不同玉米品种对Cd、Pb、As积累与转运的差异研究

杜彩艳，余小芬*，杜建磊，毛妍婷，段宗颜**，包立，张乃明**，陈军

1. 云南省农业科学院农业环境资源研究所，云南 昆明 650205；2. 云南省农业大学资源与环境学院，云南 昆明 650201

随着中国工业化、城市化和集约化农业的迅猛发展，大量重金属污染物通过各种途径进入环境，导致农业土壤污染问题日趋严重（陈卫平等，2018；Huang et al.，2019）。土壤重金属污染不仅能直接影响农作物的质量而且会间接影响动植物和人类的健康（罗惠莉等，2018），甚至整个生态环境质量（Chen et al.，1999）。云南个旧是有名的“世界锡都”，矿业活动频繁，环境污染严重（叶玉瑶等，2004），矿区周边农田土壤受到不同程度的重金属污染，严重影响当地的农产品质量。因此，重金属污染土壤的修复和治理有助于整个生态环境质量的改善与提高，更有助于人民生活品质的提高。

重金属污染土壤的修复一直是国内外环境科学研究的热点和难点问题，在修复土壤重金属污染的各种技术中，植物阻隔修复（Phytoexclusion）技术（Dickinson et al.，2009），作为一种低成本、易于推广且环境友好的修复技术，近几年来很多学者推荐将其用于重金属中轻度污染农田的治理。植物阻隔修复技术，即通过种植重金属低积累品种来减少作物可食部位的重金属含量，实现“边生产边修复”，是一条经济、有效的途经（徐建明等，2018；Dickinson et al.，2009；王林等，2014），既符合中国人多地少的实际国情，又能保证中轻度重金属污染条件下粮食作物的安全生产。研究证实，不同作物和同一作物不同品种或基因型，在对重金属的吸收和积累方面存在显著差异（Grant et al.，2008；刘维涛等，2009），这就为重金属低积累作物的筛选奠定了理论与物质基础。辛艳卫等（2017）通过盆栽试验，研究了在土壤外加全Cd（5.0 mg·kg-1）条件下18个玉米品种对Cd的富集与转运差异，结果表明参试玉米的生物量和产量，以及根、茎、叶和籽粒积累与转运 Cd的能力存在显著差异；Zhang et al.（2010）研究亦发现4种不同的湿地植物不同部位积累与转运Cd的能力存在显著差异；孙洪欣等（2015）根据玉米产量、玉米地上部Cd、Pb含量、富集系数、转运系数等指标综合评价，筛选出先玉 335为既高产且可食部分籽实具有低积累 Cd、Pb潜力的品种，适宜在华北地区 Cd、Pb轻度污染区推广种植。这些研究表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。然而，以往的研究多数都是在当地条件进行的，其研究结果具有很强的地区性，不同的作物品种具有各自适种的生态区域，而且不同地区的土壤类型、污染程度不同。因此，在重金属中轻度污染农田的不同生态区域因地制宜地开展重金属低积累农作物品种的田间筛选研究势在必行。

玉米（Zea mays）在中国西部地区，特别是云南被广泛种植，是个旧当地的主栽品种。不同的玉米品种具有各自适种的生态区域。因此，本研究在云南省个旧市北郊鸡街镇农田开展了田间小区试验，研究个旧地区大面积种植的 24个玉米品种对土壤重金属Cd、Pb、As的积累和转运的潜力差异，以期筛选出具有Cd、Pb、As低积累潜力性状的玉米品种。本研究无论从筛选适宜在试验区境内种植的玉米品种籽粒中重金属含量不超标且产量较高的品种，从而促进其在试验区的农田推广应用角度，还是从进一步研究作物重金属低积累品种可食部位低积累重金属的作用机制角度，均具有重要意义；同时亦可为中轻度Cd、Pb、As中轻度污染农田土壤的安全利用提供技术支撑。

