毛亞西,符建榮,馬軍偉,鄒 平,雷廷海,李 歡,李袁瑋,黃益孝,王玲莉
(1.浙江農(nóng)林大學 環(huán)境與資源學院,浙江 杭州 311300; 2.浙江省農(nóng)業(yè)科學院 環(huán)境資源與土壤肥料研究所,浙江 杭州 310021)
鎘(Cd)是生物毒性最強的重金屬元素。鎘污染不僅影響水稻生長發(fā)育和代謝活動[1-2],影響水稻產(chǎn)量,還會在水稻體內(nèi)大量富集[3-4],并通過食物鏈進入人體[5-6]。浙江是水稻主產(chǎn)區(qū),水稻是當?shù)刂饕募Z食作物,也是具有鎘高積累風險的植物,由稻米鎘積累引起的食品安全風險受到高度關(guān)注。不同水稻品種對重金屬的吸收存在顯著差異[7-9]。殷敬峰等[10]指出,常規(guī)稻中鎘、鋅、銅含量差異并不明顯,但在雜交稻中,三系雜交稻的糙米鎘含量極顯著高于二系雜交稻,二系雜交稻糙米中鋅含量顯著高于三系雜交稻。不同遺傳背景的水稻品種糙米中鋅、鎘含量也存在明顯差異,Liu等[11]和Oliver等[12]認為鎘在水稻不同器官中的分配與水稻品種密切相關(guān);所以,在水稻品種選育過程中應(yīng)注意培育耐鎘品種。關(guān)于水稻對鎘的吸收轉(zhuǎn)運能力,Nocito等[13]研究表明,進入植物體中的Cd在根中的富集量在49%~79%,胡瑩等[14]研究顯示,根中鎘含量并不能決定稻米中鎘含量,還須考慮莖和稻米對Cd的轉(zhuǎn)運能力。本研究在大田進行鎘脅迫試驗,以便在當?shù)氐淖匀粭l件下研究4種水稻品種對鎘的吸收積累轉(zhuǎn)運特性,為選育低積累水稻品種及保證稻米的安全生產(chǎn)提供較為可靠的理論依據(jù)。
本研究于2015年在分別位于寧??h、溫嶺市、紹興市的浙江省農(nóng)業(yè)科學院試驗基地上進行。供試土壤類型按中國土壤發(fā)生分類系統(tǒng)劃分[15],分別為黏質(zhì)脫潛水稻土(紹興)、涂泥潴育水稻土(寧海)和涂泥滲育水稻土(溫嶺),供試水稻品種分別為秀水134(XS)、嘉禾218(JH)、春優(yōu)84(CY)和甬優(yōu)538(YY)。不同試驗地點采用的水稻品種及供試土壤理化性質(zhì)如表1所示。
為了與大田試驗環(huán)境條件保持一致,開展PVC塑料框盆栽微區(qū)試驗,即將塑料框直接布置于試驗區(qū)大田中。試驗塑料框的長、寬、高分別為40、30、20 cm,每個塑料框內(nèi)種植4株水稻。預(yù)將少量試驗點供試土壤與高濃度CdCl2溶液混合,制成母土。稻田灌水之后,將母土置于試驗塑料框內(nèi)與深度接近15 cm的原始土壤混勻,靜置7 d,使母土和當?shù)赝寥肋_到均衡。本試驗共設(shè)置1個對照和3個處理,分別記為CK、T1、T2、T3,其中,CK為原始土壤。每個處理4個重復(fù)。框內(nèi)土壤添加外源鎘后,在水稻季試驗結(jié)束后土壤實際總鎘含量見表2。試驗結(jié)束后,將塑料框連同框內(nèi)植株和土壤一起從田間移走,集中處理,以免污染農(nóng)田。
表1 供試土壤理化性質(zhì)Table 1 Physiochemical properties of tested soils
OM,有機質(zhì);TN,全氮;CEC,陽離子交換量。
OM,Organic matter; TN,Total nitrogen; CEC,Cation exchange capacity.
