不同玉米品种对镉的富集和转运特性

辛艳卫，梁成华，杜立宇，吴岩，张亚男，胡悦

（沈阳农业大学土地与环境学院，沈阳 110866）

不同玉米品种对镉的富集和转运特性

辛艳卫，梁成华*，杜立宇，吴岩，张亚男，胡悦

（沈阳农业大学土地与环境学院，沈阳 110866）

通过室外盆栽试验，研究了18个玉米品种在土壤外加全镉含量为5.0mg·kg-1条件下对镉的富集和转运差异，并探讨土壤镉形态与玉米吸收镉之间的关系。结果表明：供试玉米品种的生物量和产量以及根、茎、叶、籽粒积累和转运镉的能力存在显著差异，其中9个玉米品种籽粒镉含量未超过国家食品安全卫生标准（GB 2762—2012），3个玉米品种的茎镉含量和2个玉米品种的叶镉含量均未超过国家饲料卫生标准（GB 13078—2001）；根、茎、叶、籽粒部位镉的富集系数范围分别为1.076～1.991、0.093～0.430、0.068～0.902和0.004～0.081。茎叶和籽粒镉的转运系数范围分别为0.19～0.83和0.03～0.44，表明土壤镉从玉米地下部向地上部迁移的能力较弱。玉米吸收镉与土壤中可交换态镉有一定的正相关关系，与残渣态镉有一定的负相关关系。经综合评价，新东单16、东单60、沈禾118和富友9可作为镉中轻度污染土壤上种植玉米的优先选择品种。

玉米；品种差异；富集；转运；镉形态

目前，人类活动导致自然界和农业环境中重金属含量明显增加[1]，我国局部地区耕地土壤重金属污染严重。重金属低富集作物品种能降低中轻度重金属污染耕地土壤上农产品的人体健康风险，因而其筛选研究具有重大意义。研究表明，植物吸收和累积重金属存在显著的种间差异和种内差异[2-3]，如玉米、水稻和马铃薯等作物[4]。Zhang等[5]发现4种不同的湿地植物不同部位积累和转运镉的能力存在显著差异；陈建军等[6]发现25个玉米品种的生物量和产量，以及根、茎叶和籽粒对Cd的吸收、累积及转运能力存在显著差异；李晔等[7]发现低浓度镉胁迫对玉米品种铁南2号、营丹11号和郑丹958表现为一定的刺激作用，较高浓度在某种程度上则表现了明显的抑制性，且铁南2号对重金属镉的抗性明显高于其他2个玉米品种。玉米是我国第二大粮食作物，而我国东北镉低积累玉米品种的筛选研究鲜有报道。本实验选取东北地区大面积种植的18个玉米品种，在外加镉污染土壤条件下，研究不同玉米品种对镉的累积和转运差异，以期筛选具有镉低累积潜力的玉米品种，并探讨土壤镉形态与玉米吸收隔之间的关系，为中轻度镉污染耕地的安全利用提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 供试材料

1.1.1 供试土壤

土壤为棕壤，采自沈阳农业大学田间试验基地0～20 cm耕层，经风干、过10目筛后备用。土壤的基本理化性质为：pH 6.89，有机质16.9 g·kg-1，全氮1.36 g·kg-1，全磷0.41 g·kg-1，全钾10.9 g·kg-1，碱解氮63.0 mg·kg-1，速效磷14.5mg·kg-1，速效钾96.0mg·kg-1，镉全量0.15mg·kg-1。

