不同玉米品種對(duì)Pb、Cd積累與轉(zhuǎn)運(yùn)差異研究

劉 奇,王 晟,何 濤,包 立,張乃明① (1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,云南 昆明 650201;2.云南省土壤培肥與污染修復(fù)工程實(shí)驗(yàn)室,云南 昆明 650201;.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院,云南 昆明 650201)

近年來,隨著工業(yè)化、城市化進(jìn)程不斷加快以及農(nóng)藥化肥的不合理施用,每年都有大量重金屬通過灌溉、大氣沉降等途徑轉(zhuǎn)移到土壤中[1-3]。目前,我國受重金屬污染耕地面積達(dá)2 000多萬hm2,每年因重金屬污染導(dǎo)致的糧食損失超過1 000萬t,這些糧食足以養(yǎng)活4 000萬人,造成經(jīng)濟(jì)損失近200億元[4-6],耕地土壤重金屬污染防治已迫在眉睫。

玉米是中國乃至世界三大糧食作物之一,也是云南省第一大糧食作物,具有分布廣、產(chǎn)量高等特點(diǎn),并且屬于低積累作物[7]。目前,降低農(nóng)作物重金屬超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)的途徑主要有兩種,一是通過農(nóng)藝調(diào)控措施降低農(nóng)作物對(duì)重金屬的吸收[8];二是篩選出自身吸收重金屬能力較弱的低積累農(nóng)作物品種[9-11]。重金屬低積累農(nóng)作物品種的篩選不僅操作簡(jiǎn)單,且無二次污染風(fēng)險(xiǎn),相較于農(nóng)藝調(diào)控措施,低積累農(nóng)作物更容易被推廣種植[12-13],是當(dāng)前重金屬污染耕地主要安全利用措施。因此,探究重金屬在主要糧食作物中富集與轉(zhuǎn)運(yùn)差異,篩選出重金屬低積累品種,對(duì)保障糧食安全具有重要意義。前人對(duì)此已開展大量研究,杜彩艷等[14]分析了云南省個(gè)舊礦區(qū)適種的24個(gè)玉米品種對(duì)Cd、Pb、As積累與轉(zhuǎn)運(yùn)的潛力差異,并篩選出具備高產(chǎn)特性的Cd、Pb、As低積累玉米品種,為低積累玉米品種篩選提供新思路。邵忱忱等[15]用礦區(qū)農(nóng)田原狀土進(jìn)行盆栽試驗(yàn),通過聚類分析,探討了10個(gè)玉米品種對(duì)土壤中Pb、Zn和Cd富集系數(shù)及轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的差異,篩選出具備低積累潛力的玉米品種。鄢小龍等[16]通過研究Cd、Pb脅迫條件下42個(gè)玉米品種對(duì)Cd、Pb積累與轉(zhuǎn)運(yùn)差異,篩選出適合云南高海拔重金屬污染地區(qū)種植的5個(gè)Cd、Pb低積累玉米品種。

由于云南滇東地區(qū)既是土壤重金屬污染耕地集中區(qū)域,又是云南玉米主產(chǎn)區(qū)。以云南滇東地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中主栽的18個(gè)玉米品種作為供試玉米品種,探究不同玉米品種間Pb、Cd的富集與轉(zhuǎn)運(yùn)差異,以期篩選出適合云南省滇東地區(qū)受Pb、Cd污染的重金屬高背景區(qū)耕地種植且具備高產(chǎn)特性的低積累玉米品種,為云南滇東地區(qū)乃至國內(nèi)類似地區(qū)受污染耕地安全利用和保障糧食安全提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)地點(diǎn)位于云南省宣威市熱水鎮(zhèn)格依村。供試土壤為紅壤,其理化性質(zhì):pH為6.50±0.36,w(有機(jī)質(zhì))為(17.25±0.70) g·kg-1,w(堿解氮)為(218.98±26.28) mg·kg-1,w(速效磷)為(12.56±5.84) mg·kg-1,w(速效鉀)為(496.67±124.33) mg·kg-1,w(Cd全量)為(2.0±0.28) mg·kg-1,w(Cd有效態(tài))為(0.26±0.04) mg·kg-1,w(Pb全量)為(61.29±10.86) mg·kg-1,w(Pb有效態(tài))為(4.85±0.53) mg·kg-1。根據(jù)GB 15618—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》,試驗(yàn)地土壤Cd含量達(dá)到農(nóng)用地土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)管制值,存在Cd超標(biāo)的情況。

