不同玉米品種對土壤重金屬鎘積累富集特性研究

董欣欣

（沈陽市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研發(fā)服務(wù)中心（沈陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)院），遼寧沈陽 110034）

鎘（Cd）是植物生長的非必需元素，在環(huán)境中，具有很強(qiáng)的生物毒性，易遷移，活性持久，對土壤微生物群落，土壤環(huán)境質(zhì)量和植物生長發(fā)育具有巨大危害[1-3]。WHO確定鎘是優(yōu)先研究的食品污染物，土壤鎘污染不但會影響農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，對生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成潛在的威脅[4-6]，而且鎘一旦進(jìn)入食物鏈還會對人體健康造成危害[7-8]。有研究表明，鎘污染的農(nóng)產(chǎn)品后可能導(dǎo)致機(jī)體的正常代謝機(jī)能紊亂，影響人們腎臟功能，導(dǎo)致骨質(zhì)疏松和身體疼痛，破壞正常細(xì)胞的酶活性，甚至增加人體細(xì)胞癌變的風(fēng)險[9]。

我國部分耕地的重金屬污染，對生態(tài)環(huán)境、食品安全、人體健康及農(nóng)業(yè)發(fā)展存在嚴(yán)重威脅[10-11]。2014年4月17日，環(huán)境保護(hù)部會同國土資源部發(fā)布《全國土壤污染狀況調(diào)查報告》，首次公布了我國土壤污染狀況。調(diào)查結(jié)果顯示，全國農(nóng)田土壤環(huán)境狀況總體不容樂觀，部分地區(qū)土壤污染較重，耕地土壤環(huán)境質(zhì)量堪憂，其土壤重金屬點(diǎn)位超標(biāo)率達(dá)19.4%，而鎘的點(diǎn)位超標(biāo)率為7.0%[12]。污水灌溉作為一種水處理和水利用的方式曾經(jīng)在世界各地廣泛應(yīng)用。在我國，局部地區(qū)小規(guī)模利用城市工業(yè)和生活污水灌溉農(nóng)田也已有近100年的歷史，大規(guī)模的污灌始于20世紀(jì)50年代。污水灌溉在解決城市污水排放和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水來源問題的同時，造成了一些污灌區(qū)農(nóng)田土壤的重金屬超標(biāo)，土壤中重金屬不能被微生物分解而在土壤中積累，或通過下滲作用進(jìn)入地下水，并能通過食物鏈進(jìn)入人體，危害人體健康，土壤重金屬污染是人類面臨的重要的環(huán)境問題之一[1，4]。在干旱缺水的北方污灌地區(qū)，由于長期污水灌溉造成農(nóng)田土壤重金屬嚴(yán)重污染，其中土壤鎘超標(biāo)最為嚴(yán)重，其平均值達(dá)到1990年土壤重金屬元素全國背景值的5.75倍，污灌區(qū)農(nóng)田土壤中鎘明顯積累，存在很大的生態(tài)風(fēng)險[13-14]。

大量研究已證實(shí)，作物對重金屬的積累富集存在顯著的品種差異。楊惟薇[15]等通過土培試驗(yàn)的方法研究10個玉米不同品種對重金屬鉛和鎘的吸收積累，發(fā)現(xiàn)廣甜3號對鎘的積累量最小。同時，玉米不同品種對重金屬鎘積累差異性在大田試驗(yàn)中同樣得到印證[16-17]。曾翔等、Li等[19]發(fā)現(xiàn)水稻對重金屬鎘和汞的吸收富集能力存在品種差異，謝鈞宇、趙魯和強(qiáng)承魁等發(fā)現(xiàn)小麥和大豆對土壤重金屬吸收富集能力不同，也存在顯著品種差異性[20-22]。低積累植物（Low accumulators）的定義表明低積累品種是可以限制重金屬在地上部的吸收和富集從而降低其生態(tài)毒性和生態(tài)風(fēng)險的一類植物品種，另有學(xué)者專家將這一概念冠以污染安全品種、排異植物等名稱，其共同觀點(diǎn)在于植物地上部的重金屬含量較同類相比較低[23-24]。種植低積累農(nóng)產(chǎn)品品種于重金屬中、輕度污染土壤中，既能解決了土地資源緊張而重金屬污染土壤難以修復(fù)的土地利用問題，又保障了農(nóng)產(chǎn)品安全[25-26]。同時，小麥、水稻、玉米、蔬菜等農(nóng)產(chǎn)品的種類繁多，對重金屬的積累能力各不相同，也為低積累植物的選種提供了諸多便利[23，27]。

