章飞翔，陈新友，董力军，何顺民，王先万，吴新德，李伟平*，吴祥为

酸性土壤背景下不同品种水稻对镉的吸收差异分析

章飞翔1，陈新友2，董力军3，何顺民2，王先万5，吴新德4，李伟平1*，吴祥为6

(1. 安徽国祯环境修复股份有限公司，合肥 230088；2. 池州市贵池区农业农村局，池州 247100；3. 池州市贵池区生态环境分局，池州 247100；4. 池州市农业技术推广中心，池州 247100；5. 池州市贵池区农业技术推广中心，池州 247100；6. 安徽农业大学资源与环境学院，合肥 230036)

以池州市贵池区某一矿山周围遭受到镉（Cd）污染的酸性土壤为背景，选用24种水稻进行大田试验，比较分析不同品种水稻对Cd吸收累积的差异，以期筛选出适合当地种植的Cd低积累水稻品种，为农用地安全利用提供品种依据。结果表明：1）不同水稻之间的根部、茎叶和籽粒的Cd含量差异显著，但每个品种的Cd含量分布均呈现出根部>茎叶>籽粒的规律；2）运用系统聚类分析发现荆占一号、隆稻3号、鄂中6号、荃早优406和梦两优丝苗这5种水稻与其他水稻相比，对Cd的吸收能力最弱；通过内梅罗综合污染指数分析发现，梦两优丝苗的污染指数显著低于其他品种，位于农产品安全警戒线内，对Cd的累积能力最弱；3）通过比较24种水稻对Cd的富集系数、转运系数和相关性分析发现，水稻籽粒Cd含量与籽粒富集系数、茎叶向籽粒转运系数显著正相关，与根部向地上部转运系数相关性不显著，梦两优丝苗的茎叶向籽粒的Cd转运系数以及籽粒富集系数均显著低于其他品种，呈现出Cd积累特性。综上，发现籼型两系杂交水稻梦两优丝苗可以作为本区域Cd低积累水稻品种进行种植。

低积累水稻；重金属；镉；转运系数；富集系数

近年来，我国农田土壤污染问题受到广泛关注，2014年发布的《全国土壤污染状况调查公报》首次提出我国耕地土壤污染监测点位超标率为19.4%，其中镉污染点位超标率达7.0%，成为了影响耕地质量的首要污染物[1]。农用地土壤中的Cd污染原因较多，主要有矿山开采和洗选、“三废”排放、污水污灌、以及不合理的化肥施用等人为活动[2]，尤以矿山周边的农用地受到Cd污染影响最为明显[3-4]。水稻是一种容易吸收土壤中Cd元素的农作物[5-6]，也是我国重要的粮食作物，而江淮地区作为我国水稻主产区之一，受到沿江成矿带矿业活动的影响，农田土壤中Cd污染问题较为突出，导致部分区域水稻中Cd浓度超过国家标准[7-8]。当Cd被水稻吸收并在体内累积后，不仅会影响到水稻的生长发育，导致产量下降[9]，还会在稻谷中富集并通过食物链进入到人体，严重影响到人类的食品安全和身体健康[10]，因此实现Cd污染农田的安全利用迫在眉睫。

对于Cd污染农田的常见修复技术有钝化修复、植物修复、农艺调控与品种筛选等[11-12]，其中低积累品种的筛选种植成本较低，关注度越来越高[5,13-14]。2019年农业农村部组织专家学者编写了《轻中度污染耕地安全利用与治理修复推荐技术名录（2019）版》[15]，并将品种调整作为一项推荐技术进行了介绍。但由于水稻具有较强的区域性，必须选择适宜当地且对Cd低累积的水稻才能更好抑制Cd进入食物链，实现农用地安全利用目标。因此，为更好地推动池州市贵池区农用地安全利用工作，本研究以安徽省贵池区某一矿山周边的水稻田为依托开展大田试验，选择当地主栽品种为主和其他区域水稻品种为辅的方式进行Cd低积累水稻品种筛选试验，探究品种Cd累积差异性，为安徽省贵池区后续实施农用地安全利用措施提供可参考的水稻品种。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

研究区域位于安徽省池州市贵池区殷汇镇某村（117°20′ E，30°29′ N），属亚热带季风性湿润气候区，年平均温度16.1 ℃，年平均降雨量在1 400～ 1 700 mm。试验区以平原为主，适宜农作物生长的时期为3月30日至11月17日，土壤类型为沙泥土，土壤基本理化性质和重金属含量如表1所示。

