镉污染对水稻分蘖期植株生长及镉积累的影响
林肖, 任艳芳, 张艳超, 王艳玲, 何俊瑜*
贵州大学 农学院,贵州 贵阳 550025
何俊瑜,教授,从事环境生理生态方面的研究工作,E-mail:junyuhe0303@sina.com

作者简介:林肖(1990—),男,贵州毕节人,硕士研究生,研究方向为重金属污染与植物营养。

摘要

以水稻中优169为材料,通过盆栽试验,研究了不同浓度Cd污染对水稻分蘖期植株生长、根系活力、Cd积累与分配的影响。结果表明,5 mg·kg-1的Cd污染使分蘖期水稻植株根系活力和生物量明显降低,茎蘖数减少。随着Cd污染程度的增加,水稻根和茎叶Cd含量和积累量明显增加;根和茎叶的Cd富集系数、转移系数均呈降低趋势。1 mg·kg-1和5 mg·kg-1 Cd使水稻根系Cd分配比例增加,茎叶Cd分配比例下降,且趋于稳定。

关键词: ; 水稻; 分蘖期; 积累; 分配
中图分类号:S511 文献标志码:A 文章编号:0528-9017(2017)05-0743-04 doi: 10.16178/j.issn.0528-9017.20170505
Abstract
Keyword:

镉(Cd)是主要的土壤重金属污染物之一。工业活动、过度施肥和废物处置不当等原因引发我国农业生产面临严重的Cd污染。Cd不是植物生长发育所必需的元素, 农田土壤中的Cd能被作物吸收, 影响植株生长并通过食物链, 威胁人体健康。

水稻是我国重要粮食作物之一, 也是吸收积累Cd较强的农作物[1]。稻田Cd污染不仅影响水稻生长, 更为严重的是Cd大量积累于稻米中, 影响稻米质量[2]。据报道, 我国受Cd污染稻田已经达28万 hm2, 每年生产的Cd含量超标农产品已超过7.3亿t[3], 随着农田Cd污染的加剧, 稻米安全问题与日俱增。近年来, 关于Cd污染对水稻生长发育、生理生化特性的影响[4]及其耐性机制[5, 6]、Cd在水稻植株中的吸收积累[7, 8]等方面已有大量研究, 但有关水稻植株不同器官对Cd的吸收、累积及分配特征缺乏系统研究。研究表明, 水稻Cd积累不仅受到土壤Cd污染程度等的影响, 而且存在种间、种内差异。此外, 不同生育时期不同部位对Cd的吸收积累效应差异较大[9, 10]

研究表明, 水稻从土壤中吸收Cd主要集中在抽穗扬花之前的营养生长阶段, 该阶段所吸收的Cd占整个生育期吸收Cd的91%[11]。分蘖期作为水稻营养生长阶段的重要时期, 代谢旺盛, 对重金属Cd的吸收能力强, 不仅造成重金属在水稻植株体内积累, 而且对水稻的生长、群体结构、产量影响很大。因此, 明确分蘖期Cd的积累分配特征对于采取有效措施降低水稻重金属Cd累积, 保障粮食质量安全具有重要意义。为此, 本文通过盆栽试验研究了Cd污染对水稻分蘖期植株分蘖、根系活力和干物质积累的影响以及根系和地上部对Cd积累分配特征, 以明确分蘖期水稻Cd积累分布规律, 从而为采取相应措施降低水稻对Cd的吸收积累提供理论依据。

1 材料与方法
1.1 供试材料

盆栽试验于2015年在贵州大学农学院盆栽试验场进行。供试水稻品种为中优169, 在无污染稻田进行育秧。供试土壤为贵阳市花溪区典型稻田土。采集耕层土风干去渣后, 过2 mm筛, 混匀。另取少许土样分别过2 mm和0.149 mm尼龙筛, 测定土壤基本理化性状[12]。土壤pH值63.96, 有机质含量23.21 g· kg-1; 碱解氮、速效钾、速效磷、全镉、有效镉含量分别为133.83、216.57、56.72、0.524和0.116 mg· kg-1

