陜南地區(qū)不同品種油菜對土壤中鎘的吸收、轉運和積累特性

摘要：為篩選出適合在陜南地區(qū)鎘（Cd）超標污染農田種植的低累積Cd油菜品種，通過田間試驗，研究了陜南地區(qū)普遍種植的30個油菜品種對土壤中Cd吸收、轉運和積累的差異。結果表明，不同品種油菜籽粒中Cd含量差異顯著，含量在0.02～0.32 mg·kg-1之間，最大值為最小值的16倍。綜合油菜籽粒對Cd的富集系數(shù)、油菜不同部位間的轉運系數(shù)和油菜籽粒Cd含量的聚類分析等指標，初步篩選出16個Cd低累積特性的油菜品種，結合油菜產量，最終確定6個產量較高且具有Cd低累積特性的油菜品種：德雜油9號、慶油8號、陜油28、陜油1309、恒禾油001和盛貴油1號，為陜南Cd污染農田油菜的安全生產提供參考。

關鍵詞：鎘污染；農田；油菜；低累積品種；富集系數(shù)；產量

中圖分類號：X53；S565.4 文獻標志碼：A 文章編號：2095-6819（2025）02-0451-09 doi： 10.13254/j.jare.2023.0787

近年來，隨著工業(yè)的快速發(fā)展，大量的廢渣廢水排放到土壤中，使土壤中的重金屬含量明顯升高，超過了土壤自身的容納能力，造成了嚴重的土壤重金屬污染[1]。陜南地區(qū)位于秦嶺南麓，其金屬礦產資源十分豐富，而鎘（Cd）作為伴生礦物，持續(xù)的礦山開采和金屬冶煉以及超標排污等導致礦區(qū)周邊土壤Cd 污染較為嚴重[2]。Cd 是農作物生長的非必需元素，其在作物體內的累積不僅會影響作物生長，還會通過食物鏈進入人體，給人體健康帶來嚴重威脅[3-4]。解決Cd 污染農田農產品安全生產問題是國家和地方的重大需求[5]。

目前降低農產品重金屬含量的措施有很多。歸結起來，一是從作物本身出發(fā)選擇重金屬低積累型的品種，二是通過外界調控手段減少重金屬的根系吸收以及向可食用部分的轉運[6-7]。前者成本低、易推廣，是減少農作物重金屬積累以及實現(xiàn)農產品安全生產最經(jīng)濟有效的途徑之一[8]。但我國地域遼闊，不同地區(qū)氣候、土壤和耕作方式不同，因此在該技術實際應用中，各地應結合本地氣候和土壤特征，篩選適合本地種植的作物品種[9]。

油菜（Brassica juncea L.）是十字花科植物，為我國主要的油料作物以及經(jīng)濟作物，主要在長江流域地區(qū)種植，種類資源豐富[10-12]。相關研究表明，不同油菜品種之間因基因型和Cd耐受性不同，導致油菜籽粒中Cd累積量也存在差異[13-14]。張洋等[15]針對湖北省Cd污染農田，從32個油菜品種中篩選出低積累品種S15和灃油958，為該地區(qū)油菜安全生產提供借鑒。因此，篩選區(qū)域性適宜的低累積Cd油菜品種是實現(xiàn)油菜安全生產的關鍵措施[16]。

本研究以陜南地區(qū)普遍種植的30 個油菜品種為供試材料，在農田土壤Cd含量超過篩選值數(shù)倍的背景下，通過田間試驗，研究不同油菜品種對Cd吸收、轉運和累積的差異，以篩選出適宜當?shù)卦苑N的Cd低累積型油菜品種，為當?shù)赜筒俗魑锇踩a提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地及供試材料

