陳德，葉雪珠*，張棋，盛利，肖文丹，趙首萍，倪中應(yīng)，高娜，黃淼杰，胡靜

(1.浙江省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量標準研究所 農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全危害因子與風險防控國家重點實驗室(籌) 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品信息溯源重點實驗室，浙江 杭州 310021； 2.湘陰縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，湖南 湘陰 414600；3.桐廬縣農(nóng)業(yè)和林業(yè)技術(shù)推廣中心，浙江 桐廬 311500)

土壤重金屬污染是全球性問題。發(fā)達國家在工業(yè)化發(fā)展進程中也曾面臨較為嚴重的土壤重金屬污染問題，如日本的痛痛病和水俁病等[1-2]。土壤中的Cd等重金屬會通過食物鏈途徑在人體蓄積，長期食用重金屬嚴重超標的農(nóng)產(chǎn)品可能會對人體健康造成不同程度的危害[3-5]。在過去三四十年間，我國工業(yè)和經(jīng)濟快速發(fā)展，經(jīng)過較長時期的積累，我國土壤環(huán)境也面臨著較為嚴重的重金屬污染問題[6]。據(jù)2014年《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》，我國土壤總的點位超標率為16.1%，主要污染類型為無機污染(82.8%)，其中，Cd的點位超標率為7.0%，是超標率最高的重金屬元素。2016年5月，國務(wù)院印發(fā)《土壤污染防治行動計劃》，要求到2020年和2030年，受污染耕地安全利用率分別達到90%和95%左右。我國人口眾多，耕地資源緊缺，一方面要保障糧食安全，另一方面受污染的耕地面積又較大，因此，在對受污染耕地進行治理的過程中，不宜改變農(nóng)田利用現(xiàn)狀，即應(yīng)著力在保證正常農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的前提下實現(xiàn)受污染耕地的安全利用。

水稻是我國第一大糧食作物，同時也被認為是Cd吸收能力最強的大宗谷類作物[5]。我國南方地區(qū)作為水稻主產(chǎn)區(qū)，土壤大多呈酸性，十分利于水稻對Cd的吸收，尤其是在Cd污染的農(nóng)田土壤中[6]。另外，由于膳食結(jié)構(gòu)和攝入量的問題，我國食品中污染物限量標準(GB 2762—2017)規(guī)定，稻米中Cd的限量值為0.2 mg·kg-1，低于聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織、日本等規(guī)定的0.4 mg·kg-1的標準，這也是導致我國稻米中Cd超標率較高、稻米質(zhì)量安全風險相對其他作物較高的重要原因。如何有效降低Cd等重金屬在水稻中的積累，實現(xiàn)稻米安全生產(chǎn)，已成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中亟待解決的問題。

作物不同品種對特定重金屬(如Cd)的吸收、富集能力存在很大差異。Simmons等[7]通過對重金屬污染水稻田中不同品種水稻Cd含量的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，不同品種水稻籽粒中Cd的含量在0.02～5.00 mg·kg-1，高積累水稻品種籽粒中Cd的含量是低積累水稻品種的250倍。王美娥等[8]在湖南的田間試驗表明，當?shù)刂髟运酒贩N株兩優(yōu)06籽粒中Cd的含量僅為其他品種的20%左右，可以實現(xiàn)稻米安全生產(chǎn)。由此可見，低積累品種的篩選是降低稻米中Cd含量的有效途徑，也是實現(xiàn)受污染耕地稻米安全生產(chǎn)的重要途徑。受限于不同品種的區(qū)域適宜性，選擇適宜于特定區(qū)域種植的Cd低積累品種，對于推進受污染耕地的安全利用具有重要意義。

稻米中的Cd含量是影響稻米品質(zhì)和安全性的重要因素，然而有研究表明，其他因素如Zn等元素的含量也會影響到含Cd稻米的食用安全性[5,9]。水稻在吸收Cd的同時會減少對Zn等營養(yǎng)元素的吸收，從而導致Zn等元素在水稻籽粒中的積累不足[5,10-11]。人體如果長期食用Cd含量超標的稻米，會由于飲食中缺乏充足的Zn等營養(yǎng)元素而加速人體對Cd的吸收；相反，當飲食中添加充足的Zn等營養(yǎng)元素后，人體對Cd的吸收就會降低[5, 12]。因此，稻米中Cd的潛在毒性不僅與Cd含量有關(guān)，還取決于Zn的含量，以及Cd與Zn的比例(Cd/Zn)[9]。有學者提出，以0.015作為稻米中Cd/Zn的臨界值，食用低于該臨界值的稻米可有效防止因Zn攝入量不足而導致的Cd過量吸收，從而有效降低食用稻米對人體造成的健康風險[5]。然而，當前關(guān)于Cd低積累品種的篩選中，較少有研究關(guān)注稻米中Zn的含量和Cd/Zn等因素。