1.2 供試材料及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試18個(gè)玉米品種均為云南滇東地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中主栽的玉米品種,購自宣威市玉米種子銷售市場(chǎng),各品種名稱、編號(hào)及親本關(guān)系見表1。

表1 供試玉米品種Table 1 Maize varieties tested

試驗(yàn)所有小區(qū)均采用隨機(jī)區(qū)組排列方式,每個(gè)品種重復(fù)3次,共54個(gè)小區(qū)。試驗(yàn)小區(qū)規(guī)格:長(zhǎng)為5.5 m,寬為4.5 m,面積為24.75 m2,根據(jù)當(dāng)?shù)胤N植習(xí)慣采用雙行種植,行距為55 cm,株距為45 cm。試驗(yàn)地四周設(shè)保護(hù)行,各小區(qū)之間采用筑壩隔開,以消除邊際效應(yīng)。每穴播5粒玉米種子,使種子入土2～3 cm,保持播種深度一致,玉米長(zhǎng)出2片葉片時(shí)進(jìn)行間苗,每穴留1株,各小區(qū)定株100株。播種前按1 125 kg·hm-2撒施氮磷鉀三元復(fù)合肥(15-15-15)作為基肥,作物生長(zhǎng)期間按大田常規(guī)操作開展灌溉、除草和除蟲等工作,拔節(jié)期按750 kg·hm-2追施尿素。2021年4月底播種,同年在10月初玉米成熟期取樣并收獲。

1.3 樣品采集與測(cè)定

種植玉米前,采用五點(diǎn)采樣法采集0～20 cm表層土壤樣品,土壤樣品經(jīng)自然風(fēng)干后磨碎,過0.15 mm 孔徑尼龍篩網(wǎng)備用。在玉米成熟期采集玉米植株樣品,每個(gè)小區(qū)按五點(diǎn)取樣法采集5株玉米曬干脫粒進(jìn)行實(shí)際測(cè)產(chǎn),植株樣品保留根部和籽粒2個(gè)部分,先用純水沖洗后再用去離子水洗凈,在105 ℃烘箱中殺青30 min后調(diào)至65 ℃烘干至恒重,測(cè)定干重后磨碎,過0.15 mm孔徑尼龍篩網(wǎng)備用。土壤理化性質(zhì)參照國家標(biāo)準(zhǔn)方法和《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[17]進(jìn)行測(cè)定。土壤Pb、Cd含量參照GB/T 17141—1997《土壤質(zhì)量 鉛、鎘的測(cè)定 石墨爐原子吸收分光光度法》,植株P(guān)b、Cd含量分別參照GB 5009.12—2017《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中鉛的測(cè)定》和GB 5009.15—2014《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中鎘的測(cè)定》,采用原子吸收光度計(jì)(日立,Z-2000)測(cè)定。以國家標(biāo)準(zhǔn)參比物質(zhì)土壤樣品(GBW07405)和植物樣品(GBW10012)進(jìn)行質(zhì)量控制,標(biāo)準(zhǔn)樣品檢測(cè)結(jié)果均在允許誤差范圍內(nèi)。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)采用Excel 2019和SPSS 23.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,圖片采用Origin 2021、SPSS 23.0軟件以及派森諾基因云數(shù)據(jù)分析平臺(tái)(https:∥www.genescloud.cn)進(jìn)行制作,平均數(shù)采用最小顯著差數(shù)法(LSD)進(jìn)行比較,圖表中數(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。

富集系數(shù)(BCF)指植物不同組織中某元素平均含量與土壤中該元素平均含量之比,轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(TF)指植物地上部某元素平均含量與植物地下部該元素平均含量之比。BCF和TF計(jì)算公式[18]分別為

XBCF=WS/WSO,

(1)

XTF=WS/WR。

(2)

式(1)～(2)中,XBCF為富集系數(shù);XTF為轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù);WS為玉米籽粒中某元素平均含量,mg·kg-1;WSO為土壤中某元素平均含量,mg·kg-1;WR為玉米根中某元素平均含量,mg·kg-1。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同玉米品種根部生物量、籽粒產(chǎn)量及生物性狀差異分析

不同玉米品種根部生物量(干重)、籽粒產(chǎn)量(干重)、株高和莖粗見表2。由表2可知,不同玉米品種根部生物量、產(chǎn)量和株高均存在顯著差異。不同玉米品種根部生物量為6.30～21.30 g·株-1(宣宏18最小,秋碩玉3最大),均值為12.01 g·株-1;不同玉米品種產(chǎn)量為190～296 g·株-1(勝玉16最小,地沃7號(hào)最大),均值為239 g·株-1;不同玉米品種株高為218.8～269.1 cm(秋碩玉3最小,地沃2號(hào)最大),均值為238.7 cm;不同玉米品種莖粗為17.80～24.08 mm(華興單88最小,宣瑞10最大),均值為20.64 mm。