1.1.2 供试玉米

试验选取东北地区大面积种植的18个玉米品种，并分别编号1～18（表1）。

1.2 试验设计

2015年5月至9月在沈阳农业大学基地内进行室外盆栽实验。每个供试玉米品种设实验组和对照组两个处理，实验组需制备镉污染土壤：称取定量的CdCl2·2.5H2O化合物用去离子水配制成溶液后与供试土壤充分混匀，使添加镉后的土壤总镉含量达到5.0mg·kg-1左右。镉污染土壤室温条件下放置30 d后备用。每个处理设3次重复，共108盆，每盆装土14 kg，施用300mg·kg-1（N、P、K各15%）的复合肥。播种5粒，待玉米苗长至3片真叶时每盆留2棵，于大喇叭口期追加尿素10 g·盆-1。生长期间使土壤含水量保持田间持水量的60%～70%，苗期和拔节期进行人工捉虫两次，拔节期和灌浆期喷施农药。

1.3 样品采集与测定

于9月20号采集成熟期玉米和土壤样品。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4部分取样，清水洗净后再用去离子水冲洗，在105℃烘箱中杀青30min，75℃烘干，测生物量，籽粒生物量为玉米产量，并将根、茎、叶和籽粒分别粉碎，过100目筛备用。

土壤镉全量和植物样品镉含量测定：参照土壤农化分析的方法[8]略加改进，取定量土壤样品用王水和高氯酸消煮，取定量植物样品加浓硝酸和混酸（硝酸∶高氯酸=83∶17）进行消煮。消煮液中的镉均用火焰原子吸收分光光度法测定。

1.4 统计分析

采用Excel 2007软件进行数据处理，SPSS 19.0软件进行方差分析、相关性分析、回归分析、聚类分析。

镉富集系数（BF）=玉米植株各部位镉含量/土壤中镉含量。富集系数越大，表示玉米积累重金属能力越强。

镉转运系数（TF）=植株地上各部位镉含量/根部镉含量，表示镉由根部转运、分配到地上部位的能力。转运系数越高，表示重金属从根部转运到地上部位的能力越强[9]。

2 结果与分析

2.1 生物量和产量分析

供试玉米品种的生物量和产量见图1和图2。实验组和对照组不同玉米品种生物量和产量均有显著性差异（P＜0.05）。实验组和对照组生物量范围分别为0.39～0.53、0.40～0.56 kg·盆-1，平均值分别为0.47、0.48 kg·盆-1，两组产量范围分别为0.16～0.26、0.16～0.27 kg·盆-1，平均值分别为0.21、0.21 kg·盆-1。总的来看，在盆栽实验条件下供试玉米品种之间的生物量和产量存在较大差异，但就每一个品种来说，土壤镉全量为5.0mg·kg-1时对玉米生长的影响不大。

表1 供试玉米品种Table 1 The cultivarsofmaize

图1 不同玉米品种生物量Figure 1 Biomassofdifferentmaize cultivars

图2 不同玉米品种产量Figure 2 Yieldsofdifferentmaize cultivars

2.2 不同玉米品种根、茎、叶、籽粒镉的含量

实验组和对照组不同玉米品种根、叶、茎、籽粒镉含量分别见图3、图4、图5和图6。实验组和对照组的根、叶、茎、籽粒镉含量都有显著差异（P＜0.05）。

实验组和对照组根镉含量范围分别为4.80～8.76、0.054～0.150mg·kg-1，平均值分别为7.36、0.087 mg·kg-1。实验组根镉含量最低和最高的品种分别是6号和1号。对照组根镉含量最低和最高的品种分别是4号和9号。

实验组和对照组叶镉含量范围分别为0.30～4.15、0.029～0.062mg·kg-1，平均值分别为1.87、0.046 5 mg·kg-1。实验组叶镉含量最低和最高的品种分别是15号和16号。对照组镉含量最低和最高的品种分别是18号和3号。对照组所有品种和实验组3、15号品种叶镉含量未超过国家饲料卫生标准（≤0.5mg·kg-1）。

实验组和对照组茎镉含量范围分别为0.42～1.98、0.01～0.05 mg·kg-1，平均值分别为1.11、0.029 mg·kg-1。实验组茎镉含量最低和最高的品种分别是7号和16号。对照组茎镉含量最低和最高的品种分别是18号和9号。对照组所有品种和实验组7、12、18号品种茎镉含量未超过国家规定饲料卫生标准。

