徐立軍， 黃窈軍， 汪亞萍， 謝煒， 高敬文

(1.桐廬縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，浙江 杭州 311500； 2.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 環(huán)境資源與土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021)

20世紀以來，隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，大量的鎘(Cd)排放到大氣、水體和土壤中，造成重金屬Cd污染。Cd具有遷移性強、毒性大等特點，通過食物鏈富集作用大量進入人類食物中。人體攝入過多的Cd會導(dǎo)致肝臟、腎臟功能受損，擾亂人體免疫系統(tǒng)，引發(fā)骨骼軟化、惡性腫瘤等嚴重疾病。據(jù)《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》發(fā)布，我國約有7%的土壤存在不同程度的Cd污染[1]。水稻是我國的主要糧食作物，水稻對Cd的富集能力較強，顯著高于玉米、大豆等其他大宗作物[2]。因此，如何降低水稻籽粒Cd積累對于保障食品安全和國民健康具有重要意義。

不同水稻品種籽粒 Cd 累積存在成倍差異[3-6]，因此，篩選低積累水稻品種并探究其生理機理，可為受污染耕地安全利用措施的實施和低積累水稻品種選育工作提供理論支撐。谷物籽粒Cd的高低不僅由其Cd吸收能力決定，還受Cd的轉(zhuǎn)運、再動員等復(fù)雜的因素影響，然而目前關(guān)于水稻不同器官Cd的積累和轉(zhuǎn)運特征研究較為匱乏。土壤調(diào)理劑和葉面阻控劑的施用也是受污染耕地行之有效的安全利用措施，但目前存在施用不合理、方法不當?shù)葐栴}，明確影響水稻籽粒Cd積累的關(guān)鍵時期施用，有助于改進用土壤調(diào)理劑和葉面阻控劑的施用方法。本文以近幾年浙江地區(qū)大面積種植的14個水稻品種為研究對象，通過田間試驗，篩選出適宜種植的Cd低積累品種，并進一步研究Cd低積累和高積累水稻品種對Cd的富集和轉(zhuǎn)運差異，并闡明影響水稻籽粒Cd積累的關(guān)鍵生育時期。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

田間試驗在浙江省杭州市桐廬縣江南鎮(zhèn)蓮塘村開展，屬于Cd中度污染耕地，試驗田周邊存在冶銅廠，大氣沉降值較高。試驗土壤pH 6.53，Cd含量為0.82 mg·kg-1，有效Cd含量為0.38 mg·kg-1。

1.2 供試材料

供試品種14個，均為浙江省主要種植的水稻品種，包括9個雜交晚稻品種：甬優(yōu)538、甬優(yōu)1540、甬優(yōu)7850、甬優(yōu)15、甬優(yōu)12、浙粳優(yōu)1578、浙粳優(yōu)1758、浙優(yōu)18、浙粳優(yōu)6153，5個常規(guī)晚粳稻品種：浙粳99、浙輻粳83、中嘉8號、秀水14、秀水121。

1.3 試驗設(shè)計

采用隨機區(qū)組排列，小區(qū)面積為30 m2，合計66個小區(qū)。5月底—6月初采用人工移栽的方式，行距30 cm，株距10～12 cm，雜交品種1穴1～2株，常規(guī)品種1穴2～4株。每667 m2施復(fù)合肥25 kg作基肥，每667 m2施尿素15 kg、復(fù)合肥25 kg作追肥。水分管理和病蟲害防治按常規(guī)方式。

1.4 樣品采集與分析

待水稻成熟后，采集水稻植株和土壤樣品，并測定其質(zhì)量。土壤樣品風(fēng)干后，過20目、100目篩備用，植株分為籽粒和秸稈兩個部分，洗凈后70 ℃烘干至恒重，粉碎后待測。土壤pH用去離子水浸提(土水比 1∶2.5)，而后用精密pH計測定。土壤全量Cd測定采用《土壤質(zhì)量鉛、鎘的測定石墨爐原子吸收分光光度法》(GB/T 17141—1997)中的方法，植株樣品中總Cd測定方法參照《食品安全國家標準食品中鎘的測定》(GB 5009.15—2014)，土壤和植株樣品經(jīng)微波消解后，用原子吸收分光光光度計測定出鎘含量。以國家標準參比物質(zhì)土壤樣品和植物樣品進行質(zhì)量控制，國標樣分析結(jié)果均在允許誤差范圍內(nèi)。