試驗于2022年9月至2023年5月進行。研究區(qū)域位于陜西省西鄉(xiāng)縣高川鎮(zhèn)柏林村（107°15′26\" E，32°32′16\" N），該區(qū)域地勢平緩，河谷縱橫，是溝渠相間、連綿起伏的傳統(tǒng)農耕區(qū)，氣候屬于北亞熱帶濕潤季風氣候，平均氣溫14.4 ℃，年均降水量1 100～1 200mm，平均蒸發(fā)量457.2 mm，全年氣候溫和，雨量充沛。距離研究區(qū)域2 km處有一中型采礦廠，由于歷史采礦、選礦技術條件所限，礦廠排放的“三廢”未得到有效處理，長期暴露造成周邊區(qū)域土壤Cd 超標。表1為該地區(qū)土壤部分基本理化性質。根據(jù)《土壤環(huán)境質量農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB15618—2018），該地區(qū)為Cd超標的三類污染耕地，其土壤Cd含量為篩選值（0.3 mg·kg-1）的7.47倍。

供試油菜品種為陜南地區(qū)普遍種植的30 個品種，具體見表2。

1.2 試驗設計

試驗共設置90 個小區(qū)，每個小區(qū)面積為20 m2，每個小區(qū)設4行，行距0.5 m，品種間距0.8 m。各油菜品種隨機種植3個小區(qū)，種子采用點播方式播種，穴距0.2 m，未發(fā)芽的種子及時補種。試驗于2022年9月15日播種，播前施600 kg·hm-2復合肥（N∶P∶K=15∶15∶15）作基肥，12月2日追施復合肥150 kg·hm-2。其他管理措施參照當?shù)亓晳T，于2023年5月15日收樣、測產，期間定期測定油菜部分農藝性狀指標。

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 樣品采集

采用梅花型布點法采集土壤和植物樣品。每個小區(qū)用不銹鋼土鉆鉆取5個0～20 cm深度土壤樣品均勻混合。每個小區(qū)采取油菜植株5株，每株取樣時用鐵鍬將油菜根部一并挖出。所有樣品帶回實驗室進行處理與測定。土壤樣品平鋪自然風干后去除雜質，研磨過篩后待用。油菜植株樣品用去離子水清洗后，用剪刀分部位剪開，每株按根、莖、籽粒分別至于烘箱中105 ℃殺青30 min，于70 ℃下烘至恒質量，測定質量后粉碎，過篩備用。

1.3.2 土壤、植物樣品測定

土壤pH、有機質、堿解氮、速效磷、速效鉀含量測定參照《土壤農化分析》[17]。土壤樣品用優(yōu)級純HCl-HNO3（體積比1∶3）消解，油菜樣品用優(yōu)級純HNO3-H2O2（體積比3∶1）消解，消解液定容、過濾。土壤有效態(tài)Cd用二乙烯三胺五乙酸-氯化鈣-三乙醇胺（DTPA-CaCl-TEA）緩沖溶液浸提。采用電感耦合等離子體質譜儀（Agilent 7900，美國）測定土壤和植物中Cd含量。測樣過程中采用國家標準參比物質（土壤：GBW07405，植物：GBW10045）進行質量控制，測定結果誤差均在允許范圍內。

1.3.3 油菜農藝性狀測定

每個小區(qū)隨機挑選5株油菜于開盤期（2022年12月6日）測定單株葉片數(shù)（長不低于5 cm，葉片黃化面積不超過50%）和開盤度。于蕾薹期（2023年2月14日、2023年2月28日）測定株高。于成熟期（2023年5月15 日）收樣前測定株高、分支數(shù)、分支高度、角果數(shù)，收樣后按根、莖、角果分開，角果晾曬脫粒后按果殼和籽粒分開并烘干、稱質量，通過籽粒產量、單株角果數(shù)和千粒質量換算每角粒數(shù)。

對每個小區(qū)油菜進行收割脫粒，油菜籽粒曬干稱質量，根據(jù)小區(qū)油菜籽粒干質量和小區(qū)面積計算出油菜產量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

富集系數(shù)（BCF）可反映油菜籽粒對Cd的攝取能力；植物對重金屬的轉運系數(shù)（TF）代表植物體內某部位的重金屬濃度與另一部位中同種重金屬濃度的比值，可用于表征某種元素在植物不同部位之間的轉運能力[18]。計算公式如下：

BCF=油菜籽粒Cd 含量（mg·kg-1）/土壤Cd 含量（mg·kg-1）

TFRoot-straw=油菜莖部Cd 含量（mg·kg-1）/植株根部Cd含量（mg·kg-1）

TFStraw-grain=植株籽粒Cd含量（mg·kg-1）/植株莖部Cd含量（mg·kg-1）

數(shù)據(jù)采用Excel 2013 和Origin 2023 軟件進行處理和圖表繪制，通過SPSS 24 軟件，采用皮爾遜相關系數(shù)法進行相關性分析，采用單因素檢驗法進行顯著性分析（Plt;0.05）。

