貴州青黃泥田重金屬元素低積累水稻品種篩選

張容慧 張秀錦 柴冠群 范成五 何騰兵 秦松

（1 貴州大學 農學院，貴陽 550025；2 貴州大學 新農村發展研究院，貴陽 550025；3 貴州民族大學，貴陽 550025；4 貴州省農業科學院土壤與肥料研究所，貴陽 550025；第一作者：1490169159@qq.com；*通信作者：2480406180@qq.com）

近年來，國內耕地土壤重金屬污染問題日益突出。據統計，全國土壤點位總超標率為16.1%，耕地土壤點位超標率達19.4%，以中輕度污染為主[1]。水稻是我國主要的糧食作物，作為重金屬高累積型大宗谷物類作物，可通過自身的富集和轉運作用將重金屬累積于籽粒，影響食品安全與人體健康[2]。貴州耕地資源緊缺，且自然地質背景值較高，在重金屬復合污染耕地上種植水稻會增加其污染風險。因此，如何控制與修復稻田重金屬污染、保障中輕度重金屬污染地區水稻的安全生產已成為當前亟待解決的問題。在眾多的修復技術中，物理化學修復效果較好，但成本高、易二次污染、工程量大[3]。植物修復周期較長，將貴州大面積中輕度污染的農田（青黃泥田面積約0.61 萬hm2）停止農作，進行長期修復也不現實[4]。培育和篩選重金屬低累積水稻品種，可避免修復周期與作物耕種需求相沖突，是一條解決稻米重金屬超標、保障人體健康的有效途徑。

近年來，國內外對水稻重金屬低累積品種篩選研究從單一重金屬污染向多元素復合污染發生轉變。鄒艷虹等[5]在滇南礦區周邊重金屬復合污染稻田進行2～3 年的大田試驗，證明不同基因型稻米中砷（As）、鉛（Pb）和鎘（Cd）含量差異極顯著。馮蓮蓮等[6]在典型Cd和Pb 復合污染農田對7 個水稻品種開展品種篩選試驗，7 個品種籽粒Cd 和Pb（除臺粳8 號外）含量均未超標，東聯5 號含量最低。單天宇等[7]以4 個低Cd 累積水稻品種和2 個當地主栽品種為研究對象，探索Cd 、As復合污染稻田下不同水稻品種對Cd、As 的吸收和累積特征，結果表明，品種間對Cd、As 的富集能力和各部位的轉運能力存在差異，其中低Cd 吸收品種體內Cd 從穎殼向籽粒的轉運能力較低，主栽品種馬壩油粘籽粒Cd 含量顯著高于低累積品種。林小兵等[8]對比分析了129 個水稻品種對Cd、Pb、Cr（鉻）、As 和Hg（汞）累積的影響，發現早、中、晚稻均為三系雜交稻Cd 含量高于兩系雜交稻，三系雜交早稻糙米Cr 和總Hg 含量顯著高于兩系雜交早稻，中稻糙米Cd 含量與Pb 和總Hg 含量間呈顯著正相關。結果表明水稻對重金屬的吸收累積受遺傳背景、品種類型和重金屬互作的影響較大。馮愛煊等[9]在重金屬復合污染區對重慶市13 個主推水稻品種開展篩選試驗，結果表明，不同水稻品種籽粒Cd、As、Pb 和Cr 含量極值相差分別超過3 倍、4 倍、20 倍和3 倍，通過籽粒重金屬含量區分為低累積值類、中間值類和高累積值類，其中隆兩優534、Y 兩優1 號、袁兩優908 和渝香203 為重慶地區適宜種植的低累積品種。潘榮慶[10]和李虎等[4]經多年研究驗證發現，品種桂育12和裕豐優158 種植在中低度重金屬污染稻田，其籽粒Cd 和As 含量不超標，籽粒低累積性狀較穩定，可在廣西推廣?，F有的重金屬復合污染稻田低累積水稻品種篩選的研究多涵蓋數個稻區，而不同的水稻品種具有不同的生態適應性，不同生態區土壤重金屬復合污染及轉化特性不同，導致不同的低累積水稻品種的應用通常具有很強的區域性[11-12]。目前，適宜貴州中部地區重金屬復合污染稻田，尤其是青黃泥田（潛育型水稻土）種植的低累積水稻品種鮮見報道。

