有機肥對水稻鎘吸收及分配的影響

有機肥對水稻鎘吸收及分配的影響

水稻是中國乃至世界上最重要的糧食。中國大約60%的人口主要以水稻為主。水稻被認(rèn)為是對鎘(Cd)吸收最強的大宗谷類作物,易在籽實中積累,現(xiàn)今稻米中鎘含量超標(biāo)的問題日益嚴(yán)重。水稻在較低污染程度的情況下就表現(xiàn)為籽粒鎘含量已經(jīng)超標(biāo),但其生長并未受到嚴(yán)重影響,使得在生產(chǎn)中容易忽略水稻鎘污染的現(xiàn)象。因此,如何緩解鎘對農(nóng)作物的傷害以及降低鎘在作物中的積累是當(dāng)前亟待解決的問題。研究發(fā)現(xiàn),向鎘污染土壤中加入有機肥可增加土壤對重金屬的吸附能力,提高土壤對重金屬的緩沖性,減少植物對其的吸收,阻礙它進(jìn)入食物鏈。原因可能是一方面有機肥中的腐植酸能與鎘離子形成絡(luò)合物或螯合物,促使土壤中的交換態(tài)鎘向松結(jié)合態(tài)、錳氧化物結(jié)合態(tài)鎘轉(zhuǎn)換,從而降低其生物活性;另一方面,有機肥影響土壤的其他基本性狀,間接影響土壤鎘有效性。另外,無機有機肥料配施可保證養(yǎng)分的全面性,肥效穩(wěn)定持久,符合農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,因此有機肥逐漸被作為改良劑運用到對重金屬污染土壤的修復(fù)改良中。研究顯示,有機肥不僅降低土壤有效態(tài)鎘含量,降低作物受鎘毒害,而且顯著增加作物生物量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量。但是,目前關(guān)于有機肥對重金屬土壤的改良作用,大多是研究有機肥對土壤中鎘有效性以及苗期作物生長的影響,對作物體內(nèi)鎘的吸收分配規(guī)律的研究較少,并且對研究結(jié)果還有一定爭議。如有研究發(fā)現(xiàn)有機物料不能減少土壤有效態(tài)鎘,甚至?xí)罨寥乐械逆k,增加土壤有效鎘,增加植物對鎘的吸收。本試驗設(shè)計在總氮量一致的情況下,分別設(shè)置化肥處理和有機肥化肥配施處理,研究有機肥對兩個不同基因型水稻在較低污染程度鎘脅迫(3.0mg·kg-1)下,水稻對鎘的吸收以及在不同器官中的分配的影響,探討有機肥對鎘污染土壤的改良機理,為水稻生產(chǎn)區(qū)鎘污染土壤的改良以及農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)提供技術(shù)支持。1材料和方法1.1ndao98水稻:鎮(zhèn)稻88,粳稻(OryzasativaL.subsp.japonicaKatovar.Zhendao88);Ⅱ優(yōu)107,三系雜交中秈稻(OryzasativaL.subsp.indicaKatovar.Eryou107)。有機肥:以牛糞為主要原料的生物商品有機肥,全氮含量17.03g·kg-1,全磷含量11.31g·kg-1,全鉀含量14.37g·kg-1,全鎘含量為0.133mg·kg-1。1.2試驗設(shè)計與過程試驗于2010年和2011年在南京農(nóng)業(yè)大學(xué)牌樓試驗站進(jìn)行。采用盆栽土培方法,盆的內(nèi)徑25cm,高30cm,每盆裝10kg干土。試驗設(shè)計為雙因素隨機區(qū)組試驗,分別為鎘因素(Cd0:0mg·kg-1,Cd3:3.0mg·kg-1)和肥料因素(CF:化肥,OM:有機肥),共4個處理(表1)。各處理的總純氮含量均為300kg·hm-2,化肥處理的氮源全部由尿素提供,有機肥處理的氮源分別為有機肥、尿素各150kg·hm-2。