玉米(Zea mays)对镉积累与转运的品种差异研究

陈建军，于蔚，祖艳群，李元

云南农业大学资源与环境学院，云南 昆明 650201

玉米(Zea mays)对镉积累与转运的品种差异研究

陈建军，于蔚，祖艳群，李元*

云南农业大学资源与环境学院，云南 昆明 650201

通过田间实验，研究了25个玉米（Zea mays）品种在Cd质量分数为50 mg·kg-1胁迫条件下，Cd对不同玉米品种生长的影响，以及不同玉米品种对Cd积累和转运的品种差异，以期筛选出Cd低积累玉米品种。结果表明：25个玉米品种的生物量和产量对Cd胁迫的响应，以及不同品种根、茎叶和籽粒对Cd的吸收、累积及转运能力存在显著差异（P＜0.05）。有20个品种生物量和19个品种产量下降；有2个品种籽粒的Cd质量分数超过了国家规定的食品卫生标准（≤0.1 mg·kg-1），占供试品种的8.0%，所有品种茎叶的Cd质量分数均超过了国家规定的饲料卫生标准（≤0.5 mg·kg-1），超标率为100%；25个玉米品种的富集系数范围为0.063～0.899、茎叶转运系数范围为0.038～0.554、籽粒转运系数范围为0.000～0.111，均小于1，其中有8个品种富集系数＞0.5，1个品种茎叶转运系数＞0.5，而所有品种的籽粒转运系数均＜0.5，说明玉米对土壤Cd仍有一定的吸收能力，但地下部向地上部转运能力以及由茎叶向籽粒的转运能力较弱；根据玉米生物量、产量、籽粒Cd含量以及对Cd的富集系数和转运系数等指标进行评价，认为云瑞8号、会单4号、路单7号3个品种可作为Cd低累积玉米品种，可在云南Cd重度污染土壤上推广种植。

玉米；镉；低累积品种；积累与转运；品种差异

近年来，土壤环境中重金属污染的日益严重，据统计，受Cd、As、Pb等重金属污染的耕地面积近20×108hm2，约近1/5受到不同程度的污染（胡文友等，2005），每年仅重金属污染造成的直接经济损失就超过300亿元（聂胜委等，2012）。对我国3×105hm2基本农田保护区2×108kg粮食抽查发现，重金属超标率大于10%（周东美等，2004）。云南是著名的“有色金属王国”，矿产资源非常丰富，而位于滇东北的会泽县是我国有名的土法炼锌集散地，长期的没有任何环保措施的土法冶炼对该区的环境造成了严重的污染，导致Cd、Pb、Zn等重金属在土壤中的高度积累（Feng等，2004），其中Cd污染尤为突出，土壤Cd的质量分数达31.53～45.27 mg·kg-1，而Cd在土壤中较Cu、Pb、 Hg等元素具有更高的生物有效性，因而也更易进入食物链危害人体健康（房辉和曹敏，2009）。

据研究报道，植物吸收和累积重金属不仅存在显著的植物种间差异，同时存在种内差异（刘维涛等，2009；Grant等，2008），如玉米、水稻、小麦、

大麦、大豆、花生、马铃薯等作物的不同品种对重金属吸收存在显著差异（郭晓芳等，2010），并根据玉米籽粒生物量、籽粒重金属含量以及重金属转

运系数等指标筛选到重金属低累积玉米品种。有人

将可以在重金属严重污染的土壤上正常生长，而植

物体内重金属含量很低的植物称作“排异植物”（周

启星和宋玉芳，2004），这些植物，特别是农作物

受到科研工作者的极大关注。已筛选到部分小麦Cd

低积累品种并应用于生产，并取得了满意效果（刘

维涛和周启星，2010），说明重金属低积累品种有

望在生产上得到广泛应用，从而生产出重金属含量

较低的产品。玉米作为我国主要的粮食作物，在云

南的铅锌矿区大面积种植，但在云南开展重金属低

累积玉米品种筛选的研究，还未见报道。因此，研

究不同玉米品种对Cd的累积和转运差异，以期筛

选具有Cd低累积潜力的玉米品种，并应用于矿区

农业生产，能有效降低玉米产品的Cd污染风险，

这是矿区重金属污染土壤利用的一个切实可行的

措施。

本文以25个玉米品种为材料，在外施氯化镉条件下，通过大田试验，研究Cd对不同玉米品种生长的影响，以及不同玉米品种对Cd的积累和转运品种差异，从而为培育Cd低积累玉米品种提供科学依据，也可为其他作物的低积累品种筛选提供参考。

