低鎘高產(chǎn)春小麥品種篩選及富集轉(zhuǎn)運特征分析

馬鳳儀，馬立超，趙寶平*，王永寧，魯瑞英，郭曉宇，陳淼，劉景輝

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，呼和浩特 010019；2.內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)生態(tài)與資源保護中心，呼和浩特 010000；3.巴彥淖爾市耕地質(zhì)量監(jiān)測保護中心，巴彥淖爾 015000；4.烏拉特后旗農(nóng)村牧區(qū)生態(tài)能源環(huán)保站，巴彥淖爾 015000）

近年來，隨著工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，工業(yè)“三廢”和農(nóng)事操作不當(dāng)導(dǎo)致農(nóng)田重金屬污染等環(huán)境問題凸顯，糧食安全問題也受到廣泛關(guān)注[1-2]。重金屬Cd在所有無機污染物中超標(biāo)率最高[3]，農(nóng)田Cd可以通過土壤轉(zhuǎn)移積累到作物的可食部位，降低作物品質(zhì)進而威脅人體健康[4]，減少作物可食部位Cd 積累量、保證作物安全生產(chǎn)已成為環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域關(guān)注的重點[5]。目前，篩選重金屬低積累品種是解決農(nóng)作物中重金屬超標(biāo)的重要途徑之一[6]。

不同作物對重金屬的吸收、累積存在種間和種內(nèi)差異[7]。諸多學(xué)者通過不同評價指標(biāo)已對水稻[8]、小麥[9]、玉米[10]等作物重金屬低積累品種的吸收累積特征進行了大量研究，其中，小麥對Cd具有較強的富集能力[11]。目前，有關(guān)冬小麥Cd 低積累品種篩選的研究很多，明毅等[12]通過大田試驗和土培試驗相結(jié)合的方式，從所選用的139 份小麥材料中篩選籽粒Cd 低積累且高產(chǎn)型品種，獲取了4 份具有穩(wěn)定的籽粒Cd低積累且高產(chǎn)特性的小麥材料。

本試驗廣泛收集春小麥主產(chǎn)區(qū)主推的優(yōu)質(zhì)小麥品種，在內(nèi)蒙古河套灌區(qū)Cd污染農(nóng)田連續(xù)開展2 a大田試驗，進行籽粒Cd低積累且高產(chǎn)春小麥品種篩選，并分析不同類型春小麥各器官Cd 富集系數(shù)、Cd 從各器官到籽粒的轉(zhuǎn)運系數(shù)與產(chǎn)量的相關(guān)性差異，旨在為Cd污染農(nóng)田的安全生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2020年和2021年在內(nèi)蒙古河套灌區(qū)某地進行，地處溫帶，屬高原大陸性氣候，年平均氣溫14.3 ℃，試驗地土壤為堿性棕鈣土。供試區(qū)由于有色金屬礦山開采導(dǎo)致土壤重金屬Cd 超標(biāo)，土壤Cd 含量2020 年為1.5 mg·kg-1、2021 年為1.2 mg·kg-1，基本理化性質(zhì)如表1所示。

表1 大田試驗供試土壤理化性質(zhì)Table 1 The physical and chemical properties of the field experiment tested soil

1.2 供試材料與試驗設(shè)計

供試春小麥品種21 個：農(nóng)麥2 號、農(nóng)麥4 號、農(nóng)麥5號由內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院提供；豐強6號、豐強9 號、豐強10 號、豐強11 號、吉春12 號由吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供；巴麥6 號、巴麥12 號、巴麥13 號、巴麥15 號、巴麥22 號由巴彥淖爾市農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供；M7723、EM604、PJ627、H3015、寧2038、寧春4 號、寧春50 號、寧春57 號由寧夏回族自治區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供。試驗品種編號詳見表2。

