不同小麥品種對大田中低量鎘富集及轉(zhuǎn)運研究

熊 孜，李菊梅*，趙會薇，馬義兵

（1.中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，國家土壤肥力與肥料效益監(jiān)測站網(wǎng)，北京 100081；2.國家半干旱農(nóng)業(yè)工程技術研究中心，石家莊 050051）

小麥是我國主要糧食作物之一，品種豐富，集中分布于黃淮海平原的河北、河南、山東三省[1]，其質(zhì)量安全在我國糧食生產(chǎn)中有重要意義。小麥屬于耐Cd力較強[2]、易積累Cd的作物之一，易從土壤中吸收積累Cd，造成小麥籽粒Cd累積。研究顯示[3-5]，即使在未受人為污染的土壤上，小麥籽粒Cd含量也可能超標。楊玉敏等[6]盆栽試驗顯示（N=102），土壤Cd總量為0.4 mg·kg-1時，不同小麥品種籽粒Cd含量區(qū)間為0.189～0.557 mg·kg-1（GB 2715—2005，0.1 mg·kg-1）。

近年來，污水灌溉[7]、污泥農(nóng)用、農(nóng)藥及化肥的不合理施用，使得小麥Cd污染風險問題逐漸成為社會關注的熱點和政府農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全監(jiān)管的重點[8]，因此，能否保證小麥在中低污染程度的土壤上安全生產(chǎn)，越來越受到人們關注。目前，解決糧食中Cd超標問題的途徑主要有兩種[9]：一是從土壤角度出發(fā)，降低土壤中Cd的有效性；二是從農(nóng)作物角度出發(fā)，優(yōu)選和培育吸Cd量少或向籽粒轉(zhuǎn)移系數(shù)低的優(yōu)良抗逆小麥品種。在良種試驗過程中，迫切需要篩選低Cd小麥品種，它有利于良種推廣應用以及在Cd污染農(nóng)田優(yōu)選安全品種。目前，對低Cd土壤上，即小麥正常生長條件下小麥籽粒Cd吸收能力研究較少[11-12]，低Cd小麥品種篩選多基于添加高量外源Cd的盆栽試驗，添加量較我國土壤Cd三級標準值要高出數(shù)倍到數(shù)十倍。在作物受害不能正常生長的土壤狀態(tài)下進行品種篩選，有其不合理性。同時，由于外源添加Cd老化程度不同，和大田Cd有效性有很大差別，往往篩選的低Cd品種在無污染土壤上易超標[6]；此外，還存在推薦的某些低Cd小麥品種特性不穩(wěn)定，換地方就超標的現(xiàn)象。

大量基于外源Cd添加土培、水培試驗表明[12-14]，小麥對重金屬元素的吸收、累積能力與其品種有關[6，15-17]。本文基于良種試驗中小麥品種間對Cd的吸收、轉(zhuǎn)運以及籽粒富集差異，試圖比較得出小麥低累積Cd品種，篩選出分別適宜于二級、三級Cd污染農(nóng)田的小麥品種，為我國輕度Cd污染的二級、三級農(nóng)田小麥安全生產(chǎn)提供依據(jù)，豐富優(yōu)勢小麥品種特征資料，為優(yōu)勢小麥品種推廣應用提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與處理

2015年6月10—12日于河北、山東及河南3省9地采集59個小麥品種，共計91組土壤-植物點對點樣品。土壤類型均為褐土，樣點位置及品種詳見表1。土樣深度0～20 cm，經(jīng)自然風干，剔除雜質(zhì)后，研磨，分別過2、1、0.25 mm和0.149 mm尼龍篩，充分混勻，備用。植株樣品（僅采集地上部分）經(jīng)105℃殺青20 min，70℃烘干，分離為莖葉、籽粒兩部分（舍去穎殼），并分別將其粉碎，過0.25 mm尼龍篩，測定Cd含量。樣品基本理化性質(zhì)詳見表2。

