佟 倩，張秀雙，魏曉敏，紀薇薇，王 紫，沈 洋，郭素華

（遼寧省鹽堿地利用研究所，遼寧 盤錦 124010）

本試驗選取東北地區(qū)大面積種植的32 個粳稻品種，在鎘污染土壤條件下，其表現(xiàn)出的對Cd積累的差異，引起了我們強烈的關注，這種差異性的產(chǎn)生可以為以后篩選出低鎘積累水稻品種提供了可能， 但對于產(chǎn)生這種差異的原因還需要我們進一步的探討［1-3］。 本文擬通過Cd 與其他元素的關系入手， 探討是否由于不同品種水稻對不同元素的喜好不同， 導致大量積累該元素同時抑制了對Cd 的積累，從而表現(xiàn)出不同品種水稻對Cd 積累的差異［4-9］。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

試驗于2018 年5 月至11 月在沈陽農(nóng)業(yè)大學土地與環(huán)境學院網(wǎng)室內(nèi)進行， 供試土壤為無污染棕壤， 采集自沈陽農(nóng)業(yè)大學稻作所試驗基地（南地）， 均采自0～20 cm 耕層。 土壤運回網(wǎng)室后風干，過3 mm 篩。取部分土樣，進一步磨碎，分別過1 mm 和0.25 mm 尼龍篩， 用于測定土壤基本性質(zhì)指標（表1）。

表1 供試土壤基本性質(zhì)

1.2 供試水稻

供試水稻幼苗由沈陽農(nóng)業(yè)大學稻作所提供，水稻品種選自不同地域（遼寧、吉林、黑龍江及日本）且遺傳背景差異較大，品種編號和名稱如表2所示。 稻種催芽后，先在無污染的稻田育秧，后將帶蘗秧苗移栽到塑料盆內(nèi)，插秧2 株／盆。

表2 供試水稻品種

1.3 樣品采集與分析

水稻成熟后，將整個植株從盆缽中取出，使植株與土壤脫離，用不銹鋼刀將根系和地上部分開，地上部稱鮮重后直接裝入紙袋，105 ℃殺青20 min，70 ℃烘干。鮮根系連同少量土壤一起裝入尼龍網(wǎng)袋，先用自來水沖洗，將根系與粘在根上的土壤分離，然后用蒸餾水將根系沖洗3 遍，用吸水紙吸干水分，再殺青，并烘干。 將烘干的根系和地上部取出，稱量干重，兩者相加記作總生物量，取下植株穗上的籽粒并稱重，記作籽粒產(chǎn)量，籽粒進一步脫殼，分為精米和穎殼。分別將根、莖葉、精米和穎殼粉碎，過0.25 mm 尼龍篩，供化學分析用。

采用硝酸、硫酸、高氯酸三酸消煮，比例為1∶1∶8 消煮植株樣品，稱樣品0.5 g 左右，置于50 ml三角瓶中，加入10 ml 混合酸，冷消化過夜。次日，將燒杯置于電熱板上，先低溫（100 ℃左右）消煮1 h，后高溫（200 ℃左右）砂浴消化至溶液顏色變?yōu)闊o色并冒白煙后， 再繼續(xù)蒸發(fā)至體積2 ml 左右，冷卻，加20%稀硝酸2 ml，溶解沉淀，定容至25 ml 容量瓶。消煮液中Cd 含量用等離子發(fā)射光譜儀ICP-OES（VISTA-MPX，USA）測定［10-11］。

2 結(jié)果與討論

2.1 水稻根系中Cd 與Cu、Fe、Si、Zn 元素之間的關系

在測定水稻根系中Cd 含量的同時， 也對水稻不同部位中的Cu、Fe、Si、Zn 含量進行了測定，以方便分析Cd 與Cu、Fe、Si、Zn 元素之間的關系。如圖1 所示， 可以看出水稻根系中Cd 與Cu、Fe、Si、Zn 元素間均存在線性關系， 其中與Fe、Cu 之間成顯著正相關關系， 相關系數(shù)分別為：0.73、0.71；與Si 成顯著負相關關系，相關系數(shù)為：0.46；而與Zn 關系不顯著， 但Cd 與Zn 間有一定的正相關趨勢。