本研究以貴州中部地區近年10 個主栽水稻品種為試驗材料，在中輕度重金屬復合污染農田土壤上開展田間原位小區試驗，分析不同水稻品種對不同重金屬的吸收累積能力差異，以期篩選出適宜該地區青黃泥田種植的重金屬低累積品種，為貴州省水稻安全生產提供品種選擇。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗于2021 年開展。試驗地點位于貴州中部地區，地理位置東經106°30′、北緯26°55′，海拔1 259 m。該地區屬北亞熱帶季風濕潤氣候，夏無酷暑，冬無嚴寒，雨量充沛，雨日多，日照少，山區氣候特色明顯。供試土壤類型為青黃泥田，屬于潛育型水稻土，基本理化性質如下：pH 5.73，有機質122.20 g/kg，總氮0.46 g/kg，總磷0.60 g/kg，堿解氮246.70 mg/kg，有效磷15.00 mg/kg，速效鉀82.00 mg/kg，土壤肥力較高。

供試土壤Cd、Cr、Pb、Ni、Cu 和Zn 含量見表1，以GB 15618—2018《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準（試行）》土壤風險篩選值為標準，Cd、Cr、Pb、Ni、Cu 和Zn 的污染指數依次為1.53、1.32、0.37、1.44、3.92 和1.10，除Pb 外，其他5 種重金屬元素含量均超過GB 15618—2018 土壤風險篩選值和貴州土壤背景值[13]，說明區域內稻田土壤存在重金屬復合污染。

表1 供試土壤重金屬含量（單位：mg/kg）

1.2 供試材料

供試水稻品種為貴州中部地區近年推廣的主栽品種，分別為樂優891、中優295、宜香優800、蓉3 優918、秀香優8 號、麗香優5 號、野香優莉絲、中優808、野香優2988 和花香優357，種子由當地農業農村局提供。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗設計

田間小區試驗，1 個品種即為1 個處理，每個處理3 次重復，10 個品種采用隨機區組排列，每個品種種植面積15 m2，共設置30 個小區，種植密度為15.15 萬叢/hm2。4 月10 日育苗，秧齡52 d，6 月2 日移栽，9 月24 日收獲。田間管理措施與往常保持一致。

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1.3.2 樣品采集與處理

水稻樣品：成熟期，每個小區按梅花形取樣法取5株水稻及對應土壤樣品，按同一小區組成混合樣，裝入尼龍網袋，帶回實驗室測量農藝性狀，再用自來水洗凈后純水沖洗3 遍，置于烘箱105 ℃殺青2 h，80 ℃烘干至恒質量，后進行脫粒、稱重，使用不銹鋼植物粉碎機粉碎，過0.25 mm 篩后裝入聚乙烯自封袋備用。

土壤樣品：水稻成熟期，協同采集水稻根區土壤樣品30 個，室內自然風干，剔除植株殘根等，用木錘磨碎，瑪瑙研缽研磨分別過1.65 mm 和0.15 mm 尼龍篩，置于聚乙烯自封袋密封保存。

1.3.3 測定方法

pH、有機質、總氮、總磷、速效鉀、有效磷、堿解氮等土壤基本理化性質測定參照《土壤農化分析》[14]。水稻各部位樣品采用HNO3+HClO4（4∶1）混酸濕法消解，土壤樣品采用HNO3+HF+HClO4（3∶1∶1）高壓密閉法消解[15]，消解液均用ICP-MS（X2，賽默飛）測定。土壤重金屬有效態含量參照HJ804—2016《土壤8 種有效態元素的測定》，用DTPA-CaCl2-TEA 緩沖液浸提，浸提液采用ICP-OES（X2，賽默飛）測定。土壤、植物樣品分別采用空白、平行雙樣以及國家標準物質GBW10012（GSB-3、GSS-5）進行質控，保證回收率在95%以上。