本文從中輕度污染農(nóng)田安全利用及保障農(nóng)產(chǎn)品安全角度出發(fā)，以北方污灌區(qū)中、輕度鎘污染農(nóng)田土壤為研究背景，在大田作物常規(guī)管理情況下，研究本地區(qū)常見不同玉米品種對土壤重金屬鎘的積累富集差異特性，可為中輕度鎘污染農(nóng)田安全利用和保證農(nóng)作物的安全生產(chǎn)提供依據(jù)，具有實(shí)地應(yīng)用的可行性及指導(dǎo)性。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

大田試驗(yàn)位于沈陽市鐵西經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)彰驛鎮(zhèn)彰驛站村（123°5'9.474"E，41°39'25.8012"N），該地屬于暖溫帶大陸性半濕潤的季風(fēng)氣候，年平均氣溫為7.5℃，年平均降水量為659.6mm，年日照時數(shù)為2527h。供試土壤為潮棕壤，土壤 pH 6.43，全氮1.54g/kg，有效磷0.07g/kg，速效鉀0.34g/kg，總鎘1.16mg/kg，有效鎘0.71mg/kg，對照GB 15618-2018標(biāo)準(zhǔn)，供試土壤屬中輕度鎘污染。

1.2 試驗(yàn)材料

供試玉米品種是近年來在沈陽市普遍種植的品種，見表1。

表1 參試玉米品種

1.3 試驗(yàn)設(shè)計

田間試驗(yàn)開始于2020年，共設(shè)置30個處理。每個小區(qū)長12.5m、寬2.28m，面積為27.36m2，相鄰之間間隔1.2m，每個處理設(shè)3次重復(fù)，共90個試驗(yàn)小區(qū)，隨機(jī)區(qū)組排列。玉米播種管理措施，如整地、施肥、播種、中耕除草、病蟲害防治等同當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)管理模式一致。

1.4 樣品的采集與分析

田間土壤采用隨機(jī)5處梅花點(diǎn)分布法取樣，均勻混合，低溫（4℃）保存及風(fēng)干處理備用；玉米樣品采用5點(diǎn)“Z”型隨機(jī)取樣法采集，玉米、水稻風(fēng)干脫粒后備用。

土壤基本性質(zhì)測定參照[28]；土壤鎘含量采用HCl-HNO3-HF-HClO3消解，火焰原子吸收光譜儀進(jìn)行測定；土壤有效鎘含量采用0.1mol/L的鹽酸浸提，電感耦合等離子質(zhì)譜儀（ICP-OES）進(jìn)行測定[29]；玉米籽粒鎘含量采用HNO3-H2O2法（5：1，V/V）消解，原子吸收分光光度計進(jìn)行測定。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

應(yīng)用Excel 2007、SPSS 16.0（Chicago，IL，USA）等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計分析和作圖，差異顯著性采用Duncan法進(jìn)行檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同品種玉米籽粒鎘吸收積累的差異

