潴育型水稻土稻米镉污染VIP控制技术试验初报

2015年,在宁远县潴育型水稻土上开展稻田VIP镉污染控制技术的小区和大田示范试验,分析农艺性状,对试验区域的土壤pH值和糙米镉含量进行比较。结果表明:VIP控制技术对水稻田污染起到一定的控制作用,土壤pH值较试验前有明显提高,土壤镉含量均有一定程度的减少,采用低镉品种加施用生石灰的效果极显著优于施用生物菌肥,早稻稻米含镉量明显低于晚稻稻米含镉量,实现了镉污染农田土壤中生产的稻米镉含量降低61%,达到国家稻米安全生产的目标(镉含量0.2 mg/kg),但对生育期、产量有所影响。     

镉低积累水稻品种选育研究进展

水稻（Oryza sativa L.）是我国主要粮食作物之一,稻米镉超标问题严重威胁人体健康。降低稻米镉污染风险,实现水稻安全生产迫在眉睫。镉低积累水稻品种选育是降低稻米镉污染风险经济有效的方法之一。从常规表型筛选到分子标记辅助筛选,从常规育种到分子标记辅助育种、基因工程育种、基因编辑和分子设计育种等分子育种技术,低镉水稻品种选育技术将会走向精准化、高效化与智能化,为水稻的安全生产提供了巨大推动力。综述了镉低积累水稻品种筛选与低镉水稻材料创制的研究进展,并对未来低镉水稻新一代分子育种技术的发展方向进行展望,旨在为保障我国粮食安全与居民健康提供科学支撑。     

不同类型土壤下水稻镉的富集特征及与土壤镉含量的关系

选取20个水稻品种在轻度镉污染农田上进行小区试验,统计分析水稻镉富集特征及比较不同类型水稻土下水稻镉吸收与土壤镉含量的关系。结果表明:(1)提高土壤pH值可以降低土壤有效镉含量,而土壤总镉含量是影响土壤有效镉含量的关键因素。(2)不同类型水稻土上稻米的镉富集能力不同。灰棕潮田上镉富集率较低的品种为川作6优177、粳稻、金优284,冲积黄泥田上为金优284、B优840、粳稻,紫潮田上为Ⅱ优498、富优21、粳稻。不同类型水稻土上水稻对镉的吸收能力差异较大,因而生产上要因地制宜选择水稻品种防控稻米的镉污染,粳稻在3种类型的水稻土上均有较低的镉富集率,适用性较强。(3)在镉污染水稻土上,通过土壤全镉含量与有效镉含量均可以有效预测稻米镉含量,其中土壤全镉的预测效果较好。     

轻度镉污染土壤上不同水稻品种间稻米镉富集及产量差异研究

通过大田试验,研究轻度镉污染土壤上21个不同水稻品种间产量、稻米镉含量及镉富集系数的差异变化。结果表明,不同品种水稻单产、稻米镉含量及富集系数存在较大差异,其变幅分别为555.6～627.5kg/667m~2、0.078～0.789mg/kg、0.181～1.835,最高值比最低值分别相差12.39%、911.54%、913.81%。依据水稻单产和稻米镉含量及生育期进行分析,初步筛选出稻米产量较高、稻米镉富集能力较弱的早熟品种1个(川作优1727),迟熟品种6个(蜀优217、旌优127、川优6203、德香4103、千优531和F优498),可用于轻度镉污染区水稻安全种植生产。     

水稻镉低累积品种验证试验

近年由于土壤重金属污染,水稻受重金属污染越趋严重,特别是镉污染,通过对不用水稻品种镉低累积验证试验,筛选出适合当地的水稻品种,提高粮食生产安全。     

重金属镉在土壤-水稻中迁移转化特征

【目的】探明不同浓度镉污染土壤条件下镉在水稻中的迁移转化特征,为控制镉在水稻中的迁移及保障粮食生产安全提供参考依据。【方法】通过人工模拟镉污染的盆栽试验,研究不同镉污染程度(轻微、轻度、中度及重度污染)土壤对分蘗期和成熟期水稻各器官镉积累、富集能力及土壤-水稻系统各部分间转运特征的影响。【结果】水稻各器官镉积累量及富集能力均随土壤镉污染程度增加而增大,镉在水稻中的富集能力表现为根系茎叶糙米。镉在土壤-水稻系统各环节转运能力表现为土壤-根系根系-茎叶茎叶-稻米。镉胁迫浓度与土壤-水稻系统各部分间转运系数无明显相关性。【结论】镉在水稻不同部位的含量与土壤中镉浓度成正相关关系。     