1.5 統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)分析在Excel軟件中進行，LSD法分析差異顯著性(P<0.05)，圖表中數(shù)據(jù)以平均值±標準差表示，繪圖采用Sigmaplot10.0軟件。

富集系數(shù)=水稻各部位Cd含量/土壤中Cd含量；轉(zhuǎn)運系數(shù)=水稻籽粒Cd含量/水稻秸稈Cd含量。

2 結(jié)果分析

2.1 不同水稻品種產(chǎn)量

如表1所示，不同水稻品種的株高和產(chǎn)量存在顯著差異。雜交稻品種的株高和產(chǎn)量普遍高于常規(guī)晚粳稻品種。雜交稻品種株高均在100 cm以上，常規(guī)晚粳稻品種株高均在85～95 cm。雜交稻品種中甬優(yōu)538、甬優(yōu)12、浙粳優(yōu)1578、浙粳優(yōu)1758、浙粳優(yōu)6153產(chǎn)量較高，平均667 m2產(chǎn)量超過600 kg。常規(guī)晚粳稻品種中產(chǎn)量超過600 kg的有浙粳99、浙輻粳83、中嘉8號和秀水121。所有品種中浙粳優(yōu)6153和浙粳99產(chǎn)量最高，平均產(chǎn)量分別為862和859 kg。

表1 不同水稻品種株高及產(chǎn)量

不同水稻品種產(chǎn)量差異主要受有效穗數(shù)和穗粒數(shù)影響，千粒重和結(jié)實率對其影響較小。雜交稻品種中的高產(chǎn)品種如甬優(yōu)538、甬優(yōu)12、浙粳優(yōu)1578、浙粳優(yōu)1758和浙粳優(yōu)6153主要是大穗品種，穗粒數(shù)在300粒左右。常規(guī)稻中高產(chǎn)品種如浙粳99、浙輻粳83、秀水121主要是以較高的穗數(shù)獲得高產(chǎn)，穗數(shù)在每667 m220萬穗左右。

2.2 不同水稻品種籽粒和秸稈Cd含量

不同品種水稻籽粒Cd含量變化范圍為0.13～0.95 mg·kg-1，變化差異7倍(圖1)。不同水稻品種籽粒Cd含量存在顯著差異。其中甬優(yōu)12、浙優(yōu)18籽粒Cd積累最高，其次浙粳優(yōu)1578、浙粳優(yōu)1758、浙粳優(yōu)6153籽粒Cd積累也較高，秀水14和秀水121籽粒Cd積累最低。根據(jù)《GB 2762—2017食品安全國家標準食品中污染物限量》，在桐廬中輕度污染耕地中試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同水稻品種中秀水14和秀水121籽粒Cd積累符合食品安全標準(≤0.2 mg·kg-1)，其他品種籽粒Cd含量均超過食品安全標準。

柱上無相同小寫字母表示組間差異顯著(P<0.05)，圖2同。

不同水稻品種秸稈的Cd含量范圍分別為1.39～3.84 mg·kg-1，差異為3倍(圖2)，由此可見，水稻秸稈Cd含量遠高于籽粒，且不同品種水稻籽粒Cd積累能力差異更大，說明與Cd吸收能力相比Cd轉(zhuǎn)運能力對籽粒Cd積累的影響更大。

圖2 不同水稻品種秸稈Cd含量

2.3 不同水稻品種籽粒Cd聚類分析

如圖3所示，將水稻籽粒Cd含量數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)聚類分析，可將14個水稻品種分為3類：第1組為低鎘含量組，籽粒Cd含量為0.16～0.34 mg·kg-1、平均值為0.27 mg·kg-1；第2組為中鎘含量組，籽粒Cd含量為0.39～0.44 mg·kg-1、平均值為0.41 mg·kg-1；第3組為高鎘含量組，籽粒Cd含量為0.57～0.80 mg·kg-1、平均值為0.71 mg·kg-1。其中第1組(低鎘含量組)有秀水14、秀水121、甬優(yōu)538、甬優(yōu)1540、浙粳優(yōu)6153、甬優(yōu)15、浙粳99、甬優(yōu)7850、浙輻粳83，第2組(中鎘含量組)有浙粳優(yōu)1758、中嘉8號，第3組(高鎘含量組)有浙優(yōu)18、甬優(yōu)12、浙粳優(yōu)1578。