為篩選適宜特定污染條件下區(qū)域種植的Cd低積累水稻品種，本研究通過田間小區(qū)試驗，在浙江省桐廬縣開展了20個水稻品種對Cd的積累特性研究，通過研究各品種對Cd、Zn吸收、轉(zhuǎn)運、積累，以及稻米中Cd/Zn的差異，篩選出適合當?shù)胤N植的安全品種，以期為受污染耕地的安全利用和稻米安全生產(chǎn)提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗為田間小區(qū)試驗。供試地塊位于浙江省桐廬縣瑤琳鎮(zhèn)某Cd輕度污染農(nóng)田，土壤類型為水稻土，其基本理化性質(zhì)如下：pH值5.52，有機質(zhì)含量36.2 g·kg-1，全氮含量1.80 g·kg-1，全磷含量0.70 g·kg-1，有效磷含量47.2 mg·kg-1，Cd、Zn總量分別為0.43、103 mg·kg-1。

供試水稻品種為浙江省內(nèi)常見的市售品種，共搜集20個，具體如下：秀水519(C1)、秀水03(C2)、嘉58(C3)、錢優(yōu)0508(C4)、內(nèi)5優(yōu)8015(C5)、隆兩優(yōu)1988(C6)、嘉花1號(C7)、甬優(yōu)362(C8)、N兩優(yōu)1998(C9)、甬優(yōu)15(C10)、天兩優(yōu)3000(C11)、Y兩游689(C12)、甬優(yōu)1540(C13)、春優(yōu)84(C14)、云兩優(yōu)5455(C15)、甬優(yōu)7861(C16)、甬優(yōu)538(C17)、浙優(yōu)18(C18)、甬優(yōu)9(C19)、甬優(yōu)12(C20)。

1.2 處理與方法

選擇地勢平坦、地力均勻、重金屬污染變異小的地塊進行田間小區(qū)試驗。在水稻播種前平整土地、劃定小區(qū)，每個小區(qū)面積6 m2(2 m×3 m)，每個品種重復3次，隨機區(qū)組排列，共60個小區(qū)。小區(qū)試驗在同一塊水稻田里進行，四周設(shè)置1.5 m的保護行，相鄰小區(qū)間隔20 cm。將上述水稻品種隨機編號，催芽后根據(jù)各品種的推薦種植密度直播、定植。嚴格控制水肥、農(nóng)藥等管理一致，記錄相關(guān)田間管理信息。于2019年6月21日直播，10月27日收獲。水肥管理依照當?shù)亓晳T進行。在翻地時施入復合肥(N 15%，P2O515%，K2O 15%)450 kg·hm-2作為基肥。此外，在播種后7、30、60 d以尿素(N 46%)的形式分別施入N 69、69、20.7 kg·hm-2作為追肥。在播種后30、60 d分別同時以氯化鉀(K2O 60%)的形式施入K2O 45 kg hm-2作為追肥。田間水分管理按照干濕交替的管理模式進行，灌溉水來自當?shù)睾恿鳎|(zhì)重金屬指標達標，小區(qū)試驗所在地無工礦企業(yè)污染。

1.3 樣品處理與分析

待水稻成熟后進行測產(chǎn)并采集植株樣品，每個小區(qū)隨機采集8株植株樣，用不銹鋼剪刀將根、莖葉和稻穗分離，裝入尼龍網(wǎng)袋后帶回實驗室。先用自來水將水稻根和地上部的泥土等雜質(zhì)沖洗干凈，再用去離子水沖洗3次以保證植株各部位清潔、無附著物。晾干水分后裝入干凈的信封，在烘箱中105 ℃殺青30 min后70 °C烘至恒重。烘干后的水稻穗粒用不銹鋼礱谷機脫殼，棄掉礱糠保留糙米。然后將糙米、莖葉和根用不銹鋼粉碎機粉碎，保存于自封袋中備用。

植物樣品中Cd和Zn的測定分析：樣品中加入HNO3-HClO3(體積比5∶1)浸泡過夜后采用微波消解儀消解，然后使用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS，X-series 2，Thermo Fisher Scientifc Inc.，美國)測定Cd和Zn的含量[13]。每批樣品消煮時帶有3個空白和標準樣品。選擇國家標準物質(zhì)GBW10045和GBW10048進行質(zhì)量控制，Cd的標樣回收率范圍為93%～104%，Zn的標樣回收率范圍為92%～106%。

