王 璐

(貴州省興仁市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局, 貴州 興仁 562300)

0 引言

【研究意義】2014年,環(huán)境保護(hù)部和國土資源部公布我國土壤污染現(xiàn)狀,土壤無機(jī)污染物主要為鎘和砷,其超標(biāo)率分別為7%和2.7%[1]。貴州省興仁市位于高砷煤礦區(qū)內(nèi),因其地理位置特殊,煤中砷含量高達(dá)32 000～35 000 mg/kg,而大量開采煤礦所產(chǎn)生的粉塵和廢渣隨著大氣和雨水進(jìn)入土壤及地下水中,導(dǎo)致煤礦區(qū)及其附近土壤表土砷含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于我國表土砷背景值[2-4]。砷抑制水稻生長,使其植株矮小,葉黃根黑,甚至減產(chǎn)絕收[5]。長期食用砷超標(biāo)稻米,人體器官組織容易增加變異風(fēng)險,引起皮膚癌和肺癌等[6-7]。因此,分析秈稻對砷的吸收和累積特征,篩選砷低累積秈稻品種顯得尤為迫切。【前人研究進(jìn)展】水稻籽粒重金屬吸收積累主要受基因、環(huán)境以及基因與環(huán)境互作影響,其中,鎘、砷和鎳含量水稻基因效應(yīng)更明顯[8]。不同類型水稻砷積累量表現(xiàn)為雜交稻高于常規(guī)稻和育種親本材料,秈稻大于粳稻[9-10]。不同品種水稻砷含量存在顯著差異,劉志彥等[11]對廣東省20個水稻品種進(jìn)行盆栽試驗表明,II 優(yōu)804、優(yōu)優(yōu)998和五豐優(yōu)128為砷高耐性品種;陳丹艷等[12-13]對江蘇省主栽水稻品種進(jìn)行試驗發(fā)現(xiàn),鎮(zhèn)稻16號、武粳15和南粳44等屬砷低累積水稻品種。王玉峰[14]在湖南省開展123種水稻品種田間試驗,篩選出3種砷低累積水稻品種(BR-3、BHD-7和BHD-3)和4種砷高累積水稻品種(XFY309、YLY888、ZD99和SD11)。涂德輝[9]以85份水稻親本材料為研究對象開展水培試驗和土培試驗,水培試驗篩選出6種砷高耐性品種(華航35號、五山豐占和雅康2A等)和5種砷低耐性品種(雅恢2119、Wxj-74和Wxj-380等);土培試驗得出2種砷低累積品種(雅康2A、雅康3A)和1種砷高累積品種(雅恢 2119)。董飛等[15]研究表明,水稻不同部位對砷的轉(zhuǎn)運(yùn)、富集區(qū)別明顯,砷含量最高部位為根表,根部和秸稈次之,糙米最低。由于不同類型、品種及部位對砷的積累、轉(zhuǎn)運(yùn)存在顯著差異,通過種植砷低累積水稻品種不僅能夠阻隔其進(jìn)入土壤-作物-人體食物鏈,而且使砷輕中度污染耕地得到有效利用,是一種既經(jīng)濟(jì)實惠又易推廣實施的農(nóng)藝措施?！狙芯壳腥朦c(diǎn)】有研表明,興仁市土壤及地表水體受一定程度的砷污染[16],水稻作為興仁重要糧食作物之一,目前關(guān)于興仁水稻砷污染研究主要集中于水稻對砷的富集、轉(zhuǎn)運(yùn)及形態(tài)分布[17],但水稻砷低累積品種篩選研究仍處空白。【擬解決的關(guān)鍵問題】以川優(yōu)6203、川優(yōu)3727等15份雜交秈稻品種為試驗材料,通過在砷輕度超標(biāo)水田開展大田試驗,分析不同品種間產(chǎn)量差異、砷含量差異以及砷元素的轉(zhuǎn)運(yùn)和富集差異,篩選出適應(yīng)當(dāng)?shù)厮旧a(chǎn)的砷低累積品種,為輕度砷污染耕地的水稻種植提供品種選擇。