取深層的大田土壤(全氮含量1.16g·kg-1,全磷含量2.98g·kg-1,全鉀含量28.63g·kg-1,全鎘含量0.202mg·kg-1),風(fēng)干后過2mm篩,根據(jù)試驗設(shè)計分別添加鎘(CdCl2·2.5H2O)和有機肥(見表1)及225kg·hm-2磷肥和225kg·hm-2鉀肥(其中有機肥處理添加的磷肥和鉀肥減去有機肥中的磷含量和鉀含量),充分混勻后裝入塑料桶內(nèi),加水穩(wěn)定兩周后待用。于5月底育苗,6月底,將幼苗移栽到塑料桶中,每桶3穴,每穴2株。塑料桶擺放于露天的網(wǎng)室里,以達(dá)到盡量接近大田環(huán)境的目的,進(jìn)行統(tǒng)一的管理。在2010年,桶內(nèi)保持2cm左右的水層,在乳熟期進(jìn)行曬田;2011年苗期的桶內(nèi)水層保持在2cm左右,拔節(jié)期至灌漿中期,由于當(dāng)時天氣,隔幾天就有一次暴雨,暴雨之后將其過多水分傾倒出后,并進(jìn)行適當(dāng)?shù)臅裉?這個階段處于干-濕交替的狀態(tài),乳熟期后同2010年一樣進(jìn)行曬田處理。1.3植株組成和干重水稻生物量:于抽穗期、成熟期,每處理各取3株大小一致的水稻植株,洗凈根系泥土,然后用去離子水清洗整個植株,分為根、莖、葉鞘、葉片、穗,其中成熟期的籽粒又分為潁殼、糠層、精米。各樣品殺青烘干至恒重,稱重。各器官鎘含量:將烘干的樣品磨碎后過100目篩,稱取1.0g,用HNO3∶HClO4=5∶1的混合消解液消解至澄清后定容,用原子吸收分光光度計測消解液的鎘濃度。1.4處理數(shù)據(jù)采用SPSS、Excel等軟件處理數(shù)據(jù)。2結(jié)果與分析2.1有機肥對中蘇烷酸鈉官權(quán)的影響由表2可知,兩個基因型各處理的鎘含量均表現(xiàn)為根>莖>鞘、葉。加鎘處理的各個器官的鎘含量都顯著高于無鎘處理。有機肥對無鎘處理的鎘含量沒有顯著影響,但顯著降低加鎘處理的根系鎘含量,對莖、鞘和葉片的鎘含量影響表現(xiàn)不一,總體表現(xiàn)為略有降低。兩年的鎘含量有所不同,2011年各器官的四個處理平均鎘含量均高于2010年。2.2有機肥處理的鎘濃度由表3可知,兩個基因型水稻的籽粒不同部分的鎘含量不一,但都表現(xiàn)為糠層的含量遠(yuǎn)大于精米和穎殼。加鎘處理的各個部分的鎘含量均顯著高于不加鎘處理,并且加鎘處理的精米鎘含量均已超過我國的食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(≤0.2mg·kg-1)。無鎘處理下,有機肥不同程度降低了各部位的鎘濃度,但差異并不顯著。加鎘處理下,鎮(zhèn)稻88有機肥處理的潁殼、糠層和精米的鎘含量顯著降低,兩年分別平均降低7.02%、12.79%、26.10%。Ⅱ優(yōu)107的糠層和精米的鎘含量顯著降低,兩年平均降低幅度為11.95%和27.50%;兩年的穎殼鎘含量受有機肥影響不一致,2010年的影響不顯著,2011年的有機肥處理顯著降低。兩年間的籽粒鎘含量存在一定差異,兩個基因型都表現(xiàn)為2011年的含量高于2010年。2.3水稻的鎘分配比例由表4可知,鎘脅迫下,兩個基因型水稻的單莖鎘積累量均顯著增加。有機肥對不加鎘處理的單莖鎘積累量沒有顯著影響,但顯著降低了兩個基因型水稻的加鎘處理的單莖鎘積累量。抽穗期和成熟期的鎘主要積累在根系中,鎮(zhèn)稻88和Ⅱ優(yōu)107在抽穗期的兩年平均分配比例分別為64.43%和80.94%,在成熟期的分配比例分別為78.12%和77.62%,而積累在籽粒中的量較少,成熟期兩個基因型水稻的籽粒分配比例分別為4.55%和6.01%。與無鎘處理相比,加鎘處理的根系分配比例增加,地上部分尤其是穗的分配比例顯著降低。鎘脅迫下,鎮(zhèn)稻88的有機肥處理根系鎘分配比例在抽穗期和成熟期相對化肥處理有所降低,Ⅱ優(yōu)107在抽穗期表現(xiàn)降低,而在成熟期有所增加。