鎘污染水稻品種按品種和類型篩選可行性分析

鎘污染水稻品種按品種和類型篩選可行性分析

近年來，由于廢水、污泥農(nóng)業(yè)、重金屬農(nóng)藥和化肥的不合理使用，水稻（oyztaival）的重金屬污染日益嚴(yán)重，尤其是鎘污染，這使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展和人類生活環(huán)境的質(zhì)量有了很大影響。鎘(Cadmium,Cd)是毒性最強(qiáng)的重金屬元素之一,在環(huán)境中活性較強(qiáng),在土壤-植物系統(tǒng)中具有很強(qiáng)的遷移能力。往往在不影響植物正常生長(zhǎng)的情況下,植物可累積較高濃度的鎘,然后通過食物鏈進(jìn)入人體,引起健康問題。鎘在人體中的富集不僅會(huì)引起貧血、高血壓、腎損害以及對(duì)生殖細(xì)胞的選擇性毒害,還會(huì)使骨骼生長(zhǎng)代謝受阻。如世界聞名的骨痛病就是典型的例證,1955年至20世紀(jì)70年代初,在日本富山市神通川流域曾因大米鎘污染引起第二大公害病——“骨痛病”,期間先后有近100人因此而死亡。水稻是我國(guó)第一大糧食作物,水稻具有大量吸鎘的特性,有時(shí)生長(zhǎng)并未受到影響,但糙米的含鎘量卻已超過衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)數(shù)倍,甚至10多倍,直接影響我國(guó)的糧食安全。土壤-水稻系統(tǒng)重金屬污染問題已成為一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。稻田鎘污染的治理目標(biāo),不僅是抑制鎘對(duì)水稻的毒害和提高其產(chǎn)量,更重要的是減少水稻對(duì)鎘的吸收,抑制其進(jìn)入食物鏈。大量研究表明,不同水稻品種由于遺傳上的差異,對(duì)稻田鎘的吸收存在很大差異[7,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21]。因而研究者都認(rèn)為在輕、中度污染地區(qū),通過選育鎘低積累水稻品種可以將水稻籽粒的鎘濃度控制在允許范圍。不少研究表明水稻籽粒中鎘含量不僅在品種間達(dá)顯著差異,而且在水稻的品種類型間也達(dá)顯著性差異[7,17,18,19,20,21],但是研究結(jié)果之間多有差異與矛盾之處。王凱榮等的水培試驗(yàn)結(jié)果表明,雜交水稻(遺傳性狀不穩(wěn)定的基因型)比常規(guī)水稻(有穩(wěn)定遺傳特性的基因型)對(duì)鎘有更強(qiáng)的吸收能力。吳啟堂等和李正文也報(bào)道了相似的結(jié)果。李正文還認(rèn)為特種稻(黑米、紅米)鎘含量較低。但李坤權(quán)等認(rèn)為常秈品種籽粒對(duì)鎘的積累能力并不比雜秈低。而仲維功等最近對(duì)43個(gè)不同類型水稻品種的研究發(fā)現(xiàn),精米對(duì)鎘的富集能力:常規(guī)秈稻>雜交秈稻>常規(guī)粳稻。曾翔等研究結(jié)果表明7種類型水稻糙米對(duì)鎘的積累能力從大到小依次為:特種稻、常規(guī)早秈稻、三系雜交晚稻、兩系雜交晚稻、常規(guī)晚秈稻、常規(guī)粳稻、爪洼稻。那么面對(duì)這些差異,根據(jù)類型篩選是否可行?本文主要研究了水分管理這一環(huán)境因素對(duì)于水稻品種間鎘累積差異及差異穩(wěn)定性的影響,從而討論了品種篩選方法的可行性,并分析了根據(jù)類型篩選的可行性問題。1材料和方法1.1土壤樣品的采集試驗(yàn)于2008年在廣東省生態(tài)環(huán)境與土壤研究所的盆栽場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行。供試土壤為受大寶山礦區(qū)污染的紅壤性水稻土,于2008年3月5日采自廣東省韶關(guān)市翁源縣上壩村。土壤均采自耕層0~20cm,運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后經(jīng)風(fēng)干,磨碎,過2.5mm孔徑篩,充分混勻備用。另取部分磨碎,過1mm和0.149mm尼龍篩測(cè)定其基本理化性質(zhì)(表1)。