1.4 數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計

用轉(zhuǎn)運系數(shù)(TF)表示水稻根系或莖葉向籽粒轉(zhuǎn)運Cd的能力[14]，其中：TFG/R表示Cd由水稻根向籽粒的轉(zhuǎn)運系數(shù)，TFG/S表示Cd由水稻莖葉向籽粒的轉(zhuǎn)運系數(shù)。

試驗數(shù)據(jù)采用SPSS 20軟件進行統(tǒng)計分析，采用皮爾遜(Pearson)相關(guān)系數(shù)法分析不同參數(shù)間的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同品種水稻產(chǎn)量

如圖1所示，不同品種的水稻產(chǎn)量在5.52～9.92 t·hm-2，C6(隆兩優(yōu)1988)產(chǎn)量最高，C7(嘉花1號)產(chǎn)量最低。常規(guī)稻品種，如嘉花1號(C7)、秀水03(C2)、嘉58(C3)、秀水519(C1)等的產(chǎn)量總體要比雜交稻品種低。但雜交稻不同品種間的產(chǎn)量差異也較大(6.28～9.92 t·hm-2)。

圖1 不同品種的水稻產(chǎn)量

2.2 不同品種水稻籽粒Cd含量

由圖2可知，不同水稻品種籽粒中Cd的含量在0.07～0.39 mg·kg-1。秀水519(C1)籽粒中Cd的含量最低，其次為秀水03(C2)、嘉58(C3)，這3個品種均為常規(guī)稻，籽粒中的Cd含量均≤0.1 mg·kg-1；浙優(yōu)18(C18)、甬優(yōu)9(C19)和甬優(yōu)12(C20)籽粒中的Cd含量相對最高，均超過0.3 mg·kg-1，且均為雜交稻。在20個供試品種中，有12個品種的籽粒中Cd含量低于國家限量標準值(0.2 mg·kg-1)。總體來看，常規(guī)稻品種籽粒中的Cd含量相對較低，而雜交稻籽粒中的Cd含量差別較大。

圖2 不同品種水稻籽粒中的Cd含量

2.3 不同品種水稻籽粒Zn含量和Cd/Zn

不同水稻品種籽粒中的Zn含量如圖3所示，范圍在16.9～26.6 mg·kg-1。籽粒中的Zn含量與常規(guī)稻或雜交稻無顯著關(guān)聯(lián)，如Zn含量最高和最低的品種均為雜交稻。

圖3 不同品種水稻籽粒中的Zn含量

Cd/Zn在一定程度上可反映稻米的食用安全風險。如圖4所示，各品種籽粒中Cd/Zn的范圍在0.002 8～0.020 1，其中，僅有3個品種的籽粒Cd/Zn超過推薦值0.015，分別是Cd積累能力較高的浙優(yōu)18(C18，0.019 5)、甬優(yōu)9(C19，0.016 5)和甬優(yōu)12(C20，0.020 1)。相關(guān)性分析(圖5)表明，水稻籽粒中Cd/Zn與籽粒中Cd的含量呈極顯著正相關(guān)。

2.4 不同品種水稻的Cd轉(zhuǎn)運系數(shù)

由圖6可知，不同水稻品種的TFG/S在0.06～0.26，TFG/R在0.020～0.095?？傮w來看，不同水稻品種的TFG/S和TFG/R均隨著籽粒中Cd濃度的增加而增加。相關(guān)性分析結(jié)果(圖7)也表明，水稻籽粒中Cd的濃度與TFG/S和TFG/R均呈極顯著(P<0.01)正相關(guān)。

圖4 不同品種水稻籽粒中Cd/Zn含量比值

圖5 水稻籽粒中Cd/Zn與Cd含量的相關(guān)性

圖6 不同品種水稻的Cd轉(zhuǎn)運系數(shù)

圖7 水稻籽粒中Cd濃度與TFG/S和TFG/R的相關(guān)性

3 小結(jié)與討論

本研究發(fā)現(xiàn)，20份水稻品種籽粒中的Cd含量在0.07～0.39 mg·kg-1，有12份水稻品種籽粒中的Cd含量低于國家限量標準值，常規(guī)稻品種秀水519、秀水03、嘉58等可作為低積累水稻品種在當?shù)胤N植。與Cd相比，不同品種水稻籽粒中Zn的含量變幅較小(16.9～26.6 mg·kg-1)，水稻籽粒中的Cd/Zn與籽粒中的Cd含量呈顯著正相關(guān)。水稻品種對Cd的積累能力與其對Cd的轉(zhuǎn)運能力有關(guān)，由根向地上部的轉(zhuǎn)運能力越強，水稻籽粒中的Cd含量越高。

