電子廢棄物拆解區(qū)重金屬低積累玉米品種篩選

李智鳴，李 艷，曹巧瑩，郭雄飛,3

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，廣東 廣州 510642；2.西華師范大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，四川 南充 637009;3.廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 生態(tài)環(huán)境技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510300)

0 引 言

目前，土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)主要有物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)和生物修復(fù).但是，由于修復(fù)成本高、修復(fù)周期長以及潛在的二次污染等問題，這些相關(guān)修復(fù)技術(shù)難以實(shí)際應(yīng)用在重金屬污染農(nóng)田土壤修復(fù)中.近年來，篩選和培育污染物低累積作物品種被認(rèn)為是保障農(nóng)產(chǎn)品安全的重要策略.篩選重金屬低累積且耐受性強(qiáng)的農(nóng)作物品種進(jìn)行種植，有助于降低農(nóng)作物可食用部位重金屬含量[1-2].大量研究表明，重金屬在農(nóng)作物中的富集不僅與作物種類有關(guān)，而且與作物品種有關(guān).不同作物類型對同一重金屬元素的富集能力及同一作物對不同重金屬元素吸收與累積能力均有一定差異性[3-4]，甚至同一種作物的不同品種間對重金屬富集能力存在較大差異[5-6].目前，關(guān)于重金屬低累積作物品種已有大量報(bào)道.然而，這些重金屬低累積作物品種多是在溫室中通過盆栽實(shí)驗(yàn)篩選而得，通過大田實(shí)驗(yàn)獲得重金屬低累積作物品種的研究相對較少.由于盆栽實(shí)驗(yàn)條件和大田實(shí)驗(yàn)條件存在較大的差異，導(dǎo)致盆栽實(shí)驗(yàn)的結(jié)果并不能很好地指導(dǎo)實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[7].因此，通過大田實(shí)驗(yàn)篩選獲得的重金屬低累積作物品種更具有實(shí)際應(yīng)用和推廣價值.

玉米作為一種重要的經(jīng)濟(jì)和糧食作物，對重金屬具有較強(qiáng)的耐受性，即使在重金屬重度污染的土壤中也能正常生長[8-9].因此，玉米在重金屬污染土壤修復(fù)與治理方面有著巨大的潛力[10-11].篩選Cd、Cr、Pb、Hg及As低積累且高產(chǎn)量的玉米品種，不僅對于保障農(nóng)產(chǎn)品安全和人體健康具有重要意義，而且也可作為在重金屬污染土壤上進(jìn)行安全、可持續(xù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一條重要途徑.因此，本研究以廣東省清遠(yuǎn)市清城區(qū)龍?zhí)伶?zhèn)某電子廢棄物拆解區(qū)周邊農(nóng)田為試驗(yàn)田，以華南地區(qū)廣泛種植的 16種玉米品種為研究對象，通過田間試驗(yàn)，探討不同玉米品種在電子廢棄物拆解活動污染的農(nóng)田土壤中的生長狀況以及對重金屬的累積特征的差異，旨在篩選獲得重金屬低積累玉米品種，以降低玉米膳食重金屬暴露風(fēng)險.同時，為在中輕度重金屬污染農(nóng)田安全種植和生產(chǎn)玉米提供理論指導(dǎo)與參考.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

試驗(yàn)地位于廣東省清遠(yuǎn)市清城區(qū)龍?zhí)伶?zhèn)一處受電子垃圾拆解活動污染的農(nóng)田(E23°35′3.50″，N113°02′27.99″)，屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫為18.9～22 ℃，年平均降水日為160～173 d,年平均降水量在1 631.4～2 149.3 mm之間，無霜期314.4 d.土壤質(zhì)地為砂壤土，在研究區(qū)域按“S”型布設(shè)5個采樣點(diǎn)，采集表層 0～20 cm 土壤，將土樣混合均勻后帶回實(shí)驗(yàn)室，自然風(fēng)干，除去枯枝落葉、碎石等雜物，分別過20與100目篩備用.經(jīng)測試分析，其基本理化性質(zhì)及土壤重金屬含量見表1.