1 材料與方法

1.1 供試材料

1.1.1 供試水稻品種 以15份三系雜交秈稻品種為試驗對象,分別為川優(yōu)6203、川優(yōu)3727、川種優(yōu)3877、國泰香優(yōu)2號、內(nèi)6優(yōu)107、蓉優(yōu)33、蜀香優(yōu)636、野香優(yōu)明月絲苗、宜香2079、華浙優(yōu)261、宜香優(yōu)2115、宜香優(yōu)62、甬優(yōu)4949、兆優(yōu)6377、兆優(yōu)國泰,供試品種均購買于興仁市農(nóng)資市場。

1.1.2 供試土壤 試驗在興仁市某高砷煤礦區(qū)域開展,供試土壤為黃壤,基本理化性質(zhì)為pH7.9,有機(jī)質(zhì)36.1 g/kg,全氮0.212%,水解性氮194 mg/kg,全磷0.113%,有效磷12.8 mg/kg,全鉀1.18%,速效鉀89 mg/kg,陽離子交換量17.3 cmol(+)/kg,黏粒417 g/kg,土壤中砷含量為36.9 mg/kg。根據(jù)農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)計算,該土壤中砷含量為農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險篩選值(20 mg/kg)的1.85倍,單因子污染指數(shù)法判斷供試土壤為輕度砷污染土壤(1

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2021年4—10月在砷輕度污染(36.9 mg/kg)水田進(jìn)行,以15份三系雜交秈稻品種為試驗對象,采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計方法,設(shè)15個處理,每個處理3次重復(fù),共設(shè)置45個小區(qū),小區(qū)面積為16 m2(長×寬=4 m×4 m),各小區(qū)間距為50 cm,四周設(shè)置保護(hù)行。田間水分、施肥和除草等均按統(tǒng)一方式進(jìn)行。

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 土壤樣品 水稻成熟后,用木鏟對供試地塊表層土壤進(jìn)行5點(diǎn)取樣并攪拌混勻,再通過四分法縮分至1.5 kg,土壤樣品存放于干凈通風(fēng)場所自然風(fēng)干,使用木棒手工研磨制備成100目樣品,用于測定理化性質(zhì)以及土壤砷含量。土壤理化性質(zhì)測定方法主要參考《土壤農(nóng)化分析》[20],土壤砷用原子熒光法[21]測定。

1.3.2 水稻樣品 水稻成熟后,每個小區(qū)隨機(jī)采集3～4株,3次重復(fù)共采集10株形成混合樣。各品種水稻植株按照根、莖、葉、籽粒4個部位分別裝袋,每個樣品至少1 kg,樣品清洗干凈后,烘箱烘干,不銹鋼粉碎機(jī)磨碎,制備成40目樣品,用于測定總砷和無機(jī)砷?？偵橛肐CP-MS電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定,無機(jī)砷用LC-AFS液相色譜-原子熒光光譜法測定[22]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與指標(biāo)計算

利用Excel 2000和SPSS 28.0處理數(shù)據(jù)和制圖,采用轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(Translocation Factor,TF)和富集系數(shù)(Biological Enrichment Factor,BCF)評價水稻品種對砷的吸收與累積能力[23]。

(2)

式中,TF為轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù),Clatter為水稻后一部位(砷轉(zhuǎn)運(yùn)后的部位,如莖、葉、籽粒)重金屬含量(mg/kg),Cformer為前一部位(砷轉(zhuǎn)運(yùn)前的部位,如根、莖、葉)重金屬含量(mg/kg);BCF為富集系數(shù),Cr為水稻地上部分重金屬含量(mg/kg),Cs為土壤中重金屬含量(mg/kg)。