表2 試驗供試品種編號Table 2 Tested variety number

試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，小區(qū)面積為3.6 m×6 m=21.6 m2，行距15 cm，播種密度4×106株·hm-2（基本苗），重復(fù)3 次；機器開溝，人工播種，2020 年于3 月19日播種，2021 年于3 月21 日播種；種肥磷酸二銨（N 18%、P2O546%）25 kg·hm-2，復(fù) 合 肥（N 16%、P2O516%、K2O 16%）15 kg·hm-2，拔節(jié)期追施尿素40 kg·hm-2，整個生育期灌水3次，其他種植管理方式按照當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)習(xí)慣種植。

1.3 樣品采集與處理

1.3.1 土壤樣品采集與處理

于成熟期取土樣，每品種小區(qū)按照5點取樣，取耕層30 cm的根際土壤，剔除土壤中的非土壤成分，在室內(nèi)自然風(fēng)干后分別過2 mm和0.15 mm土篩后備用。

1.3.2 植物樣品采集與處理

各小區(qū)春小麥?zhǔn)斋@時，按照3 點取樣，各采集20 cm 整株春小麥，將其分為根（根系先后用自來水、去離子水洗滌）、莖稈、葉、穎殼和籽粒樣品，分別混合后按照四分法留取樣品，105 ℃殺青30 min，85 ℃烘至恒量，用粉碎機磨碎后過0.15 mm篩待用。

1.4 測定指標(biāo)與方法

1.4.1 樣品Cd含量測定

（1）使用微波消解-石墨爐原子吸收分光光度法測定土壤樣品Cd全量[13]。

稱取0.20 g 過100 目篩的土壤樣品，放入與微波消解儀配套的消解管中，采用三酸消解體系，依次放入4 mL HNO3、2 mL HCl、2 mL HF，浸泡過夜，加蓋密封后放入儀器中，每個樣品5 個平行，同時做空白實驗。反應(yīng)分為3個階段，第1階段：120 ℃，40 min；第2階段：150 ℃，5 min；第3階段：185 ℃，20 min。消解結(jié)束后冷卻1 h，在通風(fēng)櫥中趕酸至近干，定容至50 mL，過濾。消解后樣品Cd濃度用石墨爐原子吸收分光光度計測定。

（2）使用微波消解-石墨爐原子吸收分光光度法測定植物樣品的Cd含量[14]。

稱取0.500 0 g干燥樣品，放入與微波消解儀配套的消解管中，依次放入7 mL HNO3，2 mL H2O2，浸泡過夜，加蓋密封后放入儀器中，每個樣品3 個平行，同時做空白實驗。反應(yīng)分為3 個階段，第1 階段：120 ℃，10 min；第2 階段：150 ℃，10 min；第3 階段：185 ℃，30 min。消解結(jié)束后冷卻1 h，在通風(fēng)櫥中趕酸至近干，定容至25 mL，過濾。消解后樣品Cd濃度用石墨爐原子吸收分光光度計測定。

1.4.2 不同品種春小麥產(chǎn)量的測定

成熟后在每一品種小區(qū)隨機選1 m2收割穗頭，脫粒曬干后測定質(zhì)量，即1 m2產(chǎn)量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

式中：EDI為重金屬膳食暴露量；THQ為標(biāo)靶危害系數(shù)，可用于評估人體通過食物攝取重金屬的風(fēng)險，當(dāng)THQ≤1.0時，認為人體負荷的重金屬對人體健康造成的影響不明顯；C為小麥籽粒中重金屬含量，μg·kg-1；FIR為每人每日谷物攝入量，g·人-1·d-1；EF為暴露頻率，取365 d·a-1；ED為暴露年限，取70 a；Bw為成人的平均體質(zhì)量，取65 kg·人-1；AT為生命期望值，取70 a；365 為轉(zhuǎn)化系數(shù)；RfD為消化食物的比率，μg·kg·d-1。有研究[12]指出，成年人平均每天的谷類食物食用量為261.1 g·人-1·d-1；根據(jù)美國整合風(fēng)險信息系統(tǒng)，Cd 的RfD為1.0 μg·kg-1·d-1。

