玉米品种Cd富集差异研究

王民炎，王爱云，贺喜全，刘 琳，郭小丹，周 韬，张 蝶

(1.中南林业科技大学，湖南 长沙 410018； 2.中国科学院 亚热带农业生态研究所，湖南 长沙 410125)



玉米品种Cd富集差异研究

王民炎1，王爱云1，贺喜全2，刘 琳1，郭小丹1，周 韬1，张 蝶1

(1.中南林业科技大学，湖南 长沙 410018； 2.中国科学院 亚热带农业生态研究所，湖南 长沙 410125)

Cd是农田土壤主要的污染物质之一。本研究以13个玉米品种为试验材料，进行田间试验，研究了不同玉米品种对Cd富集的差异及Cd对玉米品种生物量和产量的影响。研究结果表明：不同玉米品种的生物干重和产量差异显著(p<0.05)；不同玉米品种的茎叶和籽粒Cd含量差异显著(p<0.05)，差异表现为茎叶>籽粒，根据GB13078-2001饲料卫生Cd中的限量标准(≤0.05 mg·kg-1)，茎叶Cd含量超标率为7.69%，而根据GB2762-2012食品卫生Cd中的标准(≤0.1 mg·kg-1)，籽粒中Cd的含量全部达标；不同玉米品种植株富集能力和籽粒转运能力差异显著(p<0.05)，从茎叶到籽粒富集Cd的能力较弱。筛选出的玉米品种先玉335、登海669可在湖南省中、低度土壤Cd污染地区推广种植，品种登海605、纪元101、湘农玉13可供作物修复方面的品种研究。 图6，参37。

玉米；土壤；Cd；Cd富集；修复

0 引 言

我国土壤重金属污染问题日益严重，已成为危害我国人体健康的最大环境问题之一。土壤中的重金属污染具有去除难度大、形态多变、毒性强及易迁移转化等特点，严重危害生态系统，并通过食物链损害人类健康甚至危及人体生命。其中，重金属镉在人体中潜伏周期长、容易积累，其危害居于前列，具有致病、致畸和致突变的“三致”效应[1-5]。因此，我国已开展土壤重金属镉污染的控制与修复研究工作，如筛选低Cd富集作物品种就是其中的一个重要方面。

玉米是我国重要的粮食作物，具有种植范围广，生物量大，籽粒用途较广等优势。与水稻、小麦和大麦相比，玉米植株对Cd的富集和转运能力最低，玉米籽粒Cd含量较低[6]。据研究报道，不同玉米品种间Cd含量差异显著，同一品种不同器官中Cd含量表现为：根>茎≈叶>籽粒，但不同研究者其研究结果存在一定差异，主要原因表现在试验品种、试验种植条件等的不同[7-10]。玉米虽不是Cd超富集植物，但因其生物量大，也可用于重金属土壤污染的植物修复技术中[11-15]。徐稳定[12]报道，与授粉玉米植株相比，不授粉玉米植株显著降低了土壤中Cd全量。因此对低积累型玉米品种和玉米茎叶高富集型品种筛选具有一定的可行性。陈建军等[16]在大田试验条件下筛选出适宜云南省Cd重度污染土壤上推广种植的玉米品种；郭晓方等[17]也筛选出适宜广东省重金属Cd中度污染耕地冬季种植的低累积玉米品种。然而，重金属镉污染的重点区域湖南省，玉米对重金属Cd吸收的研究报道较少，且主要以室内研究为主。

本研究通过Cd中度污染土壤的大田试验，旨在研究不同玉米品种的生长状况及其对Cd的吸收特征，拟筛选出适于湖南省中、轻度Cd污染土壤种植的玉米籽粒Cd含量较低的耐性品种，或可用于土壤Cd污染植物修复技术的高生物量玉米品种。

1 试验材料与方法

1.1 试验地点和供试土壤

本试验设点在湖南省湘乡市棋梓桥镇龙江村6组(112°53′E,27°73′N)的农田，土壤基本理化性质：pH值7.99，有机质18.7 g·kg-1、全氮1.93 g·kg-1、全磷0.84 g·kg-1、全钾13.8 g·kg-1、碱解氮210 mg·kg-1、速效磷15.3 mg·kg-1、速效钾102 mg·kg-1，Cd含量为0.96 mg·kg-1。根据《土壤环境质量标准》(GB 15618-1995)中Cd的标准，土壤Cd全量超过2级标准限值，低于3级标准限值，为轻度污染土壤。