2 結果與分析

2.1 不同品種油菜農藝性狀比較

油菜的生長發(fā)育前期是油菜獲得營養(yǎng)生長的重要時期，單株葉片數(shù)反映油菜植株對環(huán)境的適應性和生長狀態(tài)，葉片數(shù)越多，油菜的生長狀態(tài)越好；開盤度則反映油菜的產量和品質。如表3 所示，葉片數(shù)為7.6～12.4，生長狀態(tài)較好的品種有Y1、Y2、Y5 和Y6，這4 個品種葉片數(shù)均在11.0 以上。開盤度為34.1～70.3 cm，均值為47.6 cm，高于均值的品種有16個，占所有品種的53.3%；低于40.0 cm 的品種有Y5、Y17、Y18、Y19、Y21、Y22和Y28，這7個品種可能對當?shù)氐倪m應性較差。

由表3 可知，油菜四個時期的株高范圍分別在22.4～40.3、25.4～56.5、40.3～92.7 cm 和110.3～147.3 cm之間。不同生長時期株高最低和最高的品種不盡相同，Y12既是開盤期株高最高的品種，也是成熟期株高最低的品種。這說明部分油菜品種在前期生長速率快，后期生長速率變慢，這可能與不同油菜品種的基因差異有關[19]。成熟期不同品種油菜分支高度為37.3～71.7 cm。分支數(shù)為4.2～9.2 枝，分枝數(shù)在7.0 以上的品種有Y3、Y8、Y16和Y20。每公頃株數(shù)范圍在22.5萬～34.5萬株之間，均值為27.0萬株，高于均值的品種有16 個，株數(shù)最少的油菜品種為Y16、Y17、Y20、Y24和Y28，最多的品種是Y13。每株角果數(shù)為110.5～225.8 個，高于均值152.5 的品種有15 個。每角粒數(shù)為15.5～22.5 顆，高于均值18.6 的品種有17個，低于均值的品種有13個。千粒質量為3.3～4.5 g，高于均值3.9 的品種有15 個。綜上可知，不同的油菜品種之間農藝性狀存在明顯差異，主要原因除油菜品種差異性外還可能與不同油菜品種對農田Cd污染的耐受性有關。

2.2 不同品種油菜產量

由圖1可知，不同品種油菜產量差異明顯。油菜產量為1 859.50～3 381.15 kg·hm-2，平均產量為2 596.24kg·hm-2，30個油菜品種中產量最高和最低的品種分別是Y20 和Y5，產量高于均值的品種有15 個，占總品種數(shù)量的50%，這15個品種表現(xiàn)出了較好的增產效果。Y5、Y15 和Y26 這三個油菜品種的產量低于2 000 kg·hm-2，產量較低，可能不適合在本試驗條件農田中種植。不同品種油菜產量存在顯著性差異的原因可能是因為不同油菜品種之間存在基因型差異，以及受當?shù)貧夂?、土壤環(huán)境等因素的影響。

2.3 不同品種油菜的不同部位Cd含量

如圖2a 和b 所示，不同油菜品種的根部和莖部Cd含量存在顯著差異。30個油菜品種根部Cd含量為0.82～2.10 mg·kg-1，莖部Cd 含量為0.41～2.14 mg·kg-1，根據(jù)油菜根部和莖部部位的Cd 含量可以將30個品種分為兩類：一類是Cd含量根部gt;莖部，此類品種有14個，占總數(shù)的47%；另一類是Cd含量莖部gt;根部，此類品種有16個，占總數(shù)的53%。油菜籽粒中Cd含量為0.02～0.32 mg·kg-1（圖2c），均值為0.14 mg·kg-1。不同品種間籽粒Cd 含量差異顯著，Cd 含量最低和最高的品種分別是Y15 和Y5。超過均值的品種有14 個，占供試品種總數(shù)的47%；低于均值的品種有16 個，占供試品種總數(shù)的53%，其中Y4、Y7、Y10、Y11、Y15、Y17 和Y24 這7 個油菜品種籽粒中Cd 含量低于0.05 mg·kg-1，表現(xiàn)出了良好的Cd 低積累特性。綜上，油菜根部和莖部的Cd含量始終處于較高水平，這說明Cd主要在油菜根部和莖部累積。