表1 土壤基本理化性质和重金属含量

1.2 试验设计

本研究以当地主栽水稻品种为主，其他区域种植的水稻为辅，共选用24个水稻品种。每个水稻品种设置3个重复处理小区，每个小区随机分布，共计72个小区，每个小区面积为30 m2（5 m×6 m），每个小区之间采用田埂覆膜方式进行隔离，田埂宽度为1 m。水稻种植采用人工移栽方式，即水稻种通过添加苗博士（种子包衣剂）进行拌种催芽后进行秧田育秧，育秧25 d后进行秧苗移栽。秧苗移栽之前对水田进行耕作，按每亩地80 kg一次性施撒长效复合肥（N∶P∶K=26∶10∶12）作为底肥。除试验区水稻品种不同之外，田间日常管理与其他水稻种植保持一致。

1.3 样品采集与分析

试验小区在每季作物成熟后，对水稻和土壤按照“五点法”进行共点采样，土壤样品采集表层土（0～20 cm），样品经风干后磨碎混匀，过10目筛备用；水稻样分别采集根、茎叶和籽粒，用去离子水清洗过后放入105 ℃烘箱进行杀青30 min处理，再经75 ℃烘干至恒重取出磨碎备用。

土壤pH按照体积比土∶液=1∶2.5（/）混合，充分振荡后利用pH 计（Mettler Tojedo）测量；土壤重金属总量提取参考《土壤和沉积物12种金属元素的测定王水提取—电感耦合等离子体质谱法（HJ 803—2016）》[16]微波消解，ICP-MS测定；土壤有效态重金属提取参考GB/T 23739—2009[17]，采用DTPA浸提法，火焰原子吸收光谱仪测定。

水稻根、茎叶和大米中的重金属测试采用微波消解仪（屹尧GT 4000）提供的方法，称取0.2 g样品加入7 mL浓硝酸进行微波消解，定容过滤后用ICP-MS测定Cd的含量。

所有样品均使用双平行测试取平均值，每10件样品中加入1件标准样品同步分析，实现对测试结果的质量控制。

1.4 数据处理

1.4.1 富集及转运系数 为表征不同品种水稻对Cd吸收累积与分配特征，计算了水稻对Cd根系富集系数（BCFR）、籽粒富集系数（BCFG）、根系向地上部（茎和叶）的转运系数（TFR-SL）及地上部（茎和叶）向籽粒的转移系数（TFSL-G）[18]，公式如下：

BCF=水稻根部Cd含量（mg·kg-1）/土壤Cd总量（mg·kg-1） （1）

BCF=水稻籽粒Cd含量（mg·kg-1）/土壤Cd总量（mg·kg-1） （2）

TF=水稻地上部Cd含量（mg·kg-1）/水稻根部Cd含量（mg·kg-1） （3）

TF=籽粒Cd含量（mg·kg-1）/水稻地上部Cd含量（mg·kg-1） （4）

使用Excel 2019 软件对数据的平均值及标准差进行前期整理，Origin 8.0制图，利用SPSS 26.0软件对数据进行分析，利用单因素方差分析（One-way ANOVA）对不同处理之间数据的差异性进行检验。

1.4.2 水稻Cd综合累积能力评价 为表征不同品种水稻对Cd的累积能力，参照土壤污染评价指数法，分别采用单因子污染指数（P）和内梅罗综合污染指数（综）[19]对籽粒Cd含量状况进行表征：

