不同玉米品种对镉吸收累积特性研究

2018-05-02兰玉书

四川农业大学学报 2018年1期

袁林，刘颖，兰玉书，伍钧，杨刚

（1.四川农业大学环境学院，成都 611130；2.四川农业大学生态环境研究所，成都 611130）

随着城市化及工业化的发展，土壤重金属污染已成为当今世界发展的一个重要环境问题，土壤重金属污染治理备受关注[1-2]。据国家环境保护部统计，我国土壤重金属总超标率为16.1%，其中重金属镉（Cd）点位超标率达7.0%[3]。每年因重金属污染的粮食达2 000万t，造成直接经济损失超过200亿元[4-5]。曾希柏等[6]在对山东、甘肃、河南、吉林等粮食主产区耕地重金属状况调查时，发现农田土壤中Cd含量超标率最高。有研究显示Cd是我国农田土壤重金属污染物中的优先污染物[7]。因重金属Cd移动性强，对周围环境（如大气、地表水、地下水和生态环境等）有潜在风险[8]。土壤中过量的Cd易被植物吸收并在植物各器官中积累，抑制植物对营养物质的吸收，扰乱植物正常的新陈代谢，影响植物的呼吸作用[9]和光合作用[10]，同时还会使细胞膜透性增加[11]，易对植物造成损害。同时重金属Cd可能进入食物链，富集到人体和动物体中，会造成巨大的健康风险[12]。因此，解决土壤重金属Cd污染问题非常迫切，而植物修复是一项最简单、最安全、成本最低的处理方法[13]。

寻找富集系数高、生长量大的植物是植物修复技术的基础和关键[14]。玉米属C4植物，是我国北方和西南山区及旱谷地区人民的主要粮食之一[15]，对多种环境因子的胁迫均表现出较强的抗性，生长迅速、生物量大。玉米在植物修复方面具有很强的应用潜力，是广泛用于重金属污染研究的重要农作物[16]。R.L.Chaney等[17]利用褐菜蓝属、麦瓶草属、长叶葛芭、低累积型玉米和抗性紫洋芋，共用3年的时间成功清除土壤中的Cd。杨惟薇等[18]研究了镉（10 mg/kg）对10种玉米品种的胁迫，表明玉米对重金属Cd有较强富集能力。由此可看出，玉米对轻中度重金属Cd污染土壤是能到达一定修复效果。同时筛选可食部位对Cd积累能力较弱、籽实中Cd含量不超标且产量较高的品种，并在西南地区重金属轻中度污染的农田进行推广种植，不仅能保障该地区的粮食生产，而且能有效避免重金属进入食物链，并能修复重金属Cd污染土壤，从而保障粮食安全[19-21]。

人类对矿产资源的开发和利用正是土壤重金属污染物的主要来源之一[22]。本研究以四川某铅锌矿区镉污染土壤为供试土壤，选择西南地区主推的9个玉米品种为研究对象，通过盆栽实验探究在铅锌矿区土壤环境下，不同玉米品种对重金属Cd吸收积累差异性，找出对重金属Cd修复效力较高，能更大限度修复土壤环境的生态环境效应最佳的玉米品种。

1 材料和方法

1.1 供试材料

供试土壤（见表1）：采自四川省某铅锌矿区，土壤类型以红色石灰性土壤为主。土样去除杂质，室内风干，磨细分别过0.154 mm和0.90 mm筛，备用。

表1 土壤基本理化性质Table 1 Physical and chemical properties of soil

供试品种：由四川农业大学农学院提供；9个不同玉米品种在本文中对应的编号分别为1号-正红6号、2号-正红 212号、3号-正红 532号、4号-川单13号、5号-川单14号、6号-川单428号、7号-雅玉12号、8号-成单30号、9号-农大95号。

1.2 试验方案

将采集的土壤经风干，压碎，过0.90 mm×0.90 mm筛后混匀后用于盆栽试验。每盆装土15 kg（以风干土重计），加入复合肥（按 N∶P2O5∶K2O 比值为 20∶20∶10）做基肥，每盆种8株玉米，每个品种重复3次，分别在播种20 d后、40 d后、拔节期时每盆采集2株当作生长期的实验材料，最后采集成熟期的玉米植株样品，生长过程中土壤保持最大田间持水量的60%～70%，网室内培养。培养过程中定期浇水，并按照常规方法进行等量施肥，每盆施肥具体时间及用量见表2。

