鎘污染農(nóng)田甜(糯)玉米品種對鎘的積累特性

謝煒， 汪亞萍， 黃窈軍， 高敬文

(1.桐廬縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，浙江 桐廬 311500； 2.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 環(huán)境資源與土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021)

重金屬是農(nóng)田中重要的危害污染物，是導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全問題的關(guān)鍵因素之一。近40 a來，隨著社會經(jīng)濟(jì)水平的發(fā)展，社會生產(chǎn)活動越來越多的向土壤、水體、大氣等環(huán)境中輸出污染物，導(dǎo)致我國的農(nóng)田污染呈現(xiàn)愈來愈嚴(yán)重的趨勢[1]。浙江省經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，礦產(chǎn)豐富、酸化土壤導(dǎo)致重金屬活化、民營企業(yè)多帶來污染物隨意排放的問題，使其農(nóng)田重金屬污染情況尤為嚴(yán)重[2-3]。鎘(Cd)是我國農(nóng)田超標(biāo)率最高的重金屬污染物，是人類第一致癌有害物，因其遷移性大、容易被植物富集，成為危害農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的最重要風(fēng)險(xiǎn)因素之一。

目前重金屬污染土壤的安全利用措施中，低積累作物的篩選和推廣是最為有效和安全的。玉米是我國第一大糧食作物，其籽粒對重金屬富集能力較低[4]。因此，篩選出適宜不同地區(qū)栽培的低積累玉米品種，對于Cd污染土壤土地的安全生產(chǎn)具有重要意義。谷物籽粒Cd的高低不僅由其Cd吸收能力決定，還受Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)、再動員等復(fù)雜的因素影響。有研究表明，玉米對Cd的積累和轉(zhuǎn)運(yùn)在不同玉米品種間存在顯著差異[5]。目前關(guān)于適宜浙江Cd污染土壤種植的玉米品種的相關(guān)研究較為匱乏，關(guān)于Cd污染農(nóng)田玉米植株莖、葉、殼、棒、籽粒Cd的富集和轉(zhuǎn)運(yùn)特性的研究報(bào)道較少，本文以近幾年浙江地區(qū)大面積種植的11個(gè)鮮食糯玉米品種和11個(gè)鮮食甜玉米品種為研究對象，通過田間試驗(yàn)，篩選出適宜種植的Cd低積累品種，并進(jìn)一步研究Cd低積累和高積累玉米品種對Cd的富集和轉(zhuǎn)運(yùn)差異，以期為浙江省受污染耕地的安全利用和Cd低積累玉米品種選育提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

田間試驗(yàn)在浙江省杭州市桐廬縣江南鎮(zhèn)蓮塘村開展，屬于Cd中度污染耕地，試驗(yàn)田周邊存在冶銅廠，大氣沉降值較高。試驗(yàn)土壤pH 5.42，Cd含量為0.87 mg·kg-1，有效Cd含量為0.49 mg·kg-1。

1.2 供試材料

供試品種22個(gè)，均為浙江省主要種植的玉米品種。選用品種包括鮮食糯玉米11個(gè)：浙鳳糯2號、彩甜糯168、浙糯玉21、黑甜糯168、浙甜糯86、浙糯玉18、浙糯玉14、科糯6、科糯2、浙糯玉16、浙糯玉19，鮮食甜玉米11個(gè)：浙甜19、雪甜7401、脆甜89、浙甜11、浙甜10、浙甜20、浙甜2088、脆甜321、脆甜258、浙泰甜928、承玉19。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用隨機(jī)區(qū)組的設(shè)計(jì)布置田間試驗(yàn)，小區(qū)面積為30 m2，合計(jì)66個(gè)小區(qū)。7月中旬采用人工穴播的方式，行距40 cm，株距20 cm，每穴播種3～4粒，在兩葉一心期進(jìn)行間苗，保留大小一致、植株均勻、莖基扁粗的壯苗，若出現(xiàn)缺穴、斷壟的現(xiàn)象，可帶土移栽幼苗，或在相鄰穴保留2株幼苗，以維持幼苗的密度。每個(gè)小區(qū)667 m2施復(fù)合肥(15-15-15)48 kg作基肥，在喇叭期667 m2追施尿素12 kg。水分管理和病蟲害防治、除草按常規(guī)方式進(jìn)行。試驗(yàn)統(tǒng)一集中在9月上旬成熟期進(jìn)行采收。

