有機(jī)肥對(duì)水稻鎘吸收及分配的影響

有機(jī)肥對(duì)水稻鎘吸收及分配的影響

水稻是中國(guó)乃至世界上最重要的糧食。中國(guó)大約60%的人口主要以水稻為主。水稻被認(rèn)為是對(duì)鎘(Cd)吸收最強(qiáng)的大宗谷類作物,易在籽實(shí)中積累,現(xiàn)今稻米中鎘含量超標(biāo)的問(wèn)題日益嚴(yán)重。水稻在較低污染程度的情況下就表現(xiàn)為籽粒鎘含量已經(jīng)超標(biāo),但其生長(zhǎng)并未受到嚴(yán)重影響,使得在生產(chǎn)中容易忽略水稻鎘污染的現(xiàn)象。因此,如何緩解鎘對(duì)農(nóng)作物的傷害以及降低鎘在作物中的積累是當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題。研究發(fā)現(xiàn),向鎘污染土壤中加入有機(jī)肥可增加土壤對(duì)重金屬的吸附能力,提高土壤對(duì)重金屬的緩沖性,減少植物對(duì)其的吸收,阻礙它進(jìn)入食物鏈。原因可能是一方面有機(jī)肥中的腐植酸能與鎘離子形成絡(luò)合物或螯合物,促使土壤中的交換態(tài)鎘向松結(jié)合態(tài)、錳氧化物結(jié)合態(tài)鎘轉(zhuǎn)換,從而降低其生物活性;另一方面,有機(jī)肥影響土壤的其他基本性狀,間接影響土壤鎘有效性。另外,無(wú)機(jī)有機(jī)肥料配施可保證養(yǎng)分的全面性,肥效穩(wěn)定持久,符合農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,因此有機(jī)肥逐漸被作為改良劑運(yùn)用到對(duì)重金屬污染土壤的修復(fù)改良中。研究顯示,有機(jī)肥不僅降低土壤有效態(tài)鎘含量,降低作物受鎘毒害,而且顯著增加作物生物量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量。但是,目前關(guān)于有機(jī)肥對(duì)重金屬土壤的改良作用,大多是研究有機(jī)肥對(duì)土壤中鎘有效性以及苗期作物生長(zhǎng)的影響,對(duì)作物體內(nèi)鎘的吸收分配規(guī)律的研究較少,并且對(duì)研究結(jié)果還有一定爭(zhēng)議。如有研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)物料不能減少土壤有效態(tài)鎘,甚至?xí)罨寥乐械逆k,增加土壤有效鎘,增加植物對(duì)鎘的吸收。本試驗(yàn)設(shè)計(jì)在總氮量一致的情況下,分別設(shè)置化肥處理和有機(jī)肥化肥配施處理,研究有機(jī)肥對(duì)兩個(gè)不同基因型水稻在較低污染程度鎘脅迫(3.0mg·kg-1)下,水稻對(duì)鎘的吸收以及在不同器官中的分配的影響,探討有機(jī)肥對(duì)鎘污染土壤的改良機(jī)理,為水稻生產(chǎn)區(qū)鎘污染土壤的改良以及農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)提供技術(shù)支持。1材料和方法1.1ndao98水稻:鎮(zhèn)稻88,粳稻(OryzasativaL.subsp.japonicaKatovar.Zhendao88);Ⅱ優(yōu)107,三系雜交中秈稻(OryzasativaL.subsp.indicaKatovar.Eryou107)。有機(jī)肥:以牛糞為主要原料的生物商品有機(jī)肥,全氮含量17.03g·kg-1,全磷含量11.31g·kg-1,全鉀含量14.37g·kg-1,全鎘含量為0.133mg·kg-1。1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)與過(guò)程試驗(yàn)于2010年和2011年在南京農(nóng)業(yè)大學(xué)牌樓試驗(yàn)站進(jìn)行。采用盆栽土培方法,盆的內(nèi)徑25cm,高30cm,每盆裝10kg干土。試驗(yàn)設(shè)計(jì)為雙因素隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn),分別為鎘因素(Cd0:0mg·kg-1,Cd3:3.0mg·kg-1)和肥料因素(CF:化肥,OM:有機(jī)肥),共4個(gè)處理(表1)。