采用Excel 2019 進行一般數(shù)據(jù)統(tǒng)計，采用SPSS 25.0 統(tǒng)計軟件進行單因素方差分析（ANOVA），采用最小顯著差異法（LSD）進行不同處理均值的差異顯著性比較，采用系統(tǒng)聚類法對不同品種進行聚類分析；采用Excel 2019軟件進行圖形處理。

2 結(jié)果分析

2.1 不同品種春小麥各器官Cd含量及籽粒Cd安全風(fēng)險評價

2.1.1 各器官Cd含量及籽粒Cd含量聚類分析

不同品種春小麥根、莖、葉、穎殼和籽粒Cd 含量如表3 所示。2020、2021 兩年試驗結(jié)果綜合表明，不同品種春小麥各器官Cd含量總體趨勢為根>葉>穎殼≈莖>籽粒；X10 籽粒Cd 含量在兩年試驗中均符合國家食品安全標(biāo)準(zhǔn)值0.1 mg·kg-1（GB 2715—2016）；籽粒Cd含量在2020年超標(biāo)率為95.24%，2021年超標(biāo)率為52.38%。

表3 不同品種春小麥各器官Cd含量（mg·kg-1）Table 3 Cd content in each organ of spring wheat of different varieties（mg·kg-1）

將2020 年和2021 年不同品種春小麥籽粒的Cd含量進行綜合聚類分析，可分為3 類，即高Cd 積累型、中Cd積累型和低Cd積累型。如圖1所示，具有籽粒Cd低積累特性的品種有X4、X7、X8、X9、X10、X16、X17、X18、X19、X20、X21，占總品種數(shù)的52.38%；具有籽粒Cd 中積累特性的品種有X1、X2、X3、X5、X6、X11、X12、X13、X15，占總品種數(shù)的42.86%；具有籽粒Cd高積累特性的品種為X14，占總品種數(shù)的4.76%。

圖1 不同春小麥品種籽粒Cd積累能力聚類分析Figure 1 Cluster analysis of Cd accumulation ability in different spring wheat varieties

2.1.2 籽粒Cd安全風(fēng)險評價

不同品種春小麥標(biāo)靶危害系數(shù)如圖2 所示。2020 年THQ值介于0.310~1.288 之間，2021 年THQ值介于0.326~1.982之間。X3~X11、X13、X16~X21等16個春小麥品種在兩年試驗中THQ均小于1。

圖2 不同品種春小麥標(biāo)靶危害系數(shù)Figure 2 Target hazard coefficients of different varieties of spring wheat

2.2 不同品種春小麥產(chǎn)量

2.2.1 產(chǎn)量聚類分析

在相同Cd污染環(huán)境下不同品種春小麥產(chǎn)量如圖3 所示，不同品種春小麥產(chǎn)量存在顯著差異。2020 年X4 產(chǎn)量最高，X14 最低；X4 較其他品種高7.89%~381.4%。2021 年X7 產(chǎn)量最高，X12 最低；X7 較其他品種高2.26%~332.31%。2020 和2021 兩年數(shù)據(jù)綜合表明，X12 產(chǎn)量受Cd 脅迫影響較大；X4 和X7 受Cd 脅迫影響較小，產(chǎn)量較高且穩(wěn)定。

圖3 不同品種春小麥產(chǎn)量Figure 3 Yield of different varieties of spring wheat

將2020年和2021年不同品種春小麥產(chǎn)量進行綜合聚類分析（圖4），可分為2 類，即高產(chǎn)和低產(chǎn)。其中，高產(chǎn)春小麥有X1~X8、X10、X13、X15~X21 等17個品種，占供試品種的80.95%；低產(chǎn)春小麥有X9、X11、X12、X14等4個品種，占供試品種的19.05%。

圖4 不同品種春小麥產(chǎn)量聚類分析Figure 4 Cluster analysis of spring wheat yield of different varieties