稻米镉污染及其消减技术研究进展

工业三废的偷排乱放,以及肥料、农药的滥施乱用,致使我国大米重金属污染问题日益严重。从我国耕地和稻米镉污染现状、镉的吸收机制及其在水稻中的分布差异、以及稻米镉消减技术方面进行综述,阐释了稻米行业发展现状和重金属镉污染问题,为今后稻米的安全生产指明了方向。     

土壤pH对土壤镉形态及稻米镉积累的影响

通过盆栽试验,探究土壤pH对土壤镉形态、土壤养分、水稻各部位镉含量的影响及作用机理。结果表明:土壤pH可改变土壤镉的生物有效性、水稻各部位镉含量和根表铁膜铁含量,但对土壤全N、全P、全K和有机质含量影响较小;土壤pH 4~9时,土壤pH与可交换态镉、可还原态镉、残渣态镉含量呈极显著线性相关(P0.01),与水稻根、茎、叶镉含量呈极显著线性负相关(P0.01),与糙米镉含量呈显著线性负相关(P0.05),与根表铁膜铁含量呈极显著正相关(P0.01),但与土壤全N、全P、全K和有机质含量均无显著相关性;利用碱性土壤改良剂提高土壤pH,可以有效地防控稻米镉污染,但添加量对污染治理效果影响较大,且应考虑品种的适应性和酸性降水的影响。根据试验分析结果获得的回归方程,推测稻米镉污染治理的最佳土壤pH范围为6.49~7.34。     

稻田土壤和稻米镉含量关系的研究进展

稻田土壤镉造成的稻米镉污染已成为危害人类健康的制约因子,摸清稻田土壤和稻米镉的含量关系,可以为稻米安全生产和维护人类健康作出重要贡献。通过从稻田土壤和稻米镉污染现状,稻田土壤和稻米镉的含量关系,土壤pH值、有机质对稻米镉含量的影响等方面总结稻田土壤和稻米镉含量关系的研究进展,并进行展望。我国稻田土壤和稻米镉污染现象形势严峻,主要体现在稻田土壤镉污染逐年增加、稻米超标率高等方面;稻田土壤和稻米镉含量关系复杂,因外界环境的不同,存在正相关性和非正相关性;土壤pH值、有机质对稻米镉含量具有显著性影响,增加或降低土壤pH值和有机质均可改变稻米对镉的吸收与累积。下一步可通过大量的调查研究,有针对性、全面地对稻田土壤和稻米镉含量的关系开展协同调查,建立不同环境条件下稻田土壤和稻米镉含量的耦合关系,以期为稻米安全生产和镉污染土壤修复治理提供科学依据。     

不同水稻品种籽粒对土壤镉吸收差异性的初步研究

20个水稻品种在3个试验点开展的田间试验结果表明,水稻品种籽粒镉的积累能力与土壤镉含量具有正相关性。水稻对镉的积累和耐性具有明显的品种间差异,筛选水稻糙米镉含量低的品种,能有效解决镉污染稻田水稻安全生产问题。通过试验发现,在土壤中低度重金属污染下,水稻品种辐优21、B优840和金优284能较好地降低镉的吸附,水稻籽粒Cd含量不超标。     