1.2 试验材料与设计

供试品种是我国南方大面积种植的早熟玉米品种，共13个品种：纪元128、丰玉8号、纪元1号、纪元101、先玉335、洛玉1号、登海605、登海669、B256、中科11号、吉祥1号、湘农玉13和湘农玉21。试验设计：每个玉米品种为1个处理，每个处理3次重复，随机区组排列。每次重复的小区面积为26 m2(2.6 m×10 m)，采用宽窄行起垄栽培，垄宽(包沟)1.3 m，种2行玉米，每行36株，窄行距40 cm。每小区种植4行，共144株，即种植密度为55 200株·hm-2。2014年3月17日前趁晴翻耕，并开好厢沟和围沟，以便雨停即干。3月24日点播供试玉米种子，每蔸3粒。3叶一心时定苗，每蔸留1棵。在3月24日基施复合肥(N∶P∶K=15∶15∶15，以百分数计)750 kg·hm-2；8叶全展期深穴培土追施尿素300 kg·hm-2。其他栽培管理措施、小区间肥水管理与大面积生产一致。

1.3 样品采集与指标测定

1.3.1 样品采集与处理。在玉米收获期：每个小区选取5个玉米果穗晒干后称重，并取500 g左右籽粒用粉碎机粉碎，混匀封装待用；玉米茎叶样品收集，每个小区选取3颗株型一致的玉米植株，经105 ℃杀青1 h，后60 ℃烘干至恒重且称重，并取适量粉碎，封装待测镉。

(1) 土壤样品处理：称取样品0.5 g左右与50 mL三角瓶，加入15 mL混合酸HCl∶HNO3体积比为3∶1(优级纯)预消化过夜，在电热板消煮，升温程序：先80 ℃消解30 min，升至120 ℃消解1 h，再180 ℃消解1 h，最后升至240 ℃。消解至酸液5 mL～8 mL加入3 mL左右HClO4(优级纯)，最后消化至无色或淡黄色，赶酸至近干，用1% HNO3定容至25 mL玻璃试管，摇匀过滤至10 mL塑料离心管中。

(2)植株样品处理：玉米茎叶称取0.5 g左右，籽粒称取1.0 g左右于三角瓶中，加入15 mL混合酸HNO3∶HClO4体积比为4∶1(优级纯)预消化过夜，升温程序：80 ℃消解30 min，升至120 ℃消解1 h，再180 ℃消解1 h，最后升至240 ℃。消解至无色或淡黄色，赶酸至近干，用1% HNO3定容至10 mL玻璃试管，摇匀过滤至10 mL塑料离心管中。

1.3.2 指标测定。样品镉含量的测定采用 ICP-OES(Varian 720)测定，仪器参数：功率1 KW，等离子气流量15 L·min-1，辅助气流量1.5 L·min-1，雾化气流量0.75 L·min-1，进样延时30 s，泵速15 rpm。

1.4 数据处理与分析

所有数据的统计与存储采用Office 2010；数据标准差、单因素方差等分析和图行制作分别采用软件SPSS 19.0、软件Origin 9.1。

富集系数=地上部分镉全量/土壤镉全量[17]

籽粒转运系数=籽粒镉全量/茎叶镉全量[17]

2 结果与分析

2.1 玉米茎叶生物量及籽粒产量的差异

13个玉米品种的茎叶生物量存在显著差异(p<0.05)，见图1。生物量范围为87.3 g～151 g，其中茎叶生物量较大的有5个品种：先玉335、纪元101、纪元128、登海605、登海669，说明这些品种是在该环境下种植优势大；而洛玉1号、B256、中科11号、湘农玉13的生物干重低。13个玉米品种产量存在显著差异(p<0.05)，其中丰玉8号、先玉335、登海605、登海669、B256产量较高；产量低的有纪元1号、纪元101、湘农玉13、湘农玉21，见图2。通过分析表明，不同玉米品种的生物干重和产量差异明显，玉米品种先玉335，登海605和登海669的生物干重和产量都较高，玉米品种湘农玉13的生物干重和产量最低。