表1 供试玉米品种Table 1 The cultivars of maize

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验地位于云南省个旧市北郊鸡街镇农作物连片种植的水旱轮作农田，供试土壤类型为黄红壤，由于该地区多年的工矿废水以及采矿冶炼化工及大气降尘污染，造成大量农田遭受重金属大面积污染，其中以As、Cd和Pb污染较为严重（张德刚等，2009）。其基本理化性质为：pH值 6.98，有机质 31.81 g·kg-1，全氮 1.97 g·kg-1，全磷 1.72 g·kg-1，全钾 12.95 g·kg-1，碱解氮 140.61 mg·kg-1，速效磷62.42 mg·kg-1，速效钾 148.61 mg·kg-1，Cd 全量 1.58 mg·kg-1，Pb 全量 256.75 mg·kg-1，As 全量 90.82 mg·kg-1，根据国家《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》（GB15618—2018），研究区域土壤重金属Cd、Pb和As含量分别超出GB 15618—2018规定的风险筛选值5.26、2.44、3.03倍。

供试玉米品种24个（见表1），均为个旧市大面积种植的玉米品种，购自个旧市种子销售点。

1.2 试验设计

试验以 24个玉米品种为供试材料，采用随机播种的方法进行玉米种植，每个品种3次重复，共72个小区，行间距60 cm×50 cm，小区面积30 m2（5 m×6 m）；同时试验地四周设置2行玉米作为保护行，以消除边际效应。

试验于2018年4月26日直接点播，5月14日定苗，2018年8月15日一次性收获。播种前施“施可丰”复合肥（15-15-15，总养分≥45%）做基肥，施用量为600 kg·hm-2；玉米拔节期追施尿素（云天化生产，ω(N)≥46%），施用量为 300 kg·hm-2。田间管理按大田常规进行。

1.3 样品采集与分析

于8月15号采集成熟期玉米和土壤样品（0－20 cm）。土壤样品自然风干粉碎后过100目筛备用；玉米植株样品分根系、茎叶、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，70 ℃烘干至恒重，并将根系、茎叶、籽粒分别粉碎过 40目筛备用。土壤 Cd、Pb、As全量和植物样品Cd、Pb、As含量测定：参照土壤农化分析的方法（鲁如坤，1999）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Cd、Pb均用火焰原子吸收分光光度法测定；消煮液中的As均采用氢化物发生-原子荧光光谱法（海光，AFS-2202E）测定。

产量测定：玉米成熟期，选取具有代表性的 1行玉米，以间隔式的方式选取4株，将果穗取下立即称量其鲜质量，放入网袋中带回实验室进行考种，最后再通过出籽率、籽粒含水量（按14%含水量折算）测算出实际产量，即玉米的经济产量 P（kg·hm-2），计算式如下：

式中，Ws为单株干质量（kg）；Np每公顷实有株数。

1.4 数据处理

运用Microsoft Excel 2013软件进行数据处理，SPSS 17.0软件进行方差分析、聚类分析。

采用富集系数（BCF）表征玉米积累重金属能力；采用转运系数（TF）表征重金属通过根部进入地上部转运及地上部不同器官转运的能力，计算式如下：

式中，BCF为重金属富集系数；S为玉米地上部重金属含量（mg·kg-1）；T为土壤相应元素含量（mg·kg-1）。富集系数越大，表示玉米积累重金属能力越强（陈小华等，2019）。

式中，TF为重金属转运系数；S为植株地上各部位重金属含量；R为根部相应重金属元素含量。TF越大，表明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（杜彩艳等，2017；辛艳卫等，2017；陈小华等，2019）。