2 结果与分析

2.1 水稻各部位Cd含量特征差异分析

不同品种水稻之间的籽粒、根和地上部位对Cd的吸收特性具有显著差异。如表2所示，超泰占的籽粒Cd含量最高，达到0.69 mg·kg-1，而梦两优丝苗籽粒中的Cd含量最低，仅为0.19 mg·kg-1。研究对象中，无论是籼型常规、籼型两系杂交还是籼型三系杂交稻，虽然个体上差异很大，但差异并不显著，3种类型水稻的籽粒平均Cd含量在0.51～0.53 mg·kg-1之间，籼型两系杂交＞籼型三系杂交=籼型常规。表明尽管水稻品种不同，但不同类型的水稻籽粒均有对Cd元素吸收性差和吸收性强的水稻品种，需要进行科学筛选。通过比较根部Cd含量差异时发现，凤营丝苗的根部Cd含量最高，达到9.74 mg·kg-1，显著高于其他品种，而荆占一号的含量仅为4.63 mg·kg-1，低于其他品种根部Cd含量，3种类型的根部平均Cd含量大小为籼型三系杂交＞籼型两系杂交＞籼型常规。在茎叶部位中黄花占的Cd含量最高，为5.68 mg·kg-1，而荆占一号的Cd含量为2.52 mg·kg-1，显著低于其他品种。3种类型水稻的茎部平均Cd含量大小为为籼型两系杂交＞籼型三系杂交＞籼型常规。

在研究的24个水稻品种中，不同品种水稻体内主要部位的Cd含量由于品种不同而呈现出显著差异[20]。仅有梦两优丝苗低于《食品安全国家标准食品中污染物限量》（GB2762—2017）（0.2 mg·kg-1）[21]，表现出了较好的Cd低积累特性。无论是籼型三系杂交水稻还是籼型两系杂交水稻，其根和茎叶的Cd含量虽然显著高于籼型常规水稻，但是籽粒Cd含量与籼型常规水稻相比无显著差异，表明无论是籼型三系杂交、两系杂交还是常规稻之间，既有籽粒中Cd含量高的也有籽粒Cd含量低的品种，这与林小兵等研究的早、中、晚稻的籽粒Cd含量都便显出三系杂交高于两系杂交的结果[22]有一定的差异，这可能与水稻品种或基因类型不同而导致的结果差异[23]。但总体上呈现出根部Cd含量＞地上部（茎叶）＞籽粒的规律，前人的研究相似[24]。

2.2 水稻籽粒对Cd的吸收差异分析

通过系统聚类分析方法将不同水稻籽粒的Cd含量进行差异分析，用图来表达不同水稻籽粒对Cd的吸收能力，如图1所示。根据系统聚类分析方法，将水稻籽粒的Cd含量分为3类，第Ⅰ类表示水稻对Cd吸收能力差；第Ⅱ类表示对Cd吸收能力一般；第Ⅲ类表示对Cd吸收能力强。属于第Ⅰ类的有荆占一号、隆稻3号、鄂中6号、荃早优406和梦两优丝苗这5种水稻，选用这5种水稻与其他19种水稻相比，更有利于实现农用地安全利用的目标。

2.3 水稻籽粒对Cd的综合累积差异分析

参照土壤单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法，采用单因子污染指数和综合污染指数评价Cd元素对不同品种水稻的综合污染等级，并将结果分为5类：农产品安全，综≤0.7；农产品警戒线，0.7＜综≤1.0；、农产品轻污染，1.0＜综≤2.0；农产品中污染，2.0＜综≤3.0；农产品重污染，综＞3.0。如表3所示，所研究的24个品种在Cd的胁迫下，无任何品种的水稻籽粒处于农产品安全类别，仅有1种位于农产品警戒线，即梦两优丝苗；4种位于农产品轻污染类别，有荆占一号、鄂中6号、隆稻3号和荃早优406号；10种位于农产品中污染类别，有合美占、隆华丝苗、鄂丰丝苗、亮两优1206、银两优851、深两优粤和丝苗、两优106、两优389、瑞两优9578和隆香优1221；9种位于农产品重污染类别，有黄花占、丰籼占、凤营丝苗、超泰占、徽两优五星丝苗、垦两优801、沪两优662、QY-5五丰优和QY-3荃广优丝苗。

表2 不同品种水稻各部位Cd含量差异特征

注：不同小写字母表示处理间差异显著（0.05）。下同。

图1 不同品种水稻籽粒Cd含量聚类分析

Figure 1 Cluster analysis of Cd content in grains of different rice varieties

通过内梅罗综合污染指数分析发现，在研究对象中，仅有梦两优丝苗位于农产品安全警戒线内，而荆占一号、隆稻3号、鄂中6号和荃早优406这4种均属于农产品轻微超标类别，其他水稻籽粒污染指数更高。这就表明在籼型两系杂交水稻梦两优丝苗不仅对Cd的吸收能力较差，对Cd的累积能力也弱，在Cd污染的酸性土壤中表现出了较好的安全生长和低吸Cd性能。