1.4 數據處理與統計分析

數據采用Excel 2019 計算整理；使用SPSS 24.0 進行單因素方差分析（One-way ANVOA）與聚類分析，應用Origin 2021 繪圖。

1.4.1 富集系數

為表征不同水稻品種糙米中重金屬吸收與累積的差異，計算了不同水稻品種對土壤Cd、Cr、Pb、Ni、Cu 和Zn 全量與有效態的富集系數，公式如下：水稻糙米對土壤重金屬全量的富集系數=糙米重金屬含量/土壤重金屬全量含量；水稻糙米對土壤重金屬有效態的富集系數=糙米重金屬含量/土壤重金屬有效態含量。

1.4.2 重金屬污染程度評價方法

為表征不同水稻品種對重金屬的累積能力，參照土壤污染評價法，引入內羅梅綜合污染指數法對糙米重金屬累積進行表征[15]，公式如下：Pi=Ci/Si；PZ=[(Pimax2+Piave2)/2]1/2。式中，Pi是單一重金屬污染指數；Ci是樣品中重金屬i 的實測值（mg/kg）；Si是食品污染i 的安全限值（mg/kg），谷物糙米中Cd、Cr、Pb 和Ni 安全限量值分別為0.2、1.0、0.2 和1.0 mg/kg（GB2762—2017），Pz是稻米重金屬綜合污染指數；Pimax是最大單項污染指數；Piave是平均單項污染指數。參照內梅羅風險指數對糙米受重金屬污染情況進行等級劃分，劃分結果如表2 所示。

表2 水稻糙米受污染評價等級

2 結果與分析

2.1 不同水稻品種產量與構成分析

由表3 可見，10 個水稻品種的株高、分蘗數、穗數、有效穗數、穗粒數、千粒重和產量等經濟性狀差異顯著。10 個供試水稻品種產量在8 242.8～13 434.0 kg/hm2之間，平均產量10 843.8 kg/hm2，極差相差較大，為47.9%。不同水稻品種產量大小表現為蓉3 優918＞野香優2988＞樂優891＞中優295＞秀香優8 號＞宜香優800＞中優808＞6＞花香優357＞野香優莉絲。

表3 主要水稻品種產量與構成

2.2 土壤pH、重金屬全量及有效態含量分析

如表4 所示，不同水稻品種根區土壤pH 變幅為4.75～5.07，差異顯著；土壤中Pb 和Ni 含量差異不顯著，pH、Cd、Cr、Cu 和Zn 含量差異顯著。試驗地不同水稻品種根區土壤Cd、Cr、Pb、Ni、Cu 和Zn 含量平均值分別為0.36、171.16、31.55、93.68、174.24 和196.03 mg/kg，各品種小區間平均重金屬含量差異顯著，且同一品種小區間重金屬含量亦存在一定的田間異質性。對比GB 15618—2018《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準（試行）》風險篩選值和管制值發現，土壤中Zn 和Pb 含量未超過風險篩選值，Cd、Cr、Ni 和Cu 含量均值分別是土壤污染風險篩選值的1.20、1.14、1.34 和3.48 倍，是貴州土壤背景值[13]的1.45、1.90、5.44 和2.34倍。由表5 可知，試驗地不同水稻品種根區除Ni 以外，其他重金屬元素有效態含量差異均顯著，Cr、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb 的有效態平均提取率分別為23.51%、0.05%、3.96%、1.75%、6.43%和1.01%，其中Cd 的生物有效性遠高于其他重金屬元素。

