2. 重金属污染耕地安全高效利用湖南省工程研究中心, 湖南 长沙 410128;
3. 农业部南方产地污染防控重点实验室, 湖南 长沙 410128;
4. 茶陵县农业局, 湖南 株洲 412400
2. Engineering Research Center of Safe and Efficient Utilization of Heavy Metal Polluted Farmland, Hunan Province, Changsha 410128, China;
3. Key Laboratory of Southern China Original Agro-Environmental Pollution Prevention and Control, Ministry of Agriculture, Changsha 410128, China;
4. Chaling County Bureau of Agriculture, Zhuzhou 412400, China
镉(Cd)是稻田最主要的重金属污染元素。在Cd污染严重的稻区,Cd的毒害作用可造成水稻严重减产。随着我国工业特别是乡镇和个体小型工业的发展,Cd等重金属污染越来越严重[1-2]。据不完全统计,我国重金属Cd污染农田面积已超过28万hm2,每年生产Cd含量超标的农产品达14.6亿kg,已对农业生产和人体健康构成严重威胁[3-4]。多年来,国内外对Cd在作物中的吸收、运输和分配以及对作物的毒害作用进行了较多研究[5-7]。但是关于伤流液与稻米镉含量的相关性方面的研究成果还较少,尚缺乏深入研究。基于此,笔者设置了不同浓度镉胁迫处理,通过分析水稻伤流液镉含量与稻米镉含量之间的相关性,研究伤流液镉含量对稻米镉形成的影响,这将对治理不同程度镉污染稻田和降低稻米镉含量具有一定的参考意义。
1 材料与方法 1.1 供试品种供试早稻品种为中嘉早17(常规籼稻,全生育期为109 d),晚稻品种为泰优390(杂交稻,全生育期为118 d)。大田育苗,5叶1心时移栽。
1.2 试验方法采用室外营养液培育试验方法,设置6个镉浓度水平,重复3次,编号分别为CK、Cd10、Cd50、Cd200、Cd500和Cd1000(溶液中镉质量浓度分别为0、10、50、200、500和1 000 μg·L-1)。水培营养液采用木村B营养液和Arnon的A-Z微量元素营养液[8-9]配方。水稻在塑料桶中培养直至成熟。塑料桶中盛有基础营养液10 L(包含微量元素贮备液10 mL)。水稻幼苗移栽7 d后开始添加外源镉,培养液每4 d更换1次[10],每2 d用10 mol·L-1 NaOH和10 mol·L-1 HCl调节pH值为5.5。水稻采用泡沫育苗盘和定植篮固定,每桶5穴,每穴3株。早稻(中嘉早17)于4月24日移栽,7月21日收获;晚稻(泰优390)于7月26日移栽,10月15日收获。
1.3 分析测定与数据处理 1.3.1 样品处理及测定(1) 水稻主要生育期农艺性状测定
试验期间观察水稻长势,在分蘖期、孕穗期和成熟期测定水稻根长、株高、分蘖数和伤流液量等指标。伤流液量通过计算吸收伤流液前后离心管的质量差除以吸收时间得到;根长和株高的测定方法为每桶随机采取3穴水稻用直尺测定后取平均值;水稻产量以晒干稻谷质量计算。
(2) 水稻样品处理及镉含量测定
水稻样品采集后,清洗植株,将植株根系、茎鞘、叶、穗进行手工分离,并置于烘箱中在105 ℃条件下杀青1 h,65 ℃条件下烘至恒重,称重。稻谷晒干后用砻谷机分离出糙米和稻壳。称取粉碎后过0.150 mm孔径筛的样品(0.500 0±0.000 5) g,置于消解管中采用混合酸〔V(HNO3) :V(HClO4)=4 :1〕湿法消解[11]。用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES,PE 8300,美国)测定镉含量。
(3) 水稻植株伤流液中镉的测定
分别在水稻分蘖期、孕穗期和成熟期收集水稻植株的伤流液。每个生育期每盆随机选择1穴水稻,在离根部5 cm处剪去水稻上部,每穴剪5根主茎,将内装有专用脱脂棉花并已称重的离心管(2 mL)(质量计作m1)套在每根主茎上,收集伤流液后称重(质量计作m2)[12]。伤流液收集始于17:00,止于次日7:00。用10 mL优级纯硝酸(GR,14.4 mol·L-1)浸泡吸收有伤流液的棉花,消煮后用25 mL容量瓶定容到25 mL,存放在PE塑料瓶中贮存,用原子吸收分光光度计-石墨炉法(Varian,GTA 120,美国)测定镉含量。