表2 不同玉米品種根部生物量、產(chǎn)量、株高及莖粗Table 2 Root biomass, yield, plant height and stem thickness of different maize varieties

2.2 不同玉米品種籽粒Pb、Cd含量和積累量差異分析

2.2.1不同玉米品種籽粒Pb、Cd含量差異分析

不同玉米品種籽粒Pb、Cd含量見圖1。由圖1可知,不同玉米品種籽粒Pb、Cd含量均存在差異。18個(gè)玉米品種籽粒Pb、Cd含量分別介于0.08～0.18和0.004～0.103 mg·kg-1之間,變異系數(shù)分別為18.59%和103.32%;18個(gè)玉米品種均符合GB 13078—2017《飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》要求,即w(Pb)≤30.0 mg·kg-1,w(Cd)≤1.0 mg·kg-1,達(dá)標(biāo)率為100%;18個(gè)玉米品種中,除勝玉607籽粒Cd含量超過GB 2762—2022《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》外,即w(Pb)≤0.2 mg·kg-1,w(Cd)≤0.1 mg·kg-1,其余均符合標(biāo)準(zhǔn)。

就同一指標(biāo)而言,直方柱上方英文小寫字母不同表示玉米品種間該指標(biāo)差異顯著(P<0.05)。圖1 不同玉米品種籽粒Pb、Cd含量Fig.1 Grain Pb and Cd mass fractions of different maize varieties

2.2.2不同玉米品種籽粒Pb、Cd積累量差異分析

不同玉米品種籽粒Pb、Cd積累量見圖2。由圖2可知,不同玉米品種籽粒Pb、Cd積累量均存在差異。18個(gè)玉米品種籽粒Pb、Cd積累量分別介于0.017～0.043和0.000 9～0.022 6 mg·株-1之間,均值分別為0.032和0.004 8 mg·株-1,變異系數(shù)分別為21.94%和97.24%。

就同一指標(biāo)而言,直方柱上方英文小寫字母不同表示玉米品種間該指標(biāo)差異顯著(P<0.05)。圖2 不同玉米品種籽粒Pb、Cd積累量Fig.2 Grain Pb and Cd accumulation of different maize varieties

2.3 不同玉米品種籽粒中Pb、Cd含量的聚類分析

為了區(qū)分玉米品種間籽粒對(duì)Pb、Cd的積累能力,進(jìn)一步篩選出可在風(fēng)險(xiǎn)管控類耕地和安全利用類耕地推廣種植的Pb、Cd低積累玉米品種,降低玉米粒子Pb、Cd含量超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn),依據(jù)供試玉米籽粒中Pb、Cd含量對(duì)18個(gè)玉米品種進(jìn)行聚類分析。根據(jù)18個(gè)玉米品種籽粒對(duì)Pb和Cd積累的差異劃分為高、中和低3類:籽粒Pb含量>0.15 mg·kg-1為Pb高積累品種,介于>0.10～0.15 mg·kg-1之間為Pb中積累品種,≤0.10 mg·kg-1為Pb低積累品種;籽粒Cd含量>0.075 mg·kg-1為Cd高積累品種,介于>0.050～0.075 mg·kg-1之間為Cd中積累品種,≤0.050 mg·kg-1為Cd低積累品種。

由圖3可知,Pb高積累品種編號(hào)為3、9、10、12、13和14號(hào),其數(shù)量占供試品種數(shù)量的33%,其籽粒Pb含量介于0.15～0.18 mg·kg-1之間;Pb中積累品種編號(hào)為1、2、5、7、8、11、15、16、17和18號(hào),其數(shù)量占供試品種數(shù)量的56%,其籽粒Pb含量介于0.11～0.14 mg·kg-1之間;Pb低積累品種編號(hào)為4和6號(hào),其數(shù)量占供試品種數(shù)量的11%,其籽粒Pb含量分別為0.08和0.09 mg·kg-1。

各編號(hào)對(duì)應(yīng)玉米品種詳見表1。圖3 不同玉米品種籽粒Pb含量聚類分析Fig.3 Cluster analysis of Pb content in seeds of different maize varieties

由圖4可知,Cd高積累品種為7號(hào)(勝玉607),其數(shù)量占供試品種數(shù)量的6%,其籽粒Cd含量為0.103 mg·kg-1;其他17個(gè)品種均為低積累品種,占供試品種數(shù)量的94%,其籽粒Cd含量介于0.004～0.033 mg·kg-1之間。