有機肥處理可在一定程度減少穗的鎘分配比例,但差異不顯著。2.4加鎘處理的簡介由表5可知,籽粒的鎘分配規(guī)律因不同基因型、鎘處理和有機肥而不同。鎮(zhèn)稻88的無鎘處理的籽粒中的鎘分配比例大小為糠層>精米>穎殼,Ⅱ優(yōu)107的分配比例為精米>糠層>穎殼。兩個基因型的加鎘處理的精米鎘分配比例顯著增加,而糠層中的顯著降低,鎮(zhèn)稻88的穎殼的鎘分配比例也顯著降低。有機肥處理的精米鎘分配比例降低,糠層和穎殼的分配比例增加,其中2011年的鎮(zhèn)稻88和Ⅱ優(yōu)107的比例增減達(dá)到顯著性差異。3有機肥對稻米中鎘的分配本試驗結(jié)果表明,兩個基因型水稻的各器官的鎘含量表現(xiàn)為根>>莖>鞘>葉片(表2),鎘在植株各器官的分配也是以根系為主,鎮(zhèn)稻88和Ⅱ優(yōu)107成熟期的根系鎘積累百分比分別為78.12%和77.62%,說明根系吸收鎘后,大部分積累在根系中,只有小部分被轉(zhuǎn)運至地上部器官。這與前人的研究結(jié)果基本一致,但有些研究顯示,葉鞘的鎘含量略大于莖葉。不同基因型水稻糙米的鎘含量表現(xiàn)不同,目前研究顯示,超級稻>三系雜交稻>兩系雜交稻>常規(guī)晚秈稻>常規(guī)粳稻。本試驗結(jié)果顯示,Ⅱ優(yōu)107的精米鎘含量大于鎮(zhèn)稻88,而糠層中的鎘含量略低于鎮(zhèn)稻88,說明系雜交秈稻的糙米高鎘含量主要是精米的鎘含量較高。有機肥對無外源鎘添加的處理(0.202mg·kg-1)營養(yǎng)器官的鎘含量無顯著影響,籽粒的鎘含量略有減少,但差異并不顯著。說明有機肥對自然背景鎘含量水平的土壤中的水稻無顯著影響。有機肥顯著降低加鎘處理(0.202mg·kg-1+3.0mg·kg-1)的抽穗期和成熟期的根系以及籽粒的鎘含量,尤其是對精米和糠層的影響較大。雖然有機肥處理的精米鎘含量仍未降至安全水平,但相比化肥處理,有機肥有效降低了稻米的鎘含量,兩個基因型水稻平均降低了26.80%。說明有機肥可以有效降低稻米的鎘含量,原因可能是因為有機肥增加結(jié)合態(tài)鎘含量,減少有效態(tài)鎘,使得水稻對鎘的吸收量減少。有機肥一定程度增加Ⅱ優(yōu)107的根系鎘分配比例,但略減少鎮(zhèn)稻88的根系鎘分配。說明有機肥可抑制Ⅱ優(yōu)107根系中的鎘往地上部運輸,卻能一定程度促進(jìn)鎮(zhèn)稻88的鎘往地上部輸送。在籽粒中,有機肥處理的精米鎘分配比例降低,糠層和穎殼的分配比例增加,其中2011年的鎮(zhèn)稻88和Ⅱ優(yōu)107的比例增減達(dá)到顯著性差異。鎘被吸收進(jìn)入植物體內(nèi)后,進(jìn)行重新分配,莖稈中的鎘重新分配時,部分鎘可能是通過韌皮部進(jìn)入穗。因此,有機肥對精米鎘分配比例的降低可能是有機肥直接或間接影響韌皮部對鎘的運輸,但具體影響機制還不清楚,有待進(jìn)一步的研究。本研究的兩年試驗結(jié)果顯示,2011年的鎘含量和單莖鎘積累量大于2010年。可能是因為2010年的水稻在灌漿中期之前保持水層,而2011在這個時期,由于天氣的原因,使得水稻生長環(huán)境保持干—濕交替的狀態(tài)。有研究顯示,水稻長期在淹水環(huán)境中,根系表面會產(chǎn)生鐵氧化物,即鐵膜。鐵膜是無定形的膠體,能夠吸附所處環(huán)境中的離子,從而會影響植物對離子的吸收,降低土壤中有效鎘,導(dǎo)致2010的水稻鎘含量以及單莖鎘積累量較低。4有機肥對米中鎘分配的影響有機肥對背景值鎘含量的土壤中水稻的鎘含量及分配沒有顯著影響,但可以有效降低鎘脅迫下兩個基因型水稻根系和糙米的鎘含量,并且在籽粒的鎘分配中,有機肥略增加穎殼和糠層的鎘分配,減少