鎘、砷低積累水稻品種篩選及其田間表現(xiàn)評價(jià)

劉超超，羅正良，文 軍，文有明，周 昆

（1. 永州市冷水灘區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，湖南 永州 425000；2. 湖南省水稻研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游秈稻遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410125）

水稻是我國第一大糧食作物，全國約2/3 的人口以稻米為主食。隨著現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展以及城市化進(jìn)程的推進(jìn)，我國農(nóng)田土壤的重金屬污染問題日益嚴(yán)重，稻米鎘超標(biāo)事件頻繁發(fā)生，嚴(yán)重威脅著人們的健康。2014 年《全國土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示，我國約有2 000 萬hm2耕地受到了不同程度的重金屬污染，全國耕地點(diǎn)位超標(biāo)率為19.4%，其中土壤中砷的超標(biāo)率為2.7%，鎘的超標(biāo)率達(dá)到7.0%，重金屬污染形勢嚴(yán)峻[1-3]。湖南是糧食生產(chǎn)大省，其水稻生產(chǎn)在確保我國糧食安全中具有重要的地位，湖南也是“有色金屬之鄉(xiāng)”，其有色金屬行業(yè)在發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)的同時(shí)，也造成了耕地污染和農(nóng)產(chǎn)品重金屬污染，是我國耕地和農(nóng)產(chǎn)品重金屬污染問題最典型的區(qū)域之一[4]。自2013 年媒體報(bào)道的“鎘大米”事件以來，稻米等農(nóng)產(chǎn)品重金屬污染問題引起了社會的極大關(guān)注，如何生產(chǎn)出安全稻米成為目前亟待解決的問題[5]。因此，筆者在世界銀行貸款湖南省農(nóng)田污染綜合管理項(xiàng)目的支持下，2021 年以初步驗(yàn)證為鎘砷同步低吸收的水稻品種、推薦應(yīng)急性鎘低積累水稻品種和永州當(dāng)?shù)刂髟云贩N等11 個(gè)水稻品種為材料，通過田間小區(qū)試驗(yàn)篩選綜合性狀優(yōu)良且籽粒表現(xiàn)為鎘砷低積累的水稻品種，為項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)污染耕地鎘、砷低積累水稻品種篩選應(yīng)用及稻米安全生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

以湖南省水稻研究所初步鑒定出的鎘砷同步低吸收水稻品種、湖南省農(nóng)業(yè)農(nóng)村廳推薦的應(yīng)急性鎘低積累水稻品種和永州當(dāng)?shù)刂髟云贩N共11 個(gè)水稻品種為材料開展鎘砷低積累水稻品種篩選試驗(yàn)，供試品種分別為豐兩優(yōu)四號、宜兩優(yōu)粵禾絲苗、廣泰優(yōu)粵禾絲苗、豐千鄉(xiāng)優(yōu)517、Q 兩優(yōu)粵農(nóng)絲苗、荃優(yōu)596、荃兩優(yōu)851、Q 兩優(yōu)絲苗、C 兩優(yōu)755、晶兩優(yōu)534 和隆兩優(yōu)1988。

1.2 試驗(yàn)地基本情況

田間小區(qū)篩選試驗(yàn)于2021 年5—11 月在湖南省永州市冷水灘區(qū)進(jìn)行。試驗(yàn)田塊排灌方便，不受人類活動的不良干擾和影響，田塊形狀規(guī)則，以往多年農(nóng)作物生長成熟均表現(xiàn)一致。試驗(yàn)田pH 值6.86，水解性氮238.2 mg/kg，有效磷1.7 mg/kg，速效鉀112.2 mg/kg，全氮2.26 g/kg，全磷0.64 g/kg，全鉀16.68 g/kg，有機(jī)質(zhì)含量51.74 g/kg，土壤總鎘含量0.63 mg/kg，土壤總砷含量11.1 mg/kg。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