各編號(hào)對(duì)應(yīng)玉米品種詳見表1。圖4 不同玉米品種籽粒Cd含量聚類分析Fig.4 Cluster analysis of Cd content in seeds of different maize varieties

綜上所述,4號(hào)(宣宏18)和6號(hào)(勝玉16)品種為Pb和Cd低積累玉米品種。

2.4 不同玉米品種對(duì)Pb、Cd富集系數(shù)的差異分析

富集系數(shù)(BCF)表示作物對(duì)土壤重金屬的積累能力,供試玉米品種對(duì)土壤中Pb、Cd的BCF見圖5。

箱體上、中和下線分別表示上四分位數(shù)、中位數(shù)和下四分位數(shù)。P值表示Kruskal-Wallis非參數(shù)檢驗(yàn)獲得的組間總體差異,*表示P<0.05。圖5 不同玉米品種對(duì)土壤中Pb、Cd的富集系數(shù)(BCF)Fig.5 Enrichment coefficients of different maize varieties for Pb and Cd in soil

如圖5所示,Pb高積累玉米品種BCF為0.002 4～0.003 0,Pb中積累品種BCF為0.001 8～0.002 3,Pb低積累品種BCF為0.001 3～0.001 5;Cd高積累玉米品種BCF為0.051 6,Cd低積累品種BCF為0.002 0～0.016 4。不同玉米品種間籽粒對(duì)Pb、Cd的富集能力存在差異,但富集系數(shù)均小于1,說明供試品種對(duì)Pb、Cd的吸收能力均處于較弱水平。其中,羅單566的Pb富集系數(shù)分別與宣宏18和勝玉16存在顯著差異;勝玉607的Cd富集系數(shù)分別與勝玉16和金玉932存在顯著差異。

2.5 不同玉米品種根部-籽粒Pb、Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的差異分析

不同玉米品種根部-籽粒Pb、Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(TF)見圖6。如圖6所示,Pb高積累品種TF為0.032 5～0.126 1,Pb中積累品種TF為0.025 1～0.106 3,Pb低積累品種TF為0.025 1～0.034 5;Cd高積累品種TF為0.083 2,Cd低積累品種TF為0.005 3～0.025 6。不同玉米品種根部-籽粒對(duì)Pb、Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)能力存在差異,但轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均小于1,說明供試品種對(duì)Pb、Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)能力均處于較弱水平,各玉米品種Pb、Cd轉(zhuǎn)運(yùn)能力分別呈現(xiàn)高積累品種>中積累品種>低積累品種和高積累品種>低積累品種的趨勢(shì)。其中,潞玉1681的Pb轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)分別與地沃2號(hào)和宣宏18存在顯著差異;勝玉607的Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)分別與宣宏18和金玉932存在顯著差異。

箱體上、中和下線分別表示上四分位數(shù)、中位數(shù)和下四分位數(shù)。P值表示Kruskal-Wallis非參數(shù)檢驗(yàn)獲得的組間總體差異,*表示P<0.05。圖6 不同玉米品種根部-籽粒Pb、Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(TF)Fig.6 Pb and Cd transport coefficients from root to seed of different maize varieties

3 討論

重金屬低積累農(nóng)作物品種的篩選,既能降低糧食超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn),又能為重金屬污染高背景地區(qū)耕地的安全利用提供有效措施。作物積累重金屬主要取決于作物自身的遺傳因素和外界的環(huán)境條件[19-20]。筆者試驗(yàn)中,各處理土壤、施肥等外界環(huán)境因素相同,玉米品種間Pb、Cd積累的不同主要由其自身遺傳因素決定。18個(gè)供試玉米品種在產(chǎn)量、籽粒Pb含量、籽粒Cd含量、富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)上均存在一定差異,這與前人研究結(jié)果[21-23]一致;供試玉米品種間遺傳背景差異較大,不同品種對(duì)Pb、Cd吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制不同,進(jìn)而導(dǎo)致品種間籽粒Pb、Cd含量存在差異[24]。供試的18個(gè)玉米品種中,只有勝玉607籽粒Cd含量高于GB 2762—2022〔w(Cd)≤0.1 mg·kg-1〕,但也達(dá)到GB 13078—2017〔w(Cd)≤1.0 mg·kg-1〕,可作為動(dòng)物飼料。筆者試驗(yàn)種植的玉米均可用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn),實(shí)現(xiàn)“邊生產(chǎn),邊修復(fù)”和受污染耕地安全利用的目的。