表2 供試土壤添加外源Cd后土壤中實際Cd濃度Table 2 Actual Cd concentration of in tested soil after addition of exogenous Cd mg·kg-1
試驗植株樣品在于2015年10月份水稻成熟期采集,植株樣品先后用自來水、蒸餾水洗凈,然后按照根、莖葉和稻谷三部分用網(wǎng)袋分裝。稻谷經(jīng)風干后用研缽研磨,制備糙米樣品備用。莖葉和根樣品經(jīng)110 ℃殺青后,在70 ℃烘干至恒重,磨碎,過60目篩。土壤樣品在水稻種植前及收獲后采集,所有土壤樣品自然風干,挑出雜質(zhì),分別過10目和100目篩。土壤和植株樣品鎘含量的測定采用HNO3濕法消解,土壤有效態(tài)Cd采用0.11%(體積分數(shù))醋酸提取,所有浸提液均用ICP-MS測定。
利用Microsoft Excel 2007和SPSS 19.0進行數(shù)據(jù)整理分析。
Cd在環(huán)境中的生物有效性和毒性除了與Cd全量有關(guān)外,還取決于重金屬形態(tài),外源鎘進入土壤后,通過吸附、沉淀、絡(luò)合等反應(yīng),可分為交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機結(jié)合態(tài)、殘留態(tài),其中前4種可以被植物吸收,又稱有效態(tài),有效態(tài)含量可以作為植物吸收重金屬難易的指標。如表3所示,隨著外源Cd濃度的增加,各處理土壤有效態(tài)Cd含量也相應(yīng)增加。在不同鎘濃度下,黏質(zhì)脫潛水稻土有效態(tài)Cd含量占土壤全量的21%~23%,涂泥滲育水稻土有效態(tài)Cd含量占土壤全量的33%~35%,涂泥潴育水稻土有效態(tài)Cd含量占土壤全量的24%~34%。土壤有效態(tài)鎘含量會直接影響水稻不同部位Cd的富集量與轉(zhuǎn)運能力。
如表4所示,同一水稻品種隨著鎘濃度增加,糙米中鎘含量亦呈現(xiàn)遞增趨勢,供試4個水稻品種在CK條件下,稻米中Cd含量均未超過國家食品衛(wèi)生限定標準[16]。在黏質(zhì)脫潛水稻土上,甬優(yōu)538在各供試鎘濃度下稻米中Cd含量均未超標(≤0.2 mg·kg-1),春優(yōu)84在T3處理下(土壤實際Cd含量為1.41 mg·kg-1),稻米中Cd含量超標。在各供試Cd濃度下,甬優(yōu)538稻米中Cd含量均低于春優(yōu)84,說明在黏質(zhì)脫潛水稻土上甬優(yōu)538稻米中鎘低積累特性更為突出。黃維[17]采用盆栽試驗研究了5種雜交稻和常規(guī)稻在鎘脅迫下大米中的鎘含量,發(fā)現(xiàn)甬優(yōu)538大米中鎘含量隨外源Cd含量增加增幅最小,且耐鎘性能較好。在涂泥滲育水稻土上,嘉禾218在T2處理下(土壤實際Cd濃度為0.91 mg·kg-1),稻米中Cd含量即超過國家食品衛(wèi)生標準。在涂泥潴育水稻土上,秀水134在T1處理下(土壤實際Cd濃度為0.52 mg·kg-1),稻米中Cd含量超標。在本試驗條件下,除秀水134在T1水平下外,其他3個水稻品種在CK及T1處理下糙米中Cd含量均未超過食品安全國家標準規(guī)定,而在T1處理條件下各供試土壤的全Cd含量均已超過土壤環(huán)境質(zhì)量標準(GB 15618—1995)[18],表明試驗所選水稻品種均具有一定的低積累特性。
觀察4個水稻品種在不同鎘脅迫濃度下稻米中Cd含量變化發(fā)現(xiàn),稻米中Cd含量在T1處理下富集最快,隨著土壤中Cd濃度的進一步增加,稻米吸收積累Cd的速度放緩,這說明稻米對Cd的吸收積累并不是沒有限度的。當土壤Cd含量超過一定值時,稻米吸收積累Cd的能力會隨著Cd含量的增加而減弱。在本試驗中,當土壤Cd濃度達到0.52~0.57 mg·kg-1時,稻米吸收積累Cd的速度即已放緩。
表3 供試土壤有效態(tài)鎘含量Table 3 Available cadmium concentration in tested soil mg·kg-1
同列數(shù)據(jù)后無相同小寫字母的表示差異顯著(P<0.05)。下同。
Data followed by no same letters within the same column indicated significant difference atP<0.05. The same as below.