每個(gè)品種均開展小區(qū)試驗(yàn)，小區(qū)面積20 m2，小區(qū)間以空行分開，3 次重復(fù)，重復(fù)間留0.8 m、處理間留0.6 m 寬的過道，隨機(jī)區(qū)組排列，不設(shè)對照（互為對照）。試驗(yàn)前勻田平田3 次，以保證田塊平整，土壤理化性質(zhì)和土壤污染程度相對均勻。試驗(yàn)品種于5月15 日播種，6 月18 日移栽插栽，株行距20 cm×26.7 cm，所有水稻品種統(tǒng)一水肥管理。施用底肥（復(fù)合肥15 ∶15 ∶15）30 kg/667m2，插秧后7～10 d 施用追肥（尿素）10 kg/667m2；采取清潔水源（灌溉水鎘含量＜1 μg/L，砷含量＜10 μg/L）進(jìn)行常規(guī)灌溉管理（即水稻移栽—返青期和灌漿期后淺水管理，分蘗盛期曬田1 次，時(shí)間為15 d，孕穗—灌漿期深水管理，黃熟期曬田落干），病蟲草害以預(yù)防為主，其他農(nóng)事操作采用當(dāng)?shù)亟瓿Ｒ?guī)習(xí)慣進(jìn)行。

1.4 項(xiàng)目測定及方法

1.4.1 土壤理化性質(zhì)及鎘砷含量測定 土壤樣品于水稻種植季結(jié)束后，按照“S”取樣法取小區(qū)試驗(yàn)田塊基礎(chǔ)土樣，委托湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)化檢測中心檢測土壤理化性質(zhì)及鎘、砷含量，檢測方法參照《土壤分析技術(shù)規(guī)范》（2006）、GBIT17134—1997 和GB/T23739—2009 等進(jìn)行。

1.4.2 植株、糙米及精米鎘砷含量檢測 水稻成熟期按小區(qū)收獲稻谷，曬干后碾成糙米和精米進(jìn)行鎘、砷含量檢測，糙米精米鎘、砷含量測定參照GB5009.268—2016 進(jìn)行；同時(shí)采集植株樣品，烘干粉碎后進(jìn)行鎘、砷含量檢測，檢測方法參照 GB 5009.15—2014 食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中鎘的測定進(jìn)行。檢測機(jī)構(gòu)也為湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)化檢測中心。

1.4.3 主要經(jīng)濟(jì)性狀及產(chǎn)量 調(diào)查各品種的生育期和有效穗，并在水稻成熟期在各小區(qū)取代表性植株10株進(jìn)行室內(nèi)考種，考查千粒重、結(jié)實(shí)率、株高和穗長等主要經(jīng)濟(jì)性狀指標(biāo)；水稻成熟后分小區(qū)收割，稻谷曬干風(fēng)凈后折算單位面積產(chǎn)量。

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)為3 次重復(fù)的平均值，稻谷鎘砷含量取3 次重復(fù)中的最高值。采用WPS 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和統(tǒng)計(jì)分析。根據(jù)收獲的成熟期稻米鎘、砷含量，與所對應(yīng)的生長土壤中鎘、砷含量，運(yùn)用公式（1）～（2）計(jì)算稻米鎘、砷的富集系數(shù)及轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 11 個(gè)水稻品種鎘砷含量情況

對成熟期水稻植株、糙米和精米的鎘、砷含量進(jìn)行測定，由于水稻鎘砷含量積累容易受環(huán)境影響，加上研究的是污染元素的含量，因此取3 次重復(fù)中的最高值作為品種中該元素的含量數(shù)據(jù)，由表1 可知，參試11 個(gè)水稻品種僅有廣泰優(yōu)粵禾絲苗和C 兩優(yōu)755的糙米、精米鎘含量低于國家限量標(biāo)準(zhǔn)（0.2mg/kg），其余9 個(gè)水稻品種鎘含量均超標(biāo)。11 個(gè)水稻品種糙米鎘含量平均值0.28 mg/kg，其中糙米鎘含量最高的品種是豐兩優(yōu)四號，達(dá)到0.429 mg/kg，最低的是C 兩優(yōu)755，為0.154 mg/kg；精米鎘含量平均值為0.274 mg/kg，精米鎘含量最高和最低品種也分別是豐兩優(yōu)四號和C 兩優(yōu)755，可見糙米鎘含量與精米鎘含量有較大相關(guān)性。11 個(gè)水稻品種糙米砷含量均超標(biāo)，其平均值為0.346 mg/kg，其中糙米砷含量最高的是隆兩優(yōu)1988，為0.550 mg/kg，最低的是荃兩優(yōu)851，為0.259 mg/kg；而精米砷含量僅有宜兩優(yōu)粵禾絲苗、豐千鄉(xiāng)優(yōu)517 和C 兩優(yōu)755 超標(biāo)，其余8 個(gè)水稻品種均低于國家限量標(biāo)準(zhǔn)，其平均值為0.192 mg/kg，其中精米砷含量最高的是C 兩優(yōu)755，為0.307 mg/kg，最低的是Q 兩優(yōu)絲苗，為0.154 mg/kg。糙米砷含量與精米砷含量差異較大，可能是受稻谷深加工的影響，其具體原因有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