图1 不同玉米品种的产量差异Fig. 1 The differences in yields of different varieties of maize

2 结果与分析

2.1 参试玉米产量的品种差异

图1表明，不同参试玉米产量存在一定的品种间差异，其产量为 7427.25－12782.25 kg·hm-2。24个参试品种中，7号品种产量最高，为 12782.25 kg·hm-2，显著高于试验中其他品种的产量（P＜0.05），其次是6、5、22、3号品种，它们的产量均显著高于16号品种（P＜0.05），16号品种产量最低。此外，7号、6号、5号、22号、3号较16号产量分别高出 41.89%、39.92%、37.09%、35.95%和 35.75%。24个玉米品种产量依次为：7＞6＞5＞22＞3＞1＞17＞11＞8＞2＞18＞23＞24＞15＞14＞13＞20＞10＞12＞10＞12＞4＞19＞21＞9＞16。

图2 玉米籽粒中Cd，Pb和As含量的品种差异Fig. 2 The concentrations of Cd, Pb and As in grains of different varieties of maize

2.2 参试玉米籽粒Cd、Pb和As含量的品种差异

不同玉米品种籽粒Cd、Pb和As含量分别见图2A－图2C。不同玉米品种籽粒Cd、Pb和As含量均存在明显差异。参试玉米品种籽粒Cd、Pb和As含量分别为 0.04－0.72、0.02－0.1、0.000－0.017 mg·kg-1，平均值分别为 0.28、0.04、0.006 mg·kg-1。参试玉米中籽粒Cd含量最低和最高的品种分别是6号和24号，其中5、6、7、12和22号5个品种籽粒的Cd含量符合国家规定的食品卫生标准（≤0.1 mg·kg-1），其余19个品种的籽粒Cd含量均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79%。参试玉米籽粒Pb含量最低和最高的品种分别是8号和14号，参试玉米品种籽粒的Pb含量均未超过国家规定的食品卫生标准（≤0.2 mg·kg-1）。参试玉米籽粒As含量最低和最高的品种分别是3、7、8、9号和17号，本试验条件下参试玉米籽粒 As含量均未超过国家食品卫生标准（≤0.5 mg·kg-1）。

2.3 参试玉米茎叶Cd、Pb和As含量的品种差异

由图3A－图3C可知，不同玉米品种茎叶Cd、Pb和As含量均存在一定的差异。参试玉米品种茎叶 Cd、Pb和 As含量分别为 0.74－2.59、12.27－31.61、3.86－6.47 mg·kg-1，平均值分别为 21.80、1.73、5.10 mg·kg-1。参试玉米品种茎叶Cd含量最低和最高的品种分别是3号和12号。参试品种茎叶Pb含量最低和最高的品种分别是15号和11号。参试品种茎叶 As含量最低和最高的品种分别是 3号和21号。所有参试品种茎叶Cd、Pb和As含量均超过国家饲料卫生标准（≤0.5 mg·kg-1）。

2.4 参试玉米根Cd、Pb和As含量的品种差异

参试玉米根中Cd、Pb和As含量分别见图4A－图4C。不同玉米品种根Cd、Pb和As含量均存在明显的差异。参试玉米根Cd、Pb和As含量范围分别为 0.50－1.84、6.43－41.44、1.31－3.74 mg·kg-1，平均值分别为 1.27、17.89、2.88 mg·kg-1。参试玉米中根 Cd含量最低和最高的品种分别为15号和20号，Pb含量最低和最高的品种分别是15号和2号，As含量最低和最高的品种分别为4号和17号。

图3 玉米茎叶中Cd，Pb和As含量的品种差异Fig. 3 The concentrations of Cd, Pb and As in stem leaf of different varieties of maize

图4 玉米根中Cd，Pb和As含量的品种差异分析Fig. 4 The concentrations of Cd, Pb and As in root of different varieties of maize

2.5 参试玉米茎叶、籽粒Cd、Pb和As富集系数的品种差异

富集系数（BF）通常能较为直观地表征植物各部分对重金属的吸收积累能力。由表2可知，本试验条件下参试玉米的籽粒、茎叶Cd、Pb和As的富集系数均存在一定的差异。参试 24个玉米品种茎叶Cd的富集系数为0.494－1.696（表2），其中1、3、5、6、7、9、21号等7个品种的富集系数小于1，说明这7个玉米品种的茎叶对土壤Cd的吸收能力均较弱，其余17个品种较强。24个参试玉米的茎叶Pb、As富集系数分别为0.049－0.126、0.034－0.054，均小于1，表明参试玉米茎叶对土壤Pb、As的吸收能力较弱。