2 結(jié)果與分析

2.1 15個秈稻品種的產(chǎn)量及其構(gòu)成因素

有效穗、穗粒數(shù)、結(jié)實率、千粒重等產(chǎn)量構(gòu)成因素以及產(chǎn)量是衡量水稻是否適宜在重金屬污染土地上推廣種植的重要評判指標(biāo)之一。從表1可知,有效穗變化幅度為8.82萬～16.09萬穗/667m2,以野香優(yōu)明月絲苗和宜香2079有效穗最多,國泰香優(yōu)2號最低。國泰香優(yōu)2號穗粒數(shù)(200.60粒)和結(jié)實率(92.12%)最高,野香優(yōu)明月絲苗和宜香2079千粒重(19 g)最低。15個秈稻理論產(chǎn)量和實際產(chǎn)量變化幅度分別為6 258.60～8 012.85 kg/hm2、6 050.1～7 400.1 kg/hm2,理論產(chǎn)量和實際產(chǎn)量最高品種均為兆優(yōu)6377。

表1 15份秈稻品種的產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素

2.2 不同品種水稻各部位的砷含量

從表2可知,不同秈稻品種間以及水稻不同部位間砷含量差異顯著(P<0.05)。15份秈稻品種根、莖、葉、籽粒砷含量分別為62.15～143.64 mg/kg、0.98～2.73 mg/kg、1.75～3.27 mg/kg、0.08～0.24 mg/kg,砷含量在秈稻不同部位間分布規(guī)律為根>葉>莖>籽粒。

表2 15份秈稻品種不同部位的砷含量

水稻籽粒砷含量是稻米安全食用的重要指標(biāo)。對15個秈稻品種比較表明,籽粒中總砷含量排序為兆優(yōu)6377>甬優(yōu)4949>川種優(yōu)3877>野香優(yōu)明月絲苗>宜香優(yōu)62>兆優(yōu)國泰>宜香優(yōu)2115>內(nèi)6優(yōu)107>華浙優(yōu)261>川優(yōu)3727>川優(yōu)6203>蓉優(yōu)33>宜香2079>蜀香優(yōu)636>國泰香優(yōu)2號。根據(jù)《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》(GB 2762—2017)[24]規(guī)定,總砷含量超過無機(jī)砷限量指標(biāo)(0.2 mg/kg)時,需加測無機(jī)砷含量。由于川種優(yōu)3877、甬優(yōu)4949和兆優(yōu)6377籽粒的總砷含量在0.20～0.24 mg/kg,故需加測其無機(jī)砷含量,加測結(jié)果表明,上述3個品種的無機(jī)砷含量分別為0.100 mg/kg、0.114 mg/kg、0.115 mg/kg,均在無機(jī)砷限量指標(biāo)范圍內(nèi)。表明,15個秈稻品種的籽粒砷含量均未超出食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)中無機(jī)砷限值。

2.3 不同品種水稻砷含量聚類

從圖1看出,15個水稻品種植株砷含量聚類為3類,第I類為As較低累積品種(植株砷含量范圍為65.85～79.23 mg/kg),分別為宜香優(yōu)62、蓉優(yōu)33、國泰香優(yōu)2號、甬優(yōu)4949、內(nèi)6優(yōu)107、蜀香優(yōu)636;第II類為As中等累積品種(植株砷含量范圍為93.08～121.31 mg/kg),分別為兆優(yōu)6377、野香優(yōu)明月絲苗、宜香2079、川種優(yōu)3877、華浙優(yōu)261、川優(yōu)3727和宜香優(yōu)2115;第III類為As較高累積品種(植株砷含量范圍為135.16～149.04 mg/kg),分別為兆優(yōu)國泰和川優(yōu)6203。