表1 試驗(yàn)地土壤基本理化性質(zhì)

對照GB 15618—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量—農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)》[12]中對Cd、Cr和Pb規(guī)定的風(fēng)險管控值0.3、150和70 mg/kg(pH≤5.5，耕作方式為其他)可以看出，試驗(yàn)田土壤Cd與Pb超標(biāo)，Cr未超標(biāo).而對于DB 44/T1415—2014《土壤重金屬風(fēng)險評價篩選值—珠江三角洲》[13]而言，同樣存在Cd和Pb超標(biāo)(pH<5.5，耕作方式為旱地)，且3種元素都大幅超過廣東省土壤環(huán)境背景值[14]，表明試驗(yàn)地土壤已經(jīng)受到了重金屬復(fù)合污染，可能存在食用農(nóng)產(chǎn)品不符合質(zhì)量安全標(biāo)準(zhǔn)等土壤污染風(fēng)險.

1.2 材 料

供試玉米為16種華南地區(qū)常種的玉米品種，具體的品種信息見下表2.

表2 供試玉米品種信息

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，以玉米品種為處理，每個處理設(shè)置3次重復(fù)，共設(shè)計(jì)48個小區(qū)，小區(qū)規(guī)格為1.2 m×5 m.試驗(yàn)于2019年9月進(jìn)行，播種前先對土壤進(jìn)行翻耕，然后劃定小區(qū)，每個小區(qū)施復(fù)合肥50 g.玉米播種在9月5日進(jìn)行，每個小區(qū)播種12穴，每穴3粒種子，種植密度為60 cm×50 cm，待玉米長到4葉期時進(jìn)行定植，每穴只留1株玉米.試驗(yàn)田間管理按照當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶的種植習(xí)慣進(jìn)行.在玉米生長至雄穗抽出時，對所有玉米進(jìn)行套袋處理，防止花粉雜交干擾試驗(yàn).2019年12月12日收獲玉米，測定各小區(qū)產(chǎn)量并采集玉米植株及對應(yīng)的土壤樣品.

1.4 樣品分析

1.4.1 植物樣品采集與測定

玉米成熟期時，在每個玉米小區(qū)隨機(jī)選取4～5株長勢一致的植株(避開生長發(fā)育不良和蟲蛀的玉米)，將果穗取下混合為一個玉米樣品，裝入尼龍袋，并做好記錄.帶回實(shí)驗(yàn)室后，剝離玉米籽粒，用自來水清洗干凈，再用超純水清洗3～4次，自然風(fēng)干表面水珠后，稱量鮮重.之后將玉米籽粒放入牛皮信封袋中于80 ℃恒溫條件下烘干至恒重，取出玉米籽粒用不銹鋼粉碎機(jī)粉碎，裝入聚乙烯瓶中，擰緊瓶蓋，保存待測.

1.4.2 產(chǎn)量測算

在玉米成熟期將各小區(qū)內(nèi)所有玉米果穗取下立即稱總重，換算得到各玉米品種的實(shí)際產(chǎn)量.

1.4.3 富集系數(shù)

玉米籽粒富集系數(shù)=玉米籽粒重金屬含量(mg/kg)/土壤中重金屬含量(mg/kg)

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用Microsoft Excel 2018 及SPSS 19.0軟件完成，采用Duncan 檢驗(yàn)法進(jìn)行多重比較，并對不同玉米品種籽粒重金屬含量作聚類分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同玉米品種產(chǎn)量差異分析

不同玉米品種產(chǎn)量差異如圖1所示.

從圖1中可以看出，不同玉米品種的產(chǎn)量存在顯著性差異(P<0.05)，16種玉米品種的產(chǎn)量范圍在4 756.36～8 408.03 kg/hm2之間，其中，有3個品種的產(chǎn)量超過8 000 kg/hm2，顯著高于其他品種，產(chǎn)量最高的品種是正甜68，達(dá)到了8 408.03 kg/hm2，其次是華玉三號和華寶甜八號，其產(chǎn)量分別為8 342.42 kg/hm2和8 123.34 kg/hm2.產(chǎn)量最低的品種為綠美甜999，僅為4 756.36 kg/hm2，顯著低于其他的15個玉米品種(P<0.05).