1.2 測定項目與方法

土壤pH采用電位法（玻璃電極）測定（2.5∶1，TP320，北京時代新維測控設備有限公司），有機質(zhì)（OM）采用外加熱重鉻酸鉀法測定，陽離子交換量（CEC）采用非緩沖硫脲銀法測定，土壤堿解氮采用擴散法測定，有效磷（Olsen-P）采用 0.5 mol·L-1NaHCO3浸提-紫外分光光度法（UV-5100H，上海元析儀器有限公司）測定；土壤有效鉀采用NH4OAc浸提-火焰光度法測定（HG-8，北京檢測儀器有限公司），參見《土壤農(nóng)化分析》[18]。土壤Cd總量測定參考EPA 3052方法，土樣采用硝酸-氫氟酸（3∶1，V∶V）混合酸消解，溶液中Cd含量采用電感耦合等離子體質(zhì)譜測定（7700X ICP-MS，安捷倫科技有限公司）。植株中Cd含量測定方法參考GB/T 5009.15—2003，植物樣采用硝酸-過氧化氫（2∶1，V∶V）混合酸消解，溶液中 Cd 含量測定方法同上。采用標準物質(zhì)作為內(nèi)標控制分析質(zhì)量，土壤和植物標準樣品分別選用GBW07427（GSS-13）和 GBW10011（GSB-2），每 10 個樣品添加一個標樣，并保證回收率大于90%。

1.3 小麥Cd生物富集、轉(zhuǎn)移系數(shù)

植物對重金屬的生物富集系數(shù)（BCF）是指植物地上部某一重金屬的含量與相應的土壤重金屬含量的比值，可以表征小麥從土壤中吸收重金屬的能力。植物對重金屬的轉(zhuǎn)移系數(shù)（TF）是指植物某一部位重金屬的含量與植物另外相應部位重金屬含量的比值，可以表征小麥自身轉(zhuǎn)移重金屬的能力。

表1 采樣地點及小麥品種名稱Table 1 Sampling sites and varieties of wheat

表2 供試土壤的基本理化性質(zhì)Table 2 The properties of the soils collected from different site

式中：Cgrain、Cstem和Csoil分別表示籽粒、莖葉和土壤Cd全量，mg·kg-1。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

所有試驗數(shù)據(jù)均采用Microsoft Excel 2010、Origin 8.5和SAS 9.0軟件進行處理與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同小麥品種莖葉、籽粒Cd含量比較

在調(diào)查的9個小麥種植區(qū)域中有8個小麥種植區(qū)耕層土壤Cd含量低于國家土壤環(huán)境質(zhì)量標準規(guī)定的限制標準（0.6 mg·kg-1），范圍為0.107～0.212 mg·kg-1，平均為 0.155 mg·kg-1，土壤 Cd 含量整體變化不大,并且接近國家土壤環(huán)境質(zhì)量標準規(guī)定的自然背景值（0.2 mg·kg-1）；只有濟源采樣點土壤 Cd含量超過《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 15618—1995）限制的三級Cd 污染限量（≤1.0 mg·kg-1），為 2.292 mg·kg-1（表2）。未超標采樣點不同小麥品種的籽粒Cd含量范圍為 0.005～0.030 mg·kg-1，平均為 0.016 mg·kg-1，最大值是最小值的5.89倍，莖葉Cd含量范圍為0.016～0.092 mg·kg-1，平均為 0.058 mg·kg-1，其中小麥籽粒Cd含量遠低于食品衛(wèi)生標準；濟源Cd超標地莖葉Cd 含量范圍為 0.513～0.681 mg·kg-1，平均為 0.583 mg·kg-1，籽粒 Cd 含量范圍為 0.119～0.150 mg·kg-1，平均為 0.132 mg·kg-1，高于我國《糧食衛(wèi)生標準》（GB 2715—2005，小麥籽粒 Cd 含量≤0.1 mg·kg-1）。同一地塊土壤Cd含量相同，部分品種間籽粒Cd含量差異較顯著，相同地塊不同品種間差異可達1.26～3.75倍（圖 1）。