通過相關系數(shù)可以得出，在水稻生長過程中，根系部位首先從土壤中吸收養(yǎng)分及各種元素，在吸收的同時， 由于元素之間存在的協(xié)同及拮抗作用，導致對某種元素的吸收或多或少的受到影響。由圖1 可見，Cd 與Cu、Fe 表現(xiàn)為協(xié)同作用， 即吸收Cd 的同時促進對Cu、Fe 的吸收， 但這種促進作用并不是所有的品種都符合這樣的趨勢， 同時也受不同水稻品種的基因型影響形成并不促進反而抑制的作用。 Cd 與Si 表現(xiàn)為拮抗作用，即吸收Cd 的同時降低了對Si 的吸收， 或者可以說成吸收Si 的同時降低了對Cd 的吸收， 而這種拮抗作用也正是國內(nèi)外學者改良Cd 污染土壤， 降低Cd污染危害的一個方向， 以施加硅肥的方式最為普遍［12-16］。 Cd 與Zn 的相關性并不顯著，不能明確說明Cd 與Zn 之間的關系，但表現(xiàn)出的趨勢為協(xié)同作用，由于同為二價陽離子，在水稻吸收的同時兩者共同吸收并相互影響不大， 因此表現(xiàn)出一定的協(xié)同作用也可以解釋。

2.2 水稻莖葉中Cd 與Cu、Fe、Si、Zn 元素之間的關系

如圖2 所示， 水稻莖葉中其Cd 含量與Cu、Fe、Si、Zn 含量之間同樣存在線性關系，但均不顯著，相關系數(shù)分別為：0.45、0.40、0.19、0.07。同時相關的趨勢并沒有太大的變化， 同樣Cu、Fe 與Cd之間表現(xiàn)出正相關的趨勢， 而Si 與Cd 之間表現(xiàn)出負相關趨勢，Zn 則表現(xiàn)出偏向為負相關的趨勢。

雖然在水稻根系中各元素間表現(xiàn)出了明顯的協(xié)同作用和拮抗作用， 但隨著水稻根系的吸收固定了大量的元素，向莖葉中的遷移量減少，因此在莖葉中不僅Cd 含量減少，同時Cu、Fe、Si、Zn 的含量也顯著減低。 并且由于不同品種水稻的基因型不同， 對各種元素的喜好不同導致對不同元素的吸收量也不相同，進而影響了Cd 與Cu、Fe、Si、Zn含量的關系，并沒有表現(xiàn)出顯著的趨勢，但根據(jù)大致的趨勢可以看出，Cd 與Zn 之間已有一定的變化，由根系中的正相關趨勢轉(zhuǎn)變?yōu)樨撓嚓P的趨勢，這一點變化的原因并不明確， 但可以看出Cd-Zn之間已經(jīng)體現(xiàn)出拮抗作用的趨勢［17-19］。

2.3 水稻籽粒中Cd 與Cu、Fe、Si、Zn 元素之間的關系

如圖3 所示，水稻籽粒中Cd 與Cu、Fe、Si、Zn元素之間同樣存在線性相關關系， 但顯著性發(fā)生一定變化，相關系數(shù)分別為：0.60、0.17、0.55、0.52。Cd 與Cu 表現(xiàn)為顯著正相關，Cd 與Si、Zn 表現(xiàn)為顯著負相關，Cd 與Fe 關系并不顯著，但表現(xiàn)為正相關趨勢。