圖3 不同水稻品種籽粒Cd含量聚類分析

2.4 低、中、高鎘含量組水稻對Cd的富集特性

如圖4所示，供試14個水稻品種籽粒和秸稈的富集系數(shù)差異較大，Cd富集能力為：秸稈>籽粒。其中低鎘含量組籽粒、秸稈的富集系數(shù)分別為0.16～0.54、1.69～4.41，平均值分別為0.33、2.43。中鎘含量組籽粒、秸稈的富集系數(shù)分別為0.43～0.58、2.48～3.19，平均值分別為0.50、2.88。高鎘含量組籽粒、秸稈的富集系數(shù)分別為0.54～1.15、2.28～4.69，平均值分別為0.87、3.58。低、中、高鎘含量組不同部位Cd富集能力存在較大差異，籽粒和秸稈Cd富集系數(shù)平均值均表現(xiàn)為：高鎘含量組>中鎘含量組>低鎘含量組。

圖4 水稻籽粒、秸稈Cd富集系數(shù)分布

2.5 低、中、高鎘含量組水稻對Cd的轉(zhuǎn)運特性

供試14個水稻品種不同Cd轉(zhuǎn)運系數(shù)具有較大差異。其中低鎘含量組轉(zhuǎn)運系數(shù)為0.07～0.27，平均值為0.14。中鎘含量組轉(zhuǎn)運系數(shù)為0.15～0.19，平均值為0.18。高鎘含量組轉(zhuǎn)運系數(shù)為0.19～0.31，平均值為0.25。低、中、高鎘含量組Cd轉(zhuǎn)運能力存在高鎘含量組>中鎘含量組>低鎘含量組的規(guī)律(圖5)。

圖5 水稻Cd轉(zhuǎn)運系數(shù)分布

2.6 低、中、高鎘含量組水稻不同生育時期植株鎘含量

如圖6所示，供試14個水稻品種不同生育時期的植株Cd含量差異較大，表現(xiàn)為隨著生育時期的推進，植株Cd含量不斷提高。其中低鎘含量組苗期、拔節(jié)期、齊穗期和成熟期的植株Cd含量分別為0.12～0.32、0.08～0.42、0.48～1.55、1.39～3.62 mg·kg-1，平均值分別為0.2、0.25、1.01、1.99 mg·kg-1。中鎘含量組苗期、拔節(jié)期、齊穗期和成熟期的植株Cd含量分別為0.14～0.22、0.12～0.34、0.71～0.95、2.03～2.62 mg·kg-1，平均值分別為0.18、0.23、0.82、2.36 mg·kg-1。高鎘含量組苗期、拔節(jié)期、齊穗期和成熟期的植株Cd含量分別為0.13～0.27、0.11～0.18、1.02～1.86、1.87～3.84 mg·kg-1，平均值分別為0.18、0.15、1.49、2.94 mg·kg-1。低、中、高鎘含量組不同生育時期植株Cd含量存在較大差異，苗期植株Cd含量平均值為：低鎘含量組>中鎘含量組=高鎘含量組，拔節(jié)期植株Cd含量平均值為：低鎘含量組>中鎘含量組>高鎘含量組，齊穗期植株Cd含量平均值為：高鎘含量組>低鎘含量組>中鎘含量組，成熟期植株Cd含量平均值為：高鎘含量組>中鎘含量組>低鎘含量組。

圖6 不同生育時期水稻植株Cd含量分布

3 討論

水稻是我國重要的主糧作物，開展Cd低積累水稻品種的篩選對于保障食品質(zhì)量安全具有重要意義，在篩選過程中不僅要考慮作物籽粒Cd含量是否在安全范圍內(nèi)，還需要綜合考慮水稻產(chǎn)量以保證農(nóng)民的收益以及安全利用技術(shù)的推廣。本研究通過聚類分析發(fā)現(xiàn)，在浙江省杭州市桐廬縣水稻試驗區(qū)(土壤Cd平均含量為0.82 mg·kg-1)供試水稻品種中，秀水14、秀水121、甬優(yōu)538、甬優(yōu)1540、浙粳優(yōu)6153、甬優(yōu)15、浙粳99、甬優(yōu)7850、浙輻粳83籽粒Cd含量較低(圖3)，籽粒Cd含量為0.16～0.34 mg·kg-1、平均值為0.27 mg·kg-1(圖1)。供試水稻品種中產(chǎn)量較高的品種有：甬優(yōu)538、甬優(yōu)12、浙粳優(yōu)1578、浙粳優(yōu)1758、浙粳優(yōu)6153、浙粳99、浙輻粳83、中嘉8號和秀水121，667 m2平均產(chǎn)量超過600 kg(表1)。綜合籽粒Cd含量和產(chǎn)量結(jié)果，在杭州市桐廬縣及同類型污染耕地，推薦種植的水稻品種有：甬優(yōu)538、浙粳優(yōu)6153、浙粳99、浙輻粳83、秀水121，其中秀水121籽粒Cd含量最低，籽粒Cd積累符合食品安全標準(≤0.2 mg·kg-1)。

