镉（Cd）是环境中迁移性很强的重金属，可通过作物进入食物链从而危害人体健康。水稻是我国第一大粮食作物，也是Cd积累能力最强的大宗谷类作物，并且从水稻生长发育状态和稻米外观无法判断在其体内的Cd积累量，表现出较强的隐蔽性和危险性^[1]，因而Cd污染农田中稻米的安全生产问题受到普遍关注。相关调查发现，目前我国Cd污染耕地达1.33×10⁵ hm²，涉及11个省市的25个地区^[2]，而轻、中度的Cd污染土壤占很大比重，能否在这些土壤上生产质量安全的稻米成为当前亟待解决的问题。通过重金属低积累品种的筛选来降低作物对重金属的吸收积累以减少籽粒的重金属含量，被普遍认为是目前可行的有效途径^[3]，并且已有试验表明很多作物存在重金属低积累品种，如水稻^{[4, 5]}、玉米^[6]、番茄^[7]。

许多研究表明，水稻对重金属的吸收和积累存在基因型间的差异，同时也受环境影响，即基因型与环境因子共同影响籽粒重金属含量^{[8, 9, 10]}。但目前有关水稻重金属基因型与环境互作效应的机理尚不清楚，而且相关的研究系统性也较差，如只针对同一区域的不同品种、不同地区的同一品种或少数几个品种展开探究，很难准确反映水稻基因型、环境对其积累重金属特性的影响。本文采用AMMI模型（主效可加互作可乘模型），研究不同水稻基因型与不同环境区域互作对稻米Cd积累量的影响，能更有效地展现品种与环境互作的复杂生物现象，从而为Cd低积累稳定品种的筛选工作奠定基础。 1 材料与方法 1.1 试验材料

选择近年来湖南两季稻区大面积种植的水稻新品种18个，其中：早稻品种10个，包括湘早籼24号、湘早籼42号、湘早籼45号、T优705、株两优819、湘早籼143号、中嘉早17、湘早籼6号、湘早籼11号、嘉249等；晚稻品种8个，包括黄华占、丰源优263、新优188、丰源优2297、湘晚籼13号、丰源优299、湘晚籼12号、丰源优272。 1.2 试验方法

根据土壤Cd含量，在湖南省湘江流域选择4个试验点，分别代表安全区（土壤Cd含量<0.2 mg·kg^-1）、风险区（Cd≈0.3 mg·kg^-1）、轻微污染区（土壤Cd含量为0.3~0.6 mg·kg^-1）、轻度污染区（土壤Cd含量为0.6~1.0 mg·kg^-1），采用随机区组设计，小区面积为10 m2，3次重复。于2013年在相同试验田先后进行早晚两季水稻的田间试验，水稻收获时每小区随机取4株，挖取带根土壤1~2 kg，对水稻根际土壤和稻米中Cd的含量进行检测。 1.3 测定方法

土样消煮：将待测土壤样品自然风干，再用四分法将土样磨碎，100目过筛。准确称取0.25 g土样置于消煮管中，加10 mL HNO₃+4 mL HF浸泡过夜，之后用消解仪ED 54于 120 ℃下加热0.5 h、150 ℃下加热3 h，赶酸，定容。 籽粒消煮：准确称取0.5 g籽粒于消煮管中，加入7 mL HNO₃浸泡过夜，用消解仪ED 54于110 ℃下加热2.5 h，待其冷却后加入1 mL H₂O₂，继续加热1.5 h，赶酸，定容。

所有样品采用石墨炉原子吸收光谱法测定。 1.4 统计方法 1.4.1 AMMI模型统计分析

AMMI模型又称主效可加互作可乘模型^{[11, 12]}，其特点是将方差分析与主成分分析结合在一起，模型表达如下：

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Di值越小，品种越稳定，Di值越大表示试点对品种差异的判别力越强^[13]。 2 结果与分析 2.1 不同地点和季节稻米Cd含量的变化