3种改良剂对不同土壤-水稻系统中Cd行为的影响

通过水稻盆栽试验,研究了钙镁磷肥、石灰和硅肥作为土壤改良剂对几种中度污染水稻土中Cd的赋存形态以及对水稻生长的影响和改善糙米品质安全性的作用。结果表明,由于各种改良剂的性质和改良机理上存在差异,改良效果各不相同,其中硅肥的改良效果最好,其次是钙镁磷肥,然后是石灰。虽然3种改良剂均能降低土壤中有效态Cd以及糙米和秸秆中Cd的含量,使稻米质量符合国家食品卫生安全标准,但土壤性质的不同会影响改良剂的效果。同一改良剂施用在红壤上的效果最为明显,其次是黄泥土,而呈碱性的潮黄土由于土壤有效态Cd的含量明显低于前两种土壤,施用改良剂后糙米和秸秆中的Cd含量虽有所降低,但改善效果不太明显。     

土壤有效态镉与稻米镉污染风险广东案例研究

为了科学评估土壤镉(Cd)污染造成的稻米Cd超标风险,以广东省韶关市(酸性土壤)和汕头市(中性土壤)Cd污染稻田为研究对象,对土壤与稻米配对样品进行回归分析,比较了两种提取剂(CaCl₂和DTPA)对土壤Cd的提取能力以及对稻米Cd含量的反映能力,以探讨适用于不同pH土壤的有效态Cd提取方法,建立最佳稻米Cd累积预测模型,并推导出土壤有效态Cd的风险阈值。结果表明:CaCl₂提取剂对Cd的提取能力小于DTPA;两种提取剂对酸性土壤Cd的提取能力显著高于近中性土壤。与土壤全Cd相比,有效态Cd含量可更好地预测稻米Cd含量。CaCl₂提取剂适用于全部试验区的酸性、中性土壤;DTPA适用于汕头市中性土壤,但不适用于韶关市酸性土壤。利用CaCl₂-Cd进行线性方程拟合,得到了最佳的稻米Cd预测模型。韶关市的早稻、晚稻预测模型各包含20个水稻品种,其土壤CaCl₂-Cd阈值分别约为0.10 mg·kg^-1和0.05 mg·kg^-1。研究表明,基于CaCl₂-Cd的稻米Cd预测方法和阈值可指导广东省Cd污染稻田安全利用,并对其他酸性土Cd污染区具有参考意义。     

不同水稻品种的镉吸收特性

选取浙江省绍兴、宁海、温岭三地,通过镉胁迫试验,研究4个水稻品种甬优538、春优84、嘉禾218和秀水134镉吸收积累特性。结果表明:4个水稻品种均表现出Cd低积累的特性,甬优538、春优84、嘉禾218、秀水134稻米Cd含量开始超标时所对应的处理中土壤Cd浓度分别为>1.41、1.41、0.91、0.52 mg·kg^-1。4个水稻品种稻米中的Cd含量与土壤Cd全量之间的关系可用直线回归方程拟合。不同水稻品种安全生产的土壤Cd临界值表现为甬优538>春优84>嘉禾218>秀水134,按土壤类型表现为黏质脱潜水稻土>涂泥渗育水稻土>涂泥潴育水稻土。试验所得水稻安全生产土壤Cd临界值略高于现行的土壤环境质量标准(GB 15618—1995)。     

不同污染源对水稻土及水稻籽粒的重金属污染研究

为了解不同来源的重金属对土壤的污染程度及其在水稻中的累积特点,利用3种典型的提取剂对四个不同污染源地区水稻土中As、Cd、Cu、Zn的有效态进行提取,分析不同来源重金属的生物有效性差异及其主要影响因素,进而以土壤参数和重金属有效态含量为自变量,建立各地区水稻籽实中重金属含量的最优预测方程。结果表明,工业废水和污水灌溉源地区土壤中As和Cd的有效态含量较高,矿山废渣源地区土壤中Cu、Zn有效态含量较高。水稻籽实中重金属可以用重金属有效态及土壤参数进行预测,籽实Cd含量可以用Ca Cl2溶液提取态含量进行有效预测,而籽实As和Cu的含量可以用EDTA提取态含量进行有效预测,但籽实Zn的预测性较差。四个污染源地区中,污水灌溉源和矿山废渣源地区重金属的生物累积预测性较好。     