成熟期水稻莖葉鎘、砷含量結(jié)果（表1）表明，11 個(gè)水稻品種的平均莖葉鎘含量為0.735 mg/kg，其中莖葉鎘含量最高是荃優(yōu)596，為1.133 mg/kg，最低的是廣泰優(yōu)粵禾絲苗，為0.353 mg/kg；莖葉砷含量平均值為 1.051 mg/kg，其中莖葉砷含量最高的是宜兩優(yōu)粵禾絲苗和荃優(yōu)596，為1.230 mg/kg，最低的是豐兩優(yōu)四號，為0.749 mg/kg。

表1 11 個(gè)水稻品種成熟期各部位的鎘、砷含量 （mg/kg）

2.2 11 個(gè)水稻品種的鎘砷富集及轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)

11 個(gè)水稻品種對鎘、砷的富集及轉(zhuǎn)運(yùn)情況如表2所示，各品種糙米對鎘的富集系數(shù)范圍為0.244～0.681，平均值為0.444；糙米對砷的富集系數(shù)范圍為0.023～0.050，平均值為0.031。鎘從土壤至水稻莖葉的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)范圍為0.560～1.798，平均值為 1.167，鎘從水稻莖葉至糙米的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)范圍為 0.209～0.550，平均值為0.398；砷從土壤至水稻莖葉的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)范圍為0.067～0.111，平均值為0.095，砷從水稻莖葉至糙米的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)范圍為0.240～0.458，平均值為0.333?？梢姡静诿椎逆k富集系數(shù)以及鎘從土壤轉(zhuǎn)運(yùn)至水稻莖葉的系數(shù)遠(yuǎn)高于砷，但鎘從水稻莖葉轉(zhuǎn)運(yùn)至糙米的系數(shù)與砷相差不大。

表2 11 個(gè)水稻品種的鎘砷轉(zhuǎn)運(yùn)及富集系數(shù)

2.3 11 個(gè)水稻品種主要經(jīng)濟(jì)性狀及產(chǎn)量表現(xiàn)

對11 個(gè)水稻品種主要經(jīng)濟(jì)性狀進(jìn)行調(diào)查，結(jié)果（表3）表明，11 個(gè)品種的株高平均值為（119.4±2.58）cm，其中荃優(yōu)596 株高最高，為（135±2.65）cm，廣泰優(yōu)粵禾絲苗最矮，僅為（108±1.00）cm；11 個(gè)品種的穗長平均值為（24.6±0.93）cm，其中Q 兩優(yōu)絲苗穗長最長，為（25.9±0.22）cm，廣泰優(yōu)粵禾絲苗最短，為（22.3±1.81）cm。11 個(gè)品種結(jié)實(shí)率相差不大，在（72.5±2.96）%～（80.3±1.61）%之間。11 個(gè)品種的有效穗數(shù)平均值為（211.4±6.69）萬穗/hm2，其中豐千鄉(xiāng)優(yōu)517 有效穗最高，為（252.0±3.97）萬穗/hm2，荃優(yōu)596 最低，為（174.4±6.87）萬穗/hm2。在千粒重方面，11 個(gè)品種平均值為（25.1±0.64） g，其中豐兩優(yōu)四號最重，為（29.6±0.77）g；晶兩優(yōu)534 最輕，為（21.5±0.22）g。生育期方面11 個(gè)品種的平均生育期為131.5 d，其中C 兩優(yōu)755 生育期最長，為135 d，豐千鄉(xiāng)優(yōu)517 最短，為125 d。

