水稻品种对镉砷累积的差异研究

【目的】研究在镉(Cd)、砷(As)复合污染农田下不同水稻品种对Cd、As吸收与累积的差异，以期为云南重金属污染农田中水稻安全生产与利用提供理论依据。【方法】试验点位于云南省昆明市东川区，采用大田试验，设置10个处理：种植杂交籼稻(中浙优8、中浙优10、中浙优1、清优676、闽红两优177)、常规籼稻(云航籼3、云航红1)、常规粳稻(云航粳2、云航粳3、云航粳7)等10个水稻品种，于水稻成熟期测定水稻农艺性状及分析植株Cd、As累积特征。【结果】不同品种水稻农艺性状及植株Cd、As累积特征均存在显著差异，其中水稻产量、株高、千粒重和结实率最大值分别为最小值的2.91、1.17、1.40、1.24倍，地上部分和地下部分生物量最大值分别为最小值的2.12、2.47倍，根、茎叶、谷壳和糙米的Cd与As含量最大值分别为最小值的2.33、3.50、1.40、4.00倍与2.03、1.93、1.48、1.36倍，Cd与As累积量最大值分别为最小值的4.45、3.27、3.53、12.06倍与2.51、1.81、3.02、3.70倍。水稻Cd转运系数总体表现为TF_{糙米/茎叶}&g...     

镉砷复合污染条件下镉低吸收水稻品种对镉和砷的吸收和累积特征

为探索镉(Cd)、砷(As)复合污染稻田下不同水稻品种对Cd、As的吸收和累积特征,选取4个低Cd吸收品种(金优463、金优268、金优433和株两优189)和2个当地主栽品种(五丰优111和马坝油毡),在广东韶关红壤区Cd、As复合污染稻田开展大田试验,调查和测定水稻的生长状况以及对Cd、As的吸收与转运情况。结果表明,参试6个水稻品种产量存在显著差异,2个当地主栽品种产量显著高于4个低Cd吸收品种。当地主栽品种马坝油毡籽粒Cd含量显著高于其他品种且超过国家污染物限量标准值(0.2 mg·kg~(-1)),其余品种Cd含量均未超标;6个品种As含量均超过国家标准值(0.2 mg·kg~(-1)),其中金优268籽粒Cd、As含量均为最低值,分别为0.05、0.31 mg·kg~(-1)。相关分析表明,品种间对Cd、As的富集能力和各部位的转运能力存在差异,其中低Cd吸收品种体内Cd从颖壳向籽粒的转运能力较低。因此,为同时降低Cd、As复合污染土壤中水稻籽粒Cd、As含量,在开展低重金属吸收品种选择研究时,需要同时考虑低Cd和低As两种因素。     

不同水稻品种对镉、砷的吸收累积特征

采用田间试验方法,对污染稻田内15个水稻品种的镉、砷吸收累积特征进行了研究。结果表明:15个供试品种的稻米镉含量范围为0.04～0.06 mg/kg,均未超过食品安全国家标准;砷含量范围为0.15～0.28 mg/kg,其中C两优386、晶两优1212、泰优390和深两优475的稻米砷含量超过食品安全国家标准。镉的转运效率以深两优475最高,五优308最低,砷的转运效率以深优9595最高,Y两优9918最低。15个品种稻米镉、砷富集系数均低于1.0,说明该土壤上稻米对镉、砷的富集能力较弱。     

镉耐性固定细菌的筛选及其对不同品种小麦镉吸收的阻控效应

为筛选重金属耐性固定细菌并探索其阻控小麦对重金属的积累效应,从根际土壤筛选镉耐性固定细菌,研究细菌吸附特性以及细菌对两种小麦Cd含量、富集系数和转移系数的影响。结果表明:筛选到一株镉耐性固定细菌菌株YM4,经16S rDNA序列分析鉴定为假单胞菌(Pseudomonas sp.)。YM4能耐受225 mg·L~(-1)高浓度Cd2+,在含50 mg·L~(-1)Cd2+培养基中对Cd的去除率达到58.9%。YM4对Cd的去除以胞外吸附为主。红外光谱分析发现,细胞壁上参与吸附或结合Cd的官能基团主要有─OH、─NH、羧基和磷酸基团等。小麦盆栽试验中,YM4显著降低小麦地上部(茎叶、麦壳)Cd积累量(11.31%～46.05%和10.12%～42.22%),使籽粒Cd积累量明显下降(26.79%～62.24%,红麦;25.27%～28.99%,白麦)。YM4能显著降低两种小麦茎叶、籽粒和麦壳的Cd富集系数以及籽粒的Cd转移系数。研究表明,镉耐性固定细菌Pseudomonas sp. YM4能降低小麦籽粒Cd含量,阻控小麦对Cd的吸收积累,对中轻度Cd污染土壤的粮食安全生产具有潜在应用价值。     