本研究的20個供試品種中有12個品種的水稻籽粒中Cd含量低于國家限量標準值，說明在當前的土壤污染條件下，可以通過選擇種植Cd積累程度較低的水稻品種來實現(xiàn)污染耕地中稻米的安全生產(chǎn)。本研究中，20個水稻品種籽粒Cd含量在0.07～0.39 mg·kg-1，相差近6倍。Pinson等[15]對田間采集的1 763種基因型的水稻籽粒重金屬Cd含量進行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)在淹水與非淹水條件下水稻籽粒中的Cd含量分別相差41倍和154倍，不同基因型會顯著影響水稻對土壤中Cd的吸收累積能力。本研究中，秀水519、秀水03、嘉58等Cd含量最低的品種均為常規(guī)稻，而浙優(yōu)18、甬優(yōu)9和甬優(yōu)12等Cd含量相對最高的品種均為雜交稻，可見，總體上雜交稻品種的Cd累積能力要高于常規(guī)稻，這與前人的研究結(jié)果一致[16-17]。然而，殷敬峰等[18]發(fā)現(xiàn)，常規(guī)稻和雜交稻糙米Cd含量差異不明顯。也有研究發(fā)現(xiàn)，不同基因型水稻籽粒中Cd含量從高到低依次為常規(guī)秈稻>雜交稻>常規(guī)粳稻[19]。本研究中，粳稻和秈稻籽粒中的Cd積累量無明顯規(guī)律，如籽粒中Cd積累量最低的3個品種(秀水519、秀水03、嘉58)和最高的2個品種(甬優(yōu)9和甬優(yōu)12)均為粳稻。李坤權(quán)等[20]研究發(fā)現(xiàn)，不同基因型水稻糙米中Cd的積累不僅與品種相關(guān)，而且與基因型密切相關(guān)，表現(xiàn)為秈型>新株型>粳型。Sun等[21]以617份長江中下游主栽秈稻雜交稻品種和68份常規(guī)稻品種為材料進行試驗，發(fā)現(xiàn)雜交秈稻與常規(guī)秈稻亞群鎘含量無顯著差異，但與常規(guī)粳稻亞群鎘含量差異顯著。就現(xiàn)有研究的總體結(jié)果來看，秈稻對Cd的富集能力一般高于粳稻，雜交稻比常規(guī)稻(非雜交稻)更容易富集Cd。這可能與水稻品種的選擇有關(guān)。水稻品種種類繁多，常規(guī)的品種對比試驗通常采集適宜于當?shù)胤N植的小范圍品種，由于選取的品種不同，這可能會影響到對結(jié)果的判斷。此外，籽粒中鎘的積累也與特定水稻品種對Cd在不同器官間的轉(zhuǎn)運能力有關(guān)[20,22]。

本研究中，不同品種水稻籽粒中Zn含量的差異要明顯小于品種間Cd含量的差異。殷敬峰等[18]的研究也表明，在Cd污染土壤上進行盆栽試驗，21個水稻品種糙米中Cd含量最高值和最低值相差15倍，而Zn含量相差不到1倍。這除了由基因型造成的差異外，還可能與水稻對Zn的吸收機制有關(guān)。Shi等[23]通過田間試驗研究了110個水稻品種對Cd和Zn的吸收，發(fā)現(xiàn)與普通雜交稻相比，超級稻在籽粒中積累更高量的Cd，而Zn的含量較低。Chen等[22]通過在湖南2 a的早、晚稻田間試驗(每個水稻季2個品種)表明，秈型雜交稻籽粒中Cd的濃度顯著高于秈型常規(guī)稻，但前者籽粒中Zn的濃度卻顯著低于后者，秈型常規(guī)稻籽粒的Cd/Zn更低，食用安全性更高。本研究中，雖然個別品種的籽粒Cd、Zn含量表現(xiàn)為Cd低Zn高(如秀水519和甬優(yōu)362)，以及Cd高Zn低(如浙優(yōu)18和甬優(yōu)12)，但是20個品種之間籽粒Cd和Zn的含量無顯著的相關(guān)關(guān)系，即前述現(xiàn)象不具有普遍性。不同品種籽粒中Cd的含量與Cd/Zn呈現(xiàn)出正相關(guān)性，這可能與品種間Cd的含量變異大、Zn的含量變異小有關(guān)。如果以Cd/Zn等于0.015作為推薦閾值，那么僅有Cd積累能力較高的浙優(yōu)18、甬優(yōu)9和甬優(yōu)12的Cd/Zn超過推薦值。張良運等[9]的研究表明，我國南方礦區(qū)周邊及市場稻米樣品有70%的Cd/Zn超出0.015。有的研究發(fā)現(xiàn)，低Cd積累的水稻籽粒中Zn的濃度較高，因而稻米的Cd/Zn比更低，其食用安全性更高[11, 23]。這除了和水稻的基因型有關(guān)系外，更重要的是土壤的污染程度。此外，目前多數(shù)研究認為水稻體內(nèi)Cd和Zn存在拮抗作用，即水稻在Zn供應(yīng)較多的情況下會降低對Cd的吸收，然而這種拮抗作用與土壤Cd污染程度、水稻品種，以及Zn的供應(yīng)水平均有很大關(guān)系。辜嬌峰等[24]發(fā)現(xiàn)，向土壤Cd含量為5.26 mg·kg-1的土壤中施Zn能降低2個水稻品種各部位的Cd含量。李虹呈等[25]研究發(fā)現(xiàn)，向輕度Cd污染土壤中施用外源 Zn 可顯著降低兩個品種糙米中Cd的含量，在中度Cd污染的土壤中施用低量Zn可顯著降低2個品種糙米中Cd的含量，但當外源Zn濃度超過40 mg·kg-1卻將增加威優(yōu)46糙米中的Cd含量。因此，篩選Cd含量低而Zn含量高的水稻品種在Cd低積累品種的篩選過程中可能會更有意義。