实验组和对照组籽粒镉含量范围分别为0.016～0.363、0.001 7～0.003 7mg·kg-1，平均值分别为0.144 0、0.002 7mg·kg-1。实验组籽粒镉含量最低和最高的品种分别是18号和8号。对照组所有品种籽粒镉含量未超过国家食品卫生标准（≤0.1mg·kg-1），而实验组的超标率达50%。

图3 不同玉米品种根镉含量Figure 3 Cd contentin rootsofdifferentmaize cultivars

图4 不同玉米品种叶镉含量Figure 4 Cd contentin leavesofdifferentmaize cultivars

图5 不同玉米品种茎镉含量Figure 5 Cd contentin stem ofdifferentmaize cultivars

2.3 不同玉米品种籽粒镉含量的聚类分析

为了筛选镉低积累玉米品种，对实验组和对照组18个玉米品种籽粒镉含量进行聚类分析，结果见图7和图8。实验组和对照组的分析结果都将18个玉米品种籽粒对镉的富集量划分为3类：实验组第一类包括1、3、4、9、12、13、14、15、18号品种，为镉低积累类群，籽粒平均镉含量为0.069mg·kg-1；实验组第二类包括2、5、7、10、11、16、17号品种，为镉中等积累类群，其籽粒平均镉含量为0.185mg·kg-1；实验组第三类包括6、8号品种，为镉高积累类群，其籽粒平均镉含量为0.340mg·kg-1。对照组第一类为镉低积累群，包括3、4、13、14、15、18号品种，其籽粒平均镉含量为0.001 9mg·kg-1；第二类包括1、2、7、9、11号品种，为镉中等积累类群，其籽粒平均镉含量为0.002 8mg· kg-1；第三类包括5、6、8、10、12、16、17号品种，其籽粒平均镉含量为0.003 4mg·kg-1。通过图7和图8数据的比较还可以发现，聚类到实验组和对照组第一类镉低积累类群的玉米品种基本一致。这一现象说明当镉污染水平处于0～5mg·kg-1时，供试玉米品种对土壤镉的吸收品种差异不显著。

图6 不同玉米品种籽粒镉含量Figure 6 Cd content in grain ofdifferentmaize cultivars

图7 实验组籽粒镉含量聚类分析Figure 7 ThehierarchicalclusteranalysisofCd content in grain of experimentalgroup

图8 对照组籽粒镉含量聚类分析Figure 8 The hierarchical clusteranalysisofCd content in grain of conditional controlgroup

2.4 不同玉米品种的富集和转运规律分析

考虑到对照组土壤的全镉含量较低（0.15 mg· kg-1），玉米的镉含量较低，本文仅就实验组不同玉米品种不同器官的富集系数和转运系数进行分析。从表2看出，供试玉米品种根、茎、叶、籽粒的富集系数和茎叶、籽粒转运系数都有显著差异（P＜0.05）。实验组根富集系数均＞1，茎富集系数范围0.093～0.430，平均值为0.246。叶富集系数范围0.068～0.902，平均值为0.414。籽粒富集系数均＜0.1。玉米叶富集镉能力相对于茎略强，但低于根积累镉的能力，而籽粒富集镉的能力最低。实验组茎叶转运系数范围0.19～0.83，平均值为0.38；茎叶转运系数最低和最高的品种分别为18号和10号。籽粒转运系数范围0.03～0.44，平均值为0.15；籽粒转运系数最低和最高的品种分别为18号和8号。