图1 不同玉米品种单株茎叶干重Fig.1 Differences of stem and leaf dry weight among the 13 maize cultivars注：图中不同字母表示各品种间差异显著(p<0.05)。下同Note:Different letters indicate significant differences(p<0.05) between different cultivars.The same as below

2.2 不同玉米品种茎叶和籽粒中Cd含量差异比较

13个玉米品种茎叶和籽粒中Cd含量差异显著(p<0.05)，茎叶平均累积为0.399 mg·kg-1，变化范围为0.183～0.859 mg·kg-1；而籽粒平均累积量为0.022 mg·kg-1，变化范围为0.014 mg·kg-1～0.037 mg·kg-1，见图3。根据GB13078-2001饲料中镉的限量标准(≤0.5 mg·kg-1)，13个玉米品种茎叶的Cd超标率为7.69%；根据GB2762-2012中国食品中重金属Cd的限量标准(≤0.1 mg·kg-1)，籽粒Cd含量全部达标。其中湘农玉13的茎叶Cd含量最高，是最低Cd含量品种的4.5倍，而籽粒中较高的品种有登海605和湘农玉13与最低Cd含量品种相差2倍左右。表明13个玉米品种对Cd的吸收存在显著差异，并且差异表现为：茎叶>籽粒。

2.3 玉米茎叶和籽粒对Cd的富集能力分析

13个玉米品种的富集系数小于1且差异显著(p<0.5)，系数范围为：0.20～0.94；籽粒的转运系数小于0.1且差异显著(p<0.5)，系数范围为：0.03～0.1，见图4。表明玉米植株对重金属Cd吸收能力较弱，从籽粒转运系数来看，籽粒中Cd含量得到大幅的减弱。其中湘农玉13的茎叶富集能力明显较高，而品种纪元128、纪元1号、先玉335、洛玉1号、登海605、登海669、B256、中科11号、玉米籽粒的Cd富集能力相对较弱。

图2 不同玉米品种的产量Fig.2 Differences of maize seed yield among the 13 maize cultivars

图3 13个玉米品种中茎叶和籽粒镉含量Fig.3 Cd accumulations in stem leaf and seed of 13 maize cultivars

2.4 不同玉米品种茎叶和籽粒Cd含量的聚类分析

为进一步筛选出玉米籽粒低积累型玉米品种和玉米茎叶高富集型品种，通过系统聚类组平均链接法，分别对13个玉米品种茎叶和籽粒Cd含量进行聚类分析。由图5可知，可将籽粒聚类结果分为三类：第一类分为敏感品种，范围为0.029 mg·kg-1～0.038 mg·kg-1，包括纪元101、登海605、湘农玉13；第二类品种范围为0.021 mg·kg-1～0.025 mg·kg-1，包括纪元1号、B256、中科11、洛玉1号；其余品种分为第三类耐性品种，品种范围为0.014 mg·kg-1～0.017 mg·kg-1。由图6可知，可将聚类结果可分为三类，第一类分为敏感品种，品种为湘农玉13，Cd含量为0.859 mg·kg-1；第二类品种范围为0.376 mg·kg-1～0.482 mg·kg-1，包括纪元128、洛玉1号、登海605、纪元101、丰玉8号、湘农玉21、吉祥1号；第三类分为耐性品种，品种范围为0.183 mg·kg-1～0.333 mg·kg-1，包括品种纪元1号、先玉335、B256、中科11号、登海669。

3 讨 论

目前，我国耕地受大面积重金属污染，涉及多个省、市、自治区，湖南省内Cd污染主要集中在湘江流域，环境污染治理成本十分昂贵[19-22]。研究从13个早熟玉米品种中筛选出适宜在湖南省中度、轻度Cd污染地区种植的玉米品种，结果表明不同玉米品种茎叶和籽粒的生物干重、产量和Cd含量都存在显著差异，这与陈建军[16]和郭晓方[17]研究结果一致。其中，茎叶Cd含量最高比最低高4.5倍，籽粒最高与最低相差2倍左右，差异表现为：茎叶>籽粒。经试验结果分析，玉米对Cd的富集系数与籽粒转运系数范围分别为：0.20～0.94，0.03～0.1。除个别Cd敏感型品种以外，与陈建军[16]和吴传星[23]的研究结果极为相近，然而，籽粒的转运系数小于杨惟薇[24]的研究结果(0.05～0.29)和郭晓方[17]的研究结果(0.251～0.889)。由此可得出，不同玉米品种间Cd含量差异显著，同一植株不同器官Cd含量差异表现为：根>茎叶>籽粒，部分结果存在差异，主要原因可能是由田间与盆栽试验、品种不同和种植环境所引起。

