基于Cd污染土壤的不同玉米品種產(chǎn)量及其農(nóng)藝性狀研究

周 斌 陳品燕 段艷濤* 張 蕾 楊懷欽楊友仁 龐聰智

（1大理白族自治州農(nóng)業(yè)科學推廣研究院農(nóng)業(yè)環(huán)境保護監(jiān)測站，云南大理 671005；2大理白族自治州種子管理站，云南大理 671000；3祥云縣種子管理站，云南祥云 672100）

我國2003年Cd污染耕地面積約為1.33萬hm2，土壤Cd含量在1～5 mg/kg之間，甚至達10 mg/kg[1]。2014年的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》表明，土壤中Cd的點位超標率高達7.0%，遠高于Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni等 7 種重金屬的污染[2]。 2016 年 5 月28日，國務院頒布《土壤污染防治行動計劃》，其中提出重點監(jiān)測5種重金屬元素，Cd被列為首位。Cd在環(huán)境中具有穩(wěn)定、積累和不易消除的特點，長期大量攝入Cd會影響鈣和磷的代謝，引起腎、骨和肝的病理變化，誘發(fā)骨質(zhì)疏松、骨軟化和腎結(jié)石等疾病[3]，在美國毒物管理委員會（ATSDR）黑名單上名列第6位[4]。由此可見，Cd污染土壤對我國糧食安全生產(chǎn)的影響須引起重視。

近年來，基于Cd污染土壤的農(nóng)作物產(chǎn)量或生物量及其農(nóng)藝性狀研究較多，大部分集中在水稻、蔬菜、高粱和小麥等農(nóng)作物上。范中亮等[5]研究表明，Cd不同濃度作用下可導致水稻產(chǎn)量減收超三成；王 新等[6]研究表明，在Cd脅迫下，水稻的株高、產(chǎn)量分別下降了2.3 cm、1.75%。趙國華[7]研究發(fā)現(xiàn)，Cd處理的黑葉白菜、青江白菜、菜心、羽衣甘藍和四季豆的可食部分生物量均有不同程度降低。秦 華等[8]研究表明，高濃度Cd抑制了高粱的根長、株高、穗長和生物量。聶勝委等[9]研究表明，在Cd脅迫下，小麥有效穗、產(chǎn)量受到了抑制。但對于我國主要糧食作物玉米[10-11]，基于Cd污染土壤的產(chǎn)量及其農(nóng)藝性狀研究較少。本文針對煤礦周邊耕地Cd污染的土壤，以11個玉米品種為研究對象，開展大田作物常規(guī)管理試驗，探索Cd污染土壤對玉米產(chǎn)量及其農(nóng)藝性狀的影響，以期為選育Cd低累積品種提供參考和借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)海拔1 980 m，年平均氣溫14.92℃，年降水量760.00 mm，土地平整，交通便利，灌溉用水中Cd未檢出。供試土壤為黏質(zhì)土，主要化學性質(zhì)為pH值5.08、總鎘2.08 mg/kg、有效鎘1.16 mg/kg。土壤總鎘已超過《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風險管控標準》（GB 15618—2018）風險管控值（Cd≤1.5 mg/kg）0.39倍。

1.2 供試材料

供試玉米品種共計11個，其中1個玉米品種為試驗區(qū)種植面積相對較大的品種（會玉336），10個玉米品種為大理州種植面積相對較大的品種（路單8號、大天1號、西抗18、紀元8號、五谷1790、羅單566、紅單 6 號、羅單 299、同玉 213、會單 888），均由當?shù)胤N子銷售點提供。

1.3 試驗設計

試驗共設11個處理，即每個品種為一個處理，以會玉336作對照（CK）。3次重復，隨機排列，小區(qū)面積為24 m2（6 m×4 m）。試驗采用等行距播種，種植密度為62 490株/hm2，行距80 cm，株距40 cm，田周邊設保護行（寬度≥2 m），試驗田與保護行之間、各小區(qū)之間均以田埂分隔（埂高≥25 cm，埂寬≥30 cm）并用聚乙烯塑料薄膜包裹，每個小區(qū)設置單獨進、排水口，防止小區(qū)之間水肥串流影響試驗結(jié)果。各處理均施有機肥 22.5 t/hm2、復合肥 300 kg/hm2、尿素750 kg/hm2，有機肥和復合肥作基肥一次性施用，尿素作追肥施用（苗肥 150 kg/hm2、穗肥 600 kg/hm2）。有機肥為秸稈與牛糞堆漚腐熟的生物有機肥。試驗于2021年5月9日打塘播種，6月3日每塘選擇群體合理、長勢較好的2株進行定苗，9月16日一次性收獲。玉米田間管理措施與當?shù)爻Ｒ?guī)管理模式一致。