各處理的總純氮含量均為300kg·hm-2,化肥處理的氮源全部由尿素提供,有機(jī)肥處理的氮源分別為有機(jī)肥、尿素各150kg·hm-2。取深層的大田土壤(全氮含量1.16g·kg-1,全磷含量2.98g·kg-1,全鉀含量28.63g·kg-1,全鎘含量0.202mg·kg-1),風(fēng)干后過(guò)2mm篩,根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)分別添加鎘(CdCl2·2.5H2O)和有機(jī)肥(見(jiàn)表1)及225kg·hm-2磷肥和225kg·hm-2鉀肥(其中有機(jī)肥處理添加的磷肥和鉀肥減去有機(jī)肥中的磷含量和鉀含量),充分混勻后裝入塑料桶內(nèi),加水穩(wěn)定兩周后待用。于5月底育苗,6月底,將幼苗移栽到塑料桶中,每桶3穴,每穴2株。塑料桶擺放于露天的網(wǎng)室里,以達(dá)到盡量接近大田環(huán)境的目的,進(jìn)行統(tǒng)一的管理。在2010年,桶內(nèi)保持2cm左右的水層,在乳熟期進(jìn)行曬田;2011年苗期的桶內(nèi)水層保持在2cm左右,拔節(jié)期至灌漿中期,由于當(dāng)時(shí)天氣,隔幾天就有一次暴雨,暴雨之后將其過(guò)多水分傾倒出后,并進(jìn)行適當(dāng)?shù)臅裉?這個(gè)階段處于干-濕交替的狀態(tài),乳熟期后同2010年一樣進(jìn)行曬田處理。1.3植株組成和干重水稻生物量:于抽穗期、成熟期,每處理各取3株大小一致的水稻植株,洗凈根系泥土,然后用去離子水清洗整個(gè)植株,分為根、莖、葉鞘、葉片、穗,其中成熟期的籽粒又分為潁殼、糠層、精米。各樣品殺青烘干至恒重,稱重。各器官鎘含量:將烘干的樣品磨碎后過(guò)100目篩,稱取1.0g,用HNO3∶HClO4=5∶1的混合消解液消解至澄清后定容,用原子吸收分光光度計(jì)測(cè)消解液的鎘濃度。1.4處理數(shù)據(jù)采用SPSS、Excel等軟件處理數(shù)據(jù)。2結(jié)果與分析2.1有機(jī)肥對(duì)中蘇烷酸鈉官權(quán)的影響由表2可知,兩個(gè)基因型各處理的鎘含量均表現(xiàn)為根>莖>鞘、葉。加鎘處理的各個(gè)器官的鎘含量都顯著高于無(wú)鎘處理。有機(jī)肥對(duì)無(wú)鎘處理的鎘含量沒(méi)有顯著影響,但顯著降低加鎘處理的根系鎘含量,對(duì)莖、鞘和葉片的鎘含量影響表現(xiàn)不一,總體表現(xiàn)為略有降低。兩年的鎘含量有所不同,2011年各器官的四個(gè)處理平均鎘含量均高于2010年。2.2有機(jī)肥處理的鎘濃度由表3可知,兩個(gè)基因型水稻的籽粒不同部分的鎘含量不一,但都表現(xiàn)為糠層的含量遠(yuǎn)大于精米和穎殼。加鎘處理的各個(gè)部分的鎘含量均顯著高于不加鎘處理,并且加鎘處理的精米鎘含量均已超過(guò)我國(guó)的食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(≤0.2mg·kg-1)。無(wú)鎘處理下,有機(jī)肥不同程度降低了各部位的鎘濃度,但差異并不顯著。加鎘處理下,鎮(zhèn)稻88有機(jī)肥處理的潁殼、糠層和精米的鎘含量顯著降低,兩年分別平均降低7.02%、12.79%、26.10%。Ⅱ優(yōu)107的糠層和精米的鎘含量顯著降低,兩年平均降低幅度為11.95%和27.50%;兩年的穎殼鎘含量受有機(jī)肥影響不一致,2010年的影響不顯著,2011年的有機(jī)肥處理顯著降低。兩年間的籽粒鎘含量存在一定差異,兩個(gè)基因型都表現(xiàn)為2011年的含量高于2010年。2.3水稻的鎘分配比例由表4可知,鎘脅迫下,兩個(gè)基因型水稻的單莖鎘積累量均顯著增加。有機(jī)肥對(duì)不加鎘處理的單莖鎘積累量沒(méi)有顯著影響,但顯著降低了兩個(gè)基因型水稻的加鎘處理的單莖鎘積累量。抽穗期和成熟期的鎘主要積累在根系中,鎮(zhèn)稻88和Ⅱ優(yōu)107在抽穗期的兩年平均分配比例分別為64.43%和80.94%,在成熟期的分配比例分別為78.12%和77.62%,而積累在籽粒中的量較少,成熟期兩個(gè)基因型水稻的籽粒分配比例分別為4.55%和6.01%。與無(wú)鎘處理相比,加鎘處理的根系分配比例增加,地上部分尤其是穗的分配比例顯著降低。