1 试验材料与设计

1.1 供试材料

1.1.1 供试土壤

属黄壤，基本理化性质为pH 6.95，有机质为30.71 g·kg-1，全N为2.41 g·kg-1，全P为13.63 g·kg-1，全K为8.59 g·kg-1，碱解N为53.73 mg·kg-1，速效P为151.47 mg·kg-1，速效K为170.23 mg·kg-1，Cd为 0.298 mg·kg-1。

1.1.2 供试玉米

供试玉米品种见表1。

1.2 试验设计

于2013年5月在云南省寻甸县大河桥云南农业大学试验基地进行大田试验，本试验以25个玉米品种为试验材料，分别设CK（对照，未投加Cd）和T（Cd 50 mg·kg-1）2个处理，投加形态为CdCl2（分析纯），每个处理3次重复。共计150个小区，小区面积为2 m×1.2 m，每小区种10穴玉米，株距为40 cm，行距为60 cm，每穴播3粒玉米种子，将定量的CdCl2溶解于50 ml蒸馏水，均匀拌于200 g过2 mm筛的土样中，于实验室中待水分挥发后，再均匀的施入每穴土壤。待玉米长出3片叶子时间苗，每穴仅留1株。在玉米整个生长期间浇水施肥，按常规方法进行管理 。

1.3 样品采集与指标测定

玉米成熟期采集土壤样品和玉米植株样品。土壤样品自然风干磨碎后过100目筛备用；玉米植株样品分根、茎叶和籽粒3部分取样，清水洗净后再用去离子水冲洗，在105 ℃烘箱中杀青30 min，80℃烘干，同时测生物量和产量，并将根、茎叶和籽粒分别粉碎，过100目筛备用。

土壤中Cd含量测定：参照（鲍士旦，2000）的方法略加改进。取过100目筛的土壤样品0.5 g，采用HNO3+HClO4（4:1）消解，火焰原子吸收分光光度法测定。

玉米中Cd含量测定：参照（鲍士旦，2000）的方法略加改进。取过100目筛的植株样品0.5 g，采用HNO3+HCl+H2O2（5:3:2）高压釜消解，火焰原子吸收分光光度法测定。

1.4 统计分析

所有数据的平均值、标准差采用Excel2007软件，数据的方差分析、相关性分析及聚类分析采用SPSS 17.0软件。

变化百分率(%)=处理值-对照值/对照值×l00%（包括生物量、产量变化百分率）（王崇臣等，2008）；

富集系数（BCF）=玉米地上部重金属含量/土壤相应元素含量（周启星等，2004）；

茎叶转运系数（TF）=玉米茎叶重金属含量/根相应元素含量（Fayiga等，2004；徐卫红等，2006）；

粒转运系数（TF）=玉米籽粒重金属含量/茎叶重金属含量（郭晓芳等，2010）。

2 结果与分析

2.1 Cd对不同玉米品种生物量和产量的影响

供试玉米品种的生物量和产量见表2。在对照条件下，25个品种的平均小区生物量为3.63 kg，最高的是15号品种，达到5.55 kg，最低的是8号品种，为2.50 kg；在Cd胁迫下，平均小区生物量为3.17 kg，平均降低了12.67%，25个供试品种中有20个品种有所下降，下降幅度为1.26%～35.79%，降幅前5位的是1、5、8、9、15号品种，有5个品种小区生物量有所增高，增高幅度为3.83%～11.67%，增高的品种包括：6、10、16、17、22号品种。在对照条件下，25个品种的平均小区产量为1.96 kg，在Cd胁迫下，平均小区生物量为1.77 kg，平均降低了9.69%，25个供试品种中有19个品种有所下降，下降幅度为1.70%～45.24%，降幅前5位的是1、8、20、24、2号品种，有6个品种小区产量有所增高，增高幅度为0.37%～12.71%，增高的品种包括：4、7、10、16、18、22号品种。总体上玉米的生物量和产量存在明显的品种间差异，多数品种在Cd胁迫条件下生物量和产量有所下降，少数品种略有增高，其中10、16、22号品种对Cd的耐性较强。

