J，et al.Earth abides arsenic biotransformations［J］.Annual Review of Earth and Planetary Sciences，2014，42 （1）：443-467.

［29］Somenahally A C，Hollister E B，Yan W G，et al.Water management impacts on arsenic speciation and iron-reducing bacteria in contrasting rice-rhizosphere compartments［J］.Soil Biology and Biochemistry，2011，45（19）：8328-8335.

［30］紀(jì)雄輝，梁永超，魯艷紅，等.污染稻田水分管理對水稻吸收積累鎘的影響及其作用機(jī)理［J］.生態(tài)學(xué)報，2007，27（9）：3930-3939. JI Xiong-hui，LIANG Yong-chao，LU Yan-hong，et al.The effect of water management on the mechanism and rate of uptake and accumulation of cadmium by rice grow in polluted paddy soil［J］.Acta Ecologica Sinica，2007，27（9）：3930-3939.

［31］李劍睿，徐應(yīng)明，林大松，等.水分調(diào)控和鈍化劑處理對水稻土鎘的鈍化效應(yīng)及其機(jī)理［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2014，33（7）：1316-1321. LI Jian-rui，XU Ying-ming，LIN Da-song，et al.Immobilization of cadmium in a paddy soil using moisture management and amendments［J］. Journal of Agro-Environment Science，2014，33（7）：1316-1321.

［32］馮文強(qiáng)，涂仕華，秦魚生，等.水稻不同基因型對鉛鎘吸收能力差異的研究［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2008，27（2）：447-451. FENG Wen-qiang，TU Shi-hua，QIN Yu-sheng，et al.Uptake capacity of different rice genotypes for lead and cadmium from soil［J］.Journal of Agro-Environment Science，2008，27（2）：447-451.

［33］李坤權(quán)，劉建國，陸小龍，等.水稻不同品種對鎘吸收及分配的差異［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2003，22（5）：529-532. LI Kun-quan，LIU Jian-guo，LU Xiao-long，et al.Uptake and distribution of cadmium in different rice cultivars［J］.Journal of Agro-Environment Science，2003，22（5）：529-532.

［34］Li H，Wu C，Ye Z H，et al.Uptake kinetics of different arsenic species in lowland and upland rice colonized with Glomus intraradices［J］.Journal of Hazardous Materials，2011，194：414-421.

Genotypic variation of arsenic and cadmium uptake by upland rice

TAN Yu-rong1，2，XU Xiao-yan1，DING Yong-zhen2*，ZHENG Xiang-qun2，DAI Li-hong2，F(xiàn)ENG Ren-wei2，SHI Rong-guang2，ZHOU Li2，CHEN Pei-zhen2，YANG Bo2
（1.College of Agriculture，Resources and Environmental Sciences，Tianjin Agricultural University，Tianjin 300384，China；2.Agro-Environmental Protection Institute，Ministry of Agriculture，Tianjin 300191，China）

Arsenic（As）and cadmium（Cd）pollution is one of the major environmental problems in rice plantation in China.In this study，pot experiments were used to study As and Cd absorption and translocation in 29 different genotypic upland rice cultivars.The results showed that there are remarkable difference in the biomass and As and Cd uptake among upland rice cultivars.The average biomass per plant and the variation coefficients were 23.57 g and 15.8%，respectively.In shoot，husk and grain（brown rice），As element concentration were 1.022，0.177 mg·kg-1and 0.050 mg·kg-1and the variation coefficients were 25.1%，54.3%and 39.7%，respectively；Cd element concentration were 0.811，0.230 mg·kg-1and 0.116 mg·kg-1and the variation coefficients were 58.2%，38.9%and 58.0%，respectively.The concentration of As and Cd in plant tissues showed characterisitics as follows：grain＜husk＜straw，and the Cd and As element content ratios in this three tissues were 1∶1.9∶6.7 and 1∶3.5∶20.4，respectively.The correlation coefficients of Cd concentration among different tissues were higher than that of As.Correlation analysis showed that，the correlation coefficients of Cd between straw and husk，straw and grain，husk and grain were 0.466（P＜0.05），0.658（P＜0.01）and 0.758（P＜0.01），and that of As were 0.437（P＜0.05），0.290 and 0.611（P＜0.01），respectively.The migration capability of Cd among different tissues were stronger than that of As，and the genotypes differences with capability to absorb and transport Cd were bigger than As.As element contents in the grain of all cultivars were less than the standard for food security（NY 5115—2002，0.5 mg·kg-1），and 82.8%of all cultivars contained the Cd contents in the grain less than the standards（GB 2762—2012，0.2 mg·kg-1），and 37.9%of all cultivars contained both Cd and As contents in the grain less than half of the standards，including V2，V3，V6，V11，V12，V13，V15，V16，V19，V20 and V25.This study showed that screening Cd lower absorption of upland rice varieties grown under non-flooded cultivation can guarantee safety production in China.

upland rice；arsenic；cadmium；genotype；screening

S511.6

A

1672-2043（2016）08-1436-08

10.11654/jaes.2016-0334

2016-03-14

國家自然科學(xué)基金項目（41101306，41471274）；中國農(nóng)科院科技創(chuàng)新工程，農(nóng)業(yè)部生態(tài)環(huán)境保護(hù)項目

談宇榮（1988—），男，江西瑞昌人，碩士研究生，主要從事農(nóng)田重金屬污染防治工作。E-mail：tanyurong2013@163.com

丁永禎E-mail：dingyongzhen@caas.cn