1.2稻種催芽劑對(duì)帶蝽栽苗的催芽作用供試作物為分別取自華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院和廣東省農(nóng)科院水稻所的6種水稻(表2)。水稻盆栽試驗(yàn)在移栽前1周裝盆,裝入內(nèi)徑17cm、高20cm的塑料盆,每盆裝土4.5kg,再按每千克土施加0.10gN、0.10gP2O5、0.10gK2O,分別以尿素、磷酸二氫鉀和氯化鉀形式施入,作為基肥,與土重新混勻后泡水。稻種催芽后,先在無污染的稻田育秧,22d后將帶蘗秧苗移栽到塑料盆內(nèi),每盆插秧3株。移栽后盆缽?fù)撩嫔媳３?~3cm水層。設(shè)置兩個(gè)處理:全生育期淹水處理,水稻抽穗(2008年6月17日)后進(jìn)行排水處理。試驗(yàn)完全隨機(jī)設(shè)計(jì),設(shè)3個(gè)重復(fù)。1.3樣品采集與分析1.3.1植株分離和分析待水稻成熟后,先移出盆缽,使植株脫離土壤,采集根際土,然后先用自來水小心洗凈根系泥土,再用去離子水清洗整個(gè)植株,分離為根、莖葉、穗粒等不同器官,105℃殺青20min,70℃烘干。穗粒脫殼,分為精米和谷殼。分別將根、莖葉、精米和谷殼粉碎,過0.25mm尼龍篩,供化學(xué)分析用。根際土經(jīng)研磨后,分別過1mm和0.149mm尼龍篩,供化學(xué)分析用。1.3.2測(cè)定條件及分析方法植株Cd含量分析:采用HNO3-HClO4(3∶2,V∶V)混合酸消化,參照魯如坤推薦的方法。稱取粉碎的植株樣品0.5g左右,置于50mL三角瓶中,加入10mL混合酸,冷消化過夜。次日,將燒杯置于電熱板上,先低溫(100V左右)消煮1h,后高溫(200V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2mL左右,冷卻,加20%稀硝酸2mL,溶解沉淀,定容至25mL容量瓶。土壤有效態(tài)Cd、Fe、Mn的測(cè)定:稱取通過1mm篩的風(fēng)干土10.00g放入100mL塑料廣口瓶中,加0.1mol·L-1HCl50mL,25℃振蕩1.5h,參照鮑士旦推薦的方法。植物樣消煮液以及根際土提取液采用石墨爐原子吸收光譜法(北京普析TAS986)測(cè)定Cd。Fe和Mn采用原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定(北京瑞利WFX-130),消化和測(cè)定中所用試劑均為GR級(jí)。以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW(E)080684(大米鎘標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì),0.009mg·kg-1)為內(nèi)標(biāo)控制分析質(zhì)量。pH值測(cè)定:pH計(jì)(上海英格pHs-25)。1.4數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與分析分析結(jié)果進(jìn)行平均值和標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計(jì),統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)采用SPSSforWindows11.0軟件。2結(jié)果與討論2.1選擇不同品種的過濾能力2.1.1水稻各品種中鎘的相關(guān)性對(duì)淹水處理和排水處理內(nèi)的水稻品種間精米鎘含量差異分別進(jìn)行單因素方差分析,結(jié)果表明淹水處理內(nèi)的品種間精米鎘含量差異極顯著(P<0.01),而排水處理下也有顯著差異(P<0.05)。這表明有可能通過品種篩選方法獲得低鎘品種從而種植在中、低度鎘污染的土壤上以達(dá)到糧食安全生產(chǎn)要求。從根、稻稈、精米、谷殼的鎘含量之間的皮而森相關(guān)關(guān)系結(jié)果中可以看出(表3),無論排水還是淹水處理下,根的鎘含量與其他3個(gè)器官的鎘含量均具有顯著或極顯著正相關(guān)性。而稻稈與精米和谷殼均沒有顯著相關(guān)性。