1.2 处理设计

试验设3个镉浓度, 分别为1 mg· kg-1 Cd(Cd1)、5 mg· kg-1 Cd(Cd5)、以未添加Cd的稻田土为对照(Cd0), 每处理种植36桶。

试验盆钵为25 cm(直径)× 30 cm(高)黑色塑胶桶。将过筛混匀土装入塑胶桶, 每桶装土15 kg, 通过添加CdCl2· 2.5H2O溶液模拟污染土壤, 使土壤镉浓度达到试验要求。施入镉后将桶中土搅拌均匀, 加入去离子水完全淹水预培养1个月后种植水稻。种植前, 按每千克土加入0.32 g尿素(含N 46%)、0.14 g磷酸二氢钾(含P2O5 12%)和0.25 g氯化钾(含K2O 60%)作为基肥。于5月25日移栽育好的水稻秧苗, 每桶3穴, 每穴2株。尿素追肥和病虫害防治措施同当地水稻高产田。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 分蘖动态观察

通过定点记录每穴分蘖数, 测定植株的分蘖动态。

1.3.2 生物量测定

植株收获后, 先用自来水小心清洗, 再用去离子水反复冲洗并吸干表面水分, 分为根系和茎叶两部分, 置于烘箱中105 ℃下杀青30 min, 70 ℃恒温下烘干至恒重并用万分之一电子天平称量植株根和茎叶干重。

1.3.3 根系活力测定

采用TTC还原法测定根系活力[13]

1.3.4 植株Cd含量测定

植株不同器官Cd含量采用硝酸-高氯酸(4∶ 1, V∶ V)湿法消煮, 超纯水定容后用石墨炉原子吸收分光光度计(AA240FS, VARIAN, USA)进行测定。以国家标准物质GBW080684为内标进行质量控制, 同时全程做空白试验。分析所用试剂均为优级纯, 分析所用器皿均以5%硝酸溶液浸泡过夜, 用去离子水洗净。

1.4 富集系数、转运系数、分配比例

参照文献[14]。富集系数=水稻器官Cd含量/土壤Cd含量, 转运系数=水稻地上部各器官Cd含量/根部Cd含量, 分配比例/%=(植株各器官Cd积累量/整株Cd积累量)× 100。

1.5 数据处理

采用Excel 2003和SPSS 19.0软件分析处理数据。

2 结果与分析
2.1 镉污染对水稻分蘖的影响

从图1可以看出, Cd污染下水稻茎蘖数随生育期的变化趋势总体相似, 呈单峰型曲线。Cd污染下水稻的最大茎蘖数有所降低, 与对照相比, 1 mg· kg-1 Cd和5 mg· kg-1 Cd污染下分蘖速度较慢, 且分蘖峰值低, 每穴最大茎蘖数分别低0.67和1.67个, 分别下降2.38%和5.96%。此外, Cd污染使水稻的有效茎蘖数有所下降, 与对照相比, 1 mg· kg-1 Cd和5 mg· kg-1 Cd污染下有效茎蘖数分别下降3.35%和8.35%, 其中5 mg· kg-1 Cd污染下差异明显(P< 0.05); 分蘖成穗率分别下降0.99%和3.18%。

图1 镉污染对水稻分蘖动态的影响

2.2 镉污染对水稻分蘖期植株生物量的影响

干物质量可反映作物生长发育的好坏。图2表明, 不同Cd污染下水稻单株根和茎叶干物质积累量不同, 与对照相比, 1 mg· kg-1 Cd污染下水稻根系和茎叶的生物量未受明显影响; 5 mg· kg-1 Cd污染下水稻分蘖期根系和地上部的生物量明显降低(P< 0.05), 分别降低12.31%和14.81%。这与吕银斐等[15]的研究结果一致。

图2 镉污染对水稻植株生物量的影响

2.3 镉污染对水稻分蘖期根系活力的影响

根系是植物吸收养分的主要器官, 其活力的强弱直接影响植株的生长。由图3可以看出, 1 mg· kg-1 Cd污染对水稻根系活力无明显的抑制作用, 而5 mg· kg-1 Cd污染处理使水稻根系活力明显降低(P< 0.05), 与对照相比, 根系活力降低9.20%。这与刘春梅等[13]的研究结果一致。

