随着经济的发展和城市化进程的加快，人类活动导致了大面积农田尤其是稻田受到有害重金属的污染。Cd和As是土壤污染中常见的有毒元素，全国首次土壤污染普查结果显示，As的点位超标率为2.7%，重金属Cd污染加重，全国土地Cd的点位超标率为7.0%^[1]。广东大宝山矿区周围存在以Cd、As为主的多金属复合污染，矿区部分稻田中Cd、As的平均浓度的最大超标倍数都超出土壤环境二级标准值10倍以上^[2]。水稻具有富集重金属Cd的特点，是吸收Cd能力最强的大宗谷类作物之一^[3]；受稻田的淹水条件和水稻自身性质的影响，As在水稻茎叶和籽粒中的吸收累积显著高于其他粮食作物^[4]。水稻是我国主要的粮食作物，长期食用重金属超标的稻米，将会对人体健康造成很大的威胁。

在稻田土壤中，Cd和As的化学性质相对，Cd以阳离子的形式存在，具有失去电子的趋向，As主要以阴离子的形式存在，有得到电子的趋向，因此在Cd、As复合污染稻田中同时控制水稻籽粒中的Cd、As污染是目前的研究难题。研究发现，不同的水稻品种对Cd、As的吸收和累积能力存在显著差异。国内外水稻Cd低吸收品种筛选与遗传改良的研究较多^[5-6]。已有研究发现在9个水稻品种中，南粳32对Cd的富集能力最低^[6]；另有研究发现水稻品种Jarjan无论是在Cd污染土壤或是无污染土壤中生长，其籽粒Cd含量高于Nipponbare品种5~34倍^[7]。Zavala等^[8]检测204个水稻品种，其籽粒样品As含量范围为5~710 μg·kg^-1；Norton等^[9-11]测定了不同水稻主产国家的300多个品种的籽粒As浓度，发现不同品种间变幅可达3.5~35倍；Biswas等^[12]发现水稻品种Shatabdi的籽粒As含量在0.69~0.78 mg·kg^-1之间，超过其他品种1倍以上。应用低重金属吸收品种控制水稻对Cd、As的吸收是有效措施之一，目前国内已经有比较成熟的Cd低吸收品种。在Cd、As复合污染情况下，水稻Cd低吸收品种对As的吸收特性鲜有报道。Liao等^[13]在水稻品种筛选实验中发现，Teyou 524籽粒Cd含量最低，As含量却显著高于其余14个品种。因此，揭示水稻Cd低吸收品种对As的吸收累积机制对于探索Cd、As复合污染稻田稻米安全生产意义重大。

本研究选取广东省大宝山矿区典型Cd、As复合污染稻田土壤，种植4个Cd低吸收水稻品种（金优263、金优433、金优268、株两优189）和2个当地主栽品种（五丰优111和马坝油粘），研究Cd低吸收品种和当地主栽品种Cd、As吸收累积特征，以期为Cd、As复合污染稻田稻米安全生产提供理论依据。

1 材料与方法 1.1 试验设计

试验田位于广东省韶关市水楼下村（33.27°N，114.26°E）。供试稻田土壤pH 5.01，有机质33.7 g·kg^-1，有效态Cd、As浓度分别为0.47、1.62 mg·kg^-1，阳离子交换量（CEC）10.00 cmol·kg^-1，速效磷11.35 mg·kg^-1，有效氮21.86 mg·kg^-1，全Cd、As的浓度分别为0.51~1.42 mg·kg^-1、7.5~94 mg·kg^-1。

供试的水稻：金优268、株两优189（购自湖南希望种业科技股份有限公司的Cd低吸收品种），金优463、金优433（购自湖南北大荒种业科技有限责任公司的Cd低吸收品种），五丰优111、马坝油粘（购自广东韶关稻丰种子有限公司的当地常用品种）。

供试水稻于2015年3月19日播种育秧，4月5日插秧，株行距27.3 cm×27.3 cm，7月16日收获早稻。采用随机区组设计，每个品种4次重复，小区面积为3 m×3 m=9 m²，小区用垄沟隔开，其他田间管理与常规稻田一致。