表4 不同水稻品種根區土壤pH、重金屬全量含量

表5 不同水稻品種根區土壤土壤重金屬有效態含量（單位：mg/kg）

2.3 糙米重金屬富集特征

2.3.1 糙米重金屬累積總體特征

由圖1 可見，糙米重金屬Cd、Cr、Pb、Ni、Cu 和Zn含量在不同水稻品種間均呈顯著性差異，Cd、Cr、Pb、Ni、Cu 和Zn 含量變幅分別為0.008 ～0.042、1.114 ～4.300、0.043～0.481、0.372～2.136、0.781～3.110 和7.260～34.998 mg/kg，Cd、Pb、Ni 含量最低的品種均為宜香優800，Cr 和Zn 含量最低的品種均為野香優莉絲，Cu 含量最低的品種為秀香優8 號；Cd、Cr、Pb 和Zn 含量最高的品種均為中優808，Ni 含量最高的品種為樂優891，Cu 含量最高的品種為野香優2988。參照GB 2762—2017《食品安全國家標準食品中污染物限量》中重金屬限值，對于Cd，10 個受試水稻品種均未超標；對于Cr，10 種水稻品種均超標；對于Ni，野香優莉絲、樂優891 超標；對于Pb，樂優891、野香優莉絲、中優808、野香優29888 和花香優357 超標。結果表明，糙米對重金屬的累積能力受品種與重金屬元素的影響，且同一品種對不同重金屬元素的累積存在顯著差異。

圖1 供試水稻品種糙米重金屬累積量

2.3.2 糙米重金屬綜合累積特征

如表6 所示，糙米受單項重金屬污染程度大小表現為Pi（Cr）＞Pi（Pb）＞Pi（Ni）＞Pi（Cd），其中，Cr 含量超標最嚴重，其單項污染指數處于中度污染至重度污染水平；部分水稻品種糙米中的Ni 和Pb 含量略高于食品安全限值，其單項污染指數處于輕度污染至中度污染水平。引入綜合累積污染指數PZ，對不同水稻品種糙米重金屬綜合累積能力進行評價，結果表明，除了宜香優800 品種PZ小于1，其他9 個品種PZ均大于1，僅有宜香優800 和野香優莉絲接近或處于輕微污染水平；樂優891、中優295、蓉3 優918、野香優2988、花香優357、麗香優5 號等7 個品種處于中度污染水平；中優808 處于重度污染水平。

表6 不同水稻糙米重金屬污染程度評價結果

2.3.3 不同水稻品種糙米重金屬累積能力

根據10 個水稻品種糙米中的Cd、Cr、Pb、Ni、Cu 和Zn 含量，采用聚類分析并結合統計差異性檢驗結果，可將參試品種分成三類（圖2）：較低值類（第Ⅰ類）、中間值類（第Ⅱ類）和較高值類（第Ⅲ類）。樂優891、野香優莉絲、宜香優800、秀香優8 號、花香優357、中優295、野香優2988、蓉3 優918 和麗香優5 號等9 個品種Cd 含量明顯較低，屬第Ⅰ類，可作為Cd 低積累推薦品種。宜香優800 和野香優莉絲Cr 含量較低，屬第Ⅰ類，可作為Cr 低積累水稻品種。麗香優5 號、蓉3 優918、中優295、宜香優800 和秀香優8 號等5 個品種Pb 含量較低，屬第Ⅰ類，可作為Pb 低積累推薦品種。中優808、宜香優800、中優295、秀香優8 號、花香優357、野香優2988、蓉3 優918 和麗香優5 號等8 個品種Ni 含量較低，屬第Ⅰ類，可作為Ni 低積累推薦品種。野香優莉絲、宜香優800 和秀香優8 號Cu 和Zn 含量較低，屬第Ⅰ類，可作為Cu 和Zn 低積累推薦品種。

圖2 供試水稻品種糙米重金屬含量聚類分析圖

此外，參試10 個品種中，中優808 的Cd、Cr、Pb、Cu 和Zn 含量屬于第Ⅲ類，樂優891 的Pb 和Ni 含量屬于第Ⅲ類，野香優2988、花香優357 和野香優莉絲的Pb 含量屬于第Ⅲ類，中優295、野香優2988、蓉3 優918、麗香優5 號的Cu 含量屬于第Ⅲ類。上述水稻品種對相應重金屬富集能力較強，應盡量避免在相應污染土壤上種植。