由表 1可以看出，早稻地点S1、S2的土壤Cd含量在安全范围内，而S3、S4土壤Cd含量分别达到轻微污染和轻度污染的程度。相比之下，晚稻土壤中的Cd污染程度普遍提高，只有S1的土壤Cd含量依然保持在安全范围之内。这说明双季稻区的农田土壤Cd含量不是恒定不变的，会随着生长季节不同出现较大的波动。

表 1 各试点早、晚季水稻土壤Cd 含量（pH 5.2~5.5） Table 1 Content of Cd in soils from different sites grown with early and late rice（pH 5.2~5.5）

表选项

根据食品安全国家标准（GB 2762—2012）和土壤环境质量标准（GB 15618—1995），稻米和农田土壤中Cd的限量指标分别为0.2 mg·kg^-1和0.3 mg·kg^-1。由表 2可见，在土壤Cd含量小于0.3 mg·kg^-1的2个试验点S1和S2，供试的10个早稻品种中，稻米Cd含量超标的分别占10%和30%，但在轻微污染区S3，稻米Cd超标的品种仅占10%，轻度污染区中的稻米Cd超标的品种则高达70%，但4个试验点的稻米Cd含量均未超过FAO/WHO规定的稻米Cd最大标准限量（WLs）0.4 mg·kg^-1。晚季稻的Cd超标率明显高于早稻（表 2），即使在安全区（S1），所有品种的稻米Cd含量全部超过国家标准0.2 mg·kg^-1，其中低于FAO/WHO规定的水稻品种有5个，占62.5%；在轻微污染区（S2），稻米Cd含量低于0.4 mg·kg^-1的品种有6个，占75.0%；而在轻度污染区（S3、S4），稻米Cd含量比国家限量标准高2.7~11.5倍。

表 2 不同地点与季节对稻米Cd 含量的影响 Table 2 Effects of different sites and rice varieties on rice Cd content

表选项

AMMI模型分析结果表明，基因型、地点及二者的互作对稻米Cd积累量均有明显影响，且它们相对作用的大小因水稻生长季节的不同而有明显的差异（表 3）。 对于早稻而言，稻米的Cd积累量在不同品种和地点间均达到极显著水平（P<0.01）， 且基因型和地点对稻米Cd含量的变异平方和分别占处理平方和的46.74%、34.17%，表明品种的控制强于环境因子的影响；对于晚稻而言，环境对稻米Cd含量的影响最大，基因型和地点的交互作用对稻米Cd积累的影响大于基因型本身的影响。

表 3 水稻籽粒Cd 积累量的AMMI分析结果 Table 3 Results of AMMI analysis for Cd accumulation in rice grain

表选项

双标图能直观地反应品种与地点的交互作用，是分析G×E的有效工具。AMMI1双标图横轴表示稻米的平均Cd积累量，纵轴表示品种与环境的交互效应（IPCA1），在水平方向上，品种和地点的分散程度能够表明相应的主效应。在垂直方向IPCA1绝对值越小，表明品种与环境互作效应越小，即品种越稳定。此外，以IPCA1=0作水平线，品种与地点在同一侧的表明它们有正的交互作用，反之则为负的交互作用。

从图 1（A）可以看出，对于早稻，品种在水平方向的分散程度要大于地点间的分散程度，说明品种间的变异要大于地点间的变异。g4（T优705）的Cd含量在地点S1、S3有负向交互作用，即T优705在这两个地点种植会相应减少稻米Cd积累量，但其Cd含量仍远高于其他品种，表明T优705为Cd高积累品种。g5（株两优819）的Cd含量在地点S1、S3有正向交互作用，而它的Cd积累量仍小于其他品种，表明株两优819为Cd低积累品种。g6（湘早籼143）、g7（中嘉早17）、g9（湘早籼11号）的平均Cd含量相近，但ICPA1值不同，表明这3个品种在各地表现有差异，其中中嘉早17的稳定性较好。

图 1 早稻稻米Cd积累量（A）和晚稻稻米Cd 积累量（月）的AMMI1 双标图 Figure 1 AMMI1 biplot of Cd accumulation in early rice（A）and late rice（B）

