砷污染土壤对不同品种水稻生长的影响

1、生态环境 2007, 16(6: 1700-1704 Ecology and Environment E-mail: editor砷污染土壤对不同品种水稻生长的影响刘志彦1，杨俊兴2，陈桂珠1*，刁俊明31. 中山大学环境科学与工程学院/中山大学湿地研究中心/广东省污染控制与修复重点实验室，广东 广州 510275；2. 中山大学生命科学学院，广东 广州 510275；3. 嘉应学院生物系，广东 梅州 514015摘要：重金属如何影响水稻（Oryza sativa L. ）的生长及产量一直是粮食生产中的研究重点。利用盆栽实验，首次比较了砷（As ）对三个品系（杂交稻、常规稻和糯稻）共20个品种

2、水稻生长的影响，以期选定适合在As 污染区种植的水稻品种。结果显示，不同品系水稻在As 污染土壤中的生长显著不同，杂交稻的生长优于糯稻和常规稻，但糯稻和常规稻差异不显著，表明杂交稻更适宜在砷污染土壤种植。同一品系内不同品种水稻的生长也有较大差异，杂交稻II 优804的干物质积累量最高，每株达到0.055 g。关键词：砷；水稻（Oryza sativa L.）；品系；品种中图分类号：X171.5 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2007）06-1700-05砷广泛存在于土壤、沉积物、水体和动、植物体内，微量砷是动物和人体必需的营养元素，然而，过量砷的供应或微量砷的长期累积会对植物、

3、动物和人体产生毒害作用1。随着工农业的快速发展，各种砷化物被排放到环境当中，造成全球范围内的As 污染问题2-5。砷通过土壤-植物（水稻）系统进入人体后在人体富集，从而可以引发肺癌、膀胱癌、皮肤癌等一系列疾病6,7。水稻（Oryza sativa L.）是我国最主要的粮食作物。广东北部矿区的重金属污染问题已引起人们的重视。由于当地采矿排出的废水被直接用来浇灌农田，使得农作物污染日甚，而水稻在污染砷土壤中种植，或用砷污染水源灌溉使得稻米中砷的累积量可能超出国家食品卫生标准（0.7 mg·kg -1）8-10，将严重影响当地居民的身体健康。如果受污染的作物流入大城市，对城市居民也会造成严

4、重影响。由于水稻在当地种植面积广泛，因此如果能够筛选出砷耐性较强且可食部分砷积累量小或不积累砷（拒砷）的品种，将具有很重要的现实意义。然而水稻种植在砷污染土壤中，轻者植株矮化，根部发育不良，生长缓慢，枯黄死叶；重者植株不发棵，地上部分发黄，根部变成黑褐色，生长发育严重恶化，甚至干枯致死11，因此在砷污染区域，水稻的正常生长是首先要解决的问题。已有研究表明不同的水稻品种（基因型）对砷的耐性不同，从而对砷的吸收和积累能力不同10,12,13。本文拟从品系的角度来筛选As 耐性品种，选用了广东常见的杂交稻、常基金项目：教育部985工程环境与污染控制科技创新平台项目规稻和糯稻三个品系共20个水稻品种，

5、通过实验室土培，研究了砷对不同品系水稻生长的影响，对耐性强、适合在As 污染区域种植的水稻品种进行了初步选定，以便为进一步合理选育耐砷水稻品种提供重要的理论依据。1 材料和方法1.1 实验材料 1.1.1 土壤供试土壤取自广东韶关某矿区附近的砷污染水稻土（020 cm），经测定砷含量为62.71 mg·kg -1，远远高于水稻土砷含量阈值10.0 mg·kg -1 14。其基本理化性质如表1。表1 供试土壤的基本理化性质Table 1 The physico-chemical properites of the experimental soils 全砷 /(mg·

6、;kg -1全氮 /(g·kg -1全磷 /(g·kg -1全钾 /(g·kg -1pH CEC /(cmol·kg -1 1.1.2 水稻品种水稻品种由广东省农科院水稻研究所和华南农业大学提供。包括杂交稻、常规稻和糯稻3个水稻品系共20个水稻品种，其中7个杂交稻品种，7个常规稻品种，6个糯稻品种（表2）。由于糯稻品种较少而较难收集，本次供试糯稻品种部分名称未确定，笔者选取其产地作为其名称。如H 华南农业大学，GW 广东北部某村，CY 广东北部某地。 1.2 实验设计将取自污染地的As 污染土风干，磨碎，过2 mm作者简介：刘志彦（1979），女，博士研