1.2 样品采集

在水稻成熟期采集水稻及其根际土壤样品。在每个小区避开小区边际，按五点取样法采样。在每个小区内采取5个样点的样品组成1个混合样，每样点1株，共5株。连根拔起（注意茎、叶、穗部的完整性），用塑料纸包扎好。植株从茎基部将根剪掉，样品自然干燥后取出籽粒，带回室内后用去离子水冲洗干净，提取完植株根表铁膜后，按照根、茎叶、颖壳、籽粒分开，于105 ℃下杀青30 min，然后在65 ℃下烘至恒重，粉碎后备用。土壤样品混合均匀后阴干，用玛瑙研钵研磨后，分别过20目、100目筛，分别测定土壤Cd、As有效态和总量。

1.3 分析方法 1.3.1 总镉和总砷测定

称取0.500 0 g植物样品，加入10 mL HNO₃和2 mL H₂O₂，利用微波消解仪消解，超纯水定容至50 mL；称取100目土壤样品0.500 0 g，加入5 mL浓HNO₃、5 mL HF、3 mL HClO₄在电热板上缓慢加热，中间经常摇动坩埚，加快反应速度，若酸快蒸干，补加2~3次酸，冷却，用超纯水定容至25 mL。用ICP-MS测定总Cd、As浓度^[14]。样品分析中所用试剂均为优级纯，并添加国家标准参比物质（植物：GBW-07603；土壤：GBW-07404）控制分析质量，保证分析误差均在允许范围内。

1.3.2 根表铁膜提取

将水稻根系放入30 mL的混合溶液中（0.03 mol·L^-1 Na₃C₆H₅O₇·2H₂O，0.125 mol·L^-1 NaHCO₃和0.6 g Na₂S₂O₄），在室温下（20~25 ℃）静置浸泡60 min，然后用去离子水冲洗根系3次，将冲洗液一并转移至50 mL刻度试管中，并定容至100 mL，随后用ICP-MS测定其Cd、As含量^[15]。

1.3.3 土壤镉和砷有效态

AB-DTPA（碳酸氢铵-二乙三胺五乙酸）提取法：准确称取10.00 g过2 mm筛的风干土样，放置在离心管中，加入20 mL浸提液25 ℃振荡15 min（180 r·min^-1），浸提剂成分为pH=7.6的1 mol·L^-1碳酸氢铵（NH₄HCO₃）和0.005 mol·L^-1二乙基三胺五乙酸（DTPA）。然后用定量滤纸过滤并收集滤液；在三角瓶中加0.25 mL浓硝酸，再小心加入2.5 mL滤液，振荡15 min（不加塞）以去除CO₂。碳酸氢铵和DTPA均为优级纯^[16]。

1.3.4 土壤pH值

用pH计测定土壤pH（水土比为2.5:1）值。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2010进行数据分析和作图，SPSS 12.0进行统计分析，采用LSD多重比较法（P < 0.05和P < 0.01）进行统计分析。

富集系数计算：生物重金属富集系数=植物体内重金属含量/土壤（或沉积物）中重金属含量×100%。

2 结果与讨论 2.1 不同水稻品种的生长状况

根长、株高以及产量是衡量水稻生长状况的常规指标，图 1给出了成熟期各水稻品种的根长、株高及产量。结果表明，对于水稻根长，当地主栽品种马坝油粘的根系最长，并显著高于金优268、金优433和株两优189，可以达到12.5 cm；低Cd品种金优463根长次之，为11 cm；而金优268、金优433和株两优189的根长较短，株两优189的根长仅为9.5 cm。从株高看，当地主栽品种五丰优111和马坝油粘最高，分别可达103.25、99.8 cm，其他4个低Cd品种的株高均低于100 cm，和其在原产地（湖南）的株高特征保持一致。

Cd、As复合污染情况下水稻不同品种产量存在显著性差异（P < 0.05），2个当地主栽品种产量显著高于低Cd品种，低Cd品种水稻产量差异不显著（P < 0.05）。其中，当地主栽品种五丰优111和马坝油毡每666.7 m²产量分别为606.7、544.6 kg，金优463、金优268、金优433和株两优189每666.7 m²产量分别为396.44、339.11、328.82、414.96 kg，4个低Cd品种来源地为湖南省，其每667.7 m²产量与来源地相比降幅分别达到100、136、180、105 kg（图 1虚线所示）。