镉砷低积累水稻品种筛选

通过田间试验方法,对镉砷复合污染稻田内15个水稻品种的镉砷累积特性进行研究。结果表明:15个水稻品种的平均产量为7 962.20±352.45 kg/hm~2,其中野香优丝苗、天龙一号、深优9595这3个品种产量较低,存在减产风险;15个供试品种的稻米镉含量范围为0.41～0.81 mg/kg,均超过食品安全国家标准;稻米砷含量范围为0.14～0.21 mg/kg;其中深优9595、桃优香占、C两优87和天龙一号4个品种超过食品安全国家标准;15个品种中仅Y两优9918和野香优莉丝这2个品种的稻米镉、砷含量皆低于平均值,可优先在轻度镉砷复合污染地方进行试种;根据稻米镉、砷含量进行聚类分析可知,15个品种可分为3类,第一类为镉高砷低类型,有隆两优华占、晶两优1212、隆两优1988、C两优386这4个品种;第二类为镉砷同步低积累类型,仅Y两优9918这1个品种;第三类为砷高镉低类型,有深两优5814、和两优1号、C两优87等10个品种。     

镉在小麦植株体内的吸收、分配和累积规律研究

通过大田试验，研究镉(Cd)在麦株中的吸收、分配和累积的动态变化规律。结果表明，小麦植株中较易富集Cd^2 的部位是叶、根及废弃物，而籽粒中Cd^2 水平较低；Cd^2 是一种不可移动的元素，在衰老部位累积较多，不能被其他未衰老的器官重新利用：Cd^2 吸收量与植株干物重增加量呈极显著的正相关(r=0．916^**)，吸收速率与植株干物重增加量呈显著的正相关(r=0．800^*)；灌浆期和拔节—抽穗期是镉污染控制的关键时期，且Cd^2 吸收量最高。Cd^2 吸收速率也最大。     

基施钢渣及生物炭结合水分管理阻控水稻镉砷吸收研究

采用土柱实验和田间实验,研究了不同水分管理、基施钢渣及生物炭对稻田-水稻系统中镉砷污染同时阻控的效果。土柱实验结果表明,持续性淹水(CF)降低了Cd的生物有效性,但显著提高了As在土壤中的溶出,钢渣显著提高了土壤p H,降低了土壤Eh,并同时降低了Fe和Cd的溶解,增加了土壤溶液中Mn和As的含量。田间实验结果表明,糙米中Cd和As的含量呈显著负相关(R=-0.838,P0.05)。好氧环境下,基施钢渣及生物炭(A+SS、A+SS+BC)无法抑制Cd在稻米中的积累,而持续性淹水环境下基施钢渣和生物炭(CF+SS+BC)对水稻Cd和As具有同时阻控的效果,这或可成为水稻镉砷同时阻控的配套技术。     

叶面施用有机硒、有机硅对水稻累积镉、砷的影响

为研究叶面施用有机硒、有机硅处理对不同种水稻品种富集重金属(砷、镉)的影响,选用10个晚稻品种及有机硒(A)、有机硅(B) 2种试剂进行田间试验,测定和分析各处理间水稻各部位砷、镉含量差异。结果表明：水稻各个部位对重金属砷、镉的累积存在明显的差异。镉在水稻中的富集规律为茎>叶>稻米;砷在水稻中的富集规律为叶>茎>稻米。喷施有机硒(A)、有机硅(B)后,水稻稻米砷含量相较于CK处理分别下降了17.0%、29.9%;稻米镉含量分别下降了44.8%、44.2%,均显著低于对照处理。同时,喷施有机硒(A)后水稻叶镉含量相较于CK处理下降了17.3%,喷施有机硅(B)后水稻叶砷含量相较于CK处理下降了17.9%,二者均显著低于CK处理。相较于CK处理,试验所用试剂未对水稻茎砷、镉含量产生显著影响。喷施有机硒(A)、有机硅(B)后,根际土壤pH值及砷、镉含量相较于CK处理差异不显著。研究表明,施用有机硒(A)、有机硅(B)均可以抑制砷、镉重金属在水稻稻米中的富集,且有机硒(A)可以抑制重金属镉在水稻叶的富集,有机硅(B)可以抑制重金属砷在水稻叶的富集。     