1.3 测定的指标及分析方法

①供试土壤种植玉米前后的重金属Cd含量。

表2 盆栽试验施肥统计Table 2 Fertilization statistics of the pot experiment

土壤样品用王水-HClO4消煮-原子吸收法测定Cd含量。

②成熟期收获时玉米各器官中重金属Cd的含量。

玉米植株样品采用HNO3-HClO4消煮-原子吸收法测定重金属Cd含量。

1.4 数据处理分析

采用 Microsoft Excel 2010、Origin、SPSS 20.0 等数理统计分析软件，对数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 玉米品种对重金属Cd累积特征

由表3可知，各玉米品种地上部分富集范围为1.84～4.41 mg/kg，地下部分富集范围为 3.52～9.18 mg/kg。9种玉米品种的地下部分均大于地上部分，这因为植株本身遗传特性，比如植物地下部分的获取、吸收、转运、积累重金属Cd的差异。与陈燕等[23]的研究结论有差异，可能是由于重金属离子的性质及在土壤中的存在形态土壤本身的性质以及其他离子产生的协同或拮抗作用等诸多因素造成，从而影响重金属向玉米地上部迁移[24]。

研究表明地上部分对Cd累积量最大是川单13号（4.41 mg/kg），其次为正红 532号（3.74 mg/kg），最小的是农大95号（1.84 mg/kg）。籽粒Cd富集量最大为川单428号（0.110 mg/kg），其次为农大95号（0.104 mg/kg），根据GB 2762-2012中国食品中重金属Cd的限量标准（≤0.1 mg/kg)，除川单428号和农大95号，其他玉米品种均不超标。地下部分对重金属Cd的累积量为正红6号（9.18 mg/kg）＞雅玉12号（7.21 mg/kg）＞农大 95号（6.87 mg/kg），最小的为川单14号（3.52 mg/kg），其它品种则没有太大差异。说明不同玉米品种对Cd的吸收累积是有差异的，其中最高（正红6号）是最低（川单14号）的2.17倍。郭晓方等[25]研究表明8种玉米品种对重金属Cd、Pb、Zn和Cu累积与转运存在品种间的差异。因为Cd作为植物非必需元素，主要是通过被动进入植物体内，而且重金属在植物体内的分布规律是新陈代谢旺盛的器官蓄积量较大，而果实、籽粒、茎叶蓄积量较少[26]。赵明等[27]研究了8种主栽花生对Cu、Zn、Pb、Cd、Cr的富集能力，结果发现部分元素在不同品种间各个器官内存在显著性差异，这一发现与本研究结果一致。

2.2 不同玉米品种对Cd的富集能力

表3 玉米体内Cd含量、转移系数、生物量、籽粒及单株富集量Table 3 Concentrations and TF of Cd transfer factors，biomass，the grain and adsorption in maize

重金属被玉米吸收后会在玉米的各个部分贮藏积累。富集系数（enrichment coefficient，EC）是指植物体内某种重金属含量与土壤中该重金属原有含量的比值，是评价植物富集重金属能力的重要指标之一，它反映了植物对某种重金属元素的富集能力。EC越大，其富集能力越强[28]。

由图1可知，9个玉米品种各部分对重金属Cd的富集系数均表现为：地下部＞地上部，同一部位不同玉米品种的富集系数也是有差异的。地下部分对于重金属Cd的富集系数变化范围为：0.7～1.41；地上部分则为：0.3～0.81。S.P.McGrath 等[29]认为植物修复技术的成功与否取决于生物量和生物富集系数。有研究显示重金属会造成植物的低生物量[30]。本研究中9种玉米品种生物量差异不大（见表3），结果显示单株富集量范围为0.13～0.26 mg/株，其中正红 6号（0.26 mg/株）＞雅玉 12号=川单 13号（0.21 mg/株）＞农大 95号（0.20 mg/株），其他玉米品种单株富集量均小于0.20 mg/株；且正红6号、雅玉12号、农大95号根系Cd富集系数均大于1，可用于对重金属Cd污染的土壤进行修复。

图1 Cd在玉米各部位的富集系数Figure 1 Cd enrichment coefficient in differentparts of maize cultivars

2.3 不同玉米品种对Cd的转移能力

转移系数（translocation factors，TF）是植物地上部和根部重金属含量的比值，可以体现植物从根部向地上部运输重金属的能力[31]。转移系数是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[32]，各玉米品种对Cd的转移系数见表3和图2。