2.4 不同品種油菜籽粒Cd富集系數(shù)和不同部位間Cd轉運系數(shù)

生物富集系數(shù)（BCF）表征油菜植株從土壤中吸收Cd的能力，可以直觀地反映油菜籽粒富集Cd的能力。油菜籽粒Cd累積量變化特征則與油菜不同部位的轉移能力有關，轉運系數(shù)越小，表明籽粒中Cd含量越低。如表4所示，供試30個油菜品種籽粒BCF值在0.008～0.124 之間，均值為0.054，不同品種間的BCF值差異顯著。Y1、Y2、Y3、Y4、Y7、Y9、Y10、Y11、Y14、Y15、Y17、Y18、Y19、Y21、Y24 和Y27 這16 個品種的BCF值低于均值，表現(xiàn)出良好的籽粒Cd低積累特性。根-莖轉運系數(shù)為0.298～1.928，莖-籽粒轉運系數(shù)為0.011～0.434，不同品種之間差異顯著。根-莖的轉運系數(shù)較小的品種有Y1、Y11、Y7、Y14、Y10和Y12，莖-籽粒的轉運系數(shù)較小的品種有Y15、Y17、Y4、Y24、Y18、Y19和Y27。

2.5 不同品種油菜不同部位Cd含量與農藝性狀相關性分析

對油菜不同部位Cd含量與油菜農藝性狀進行相關性分析。如圖3所示，油菜籽粒中Cd 含量與莖部Cd含量顯著正相關，相關系數(shù)為0.41（Plt;0.05）；與油菜分支高度和成熟期株高顯著負相關，相關系數(shù)均為-0.42（Plt;0.05）。這表明莖部Cd含量、分支高度和成熟期株高是影響籽粒中Cd含量的主要因素。油菜產量與開盤度、油菜分支數(shù)、成熟期株高、每株角果數(shù)、每角粒數(shù)和千粒質量均呈正相關，其中油菜分支數(shù)、每株角果數(shù)和每角粒數(shù)與油菜產量呈顯著正相關，與根部Cd含量呈負相關，與莖部和籽粒中Cd含量不相關。這說明油菜產量受其自身性狀影響，主要取決于其分支數(shù)、每株角果數(shù)和每角粒數(shù)。

2.6 不同品種油菜籽粒中Cd含量聚類分析

根據(jù)不同油菜品種籽粒Cd含量聚類分析結果，將30個供試油菜品種分為3類，分別是Cd低累積品種，Cd中等累積品種和Cd高累積品種。如圖4所示，Cd 低累積品種有Y1、Y2、Y3、Y4、Y7、Y9、Y10、Y11、Y14、Y15、Y17、Y18、Y19、Y21、Y24和Y27，平均Cd含量為0.06 mg·kg-1；Cd中等累積品種有Y6、Y20、Y22、Y25、Y26 和Y28，平均Cd 含量為0.18 mg·kg-1；Cd 高等累積品種為Y5、Y8、Y12、Y13、Y16、Y23，Y29 和Y30，平均Cd含量為0.29 mg·kg-1。

3 討論

本研究試驗地為重金屬Cd含量超標的三類污染耕地，通過對不同品種油菜不同時期生長狀況調查，發(fā)現(xiàn)30個油菜品種播種3～4 d后均正常出苗，整個生育期均能正常生長，表現(xiàn)出較好的Cd耐受性，但不同品種間產量差異性顯著。孫憲印等[20]的研究表明，作物產量主要受3個方面共同作用：品種因素形成的基因效應，不同地點因素形成的環(huán)境效應，以及基因與環(huán)境的互作效應。張毅[21]采用GGE雙標圖方法分析了2016—2017年長江下游國家冬油菜品種的高產穩(wěn)產性和適應性，證實了油菜產量受品種差異、土壤環(huán)境因素及其二者互作的影響。趙麗芳等[22]通過對鎘銅復合污染農田油菜品種篩選研究發(fā)現(xiàn)，試驗所選14個油菜品種因其基因和環(huán)境適應性差異，油菜產量以及籽粒Cd累積量均存在較大變幅。結合本研究結果表明，同一種植環(huán)境下，不同油菜品種間的基因差異以及基因與土壤環(huán)境相互作用所產生的差異可能是影響油菜產量的主要原因。