2.4 不同水稻品種糙米對重金屬的富集能力分析

由表7 和表8 可見，參試的10 個水稻品種糙米對根區土壤Cd、Cr、Pb、Ni、Cu 和Zn 富集系數平均值分別為0.041、0.016、0.008、0.009、0.013 和0.121，極差分別為7.60%、1.80%、1.50%、1.80%、1.30%和12.10%，說明這些品種對土壤中Zn 的富集能力最強（富集系數0.097），對Cd 的富集能力較強（富集系數0.041），對Cr、Cu 的富集能力較弱（富集系數0.016 和0.012），對Ni、Pb 的富集能力最弱（富集系數低于0.01）。參試水稻品種糙米對基礎土壤中Cd、Cr、Pb、Ni、Cu 和Zn 同一數據富集系數平均值分別為0.032、0.014、0.008、0.009、0.012 和0.117，極差分別為7.30%、1.60%、1.40%、1.70%、1.20%和11.70%。通過表7 和表8 對比分析，水稻品種對根區土壤6 種重金屬富集系數較基礎土壤樣品同一數據的富集系數分別高32.33%、14.91%、1.50%、6.76%、10.89%和12.91%，表明各品種小區間重金屬含量存在一定的田間異質性。

表7 不同水稻品種糙米對根區土壤重金屬全量的富集系數

表8 不同水稻品種糙米重金屬元素對土壤基礎土壤重金屬的富集系數

如表9 可見，不同水稻品種糙米對土壤Cd、Cr、Ni、Cu、Pb 和Zn 有效態的富集能力表現出顯著性差異，其富集能力大小順序表現為Cr＞Zn＞Ni＞Pb＞Cu＞Cd，對Cd的富集系數最小，而對Cr 和Zn 富集系數均大于1。結合表7 和表9 來看，糙米對土壤Cd、Cr、Ni、Cu 和Zn 的累積能力具有一定的差異性，且對重金屬有效態的富集能力明顯大于對土壤重金屬全量的富集能力。

表9 不同水稻品種糙米對土壤重金屬有效態的富集系數

3 結論與討論

3.1 土壤重金屬空間異質性對水稻品種重金屬吸收累積的影響

有研究表明，土壤重金屬空間分布受自然與人為因素共同控制，人為活動會導致重金屬在同一塊地分布不均勻，導致同一塊地重金屬分布具有一定的差異性[16-17]。本研究中不同水稻品種重復間根區土壤重金屬全量與有效態存在一定的田間異質性，與秦冉等[15]在蕓豆上的研究結果一致。這可能是由土壤類型與人為活動不同導致的結果。猜測可能是水稻田進出水口處水位變化導致土壤氧化還原電位（Eh）大小不同，Eh 是影響土壤重金屬形態和溶解度的主要因素之一[18-19]。由于重金屬易與對Eh 敏感的組分發生吸附、絡合、沉淀等化學反應，土壤氧化還原電位的升降會直接或間接導致土壤重金屬生物有效性的變化[19]，如淹水條件下土壤中硝鹽、鐵錳氧化物和硫酸鹽等被還原，使重金屬離子（如Cd）與之形成硫化物沉淀（CdS），在這過程中可能會導致部分重金屬被還原（如Cr 和Hg），或部分重金屬元素如Pb 等與OH-反應形成難溶化合物，從而降低土壤中Cd、Cr 和Pb 等的生物有效性，不同的氧化還原電位對水稻土Cu、Zn、Ni 等形態變化具有顯著影響[20-21]。pH 是影響土壤重金屬有效態含量的重要因素之一[22]，本研究中不同水稻品種根區土壤pH 具有一定差異，導致這種差異的原因可能有以下兩方面：一是Eh 變化時，pH 也會隨之變化；二是不同水稻品種根系分泌的有機酸、氨基酸和酚類等物質不同[12，23]。通過改變重金屬在土壤中的存在形態而影響重金屬的生物有效性[24]，這進一步解釋了本研究不同水稻品種間重金屬累積存在一定田間異質性的原因。