2.2.2 不同Cd積累能力春小麥品種產(chǎn)量分析

通過不同品種春小麥籽粒Cd含量和產(chǎn)量的聚類分析（圖1、圖4）可得到以下5個類型（表4）：高產(chǎn)低Cd品種X4、X6~X8、X10、X16~X21等11個，占供試品種的52.38%；高產(chǎn)中Cd 品種X1~X3、X5、X13、X15 等6 個，占供試品種的28.57%。低產(chǎn)低Cd品種X9，占供試品種的4.76%；低產(chǎn)中Cd 品種X11、X12，占供試品種的9.52%；低產(chǎn)高Cd品種X14，占供試品種的4.76%。

表4 不同類型春小麥品種分類Table 4 Different types of spring wheat

2.3 不同類型春小麥Cd富集特征差異

2.3.1 對Cd的富集特征

分組統(tǒng)計春小麥各器官的富集系數(shù)，結(jié)果如圖5所示。在兩年試驗中，土壤Cd 進入不同類型春小麥品種植株后主要集中在根部，低產(chǎn)中Cd 春小麥根中Cd 含量綜合表現(xiàn)為最高；2020 年高產(chǎn)低Cd 春小麥品種莖中Cd 含量較高產(chǎn)中Cd、低產(chǎn)低Cd、低產(chǎn)中Cd、低產(chǎn)高Cd 類型品種分別顯著低35.30%、11.77%、58.82%、17.65%。除低產(chǎn)低Cd和低產(chǎn)高Cd兩個類型的春小麥外，其他類型春小麥在兩年中的Cd 富集系數(shù)均呈現(xiàn)為根>葉>穎殼≈莖>籽粒的規(guī)律，且各器官的富集系數(shù)均小于1。

圖5 不同類型春小麥品種各器官Cd富集系數(shù)Figure 5 Cd bioaccumulation factor of various organs of different types of spring wheat

2.3.2 籽粒Cd 富集系數(shù)與其他器官Cd 富集系數(shù)的相關(guān)性

將春小麥籽粒Cd 富集系數(shù)與其他器官的Cd 富集系數(shù)進行相關(guān)性分析，結(jié)果如表5 所示。兩年數(shù)據(jù)共同表現(xiàn)為莖的Cd 富集系數(shù)與籽粒Cd 的富集系數(shù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系。

表5 春小麥籽粒Cd富集系數(shù)與各器官Cd富集系數(shù)的相關(guān)性Table 5 Correlation between Cd bioaccumulation factor of spring wheat grains and Cd bioaccumulation factor of various organs

2.4 不同類型春小麥Cd轉(zhuǎn)運特征差異

2.4.1 對Cd的轉(zhuǎn)運特征

分組統(tǒng)計春小麥各器官間Cd 轉(zhuǎn)運系數(shù)，結(jié)果如圖6 所示。綜合兩年試驗結(jié)果表明，不同類型春小麥根到莖和根到籽粒的Cd 轉(zhuǎn)運系數(shù)均小于1；Cd 從莖到葉的轉(zhuǎn)運系數(shù)均值最大，2020 年和2021 年分別為2.83和2.15。

圖6 不同類型春小麥品種各器官間Cd轉(zhuǎn)運系數(shù)Figure 6 Cd transport factor among organs of different types of spring wheat

低產(chǎn)高Cd 類型春小麥品種Cd 從根、莖、葉、穎殼到籽粒的Cd 轉(zhuǎn)運系數(shù)均顯著高于高產(chǎn)低Cd 類型春小麥品種（P<0.05），2020 年分別顯著高58.82%、21.67%、61.1%、68.97%；2021年分別顯著高431.25%、414.03%、300%、356.52%。

2.4.2 籽粒Cd 富集系數(shù)與其他器官Cd 轉(zhuǎn)運系數(shù)的相關(guān)性

將春小麥籽粒Cd 富集系數(shù)與其他器官的Cd 轉(zhuǎn)運系數(shù)進行相關(guān)性分析，結(jié)果如表6 所示。兩年數(shù)據(jù)共同表現(xiàn)為Cd 從根、莖、葉、穎殼到籽粒的Cd 轉(zhuǎn)運系數(shù)與籽粒Cd的富集系數(shù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系。