油菜籽粒Cd富集系數(shù)和油菜不同部位間的轉運系數(shù)是評價不同油菜品種對Cd 積累差異的重要指標。本研究中不同油菜品種的籽粒富集系數(shù)和不同部位間的轉運系數(shù)均存在顯著性差異。研究表明，油菜籽粒Cd含量在一定程度上受其根部、莖部Cd含量影響[23]，與根、莖部位不同細胞器對Cd的固定儲存能力、轉運能力等密切相關[24-25]。田效琴等[26]研究發(fā)現(xiàn)不同品種油菜的Cd吸收、轉運和累積存在差異，油菜籽粒Cd 含量與根部至莖部的遷移系數(shù)呈顯著正相關。這與本研究結果中油菜籽粒Cd含量與莖部Cd含量的相關關系一致。廖芳芳等[27]認為篩選低累積作物品種的標準必須滿足該品種的重金屬富集系數(shù)和轉運系數(shù)均小于1的條件。本研究中富集系數(shù)較小的品種有神農油828、德勝油8號、豐油10號和恒禾油001，這4個油菜品種的富集系數(shù)均小于0.015。30個油菜品種中有16個品種根部向莖部的轉運系數(shù)大于1，14個品種小于1，但30個油菜品種莖部向籽粒的轉運系數(shù)均小于1，這說明盡管部分油菜品種莖部Cd含量高于根部，但Cd從土壤向油菜根部轉運以及油菜根部向莖部轉運的過程中大部分Cd仍被截留在油菜的根部和莖部，向油菜籽粒轉運的Cd較少。

篩選低積累型油菜品種不僅要求籽粒中Cd含量低，還要適宜于當?shù)丨h(huán)境種植且經(jīng)濟效益高。目前，對Cd低積累油菜品種的篩選多以籽粒Cd含量為標準，并未過多考慮產量水平，不利于全面反映油菜在特定Cd 污染區(qū)域下的自然生產狀況及實際推廣應用。從區(qū)域糧食安全角度出發(fā)，篩選的油菜品種既要具備籽粒Cd低累積特性，還要適應當?shù)赝寥拉h(huán)境，以滿足實際生產應用的需要。本研究以籽粒Cd含量為評價指標，初步篩選出德徽油50、德喜油1000、邡油777、德油AAA、神農油828、珍愛油520、德勝油8號、豐油10號、慶油3號、邡牌油600、德雜油9號、慶油8號、陜油28、陜油1309、恒禾油001和盛貴油1號16個品種為Cd低累積品種。綜合30個油菜品種的平均產量（2 596.24 kg·hm-2），篩選出德雜油9 號、慶油8號、陜油28、陜油1309、恒禾油001和盛貴油1號6個品種為該地區(qū)Cd低累積品種。

4 結論

（1）30個油菜品種均可以在研究區(qū)Cd污染農田中正常生長，但不同品種的農藝性狀和油菜產量差異顯著。瑞油928、邡牌油600和天虎油1號油菜產量較低，不適宜在該區(qū)域種植。

（2）不同油菜品種各部位Cd累積量差異顯著，16個品種表現(xiàn)為莖部gt;根部gt;籽粒，14個品種表現(xiàn)為根部gt;莖部gt;籽粒，油菜籽粒Cd 含量主要受莖部Cd 調控，與莖部Cd含量呈顯著正相關。

（3）30個油菜品種中，籽粒富集系數(shù)較低的有16個，莖部到籽粒轉運系數(shù)較低的有7個，綜合油菜產量，最終篩選出6個Cd低累積油菜品種：德雜油9號、慶油8號、陜油28、陜油1309、恒禾油001和盛貴油1號，供當?shù)剡x用，以促進當?shù)匚廴靖氐陌踩谩?/p>

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