7、究生，主要从事环境生态与湿地恢复的研究工作。Tel:+86-20-84039097；E-mail: li-uzhiyan008通讯作者：陈桂珠，E-mail: chenguizhu 收稿日期：2007-06-14表2 供试水稻品种名称Table 2 The names of the experimental rice varieties杂交稻 II 优804(EY804 优优998(YY998 五丰优128(WFY128 秋优166(QY166 天优116(TY116 两优培九(LYPJ 五丰优2168(WFY2168 常规稻 丰富占(FFZ 美香占(MXZ 黄丝占(

8、HSZ 华新占(HXZ 矮华占(AHZ 黄美占(HMZ 黄华占(HHZ 筛后分别装入高11 cm，底径9 cm，口径13 cm的PVC 盆。每盆装土1.0 kg。为保证水稻生长养分充足，每盆分别施入CO(NH2 2、CaH 2PO 4、KNO 3（N 、-1P 、K 含量分别为150 mg·kg ），充分拌匀后淹水，高出土面约2 cm，平衡2周，备用。水稻种子用30%的双氧水浸泡杀菌15 min，用去离子水洗净后浸种，然后直播于土壤中。每盆3株，每个品种4个重复，在温室培育2个月后收获。试验期间温度为1828 ，光照为自然光，相对湿度为65%85%。收获后测量水稻最长根伸长和株高。植

9、物70 烘干至恒质量，分别称量其地上和地下部分干质量。 1.3 数据分析利用SAS 8.0软件和Excel 软件对实验数据进行统计分析。2 结果与分析2.1 As 污染土壤对杂交稻、常规稻、糯稻生长的影响由表3可知：杂交稻品种间根干质量差异不显著，根长、株高、茎干质量与生物量（整株干质量）品种间差异显著。根长最大的是优优998，其次为II 优804，最小的为秋优166，比优优998短2.2 cm。株高最高的仍为优优998，最矮的仍为秋优166，相差3.8 cm ，而秋优166、天优116、两优培九、五丰优2168四个品间种株高差异并不显著，其中最高的五丰优2168仅比最矮的秋优166高0.4

10、cm。根、茎干质量与生物量最大的均为II 优804，最小的仍为秋优166。优优998与五丰优2168的根、茎干质量及生物量并无差异，两优培九与五丰优2168茎干质量无差异，且生物量差异也不显著。此结果表明，II 优804与优优998在砷污染土壤中生长比较旺盛，而秋优166生长较弱。常规稻各品种间根长差异不显著，株高、根干质量、茎干质量与生物量品种间差异显著（表4）。根长最长的为美香占，丰富占居第二位，黄华占最短；根干质量最重的为丰富占，最轻的为黄华占和华新占。株高、茎干质量和生物量三个指标，丰富占都是最大的，与其余六个品种差异显著，而其余六个品种间差异不显著。根长、株高、根干质量、茎干质量和生

11、物量五个指标黄华占均最小。根干质量、茎干质量与生物量三个指标华新占与黄华占相同，均为最小。株高丰富占比黄华占高7.4 cm，丰富占的根干质量约是黄华占和华新占的近3倍，茎干质量约是它们的近2倍，生物量是它们的2倍多。表3 杂交稻品种的根长、株高和干质量Table 3 The root elongation, shoot heights and dry weights of the hybrid rice varieties品种 II 优804 优优998 五丰优128 秋优166 天优116 两优培九 根长/cm 4.8 ± 0.568 a 4.9 ± 1.151 a 3.