2.2 不同小麥品種Cd富集系數(shù)的差異

小麥籽粒對土壤Cd的富集系數(shù)（BCF）是評價小麥品種低Cd品質(zhì)的重要參數(shù)。將不同土壤上種植的相同小麥品種（同一小麥品種數(shù)大于3）的BCF值進行比較（圖2），結(jié)果顯示，相同小麥品種種植于不同低Cd含量土壤地塊，籽粒Cd含量一般隨土壤Cd含量增高而增高，BCF隨土壤Cd含量增高而減小。因為土壤Cd含量差異較小，故同一小麥品種間大多差異不顯著，但也出現(xiàn)個別差異顯著的小麥品種，分別為冀麥518、石農(nóng)086和濟麥22。將不同地點相同品種小麥的BCF取均值，將所有小麥品種的BCF按大小順序進行排列并進行顯著性差異分析（圖3）。發(fā)現(xiàn)不同小麥品種間籽粒Cd富集系數(shù)存在差異，其中部分小麥品種間BCF差異顯著，部分BCF差異不顯著，供試小麥品種籽粒對土壤Cd的BCF范圍為0.047～0.165，平均為0.107，品種間最大差異達3.55倍。

圖1 不同地點小麥莖葉及籽粒Cd含量Figure 1 Concentrations of Cd in stems and leaves and grains in wheat

2.3 不同小麥品種轉(zhuǎn)運系數(shù)的差異

小麥Cd從莖葉向籽粒轉(zhuǎn)運的多少關系到籽粒Cd的含量，其轉(zhuǎn)運系數(shù)（TF）也是評價小麥品種的重要指標之一。59個小麥品種中，濟源Cd超標土壤3個小麥品種TF值平均為0.231，其他不超標土壤小麥品種TF范圍為0.093～0.500，平均為0.291。相同小麥品種在Cd含量不同土壤上的TF值除衡4444和冀麥585外其他都表現(xiàn)為差異不顯著（圖4，同一小麥品種數(shù)≥3的地點），因此可以將不同地塊相同小麥品種的TF值進行平均，以便比較品種間TF值的差異。小麥品種間Cd從莖葉向籽粒的轉(zhuǎn)運系數(shù)如圖5所示，有的品種間差異極顯著，有的品種間差異不顯著，TF值最大品種是衡6632（0.500），最小品種是衡0628（0.093），二者相差約4.4倍。TF值較低的衡0628、衡09觀29小麥品種的BCF值也較低，TF值較高的石麥15、衡6632等小麥品種其BCF值也較高。

圖3 不同品種Cd富集系數(shù)差異比較Figure 3 Compare Cd bioconcentration with different wheat varieties

2.4 不同小麥品種富集系數(shù)的聚類分析

對所有品種小麥籽粒的Cd富集系數(shù)進行聚類分析（圖6），結(jié)果可大致分成5類：籽粒低富集型（BCF＜0.050），小麥品種為冀麥 518、衡 0628、衡 09 觀29；籽粒較低富集型（BCF∈0.050～0.060），小麥品種為周麥27、周麥16、矮抗58、山農(nóng)24；籽粒中富集型（BCF∈0.060～0.150），小麥品種為河農(nóng)58-3、郯麥98、藁優(yōu)5766、刑麥 7號、論選 103、濟南17號、石麥18、濰麥 8、嬰泊 700、科農(nóng) 1006、河農(nóng) 7069、濟麥 22、山農(nóng) 22、石麥 22、衡 4444、石麥 19、石農(nóng) 086、石麥21、邯 5093、刑麥 4 號、河農(nóng) 827、石 4185、石新 633、小偃 101、衡觀 35、冀麥 585、邯 6172、藁優(yōu) 2018、舜麥 1718、石麥 20、師欒 02-1、良星 66、衡 4399、中麥155、農(nóng)大399、邯麥13、山農(nóng)15、科農(nóng)199、河農(nóng)6049、石新 828、京麥 8 號、邯麥 14、魯原 502、滄麥12、山農(nóng) 20；籽粒較高富集型（BCF∈0.150～0.160），小麥品種為汶農(nóng)8號、泰農(nóng)18、石麥15；籽粒高富集型（BCF＞0.160），小麥品種為良星 77、良星 99、衡 6632、山農(nóng)23。