表6 春小麥籽粒Cd富集系數(shù)與各器官Cd轉(zhuǎn)運系數(shù)的相關(guān)性Table 6 Correlation between Cd bioaccumulation factor of wheat grains and Cd transport factor of various organs

3 討論

篩選和培育具有低Cd積累特性的作物品種是使Cd 污染土壤得到持續(xù)安全生產(chǎn)且經(jīng)濟、有效的途徑之一[16]。低Cd 積累作物的評價基本采用籽粒Cd 含量、轉(zhuǎn)移系數(shù)或富集系數(shù)等對材料進行初步聚類分析以確定材料的類型，選擇作物可食部位吸收Cd 含量或關(guān)鍵指標(biāo)進行評價，可較好地體現(xiàn)出相同作物不同品種間對Cd的吸收差異[17]。本研究所選的21個春小麥品種籽粒Cd 的富集系數(shù)在2 期大田試驗中均小于1，說明供試品種對Cd 均具較高的耐受性。李樂樂等[18]根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)（GB 2715—2016）以及聚類分析、標(biāo)靶危害系數(shù)、富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運系數(shù)篩選出了16 個可在中輕度Cd污染農(nóng)田推廣種植的小麥品種。本研究對21 個春小麥品種進行低Cd 積累品種篩選的基礎(chǔ)上結(jié)合產(chǎn)量，篩選出了11 個可在Cd 污染農(nóng)田進行推廣種植的具有低Cd高產(chǎn)特性的春小麥品種。明毅等[12]通過籽粒Cd 含量和產(chǎn)量進行綜合聚類分析，獲得了同時具有低Cd且高產(chǎn)特性的小麥品種。本研究在2 期大田試驗中，通過結(jié)合籽粒Cd 含量、籽粒產(chǎn)量和標(biāo)靶危害系數(shù)篩選出了11 個低Cd 高產(chǎn)的春小麥品種，豐強10 號（X8）、EM604（X17）、寧春50 號（X19）、H3015（X20）雖籽粒Cd 含量超過了國家食品安全標(biāo)準(zhǔn)值，但這4個品種標(biāo)靶危害系數(shù)值均小于1，人體攝入后對人體健康不會造成明顯影響。因此，從經(jīng)濟收益和糧食安全角度，可考慮將篩選出的Cd低積累且高產(chǎn)的春小麥品種在輕度Cd污染農(nóng)田進行推廣種植，使受污染農(nóng)田得到安全利用的同時增加收益。

土壤中的Cd離子通過質(zhì)外體或共質(zhì)體途徑進入植物根系，根系是Cd 進入植物體內(nèi)的首要門戶，是Cd 的主要積累器官。籽粒中Cd 含量取決于地上部各器官Cd 的吸收、運輸[19]，同種作物不同類型間Cd吸收轉(zhuǎn)運存在差異[20-22]。本研究發(fā)現(xiàn)，不同類型春小麥品種各器官中根部的Cd 富集系數(shù)最大、籽粒Cd 富集系數(shù)最小，這表明大量的Cd都被根固定吸收，這與劉暢等[22]和辛艷衛(wèi)等[20]、鄧婷等[23]在高、低Cd 積累冬小麥和玉米品種各器官Cd 含量差異研究結(jié)果一致。在不同類型春小麥品種籽粒Cd富集系數(shù)與其他器官Cd 富集系數(shù)的相關(guān)性分析中，莖的Cd 富集系數(shù)與籽粒Cd 富集系數(shù)呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，這與胡瑩等[24]研究結(jié)果一致。對各類型春小麥根的Cd富集系數(shù)進行對比發(fā)現(xiàn)，在2020年試驗中低產(chǎn)中Cd和低產(chǎn)高Cd類型的春小麥莖的Cd 富集系數(shù)與高產(chǎn)低Cd 類型間春小麥莖的Cd富集系數(shù)呈顯著差異，蔡秋玲等[8]研究結(jié)果中，低產(chǎn)高Cd 春小麥和低產(chǎn)低Cd 春小麥的Cd富集系數(shù)之間有顯著差異，且該研究發(fā)現(xiàn)不同產(chǎn)量和富集能力的水稻類型的差異主要在于莖和葉的富集與轉(zhuǎn)移。本研究兩年試驗結(jié)果表明，低產(chǎn)中Cd 類型的春小麥品種和高產(chǎn)低Cd 類型春小麥莖部Cd 富集系數(shù)存在差異。

