不同玉米品種對鎘積累和轉(zhuǎn)運差異研究

張寧，陶榮浩，張慧敏，周曉天，高燦紅，胡兆云，馬友華*

（1.農(nóng)田生態(tài)保育與污染防控安徽省重點實驗室，安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，合肥 230036；2.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，合肥 230036；3.銅陵市義安區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，安徽 銅陵 244100）

近年來，由于工礦企業(yè)的快速發(fā)展以及化肥農(nóng)藥的不合理施用，土壤污染愈發(fā)嚴(yán)重，尤其以重金屬污染最為突出[1-2]。相關(guān)研究表明重金屬生物降解難度大，在土壤中不斷積累并進(jìn)一步富集在作物器官內(nèi)，嚴(yán)重危害生態(tài)環(huán)境和人類身體健康[3]。資料顯示，我國每年因重金屬污染導(dǎo)致的糧食損失超過1 000 萬t，經(jīng)濟損失總量達(dá)200 億元[4]，重金屬防治已經(jīng)刻不容緩。目前，控制重金屬向食物鏈中轉(zhuǎn)移主要有兩種途徑：一是通過化學(xué)方法鈍化土壤中的重金屬；二是篩選出對重金屬有耐受性且積累量低的農(nóng)作物品種[5]。重金屬低積累作物品種篩選研究具有操作簡單、風(fēng)險低、易推廣等優(yōu)點[6]，是當(dāng)前受污染耕地安全利用的主要措施，品種選擇上主要以水稻[7]、小麥[8]、玉米[9]、白菜[10]等為主。因此，通過探尋重金屬在大宗糧食作物中富集的特征，篩選重金屬低積累品種，對降低作物對重金屬的吸收和積累，減少作物中重金屬含量具有重要意義。

玉米作為我國廣泛種植的農(nóng)作物之一，具有生物量大、生長周期短等特點，且籽粒對重金屬的富集能力較低[11]。因此，低積累玉米品種篩選工作對保障當(dāng)前農(nóng)產(chǎn)品安全和Cd污染農(nóng)田修復(fù)具有重要意義。楊剛等[12]分析了四川省主推的21 個玉米品種對重金屬Hg 和As 的積累特征，并分別篩選出Hg、As 的低積累品種，為重金屬污染土壤修復(fù)提供新思路。袁林等[13]通過盆栽試驗探討了不同玉米品種對Cd的吸收累積差異，篩選出可用于重金屬Cd 污染土壤修復(fù)的玉米品種。陳建軍等[14]通過外源添加CdCl2探索不同玉米品種對Cd 積累和轉(zhuǎn)運的種間差異，并篩選出適合云南Cd 重度污染地區(qū)種植的3 個品種。目前國內(nèi)關(guān)于低積累玉米品種篩選的研究主要集中于四川、云南、廣東等地，且局限于盆栽試驗，而針對安徽省受污染耕地的重金屬Cd低積累玉米品種篩選研究還未見報道。此外，已有研究中對玉米各器官重金屬的積累研究主要集中于根、莖葉、籽粒，而玉米芯對重金屬的富集及含量分布則鮮見報道。

本研究以安徽省農(nóng)作物品種審定委員會審定或引種備案的適宜在安徽省合法種植的50 個玉米品種為試驗材料，通過在安徽省銅陵市義安區(qū)某嚴(yán)格管控類耕地進(jìn)行大田試驗，研究Cd 脅迫對不同玉米品種生長的影響，以及玉米不同部位（根、莖葉、芯、籽粒）中Cd 的分布和不同玉米品種對Cd 積累及轉(zhuǎn)運的種間差異，以期篩選出Cd 低積累玉米品種，并探究Cd在玉米中的吸收轉(zhuǎn)運及分布特征，為受污染耕地安全利用及保障農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全提供有效參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗地點位于安徽省銅陵市義安區(qū)某嚴(yán)格管控類耕地，試驗田周邊存在大型鐵硫礦。試驗前土壤基本理化性質(zhì)：pH 5.27，有機質(zhì)34.22 g·kg-1，全氮1.39 g·kg-1，堿解氮58.01 mg·kg-1，有效磷20.75 mg·kg-1，速效鉀87.5 mg·kg-1，Cd 2.35 mg·kg-1，根據(jù)《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)（試行）》（GB 15618—2018），試驗地Cd含量超出耕地土壤重金屬污染風(fēng)險管制值的1.57倍，土壤屬于Cd重度污染。