圖1 不同玉米品種產(chǎn)量差異

2.2 玉米籽粒重金屬含量

經(jīng)過走訪村民調(diào)查得知，當(dāng)?shù)胤N植玉米的主要用途為食用(甜玉米)以及用作家畜飼料(飼料玉米).目前我國對食品和飼料重金屬做出限制且現(xiàn)行有效的標(biāo)準(zhǔn)主要有GB 2762—2017《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)—食品中污染物限量》[15]、NY 861—2004《糧食(含谷物、豆類、薯類)及制品中鉛、鉻、鎘、汞、硒、砷、銅、鋅等八種元素限量》[16]以及GB 13078—2017《飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》[17]，故采用以上標(biāo)準(zhǔn)對玉米籽粒重金屬含量進(jìn)行評價.3種不同標(biāo)準(zhǔn)中Cd、Cr、Pb、Hg和As的限量值比較見表3.

表3 不同標(biāo)準(zhǔn)中Cd、Cr、Pb、Hg和As的限量值比較

不同玉米品種籽粒Cd、Cr、Pb、Hg及As含量如圖2所示.

由圖2可知，16種玉米品種籽粒中重金屬Cd、Cr、Pb、Hg和As含量范圍分別為0.05～0.40 mg/kg、0.24～0.7 8 mg/kg、0.07～0.17 mg/kg、0.003～0.006mg/kg和 0.027～0.047mg/kg.可以看出Cr、Pb、Hg和As的含量均未超過GB 2762—2017《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)—食品中污染物限量》[15]中的規(guī)定，而Cd含量部分超標(biāo)，籽粒Cd含量超過GB 2762—2017《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)—食品中污染物限量》[15]規(guī)定的品種達(dá)13個之多，Cd超標(biāo)率為81.25%.可以看出同一玉米品種對不同重金屬的吸收積累能力不盡相同，不同品種對同一重金屬的積累能力也存在較大差異，總體而言，玉米更容易吸收和積累Cd元素.

圖2 不同玉米品種籽粒Cd、Cr、Pb、Hg及As含量

2.3 不同玉米品種富集系數(shù)差異分析

富集系數(shù)通常能直觀地表示植物不同部位對重金屬的吸收積累能力大小，不同品種玉米籽粒重金屬富集系數(shù)見表4.

表4 不同品種玉米籽粒重金屬富集系數(shù)

從表4可以看出，不同玉米品種對土壤中Cd、Cr、Pb、Hg及As的吸收積累能力存在顯著差異(P<0.05).16種玉米品種籽粒Cd的富集系數(shù)范圍為0.09～0.81，不同品種對Cd的富集能力存在顯著差異(P<0.05)，其中富集系數(shù)最低的品種是華玉四號，富集系數(shù)最高的品種是加甜糯75，其富集系數(shù)是華玉四號的9倍左右.相比玉米籽粒Cd的富集系數(shù)，Cr的富集系數(shù)要低得多，16種玉米品種籽粒Cr的富集系數(shù)范圍為0.004～0.014，表明玉米籽粒對土壤中Cr的積累能力較弱，其中金甜順666對Cr的富集能力顯著低于其他15個品種(P<0.05)，而正甜68的籽粒Cr富集系數(shù)又顯著高于其他15個玉米品種(P<0.05)，彩甜糯、口口香加甜、綠美甜666、綠美甜888、綠美甜999、黑美人、白香糯、華甜一號、華玉一號、華玉二號、華玉三號和華玉四號這12個玉米品種對Cr的富集能力不存在顯著性差異(P>0.05).16種玉米品種籽粒Pb的富集系數(shù)范圍為0.000 8～0.001 9,玉米籽粒Pb的富集系數(shù)整體比Cd及Cr的富集系數(shù)要低.16種玉米品種籽粒Hg的富集系數(shù)范圍為0.011 5～0.025 8，其中富集系數(shù)最低的品種是正甜68，富集系數(shù)最高的品種是加甜糯75，其富集系數(shù)是正甜68的2.24倍.16種玉米品種籽粒As的富集系數(shù)范圍為0.001 5～0.002 8，其中富集系數(shù)最低的品種是綠美甜888，富集系數(shù)最高的品種是華寶甜八號，但16個品種對As的富集系數(shù)沒有明顯差異.16個品種玉米籽粒對土壤重金屬的吸收積累能力大小分別為Cd>Hg>Cr>As>Pb.