植物分子遗传学在挖掘作物重金属积累相关基因中的作用

随着我国农田土壤重金属污染问题日益严重,导致农产品重金属超标时常发生。如何阻控重金属在作物可食部位的积累,保证农产品安全和重金属中、低污染农田的安全利用,已成为我国农业生产急需解决的问题。培育重金属低积累作物品种,实现作物可食部位重金属含量达标,是解决重金属中低污染农田安全利用的经济而有效的手段之一。培育作物重金属低积累品种需要克隆控制重金属积累的相关基因,并阐明其分子遗传机理。以Os NRAMP5、Os HMA3和CAL1三个控制水稻镉吸收、转运和分配的基因为实例,介绍植物分子遗传学在挖掘作物重金属积累相关基因中的作用,包括基于正向遗传学和反向遗传学的方法,克隆控制镉在作物中积累的基因,并阐述这些功能基因控制重金属积累的分子遗传机理,同时展望这些基因在培育重金属低积累品种中的应用前景。     

水分管理、铁硅材料与生物炭对不同水稻品种吸收镉的影响及其机制

通过田间微区试验研究了三种水分管理模式干旱(D)、间歇淹水(IF)、持续淹水(CF)以及水分管理与钝化剂(铁硅材料及生物炭)联合修复模式对不同水稻品种吸收Cd的影响,并探讨其影响的可能机制。结果表明,从分蘖前期到成熟期CF处理各水稻品种糙米Cd的含量比IF处理降低0.20%～45.43%,比D处理降低37.67%～62.11%。三种水分条件下低累积水稻品种G8优2168糙米中Cd的含量比常规品种G8优165低35.03%～54.61%。施加铁硅钝化剂在三种水分(D、IF、CF)条件下,糙米中Cd含量比对应单一水分管理模式依次分别下降64.26%、55.74%、38.14%;施加铁硅+生物炭钝化剂降Cd效应下降。低累积品种+持续淹水联合铁硅钝化剂处理,糙米Cd含量最低。水稻根表铁膜中Cd含量在三种水分条件(D、IF、CF)下依次增加,根系和糙米中Cd含量则依次减少,表明持续淹水可以促进根表铁膜对Cd的固定,同时持续淹水使土壤CaCl2提取有效态Cd的含量显著下降,两者共同作用降低了糙米Cd的含量。施加铁硅钝化剂对根系铁膜固定Cd无显著影响,主要通过显著降低土壤有效态Cd使糙米中Cd含量下降。低累积水稻品种+持续淹水水分管理+铁硅钝化剂联合修复技术可以最大限度保障糙米安全生产。种植低累积水稻和在水稻生长关键期持续淹水水分管理对抑制水稻Cd吸收具有重要意义。在水稻缺水季节及缺水地区则更应重视低累积水稻品种和钝化剂的应用。     

Variation of Cd concentration in various rice cultivars and derivation of cadmium toxicity thresholds for paddy soil by species-sensitivity distribution

It is imperative to derive an appropriate cadmium(Cd) health risk toxicity threshold for paddy soils to ensure the Cd concentration of rice grains meet the food safety standard. In this study, 20 rice cultivars from the main rice producing areas in China were selected, and a pot-experiment was conducted to investigate transformation of Cd in paddy soil-rice system with 0(CK), 0.3 mg kg–1(T1) and 0.6 mg kg–1(T2) Cd treatments in greenhouse. The results showed that Cd concentrations of rice grains existed significant difference(P0.05) in 20 rice cultivars under the same Cd level in soil. The Cd concentrations of rice grains of the CK, T1 and T2 treatments were in the range of 0.143–0.202, 0.128–0.458 and 0.332–0.806 mg kg–1, respectively. Marked differences of the ratios of Cd concentration for soil to rice grain(BCFs) and transfer factors(TFs, root to grain and straw to grain) among the tested cultivars were observed in this study. The bioconcentration factors(BCFgrain) and TFs of the 20 rice cultivars were 0.300–1.112 and 0.342–0.817, respectively. The TFs of Cd from straw to grain ranged from 0.366 to 1.71, with significant differences among these 20 rice cultivars. The bioconcentration factors(BCFgrain) and TFs among the 20 rice cultivars ranged from 0.300–1.112 and 0.342–0.817, respectively. The species-sensitivity distribution(SSD) of Cd sensitivity of the rice species could be fitted well with Burr-III(R2=0.987) based on the data of BCFs. The toxicity threshold of Cd derived from SSD for the paddy soil was 0.507 mg kg–1 in the present study.     