1.2 供試材料及試驗設(shè)計

供試玉米品種50個（表1），均為通過安徽省農(nóng)作物品種審定委員會審定（引種）的品種，購自當(dāng)?shù)胤N子銷售市場。

表1 供試玉米品種Table 1 The varieties of Zea mays

采用隨機區(qū)組設(shè)計方法種植玉米，每個品種重復(fù)3次，共150個小區(qū)，行距65 cm，株距30 cm，小區(qū)面積7.2 m2（1.2 m×6 m），根據(jù)當(dāng)?shù)胤N植習(xí)慣采用雙行種植，四周設(shè)保護(hù)行。播種前一周按照每畝（1 畝=667 m2）50 kg 播撒基肥氮磷鉀三元復(fù)合肥（15∶15∶15），播前曬種，土壤含水量保持在最大田間持水量的60%～70%。2020 年6 月直接點播，正常田間水肥管理，并及時對田間進(jìn)行排水和除蟲等工作，9 月成熟期采樣并收獲，采集各試驗小區(qū)不同玉米品種植株樣及對應(yīng)根際土樣。

1.3 樣品采集與分析

玉米成熟期取下果穗后曬干脫粒進(jìn)行實際測產(chǎn)，并按梅花形取樣法采集每個玉米品種5 株，同時采集相對應(yīng)的土壤樣品（0～20 cm）組成混合土樣。土壤樣品自然風(fēng)干后分別過10、60、100 目篩備用，植株樣品分為根、莖葉、芯、籽粒四部分，用自來水洗凈后再用去離子水沖洗。根部使用10 mmol·L-1的乙二胺四乙酸溶液清除Cd 離子，再用去離子水清洗。在105 ℃烘箱中殺青30 min，70 ℃烘干至恒質(zhì)量，測定干質(zhì)量后粉碎，過100 目篩備用。土壤和植株干樣品經(jīng)微波消解后，用原子吸收分光光度計測定Cd含量。

按照國標(biāo)方法和《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[15]對土壤基本理化性質(zhì)進(jìn)行檢測分析。土壤經(jīng)去CO2蒸餾水浸提（土水比為1∶2.5）后用精密pH 計（TARTER2100）測定pH 值。土壤全量Cd 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）中的方法測定，植株樣品中總Cd 測定參照《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中鎘的測定》（GB 5009.15—2014），用德國耶拿Z700P 原子吸收分光光度計石墨爐法測定。以國家標(biāo)準(zhǔn)參比物質(zhì)土壤樣品（GBW07461）和植物樣品（GBW10012）進(jìn)行質(zhì)量控制，國家標(biāo)準(zhǔn)樣品分析結(jié)果均在誤差允許范圍內(nèi)。

1.4 統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析在SPSS 和Excel 軟件中進(jìn)行，處理間平均值的比較采用最小顯著差數(shù)法（LSD），圖表中的數(shù)據(jù)均采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，差異顯著水平為P＜0.05。采用Origin軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同玉米品種生物量及產(chǎn)量