但精米與谷殼的鎘含量具有極顯著相關(guān)性。由此看來,水稻植株地上部的鎘含量主要取決于根系從土壤中吸收的鎘量。在同一土壤上,高鎘水稻品種的根系吸收更多的鎘,并向地上部運(yùn)輸更大的比例。而根系間吸收鎘的差異可能取決于根系的能力以及根系與土壤環(huán)境的交互作用。而精米間鎘含量的差異則不僅取決于根系鎘含量,還取決于鎘在籽粒中的分配,這說明鎘在水稻不同器官中的分配比例因水稻的品種不同而有顯著差異。因此對(duì)于低鎘水稻品種的選育不僅應(yīng)注重水稻植株的吸收量而且應(yīng)注重鎘在籽粒與莖之間的分配問題。2.1.2控制家庭暴力對(duì)水稻中鎘含量的影響從表4、圖1以及方差分析結(jié)果我們可以得出,排水處理下精米鎘含量極顯著高于淹水處理的鎘含量。淹水處理下,6個(gè)品種的精米鎘含量均低于0.2mg·kg-1這一國(guó)家糧食限量標(biāo)準(zhǔn)。排水處理下的精米鎘含量均高于0.35mg·kg-1,其平均值是淹水處理的5倍多?？梢?在鎘污染土壤中水稻抽穗后排水處理具有極大的糧食安全隱患,應(yīng)加強(qiáng)對(duì)水稻水分管理的研究,從而找出有利于水稻精米低鎘吸收的水分管理方法。研究結(jié)果同時(shí)還表明,水稻抽穗后這一時(shí)期對(duì)于精米的鎘含量具有很大影響。根據(jù)單因素方差分析,不同水分處理間精米、谷殼、根的鎘含量均有極顯著差異(P<0.01)(排水處理顯著高于淹水處理),而稻稈鎘含量、地上部鎘含量以及根際土有效鎘含量(表5)、pH值均沒有顯著差異(P>0.05)?？梢?不同水分管理下,精米的鎘含量差異并不是由于pH或者有效態(tài)鎘含量的變化。但淹水處理的水稻根際土有效態(tài)Fe、Mn(表5)顯著高于排水處理(P<0.05)。這與紀(jì)雄輝等研究結(jié)果不盡相同,其研究表明,酸性稻田土壤實(shí)行長(zhǎng)期淹水管理主要是通過降低土壤氧化還原電位來增加土壤中的還原態(tài)鐵、錳等陽離子和S2-等陰離子,以及在淹水后逐漸升高的pH作用下,加劇了土壤中這些還原態(tài)陽離子與Cd的競(jìng)爭(zhēng)吸附,和還原態(tài)陰離子與Cd的共沉淀作用,從而達(dá)到降低水稻糙米中Cd含量的目的。而隨著排水處理下精米鎘含量的增加,品種間的差異有被削弱之勢(shì),不僅P值增加,而且CV%、Max/min的值也是明顯低于淹水處理的。盡管Yu等和Grant等均認(rèn)為水稻對(duì)鎘的吸收量是基因型控制的,而且這一遺傳性狀比較穩(wěn)定。但是根據(jù)前人研究結(jié)果間的差異與矛盾,可以推斷水稻籽粒對(duì)鎘的吸收與累積是植株與環(huán)境因素相互作用的結(jié)果。而大量的研究也表明水稻品種間籽粒對(duì)鎘吸收量的穩(wěn)定性受到環(huán)境的挑戰(zhàn)。影響水稻籽粒鎘含量穩(wěn)定性的環(huán)境因素包括季節(jié)、地點(diǎn)(土壤鎘含量、土壤類型、土壤pH值等),而管理措施則通過影響環(huán)境因素而間接影響水稻籽粒中的鎘含量。兩個(gè)水分處理下的6個(gè)品種的方差分析結(jié)果表明(表6),品種、水分處理對(duì)于精米的鎘含量都有極顯著差異(P<0.01)。這與柯慶明、邵國(guó)勝以及程旺大等的研究結(jié)果相似,他們認(rèn)為水稻籽粒的鎘含量受水稻品種的基因型、環(huán)境、基因型和環(huán)境互作3個(gè)方面的影響。但本試驗(yàn)中,水分管理與基因型的互作對(duì)精米鎘的效應(yīng)未達(dá)顯著水平。計(jì)算每一個(gè)變量的方差占總方差的比例,水分處理的方差比例最大,為82.78%,而品種所占的比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水分處理占總方差的比例,僅為9.46%。可見相對(duì)于品種,水分處理對(duì)于精米鎘含量的控制力更大。從而表明在本試驗(yàn)中,精米鎘含量的差異主要取決于水分管理。無論是高鎘還是低鎘品種,水稻籽粒中的鎘含量均會(huì)受到管理措施的影響。在酸性鎘污染土壤中選取或種植低鎘品種水稻的同時(shí),應(yīng)注重采取淹水處理來降低水稻對(duì)鎘的吸收。選用低鎘品種并結(jié)合降低鎘累積量的管理措施將更為有效地減少鎘進(jìn)入食物鏈中。