1.4 測定項目及方法

待玉米成熟時，每個小區(qū)選取10株有代表性的植株，測定株高、穗位高，并隨機選取代表性的10穗，分別裝入尼龍網(wǎng)袋放入標簽帶回實驗室風干進行考種，測量穗粗、穗長、穗行數(shù)、行粒數(shù)、千粒重等。各小區(qū)收獲全部果穗，轉(zhuǎn)化為14%含水量的產(chǎn)量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

應用Excel 2003軟件進行相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與計算，采用SPSS 16.0軟件進行聚類分析、相關(guān)性分析和差異顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 Cd污染土壤的不同玉米品種產(chǎn)量差異分析

采用瓦爾德法對11個供試玉米品種產(chǎn)量進行系統(tǒng)聚類分析，結(jié)果顯示，在歐氏距離為10處將供試玉米品種劃分為3個組群（圖1），聚類圖中從上到下的3個組群包括的種質(zhì)份數(shù)分別為4份（五谷1790、羅單 566、會玉 336、紅單 6 號）、3 份（會單 888、羅單299、大天 1號）和 4份（西抗 18、紀元8號、同玉213、路單8號），分別占供試品種的36.36%、27.27%、36.36%。

圖1 Cd污染土壤的玉米品種產(chǎn)量聚類圖

由表1可知，在Cd污染土壤的條件下，11個玉米品種產(chǎn)量變幅為7 618.8～10 403.1 kg/hm2。第一組群為高產(chǎn)類群，平均產(chǎn)量9 996.55 kg/hm2；該組群中的大天1號、會單888、羅單299產(chǎn)量較會玉336（對照品種）產(chǎn)量分別增加16.79%、11.52%、8.37%，其中大天1號產(chǎn)量顯著高于對照品種。第二組群為中產(chǎn)類群，平均產(chǎn)量9 160.54 kg/hm2；對照品種會玉336聚類在該組群，與之相比，五谷1790、羅單566、紅單6號產(chǎn)量分別增加5.12%、3.97%、2.28%。第三組群為低產(chǎn)類群，平均產(chǎn)量8 256.26 kg/hm2；該組群玉米產(chǎn)量均低于會玉336，減幅為2.30%～14.47%。

表1 Cd污染土壤的各組群玉米品種產(chǎn)量單位：（kg·hm-2）

2.2 Cd污染土壤的不同玉米品種農(nóng)藝性狀差異分析

由表2可知，11個供試玉米品種的株高變幅為189.00～261.33 cm，平均為 235.64 cm，以西抗 18、大天1號、羅單299和紅單6號較高，其中西抗18和大天1號顯著高于對照種；穗位高變幅為60.33～113.33 cm，平均為87.15 cm，以羅單299、大天1號、西抗18、紅單6號較高，其中羅單299和大天1號顯著高于對照種；穗行數(shù)變幅為11.87～15.73行，平均為13.77行，以五谷1790、羅單299、西抗18、紅單 6號和大天1號較高，其中五谷1790和羅單299顯著多于對照種；行粒數(shù)變幅為29.73～37.27粒，平均為33.70粒，除紅單6號、羅單566、路單8號、同玉213外，其余6個品種的行粒數(shù)均多于對照種，且大天1號、羅單299、西抗18與對照種相比差異達到顯著水平；穗長變幅為14.57～17.60 cm，平均為16.27 cm，除同玉213、紅單6號外，其余8個品種的穗長較對照種長，其中會單888差異達到顯著水平；穗粗變幅為4.35～5.11 cm，平均為4.71 cm，羅單 299最粗；千粒重變幅為 287.07～401.03 g，平均為 343.28 g，其中會單888、羅單566、同玉213、紀元8號顯著多于對照種；出籽率變幅為82.05%～87.45%，平均為84.07%，除路單8號和西抗18外，其余8個品種的出籽率均高于對照種。11個農(nóng)藝性狀中，以株高的變異系數(shù)最大，為21.50%；其次是千粒重，為11.57%。

表2 Cd污染土壤的不同玉米品種農(nóng)藝性狀

2.3 玉米品種產(chǎn)量及其農(nóng)藝性狀的相關(guān)性分析

由表3可知，11個供試品種的產(chǎn)量與株高（r=0.51**）、穗位高（r=0.50**）及行粒數(shù)（r=0.54**）成極顯著正相關(guān)；與穗長（r=0.43*）和出籽率（r=0.42*）成顯著正相關(guān)，說明株高、穗位高、行粒數(shù)、穗長、出籽率是影響產(chǎn)量的主要農(nóng)藝性狀。株高與穗位高（r=0.83**）和穗行數(shù)（r=0.53**）成極顯著正相關(guān)。穗位高與穗行數(shù)（r=0.63**）及行粒數(shù)（r=0.53**）成極顯著正相關(guān)；與千粒重（r=-0.60**）成極顯著負相關(guān)，表明千粒重的增加會使穗位高降低。穗行數(shù)與千粒重（r=-0.75**）成極顯著負相關(guān)，表明穗行數(shù)隨著千粒重的增加而減少。行粒數(shù)與穗長（r=0.54**）成極顯著正相關(guān)；與出籽率（r=0.43*）成顯著正相關(guān)。