不同玉米品種生物量及產(chǎn)量見表2。由表2 可知，不同玉米品種生物量及產(chǎn)量均存在顯著差異。不同玉米品種根部生物量范圍為1.99～23.79 g·株-1（37號最低，48 號最高），均值為5.82 g·株-1；不同玉米品種莖葉生物量范圍為26.47～70.12 g·株-1（18 號最低，50 號最高），均值為54.47 g·株-1；玉米芯生物量范圍為6.41～28.80 g·株-1（35 號最低，30 號最高），均值為18.66 g·株-1。不同玉米品種產(chǎn)量范圍為34.82～179.76 g·株-1（35 號最低，31 號最高），均值為112.35 g·株-1。

表2 不同玉米品種生物量及產(chǎn)量（g·株-1）Table 2 Biomass and yield of different maize varieties（g·plant-1）

2.2 不同玉米品種籽粒、根際土壤Cd含量及聚類分析

2.2.1 不同玉米品種籽粒、根際土壤Cd含量差異分析

不同玉米品種籽粒、根際土壤Cd 含量和籽粒富集系數(shù)見表3。由表3 可知，不同玉米品種籽粒Cd 含量存在顯著差異。50 個玉米品種籽粒Cd 含量介于0.09～0.85 mg·kg-1之間，均符合《飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 13078—2017）的要求（Cd≤1.0 mg·kg-1），達(dá)標(biāo)率為100%。除33號品種籽粒Cd含量未超過《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》（GB 2762—2017）規(guī)定的限值（Cd≤0.1 mg·kg-1）外，其余均超標(biāo)0.01～0.75 mg·kg-1，超標(biāo)率達(dá)到98%，這與試驗區(qū)域土壤Cd 含量高直接相關(guān)。

表3 不同玉米品種籽粒、根際土壤Cd含量和籽粒富集系數(shù)Table 3 Cd content in seeds and rhizosphere soil and seed bioaccumulation factor of different maize varieties

不同玉米品種根際土壤Cd 含量范圍為1.89～2.66 mg·kg-1（18 號最低，21 號最高），均值為2.27 mg·kg-1。不同玉米品種籽粒對土壤中Cd 富集系數(shù)范圍為0.040～0.386（33號最低，40號最高），均值為0.103。

2.2.2 不同玉米品種籽粒Cd含量聚類分析

50 個供試玉米品種籽粒Cd 含量均符合《飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》，為進(jìn)一步篩選可在優(yōu)先保護(hù)類耕地和安全利用類耕地試種且籽?？砂踩秤玫挠衩灼贩N，降低玉米籽粒Cd 含量超標(biāo)風(fēng)險，對50 個玉米品種進(jìn)行聚類分析（圖1），以期獲得籽粒Cd 低積累的玉米品種。由圖1 可知，50 個玉米品種可分為高、中、低積累三類。其中高積累類型有8 號、1 號、10 號、40 號4 個品種，玉米籽粒Cd 含量介于0.47～0.85 mg·kg-1之間，占供試品種的8%；中積累類型有2 號、5 號、50 號等17個品種，玉米籽粒Cd 含量介于0.22～0.32 mg·kg-1之間，占供試品種的34%；低積累類型有33、25、49等29個品種，玉米籽粒Cd 含量介于0.09～0.19 mg·kg-1之間，占供試品種的58%，不同玉米品種籽粒Cd積累類型劃分見表4。

表4 不同玉米品種（編號）籽粒Cd積累類型劃分Table 4 Classification of seeds Cd accumulation types of different maize varieties（number）

圖1 不同玉米品種籽粒Cd含量聚類分析Figure 1 Cluster analysis of Cd content in seeds of different maize varieties

2.3 不同玉米品種根、莖葉、芯Cd含量

為進(jìn)一步探討不同玉米品種對Cd的積累和轉(zhuǎn)運特征，分別挑選籽粒Cd 高、中、低積累代表玉米品種各兩個（每種類型各選一個高產(chǎn)類型和低產(chǎn)類型），檢測植株根、莖葉、芯的Cd 含量。不同玉米品種根、莖葉、芯Cd 含量見表5。由表5 可知，玉米代表品種不同部位Cd 含量差異顯著，其中根部Cd 含量介于0.91～1.28 mg·kg-1之間，平均值為1.12 mg·kg-1；莖葉Cd 含量范圍為1.07～1.19 mg·kg-1，平均值為1.10 mg·kg-1；芯Cd 含量范圍為0.51～0.94 mg·kg-1，平均值為0.74 mg·kg-1。總體來看，高積累代表品種Cd 含量表現(xiàn)為莖葉＞根＞芯，中積累代表品種表現(xiàn)為根＞莖葉＞芯，低積累代表品種表現(xiàn)為根＞莖葉＞芯。