不同水稻品種Cd積累能力存在顯著差異。李貴松等[3]在浙江省Cd含量0.37 mg·kg-1的耕地，水稻品種籽粒Cd含量變化范圍為0.048～0.262 mg·kg-1，存在5.5倍變差。陳德等[6]在浙江省Cd含量0.43 mg·kg-1的耕地，水稻品種籽粒Cd含量變化范圍為0.07～0.39 mg·kg-1。易春麗等[5]在湖南省Cd含量0.62 mg·kg-1的耕地，水稻品種籽粒Cd含量變化范圍為0.41～0.81 mg·kg-1，存在2倍變差。張新柱等[4]在湖南省Cd含量0.95 mg·kg-1的耕地，水稻品種籽粒Cd含量變化范圍為0.04～0.06 mg·kg-1，存在1.5倍變差。本試驗中，土壤Cd平均含量為0.82 mg·kg-1，14個供試水稻品種籽粒Cd含量變化范圍為0.13～0.95 mg·kg-1，變化差異7倍(圖1)。

禾本科作物籽粒Cd含量受作物Cd吸收能力和轉(zhuǎn)運能力的共同影響[2,7-8]，明確不同品種籽粒Cd積累差異形成的原因及其生理機理，對于低積累Cd水稻品種育種工作和水稻安全生產(chǎn)的栽培措施具有重要的意義。本研究發(fā)現(xiàn)，水稻秸稈Cd富集能力強于籽粒Cd富集能力(圖4)，說明水稻吸收的Cd分配到籽粒的部分較小。同時，本研究還發(fā)現(xiàn)不同品種籽粒Cd含量的變差大于秸稈Cd含量的變差(圖1、圖2)，說明與Cd吸收能力相比Cd轉(zhuǎn)運能力對籽粒Cd積累的影響更大。為進一步分析Cd積累能力存在差異的品種Cd吸收和轉(zhuǎn)運的響應(yīng)，本研究通過對籽粒Cd含量聚類分析將14個水稻品種分為低鎘含量組、中鎘含量組、高鎘含量組。低鎘含量組籽粒和秸稈的富集系數(shù)均低于其他兩組(圖4)，說明低鎘含量組水稻品種普遍具有低的Cd吸收能力；低鎘含量組Cd轉(zhuǎn)運系數(shù)也均低于其他兩組(圖5)，說明低鎘含量組水稻品種也普遍具有較低的Cd轉(zhuǎn)運能力。

分析不同品種Cd積累差異形成的關(guān)鍵時期，可為Cd污染耕地安全利用栽培措施的實施提供理論依據(jù)。本研究發(fā)現(xiàn)，供試14個水稻品種表現(xiàn)為隨著生育時期的推進，植株Cd含量不斷提高(圖6)。苗期-拔節(jié)期不同類型水稻品種植株Cd含量差異較小，低含量組水稻植株Cd含量甚至略高于其他兩組；齊穗期-成熟期不同類型水稻品種植株Cd含量顯示出較大差異，高鎘含量組水稻植株Cd含量高于其他兩組。因此，生育前期植株Cd積累較少，齊穗期-成熟期是植株Cd快速積累時期和影響籽粒Cd積累的關(guān)鍵時期。

4 小結(jié)

綜合籽粒Cd含量和產(chǎn)量兩要素，在中度Cd污染的耕地土壤上，推薦種植的水稻品種有：甬優(yōu)538、浙粳優(yōu)6153、浙粳99、浙輻粳83、秀水121。

不同水稻品種Cd積累能力存在顯著差異，在本試驗土壤Cd平均含量為0.82 mg·kg-1的污染耕地，14個供試水稻品種籽粒Cd含量變化范圍為0.13～0.95 mg·kg-1，變化差異7倍。

水稻Cd轉(zhuǎn)運能力對籽粒Cd積累的影響更大，低鎘積累水稻品種同時具有較低的Cd吸收能力和Cd轉(zhuǎn)運能力。

水稻生育前期植株Cd積累較少，齊穗期-成熟期是植株Cd快速積累時期和影響籽粒Cd積累的關(guān)鍵時期。