Cd 轉(zhuǎn)運系數(shù)是評價Cd 在植物體內(nèi)的分配情況及植物對Cd 轉(zhuǎn)運能力的重要指標(biāo)[25]。地上部的轉(zhuǎn)運主要經(jīng)歷的過程包括Cd 離子進入木質(zhì)部、木質(zhì)部的轉(zhuǎn)運及韌皮部的輸送。前人研究表明，籽粒中Cd 含量的差異取決于根和莖葉中Cd從穗軸向穎殼和籽粒的轉(zhuǎn)運與再分配[19]，莖是地上部Cd 轉(zhuǎn)運的主要通道[26]。本研究結(jié)果表明，在2 期大田試驗中，各器官到籽粒的Cd 轉(zhuǎn)運系數(shù)中，Cd 由莖和穎殼向籽粒的轉(zhuǎn)移能力均較根和葉向籽粒的轉(zhuǎn)運能力強，其中，低產(chǎn)高Cd 春小麥品種Cd 從莖到籽粒的轉(zhuǎn)運系數(shù)顯著高于其他類型品種；各器官Cd 轉(zhuǎn)運系數(shù)中Cd 由莖到葉的轉(zhuǎn)運系數(shù)最大，其中，高產(chǎn)低Cd 類型春小麥品種Cd 由莖到葉的轉(zhuǎn)運系數(shù)較其他類型高0.45~1.52 倍，這與蔡秋玲等[8]的研究結(jié)果一致，與其研究結(jié)果不同的是，本研究結(jié)果中Cd 從葉到穎殼和葉到籽粒的轉(zhuǎn)運系數(shù)較其他類型春小麥品種小。綜上結(jié)果分析表明，高產(chǎn)低Cd 類型的春小麥品種大量的Cd 被截留在葉中。在相關(guān)性分析中，Cd 從各器官到籽粒的Cd 轉(zhuǎn)運系數(shù)均與籽粒Cd 的富集系數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，在2021 年低產(chǎn)高Cd 類型各器官到籽粒的Cd 轉(zhuǎn)運系數(shù)較其他類型品種高，而2期試驗結(jié)果表現(xiàn)并不穩(wěn)定。

從本研究結(jié)果可見，高產(chǎn)低Cd 和低產(chǎn)高Cd 兩個類型的春小麥品種的差異在于Cd 在莖中的富集和Cd 由根、莖、葉、穎殼到籽粒的轉(zhuǎn)運，由此在生產(chǎn)過程中采取有效阻控措施控制根對Cd的吸收及向地上各器官的轉(zhuǎn)運均可能降低籽粒中Cd含量。

4 結(jié)論

（1）不同類型春小麥品種各器官Cd 含量及Cd 富集系數(shù)總體表現(xiàn)為根>葉>穎殼≈莖>籽粒的規(guī)律，且各器官的富集系數(shù)均小于1；高產(chǎn)低Cd類型春小麥品種和低產(chǎn)高Cd類型春小麥品種的主要差異在于Cd在莖的富集和Cd從根、莖、葉、穎殼到籽粒的轉(zhuǎn)運。

（2）X4、X6~X8、X10、X16~X21 等11 個品種標(biāo)靶危害系數(shù)均小于1，且同時具有低Cd 高產(chǎn)特性，可優(yōu)先考慮在Cd污染農(nóng)田進行推廣種植。