3.2 不同水稻品種對不同重金屬元素吸收累積的影響

本研究中，參試水稻品種糙米對試驗地土壤中6種重金屬的吸收累積效果存在顯著差異。根據聚類分析可分為較低值類、中間值類和較高值類。本研究試驗區土壤Cd、Cr、Ni 和Cu 含量均高于土壤風險篩選值，但參試水稻糙米中重金屬超標率與土壤含量并非呈簡單線性關系。如試驗區土壤Cd 含量在超過貴州土壤背景值情況下，參試品種糙米Cd 含量極低，而Pb 表現則相反，有5 個品種存在Pb 超標，Pb 超標風險需引起關注。這與水稻品種遺傳特性差異以及對Pb 的吸收能力不同有一定關系[25]，這5 個水稻品種對Pb 具有較強的基因表達能力和吸收機制[26]。本研究中，水稻對不同重金屬富集能力強弱表現為Zn＞Cd＞Cr＞Cu＞Ni＞Pb 的規律，對Zn 的富集能力最強，其次是Cd 和Cr，這與前人在水稻[25]、苦蕎[27]和蕓豆[15]上的研究結果一致，可能是因為不同基因型水稻品種根系對重金屬吸收和不同器官對重金屬元素的運輸通道和轉運機制不同。結合糙米對土壤重金屬元素的富集系數及其重金屬超標情況，雖然糙米對Cd 土壤全量的富集系數遠大于Cr 和Pb，但糙米Cr 含量全部超標、Pb 含量部分超標、而Cd含量全不超標。導致這種差異的原因可能有以下三方面：一是因為土壤重金屬多以伴生或共生狀態存在，它們之間存在一定拮抗或協同作用，不同重金屬競爭生物吸附位點的能力存在差異[28]。水稻根系對Cr 和Pb的結合能力強于對Cd，或者水稻對Cr 和Pb 吸收存在某種相同的轉運蛋白，尤其在土壤Cr 含量很高的時候，水稻首先吸收Cr，弱化了水稻對Cd 的吸收[28]。二是水稻應對Cd 脅迫時，根系對Cd 產生滯留作用，導致Cd 向水稻地上部轉運減少，或者水稻體內抗氧化酶系統活性提高，清除Cd 誘導產生的氧自由基，提高了水稻對Cd 的耐性[29]。三是土壤Zn 含量高，抑制了水稻對Cd 的吸收和遷移。研究表明，在土壤中增施Zn 元素，會顯著降低土壤中的Cd 向植物中遷移[28]。季冬雪等[30]研究表明，在單一Cd 濃度溶液中添加Zn 可使水稻幼苗Cd 含量最高降低48.4%?？梢?，影響水稻對重金屬的吸收因素并不是單一的，除本身的遺傳特性和環境因子外，還與重金屬元素之間的復合作用有關，但因其比較復雜，影響因素較多，具體作用機理還需后續進一步研究。

3.3 重金屬低累積水稻品種推薦

重金屬累積能力是低累積水稻品種篩選的第一指標，通常情況下，單項重金屬元素的低積累水稻品種篩選以籽粒對重金屬的富集系數與單因素評價指數（Pi）為依據，將籽粒重金屬富集系數與單因素評價指數（Pi）最小值的水稻作為單項重金屬低積累推薦品種。多目標重金屬元素復合污染下低積累品種篩選以內梅羅綜合污染指數（PZ）作為依據，在重金屬復合污染條件下篩選低累積品種，應結合多元素污染程度進行評價，綜合污染指數最低且處于警戒線或以下的品種可認為是低累積品種[27]。本研究中雖然蓉3 優918、野香優2988、樂優891、中優295 和秀香優8 號等5 個品種的產量較高，但其綜合污染指數均達中度污染水平，不宜在該地區種植。宜香優800 綜合污染指數處于警戒線水平，且產量居中，可推薦為低累積水稻品種種植。