表5 不同玉米品種根、莖葉、芯Cd含量Table 5 Cd content in roots，shoots and corncobs of different maize varieties

2.4 不同玉米品種對Cd積累和轉(zhuǎn)運差異分析

2.4.1 不同玉米品種對Cd積累差異分析

作物對重金屬的積累能力可用富集系數(shù)表示，不同玉米品種對土壤中Cd 的富集系數(shù)如圖2 所示。其中高積累代表品種（1 號、40 號）根、莖葉、芯、籽粒的Cd 富集系數(shù)分別為0.40～0.44、0.51～0.53、0.34～0.40、0.32～0.39，中積累代表品種（5號、12號）根、莖葉、芯、籽粒的Cd 富集系數(shù)分別為0.52、0.47～0.49、0.22～0.23、0.12～0.14，低積累代表品種（31 號、33 號）根、莖葉、芯、籽粒的Cd 富集系數(shù)分別為0.52～0.60、0.45～0.50、0.35～0.44、0.04。不同玉米品種各器官對Cd 的積累能力有較大差異，但富集系數(shù)均小于1，說明各品種對Cd的吸收能力均較弱。其中高積累代表品種Cd 富集系數(shù)表現(xiàn)為莖葉＞根＞芯＞籽粒，中積累代表品種Cd富集系數(shù)表現(xiàn)為根＞莖葉＞芯＞籽粒，低積累代表品種Cd富集系數(shù)表現(xiàn)為根＞莖葉＞芯＞籽粒。

圖2 不同玉米品種對Cd的富集系數(shù)Figure 2 Bioaccumulation factor of Cd in different maize varieties

2.4.2 不同玉米品種對Cd轉(zhuǎn)運差異分析

不同玉米品種對Cd 的轉(zhuǎn)運系數(shù)見圖3。高積累代表品種（1號、40號）莖葉、籽粒對Cd 的轉(zhuǎn)運系數(shù)分別為1.17～1.31、0.60～0.76，中積累代表品種（5 號、12號）莖葉、籽粒對Cd 的轉(zhuǎn)運系數(shù)分別為0.90～0.96、0.26～0.27，低積累代表品種（31號、33號）莖葉、籽粒對Cd的轉(zhuǎn)運系數(shù)分別為0.84～0.87、0.08～0.10，具有明顯的差異性。高積累代表品種莖葉對Cd的轉(zhuǎn)運系數(shù)大于1，而中積累代表品種和低積累代表品種的莖葉轉(zhuǎn)運系數(shù)均小于1，總體呈現(xiàn)出高積累型＞中積累型＞低積累型的趨勢。不同玉米品種籽粒轉(zhuǎn)運系數(shù)均小于1，整體表現(xiàn)為高積累型＞中積累型＞低積累型的趨勢。

圖3 不同玉米品種對Cd的轉(zhuǎn)運系數(shù)Figure 3 Translocation factor of Cd in different maize varieties