小麦株高和茎秆不同部位砷镉磷含量与籽粒砷镉磷含量的关系

以12个小麦品种为供试材料,利用盆栽试验研究了小麦穗下节间长、株高和茎秆不同部位砷、镉、磷含量在不同品种间的差异以及它们与小麦籽粒砷、镉、磷含量之间的关系。结果显示,小麦株高、穗下节间长以及茎秆不同部位砷、镉、磷含量存在明显的品种差异。皮尔森相关性分析结果显示,小麦籽粒砷含量与颖壳和穗轴部位砷含量显著正相关,相关系数分别为0.659(P0.01)和0.433(P0.05)。籽粒镉和磷含量与株高和穗下节间长呈显著负相关,其相关系数:镉分别为-0.264(P0.05)和-0.345(P0.01),磷分别为-0.583(P0.01)和-0.437(P0.01)。籽粒磷含量分别与颖壳、穗轴和节间磷含量呈显著正相关,相关系数分别为0.526(P0.01)、0.430(P0.05)和0.532(P0.01)。籽粒砷和镉含量与颖壳和穗轴中磷含量均存在显著相关性。这些结果表明,颖壳和穗轴部位砷含量大小可以用来表征籽粒砷含量,选育植株较高的小麦品种有利于降低籽粒镉的积累。     

稻田镉砷污染阻控原理与技术应用

我国农田土壤重金属污染治理已成为重大国家需求;水稻是重金属超标最为严重的粮食作物;镉/砷污染稻田是农田重金属污染治理的重点与难点。以农产品安全为目标,以定向调控重金属的活性、阻隔其转移的阻控技术,是农田重金属污染治理的新思路,对解决稻田重金属污染治理难题具有重大意义。铁是稻田中最为重要的活性元素,稻田铁循环是连接养分循环与镉/砷行为的枢纽;调控铁与碳/氮循环的耦合过程,可降低土壤中镉/砷向水稻根系迁移的活性,从而减少水稻植株吸收积累镉/砷。硅与硒等营养元素与水稻镉/砷吸收转运密切相关,外源施加硅/硒养分可降低水稻吸收、转运镉/砷的功能基因表达,提高其解毒功能基因表达,从而抑制镉/砷从水稻根系向籽粒的转运。基于以上原理研发了硅/硒营养调控的生理阻隔技术、铁循环调控的钝化技术,并研制了相应的产品。大田试验结果表明,生理阻隔和土壤钝化技术单独应用或组合应用,均可有效降低稻米中镉/砷含量,从而提高稻米的安全性,具有广阔的应用前景。     

外源亚精胺对水稻吸收积累镉砷的影响

通过水培试验和大田试验,研究外源亚精胺（Spd）对水稻吸收积累Cd、As的影响。结果表明：水培试验中,在10 μmol·L^-1的Cd胁迫下,外源添加250 μmol·L^-1的Spd能显著降低水稻茎叶Cd含量58.0%,在50 μmol·L^-1的As胁迫下,添加同样浓度的Spd可以显著降低水稻茎叶As含量20.1%,阻止了水稻根系中Cd、As向茎叶的转运累积;在大田试验中,外源添加1 000 μmol·L^-1的Spd显著降低了水稻根系、叶片和籽粒中Cd的积累,分别降低了25.8%、51.9%和37.4%,同时降低了水稻茎和根系中As的含量,分别降低了23.9%和31.2%。研究表明,外源施用Spd可以降低苗期水稻对Cd、As的吸收积累,同时可显著降低水稻籽粒中Cd的含量。因此,可合理使用亚精胺缓解Cd、As对水稻的胁迫,为提高粮食安全提供有力保障。     