图3 Cd污染对水稻根系活力的影响

2.4 Cd污染对水稻分蘖期植株Cd含量和积累的影响

分蘖期水稻根、茎叶Cd含量见图4。在不同浓度Cd污染下水稻不同部位Cd含量差异显著。各部位Cd含量均随着Cd污染浓度增大明显增加, 且根中Cd含量显著高于茎叶。这与莫争等[7]的研究结果一致。Cd主要集中在根部, 与Cd进入根皮层细胞后, 同根内蛋白质、多糖、核糖、核酸等化合形成稳定的大分子络合物, 或与形成不溶性有机大分子而沉积下来有关[16]。在1 mg· kg-1Cd污染下, 根内Cd含量为茎叶的4.91倍。在5 mg· kg-1Cd污染下, 根内Cd含量是茎叶内的4.61倍, 表明较高浓度Cd污染下, 根系与茎叶Cd含量差距在减小。

图4 Cd污染下水稻不同部位Cd含量

水稻植株不同部位及整株Cd积累量均随着Cd污染浓度增大而明显增加。由表1可知, 与对照相比, 1 mg· kg-1 Cd污染下, 根、茎叶和植株Cd积累量分别增加1.30、0.51和0.82倍; 5 mg· kg-1 Cd污染下, 根、茎叶和植株Cd积累量分别增加5.57、3.78和4.49倍。可见, Cd污染明显促进植株中Cd的积累。

表1 Cd污染下水稻根与茎叶Cd积累量
2.5 水稻分蘖期不同部位的Cd富集系数、转移系数和分配比例

表2可知, Cd污染对水稻分蘖期各部位的Cd富集系数有一定影响。随着Cd污染程度的增加, 水稻分蘖期根和茎叶的Cd富集系数均呈降低趋势, 与对照相比, 1和5 mg· kg-1 Cd污染下, 根系Cd富集系数分别下降16.50%和39.81%, 茎叶Cd富集系数分别下降43.75%和59.38%。Cd在水稻植株体内的转移系数随着Cd污染程度的增加呈下降趋势。相比对照, 1和5 mg· kg-1 Cd使分蘖期水稻根系Cd分配比例增加, 而使茎叶Cd分配比例下降, 且二者间无明显差异, 说明随着Cd污染程度的增加, 水稻分蘖期根、茎叶的分配比例较为稳定。

表2 Cd污染下水稻不同器官Cd富集、转移和分配情况
3 小结与讨论

水稻是我国重要的农作物, 在整个国民经济和社会安定中起着重要作用。稻田重金属Cd污染导致水稻生长发育受阻, 进而影响产量。土壤Cd污染对水稻分蘖期植株生长、发育及器官Cd积累的作用受土壤因素和品种基因型的影响甚为显著, 常因试验条件不一导致试验结果多有差异。研究表明, 土壤低浓度Cd含量能促进植物的生长发育, 使其生物量显著增加, 但当Cd达到一定浓度时会抑制植物的光合生产力, 根系活力受抑, 生物量减少[17, 18]。本试验结果表明, 与不加Cd处理相比, 1 mg· kg-1 Cd污染对水稻的分蘖、生物量和根系活力均未受到明显的影响, 但在5 mg· kg-1 Cd污染下, 水稻的生长发育(分蘖、生物量和根系活力)受到明显的抑制, 呈现出较为明显的Cd毒害特征, 这与吕银斐等[15]研究结果相一致。不同Cd浓度对分蘖期水稻器官Cd吸收累积有明显的影响。本试验得出, 分蘖期水稻根系与茎叶中Cd含量与积累量随土壤Cd浓度的增加而明显升高, 这与喻华等[18]的研究结果相似。此外, 随着Cd污染程度的增加, 根和茎叶的Cd富集系数、转移系数均呈降低趋势。1和5 mg· kg-1 Cd使水稻根系Cd分配比例增加, 茎叶Cd分配比例下降, 且趋于稳定。

The authors have declared that no competing interests exist.

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