2.2 不同玉米品种根、茎叶和籽粒中Cd质量分数差异

25个玉米品种根、茎叶和籽粒中Cd质量分数见表3。由表3可见，25个玉米品种在同一Cd胁迫条件下，各器官Cd质量分数差异显著(P＜0.05)，大小顺序为：根＞茎叶＞籽粒。根部Cd质量分数范围和平均值分别为2.66～39.81 mg·kg-1和16.66 mg·kg-1，茎叶为0.60～4.19 mg·kg-1和2.26 mg·kg-1，籽粒为0.00～0.12 mg·kg-1和0.05 mg·kg-1。在Cd胁迫条件下25个玉米品种中有2个品种籽粒的Cd质量分数超过了国家规定的食品卫生标准（≤0.1 mg·kg-1），占所有供试品种的8.0%，所有25个品种茎叶的Cd质量分数均超过了国家规定的饲料卫生标准（≤0.5 mg·kg-1），超标率为100%；其中4、5、6、10、12、20、22、23号品种根中Cd质量分数均较高，最高达到39.81 mg·kg-1，茎叶中也达到1.26～4.19 mg·kg-1，在25个品种中居前列，但其籽粒中Cd质量分数为0.02～0.05 mg·kg-1，没有超过食品卫生标准，说明这几个品种对Cd向籽粒转运的能力较弱。

表1 供试玉米品种Table 1 The cultivars of Zea mays

表2 不同玉米品种的生物量和产量Table 2 Biomass and yields of different cultivars of Zea mays

2.3 不同玉米品种籽粒中Cd质量分数的聚类分析

图1 25个玉米品种籽粒重金属Cd质量分数聚类分析Fig. 1 The hierarchical clustering analysis diagram of Cd concentrations in grain of 25 Zea mays cultivars

表3 25个玉米品种根、茎叶和籽粒中Cd质量分数Table 3 Cd concentrations in root、stem leaf and grain of 25 Zea mays cultivars mg·kg-1

为了区分不同玉米品种籽粒对Cd的积累能力，从而筛选Cd低积累玉米品种，对25个玉米品种籽粒Cd质量分数进行聚类分析，结果见图1。所有玉米品种的生长环境均一致，环境对玉米吸收Cd的影响也一致，故不同玉米品种Cd质量分数差异来自其对Cd的吸收、转运及积累能力。由图1可知，可将25个玉米品种籽粒对Cd的积累差异划分为3类：第1类包括2、5、6、8、9、10、12、16、17、20、22、23号品种，为Cd低积累类群，其籽粒平均Cd质量分数为0.02 mg·kg-1，变化范围为0.00～0.03 mg·kg-1；第2类包括3、4、7、15号品种，为Cd中等积累类群，其籽粒平均Cd质量分数为0.06 mg·kg-1，变化范围为0.05～0.07 mg·kg-1；第3类包括1、11、13、14、18、19、21、24、25号品种，为Cd高积累类群，其籽粒平均Cd质量分数为0.096 mg·kg-1，变化范围为0.08～0.12 mg·kg-1；其中13、19号品种籽粒Cd质量分数超过食品卫生标准。

2.4 玉米对Cd的累积和转运的品种差异

由表4可看出，在Cd胁迫条件下25个玉米品种对Cd的富集系数、茎叶转运系数和籽粒转运系数差异显著（P＜0.05），表明不同玉米品种对Cd的吸收富集能力和转运能力存在明显的品种间差异。其范围分别为：0.063～0.899、0.038～0.554、0.000～0.111，富集系数、转运系数均小于1，其中有8个品种富集系数＞0.5，1个品种茎叶转运系数＞0.5，而所有品种的籽粒转运系数均＜0.5，说明玉米对土壤Cd仍有一定的吸收能力，但地下部向地上部转运能力以及由茎叶向籽粒的转运能力也较弱。