經(jīng)過莖葉的積累， 進入水稻籽粒的各種元素的含量進一步減少， 但各種元素間所表現(xiàn)出的相關性也發(fā)生了一定變化。 尤其表現(xiàn)為Cd 與Zn 之間的變化，由根系中的正相關趨勢，到莖葉中的負相關趨勢，再到籽粒中的顯著負相關趨勢，逐漸的變化表現(xiàn)出更為明顯的拮抗作用， 這種作用也與國內(nèi)外學者的研究結(jié)果相似， 雖然這種拮抗作用并未達成共識， 尤其在不同作物間表現(xiàn)的結(jié)果各不相同， 但在水稻體內(nèi)表現(xiàn)的拮抗作用卻被大量報道。而在水稻各部位間表現(xiàn)出的變化鮮有報道，分析這種變化的原因， 可能是由于在水稻吸收元素后向上遷移的過程中各種元素被不斷固定，導致各種元素的遷移量不斷減少， 同為二價陽離子的Cd 與Zn 在向上部遷移的過程中形成了競爭，進而導致進入籽粒中的含量發(fā)生變化， 因此形成了Cd-Zn 拮抗作用的不斷加劇，最終在籽粒中表現(xiàn)最為明顯［20］。

3 小結(jié)

本研究表明，Cd 與Cu、Fe、Si、Zn 元素之間存在相關的線性關系， 并且這種線性關系在水稻的不同部位表現(xiàn)也不盡相同。Cd 與Cu、Fe 在水稻的不同部位均表現(xiàn)為正相關關系， 雖然顯著性發(fā)生變化，但正相關的趨勢沒有變化。 而與Si 則恰恰相反， 在水稻的不同部位均表現(xiàn)為負相關關系，雖然顯著性發(fā)生變化， 其負相關趨勢沒有變化。與Zn 在水稻的不同部位表現(xiàn)出的相關性變化最大，在根系中表現(xiàn)為正相關趨勢，在莖葉中表現(xiàn)為負相關趨勢，而在籽粒中則表現(xiàn)為顯著負相關趨勢， 這種變化也逐漸加劇了Cd-Zn 間的拮抗作用。

由此可見， 根據(jù)水稻不同部位中Cd 與Cu、Fe、Si、Zn 元素之間的關系，我們可以推測不同品種水稻吸收Cd 的差異的原因。 由于不同基因型水稻對Si、Zn 兩種元素的喜好不同， 一些品種的水稻表現(xiàn)為大量吸收Si、Zn 兩種元素中的一種或兩種， 而另外一些品種的水稻則表現(xiàn)為大量吸收Cu、Fe 兩種元素中的一種或兩種，因此根據(jù)Cd 與Cu、Fe、Si、Zn 元素之間的關系， 表現(xiàn)為協(xié)同作用的則增加了Cd 在水稻體內(nèi)的積累， 而表現(xiàn)為拮抗的則抑制了Cd 在水稻體內(nèi)的積累， 進而表現(xiàn)出不同品種水稻對Cd 吸收的差異， 因此可以說這種差異產(chǎn)生的原因與不同品種水稻吸收Si、Zn元素的能力有關。 劉敏超研究發(fā)現(xiàn)不同的水稻基因型品種其根表形成的鐵錳氧化物膠膜數(shù)量不一樣，導致不同水稻品種吸收鎘量存在顯著性差異；李正文研究發(fā)現(xiàn)不同品種水稻對Cu 和Cd 的吸收積累有同步的趨勢，而高Si 品種顯示出抑制重金屬Cu 和Cd 積累的傾向；龔偉群研究表明水稻在吸收Cd 的同時在排斥對Zn 的吸收，受土壤類型、Cd 污染水平和水稻品種基因型的影響。 以上研究均可表明不同品種水稻吸收鎘的差異與Cd同其他元素間的相互作用有關， 這就要求我們在篩選低鎘積累水稻的同時也要注意該品種對其他元素的吸收能力的大小。

圖3 籽粒中Cd 與Cu、Fe、Zn、Si 相關性

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