图4 13个玉米品种Cd的富集系数与籽粒转运系数Fig.4 Cd bioconcentration coefficients and grain translocation coefficients of 13 maize cultivars

图5 13个玉米品种籽粒Cd含量聚类分析Fig.5 The hierarchical clustering analysis diagram of Cd concentrations

据大部分研究报告，土壤中pH值成为影响植物对Cd吸收的主要影响因子，植物对Cd的吸收与土壤pH值呈负相关[25-28]。通过对比发现，杨惟薇[24]和郭晓方[17]研究中的土壤pH分别为：5.6、4.54，籽粒转运系数较高。而本试验和陈建军[16]的土壤pH值分别为：7.99、6.95，籽粒转运系数较低。除了pH值外，影响植物对Cd吸收还受土壤氧化还原状态、有机质含量、氮磷钾含量及土壤间离子相互作用等的影响[29-34]。

图6 13个玉米品种茎叶Cd含量聚类分析Fig.6 The hierarchical clustering analysis diagram of Cd concentrations in stem and leaf of 13 maize cultivars

衡量植物修复能力与富集系数除了和转运系数有关外，还受生物量的影响。而玉米与其它植物相比有明显的生物量优势，并且茎叶Cd含量相对较高，通过玉米对Cd富集的深入研究，可以做为修复方面的应用[35-37]。徐稳定[12]通过研究认为玉米品种CT38在实地Cd修复中是可行的，这为文中筛选玉米品种登海605、纪元101、湘农玉13，用于做修复研究得到了很好的借鉴。玉米的重金属Cd修复能力受品种与环境的相互制约，研究情况十分复杂，大多还处于试验阶段，用于商业化的报道较少。考虑到与实际应用联系，下一步将进行对玉米Cd富集与玉米植株器官形态关系的研究、及影响玉米Cd吸收的环境因素如光照、温度、pH、盐等方面研究。

4 结 论

此试验研究表明，玉米在中度Cd污染条件下：不同玉米品种的生物干重和产量差异显著(p<0.5)；不同玉米品种的茎叶和籽粒Cd含量差异显著(p<0.5)，差异表现为茎叶>籽粒，茎叶Cd含量达标率为92.3%(GB13078-2001，≤0.5 mg·kg-1)，而籽粒Cd含量达标率为100%(GB2762-2012，≤0.1 mg·kg-1)；不同玉米品种植株Cd富集能力和籽粒转运能力差异显著(p<0.5)，富集系数和籽粒转运系数范围分别为：0.20～0.94，0.03～0.1，表明玉米对Cd的富集能力较弱，从茎叶到籽粒富集Cd的能力更得到大幅的减弱。

根据玉米的生物量、产量、Cd含量及富集系数等指标，分析得出：品种先玉335和登海669的茎叶和籽粒Cd含量低、产量高、农艺性状好，可在湖南省中、低度Cd污染环境下种植；品种登海605和纪元101的茎叶和籽粒Cd含量高，生物干重较高，而品种湘农13虽生物干重较低，但是茎叶Cd含量远超过其它品种，也适宜做植物修复研究。

[1] Barbee J Y Jr,Prince T S.Acute respiratory distress syndrome in a welder exposed to metal fumes[J].Southern Medical Journal,1999,92(5):510-512.

[2] Järup L.Hazards of heavy metal contamination[J].British Medical Bulletin,2003,68(1):167-182.

[3] Järup L,Hellström L,Alfvén T,et al.Low level exposure to cadmium and early kidney damage:The OSCAR study[J].Occupational and Environmental Medicine,2000,57(10):668-672.