不同品種水稻根和地上部的Cd含量見表5。隨著鎘濃度的增加,水稻根和地上部的鎘含量也相應(yīng)增加。在黏質(zhì)脫潛水稻土上,在CK、T1處理下,甬優(yōu)538根中Cd含量低于春優(yōu)84,在T2、T3處理下,春優(yōu)84根中富集的Cd含量反而少于甬優(yōu)518,這與稻米中Cd含量表現(xiàn)出一定的差異。就地上部Cd含量而言,各處理條件下,春優(yōu)84始終高于甬優(yōu)538,這與稻米中Cd含量的表現(xiàn)一致。在涂泥滲育水稻土上,嘉禾218根與地上部Cd含量增加幅度在T1~T3處理下都表現(xiàn)出逐漸上升的趨勢,與稻米Cd含量表現(xiàn)一致。在涂泥潴育水稻土上,秀水134根和地上部在土壤實際Cd濃度為0.52 mg·kg-1時富集Cd的速度最快,特別是秀水134根中Cd含量在CK~T1水平下迅速從0.66 mg·kg-1增加至4.32 mg·kg-1,這是稻米Cd含量在T1水平下超標的重要原因。
對比表4和表5發(fā)現(xiàn),水稻不同部位中Cd含量總的趨勢是根>地上部>稻米。劉侯俊等[19]研究提出,根系和莖葉中Cd 的累積量占植株總Cd 量的 98%以上,根部Cd含量較高,這既可能成為水稻地上部分Cd積累的源,也可能是通過根部積聚成為向地上部分轉(zhuǎn)移的屏障。
土壤中的鎘被根吸收后,一部分留在根部或者排出體外,一部分在植物體內(nèi)由下而上轉(zhuǎn)運。Fujimaki等[20]認為,鎘從土壤轉(zhuǎn)移到水稻籽粒中包括如下過程:1)從土壤中被吸收進入根組織中的共質(zhì)體;2)流向木質(zhì)部或在根細胞中被封存;3)向地上部的木質(zhì)部運輸;4)在莖節(jié)中的木質(zhì)部-韌皮部轉(zhuǎn)移;5)韌皮部轉(zhuǎn)移進入籽粒;6)后韌皮部運輸并在籽粒中累積。過程1、2、4、6是跨膜運輸,可能受到重金屬載體的調(diào)節(jié),過程4中木質(zhì)部-韌皮部的轉(zhuǎn)移應(yīng)該是鎘在水稻中轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵步驟。
重金屬轉(zhuǎn)運系數(shù)是水稻地上部轉(zhuǎn)運重金屬的評價標準,轉(zhuǎn)運系數(shù)越大,表示水稻轉(zhuǎn)運重金屬的能力越強。稻米吸收積累的鎘含量與根和莖的轉(zhuǎn)運能力有直接關(guān)系。如表6所示,水稻不同部位轉(zhuǎn)運系數(shù)存在極大差異,根/土轉(zhuǎn)運系數(shù)大于1,說明Cd更容易富集在根部。莖(地上部)/根和米/莖轉(zhuǎn)運系數(shù)小于1,說明重金屬Cd進入作物地上部分后具有一定的稀釋效應(yīng)。在黏質(zhì)脫潛水稻土上,從根/土、莖/根轉(zhuǎn)運系數(shù)上看,春優(yōu)84>甬優(yōu)538(T3處理下根/土除外),這說明較低的根/土、莖/根轉(zhuǎn)運能力在一定程度上限制了土壤中Cd向甬優(yōu)538地上部的轉(zhuǎn)運和在籽粒中的積累,這可能是甬優(yōu)538稻米中Cd含量小于春優(yōu)84的一個重要原因。在涂泥滲育水稻土上,嘉禾218在CK~T3處理水平下根/土轉(zhuǎn)運系數(shù)呈緩慢增加趨勢,且在T1~T3處理下維持在5以上,而莖/根、米/莖轉(zhuǎn)運系數(shù)則是先升后降。在涂泥潴育水稻土上,秀水134根/土轉(zhuǎn)運系數(shù)在CK~T3處理水平下表現(xiàn)為先上升后下降,莖/根、米/莖轉(zhuǎn)運系數(shù)則表現(xiàn)為先降后升,在T1~T3水平下,根/土轉(zhuǎn)運系數(shù)為6.72~9.08,莖/根轉(zhuǎn)運系數(shù)在0.46~0.54,均高于相同處理下的其他水稻品種,其稻米Cd含量在相同處理下也高于其他品種。由此可以推斷,不同品種水稻稻米中Cd的積累與根部吸收Cd及根部Cd向地上部分轉(zhuǎn)移的能力相關(guān),根/土、莖/根轉(zhuǎn)移系數(shù)能夠在一定程度上表征稻米中Cd的積累差異。