鎘脅迫下,鎮(zhèn)稻88的有機(jī)肥處理根系鎘分配比例在抽穗期和成熟期相對(duì)化肥處理有所降低,Ⅱ優(yōu)107在抽穗期表現(xiàn)降低,而在成熟期有所增加。有機(jī)肥處理可在一定程度減少穗的鎘分配比例,但差異不顯著。2.4加鎘處理的簡(jiǎn)介由表5可知,籽粒的鎘分配規(guī)律因不同基因型、鎘處理和有機(jī)肥而不同。鎮(zhèn)稻88的無(wú)鎘處理的籽粒中的鎘分配比例大小為糠層>精米>穎殼,Ⅱ優(yōu)107的分配比例為精米>糠層>穎殼。兩個(gè)基因型的加鎘處理的精米鎘分配比例顯著增加,而糠層中的顯著降低,鎮(zhèn)稻88的穎殼的鎘分配比例也顯著降低。有機(jī)肥處理的精米鎘分配比例降低,糠層和穎殼的分配比例增加,其中2011年的鎮(zhèn)稻88和Ⅱ優(yōu)107的比例增減達(dá)到顯著性差異。3有機(jī)肥對(duì)稻米中鎘的分配本試驗(yàn)結(jié)果表明,兩個(gè)基因型水稻的各器官的鎘含量表現(xiàn)為根>>莖>鞘>葉片(表2),鎘在植株各器官的分配也是以根系為主,鎮(zhèn)稻88和Ⅱ優(yōu)107成熟期的根系鎘積累百分比分別為78.12%和77.62%,說(shuō)明根系吸收鎘后,大部分積累在根系中,只有小部分被轉(zhuǎn)運(yùn)至地上部器官。這與前人的研究結(jié)果基本一致,但有些研究顯示,葉鞘的鎘含量略大于莖葉。不同基因型水稻糙米的鎘含量表現(xiàn)不同,目前研究顯示,超級(jí)稻>三系雜交稻>兩系雜交稻>常規(guī)晚秈稻>常規(guī)粳稻。本試驗(yàn)結(jié)果顯示,Ⅱ優(yōu)107的精米鎘含量大于鎮(zhèn)稻88,而糠層中的鎘含量略低于鎮(zhèn)稻88,說(shuō)明系雜交秈稻的糙米高鎘含量主要是精米的鎘含量較高。有機(jī)肥對(duì)無(wú)外源鎘添加的處理(0.202mg·kg-1)營(yíng)養(yǎng)器官的鎘含量無(wú)顯著影響,籽粒的鎘含量略有減少,但差異并不顯著。說(shuō)明有機(jī)肥對(duì)自然背景鎘含量水平的土壤中的水稻無(wú)顯著影響。有機(jī)肥顯著降低加鎘處理(0.202mg·kg-1+3.0mg·kg-1)的抽穗期和成熟期的根系以及籽粒的鎘含量,尤其是對(duì)精米和糠層的影響較大。雖然有機(jī)肥處理的精米鎘含量仍未降至安全水平,但相比化肥處理,有機(jī)肥有效降低了稻米的鎘含量,兩個(gè)基因型水稻平均降低了26.80%。說(shuō)明有機(jī)肥可以有效降低稻米的鎘含量,原因可能是因?yàn)橛袡C(jī)肥增加結(jié)合態(tài)鎘含量,減少有效態(tài)鎘,使得水稻對(duì)鎘的吸收量減少。有機(jī)肥一定程度增加Ⅱ優(yōu)107的根系鎘分配比例,但略減少鎮(zhèn)稻88的根系鎘分配。說(shuō)明有機(jī)肥可抑制Ⅱ優(yōu)107根系中的鎘往地上部運(yùn)輸,卻能一定程度促進(jìn)鎮(zhèn)稻88的鎘往地上部輸送。在籽粒中,有機(jī)肥處理的精米鎘分配比例降低,糠層和穎殼的分配比例增加,其中2011年的鎮(zhèn)稻88和Ⅱ優(yōu)107的比例增減達(dá)到顯著性差異。鎘被吸收進(jìn)入植物體內(nèi)后,進(jìn)行重新分配,莖稈中的鎘重新分配時(shí),部分鎘可能是通過(guò)韌皮部進(jìn)入穗。因此,有機(jī)肥對(duì)精米鎘分配比例的降低可能是有機(jī)肥直接或間接影響韌皮部對(duì)鎘的運(yùn)輸,但具體影響機(jī)制還不清楚,有待進(jìn)一步的研究。本研究的兩年試驗(yàn)結(jié)果顯示,2011年的鎘含量和單莖鎘積累量大于2010年?？赡苁且?yàn)?010年的水稻在灌漿中期之前保持水層,而2011在這個(gè)時(shí)期,由于天氣的原因,使得水稻生長(zhǎng)環(huán)境保持干—濕交替的狀態(tài)。有研究顯示,水稻長(zhǎng)期在淹水環(huán)境中,根系表面會(huì)產(chǎn)生鐵氧化物,即鐵膜。鐵膜是無(wú)定形的膠體,能夠吸附所處環(huán)境中的離子,從而會(huì)影響植物對(duì)離子的吸收,降低土壤中有效鎘,導(dǎo)致2010的水稻鎘含量以及單莖鎘積累量較低。4有機(jī)肥對(duì)米中鎘分配的影響有機(jī)肥對(duì)背景值鎘含量的土壤中水稻的鎘含量及分配沒(méi)有顯著影響,但可以有效降低鎘脅迫下兩個(gè)基因型水稻根系和糙米的鎘含量,并且在籽粒的鎘分配中,有機(jī)肥略增加穎殼和糠層的鎘分配,減少