2.4 不同玉米品種籽粒重金屬含量的聚類分析

為了確定不同玉米品種對重金屬的吸收積累能力，篩選出重金屬低積累玉米品種，對16種玉米品種籽粒Cd、Cr、Pb、Hg和As含量進(jìn)行聚類分析，結(jié)果見圖3～圖7.所有的玉米品種都生長在同樣的環(huán)境條件下，而且土壤污染狀況與田間管理模式等因素對不同品種玉米吸收重金屬的影響也一致，故不同玉米品種籽粒重金屬含量的差異反映了品種對重金屬的積累能力.

2.4.1 Cd低積累玉米品種篩選

從圖3可以看出，16種玉米品種對Cd的積累能力大小可以分為4類.其中，口口香加甜和加甜糯75為籽粒Cd含量最高的一類，即這兩個品種為重金屬Cd的高累積品種；正甜68、綠美甜666、綠美甜999、華甜一號、華寶甜八號和華玉一號為籽粒Cd含量較高的一類；白香糯、華玉三號、黑美人、綠美甜888和華玉二號5個品種為籽粒Cd含量較低的一類；彩甜糯、金甜順666和華玉四號3個品種籽粒Cd含量最低，是Cd的低積累品種.

圖3 不同玉米品種籽粒Cd含量聚類樹形圖

2.4.2 Cr低積累玉米品種篩選

從圖4可以看出，16種玉米品種對Cr的積累能力大小可以分為3類.其中，白香糯、華玉二號、口口香加甜、華玉一號、綠美甜888、加甜糯75、金甜順666、黑美人、彩甜糯和華玉三號為籽粒Cr含量最低的一類，這10個品種為Cr的低累積品種，其中，金甜順666、黑美人、彩甜糯和華玉三號4個品種Cr的含量最低；華甜寶八號、華玉四號和綠美甜999為籽粒Cr含量較低的一類；正甜68、華甜一號和綠美甜666為籽粒Cr含量最高的一類，這3個玉米品種是Cr的高累積品種.

圖4 不同玉米品種籽粒Cr含量聚類樹形圖

2.4.3 Pb低積累玉米品種篩選

從圖5可以看出，16種玉米品種對Pb的積累能力大小可以分為3類.其中，加甜糯75籽粒Pb含量最低，且顯著低于其他15個品種，是Pb的低累積品種；華甜一號、華玉三號、金甜順666、口口香加甜、華玉一號、彩甜糯、華玉四號、綠美甜888和白香糯籽粒Pb含量也相對較低；綠美甜999、華玉二號、正甜68、黑美人、綠美甜666和華寶甜八號這6個品種籽粒Pb含量較高.

圖5 不同玉米品種籽粒Pb含量聚類樹形圖

2.4.4 Hg低積累玉米品種篩選

從圖6可以看出，16種玉米品種對Hg的積累能力大小可以分為3類.口口香加甜、華玉四號和加甜糯75這3個品種籽粒Hg含量較高，其中，加甜糯75的含量最高，是Hg的高累積品種；華寶甜八號、華玉一號、綠美666、華玉二號、彩甜糯、黑美人、綠美甜999和華甜一號8個品種籽粒Hg含量相對較低；綠美甜888、白香糯、華玉三號、正甜68和金甜順666這5個玉米品種籽粒Hg含量最低，是Hg的低積累品種.