图选项

对于晚稻，地点在水平方向的分散程度要大于品种的分散程度，表明地点间的变异要大于品种间的变异。从图 1（B）可以看出，g12（丰源优263）的Cd含量在地点S1、S2有负交互作用，而它的Cd含量最高，表明丰源优263为Cd高积累品种。相应的，g14（丰源优2297）为Cd低积累品种。

图 2给出了品种、地点的IPCA1和IPCA2的双标图，图中越接近坐标原点的品种越稳定。此外，品种在地点与原点连线上的垂直投影到原点的距离表示这个品种与该地点交互作用的大小，连线越长交互作用越大，反之交互作用越小。如果投影落在连线的反向延长线上则表示交互作用为负向。

由图 2（A）可以看出，早稻品种g1（湘早籼24号）、g7（中嘉早17）、g8（湘早籼6号）、g9（湘早籼11号）离坐标原点较近，说明这4个品种的稻米Cd含量较稳定；而g4（T优705）和g6（湘早籼143）在地点S2的稻米Cd积累量有较大的正向交互作用，表明这些品种在污染风险区种植时，稻米中的Cd含量会显著增加，超过食品安全限量标准的风险较大。

图 2 早稻稻米Cd 积累量（A）和晚稻稻米Cd 积累量（月）的AMMI2 双标图 Figure 2 AMMI2 biplot of Cd accumulation in early rice（A）and late rice（B）

图选项

由图 2（B）可以看出，晚稻品种g12（丰源优263）的稻米Cd积累量在试点S3和S4表现出正向交互作用，g15（湘晚籼13号）在试点S3、g11（黄华占）在试点S4分别表现出较大的正向交互作用，说明这些品种在轻度污染区种植会显著提高稻米Cd含量。 2.4 双季稻米Cd积累的稳定性

为定量描述双季水稻品种的稳定性，利用AMMI模型2个显著的主成分轴的IPCA值分别计算出各个品种的稳定性参数Di值（表 4）。

表 4 早稻稻米在各地的Cd 积累量及稳定性参数 Table 4 Stability parameter of Cd accumulation in early rice grain at different sites

表选项

早稻品种的稳定性依次为：湘早籼24>中嘉早17>湘早籼11>湘早籼6>株两优819>湘早籼45>湘早籼42>嘉249>湘早籼143>T优705（表 4）。综合各品种的Cd积累量，可以认为：湘早籼24、中嘉早17、湘早籼11、湘早籼6和株两优819属于稻米中Cd积累量较低且遗传稳定性好的基因型，适合于轻微度和轻度污染区大面积种植；T优705的稻米Cd积累量较高，且环境变异大，属于环境依赖型的高积累品种，不适合在轻微度和轻度污染区种植；湘早籼45、湘早籼42、嘉249和湘早籼143的稻米Cd积累量较低，但遗传稳定性较差，需要根据它们与各试验点互作效应确定适宜的种植范围。

晚稻各品种的稳定性依次为丰源优299>丰源优2297>新优188>湘晚籼12>丰源优272>黄华占>湘晚籼13>丰源优263（表 5）。只有丰源优2297在S1和S2的稻米Cd积累量相对较小且比较稳定，适宜在轻微度污染区大面积推广种植；其他品种的稻米Cd积累量都在0.3 mg·kg^-1以上，环境变异较大，不宜在污染农田推广种植。

表 5 晚稻稻米在各地的Cd 积累量及稳定性参数 Table 5 Stability parameter of Cd accumulation in late rice grain at different sites