本研究中，水稻籽粒中的Cd含量與水稻產(chǎn)量無顯著相關(guān)關(guān)系。然而，對特定的品種如秀水03而言，盡管其籽粒中Cd含量較低，其產(chǎn)量也較低；而對隆兩優(yōu)1988而言，其籽粒中的Cd較低，產(chǎn)量卻最高。李坤權(quán)等[20]的研究發(fā)現(xiàn)，水稻產(chǎn)量越高，稻米中Cd含量也越高，不同品種水稻糙米中鎘含量和水稻產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)，即高產(chǎn)伴隨高鎘。Duan等[26]在湖南攸縣的田間試驗也發(fā)現(xiàn)，水稻產(chǎn)量與籽粒中Cd含量存在顯著正相關(guān)。劉洋等[27]的研究表明，糙米中的Cd含量與水稻產(chǎn)量之間無必然聯(lián)系，無論是高產(chǎn)還是低產(chǎn)，糙米中的Cd含量均有高也有低。蔡秋玲等[28]通過田間小區(qū)試驗發(fā)現(xiàn)，84個水稻品種的產(chǎn)量與糙米Cd含量之間不存在顯著的相關(guān)性，經(jīng)聚類分析將水稻分為高產(chǎn)高Cd、高產(chǎn)低Cd、低產(chǎn)高Cd和低產(chǎn)低Cd共4類，認為Cd在水稻籽粒中的積累主要在于根系向莖葉、籽粒的轉(zhuǎn)運能力。因此，從大范圍來看，Cd低積累品種的篩選與產(chǎn)量之間的普遍關(guān)系仍需更多試驗驗證，但這并不妨礙Cd低積累、高產(chǎn)水稻品種的篩選。陳彩艷等[29]通過分子標記的方法，篩選出14份高產(chǎn)、低鎘、優(yōu)質(zhì)的水稻品種。

此外，同一水稻品種在不同年份籽粒中Cd的積累也有很大差別，尤其是溫度和降水差別大的年份。Chen等[22]在湖南的田間試驗表明，同一早稻品種湘早秈45，其籽粒中Cd的含量在2013年是2014年的近24倍，主要原因是前一年從灌漿期到成熟期降雨量少、氣溫高，而后一年相同生育期降雨量增多，平均氣溫降低。因此，低積累品種的篩選工作需考慮到氣候波動對結(jié)果的影響。陳彩艷等[29]分析了87份水稻材料在4個不同污染程度稻田中的稻米鎘含量，發(fā)現(xiàn)在土壤污染程度變異較大的條件下，相對于水稻基因型，土壤污染程度是決定稻米中Cd含量的主要因素，在污染程度一致的土壤環(huán)境下，稻米中Cd含量的差異主要受其基因型的控制。這說明，低積累水稻品種的選擇也要考慮污染程度的變化對其Cd積累特性的影響。盡管目前對于Cd低積累品種尚無明確的定義，對Cd低積累品種的篩選也未有統(tǒng)一的標準，但Cd低積累品種的認定仍應(yīng)該通過多年、多點、多個污染水平的試驗進行多方位驗證。因此，本研究中篩選出的Cd含量相對較低的水稻品種盡管對于當?shù)胤N植具有一定的借鑒意義，但仍需進行連續(xù)多年的田間試驗驗證。