表4 25个玉米品种Cd的富集系数与转运系数Table 4 The bioconcentration factors and translocation factors of Cd in 25 Zea mays cultivars

3 讨论

重金属低累积农作物品种的选育，是符合我国人多地少的实际国情，既能保证大面积中、轻度污染农田的安全生产，也能为矿区重度污染农田的恢复使用提供一条合理有效的途径。重金属积累和转运的品种差异研究是低累积品种选育的前提。植物对重金属的富集、转运能力主要用富集系数(BCF)和转运系数(TF)来反映。富集系数用来评价植物将重金属从土壤吸收进入其体内能力，富集系数越大，表明植物对重金属的吸收能力越强；转运系数则用来评价植物将重金属从根部向地上部转运及地上部不同器官转运的能力（张春华等，2009），转运系数越大，则重金属从根系向地上部器官转运能力越强，或在器官之间的转运能力越强。

刘维涛等（2009）认为理想的重金属低累积作物应该同时具备以下4个特征：（1）该植物的地上部和根部重金属含量均很低或者可食部位重金属含量低于有关标准；（2）该植物对重金属的累积量小于土壤中该重金属的含量，即富集系数＜1；（3）该植物从其他部位向可食部位转运重金属能力较差，即转运系数＜1；（4）该植物对重金属毒害具有较高的耐受性，在较高重金属污染下能够正常生长，且生物量无明显下降。有关重金属低累积玉米品种的筛选研究已有报道，郭晓芳（2010）和吴传星（2009）等研究了没有人工添加重金属条件下，不同玉米品种对重金属累积和转运的品种差异，通过对籽粒重金属含量聚类分析，筛选出籽粒含量未超出国家食品卫生标准的低累积玉米品种。

本研究通过在土壤中添加Cd条件下，研究了Cd胁迫对25个玉米品种生长、产量的影响及不同品种对Cd的富集、转运特征，以期筛选能应用于云南矿区重金属重度污染农田生产的Cd低积累玉米品种，结果表明：受高Cd胁迫的25个玉米品种生物量、产量，根、茎叶和籽粒中Cd含量，富集系数和转运系数均存在显著差异（P＜0.05）。从生物量和产量来看，云瑞8号、会单4号、路单7号3个品种对Cd的耐性较强，生物量和产量没有明显降低；从籽粒中Cd质量分数来看，3个品种籽粒中Cd质量分数仅为0.02～0.03 mg·kg-1，没有超过卫生标准（≤0.1 mg·kg-1），通过聚类分析3个品种均属于Cd低积累类群；同时，3个品种的富集系数和籽粒转运系数分别为0.049、0.054、0.123和0.026、 0.013、0.005，在25个玉米品种中均属于偏低的，可作为Cd低积累玉米品种。

低积累植物对重金属的排斥机制通常认为包括两个方面，一是减少根部对重金属的吸收，二是重金属在根部通过区室化保存，限制向地上部转移（Baker，1981）。本研究结果为25个玉米品种对Cd的富集系数均小于1，表明玉米对Cd的吸收能力较弱，玉米根部Cd含量远高于茎叶，茎叶转运系数为0.038～0.554，表明玉米对Cd通过地下部向地上部的转运能力也较弱，在研究铅、铜在玉米幼苗体内积累与迁移时有类似的结果（李凡和张义贤，2010），本研究的籽粒转运系数为0.000～0.111，与Cd在玉米秸秆的含量大约高于籽粒20倍左右接近（田帅等，2009），但远小于郭晓芳等0.251～0.889的结果。转运系数低的原因可能是植物根中的Cd可能结合于细胞壁或储存于液泡，导致组织中的Cd主要以活性较低的形态存在，移动性变差，前一器官对Cd具有固定或“拦截”能力，从而对下一器官Cd的积累产生影响，具体影响玉米对Cd转运的因素，Cd低积累玉米品种的对Cd的累积和转运机理有待进一步深入研究。