圖1 15份秈稻品種植株及籽粒As含量的品種聚類樹

15個水稻品種籽粒砷含量聚類為3類,第I類為As較低累積品種(籽粒砷含量范圍為0.08～0.10 mg/kg),分別為國泰香優(yōu)2號、蜀香優(yōu)636、宜香2079、蓉優(yōu)33、川優(yōu)6203和川優(yōu)3727;第II類為As中等累積品種(籽粒砷含量范圍為0.11～0.15 mg/kg),分別為華浙優(yōu)261、內(nèi)6優(yōu)107、兆優(yōu)國泰、宜香優(yōu)2115、宜香優(yōu)62和野香優(yōu)明月絲苗;第III類為As較高累積品種(籽粒砷含量范圍為0.20～0.24 mg/kg),分別為川種優(yōu)3877、甬優(yōu)4949和兆優(yōu)6377。

2.4 不同品種水稻相鄰部位間砷的轉(zhuǎn)運(yùn)能力

轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)表明砷元素在水稻根、莖、葉和籽粒等相鄰部位間轉(zhuǎn)運(yùn)情況,轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)越小,砷元素在秈稻相鄰部位間轉(zhuǎn)運(yùn)能力越弱,越容易固定在秈稻相鄰前一部分。從表3可知,砷元素在15個秈稻品種間相鄰部位的轉(zhuǎn)運(yùn)能力差異顯著,不同部位砷元素轉(zhuǎn)運(yùn)能力為TF莖-葉>TF莖-籽粒>TF葉-籽粒>TF根-葉>TF根-莖,其中莖到葉的平均轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(TF莖-葉)>1,表明,15個秈稻品種莖中大部分砷元素都轉(zhuǎn)運(yùn)至葉部,因此水稻地上部分中葉的砷含量最高。

表3 15份秈稻品種砷的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(TF)

不同品種間水稻砷轉(zhuǎn)運(yùn)能力差異顯著(P<0.05)。國泰香優(yōu)2號的TF根-莖和甬優(yōu)4949的 TF根-葉最大,宜香優(yōu)2115的 TF根-莖和TF根-葉最小;川種優(yōu)3877的TF莖-葉最大,國泰香優(yōu)2號的TF莖-葉最小;兆優(yōu)6377的 TF葉-籽粒最大,川種優(yōu)3877 TF莖-籽粒最大。因此,莖或葉到籽粒砷轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)越高,籽粒砷含量越高。

2.5 不同品種水稻砷的富集差異

富集系數(shù)主要衡量土壤砷在水稻根、莖、葉和籽粒等部位的累積情況,富集系數(shù)越大,砷元素在秈稻某部位的富集能力越強(qiáng),砷含量越高。從表4看出,秈稻各部位間砷富集能力為BCF根>BCF葉>BCF莖>BCF籽粒。砷元素在秈稻不同部位的富集能力差異顯著,秈稻根平均富集系數(shù)(2.580 3)最高,籽粒平均富集系數(shù)(0.003 5)最低。

表4 15份秈稻品種砷的富集系數(shù)(BCF)

不同品種間砷富集能力差異明顯(P<0.05)。川優(yōu)6203根對砷的富集系數(shù)(3.892 7)最大,宜香優(yōu)62(1.684 1)最小。川優(yōu)3727莖對砷的富集系數(shù)(0.074 0)最大,川種優(yōu)3877(0.026 5)最小;甬優(yōu)4949葉對砷的富集系數(shù)(0.091 6)最大,蜀香優(yōu)636(0.047 5)最小;兆優(yōu)6377籽粒對砷的富集系數(shù)(0.006 4)最大,國泰香優(yōu)2號(0.002 1)最小?？傮w看,除根對土壤砷的富集系數(shù)大于1.0,莖、葉和籽粒對土壤砷的富集系數(shù)均小于1.0,表明秈稻根部對土壤砷吸收富集能力較強(qiáng)。