1.3.2 数据处理方法采用IMB SPSS 22.0软件对数据进行统计分析,采用Microsoft Excel 2010软件制作图表。
伤流液量计算公式为
$ c = \left( {{m_2} - {m_1}} \right) \div \left( {t \times n} \right)。$ | (1) |
式(1)中,c为伤流液量,mg·茎-1·h-1;m1为吸收前离心管质量,mg;m2为吸收后离心管质量,mg;t为吸收时间,h;n为茎个数。
2 结果与分析 2.1 镉胁迫下水稻关键生育期农艺性状由表 1可知,不同浓度镉胁迫对水稻农艺性状的影响不同。与CK相比,Cd10处理中嘉早17的农艺性状指标值均有所增加;在分蘖期、孕穗期和成熟期Cd50处理水稻根长、株高和产量均有一定变化,但Cd50处理水稻根长和株高变化相对不显著,产量则显著降低(P < 0.05)。高浓度镉(Cd200、Cd500和Cd1000)处理水稻各农艺性状相较于CK均显著降低(P < 0.05)。由此可见,镉胁迫浓度越高,水稻产量越低,两者呈明显负相关关系。
由表 2可知,在不同浓度镉胁迫下,与CK相比,Cd10和Cd50处理泰优390株高和根长在各个生育期均无显著差异;与CK相比,Cd200、Cd500和Cd1000处理泰优390株高和根长在分蘖期有显著差异(P < 0.05)。与CK相比,Cd10处理泰优390产量差异不显著,但Cd50、Cd200、Cd500和Cd1000处理产量显著下降(P < 0.05),Cd1000、Cd500、Cd200、Cd50和Cd10处理产量分别比CK下降54.62%、32.34%、21.32%、13.72%和5.84%。综上所述,泰优390耐镉性高于中嘉早17,镉胁迫浓度增加对泰优390的株高和根长影响相对较小,对产量的影响相对较大,但是低于中嘉早17。
镉胁迫水稻中嘉早17各部位镉含量见表 3。
由表 3可知,中嘉早17水稻在3个关键生育期各部位镉含量相差较大,尤其是在根系方面,镉含量异常高,与茎鞘、叶片之间差异均达显著水平。中嘉早17在不同浓度镉胁迫下,随着镉浓度的增加,各部位镉含量也增加,且在成熟期达最大。由于水稻是镉富集植物,CK水稻根系镉含量最大值亦可达7.57 mg·kg-1,其镉主要来源于幼苗和营养液配制所用药品中的少量镉。由表 4所示,在同一浓度镉胁迫下,泰优390不同生育期地上部镉含量(地上部各部位镉含量之和)由大到小依次为成熟期、孕穗期和分蘖期,孕穗期根系镉含量最高,成熟期和分蘖期根系镉含量均低于孕穗期;不同部位镉含量由大到小依次为根系、茎鞘、叶片、稻壳和糙米,该结果与中嘉早17一致。
根据表 3~4,中嘉早17和泰优390两个水稻品种在同一浓度镉胁迫下水稻各部位镉含量有一定差异。中嘉早17根系镉含量较大,Cd1000处理根系镉含量最大,达2 260.20 mg·kg-1,糙米镉含量为9.36 mg·kg-1;Cd1000处理泰优390根系镉含量最大值为586.24 mg·kg-1,但糙米镉含量达10.85 mg·kg-1。中嘉早17根系、茎鞘和叶片镉含量均大于泰优390,但泰优390稻壳和糙米镉含量均大于中嘉早17,各处理均有类似情况。
2.3 不同浓度镉胁迫下水稻不同生育期伤流液量及镉含量由图 1~2可知,中嘉早17各处理伤流液量由大到小依次为Cd50、Cd10、CK、Cd200、Cd500和Cd1000,Cd50和Cd10处理伤流液量高于CK。在生长前期水稻伤流液量较多,后期则下降。各生育期水稻伤流液量由大到小依次为孕穗期、分蘖期和成熟期。各处理伤流液中镉含量由大到小依次为Cd1000、Cd500、Cd200、Cd50、Cd10和CK,伤流液镉含量与培养液中镉浓度之间呈显著正相关关系。
由图 3~4可知,CK、Cd10和Cd50处理间泰优390伤流液量变化不明显,当ρ(Cd)>50 μg·L-1时,伤流液量随着镉胁迫浓度增大而下降。水稻各生育期伤流液量由大到小依次为孕穗期、分蘖期和成熟期。各镉胁迫处理水稻伤流液中镉含量由大到小依次为Cd1000、Cd500、Cd200、Cd50、Cd10和CK,该结果与中嘉早17一致。