12、6 ± 0.239 b 2.7 ± 0.147 b 3.7 ± 0.24 ab 2.7 ± 0.108 b 株高/cm 26.1 ± 0.511 ab 27.6 ± 0.536 a 25.3 ± 0.290 bc 23.8 ± 0.352 c 24.1 ± 0.457 c 24.1 ± 0.645 c 根干质量/g 0.016 ± 0.002 a 0.012 ± 0.002 a 0.012 ± 0.002 a 0.010 ± 0.000 a 0.011 &

13、#177; 0.001 a 0.018 ± 0.004 a 茎干质量/g 0.039 ± 0.001 a 0.031 ± 0.002 b 0.031 ± 0.001b 0.021 ± 0.001 c 0.024 ± 0.002 c 0.022 ± 0.002 c 生物量/g 0.055 ± 0.002 a 0.044 ± 0.003 b 0.044 ± 0.003 b 0.031 ± 0.001 c 0.035 ± 0.002 bc 0.039 ± 0.005 bc

14、 表4 常规稻品种的根长、株高和干质量Table 4 The root elongation, shoot heights and dry weights of the conventional rice varieties品种 丰富占 美香占 黄丝占 华新占 矮华占 黄美占 根长/cm 3.2 ± 0.316 a 3.5 ± 0.949 a 3.0 ± 0.363 a 3.2 ± 0.753 a 3.0 ± 0.247 a 2.9 ± 0.266 a 株高/cm 24.9 ± 1.736 a 18.8 ± 0.6

15、93 b 20.4 ± 0.665 b 19.4 ± 0.324 b 19.8 ± 0.402 b 19.7 ± 0.246 b 根干质量/g 0.011 ± 0.002 a 0.009 ± 0.004 ab 0.006 ± 0.001 ab 0.004 ± 0.001 b 0.008 ± 0.002 ab 0.006 ± 0.001 ab 茎干质量/g 0.026 ± 0.002 a 0.018 ± 0.002 bc 0.017 ± 0.002 bc 0.014

16、± 0.002 c 0.019 ± 0.001 b 0.018 ± 0.001 bc 生物量/g 0.037 ± 0.004 a 0.027 ± 0.005 b 0.023 ± 0.002 bc 0.018 ± 0.001 c 0.026 ± 0.002 bc 0.023 ± 0.000 bc 品种 糯H 广州糯 耘糯 糯GW 杂优糯 根长/cm 2.9 ± 0.829 a 1.9 ± 0.392 a 2.4 ± 0.229 a 2.2 ± 0.197 a 3.3

17、± 1.389 a 株高/cm 16.4 ± 3.308 a 19.0 ± 0.572 a 19.8 ± 0.484 a 20.1 ± 0.616 a 16.2 ± 1.554 a 根干质量/g 0.007 ± 0.002 a 0.009 ± 0.002 a 0.007 ± 0.002 a 0.008 ± 0.002 a 0.009 ± 0.003 a 茎干质量/g 0.017 ± 0.003 ab 0.019 ± 0.002 a 0.020 ± 0.00

18、1 a 0.019 ± 0.001 a 0.014 ± 0.002 b 生物量/g 0.024 ± 0.003 a 0.028 ± 0.002 a 0.028 ± 0.002 a 0.026 ± 0.003 a 0.023 ± 0.004 a 因此，供试常规稻中，丰富占的生长情况最好，而华新占和丰富占最弱。糯稻品种中除茎干质量外，其余四个指标，即根长、株高、根干质量、生物量各品种间差异均不显著（表5）。杂优糯的根长与根干质量最重，但是其株高最矮，茎干质量最轻，生物量也最小（与糯CY 相同）。广州糯的根长最短，而根干质量最重（

19、与杂优糯相同），生物量也最大；糯CY 的根长最长，但是根干质量却最轻，生物量也最小。耘糯的生物量最大（与广州糯相同），其茎干质量也最大，根干质量居第二位，根长居中。此结果似乎与杂交稻的结果相反，即根长较长的其生物量未必大。这可能是导致各指标品种间差异并不显著的原因之一。 2.2 杂交稻、常规稻、糯稻的比较分析对杂交稻、常规稻和糯稻三个品系水稻品种进行综合分析比较，方差分析结果表明，三种品系水稻根长差异显著（P = 0.0121 < 0.05），株高、根干质量、茎干质量及生物量（整株干质量）差异极其显著（P 值均小于0.0001）。由图1可看出，杂交稻根长显著高于糯稻，差值达1.0 cm，