圖5 不同品種小麥Cd轉(zhuǎn)移系數(shù)差異比較Figure 5 Compare Cd translocation factor with different wheat varieties

圖4 同一品種小麥在不同土壤上Cd轉(zhuǎn)運系數(shù)Figure 4 Compare Cd translocation factor with same wheat variety of in different soils

圖6 不同品種小麥富集系數(shù)聚類分析Figure 6 Cluster analysis of BCF with different wheat varieties

2.5 Cd污染土壤上基于BCF的小麥品種篩選

在土壤類型、耕作措施相同的條件下，不同小麥品種積累Cd含量差異的原因應主要是品種基因的差別，若不考慮pH和有機質(zhì)等其他條件的差異，可以由BCF值推算二級Cd污染和三級Cd污染條件下籽粒Cd含量，為選擇安全適宜的小麥品種提供依據(jù)。根據(jù)BCF計算公式可知，小麥籽粒Cd含量=BCF×土壤Cd含量，參照我國糧食衛(wèi)生標準（GB 2715—2005）中小麥籽粒Cd含量限量值（≤0.1 mg·kg-1）與我國土壤環(huán)境質(zhì)量標準（GB 15618—1995）中二級（≤0.6 mg·kg-1，pH＞7.5）及三級污染土壤 Cd 限量值（≤1.0 mg·kg-1，pH＞6.5），對本研究 59 個小麥品種進行推算，得出：當土壤Cd含量≤0.6 mg·kg-1（即土壤達到二級污染臨界水平時），BCF≤0.167，59個小麥籽粒Cd含量全部未超過限量標準（GB 15618—1995），都可以種植；當土壤Cd含量≤1.0 mg·kg-1（即土壤達到三級污染臨界水平時），有50%的小麥品種籽粒Cd含量超標。從另一方面考慮，籽粒超標臨界水平為0.1 mg·kg-1，在Cd二級污染土壤上適宜種植的小麥籽粒的BCF應≤0.167，在三級Cd污染土壤上適宜種植的小麥籽粒的BCF應該≤0.100。

3 討論

本研究9個調(diào)查土壤中，除濟源外土壤Cd含量均遠低于污染土壤的限制標準（0.6 mg·kg-1）。小麥莖葉和籽粒Cd含量較低，且品種間有顯著差異。小麥吸收的Cd隨土壤Cd含量提高而增高，且莖葉Cd含量＞籽粒Cd含量，與其他學者研究一致[6，19-20]。本研究56個小麥品種（濟源3個品種除外）籽粒Cd含量范圍為 0.005～0.030 mg·kg-1，平均為 0.016 0 mg·kg-1，該數(shù)值范圍與季書勤等[21]、劉克等[22]測定結(jié)果相近。

小麥對Cd富集與轉(zhuǎn)運的品種間差異被許多研究證實。Cd進入植物體機理研究[23-24]顯示，小麥對Cd的吸收和轉(zhuǎn)運受基因影響[25-26]，但具體何種基因還有待深入研究，同時小麥對Cd的吸收、轉(zhuǎn)運還受多種環(huán)境因素影響[22，27-29]。小麥低Cd吸收品種篩選的評價指標基本相同，包括：籽粒Cd含量、轉(zhuǎn)運系數(shù)和富集系數(shù)，且多對不同試驗條件下各評估指標進行簡單排序或者初步聚類[2，10-15，19-20，29-32]以確定品種優(yōu)勢。