实验组籽粒镉含量未超过国家食品安全卫生标准的有1、3、4、9、12、13、14、15和18号品种，所有玉米品种根富集系数均＞1，同时1、3、4、12、13、14、15和18号品种的茎叶转运系数均小于0.5，且籽粒转运系数均＜0.15，说明以上品种从根向茎叶、籽粒转运镉的能力较弱。9号品种虽然茎叶转运系数为0.58，但籽粒转运系数＜0.1。说明镉从根向茎叶转运能力强而向籽粒转运能力弱。6、7号玉米品种茎叶转运系数＜0.5，籽粒转运系数＞0.2，说明从茎叶向籽粒转运镉的能力较强。10号品种茎叶转运系数最高，籽粒转运系数＜0.1，说明其从根向茎叶转运镉能力较强，但继续向籽粒转运镉的能力相对较弱。2、5、8、11、16、17号玉米品种茎叶转运系数＞0.2，且籽粒转运系数均＞0.1，说明根向茎叶、籽粒转运镉的能力较强，这与其茎叶镉含量超过相关标准、籽粒镉含量超过相关标准结论一致。

表2 实验组供试玉米品种的富集系数和转运系数Table 2 The bioconcentration and translocation factorsofmaize cultivars in experimentalgroup

2.5 土壤镉形态与生物有效性关系

植物吸收重金属的量与重金属的某一种形态而非全量有关[10]。Tessier等[11]将土壤镉分为水溶及可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机结合态、残渣态（表3）。研究表明，红壤、棕壤中可交换态含量较高，铁锰氧化物结合态和有机结合态含量很少，碳酸盐结合态和残渣态含量居中[12-13]。实验组土壤镉形态主要以可交换态和残渣态为主，碳酸盐结合态和铁锰氧化物结合态含量居中，有机结合态含量最低。王新[14]通过对沈阳生态站草甸棕壤土进行田间盆栽试验，发现镉污染土壤的镉生物有效性提高，植物积累镉含量增加。实验组土壤镉形态与植物吸收镉含量的相关性见表4。将玉米根、茎、叶、籽粒镉含量、地上部镉总量以及茎叶转运系数作为因变量Y，土壤可交换态镉含量（X1）、残渣态镉含量（X2）为自变量X，通过逐步线性回归分析来探讨土壤镉形态与玉米吸收镉之间的相关性，统计显著回归方程见表5。镉交换态含量与玉米茎镉含量、叶镉含量、地上部镉总量、茎叶转运系数的相关系数分别为0.699、0.814、0.703、0.622，且都在0.01水平上显著正相关。残渣态镉含量与叶镉含量、籽粒镉含量、地上部镉总量在0.05水平上显著负相关，相关系数分别为-0.606、-0.557、-0.518。

表4 土壤镉形态与玉米吸收镉含量相关性Table 4 The relationship between Cd form and differentindex of maize′suptake

3 讨论

土壤镉交换态含量与玉米茎镉含量、叶镉含量、地上部镉总量、茎叶转运系数显著正相关，这可能与可交换态活性高，易被植物吸收有关。残渣态镉含量与叶镉含量、籽粒镉含量、地上部镉总量显著负相关，这可能与残渣态活性不高不易被植物利用，而且镉各形态处于动态平衡中有关。就已有的研究报道看，玉米品种之间在吸收和富集重金属方面确实存在较大差异。刘锐龙等[15]的研究发现，在土壤中镉的浓度为0.271～0.337mg·kg-1时，京玉11号玉米对镉的弱吸收特性最明显，且玉米对镉的吸收能力与籽实生物量和玉米总生物量之间没有显著相关性；孙洪欣等[16]的研究发现华北地区的9个夏玉米品种在吸收土壤镉和铅方面存在显著差异。本研究发现不同玉米品种根、茎、叶、籽粒积累镉都存在显著的种间差异，这可能与实验选取的18个玉米品种遗传背景差异较大，基因型不同有关。聚类分析显示实验组和对照组第1类镉低积累类群的玉米品种基本一致，这说明供试玉米在中轻度镉污染（≤5.0mg·kg-1）土壤吸收和积累镉无显著的种间差异，可能是因为实验设置的镉污染浓度未达到玉米承受镉能力的阈值，因此未对玉米的正常生长产生太大的影响，具体的作用机制有待进一步研究。就目前的研究来看，还不能从玉米遗传学角度筛选低累积玉米品种。