3 討論

3.1 砷污染對秈稻生長與產(chǎn)量的影響

產(chǎn)量及其構(gòu)成因素不僅反映出不同砷污染程度對水稻毒害影響,而且也是衡量所種品種是否適合輕中度砷污染稻田的重要指標(biāo)[25]。王玲梅等[26]研究發(fā)現(xiàn),土壤砷水平持續(xù)升高后,根重、穗數(shù)等生長指標(biāo)出現(xiàn)顯著變化,低砷狀態(tài)時(10 mg/kg)水稻(威優(yōu) 402號)根系增多、地上部分減少,高砷狀態(tài)時(40 mg/kg)株高、穗數(shù)等指標(biāo)顯著降低,且產(chǎn)量降低至少56%。中國科學(xué)院南京土壤研究所環(huán)保室提出無機(jī)砷為低濃度(8 mg/kg)時,水稻中磷元素增多,水稻植株未出現(xiàn)明顯毒害癥狀,產(chǎn)量甚至呈現(xiàn)增長態(tài)勢;無機(jī)砷為較高濃度(40 mg/kg)時,水稻根系總數(shù)以及總根長度均不同程度減少,葉片生長發(fā)育受到限制,產(chǎn)量和品質(zhì)大幅度降低;無機(jī)砷為高濃度(160 mg/kg)時,水稻停止生長[27]。研究發(fā)現(xiàn),稻田土壤砷為36.9 mg/kg時,供試水稻產(chǎn)量及其產(chǎn)量構(gòu)成未發(fā)生顯著變化,表明供試秈稻品種暫未受到土壤砷的顯著影響。該結(jié)論與前人研究結(jié)果不一致,可能與試驗田塊的土壤養(yǎng)分狀況、氣候環(huán)境及水稻品種等因素有關(guān)。因此,砷低累積水稻品種的篩選應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)赝寥鲤B(yǎng)分狀況、氣候環(huán)境等環(huán)境因素及品種因素等開展。

3.2 秈稻對砷元素吸收、累積和富集特征

水稻籽粒砷含量受水稻基因和生長環(huán)境共同影響,不同水稻品種對砷的積累特性差異顯著,加上土壤酸堿值、氧化還原電位、土壤機(jī)械構(gòu)成及有機(jī)質(zhì)等方面影響土壤砷的形態(tài)及有效性,因此不同水稻品種及其不同部位間對砷的吸收、累積存在顯著差異[28-30]。單天宇等[31]研究發(fā)現(xiàn),根表鐵膜中砷含量最高,其次是根系和莖葉,最后是穎殼和籽粒。研究發(fā)現(xiàn),砷含量在秈稻不同部位間分布規(guī)律為根>葉>莖>籽粒,與前人研究結(jié)果相似。易春麗等[32]以鎘、砷含量進(jìn)行聚類分析,篩選出4種高鎘低砷水稻品種(C兩優(yōu)386、晶兩優(yōu)1212、隆兩優(yōu)1988、隆兩優(yōu)華占)、1種低鎘低砷水稻品種(Y兩優(yōu)9918)以及10種高砷低鎘水稻品種(泰優(yōu)390、野香優(yōu)莉絲、荃優(yōu)絲苗等)。本研究秈稻籽粒中砷含量聚類分析表明,蜀香優(yōu)636、宜香2079和國泰香優(yōu)2號等6種秈稻品種為砷較低累積品種,宜香優(yōu)2115、兆優(yōu)國泰和內(nèi)6優(yōu)107等6種秈稻品種為砷中等累積品種,川種優(yōu)3877、甬優(yōu)4949和兆優(yōu)6377等3種秈稻品種為砷較高累積品種,以上聚類分析結(jié)果是否適宜興仁市輕度砷污染土壤,仍需大田試驗進(jìn)一步驗證其產(chǎn)量、砷含量等。程旺大等[33]提出,籽粒中砷元素的累積量與籽粒灌漿速率呈正比,灌漿前期砷含量與同化物同時進(jìn)入木質(zhì)部并快速轉(zhuǎn)運(yùn)至根葉中,不同品種灌漿速率的差異導(dǎo)致部位間砷元素轉(zhuǎn)運(yùn)及富集的顯著差異。劉志彥等[34]研究得知,水稻根部為砷主要富集部位,但水稻砷元素從地下部到地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)能力較弱。研究顯示,15份秈稻品種根部對砷的富集系數(shù)>1,砷元素主要富集于秈稻根部,且轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)TF莖-根和TF根-葉均小于1,根部向莖和葉轉(zhuǎn)運(yùn)砷元素能力較弱,與前人研究結(jié)果一致。