田间水肥管理措施及石灰施用对水稻Cd As积累的影响

通过水肥管理及石灰施用等农艺措施阻控水稻Cd、As的积累被认为是经济、易行和有效的措施,但相关措施仍缺乏大田的验证和优化。为此,本研究在湖南省开展了多年多点水肥及石灰施用等农艺阻控对水稻Cd、As积累影响的田间试验。2014—2016年,连续3年在攸县和湘潭研究了常规灌溉、开花后淹水和全生育期淹水3种管理模式对水稻Cd、As积累的影响。结果均表明淹水能显著降低糙米的Cd浓度,但提高了As浓度,后期淹水和全淹水分别使糙米中的Cd浓度降低了15%~30%和26%~45%,但使As浓度提高了6%~25%和11%~65%。2016—2017年,连续两年在湘潭研究了秸秆、硅肥、硫肥和锰肥及其与石灰联用对水稻Cd、As积累的影响。结果表明硅肥和硫肥对水稻Cd、As积累的阻控效果不稳定,大田条件下单独施硅肥难以达到显著降低糙米中Cd、As浓度的效果,施用高剂量(2250 kg·hm-2)的硫肥能显著降低糙米中As浓度。施用生石灰(1500 kg·hm-2)对糙米Cd浓度没有产生显著影响,但施用Ca CO3(12 000 kg·hm-2)能显著降低糙米和秸秆的Cd浓度,甬优538的糙米Cd浓度降低了54%,可见,施用足够量的Ca CO3是阻控水稻Cd积累的有效措施。该研究的结果表明合理的水肥管理措施能降低水稻Cd、As的积累,施用Ca CO3将土壤p H上调至6.5左右是阻控水稻Cd积累的有效措施。     

旱稻吸收砷镉的基因型差异研究

通过盆栽试验,比较了29种不同基因型旱稻对As、Cd的吸收与转运。研究结果表明:不同基因型旱稻在生物量和As、Cd吸收上均表现出显著差异,单株平均生物量和变异系数分别为23.57 g和15.8%。茎叶、颖壳和糙米As含量分别为1.022、0.177、0.050 mg·kg~(-1),变异系数分别为25.1%、54.3%和39.7%;Cd含量分别为0.811、0.230、0.116 mg·kg~(-1),变异系数分别为58.2%、38.9%和58.0%。旱稻不同器官对As、Cd累积的大小顺序均为糙米颖壳茎叶,Cd、As在三器官间的比值分别为1∶1.9∶6.7和1∶3.5∶20.4,说明不同器官间Cd转移系数高于As。相关性分析表明,茎叶与颖壳、茎叶与糙米、颖壳与糙米之间的相关系数:Cd分别为0.466(P0.05)、0.658(P0.01)和0.758(P0.01),As分别为0.437(P0.05)、0.290和0.611(P0.01)。旱稻对Cd的吸收与转运能力以及其基因型差异均较As大。29份不同基因型旱稻糙米As含量均达标(NY 5115—2002,0.5 mg·kg~(-1)),82.8%的旱稻Cd达标(GB 2762—2012,0.2 mg·kg~(-1)),糙米As、Cd含量均低于二分之一标准的基因型占37.9%,包括V2、V3、V6、V11、V12、V13、V15、V16、V19、V20和V25,表明通过筛选Cd、As低吸收的旱稻进行非淹水种植可保障稻米安全生产。     

不同土壤镉提取方法预测稻米富集镉性能评估

为筛选土壤镉(Cd)有效态提取方法并建立其与稻米Cd污染之间的累积模型,采用大田协同采样方式收集了土壤-水稻140对样品,分别研究了土壤Cd总量及土壤溶液Cd含量和化学浸提(醋酸HAc、复合有机酸、乙二胺四乙酸EDTA、CaCl2)、梯度扩散薄膜(DGT)技术提取的Cd含量与水稻糙米Cd含量的相关性,以评估不同提取方法预测稻米Cd累积模型的可行性。结果表明,研究区所在的长株潭地区存在较为明显的土壤及稻米Cd污染风险,EDTA提取Cd含量与土壤Cd总量显著正相关,模型拟合决定系数R2达到0.908 4,以总量预测稻米Cd污染存在37.2%~39.8%的误判率,0.01 mol·L^-1CaCl2提取的土壤Cd有效态含量存在明显的适用范围限制,在0.04~0.13 mg·kg^-1范围内,效果明显差于其他数据区域,模型决定系数R2仅为0.006。DGT技术能较好地预测稻米对Cd的吸收富集性能,且能区分土壤库供给能力差异对稻米富集Cd的影响,与传统化学浸提方法比较,DGT技术提取的土壤Cd有效态含量与稻米Cd含量具有更好的相关性(R^2=0.585 4,0.900 9),是预测稻米富集Cd较为理想的土壤有效态提取方法。     