表3 Cd元素对水稻籽粒综合污染指数的差异

图2 根系向地上部转运系数

Figure 2 Translocation coefficient from roots to shoots

图3 地上部（茎叶）向籽粒转运系数

Figure 3 Translocation coefficient of shoots (stem and leaves) to grain

图4 水稻根部对Cd的富集系数

Figure 4 Enrichment coefficient of Cd in rice roots

2.4 水稻对Cd的转运特征分析

水稻根系向地上部转运系数在一定程度上能够反应水稻根部向茎叶的Cd转运能力。如图2所示，Cd从根系向地上部转运系数在0.35～0.86之间，不同品种水稻之间的转运系数差异明显。超泰占、凤营丝苗和鄂中6号的转运系数显著低于其他品种，表明这3种水稻不容易从地下将重金属转移至地上部；而黄花占的转运系数为0.83，显著高于所有水稻，表明黄花占与其他品种相比，更容易将Cd从根部转移至地上部。

图5 水稻籽粒对Cd的富集系数

Figure 5 Enrichment coefficient of Cd in rice grains

水稻的地上部（茎叶）向籽粒的转运系数在一定程度上能够反应水稻茎叶向稻米转运Cd的能力。如图3所示，荃早优406、梦两优丝苗和隆稻3号的转运系数为0.06～0.07，显著低于其他品种，表明水稻Cd从茎叶部位很难转移至籽粒部位；而超泰占的地上部向籽粒转运系数为0.26，显著高于其他品种，相比其他品种更容易将Cd元素从茎叶转移至籽粒部位。

总体上，无论是由水稻根部向茎部转运还是由水稻茎部向籽粒转运Cd元素，研究的24种水稻转运系数均小于1，表明这几种水稻所吸收的Cd元素在水稻体内迁移的能力较弱。在这24种水稻当中，荃早优406、梦两优丝苗和隆稻3号这3种水稻的茎叶向籽粒传输Cd元素能力最弱，超泰占和凤营丝苗这2种水稻的根部向茎叶传输Cd元素的能力最弱。

2.5 水稻各部位对Cd的富集特征分析

水稻根部的Cd富集系数能在一定程度上反映根部对Cd的累积情况。如图4所示，本研究中的24个水稻品种其水稻根部的富集系数在7.72～16.24之间，均大于1，表明研究的24个水稻品种根部对Cd的累积能力均很强。24个水稻品种中，常规稻荆占一号的根部富集系数最低为7.72，显著低于其他品种。

水稻籽粒的富集系数可以在一定程度上反映稻米对Cd的吸收累积情况。如图5所示，本研究的24个水稻品种的籽粒富集系数在0.31～1.14之间，其中籽粒富集系数大于1的水稻品种有黄花占、丰籼占、凤营丝苗、超泰占、徽两优五星丝苗、垦两优801、沪两优662、QY-5五丰优和QY-3荃广优丝苗，表明这几种水稻对Cd元素富集强，水稻Cd超标风险大；籽粒富集系数低于1的水稻有15种，其中梦两优丝苗的籽粒富集系数最低为0.31，显著低于其他水稻品种，表明梦两优丝苗比其他品种相比，对Cd的的累积能力最弱，水稻Cd超标风险小。

表4 水稻籽粒Cd含量相关性分析

注： *和**分别表示在0.05和0.01级别上的相关性显著。

2.6 水稻籽粒Cd含量相关性分析

通过将水稻籽粒Cd含量与根部Cd含量、茎部Cd含量、根系向地上部转运系数、茎叶向地上部转运系数、根部富集系数和籽粒富集系数进行相关性分析，可以进一步了解到水稻籽粒的Cd含量主要受到哪些因素影响[20]。如表4所示，籽粒中的Cd含量与根部、茎部Cd含量以及转运系数、富集系数均呈现出一定的相关性，表明籽粒的Cd含量受到多种因素影响，但与茎叶向籽粒转运系数、籽粒富集系数呈显著正相关性，说明籽粒Cd含量受到籽粒富集系数和茎叶向籽粒转运系数这两方面的影响最大。籽粒Cd含量与根部向地上部转运系数之间的相关性系数仅为0.067，低于其他指标，说明水稻籽粒中的Cd含量受到水稻根部向地上部转运系数影响最小。