[4] Järup L,Persson B,Elinder C G.Decreased glomerular filtration rate in cadmium exposed solderers[J].Occupational and Environmental Medicine,1995,52(12):818-822.

[5] Hellström L,Elinder C G,Dahlberg B,et al.Cadmium exposure and end-stage renal disease[J].American Journal of Kidney Diseases,2001,38(5):1001-1008.

[6] 李铭红，李 侠，宋瑞生.受污农田中农作物对重金属镉的富集特征研究[J].中国生态农业学报，2008,16(3):675-679.

[7] 聂胜委，黄绍敏，张水清，等.重金属胁迫后效对玉米产量的影响[J].华北农学报，2013,28(4):123-129.

[8] 苏春田，唐健生，潘晓东，等.重金属元素在玉米植株中分布研究[J].中国农学通报，2011,27(8):323-327.

[9] 李 静，依艳丽，李亮亮，等.几种重金属(Cd、Pb、Cu、Zn)在玉米植株不同器官中的分布特征[J].中国农学通报，2006,22(4):244-247.

[10] 孙洪欣，赵全利，薛培英，等.不同夏玉米品种对镉、铅积累与转运的差异性田间研究[J].生态环境学报 ，2015,24(12):2068-2074．

[11] Zhang H,Dang Z,Zheng L C,et al.Remediation of soil co-contaminated with pyrene and cadmium by growing maize (ZeamaysL.)[J].International Journal of Environmental Science and Technology,2009,6(2):249-258.

[12] 徐稳定.超甜38玉米对镉的耐受机理及强化富集研究[D].广州：华南理工大学，2014.

[13] Schmidt U.Enhancing phytoextraction:The effect of chemical soil manipulation on mobility,plant accumulation,and leaching of heavy metals[J].Journal of Environmental Quality,2003,32(6):1939-1954.

[14] Pereira B F F,Abreu C A,Romeiro S,et al.Pb-phytoextraction by maize in a Pb-EDTA treated oxisol[J].Scientia Agricola,2007,64(1):52-60.

[15] Wuana R A,Okieimen F E.Phytoremediation Potential of Maize (ZeamaysL.).A Review[J].African Journal of General Agriculture,2010,6(4):275-287.

[16] 陈建军，军于蔚，祖艳群，等.玉米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.

[17] 郭晓方，卫泽斌，丘锦荣，等.玉米对重金属累积与转运的品种间差异[J].生态与农村环境学报，2010,26(4):367-371.

[18] 鲁如坤.土壤农业化学分析方法[M].北京:中国农业科技出版社，2000.

[19] 宋 伟，陈百明，刘 琳.中国耕地土壤重金属污染概况[J].水土保持研究，2013,20(2):293-298.

[20] 黄益宗，郝晓伟，雷 鸣，等.重金属污染土壤修复技术及其修复实践[J].农业环境科学学报,2013,32 (3):409-417.

[21] 刘春早，黄益宗，雷 鸣，等.湘江流域土壤重金属污染及其生态环境风险评价[J].环境科学，2012,33(1):260-265．

[22] 宓彦彦，谭长银，黄道友，等.湘江流域矿区Cd污染土壤的修复及其综合利用[J].湖南农业科学,2011(15):56-69.

[23] 吴传星.不同玉米品种对重金属吸收累积特性研究[D].雅安：四川农业大学，2010.

[24] 杨惟薇，刘 敏，曹美珠，等.不同玉米品种对重金属铅镉的富集和转运能力[J].生态与农村环境学报,2014,30 ( 6):774-779.

[25] Wang A S,Angle J S,Chaney R L,et al.Soil pH effects on uptake of Cd and Zn byThlaspicaerulescens[J].Plant and Soil,2006，281(1):325-337.

[26] Zhao H R,Xia B C,Fan C,et al.Human health risk from soil heavy metal contamination under different land uses near Dabaoshan Mine,Southern China[J].Science of The Total Environment,2012,417-418:45-54.

[27] Lim J E,Ahmad M,Usman A R A,et al.Effects of natural and calcined poultry waste on Cd,Pb and As mobility in contaminated soil[J].Environmental Earth Sciences,2013,69(1):11-20.