水稻产量是衡量水稻品质的重要指标之一。周歆等通过测定同一种植条件下33个水稻品种的产量和重金属含量发现，产量较高的品种H₂8优9113，其糙米中As的累积量较低；产量低的Q优6号和源优285，则分别属于Pb和Cd的高吸收水稻品种^[17]。然而，本研究中低Cd品种（金优463、金优268、金优433和株两优189）的产量显著低于当地主栽品种。这是由多种因素共同作用导致，气候条件是导致品种产量差异的主要原因之一。湖南省为大陆性亚热带季风湿润气候，年平均降水量在1200~1700 mm之间，广东省属于东亚季风区，试验区域为中亚热带气候，平均日照时数较湖南省有所增加，年平均降水量在1300~2500 mm之间，当地主栽品种在广东韶关经过多年种植和培育，其产量和品质较为稳定。在田间试验期间，试验基地所在的韶关市遭遇多次大暴雨，其中7月中上旬的多次降雨导致部分已成熟稻粒脱落或发芽，4个低吸收型品种的生长期较当地品种短10 d左右。这也可能是造成本研究中水稻产量减少的原因之一。

2.2 不同水稻品种不同部位镉和砷含量

图 2给出了水稻5个部位（根表铁膜、根系、茎叶、壳和籽粒）的Cd、As含量。对于籽粒，本研究中4个低Cd品种在广东韶关Cd、As复合污染稻田中仍表现出良好的低Cd吸收特性，籽粒Cd含量远低于我国《食品中污染物限量标准》^[19]。金优系列表现最佳，金优268籽粒Cd含量最低，为0.05 mg·kg^-1，金优433和金优463籽粒Cd含量为0.07 mg·kg^-1和0.06 mg·kg^-1，均显著低于当地主栽品种五丰优111和马坝油粘。当地主栽品种五丰优111的籽粒Cd含量也较低，为0.18 mg·kg^-1，而马坝油粘籽粒Cd含量达到0.32 mg·kg^-1。对于As而言，所有供试品种的籽粒As含量均超出《食品中污染物限量标准》^[19]，其中低Cd品种五丰优111的籽粒As含量最高，达到0.47 mg·kg^-1；而低Cd品种金优268和当地主栽品种马坝油粘的籽粒As含量低于其余4个品种，籽粒As含量分别低至0.31、0.34 mg·kg^-1。对于水稻根表铁膜和根系，不同品种之间Cd含量差异不显著，As含量差异显著。

对于水稻颖壳，不同品种之间Cd含量差异不显著，金优433颖壳As含量显著低于其余品种。对于水稻茎叶，马坝油毡Cd含量显著高于其余品种，为0.63 mg·kg^-1，金优433 Cd含量显著低于其余品种，为0.26 mg·kg^-1，其余4个品种之间Cd含量无差异；五丰优111茎叶As含量显著低于其余品种，为10.64 mg·kg^-1。

对于Cd，其从茎叶-颖壳-籽粒的转运过程是导致品种间籽粒Cd含量差异的重要原因。本研究中所有品种根部对土壤中Cd的吸收和富集能力无显著区别，但低Cd品种中Cd从颖壳向籽粒的转运系数显著低于当地主栽品种。对于As，通过t检验发现，不同水稻品种根系对As的吸收能力不同，并且各部位对As的转运能力也存在差别。水稻品种的根部As含量在484.65~613.79 mg·kg^-1范围内，富集系数≥8.97。进入植株体内的As从根系向上迁移至地上部，茎部的As含量为16.16~20.46 mg·kg^-1，各品种间差异较小。As进一步向上迁移至颖壳后，As含量减少至2.02~2.56 mg·kg^-1，最终进入籽粒的As含量为0.31~0.47 mg·kg^-1。