20、与常规稻差异不显著，差值为0.5 cm，糯稻与常规稻差异不显著，二者相差也为0.5 cm。株高三者之间均有显著差别，高矮顺序为杂交稻 > 常规稻 > 糯稻，最高图中误差线为标准误SE ，同组中字母不同者表示差异显著(P < 0.05, 下图同. 图1 三种品系水稻根长、茎长比较Fig. 1 Root and shoot heights of three different rice cultivars (n =4与最矮相差达6.5 cm。杂交稻、常规稻和糯稻三者间根的干质量差异显著，大小顺序为：杂交稻 > 糯稻 > 常规稻，杂交稻约为常规稻的近2倍。杂交稻的茎干质

21、量与整株干质量（生物量）均显著高于常规稻和糯稻，而常规稻和糯稻差异并不显著（图2）。图2 三种品系水稻根、茎干质量及生物量积累 Fig. 2 Root, shoot and total dry weights of three rice cultivars由以上分析可知，杂交稻的整体生长状况优于糯稻和常规稻，常规稻的根长和株高均高于糯稻，但是干物质的积累却和糯稻差异不显著，其中根的干质量甚至低于糯稻。由此可见，常规稻和糯稻在砷污染土壤中生长状况差别不明显。由于干物质的积累常被用作反映植物对污染物耐性程度的指标15,16，本文以干物质的积累根干质量、茎干质量、生物量为指标，对供试品种水稻进行聚类

22、分析（Ward 法），结果如图3。由此图可知，当阈值为0.04时，20个水稻品种被分为五类：第一类包括：II 优804、优优998、五丰优128三个水稻品种；第二类包括：秋优166、天优116、五丰优2168、丰富占四个品种；第三类只有两优培九一个水稻品种；第四类包括六个品种：糯H 、糯CY 、黄丝占、华新占、黄美占、黄华占；第五类也包括六个品种：广州糯、耘糯、糯GW 、杂优糯、美香占、矮华占。由此结果可知：第一类水稻品种干物 刘志彦等：砷污染土壤对不同品种水稻生长的影响 1703华新粘、矮华粘、黄美粘、黄华粘、糯H 、广州糯、耘糯、糯GW 、杂优糯、糯CY图3 20个品种水稻干物质聚类图Fi

23、g. 3 The clustering analysis of 20 rice varieties according to dry weightsOB1OB20分别依次代表如下品种：II 优804、优优998、五丰优128、秋优166、天优116、两优培九、五丰优2168、丰富粘、美香粘、黄丝粘、质的积累量较大，且全部是杂交稻品种；第二类品种干物质的积累量次之，其中除包含一个常规稻品种丰富占外其余三个全部为杂交稻；第三类只有一个品种两优培九，其茎干质量和生物量均比第一类品种次之，但是其根的干质量却是所有水稻品种中最大的；第四类品种干物质的积累量最小，其中包括4个常规稻品种，2个糯稻品种；第五

24、类品种干物质的积累较第一、二、三类小，较第五类大，其中四个为糯稻品种，两个为常规稻品种。3 结论由以上结果分析可知20个不同品种水稻在砷污染土壤中生长情况显著不同，从而可以反映出不同种水稻对土壤砷污染的耐性程度也不同。从其生长情况来看，杂交稻的砷耐性程度要优于常规稻和糯稻，常规稻的砷耐性程度最弱。根据以上结果，笔者就20个供试品种水稻对砷的耐性程度进行下列排序，并将其分为五个群，然后按照群来区别：II 优804、优优998、五丰优128 > 两优培九 > 秋优166、天优116、五丰优2168、丰富占 > 广州糯、耘糯、糯GW 、杂优糯、美香占、矮华占 > 糯H 、糯C

25、Y 、黄丝占、华新占、黄美占、黄华占。从水稻生长情况而言，笔者认为，在广东北部矿区砷污染土壤中，较适宜种植杂交稻，这可能是由于杂交稻本身抗性较强的原因；糯稻比常规稻更适宜在此地种植。供试常规稻中以丰富占为优，美香占和矮华占次之，糯稻以广州糯、耘糯、糯GW 、杂优糯为优。糯H 、糯CY 、黄丝占、华新占、黄美占、黄华占在此砷污染土壤中生长较弱，在此地区不宜种植。因为水稻（湿地植物）对重金属的耐性取决于其基因型（品种），并不会因其生长环境的变化和改变1,12,17，因而笔者认为此结论也适用于其他砷污染土壤区域，且具体情况仍需进一步研究证实。参考文献：1 刘文菊, 胡莹, 毕淑芹, 等. 苗期水稻吸

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