1.4 樣品采集與分析

待玉米成熟后，采集玉米植株和土壤樣品，并進(jìn)行測產(chǎn)。土壤樣品風(fēng)干后，過20目、100目篩備用，植株分為莖稈、葉片、殼、棒、籽粒5個(gè)部分，洗凈后70 ℃烘干至恒重，粉碎后待測。土壤 pH 用去離子水浸提(土水比 1∶2.5)，而后用精密 pH 計(jì)測定。土壤全量 Cd 測定采用《土壤質(zhì)量鉛、鎘的測定 石墨爐原子吸收分光光度法》(GB/T 17141—1997)中的方法，植株樣品中總 Cd 測定方法參照《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中鎘的測定》(GB 5009.15—2014)，土壤和植株樣品經(jīng)微波消解后，用原子吸收分光光度計(jì)測定出鎘含量。以國家標(biāo)準(zhǔn)參比物質(zhì)土壤樣品和植物樣品進(jìn)行質(zhì)量控制，國標(biāo)樣分析結(jié)果均在允許誤差范圍內(nèi)。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)分析在Excel軟件中進(jìn)行，LSD法分析差異顯著性(P<0.05)，圖表中數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，繪圖采用Sigmaplot10.0軟件。

富集系數(shù)=玉米各部位Cd含量/土壤中Cd含量；

籽粒Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)=玉米籽粒Cd含量/玉米各部位Cd含量。

2 結(jié)果分析

2.1 不同玉米品種籽粒產(chǎn)量

如圖1所示，不同玉米品種之間產(chǎn)量存在顯著差異(P<0.05)。供試的鮮食糯玉米品種中，浙甜糯86和浙糯玉19的鮮穗產(chǎn)量最高，每667 m2產(chǎn)量分別高達(dá)1028 和1 081 kg，而彩甜糯168、浙糯玉21和科糯2的鮮穗產(chǎn)量最低，均低于650 kg。供試的鮮食甜玉米品種有4個(gè)品種鮮穗產(chǎn)量超過1 000 kg，分別為浙甜19、浙甜10、浙泰甜928和承玉19。其中承玉19鮮穗產(chǎn)量顯著高于其他品種，每667 m2鮮穗產(chǎn)量高達(dá)1 292 kg，而雪甜7401和脆甜89鮮穗產(chǎn)量最低，每667 m2分別為546和630 kg。

注：沒有相同小寫字母表示不同玉米種類間顯著差異(P<0.05)。圖2～3同。

2.2 不同玉米品種植株各部分Cd含量

不同品種玉米籽粒Cd含量變化范圍為0.03～0.51 mg·kg-1，差異高達(dá)20.3倍。根據(jù)《GB 2762—2017食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)-食品中污染物限量》，在桐廬Cd污染農(nóng)田中試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：供試的鮮食糯玉米品種中，浙鳳糯2號、彩甜糯168、黑甜糯168、浙甜糯86、浙糯玉18、浙糯玉14、科糯6和浙糯玉16籽粒Cd含量符合食品安全標(biāo)準(zhǔn)(≤0.1 mg·kg-1)。而浙糯玉21、科糯2和浙糯玉19籽粒Cd含量均超過0.1 mg·kg-1，不符合食品安全標(biāo)準(zhǔn)。供試的鮮食甜玉米品種中，浙泰甜928和承玉19符合食品安全標(biāo)準(zhǔn)，而浙甜19、雪甜7401、脆甜89、浙甜11、浙甜10、浙甜20、浙甜2088、脆甜321、脆甜258籽粒Cd含量均超過0.1 mg·kg-1，不符合食品安全標(biāo)準(zhǔn)(圖2)。

圖2 不同玉米品種籽粒Cd含量

不同玉米品種莖稈、葉片、棒和殼的Cd含量范圍分別為0.18～1.69、1.24～4.96、0.29～2.54、0.14～1.26 mg·kg-1，差異分別為9.3、4.0、8.9、8.8倍(圖3)，由此可見，不同品種玉米Cd積累能力差異最大的器官是籽粒，說明與Cd吸收能力相比Cd轉(zhuǎn)運(yùn)能力對籽粒Cd積累的影響更大。22個(gè)玉米品種不同部位Cd含量總體呈現(xiàn)葉片>殼≈莖稈>棒>籽粒的規(guī)律。