我國土壤Cd環(huán)境質(zhì)量三級標準（≤1.0 mg·kg-1）是為了保障農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)和植物正常生長的土壤臨界值。許多試驗結(jié)果顯示，影響小麥生長的土壤Cd含量閾值為 3～5 mg·kg-1[33]，在土壤 Cd 含量＜20 mg·kg-1條件下，小麥籽粒Cd濃度與土壤Cd含量基本呈線性關系[34-35]。據(jù)此可推測，三級Cd污染土壤上小麥生長過程不受毒性抑制，小麥籽粒Cd富集效應隨土壤Cd含量線性相關[6，34]，且BCF值通常隨著土壤Cd含量增加而減小[6]，這與本文研究結(jié)果一致。由此可見，對同一品種來說，由高BCF推算出的小麥籽粒Cd含量會高于在污染土壤上小麥籽粒Cd的實測含量，用低Cd土壤上小麥籽粒的BCF篩選低Cd小麥品種更具有科學性。

楊玉敏從102份小麥品種中篩選出了9份低Cd富集小麥品種[6]，之后分別對篩選出的低富集Cd小麥品種在Cd含量為0.4 mg·kg-1及0.28 mg·kg-1的土壤上進行驗證[33]，但所有小麥籽粒含量都超過食品安全標準（≤0.1 mg·kg-1）。以楊玉敏在高Cd含量土壤上得出的小麥BCF值推算小麥籽粒超標情況，結(jié)果僅部分超標，但實際結(jié)果卻均超過標準。因此，通過對以上低Cd土壤和高Cd污染土壤上小麥籽粒Cd含量的比較可知，兩者根本的區(qū)別是在低Cd土壤上，小麥可以正常生長、吸收、轉(zhuǎn)運和富集土壤Cd，而在高Cd污染土壤上，小麥正常生長受到不同程度影響，對Cd的吸收、轉(zhuǎn)運及富集也受到影響，前者對Cd的低富集具有確定性，而后者主要是在耐性支配下小麥籽粒對土壤Cd的富集。在低Cd土壤篩選低Cd小麥品種的缺點就是可能會把一些吸收Cd含量較低的小麥品種淘汰，而在高Cd污染土壤上篩選低Cd小麥品種的缺點就是可能會把吸收Cd含量較高的品種選上。

因此，相同土壤大田試驗、土培或者水培條件下篩選小麥低Cd吸收品種比較容易，但不同土壤條件下，有些小麥品種出現(xiàn)顯著差異，易受環(huán)境影響，本研究結(jié)果可為在低Cd土壤上進一步優(yōu)選低Cd吸收品種提供資料，也為良種場品種推廣應用提供科學依據(jù)?？傊←湆d吸收受許多環(huán)境因素影響，本研究涉及土壤Cd含量低且范圍窄，大多數(shù)相同小麥品種在不同地點土壤上的轉(zhuǎn)運系數(shù)和富集系數(shù)差異不顯著，可能與土壤之間Cd含量差異較小有關系，以上品種低Cd特性還需要進一步驗證。

4 結(jié)論

（1）在低 Cd（0.107～0.212 mg·kg-1）大田條件下，小麥莖葉、籽粒Cd含量顯示出品種間的差異。小麥富集系數(shù)的聚類分析表明，冀麥518、衡0628、衡09觀29為低Cd富集小麥品種。

（2）以BCF推算，在保障籽粒Cd含量不超過標準的前提下，59個小麥品種基本上都可以在二類Cd污染土壤上種植，有27個小麥品種可以在三級Cd污染土壤上種植。

（3）在土壤Cd含量較低條件下篩選出的低Cd富集小麥品種比在高Cd條件下篩選出的保障性更高。在Cd二級污染土壤上適宜種植的小麥籽粒的富集系數(shù)應≤0.167，在三級Cd污染土壤上適宜種植的小麥籽粒的富集系數(shù)應≤0.100。

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