3 討論

作物對重金屬的吸收由外界環(huán)境和自身的遺傳因素共同決定[20]。段桂蘭等[21]的研究表明稻米中As的積累受到環(huán)境、遺傳及環(huán)境與遺傳交互作用的顯著影響。本研究中外界環(huán)境條件一致，所以各玉米品種對Cd的吸收主要由自身的遺傳因素決定。依據(jù)我國《土壤污染防治行動計劃》，嚴(yán)格管控類耕地禁止種植可食用農(nóng)產(chǎn)品，如種植需進(jìn)行安全性評估。本研究中50 個玉米品種籽粒中的Cd 含量有較大差異，由于試驗地Cd 污染較為嚴(yán)重（＞1.5 倍三級標(biāo)準(zhǔn)限值），絕大部分品種籽粒中的Cd 含量高于《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》中Cd 的限值0.1 mg·kg-1，但所有品種的籽粒Cd 含量均未超過《飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 13078—2017）中Cd 的限值1.0 mg·kg-1，因此籽粒在成熟期收獲時可作為動物飼料，其他部位作為修復(fù)部分回收處理，達(dá)到邊生產(chǎn)、邊修復(fù)的目的。所有玉米品種籽粒對土壤中Cd的富集系數(shù)均小于1，說明供試玉米品種對Cd 均具有較好的耐受性。李樂樂等[22]根據(jù)聚類分析等結(jié)果，篩選出16 個小麥品種可優(yōu)先用于中輕度污染耕地的推廣種植。杜彩艷等[23]通過對不同玉米品種籽粒重金屬含量進(jìn)行聚類分析，篩選出云瑞88等4個品種作為籽粒As、Pb、Cd低積累玉米品種。易春麗等[24]通過聚類分析將不同水稻品種進(jìn)行分類。明毅等[25]結(jié)合小麥籽粒Cd 含量和籽粒產(chǎn)量進(jìn)行聚類分析，獲得籽粒Cd 含量低且產(chǎn)量較高的優(yōu)勢小麥品種。本研究根據(jù)聚類分析結(jié)果將50個玉米品種劃分為籽粒Cd高、中、低積累三種類型，分別為紅大粒耕玉505、沃玉3 號等4 個高積累品種，秋樂618、迪卡653 等17 個中積累品種，以及新單58、美加303 等29 個低積累品種，各占供試玉米品種的8%、34%和58%，其中低積累類型可作為優(yōu)勢品種在優(yōu)先保護(hù)類耕地和安全利用類耕地試種，以進(jìn)一步篩選安全可食用玉米品種，降低玉米籽粒Cd超標(biāo)風(fēng)險。

玉米品種根、莖葉、芯、籽粒中的Cd 含量分配規(guī)律也具有較大差異，其中高積累代表品種1 號、40 號表現(xiàn)為莖葉＞根＞芯＞籽粒，中積累代表品種5號、12號表現(xiàn)為根＞莖葉＞芯＞籽粒，低積累代表品種31 號、33號表現(xiàn)為根＞莖葉＞芯＞籽粒。陳建軍等[14]研究發(fā)現(xiàn)，玉米植株中的Cd 含量分配表現(xiàn)為根＞莖葉＞籽粒，與本研究中的中積累和低積累代表品種一致。但也有莖葉＞根＞籽粒的研究結(jié)果[5，26]，與本研究中高積累代表品種一致，可能與品種差異和種植土壤的不同有關(guān)[5]。不同玉米品種均表現(xiàn)為籽粒中的Cd含量最低，芯次之，而根和莖葉中的Cd含量較高，其中高積累代表品種1 號、40 號莖葉中的Cd 含量明顯高于植株其他部位，表明Cd 主要分布于其莖葉中，而中、低積累代表品種植株中的Cd 主要分布于根部，但與莖葉中的Cd含量差異不大。