圖3 不同玉米品種莖稈、葉片、殼、棒Cd含量

2.3 不同玉米品種籽粒Cd和產(chǎn)量聚類分析

將玉米產(chǎn)量和籽粒Cd含量數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析(圖4)，可將22個(gè)玉米品種分為4類：第1組是高鎘含量組，籽粒Cd含量為0.23～0.33 mg·kg-1、平均值為0.28 mg·kg-1，每667 m2產(chǎn)量為546～770 kg、平均值為654 kg；第2組是低鎘含量低產(chǎn)量組，籽粒Cd含量為0.04～0.17 mg·kg-1、平均值為0.11 mg·kg-1，每667 m2產(chǎn)量為533～813 kg、平均值為706 kg；第3組為低鎘含量中產(chǎn)量組，籽粒Cd含量為0.03～0.04 mg·kg-1、平均值為0.04 mg·kg-1，每667 m2產(chǎn)量為837～1 028 kg、平均值為920 kg；第4組為低鎘含量高產(chǎn)量組，籽粒Cd含量為0.08～0.17 mg·kg-1、平均值為0.12 mg·kg-1，每667 m2產(chǎn)量為1 050～1 292 kg、平均值為1 128 kg。其中第1組(高鎘含量組)有鮮食糯玉米品種浙糯玉21和鮮食甜玉米品種脆甜89、脆甜321、雪甜7401、浙甜11，第2組(低鎘含量低產(chǎn)量組)有鮮食糯玉米品種彩甜糯168、浙糯玉18、浙鳳糯2號、科糯2和鮮食甜玉米品種脆甜2088、脆甜258、浙甜20，第3組(低鎘含量中產(chǎn)量組)有鮮食糯玉米品種黑甜糯168、科糯6、浙糯玉14、浙糯玉16、浙甜糯86，第4組(低鎘含量高產(chǎn)量組)有鮮食糯玉米品種浙糯玉19和鮮食甜玉米品種浙泰甜928、浙甜19、浙甜10、承玉19。

圖4 不同玉米品種產(chǎn)量與籽粒Cd含量聚類分析

2.4 不同玉米品種籽粒Cd聚類分析

將玉米籽粒Cd含量數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析(圖5)，可將22個(gè)玉米品種分為3類：第1組為低鎘含量組，籽粒Cd含量為0.03～0.09 mg·kg-1、平均值為0.05 mg·kg-1；第2組為中鎘含量組，籽粒Cd含量為0.12～0.17 mg·kg-1、平均值為0.14 mg·kg-1；第3組為高鎘含量組，籽粒Cd含量為0.23～0.33 mg·kg-1、平均值為0.28 mg·kg-1。其中第1組(低鎘含量組)有浙鳳糯2號、浙泰甜928、承玉19、彩甜糯168、浙甜糯86、浙糯玉16、黑甜糯168、浙糯玉14、科糯6、浙糯玉18，第2組(中鎘含量組)有浙甜19、浙甜20、科糯2、浙糯玉19、浙甜2088、脆甜258、浙甜10號，第3組(高鎘含量組)有脆甜89、脆甜321、雪甜7401、浙糯玉21、浙甜11。

圖5 不同玉米品種籽粒Cd含量聚類分析

2.5 低、中、高鎘含量組玉米對Cd的富集特性

如圖6所示，供試22個(gè)玉米品種不同部位的富集系數(shù)差異較大，不同部位Cd富集能力為：葉片>殼≈莖稈>棒>籽粒。其中低鎘含量組10個(gè)品種籽粒、莖稈、葉片、殼和棒的富集系數(shù)分別為0.03～0.12、0.21～1.94、1.43～5.49、0.33～2.92、0.16～0.67，平均值分別為0.06、0.59、3.27、0.75、0.34。中鎘含量組7個(gè)品種籽粒、莖稈、葉片、殼和棒的富集系數(shù)分別為0.08～0.27、0.25～0.72、2.93～5.64、0.40～0.92、0.26～0.92，平均值分別為0.16、0.49、4.22、0.60、0.51。高鎘含量組5個(gè)品種籽粒、莖稈、葉片、殼和棒的富集系數(shù)分別為0.18～0.59、0.22～1.51、3.93～5.70、0.47～2.14、0.44～1.45，平均值分別為0.32、0.85、4.56、1.29、0.83。低、中、高鎘含量組不同部位Cd富集能力存在較大差異，籽粒Cd富集系數(shù)平均值為：高鎘含量組>中鎘含量組>低鎘含量組，莖稈Cd富集系數(shù)平均值為：高鎘含量組>低鎘含量組>中鎘含量組，葉片Cd富集系數(shù)平均值為：高鎘含量組>中鎘含量組>低鎘含量組，棒Cd富集系數(shù)平均值為：高鎘含量組>低鎘含量組>中鎘含量組，殼Cd富集系數(shù)平均值為：高鎘含量組>中鎘含量組>低鎘含量組。