水稻营养器官镉积累特性对稻米镉含量的影响

为了明确水稻营养器官对镉的拦截作用,对3个水稻基因型关键器官的镉积累特性进行了比较研究。盆栽试验结果表明：高镉积累型水稻T优705茎基部（蘖节）、穗轴和籽粒的镉含量及穗轴向籽粒转运镉的比例显著高于低镉积累型水稻朝阳1号B和湘早籼24。稻穗在含镉0.9~4.5 μmol·L^-1的Hoagland营养液中灌浆时,T优705籽粒基部拦截镉的能力最弱,稻米镉含量（y）和穗轴中的镉含量（x）呈显著线性相关（y=ax+b）,穗轴中的镉含量每增加1.0 mg,朝阳1号B、湘早籼24和T优705稻米中的镉含量分别增加0.01、0.11 mg和0.14 mg。在0.9~18.0 μmol·L^-1的镉溶液中,进入离体叶片的镉离子数量直接决定着叶绿素的衰减速率,镉含量每增加1.0 mg,朝阳1号B和湘早籼24的叶绿素含量降低0.02 mg左右,而T优705的叶绿素含量只降低0.01 mg。在相同的镉胁迫环境中,T优705离体叶片的氧化损伤程度较轻,释放的O₂^-和H₂O₂数量显著少于朝阳1号B和湘早籼24。这些结果表明,低镉积累型水稻籽粒基部对镉的拦截能力强,叶片耐镉性差,而高镉积累型水稻籽粒基部对镉的拦截能力弱,叶片耐镉性强;离体稻穗的镉转运特性和离体叶片的耐镉能力可以作为快速筛选低镉积累水稻品种的重要依据。     

小麦秸秆还田量对土壤Cd有效性及水稻Cd亚细胞分布的影响

为研究小麦秸秆还田量对水稻镉(Cadmium,Cd)亚细胞分布的影响,本文采用盆栽试验的方法,研究了小麦秸秆半量(Half dose wheat straw,HDWS)、全量(Full dose wheat straw,FDWS)还田对土壤有效态Cd及水稻Cd亚细胞分布的影响。结果表明,小麦秸秆还田降低了水稻苗期与分蘖期根部细胞壁(F1)、细胞器(F2)和可溶性物质(F3)中的Cd含量(比对照降低11.0%～51.1%),但提高了灌浆期和成熟期根部F1、F2和F3中的Cd含量(10.1%～35.5%)。同时,小麦秸秆还田显著降低了灌浆期和成熟期水稻茎部F1、F2中的Cd含量(31.3%～47.4%),亦显著降低了分蘖期和灌浆期茎部F3中的Cd含量(49.4%～51.1%);HDWS和FDWS较CK均显著降低了水稻地上部分的Cd总积累量(P0.05)。小麦秸秆还田通过提高水稻根系细胞壁固定及液泡区隔化作用,显著降低了水稻稻谷中Cd含量,降低了Cd的食品安全风险。根据研究结果,小麦秸秆全量还田更有利于Cd污染土壤上水稻安全生产,且DGT法评估水稻Cd有效性优于化学提取法。     