表4 不同水稻品種糙米中的Cd含量Table 4 Cd content in rice grain of different rice varieties mg·kg-1
表5 不同水稻品種根和地上部的Cd含量Table 5 Cd content in root and shoot of different rice varieties mg·kg-1
表6 不同水稻品種各部位轉(zhuǎn)運系數(shù)Table 6 Cd transfer coefficients of different rice varieties
我國的土壤類型多樣,不同地區(qū)的土壤理化性質(zhì)差異大,作物種類千差萬別,國內(nèi)外各研究者基于不同區(qū)域得出的研究結(jié)果通常并不具有普遍性的指導意義,特別是用現(xiàn)有的國家土壤環(huán)境質(zhì)量的統(tǒng)一標準難以對水稻產(chǎn)地土壤重金屬污染效應(yīng)作出符合客觀實際的評價,對重金屬污染土壤的控制與農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)的指導性不強。因此,迫切需要依據(jù)土壤理化特性及水稻品種特性,研討基于稻米安全生產(chǎn)的土壤重金屬限量值。本試驗針對所選的3種水稻土類型,通過稻米鎘含量與土壤中鎘含量的對應(yīng)關(guān)系,篩選相關(guān)模型,然后根據(jù)食品安全國家標準(GB 2762—2017),提出試驗區(qū)水稻安全生產(chǎn)土壤Cd臨界值。試驗結(jié)果初步表明,稻米中的Cd含量與土壤Cd全量之間的關(guān)系可用直線回歸方程擬合,相關(guān)性均達顯著(P<0.05)水平(表7)。由于本試驗所選用的4個水稻品種均具有Cd低積累特性,因此其安全生產(chǎn)的土壤Cd臨界值均高于現(xiàn)行的土壤環(huán)境質(zhì)量標準(GB 15618—1995)限量值。不同水稻品種表現(xiàn)為甬優(yōu)538>春優(yōu)84>嘉禾218>秀水134,不同土壤類型表現(xiàn)為黏質(zhì)脫潛水稻>涂泥滲育水稻土>涂泥潴育水稻土。范中亮[21]通過模擬,并基于國家大米中重金屬限量標準,推算出潮土和水稻土安全臨界值為1.63、0.74 mg·kg-1,李志博等[22]推算出在pH為6和7時,土壤的安全臨界值分別是0.79、1.49 mg·kg-1。但要指出的是,本研究取得的結(jié)果都是在特定試驗條件下得到的,鑒于樣本及試驗重復(fù)的局限性,僅供今后研究及生產(chǎn)中參考。
表7 推算出的試驗區(qū)土壤臨界值Table 7 Calculated critical value of soil cadmium concentration in experimental sites
*,P<0.05;**,P<0.01.
(1)供試四個水稻品種均具有一定的低積累特性,甬優(yōu)538、春優(yōu)84、嘉禾218和秀水134稻米Cd超標時所對應(yīng)的處理中土壤Cd濃度分別為>1.41、1.41、0.91、0.52 mg·kg-1。
(2)不同品種稻米中Cd的積累與根部吸收Cd以及根部Cd向地上部分轉(zhuǎn)移的能力相關(guān),根/土、莖/根轉(zhuǎn)移系數(shù)能表征不同品種水稻稻米中Cd的積累差異。
(3)根據(jù)稻米中的Cd含量與土壤Cd全量之間的關(guān)系擬合線性回歸方程,不同水稻品種安全生產(chǎn)的土壤Cd臨界值表現(xiàn)為甬優(yōu)538>春優(yōu)84>嘉禾218>秀水134,試驗所得水稻安全生產(chǎn)土壤Cd臨界值略高于現(xiàn)行的土壤環(huán)境質(zhì)量標準(GB 15618—1995)。
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