不同玉米品種對Cd的積累和轉(zhuǎn)運具有明顯的差異性。辛艷衛(wèi)等[27]研究發(fā)現(xiàn)，不同玉米品種根、莖、葉、籽粒積累和轉(zhuǎn)運Cd 的能力存在顯著差異。楊惟薇等[28]的研究表明，不同玉米品種籽粒對土壤中Cd的富集能力同樣具有差異性。本研究中，不同玉米品種植株各器官對Cd的富集系數(shù)呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性和差異性，高積累玉米代表品種Cd 富集系數(shù)表現(xiàn)為莖葉＞根＞芯＞籽粒，中、低積累玉米代表品種表現(xiàn)為根＞莖葉＞芯＞籽粒，表明高積累代表品種莖葉的富集能力優(yōu)于植株其他部位，而中、低積累代表品種根的富集能力較強，其次是莖葉，但三個品種均表現(xiàn)出從地下部向地上部（芯和籽粒）轉(zhuǎn)移過程中Cd富集系數(shù)逐級遞減的規(guī)律。轉(zhuǎn)運系數(shù)是評價重金屬在植物體內(nèi)分配情況以及植物對重金屬轉(zhuǎn)運能力的重要依據(jù)[29]。各玉米品種莖葉對Cd 的轉(zhuǎn)運系數(shù)也存在差異，表現(xiàn)為高積累代表品種＞中積累代表品種＞低積累代表品種，說明低積累代表品種將Cd 從根部向地上部轉(zhuǎn)移的能力較弱。研究表明，低積累作物的根部在減少對重金屬吸收[30]的同時，還會通過區(qū)室化保存抑制重金屬由根部向地上部轉(zhuǎn)移[31]。本研究中各品種籽粒對Cd 的轉(zhuǎn)運系數(shù)均小于1。籽粒轉(zhuǎn)運系數(shù)總體表現(xiàn)為高積累代表品種＞中積累代表品種＞低積累代表品種，說明低積累代表品種將Cd 從莖葉轉(zhuǎn)移到籽粒的能力比其他兩組品種弱。這一方面可能是由于低積累代表品種植株中的Cd 主要積累在根部，另一方面可能是因為Cd在低積累代表品種地上部各器官之間轉(zhuǎn)移時，主要富集在莖葉和玉米芯中。后者可以從不同玉米品種各器官間的Cd含量差異和富集系數(shù)看出，即低積累代表品種玉米芯對Cd 的富集系數(shù)明顯高于中積累代表品種，且接近高積累代表品種。研究表明，Cd 低積累玉米品種植株中與液泡或細(xì)胞壁結(jié)合的Cd活性較低，移動性較弱，上一器官能夠攔截Cd 向下一器官的轉(zhuǎn)運和積累，而高積累玉米品種這種攔截能力相對較低[17]，這解釋了不同積累類型玉米品種芯和籽粒中Cd 含量的差異，但本研究中莖葉對Cd的攔截作用并不明顯，今后還需進(jìn)一步驗證。

4 結(jié)論

（1）農(nóng)田Cd 重度污染條件下不同玉米品種的生物量和產(chǎn)量表現(xiàn)出明顯的品種間差異。

（2）50個玉米品種籽粒中Cd含量差異顯著，均符合國家飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，新單58、美加303、京農(nóng)科828、蘇玉29、德單123、MC121、奧玉503、泛玉298、農(nóng)大372、金秋119、先達(dá)601、巡天1102、京農(nóng)科728、禾茂808、金玉1233、懷玉23、裕豐303、德力666、德單5號、嘉禧100、棒博士76、中科玉505、邵單8 號、隆平206、蠡玉35、蠡玉37、豐度191、豫單9953 和皖玉708共29個品種為籽粒Cd低積累的優(yōu)勢品種。

（3）不同玉米品種器官間Cd 的分布具有顯著差異，高、中、低積累玉米代表品種依次表現(xiàn)為莖葉＞根＞芯＞籽粒，根＞莖葉＞芯＞籽粒，根＞莖葉＞芯＞籽粒。

（4）高積累玉米代表品種莖葉對土壤中Cd 的富集能力較強，而中、低積累玉米代表品種根對土壤中Cd的富集能力較強。

（5）高、中、低積累玉米代表品種莖葉和籽粒對Cd 轉(zhuǎn)運能力依次降低，且籽粒對Cd 的轉(zhuǎn)運能力均較弱。