圖6 玉米籽粒、莖稈、葉片、殼、棒Cd富集系數(shù)分布

2.6 低、中、高鎘含量組玉米對Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)特性

供試22個(gè)玉米品種不同植株部位-籽粒Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)具有較大差異。其中低鎘含量組10個(gè)品種莖稈、葉片、殼和棒的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)分別為0.03～0.32、0.01～0.05、0.03～0.19、0.11～0.40，平均值分別為0.14、0.02、0.10、0.19，不同部位-籽粒Cd轉(zhuǎn)運(yùn)能力為：棒>莖稈≈殼>葉片。中鎘含量組7個(gè)品種莖稈、葉片、殼和棒的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)分別為0.15～0.85、0.02～0.05、0.12～0.59、0.15～0.61，平均值分別為0.38、0.04、0.29、0.34，不同部位-籽粒Cd轉(zhuǎn)運(yùn)能力為：莖稈≈殼≈棒>葉片。高鎘含量組4個(gè)品種莖稈、葉片、殼和棒的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)分別為0.19～0.66、0.04～0.14、0.11～0.58、0.17～0.84，平均值分別為0.45、0.07、0.30、0.43，不同部位-籽粒Cd轉(zhuǎn)運(yùn)能力為：棒≈莖稈>殼>葉片。低、中、高鎘含量組不同部位-籽粒Cd轉(zhuǎn)運(yùn)能力皆是存在高鎘含量組>中鎘含量組>低鎘含量組的規(guī)律(圖7)。

圖7 玉米籽粒、莖稈、葉片、殼、棒Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)分布

2.7 低、中、高鎘含量組玉米各部位Cd含量之間的相關(guān)性

圖8、9、10分別是低、中、高鎘含量組玉米各部位Cd含量與籽粒Cd含量的線性擬合結(jié)果。低鎘含量組殼和棒Cd含量與籽粒Cd含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，葉片Cd含量與籽粒Cd含量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；中鎘含量組葉片與籽粒Cd含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)；其他部位Cd含量與籽粒Cd含量相關(guān)性不顯著。低鎘含量組各部位與籽粒Cd相關(guān)性排序?yàn)椋喊?r2=0.469**)>殼(r2=0.258**)>葉片(r2=0.151*)>莖稈(r2=0.104)，中鎘含量組各部位與籽粒Cd相關(guān)性排序?yàn)椋喝~片(r2=0.303**)>殼(r2=0.137)>莖稈(r2=0.034)>棒(r2=0.020)，高鎘含量組各部位與籽粒Cd相關(guān)性排序?yàn)椋呵o稈(r2=0.037)>殼(r2=0.018)>葉片(r2=0.009)>棒(r2=0.001)。相較于其他兩組，低鎘含量組不同部位Cd含量與籽粒Cd含量相關(guān)系數(shù)更大，說明低鎘含量組Cd轉(zhuǎn)運(yùn)能力對籽粒Cd含量的影響更大，其中低鎘含量組的各部位向籽粒的Cd轉(zhuǎn)運(yùn)能力為：葉片>殼>莖稈>棒。

圖8 低鎘含量組籽粒Cd含量與玉米各器官Cd含量相關(guān)性

3 討論

在不同地域開展Cd低積累作物的篩選對于耕地安全利用具有重要意義，在篩選過程中不僅要考慮作物可食用部位Cd含量是否在安全范圍內(nèi)，還需要綜合考慮作物產(chǎn)量以保證農(nóng)民的收益以及安全利用技術(shù)的推廣。本研究發(fā)現(xiàn)，在浙江省杭州市桐廬縣試驗(yàn)區(qū)(土壤Cd平均含量為0.87 mg·kg-1)供試鮮食糯玉米品種中，浙鳳糯2號、彩甜糯168、黑甜糯168、浙甜糯86、浙糯玉18、浙糯玉14、科糯6和浙糯玉16籽粒Cd含量符合食品安全標(biāo)準(zhǔn)(≤0.1 mg·kg-1)；供試的鮮食甜玉米品種中，浙泰甜928和承玉19符合食品安全標(biāo)準(zhǔn)(圖2)。通過聚類分析發(fā)現(xiàn)，同時(shí)滿足籽粒Cd含量低和高中產(chǎn)的品種的鮮食糯玉米品種有浙糯玉19、黑甜糯168、科糯6、浙糯玉14、浙糯玉16、浙甜糯86，鮮食甜玉米品種有浙泰甜928、浙甜19、浙甜10、承玉19(圖4)，667 m2產(chǎn)量為837～1 292 kg(圖1)。因此，在杭州市桐廬縣這類偏酸性中度Cd污染的耕地土壤上，推薦種植的鮮食糯玉米品種為：黑甜糯168、浙糯玉14、浙糯玉16、浙甜糯86，鮮食甜玉米品種為：浙泰甜928、承玉19。