表3 不同形态镉含量Table 3 Different form ofCd content

表5 土壤镉形态与植物吸收回归模拟方程Table 5 Regression equation ofsoilCd form and uptake ofmaize

从玉米可食部位重金属含量是否满足相关标准、镉富集系数和转运系数小于1以及产量等方面综合评价，选取新东单16、东单60、沈禾118和富友9作为轻度和中度镉污染耕地上种植的推荐品种。然而，目前有关低积累重金属作物品种的筛选方面还没有统一的标准[2]，玉米低积累重金属的作用机制方面研究也比较薄弱，这些工作都待进一步加强。

4 结论

（1）在外源添加镉条件下，供试的18个玉米品种不同部位镉含量都有明显差异，总体呈现根＞叶＞茎＞籽粒的规律。

（2）玉米吸收的镉与土壤可交换态镉含量有一定的正相关关系，与残渣态镉含量有一定的负相关关系。

（3）综合考虑玉米籽粒和茎叶的镉含量、富集系数以及转运系数等因素，筛选出新东单16、东单60、沈禾118和富友9为优选低积累玉米品种，说明在中轻度镉污染耕地筛选和培育玉米籽粒中镉含量较低且不超标的低积累玉米品种的方式是可行的。

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Accumulation and translocation of cadm ium in differentmaize cultivars

XINYan-wei,LIANGCheng-hua*,DU Li-yu,WUYan,ZHANGYa-nan,HUYue
（Shenyang Agriculture University,College of Land and Environment,Shenyang 110866,China）

Eighteen maize cultivars,which are widely planted in the Northeast China,were selected asmaterials in a pot experiment.The aims of this study were to investigate the rule of cadmium（Cd）accumulation and translocation under Cd stress conditions（5mg·kg-1）,and explore the relationship between Cd form and itsabsorption by the crop.The results showed that the biomass and yield among cultivarswere not significantly different,while the ability to accumulate and translocate Cd was significantly different in the root,stem,leaf,and grain of maize.Among the cultivars,accumulation of Cd in the grain in nine cultivars did not exceed the national hygienic standard of food safety, while that in stem in three cultivars and in leaves in two cultivars did notexceed the hygienic standard of feed.The Cd accumulation coefficients in root,stem,leaf,and grain ofmaizewere 1.076～1.991,0.093～0.430,0.068～0.902,and 0.004～0.081,respectively.The transferring coefficients of stem and leaf ranged from 0.19 to 0.83 and from 0.03 to 0.44,respectively,which suggest that themaize cultivars had a certain ability to absorb Cd from the soil,but the transporting ability from shoot to stem,leaf,or grain wasweak.Cd absorbed bymaize had a positive correlation with the exchangeable state and negative correlation with the residual state.According to the evaluation of biomass,Cd content,enrichment,and transferring coefficient,four cultivars named Xin Dongdan 16,Dongdan 60,Shenhe 118,and Fuyou 9 could be recommended for cultivation in themild andmoderate Cd contaminated soils.

maize;cultivardifference;accumulation;translocation;cadmium form

X53

A

1672-2043（2017）05-0839-08

10.11654/jaes.2016-1668

2016-12-28

辛艳卫（1992—），女，山东潍坊人，硕士研究生，从事污染土壤修复研究。E-mail：xinywxin@163.com

*通信作者：梁成华E-mail：liang110161@163.com

国家科技支撑计划（2015BAD05B03）

Project supported：TheNationalKey Technology Research and DevelopmentProgram of theMinistryofScienceand Technology ofChina（2015BAD05B03）

辛艳卫，梁成华，杜立宇，等.不同玉米品种对镉的富集和转运特性[J].农业环境科学学报,2017,36（5）：839-846.

XINYan-wei,LIANGCheng-hua,DU Li-yu,etal.Accumulation and translocation of cadmium in differentmaize cultivars[J].Journal of Agro-Environment Science,2017,36（5）:839-846.