4 結(jié)論

在砷輕度污染(36.9 mg/kg)水田中以15份三系雜交秈稻品種為對象,開展不同秈稻品種對砷元素的吸收及其累積的研究,篩選砷低累積秈稻品種。在輕度砷污染條件下,15份三系雜交秈稻實際產(chǎn)量為6 050.1～7 400.1 kg/hm2,產(chǎn)量排序為兆優(yōu)6377>內(nèi)6優(yōu)107、宜香優(yōu)62>宜香優(yōu)2115>川優(yōu)6203、甬優(yōu)4949>蜀香優(yōu)636、兆優(yōu)國泰>川優(yōu)3727、蓉優(yōu)33>國泰香優(yōu)2號、華浙優(yōu)261、野香優(yōu)明月絲苗>川種優(yōu)3877>宜香2079;秈稻籽?？偵楹繛?.08～0.24 mg/kg,其中,川種優(yōu)3877、甬優(yōu)4949、兆優(yōu)6377總砷含量在0.20～0.24 mg/kg(等于或超過無機(jī)砷限量指標(biāo)0.2 mg/kg),但其無機(jī)砷含量均未超出食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)限值。因此,15份秈稻品種籽粒無機(jī)砷含量均未超出食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)限值。

秈稻不同部位間莖到葉的砷轉(zhuǎn)運(yùn)能力最強(qiáng),其平均轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(TF莖-葉=1.748)最大,莖中砷元素大量轉(zhuǎn)向葉部。籽粒中砷含量高低主要取決于葉和莖砷轉(zhuǎn)運(yùn)能力的強(qiáng)弱,在15個秈稻品種中,兆優(yōu)6377葉到籽粒砷轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)最大,TF葉-籽粒為0.081;川種優(yōu)3877莖到籽粒砷轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)最大,TF莖-籽粒為0.200。秈稻不同部位間根的砷富集系數(shù)最大,其次是葉,籽粒的砷富集系數(shù)最小。籽粒砷富集反映秈稻對砷的累積狀況,富集系數(shù)越大,籽粒砷含量越高,其食用風(fēng)險越高。在15個秈稻品種中,川種優(yōu)3877、甬優(yōu)4949和兆優(yōu)6377的籽粒砷富集系數(shù)較大,分別為0.005 3、0.005 7和0.006 4;宜香2079和國泰香優(yōu)2號較小,分別為0.002 3和0.002 1。

15個水稻品種籽粒砷含量聚類為3類,第I類為As較低累積品種(籽粒砷含量在0.08～0.10 mg/kg),分別為國泰香優(yōu)2號、蓉優(yōu)33、蜀香優(yōu)636、宜香2079、川優(yōu)6203和川優(yōu)3727;第II類為As中等累積品種(籽粒砷含量在0.11～0.15 mg/kg),分別為華浙優(yōu)261、內(nèi)6優(yōu)107、兆優(yōu)國泰、宜香優(yōu)2115、宜香優(yōu)62和野香優(yōu)明月絲苗;第III類為As較高累積品種(籽粒砷含量為0.20～0.24 mg/kg),分別為川種優(yōu)3877、甬優(yōu)4949和兆優(yōu)6377。結(jié)合秈稻產(chǎn)量及其對砷元素的吸收和積累特性, As較低累積的6個秈稻品種可作為輕度砷污染區(qū)的水稻候選品種。