表选项

水稻对重金属的吸收和积累在基因型间存在显著差异，这为在轻度重金属污染土壤上持续生产质量安全稻米提供了有效可行的途径。然而，仅以土壤Cd总量为依据划分安全区和污染区并不能完全保证稻米Cd含量的安全性，并且同一区域的土壤Cd含量不是一成不变的，会随生长季节和水分状况等因素出现较大波动。本研究发现，即便在土壤Cd含量很低的安全区也有一定比例的稻米Cd含量超标，与彭华等^[14]的研究结果基本一致。此外，在土壤Cd含量达到轻微污染程度的试验点（S3），早稻稻米的Cd超标率仅为10%，说明其他因素，如土壤类型^[15]、pH^[16]、Cd有效态^[17]等对稻米Cd积累也有很大影响。而相同试点，晚稻土壤Cd含量较早稻明显提升，可能是因为晚稻成熟期间，土壤表层水分的蒸发量大于降水量，在毛管力的作用下，使多雨期因淋溶下沉的Cd及成土母质中的Cd^{[18, 19]}迁移到土壤表层，造成了土壤Cd含量的升高。晚稻的Cd积累量在安全区（S1）或风险区（S2）均全部超过国家标准，其稻米的Cd超标情况高于早稻，可能是因为：一方面晚稻籽粒对Cd的富集能力强于早稻^[20]；另一方面，生长季节等环境条件的改变对稻米Cd积累量有较大影响，如晚稻生育期延长利于积累更多的Cd。此外，早稻根际的分泌物^[21]、晒田对水分的影响^[22]、肥料的施用^[23]都使得土壤Cd的生物活性大幅提升，致使晚稻稻米Cd含量超标严重。

AMMI分析结果表明，基因型和环境对早稻稻米Cd含量均有极显著影响，且基因型效应占主导地位。如株两优819在各试点的平均稻米Cd积累量为0.110 6 mg·kg^-1，T优705为0.339 4 mg·kg^-1，其富集Cd的能力差异达3倍以上，与周金林等^[24]研究结果基本一致，且按我国稻米重金属Cd含量0.2 mg·kg^-1的限量标准，株两优819稻米Cd含量达标，而T优705则明显超标，进一步证明了通过筛选Cd低积累水稻品种从而降低稻米Cd含量的可行性。这种基因型间的差异可能是由水稻对Cd的吸收、积累受根系对Cd的吸收、转运，木质部的装载及韧皮部的输入等方面的影响造成的。有研究发现，木质部中Cd含量与籽粒中的Cd含量呈极显著正相关，且低积累品种木质部汁液中Cd的含量及Cd在导管中的运输速率均低于高积累品种^[25]。此外，Tanaka等^[26]用褐飞虱探针法研究发现，籽粒中90%的Cd由韧皮部转运而来，并且低积累水稻品种韧皮部的Cd浓度要显著低于其他品种。

对于晚稻而言，试点环境对稻米Cd含量的影响超过了遗传主效应，表明品种仅能对稻米Cd含量起部分作用，起主导作用的仍是土壤环境。这种差异可能是因为早稻和晚稻的遗传背景不同所致。有研究认为，在大田稻米Cd含量平均较低的地区，品种的选择对籽粒Cd积累量的影响大，而在籽粒Cd含量平均较高的地区，品种的选择作用较小^[22]。因此，在进行稻米的安全生产时，不但要考虑品种的差异，还要考虑地点环境的差别，做到品种、地点的最适组合以减少稻米的Cd积累量，如本研究中，选择品种与其具有负向交互作用的地点组合可有效降低稻米的Cd含量。当然，也可通过改变农艺措施等方式降低土壤Cd的有效性或从减少水稻对Cd的吸收等方面入手^{[27, 28]}，减少稻米的Cd积累量。

品种的稳定性对于稻米的广泛适应性十分重要，选择稻米中Cd积累量低且在地点间稳定性好的品种对于稻米的安全生产具有重要意义。本研究发现，早稻品种株两优819和湘早籼6号、晚稻品种丰源优2297具有稻米Cd含量低且稳定好的优点，在轻微度污染区推广种植，有助于降低稻米Cd含量超标的风险。 4 结论

（1）土壤Cd含量和生长季节对稻米Cd积累量均有明显影响，晚稻品种的稻米Cd超标情况较早稻更为严重。

（2）基因型对早稻稻米Cd积累量的影响占主导地位；地点环境对晚稻稻米Cd积累量的影响占主导地位。

（3）筛选稻米Cd含量低且遗传稳定性好的低积累品种在轻度污染区推广种植，能够有效改善稻米的Cd污染状况。