不同玉米品種Cd積累能力存在顯著差異。張寧等[5]的研究發(fā)現(xiàn)，在安徽省土壤Cd 平均含量為2.35 mg·kg-1的耕地，玉米品種籽粒Cd含量范圍為0.09～0.85 mg·kg-1。杜彩艷等[6]的研究發(fā)現(xiàn)，在云南舊礦區(qū)土壤Cd 平均含量為1.58 mg·kg-1的耕地，玉米品種籽粒Cd含量范圍為0.04～0.72 mg·kg-1。趙麗芳等[7]研究發(fā)現(xiàn)，在浙南土壤Cd平均含量為0.91 mg·kg-1的耕地，玉米籽粒的Cd含量為0.06～0.52 mg·kg-1。本試驗(yàn)中，土壤Cd平均含量為0.87 mg·kg-1，22個(gè)供試玉米品種籽粒Cd含量變化范圍為0.03～0.51 mg·kg-1，存在高達(dá)20.3倍的變差(圖2)。

圖9 中鎘含量組籽粒Cd含量與玉米各器官Cd含量相關(guān)性

圖10 高鎘含量組籽粒Cd含量與玉米各器官Cd含量相關(guān)性

禾本科作物籽粒Cd含量受作物Cd吸收能力和Cd轉(zhuǎn)運(yùn)能力的共同影響[8-10]，明確不同品種籽粒Cd積累差異形成的原因及其生理機(jī)理，對于低積累Cd玉米品種育種工作和玉米安全生產(chǎn)的栽培措施具有重要的意義。分析玉米不同部位Cd富集能力發(fā)現(xiàn)，不同部位Cd富集能力為：葉片>殼≈莖稈>棒>籽粒(圖6)，說明玉米吸收的Cd分配到籽粒的部分較小。本研究還發(fā)現(xiàn)不同玉米品種籽粒、莖稈、葉片、棒和殼的Cd含量的變差分別為20.3、9.3、4.0、8.9、8.8倍(圖3)，玉米Cd積累能力差異最大的器官是籽粒，說明與Cd吸收能力相比Cd轉(zhuǎn)運(yùn)能力對籽粒Cd積累的影響更大。

為進(jìn)一步分析Cd積累能力存在差異的品種Cd吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)的響應(yīng)，本研究通過對籽粒Cd含量聚類分析將22個(gè)玉米品種分為低鎘含量組、中鎘含量組、高鎘含量組。高鎘含量組植株各部位的Cd富集系數(shù)均高于其他兩組(圖6)，說明高鎘含量組玉米品種普遍具有較高的Cd吸收能力；高鎘含量組不同部位-籽粒Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)也均高于其他兩組(圖7)，說明高鎘含量組玉米品種也普遍具有較高的Cd轉(zhuǎn)運(yùn)能力。低鎘含量組玉米各部位Cd含量與籽粒Cd含量的相關(guān)系數(shù)高于其他兩組，說明低鎘含量組Cd轉(zhuǎn)運(yùn)能力對籽粒Cd含量的影響更大，其中低鎘含量組的各部位向籽粒的Cd轉(zhuǎn)運(yùn)能力為：葉片>殼>莖稈>棒(圖8、9、10)。

4 小結(jié)

綜合籽粒Cd含量符合食品安全標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)量較高的要求，在杭州市桐廬縣這類偏酸性中度Cd污染的耕地土壤上，推薦種植的鮮食糯玉米品種為：黑甜糯168、浙糯玉14、浙糯玉16、浙甜糯86，鮮食甜玉米品種為：浙泰甜928、承玉19。

不同玉米品種Cd積累能力存在顯著差異，在本試驗(yàn)土壤Cd平均含量為0.87 mg·kg-1的污染耕地，品種籽粒Cd含量變化范圍為0.03～0.51 mg·kg-1，存在高達(dá)20.3倍的變差。

玉米Cd轉(zhuǎn)運(yùn)能力對籽粒Cd積累的影響更大。

高鎘含量組玉米品種同時(shí)具有較高的Cd吸收能力和Cd向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)能力，低鎘含量組不同部位向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)能力對籽粒Cd含量的影響更大。