水分状况对水稻镉砷吸收转运的影响

为探明不同水分状况下(淹水深度和潜水位高度)水稻对镉(Cd)、砷(As)吸收转运差异,采用盆栽试验,以湿润管理为对照,研究了3、6、9 cm的淹水深度和-3、-6、-9 cm潜水位高度下水稻对Cd、As吸收转运的影响。与湿润管理(CK)相比,淹水对水稻产量无显著影响,但低潜水位下的水稻产量比CK下降了21.06%~28.44%;淹水显著降低了水稻米、茎叶、根的Cd含量,但促进了根As的积累,淹水的稻米Cd含量比CK下降了61.11%~69.43%;而低潜水位处理则显著增加了水稻对Cd的吸收,但显著抑制了对As的积累,低潜水位处理的稻米Cd含量比CK增加了4.08~4.48倍,而稻米As含量比CK降低了79.20%~81.96%。Cd、As在土壤-水稻系统的迁移转运过程中,不同水分状态下水稻对Cd、As的积累主要取决于土壤至根系的迁移转运环节,且米As含量还受As在根系、茎叶、稻米中转运分配的调节。不同淹水深度或不同潜水位高度对水稻米、茎叶、根的Cd含量或As含量影响皆不明显,水稻对Cd、As的吸收主要受限于淹水的状态;相关分析结果表明,不同水分管理模式下,水稻对Cd和As的吸收积累呈极显著负相关。因此,在Cd、As污染土壤的水分管理过程中,应结合土壤Cd、As污染程度制定适当的水分管理策略。     

镉低积累水稻品种筛选及其在镉超标稻田的表现评价

【目的】筛选镉低积累型水稻品种并开展镉超标稻田表现评价研究,为广西中低度镉污染稻田生产安全稻米提供品种和数据参考。【方法】以114份（V1~V114）水稻低镉品种育种材料为试验对象,从中筛选综合性状优良且籽粒表现为镉低积累的目标材料;对目标材料进行大田试验和盆栽试验验证,测定其在广西不同试验点的农艺性状和精米镉含量。【结果】初步筛选试验的114份参试材料中,除V102的精米镉含量低于最低检测值外,其余113份水稻育种材料的精米镉含量范围在0.01~0.35 mg/kg,平均值为0.10 mg/kg,筛选得到综合性状优良且精米镉含量较低的材料V111（审定后名称为桂育12）。桂育12在中低度镉污染区大田验证种植时,精米镉含量（0.01~0.10 mg/kg）未超出国家标准GB 2762—2017《食品安全国家标准食品中污染物限量》规定的限值（0.20 mg/kg）。盆栽试验结果表明,在pH为5.0,土壤镉含量3.0 mg/kg条件下,桂育12精米镉含量（0.34 mg/kg）有超标风险;各试验中土壤镉含量对桂育12部分农艺性状指标影响显著（P<0.05）,但属于品种种植的正常波动范围,对米质和产量的综合影响有限。【结论】从114份水稻材料中筛选出的镉低积累品种桂育12,经多年多点试验验证,在中低度镉污染稻田产出的稻米镉含量不超标,籽粒镉低积累性状较稳定,综合性状表现受土壤镉含量影响较小,可在广西中低度镉污染稻田推广应用。     

砷对小麦苗期生长的影响及降低砷毒性的措施

为探讨砷（As）污染对小麦苗期生长的影响,并提出减缓As毒害的农艺措施,以两个品种小麦作为供试材料,通过水培试验研究小麦苗期根系、茎叶对As（Ⅲ）吸收、累积的差异,以及As（Ⅲ）对小麦的毒性效应,采用盆栽试验研究硅（Si）肥、磷（P）肥施加对小麦根系、茎叶生物量及As含量的影响。结果表明：晋麦1号和晋麦2号根系生物量的As（Ⅲ）半数抑制浓度分别为1.2μmol·L^-1和2.2 μmol·L^-1,晋麦1号受As（Ⅲ）毒害引起的生理氧化胁迫显著,而晋麦2号根系受As（Ⅲ）毒害症状较弱;相较于晋麦1号,晋麦2号根系会吸收更多的As并向地上部分转运,对人体健康具有潜在危害。此外,Si、P肥的添加不仅有效增加了小麦根系、茎叶的生物量,而且显著降低了根系、茎叶中As的含量,200 mg·kg^-1 Si肥添加后,根系、茎叶中As含量分别降低了77.4%和60.5%,100 mg·kg^-1 P肥添加后,根系、茎叶中As含量分别降低了67.6%和49.2%。研究表明,两种小麦吸收、转运和累积As的能力不同,受As毒害产生的氧化胁迫也不同,小麦品种间As耐性存在差异;施加Si、P肥有利于降低小麦各组织部位As的含量。