[28] Wang X,Liang C H,Yin Y,et al.Distribution and transformation of cadmium formation samended with serpentine and lime in contaminated meadow soil[J].Journal of Soils and Sediments,2015,15(7):1531-1537.

[29] 张建辉，王芳斌，汪霞丽，等.湖南稻米镉和土壤镉锌的关系分析[J].食品科学，2015,36(22):156-160.

[30] Tanwir K,Akram M S,Masood S,et al.Cadmium-induced rhizospheric pH dynamics modulated nutrient Acquisition and physiological attributes of maize (ZeamaysL.)[J].Environmental science and pollution research international,2015,22(12):9193-9203.

[31] Abbasi G H,Akhtar J,Anwar-ul-Haq M,et al.Morpho-physiological and micrographic characterization of maize hybrids under NaCl and Cd stress[J].Plant Growth Regulation,2015,75(1):115-122.

[32] Dresler S,Wójcik M,Bednarek W,et al.The effect of silicon on maize growth under cadmium stress[J].Russian Journal of Plant Physiology,2015,62(1):86-92.

[33] Zhao Z Q,Xi M Z,Jiang G Y,et al.Effects of IDSA,EDDS and EDTA on heavy metals accumulation in hydroponically grown maize (ZeamaysL.)[J].Journal of Hazardous Materials,2010,181(1-3):455-459.

[34] Wójcik M,Tukendorf A.The effect of EDTA on maize seedlings response to Cd-induced stress[J].Zeitschrift Fur Naturforschung C-A Journal of Biosciences,1999,54(9-10):754-758.

[35] Fässler E,Robinson B H,Gupta S K,et al.Uptake and allocation of plant nutrients and Cd in maize,sunflower and tobacco growing on contaminated soil and the effect of soil conditioners under field conditions[J].Nutrient Cycling in Agroecosystems,2010,87(3):339-352.

[36] Tejada M,Benítez C.Effects of crushed maize straw residues on soil biological properties and soil restoration[J].Land Degradation and Development ,2014,25(5):501-509.

[37] Mohamed I,Zhang G S,Li Z G,et al.Ecological restoration of an acidic Cd contaminated soil using bamboo biochar application[J].Ecological Engineering,2015,84:67-76.

Differences of Cd Accumulation in Maize Hybrids

WANG Minyan1,WANG Aiyun1,HE Xiquan2,LIU Lin1,GUO Xiaodan,ZHOU Tao1,ZHANG Die1

(1.CentralSouthUniversityofForestryandTechnology,Changsha410018,China；2.InstituteofSubtropicalAgriculture,TheChineseAcademyofScieneces,Changsha410125,China)

Cadmiun(Cd)is one of the main pollutants in agricultural soil.A field experiment was carried out by studying the difference of Cd enrichment and Cd effects on biomass and yield in 13 maize hybrids.The results showed that the dry weight of different maize hybrids and yield differed significantly (p<0.05).Greater differences were found in stem and leaf and seed Cd content (p<0.05),with the differences in stem and leaf>seed.According to GB13078-2001 feed hygiene standard of set limit to Cd (≤0.5 mg·kg-1),the Cd content in stem and leaf exceeded the limit by 7.69 %,and according to the standards in food hygiene GB2762-2012 Cd (≤0.1 mg·kg-1) ,the seed Cd content was within the standard limit.Enrichment ability and seed translocation for Cd differed among hybrids (p<0.05) with weak ability in translocating Cd from the stem and leaf to seed.We screened out maize hybrids Xianyu 335 and Denghai 669 as suitable for planting in moderate and low Cd contaminated soil region of Hunan Province of China,and While Denghai 605,Jiyuan 101 and Xiangnongyu 13 as materials for phytoremediation research.

maize(Zeamays)；soil；cadmium；Cd accumulation； remedy

10.11689/j.issn.2095-2961.2016.04.006

2095-2961(2016)04-0248-07

2016-04-02；

2016-06-21.

湖南省重金属污染耕地修复及农作物种植结构调整试点(2130299).

王民炎(1991-)，男，四川宣汉人，硕士研究生，从事作物耐逆境分子机理研究.

王爱云(1964-)，女，湖南桃江人，博士，教授，主要从事植物遗传改良.

X50

A