水稻根系、茎鞘、叶片以及伤流液中镉含量与糙米镉含量的相关系数及拟合方程见表 5。在分蘖期2个水稻品种伤流液镉含量与糙米镉含量相关性均优于根系、茎鞘和叶片,中嘉早17相关系数r为0.971 0(P < 0.01),泰优390的r为0.952 0(P < 0.01),根系、茎鞘和叶片3者镉含量与糙米镉含量也均呈极显著相关(P < 0.01)。在孕穗期中嘉早17茎鞘镉含量与糙米镉含量相关性最好,r为0.955 0(P < 0.01),而泰优390则表现为根系镉含量与糙米镉含量相关性最好,r为0.951 0(P < 0.01),2个水稻品种在孕穗期伤流液镉含量与糙米镉含量也呈极显著相关(P < 0.01)。
在成熟期2个水稻品种各部位镉含量相关性与分蘖期一致,均表现为伤流液镉含量与糙米镉含量相关性最好,中嘉早17的r为0.955 0(P < 0.01),泰优390的r为0.960 0(P < 0.01)。综上所述,在分蘖期和成熟期中嘉早17和泰优390伤流液镉含量与糙米镉含量相关性均好于根系、茎鞘和叶片。
3 讨论与结论镉胁迫对水稻农艺性状的影响表现出明显的品种间差异。Cd1000处理水稻中嘉早17在不同生育期的根长和株高均显著降低,水稻不能正常结实,籽粒基本上空瘪。但对于泰优390来说,Cd1000处理根长和株高未受到显著影响,但产量下降54.62%。此外,在同一浓度镉胁迫下,泰优390糙米中镉含量高于中嘉早17号。唐非等[13]、徐燕玲等[14]认为水稻对Cd的积累有明显的基因型特征,杂交稻积累Cd浓度高于常规稻,2个水稻品种长期在镉胁迫下,即使在低浓度镉(≤50 μg·L-1)胁迫下,水稻成熟后糙米中积累的镉仍均超过GB 2762—2012 《食品中污染物限量》中规定的标准限值0.2 mg·kg-1。由此可见,GB 5084—2005《农田灌溉水质标准》中总镉含量不高于50 μg·L-1的要求对于粮食生产而言仍存在安全风险。
在不同浓度镉胁迫下,各生育期中嘉早17和泰优390伤流液量由大到小依次均为孕穗期、分蘖期和成熟期,在分蘖期前水稻所需营养要低于孕穗期,水稻向上运输能力较弱,在成熟期后水稻新陈代谢减弱,伤流液量也随之减弱。在不同生育期2个品种水稻伤流液中镉含量由大到小依次均为孕穗期、成熟期和分蘖期。丁园等[15]通过土壤盆栽试验也发现随着水稻的生长发育,伤流液镉含量逐渐减少。笔者试验中在水培条件下进行全生育期镉胁迫,与土壤盆栽培养有一定差异。水稻在生长过程中镉离子随着营养元素一起进入水稻体内并不断累积。水稻在分蘖期积累的镉,随着水稻生长不断向其他部位转移,水稻成熟后糙米中的镉主要来源于分蘖期积累镉的转移[16]。水稻在孕穗期生长旺盛,伤流液量也大,伤流液中镉含量一部分来源于根系吸收,一部分来自其他各部位的转运[17]。
比较不同浓度镉胁迫下同一生育期水稻伤流液中镉含量发现,随着镉胁迫浓度增加,伤流液中镉含量增加幅度趋于一致,伤流液中镉含量与镉胁迫浓度呈线性增长关系。ARAO等[18]研究指出,木质部向地上部转运才是决定水稻茎鞘及籽粒中镉含量的最主要和常见的生理过程,外界镉浓度越高,转运镉量就越多。水稻籽粒中镉主要来源于根系吸收和叶片再转运这2条途径,且主要都是通过韧皮部和木质部转运积累[19]。
分析糙米镉含量与伤流液中镉含量关系发现,两者之间存在极显著线性相关关系(P < 0.01)。进入木质部导管的镉离子需在蒸腾拉力的作用下向地上部分运输,蒸腾作用越强,镉向地上部转运量就越多[20]。镉以自由离子或阳离子化合物的形式在木质部被运输,且向上运输的过程呈现明显的浓度梯度规律,简而言之,越往上运输镉浓度就越低。
笔者发现在不同浓度镉胁迫下水稻不同部位对镉吸收积累能力有明显差异,研究表明水稻各部位镉含量由大到小依次为根系、茎鞘、叶片、稻壳和糙米[21]。笔者发现水稻在不同浓度镉胁迫下,根系镉含量与镉胁迫浓度呈正相关,且大于其他各部位镉含量,阻控水稻根系对镉吸收和转运是降低稻米镉含量的关键所在[22]。镉胁迫时间越长,根系向地上部分转运镉的量也就越多,而根系吸收的镉量与转运到木质部中镉量存在着饱和比例,导致茎鞘、叶片中镉积累量与根系的差距变小[23]。吸收和转运的共同作用决定了水稻内与周围环境中镉浓度呈动态平衡,根茎之间镉含量亦呈动态平衡[24]。水稻各部位镉含量与籽粒镉含量也紧密相关,在镉胁迫下,根系、茎鞘、叶片以及伤流液镉含量与糙米镉含量相关显著。分蘖期和成熟期这2个时期伤流液镉含量与糙米镉含量相关性好于根系、茎鞘和叶片这3个部位,但成熟期水稻即将收割,对镉的阻控效果不明显,分蘖期是稻米镉积累的关键时期[16]。选择在分蘖期测定水稻伤流液量及镉含量能反映水稻镉毒害程度并预测稻米镉含量,进而选择合理的阻控措施。
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