18個(gè)供試玉米品種籽粒Pb、Cd富集系數(shù)分別介于0.001 3～0.003 0和0.002 0～0.051 6之間(圖5),均小于0.1,說明供試玉米品種對(duì)Pb、Cd均具有較好耐受性。轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)是評(píng)價(jià)重金屬在作物體內(nèi)分配、轉(zhuǎn)移情況的重要依據(jù)[25]。筆者研究中,不同玉米品種根部和籽粒Pb、Cd含量均呈現(xiàn)出一定規(guī)律性和差異性,但供試玉米Pb、Cd從根部到籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均小于1,說明根部重金屬含量高于籽粒。一方面,可能是供試玉米品種植株中的Pb、Cd主要富集在根部;另一方面,可能是Pb、Cd在玉米各部位間轉(zhuǎn)移時(shí)部分積累在其他部位。前人研究表明,低積累作物根部在減少對(duì)重金屬吸收的同時(shí)[26],還會(huì)通過區(qū)室化保存的方式抑制重金屬由根部向其他部位轉(zhuǎn)移[27],筆者研究結(jié)果與之一致。

通過聚類分析將18種玉米品種劃分為籽粒Pb高、中、低積累3種類型和Cd高、低積累2種類型,其中,地沃2號(hào)和宣瑞10這2個(gè)品種的母本相同,且籽粒Cd含量差異較小,同為Cd低積累品種,但籽粒Pb含量存在顯著差異,分別為Pb中積累和高積累品種,對(duì)于玉米籽粒中重金屬積累特性是否與其親本具有相關(guān)性還需進(jìn)一步研究。供試玉米Pb、Cd從根部到籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)總體表現(xiàn)為高積累品種>中積累品種>低積累品種,證明低積累品種將Pb、Cd從根部轉(zhuǎn)移到籽粒的能力最弱,這與前人研究結(jié)果[14]一致。低積累玉米品種中重金屬與細(xì)胞壁或液泡結(jié)合的能力較弱,導(dǎo)致重金屬元素移動(dòng)性降低,抑制了重金屬向下部器官的轉(zhuǎn)運(yùn)和積累,而高積累玉米品種中重金屬與細(xì)胞壁或液泡結(jié)合的能力相對(duì)較強(qiáng)[28],這解釋了不同積累類型玉米品種間根部和籽粒Pb、Cd含量的差異。

目前,篩選低積累玉米品種尚無明確標(biāo)準(zhǔn),尤其是篩選Pb、Cd低富集品種。筆者研究認(rèn)為,從實(shí)際應(yīng)用角度篩選重金屬低積累玉米品種時(shí)應(yīng)考慮以下2個(gè)方面:一是在符合國家食品安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,所選玉米品種對(duì)重金屬的富集和轉(zhuǎn)運(yùn)能力要盡可能弱;二是所選玉米品種要具備高產(chǎn)特性。綜上所述,筆者篩選出地沃7號(hào)、云良1號(hào)和地沃2號(hào)3個(gè)對(duì)Pb、Cd耐受性較強(qiáng)的玉米品種,同時(shí)也是供試品種中產(chǎn)量(表2)最高的3個(gè)品種。由于玉米生長(zhǎng)存在較大區(qū)域限制,因此這3種低積累玉米品種對(duì)于不同Pb、Cd污染程度和不同類型土壤的適應(yīng)性還需進(jìn)一步研究驗(yàn)證。

4 結(jié)論

(1)供試的18種玉米品種生物性狀以及籽粒Pb、Cd含量均存在明顯差異,除勝玉607籽粒Cd含量超標(biāo)外,其余17個(gè)品種Pb、Cd含量均符合食品安全國家標(biāo)準(zhǔn),均可作為土壤重金屬高背景地區(qū)優(yōu)先選用的品種。其中,地沃7號(hào)、云良1號(hào)和地沃2號(hào)為適合云南滇東地區(qū)種植且具備高產(chǎn)特性的Pb、Cd低積累玉米品種。

(2)供試的18種玉米品種籽粒對(duì)土壤中Pb、Cd的富集能力存在差異,富集系數(shù)分別介于0.001 3～0.003 0和0.002 0～0.051 6之間,均處于較弱水平。

(3)供試的18種玉米品種根-籽粒中Pb、Cd轉(zhuǎn)運(yùn)能力均存在差異,轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)分別介于0.025 1～0.126 1和0.005 3～0.083 2之間,均處于較弱水平,且轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)總體呈現(xiàn)高積累品種>中積累品種>低積累品種的趨勢(shì)。