在該試驗(yàn)中，不同玉米品種籽粒鎘含量均符合糧食衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)GB2715-2005中污染物限量標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定（≤0.1mg/kg），見表2，玉米籽粒鎘含量在0.004-0.045mg/kg之間，明玉268籽粒鎘含量0.045mg/kg為最高，沈農(nóng)T100籽粒鎘含量0.004mg/kg為最低，所有品種玉米籽粒鎘含量均值為0.012mg/kg。由圖1可知，玉米籽粒含鎘量的頻次分布呈現(xiàn)規(guī)律不顯著，玉米籽粒大多數(shù)品種含鎘量在0-0.008mg/kg范圍內(nèi)，樣本數(shù)14個；其次是在0.008-0.016mg/kg范圍內(nèi)，樣本數(shù)11個；在0.016-0.024mg/kg和0.040-0.048mg/kg兩范圍內(nèi)樣本數(shù)都為2個；而0.024-0.032mg/kg范圍內(nèi)樣本數(shù)為0個。

圖1 供試30種玉米籽粒不同含鎘量范圍樣本數(shù)分布

表2 不同玉米品種籽粒鎘含量

植物對重金屬的富集能力是評定植物對重金屬積累能力大小的一個重要指標(biāo)，而植物對重金屬富集能力的強(qiáng)弱可以由該植物的富集系數(shù)大小所表示，富集系數(shù)越大，說明富集能力越強(qiáng)（富集系數(shù)（BCF）=植物體內(nèi)某種重金屬含量/土壤中該種重金屬含量）。本文中，玉米籽粒鎘富集系數(shù)=玉米籽粒中重金屬鎘含量/土壤中重金屬鎘含量。對30個品種玉米籽粒鎘的富集系數(shù)進(jìn)行分析，見表3可知，大部分玉米籽粒對鎘的富集能力較弱，富集系數(shù)小于0.01；富集能力最弱的是丹玉311，為0.003；其次是沈農(nóng)T100、聯(lián)達(dá)169、東單6531、遼單575、沈試991。其中，明玉268、狀元985、東單1775、先亞787、聯(lián)達(dá)6124、先亞679、東單1607、丹玉508和先禾336對鎘的富集能力較強(qiáng)，富集系數(shù)大于0.01，分別為0.039、0.037、0.032、0.017、0.019、0.012、0.012、0.012和0.011。由結(jié)果可知，大多數(shù)玉米品種對土壤重金屬鎘富集能力較弱，在中、輕度鎘污染地區(qū)合理種植低積累玉米品種是實(shí)現(xiàn)受污染農(nóng)田安全利用并保障農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的行之有效的措施之一。

表3 不同玉米品種籽粒鎘富集系數(shù)

3 討論

之前的研究發(fā)現(xiàn)，土壤有效重金屬含量與植物吸收積累重金屬量存在顯著相關(guān)，同時土壤條件、農(nóng)藝措施、不同作物等影響土壤重金屬的有效性，從而影響作物對重金屬的吸收積累[17，30]，因此與當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)常規(guī)管理模式相一致的大田試驗(yàn)結(jié)果具有實(shí)地可操作性和復(fù)制性，利于品種的示范推廣。本文試驗(yàn)結(jié)果表明，在土壤總鎘含量1.16mg/kg、有效鎘0.71mg/kg背景條件下，玉米籽粒鎘含量在0.004-0.045mg/kg之間。30個玉米品種籽粒鎘含量的極差值為11.25倍，說明不同玉米品種籽粒對鎘積累差異較大，不同玉米品種對鎘富集能力也存在顯著差異，這與楊惟薇、吳傳星、杜彩艷等人研究結(jié)果相一致[15，17，31]。同時，不同品種玉米的低積累性狀及其低富集能力在不同土壤環(huán)境中的適應(yīng)性和穩(wěn)定性需要進(jìn)一步探究和持續(xù)動態(tài)監(jiān)測。

4 結(jié)論

在大田作物常規(guī)管理情況下，綜合考慮玉米籽粒對土壤鎘積累差異和富集能力指標(biāo)，這些玉米品種：丹玉311、沈農(nóng)T100、聯(lián)達(dá)169、東單6531和遼單575可以在當(dāng)?shù)刂小⑤p度鎘污染地區(qū)推廣種植。