表3 玉米品種農(nóng)藝性狀的相關(guān)性分析

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

重金屬對作物的生長發(fā)育會有一定的抑制作用[12]，這可能是作物根系吸收土壤中的重金屬后，會誘導產(chǎn)生一些有害物質(zhì)，導致光合作用以及酶活性受到抑制，ATP加速降解，細胞膜通透性改變，DNA受損傷等，擾亂了作物的新陳代謝，從而抑制作物的生長發(fā)育[13]。陳慧茹[14]研究表明，Cd脅迫下的玉米產(chǎn)量會有所下降。作物吸收重金屬，主要取決于作物本身的遺傳因素及外界的環(huán)境條件[15-16]。選育重金屬低累積農(nóng)作物品種，符合我國人多地少的實際國情，既能保證大面積中、輕度污染農(nóng)田的安全生產(chǎn)，也能為礦區(qū)重度污染農(nóng)田的恢復使用提供一條合理有效的途徑。本文在Cd污染土壤的大田作物常規(guī)管理情況下，研究了Cd脅迫對11種玉米品種產(chǎn)量及其主要農(nóng)藝性狀的影響，以期為下一步能篩選出應用于重金屬污染農(nóng)田生產(chǎn)的Cd低積累玉米品種提供數(shù)據(jù)支撐，結(jié)果表明：Cd脅迫下的11個玉米品種產(chǎn)量存在一定的差異，與以往的研究結(jié)果一致[17-18]；供試品種中有3個品種（大天1號、會單888、羅單 299）為高產(chǎn)類群，占比27.27%；有4個品種（五谷1790、羅單 566、紅單 6號、會玉 336）為中產(chǎn)類群，占比36.36%；其余4個品種為低產(chǎn)類群，占比為36.36%。劉維濤等[19]認為，理想的重金屬低累積作物應該具備的重要特征之一是該植物對重金屬毒害具有較高的耐受性，在較高重金屬污染下能夠正常生長，且生物量或產(chǎn)量無明顯下降。因此，在下一步Cd低積累玉米品種篩選中，可以重點考慮高產(chǎn)類群和中產(chǎn)類群的玉米品種。

玉米產(chǎn)量不僅受多基因性狀的直接和間接影響[20]，而且還受區(qū)域環(huán)境等條件的影響[21-23]。本研究結(jié)果顯示，在Cd污染土壤的玉米產(chǎn)量與株高、穗位高、行粒數(shù)成極顯著正相關(guān)；各性狀中，株高與穗位高和穗行數(shù)成極顯著正相關(guān)，穗位高與穗行數(shù)和行粒數(shù)成極顯著正相關(guān)，行粒數(shù)與穗長成極顯著正相關(guān)，這與前人的研究結(jié)果基本一致[24-27]。說明在本區(qū)域Cd污染土壤的大田作物常規(guī)管理情況下，應重點考慮具備適宜的株高和穗位高、較多行粒數(shù)的品種，同時協(xié)調(diào)各性狀之間的關(guān)系，以獲得高產(chǎn)。

3.2 結(jié)論

在Cd污染土壤的條件下，采用瓦爾德法對供試玉米品種產(chǎn)量進行系統(tǒng)聚類分析，大天1號、會單888、羅單299為高產(chǎn)類群，平均產(chǎn)量9 996.55 kg/hm2；五谷1790、羅單566、紅單6號、會玉336為中產(chǎn)類群，平均產(chǎn)量9 160.54 kg/hm2；西抗 18、紀元8號、同玉213、路單8號為低產(chǎn)類群，平均產(chǎn)量8 256.26 kg/hm2，在下一步Cd低積累玉米品種篩選中，可以重點考慮高產(chǎn)類群和中產(chǎn)類群的玉米品種。從供試玉米品種的農(nóng)藝性狀看，株高、穗位高、穗行數(shù)、行粒數(shù)、穗長、穗粗、千粒重、出籽率均存在一定的差異，其中株高、穗位高、行粒數(shù)與產(chǎn)量成極顯著正相關(guān)；穗長、出籽率與產(chǎn)量成顯著正相關(guān)，該結(jié)果可為選育Cd低累積品種提供借鑒。