圖6 不同玉米品種籽粒Hg含量聚類樹形圖

2.4.5 As低積累玉米品種篩選

從圖7可以看出，16種玉米品種對As的積累能力大小可以分為3類.其中，綠美甜888這個品種籽粒As含量最低，最A(yù)s的低累積品種；口口香加甜、綠美甜999和華玉二號3個玉米品種籽粒As含量稍高于綠美甜888，但相對于其他品種也屬較低水平；黑美人、華玉四號、加甜糯75、華甜一號、金甜順666、綠美甜666、華玉一號、彩甜糯、華玉三號、白香糯和正甜68這11個玉米品種籽粒As含量相對較高，華寶甜八號玉米籽粒As含量最高，此品種是As的高積累品種.

圖7 不同玉米品種籽粒As含量聚類樹形圖

2.4.6 Cd、Cr、Pb、Hg和As含量聚類的綜合分析

考慮到實(shí)際的生產(chǎn)和推廣應(yīng)用價值，在篩選重金屬低積累品種時應(yīng)充分關(guān)注產(chǎn)量這一因素.可以看出，玉米對Cd元素的富集能力顯著高于其他4種元素，應(yīng)將Cd作為篩選重金屬低積累玉米品種時的主要依據(jù)之一.經(jīng)綜合分析比較，正甜68是Hg的低積累品種且產(chǎn)量最高，但其Cd和Cr含量過高，彩甜糯和金甜順666對Pb的積累能力均較低，同時是Cd和Cr的低積累品種，但彩甜糯與金甜順666相比，對Hg的積累能力稍高，綜上，推薦金甜順666玉米品種為適應(yīng)于清遠(yuǎn)市的重金屬低積累玉米品種.

3 討 論

本研究選取了16種玉米品種，通過田間試驗(yàn)研究了在Cd、Cr、Pb、Hg和As復(fù)合污染的條件下，不同玉米品種產(chǎn)量及籽粒Cd、Cr、Pb、Hg和As含量的差異，結(jié)果表明，16種玉米品種的產(chǎn)量存在顯著性差異(P<0.05).有3個玉米品種產(chǎn)量顯著高于其他13個品種(P<0.05)，分別為正甜68、華玉三號和華寶甜八號.說明此3個品種對Cd、Cr、Pb、Hg和As具有較高的耐受性，這可能與其不同品種間的遺傳特異性有關(guān).

在Cd、Cr、Pb、Hg和As復(fù)合污染的條件下，不同玉米品種籽粒中的Cd、Cr、Pb、Hg和As含量都存在差異，說明篩選低Cd、Cr、Pb、Hg和As積累玉米品種是可行的.16種參試玉米品種中，除了有13個品種中重金屬Cd含量不符合GB 2762—2017《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)—食品中污染物限量》[15]外，其他參試玉米品種籽粒中Cd、Cr和Pb含量都很低，均未超過GB 2762—2017《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)—食品中污染物限量》[15]中的規(guī)定.本研究中不同玉米品種對Cr和Pb的富集系數(shù)均較低，對Cd的富集系數(shù)則明顯相對較高，其中，Cd富集系數(shù)最低和最高的品種分別是華玉四號和加甜糯75.玉米對重金屬的吸收積累，與重金屬元素類型和品種間差異均有關(guān)[18]，其主要原因是不同品種玉米的形態(tài)學(xué)、遺傳學(xué)和解剖學(xué)特征或離子運(yùn)輸機(jī)制的生理學(xué)特性不同.蘇春田等[19]認(rèn)為，玉米對此3種元素的富集系數(shù)由大到小為Pb、Cd與Cr，本研究結(jié)果與其有所差異，其主要原因是供試玉米品種不同和試驗(yàn)條件差異導(dǎo)致的.通過對16種玉米品種籽粒Cd、Cr、Pb、Hg和As含量聚類分析，并結(jié)合產(chǎn)量這一因素，綜合篩選出金甜順666這個品種作為適宜種植于清遠(yuǎn)市的重金屬低積累的玉米品種，可作為中輕度重金屬污染地安全利用的代表作物，為重金屬預(yù)防品種的篩選和培育提供理論依據(jù).本次篩選出的品種種植在不同條件的土壤上，其低積累性狀的遺傳穩(wěn)定性有待后續(xù)研究的進(jìn)一步驗(yàn)證.