根据图 2可知，成熟期水稻各部分的Cd含量分布规律为根表铁膜＞根系＞茎叶＞籽粒＞颖壳，As含量分布为根表铁膜＞根系＞茎叶＞颖壳＞籽粒。水稻铁膜、根系、茎叶及颖壳的Cd含量都显著低于As含量，而在籽粒中2种元素的含量差异较小，主要是水稻对As和Cd的转运能力不同导致。表 1和表 2给出了水稻对Cd和As的富集系数和转运系数。由表 1可知，水稻根部对Cd的吸收和富集能力较弱，富集系数最高仅为0.30，最低为0.23，然而Cd从颖壳向籽粒的转运能力很强，其转运系数在1.00~4.57之间；由表 2可知，水稻根部对As的吸收和富集能力较强，富集系数8.97~11.36，转运系数仅为0.14~0.18。在所有品种中五丰优111的籽粒As含量最高（0.47 mg·kg^-1），其根部富集系数（11.36）和各部位转运系数（茎/根0.02，颖壳/茎0.24，籽粒/颖壳0.18）也显著高于其余品种，表明水稻根部具有很强的As吸收和富集能力；金优268和马坝油粘的籽粒As含量最低，分别为0.31、0.34 mg·kg^-1。

2.3 不同水稻品种根际土壤中镉和砷有效态含量

图 3给出了不同品种水稻根际土壤Cd、As有效态含量。对于Cd，与原土相比，不同品种土壤有效态Cd含量差异均不显著（P＜0.05），其中金优463的有效态Cd含量最高，为0.51 mg·kg^-1，而金优268的有效态Cd含量最低，为0.42 mg·kg^-1。对于As，金优268和五丰优111的根际土壤有效态As含量较高，分别为1.81、1.76 mg·kg^-1，分别高于原土0.19、0.14 mg·kg^-1；而金优463的有效态As显著低于原土，且在各个品种中含量最低，仅为1.38 mg·kg^-1。水稻根部会分泌有机酸^[20]，环境变酸pH值降低有利于根际土壤中的As的稳定^[21]。虽然酸性物质会促使Cd活化，但土壤中有效态Cd变化并不显著。这可能是由于水稻田为淹水状态，还原条件会促使Cd与S2-形成沉淀，从而降低Cd的有效性^[22]。

2.4 水稻各部位镉和砷含量的相关性分析

对铁膜中Cd、As、Fe含量，根系、铁膜和籽粒Cd含量，以及土壤有效态Cd、As、Fe含量进行相关性分析（图 4和图 5），结果表明铁膜Fe含量与铁膜Cd含量、铁膜As含量呈极显著正相关，R²_（Fe-As）=0.269 1，R²_（Fe-Cd）=0.283 5（P < 0.01，n=24），表明根表铁膜可以吸附土壤环境中的Cd和As，且Fe含量越高越容易吸附。本研究结果表明籽粒Cd含量与铁膜中Cd含量呈负相关关系（P＜0.05），与胡莹等^[23]相似，其发现水稻成熟期根表铁膜数量与茎叶和籽粒Cd含量呈极显著的负相关（P < 0.01），说明根表铁膜形成可抑制Cd向水稻地上部转运。土壤中有效态As含量与有效态Fe呈极显著的负相关关系，R²_（As-Fe）=0.233 7，表明增加土壤中有效态Fe含量可导致有效态As减少，从而助于降低水稻对土壤中As的吸收。胡莹等^[24]的研究结果表明，在As含量较低的土壤中，水稻根表铁膜的存在可成为根系As的障碍层，阻止As向地上部转运。

3 结论

（1）供试的6个水稻品种中，2个当地主栽品种五丰优111和马坝油毡产量显著高于其余4个低Cd品种，4个低Cd吸收品种水稻产量与来源地湖南省相比大幅度下降。

（2）水稻各部位Cd为根表铁膜＞根系＞茎叶＞籽粒＞颖壳，As含量分布规律为根表铁膜＞根系＞茎叶＞颖壳＞籽粒。品种间对土壤中Cd的富集能力无显著区别，而低Cd吸收品种体内Cd从颖壳向籽粒的转运能力较低；品种间对As的富集能力和各部位的转运能力存在差异。

（3）金优463、金优268、金优433、株两优189和五丰优111品种籽粒Cd含量均低于国家标准限值（0.2 mg·kg^-1），所有水稻品种籽粒As含量均高于国家标准限值（0.2 mg·kg^-1）。其中低Cd品种金优268籽粒Cd、As含量在所有品种中均达到最低，分别为0.05、0.31 mg·kg^-1。

（4）本研究中通过低Cd吸收品种可以有效控制稻米Cd含量，但As含量仍超标，通过低Cd品种耦合其他安全生产技术从而降低稻米As含量值得进一步研究。