Characterization of grain cadmium concentration in indica hybrid rice

As a consequence of contamination of soil with heavy metals, cadmium accumulation in grain is of great concern worldwide, but especially in southern China. It is important to evaluate the Cd accumulation potential of grain before or when examining and approving new cultivars. An evaluation method and criteria for verifying Cd accumulation potential in rice are proposed, and the Cd accumulation potential of 56 mid-season indica hybrids collected from the provincial cultivar trials in 2016 were investigated. Genotype, environment and their interactions strongly affected the variation in grain Cd accumulation. Two hybrids were identified as slightly Cd accumulating. Hybrids with slight Cd accumulation potential would be suitable for safe grain production on polluted land (total Cd under 2.0 mg·kg⁻¹) in Hunan Province (China) and should be considered for new cultivar evaluation and approval. This evaluation method and criterion could be applied for certifying Cd accumulation potential of rice cultivars.     

湛江水稻生产环境及其稻米中Cd的安全性评价

为研究湛江稻米生产环境及其稻米中Cd的安全性,抽样测定了湛江4个水稻主产区的大田土壤、灌溉水、植株器官和稻米中重金属镉(Cd)的含量.结果表明:早稻与晚稻均表现为,Cd在根中的积累量显著地高于茎、叶和稻米.同时,Cd在稻米中的积累量显著地低于茎、叶,Cd在茎、叶中的含量水平相当,水稻植株器官对Cd的富集水平基本为根＞叶＞茎＞稻米,根系是吸收和积累Cd的主要植株器官;湛江市4个水稻主产区生产的稻米中Cd的含量范围为0.034～0.047 mg· kg-1,符合国家粮食卫生控制标准值(GB 2715-2005),尚不存在Cd暴露的风险.水稻种植区的土壤中Cd含量为0.155～0.180 mg·kg-1,达到国家土壤环境质量一级标准(GB 15618-1995),仍属于自然背景值范围;灌溉水的重金属Cd含量的范围为0.001 9～0.004 9 mg·L-1,均达到国家农田灌溉水标准(GB 5084-2005)的要求.因此,湛江市水稻生产的土壤和灌溉水环境是安全的,生产的稻米Cd的安全性高,不会危害消费人群的身体健康.     

不同混施钝化剂对水稻吸收累积Cd的影响

将石灰、赤泥和高岭土按不同比例混合(施用总量为4500kg hm-2)施加于Cd污染稻田土壤,根据混合比例不同设置CK(常规种植)、T1(1∶7∶4)、T2(3∶5∶4)、T3(4∶4∶4)和T4(6∶2∶4)共5个处理,探究不同混施钝化剂对水稻吸收累积Cd的影响。结果表明:4种混施处理能够显著降低土壤有效态Cd含量,较CK相比依次降低了28.0%、40.9%、43.4%和57.4%。4种混施处理能够不同程度地降低水稻各部位对Cd的吸收累积,籽粒的Cd含量依次降低47.1%、49.2%、55.5%和81.6%,T2、T3和T4处理水稻籽粒中Cd含量达到了食品安全国家标准(G B27622017,Cd≤0.2mg kg-1)。土壤有效态Cd含量与水稻根、茎、叶和籽粒中Cd含量的Pearson相关系数分别为0.826、0.709、0.778和0.532,均达到显著相关。不同处理根系富集系数依次为5.03、1.83、2.22、1.32和0.90,钝化处理显著降低了水稻根系对Cd的富集能力。各处理水稻产量以及籽粒K、Mg元素含量没有显著差异,T1到T4处理Ca元素含量依次增加。综合分析,T4处理对于降低土壤中有效态Cd含量以及水稻籽粒中Cd含量效果最佳,且没有降低水稻产量和与稻米品质密切相关的K、Mg和Ca元素含量。