在本研究中，水稻根部向地上部转运系数和地上部分向籽粒转运系数均小于1，表明Cd在水稻植株体内的迁移效果较差；根部对Cd富集系数均大于1，表明根部对Cd的累积性强；籽粒对Cd的富集系数则差异显著，37%的籽粒Cd富集系数远大于1，表明这37%的水稻籽粒很容易吸收并将Cd元素在体内富集，而63%的籽粒Cd富集系数小于1，表明Cd元素不易在这些水稻籽粒中富集[25-26]。

3 结论

本研究的24个水稻虽品种不同，但各部位的Cd含量均呈现出根部＞茎叶＞籽粒的规律，其中梦两优丝苗的籽粒Cd含量低于《食品安全国家标准食品中污染物限量》（GB2762—2017）中要求的Cd限量值（0.2 mg·kg-1）；

荆占一号、隆稻3号、鄂中6号、荃早优406和梦两优丝苗这5种水稻对Cd吸收能力较弱；但根据内梅罗综合污染指数，梦两优丝苗低于农产品安全警戒线；

水稻籽粒Cd含量与水稻籽粒富集系数、水稻茎叶向籽粒转运系数均呈现显著的正相关性，与根部向茎叶转运系数的相关性不显著，梦两优丝苗的籽粒富集系数显著低于其他水稻品种；

在本区域酸性土壤背景下，可以选用梦两优丝苗作为Cd低积累水稻品种开展农用地安全利用工作。

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Analysis of differences in cadmium uptake by different rice varieties under acidic soil background

ZHANG Feixiang1, CHEN Xinyou2, DONG Lijun3, HE Shunmin2,WANG Xianwan5, WU Xinde4, LI Weiping1, WU Xiangwei6

(1. Anhui Guozhen Environmental Remediation Co., Ltd, Hefei 230088; 2. Agricultural and Rural Bureau of Guichi District, Chizhou 247100; 3. Ecological and Environmental Bureau of Guichi District, Chizhou 247100; 4. Agricultural Technology Extension Center of Chizhou City, Chizhou 247100; 5. Agricultural Technology Extension Center of Guichi District, Chizhou 247100; 6. School of Resources and Environment, Anhui Agricultural University, Hefei 230036)

In order to screen out rice varieties with low Cd accumulation suitable for local cultivation and provide a variety basis for the safe use of agricultural land, a field experiment with 24 kinds of rice was conducted on the acidic soil contaminated by cadmium (Cd) around a mine in Guichi District, Chizhou City. The results showed that: 1) There were significant differences in Cd content in roots, stems and leaves and grains among different rice varieties, but the distribution of Cd content in each variety showed the rule of roots> stems and leaves> grains; 2) Using systematic cluster analysis, it was found that compared with other rice types, Jingzhan No. 1, Longdao No. 3, Ezhong No. 6, Quanzaoyou 406 and Mengliangyou Simiao have the weakest absorption capacity for Cd; the analysis found that the pollution index of Mengliangyou Simiao was significantly lower than that of other varieties, and it was located within the safety warning line of agricultural products, and the accumulation ability of Cd was the weakest; 3) By comparing the enrichment coefficient, transport coefficient and correlation of 24 kinds of rice to Cd statistical analysis showed that the Cd content in rice grains was significantly positively correlated with the grain enrichment coefficient and the transport coefficient from stem to grain, but not significantly correlated with the transport coefficient from roots to shoots. And grain enrichment coefficients were significantly lower than other varieties, showing the characteristics of Cd accumulation. In conclusion, the result found that the indica two-line hybrid rice Mengliangyou Simiao can be planted as a low-accumulation rice variety in this region.

low accumulation rice; heavy metals; cadmium; transshipment; coefficient; enrichment coefficient

X53; S511

A

1672-352X (2023)02-0319-07

10.13610/j.cnki.1672-352x.20230511.006

2023-05-12 10:47:39

[URL] https://kns.cnki.net/kcms/detail/34.1162.s.20230511.1151.012.html

2022-05-23

土壤污染治理与修复技术应用试点项目（涉镉排查整治）（CZB4202050-1），安徽省科技重大专项（202003a06020024）和合肥市关键共性技术研发项目（2021GJ063）共同资助。

章飞翔，硕士研究生。E-mail：752970442@qq.com

通信作者:李伟平，博士，助理研究员。E-mail：liweiping@mail.ustc.edu.cn