表3 11 個(gè)水稻品種主要經(jīng)濟(jì)性狀及產(chǎn)量

11 個(gè)水稻品種實(shí)際產(chǎn)量平均值為（9 414.3±21.76）kg/hm2，品種間產(chǎn)量差異顯著，其中豐千鄉(xiāng)優(yōu)517 產(chǎn)量最高，達(dá)到（10 659.9±34.66）kg/hm2，晶兩優(yōu)534 產(chǎn)量最低，為（8 490.6±16.28）kg/hm2。與平均產(chǎn)量相比，增產(chǎn)的品種有5 個(gè)，其中增產(chǎn)超過5%品種有豐千鄉(xiāng)優(yōu)517和C兩優(yōu)755；減產(chǎn)的品種有6個(gè)，其中減產(chǎn)超過5%的有荃優(yōu)596 和晶兩優(yōu)534，減產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)高。

3 討論與結(jié)論

在當(dāng)前土壤重金屬污染形勢依然嚴(yán)峻以及尚未找到根本解決辦法的背景下，篩選、培育和推廣重金屬低積累水稻品種是降低稻米重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)及重金屬污染耕地安全利用的重要手段。利用當(dāng)?shù)氐闹髟运酒贩N進(jìn)行就地篩選，可快速實(shí)現(xiàn)重金屬低積累水稻品種的推廣和應(yīng)用。推廣鎘低積累水稻品種，不需要增加額外投入，也不改變現(xiàn)有種植結(jié)構(gòu)與方式，農(nóng)民容易接受，投入少，見效快[6]。2014 年湖南省啟動重金屬污染耕地修復(fù)試點(diǎn)項(xiàng)目，其中重金屬低積累水稻品種篩選就是重要課題之一。張玉燭等[7]2014—2016年面向社會廣泛征集雙季稻品種285 個(gè)，在湖南省重金屬典型污染區(qū)進(jìn)行鎘低積累水稻品種篩選及驗(yàn)證試驗(yàn)，共篩選出應(yīng)急性鎘低積累水稻品種25 個(gè)。龔浩如等[8]將湘潭地區(qū)種植廣泛的82 個(gè)早、晚稻品種進(jìn)行盆栽試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)早稻品種株兩優(yōu)729 和兩優(yōu)早17，晚稻品種豐源優(yōu)272 和C 兩優(yōu)7 號，在一般污染區(qū)種植稻米鎘含量能夠達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)，在重度污染區(qū)域種植未達(dá)到FAO/WHO 標(biāo)準(zhǔn)的上限，可在湘潭地區(qū)作為應(yīng)急性低鎘品種推廣使用。劉湘軍等[9]通過田間小區(qū)試驗(yàn)方法，對祁陽縣鎘砷復(fù)合污染稻田內(nèi)18 個(gè)水稻品種進(jìn)行鎘砷累積特性研究，篩選出鎘低積累水稻品種深兩優(yōu)867 和深優(yōu)9586，適于在當(dāng)?shù)剌p中度鎘污染稻田的安全利用。張上都等[10]以貴州省水稻耕種區(qū)的87 個(gè)主栽品種為研究對象，分析供試品種的稻米鎘積累特征并篩選鎘低積累水稻品種，最終篩選出含有鎘低積累主效基因qCd 7.1 位點(diǎn)的9 個(gè)水稻品種。王天抗等[11]通過對國內(nèi)外275 份水稻資源進(jìn)行篩選，挖掘到在重度鎘污染田籽粒鎘低積累材料珞紅3A 和珞紅4A，并提出了一套選育籽粒鎘低積累水稻新品種的方法。Duan 等[12]于2014—2015 年通過多點(diǎn)試驗(yàn)，從471 個(gè)南方大面積推廣種植的水稻品種中篩選出8個(gè)鎘低積累雜交秈稻品種，這些品種糙米鎘含量均低于國家限量標(biāo)準(zhǔn)，具有高產(chǎn)和廣適等優(yōu)異特性，可在我國南方中輕度鎘污染耕地推廣應(yīng)用。

該研究以11 個(gè)當(dāng)?shù)刂髟云贩N為試驗(yàn)對象，通過田間小區(qū)試驗(yàn)在永州市冷水灘區(qū)篩選綜合性狀優(yōu)良且籽粒表現(xiàn)為鎘砷同步低積累的水稻品種。結(jié)果表明，廣泰優(yōu)粵禾絲苗的精米鎘、砷含量均不超標(biāo)且綜合表現(xiàn)好，可優(yōu)先在湖南省永州市輕度鎘砷復(fù)合污染稻田進(jìn)行試種。