4 结论

（1）Cd胁迫条件下25个玉米品种的生物量及产量差异显著（P＜0.05），多数品种生物量和产量有所下降，而云瑞8号、会单4号、路单7号3个品种对Cd的耐性较强；

（2）25个玉米品种各器官的Cd质量分数大小顺序为：根＞茎叶＞籽粒，其中有2个品种籽粒的Cd质量分数达到或超过了国家规定的食品卫生标准（≤0.1 mg·kg-1），占所有供试品种8.0%，所有25个品种茎叶的Cd质量分数均超过了国家规定的饲料卫生标准（≤0.5 mg·kg-1），超标率为100%；

（3）25个玉米品种的富集系数、转运系数均小于1，其中有8个品种富集系数＞0.5，1个品种茎叶转运系数＞0.5，而所有品种的籽粒转运系数均＜0.5，说明玉米对土壤Cd仍有一定的吸收能力，但地下部向地上部转运能力以及由茎叶向籽粒的转运能力较弱；

最终根据玉米生物量、产量、籽粒Cd含量以及对Cd的富集系数和转运系数等指标进行评价，认为云瑞8号、会单4号、路单7号3个品种可作为Cd低累积玉米品种，可在云南Cd重度污染土壤上推广种植。

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Variety Difference of Cd Accumulation and Translocation in Zea Mays

CHEN Jianjun, YU Wei, ZU Yanqun, LI Yuan*

College of Resources and Environment, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, China

In Cd (50 mg·kg-1) stress conditions, the effects of Cd on the grown of 25 maize varieties and the difference of Cd accumulation and transfer between different maize varieties was studied in field experiments, to screen out Cd low accumulation maize varieties. The results showed that there was significant difference between 25 maize varieties of biomass, yield Cd uptake by root, stem and leaf, Cd accumulation and translocation ability (P＜0.05) response to Cd stress. Biomass of 20 maize varieties decreased, and yield of 19 maize varieties decreased. The seed Cd contents of 2 varieties were more than the food sanitation standards set by the state (≤0.1 mg·kg-1), accounting for 8% of the tested cultivars. The stem and leaf Cd contents of all varieties were more than the national feed hygiene standard (≤0.1 mg·kg-1). The range of enrichment coefficients of 25 maize varieties was 0.063～0.899, and the stem and leaf transfer coefficient was in the range of 0.038～0.554, meanwhile the seed transport coefficient was in the range of 0.000～0.111, but all the coefficients were less than 1, of which the enrichment coefficients of 8 maize species ＞ 0.5, the stem and leaf transfer coefficient of 1 maize specie ＞ 0.5, the seed transport coefficients of all the varieties ＜ 0.5. Data analysis results showed that there were still certain absorption capacity of the maize to soil Cd, but the transport capacity from root to shoot and stem and leaf to grain was weak. Evaluated according to the index of maize biomass, grain yield, Cd content , Cd enrichment coefficient and transfer coefficient, 3 varieties of Yun Rui 8, Hui Dan 4, and Lun Dan 7 could be used as Cd low accumulation Maize Varieties, and were fit to be planted in Cd heavily polluted soil in Yunnan.

Zea mays; cadmium; low accumulation; accumulation and translocafion; variety difference

X171.5

A

1674-5906（2014）10-1671-06

陈建军，于蔚，祖艳群，李元. 玉米(Zea mays)对镉积累与转运的品种差异研究[J]. 生态环境学报, 2014, 23(10): 1671-1676.

CHEN Jianjun, YU Wei, ZU Yanqun, LI Yuan. Variety diference of Cd accumulation and translocation in Zea Mays [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(10): 1671-1676.

NFSC-云南联合基金项目（U1202236）

陈建军，（1970年生），男，副教授，博士，从事环境污染生物修复方面的研究。E-mail: chenjianjun94@126.com

*通信作者：李元，E-mail: liyuan@ynau.edu.cn

2014-08-24