由表7多重比較可以看出,淹水處理與排水處理的精米鎘含量的排名順序雖然沒有完全一致,但是考慮到差異是否顯著這一因素,淹水處理與排水處理下的精米鎘含量的排名是沒有區(qū)別的。而且含量最高的兩個(gè)品種,玉香油占、雜陪163是完全一致的,在兩個(gè)水分處理中均分別處于第一、第二的位置。由此可見,雖然水分管理的方差值占總方差的比例要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于品種,但是品種間的差異及排名沒有受到水分管理的影響,保持了一定的穩(wěn)定性,因此根據(jù)基因型差異對(duì)于品種進(jìn)行篩選是可行的。2.2水稻類別與鎘含量的關(guān)系按照3種類型分類對(duì)試驗(yàn)的6個(gè)品種進(jìn)行分類:(1)按品種分類:常規(guī)稻和雜交稻;(2)按產(chǎn)量分類:超級(jí)稻和非超級(jí)稻;(3)把雜交稻再進(jìn)行分類:兩系雜交稻和三系雜交稻。分別對(duì)每一個(gè)類型與精米Cd含量進(jìn)行單因素方差分析。結(jié)果表明,無論是淹水處理還是排水處理下,任一類型內(nèi)類別間精米Cd含量均沒有顯著差異(P>0.05)。不少研究注重秈稻和粳稻間的精米鎘含量差異。秈稻和粳稻屬親緣關(guān)系較遠(yuǎn)、在植物分類學(xué)上已成為相對(duì)獨(dú)立的兩個(gè)亞種,因此兩類別間的精米鎘含量的基因型差異比較大。但秈稻和粳稻主要是由于地理分布的不同,若把其放在同一地方進(jìn)行研究,研究結(jié)果對(duì)于兩種水稻類別的公平性有待考慮。而且根據(jù)前面的總結(jié),在不同的試驗(yàn)條件下(主要是環(huán)境以及選取的品種不同),前人對(duì)于水稻品種類別間差異的研究結(jié)果多有差異與矛盾之處,因此通過研究類別間的差異來篩選很難得到一致的結(jié)果。因?yàn)樗靖鞣N類型的分類與鎘低積累、高積累這一分類方法是不吻合的,很難找到交集。譬如,常規(guī)稻、雜交稻的分類是根據(jù)基因是否純合來進(jìn)行的,而鎘低積累和高積累品種是根據(jù)水稻對(duì)鎘的吸收特性來劃分的,如果為了篩選方便,硬要把低鎘、高鎘吸收品種與常規(guī)稻、雜交稻歸并在一起,是很牽強(qiáng)。但針對(duì)品種的篩選,根據(jù)不同的文獻(xiàn)報(bào)道的結(jié)果,可以總結(jié)得出了一些穩(wěn)定的相對(duì)低積累水稻品種,例如武育粳3號(hào)、武育粳7號(hào)。在Arao和Ishikawa的研究中,NIPPONBARE品種在兩種土壤中兩年均屬于籽粒最低鎘含量系列,LAC23以及HU-LO-TAO品種在兩種土壤中也都處于籽粒最低鎘含量系列。盡管生活在不同的環(huán)境(不同的試驗(yàn)條件),而汕優(yōu)63[7,10,11,12,18,30,32]、兩優(yōu)培九一致被認(rèn)為屬于高積累水稻品種,對(duì)鎘較敏感。因此對(duì)于篩選出來的穩(wěn)定的品種,應(yīng)加強(qiáng)對(duì)其研究,找出根本原理。3水分管理等環(huán)境因素對(duì)水稻鎘含量的影響人口增長(zhǎng)以及耕地減少導(dǎo)致大面積的污染土地仍被利用作農(nóng)事生產(chǎn)。因此能否在中低污染程度的土壤上種植低鎘累積的安全水稻越來越受到關(guān)注。而大量的研究發(fā)現(xiàn),水稻對(duì)鎘的吸收和累積存在基因型差異,從而表明有可能培育或篩選出適用于污染土壤上的低鎘含量的水稻品種。但大多數(shù)的研究是水培試驗(yàn)或者外加Cd盆栽試驗(yàn),而且很少同時(shí)考慮環(huán)境與基因型效應(yīng)。本試驗(yàn)結(jié)果表明水分管理這一環(huán)境因素對(duì)于水稻吸收和累積Cd含量的效應(yīng)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基因型效應(yīng)。但在兩個(gè)水分處理中,水稻品種間鎘含量的排名順序基本保持一致。大量研究還報(bào)道了水稻類別間存在的籽粒對(duì)鎘累積的差異,然而對(duì)于類型的篩選研究結(jié)果因試驗(yàn)