9个玉米品种对Cd的转移系数范围为：0.268～0.902，转移系数均未超过1，其幅度为0.069～0.634，说明不同玉米品种将Cd从玉米地下部分向地上部分的转运能力不同。其原因是某些植物会促进重金属在根部的吸附和沉积，减少向上转移，通过根际固定作用来稳定污染土壤中的重金属，造成植物的转移能力不同[33]。

图2 各玉米品种对Cd的转移系数Figure 2 Cd transfer coefficient of maize cultivars

2.4 玉米各器官间重金属的含量的相关性分析

玉米各器官间重金属的含量相关系数见表4，可以看出玉米根和茎、根和籽粒中Cd含量之间呈负相关，说明根中Cd含量多，茎和籽粒中Cd含量就相对较少；其他各器官间Cd含量均表现为正相关。由于各器官对重金属Cd的富集量总表现为地下部分大于地上部分，所以考虑选取地下部分重金属Cd含量高且单株富集量大的玉米品种作为修复品种。

表4 玉米各器官间重金属的含量的相关性Table 4 The correlation of the content in different parts of maize

3 讨论与结论

3.1 讨论

近年来，土壤重金属污染是亟待解决的环境问题。利用植物重金属吸收特性，选择适当的植物品种，对土壤重金属进行修复是最佳的选择[34]。本研究选取铅锌矿区的土壤，受到重金属Cd污染，土壤总Cd含量10.47 mg/kg，pH：8.22。本研究得出不同玉米品种各部分对重金属Cd的富集积累能力有显著差异，最高是最低的2.17倍，这与郭晓方等[25]研究一致。本研究的9种玉米品种的转移能力有显著的差异，结果表明玉米品种最高转移系数是最低的3.36倍。郭晓方等[25]对广东地区轻中度污染农田开展的8个玉米品种筛选的研究，发现甜玉米和饲料玉米对Cd的转移能力有较大差异；孙洪欣等[35]的研究结果显示9种夏玉米研究对Cd、Pb积累和转移存在差异，这可能是因为不同区域、不同生长环境和玉米品种对重金属Cd的积累能力存在及其显著的差异[21]。本研究结果表明玉米对重金属Cd富集能力均表现为地下部分大于地上部分，其中9种玉米品种富集系数和转移系数范围分别为1.16～1.76、0.268～0.902，说明9种玉米品种具有一定的富集和转运能力，且玉米的富集能力是强于转移能力的。籍贵苏等[13]研究不同高粱种质对重金属的吸收特征，结果发现高粱的富集和转移能力也是不能同步的。

本研究结果显示：正红6号、川单13号、雅玉12号、农大95号单株富集量均大于0.20 mg/株，富集系数大于1.5，转移系数范围为0.268～0.473。而正红6号、雅玉12号具备较弱的地上转移能力，说明作物从重金属秸秆转移到籽粒中的量减少，从而可以进一步保证粮食的安全[35]。

筛选土壤重金属修复的玉米品种，理应着重考虑单株的富集能力、转移能力和生物量[36]。玉米相比于其他植物有比较明显的生物量优势。本研究玉米受到重金属Cd的污染，但玉米植株没有表现出明显的不良症状，说明玉米对重金属具有一定耐受性和抗性。孙姣辉等[37]研究表明玉米植株同样没有出现任何的病状，均正常生长。与本研究结果一致。9种玉米品种均表现良好的单株富集量，对重金属Cd有一定的富集能力和转运能力。因此，筛选出优良玉米品种作为修复重金属Cd污染的土壤是极具潜力的。

3.2 结论

①玉米品种各部位对重金属的吸收累积都是不同，而大部分Cd在地下部分，结果为正红6号（9.18 mg/kg）＞雅玉 12号（7.21 mg/kg）＞农大 95号（6.87 mg/kg）；正红6号、雅玉12号、农大95号根系Cd富集系数均大于1，其中川单428号和农大95号籽粒Cd含量超标，其他品种均不超标。

②单株吸收量结果为：正红6号（0.26 mg/株）＞雅玉12号=川单13号（0.21 mg/株）＞农大95号（0.20 mg/株）。

③玉米品种根与茎、根与籽粒的重金属Cd含量均表现为负相关性，说明地下部分对重金属Cd吸收累积起到非常重要的作用。

综上所述，根据玉米对重金属Cd的富集能力、单株吸收量、转运能力差异和玉米各器官相关性等指标，所以将正红6号、雅玉12号和农大95号作为对重金属Cd污染的土壤进行修复的首选玉米品种。利用玉米品种较强的富集能力和一些转移能力，是能够达到对土壤中重金属Cd的修复目的。

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