参试24个品种玉米籽粒对土壤中Cd、Pb和As的吸收积累能力存在明显差异（P＜0.05）。籽粒中Cd富集系数为0.03－0.53，其中籽粒Cd富集系数较低的是5、6、7、22号品种，籽粒中Cd富集系数最高的24号品种，比5、6、7、22号品种Cd富集系数高出10倍多。24个品种玉米籽粒中Pb和As富集系数均低于 0.0004（表 2），表明供试玉米品种的籽粒对土壤中Pb和As积累能力较低。这与参试玉米籽粒中Cd、Pb、As含量（图2）均一致。此外，参试玉米茎叶富集Cd、Pb、As能力大于籽粒。

表2 不同玉米品种茎叶和籽粒对Cd、Pb和As的富集系数Table 2 The bioaccumulation factors of Cd, Pb and As for stem leaf and grains of different varieties of maize

2.6 参试玉米Cd、Pb和As转运系数的品种差异

玉米茎叶和籽粒中重金属含量的变化特征与作物不同部位重金属的迁移能力密切相关。因此，本研究在初步了解各参试品种对Cd、Pb和As积累程度的基础上，通过转运系数（TF）进一步验证Cd、Pb、As由根部向茎叶、茎叶向籽粒转运的能力是否存在品种差异。本试验条件下参试的 24个玉米品种Cd的茎叶转运系数、籽粒转运系数分别为0.46－3.49、0.025－0.410（表3），且品种间均存在一定的差异，其中 3、9、20、21号 4个品种茎叶转运系数小于1，而所有品种籽粒Cd转运系数均小于1；说明这4个玉米品种对Cd由根部向茎叶转运的能力较弱，而所有参试玉米对Cd由茎叶转运到籽粒的能力均较弱。24个玉米品种Pb的茎叶、籽粒转运系数分别为0.55－3.45、0.001－0.004，各品种之间有明显的差异，其中参试品种1、2、5、7、8号的Pb茎叶转运系数小于1，说明这5个玉米品种Pb茎叶转运能力均较弱，所有参试玉米对Pb由茎叶转运向籽粒的能力均较弱。参试玉米品种 As的茎叶、籽粒转运系数分别为1.31－4.21、0.000－0.003，品种间差异明显，所有品种茎叶As转运系数都大于1，而所有品种籽粒As转运系数均小于1，表明所有参试玉米品种对 As由根部向茎叶转运的能力较强，而所有参试玉米品种对 As由茎叶向籽粒转运的能力都较弱。

2.7 参试玉米籽粒、茎叶Cd、Pb和As含量的聚类分析

为了进一步明确不同玉米品种籽粒对 Cd、Pb和As的积累能力，对24个参试玉米籽粒的Cd、Pb、As含量进行聚类分析（图5A－图5C）。本试验条件下参试玉米品种的生长环境都一致，环境对玉米吸收Cd、Pb和As的影响亦一致，由此推测不同玉米品种Cd、Pb、As含量的差异主要源自其对Cd、Pb和 As的积累能力。24个玉米品种籽粒对Cd的积累能力差异可划分为4类（图5A）：第一类为Cd低积累类群，包括3、4、5、6、7、8、12和 22号 8个品种，其籽粒 Cd含量平均为 0.079 mg·kg-1，变化范围在 0.04－0.12 mg·kg-1之间，其中3、5、6、7、12、22号6个品种籽粒Cd含量均符合国家食品卫生标准；第二类为Cd高积累类群，包括11、20、24号3个品种，其籽粒平均Cd含量为0.75 mg·kg-1；而其他两类为Cd中等积累类群，玉米籽粒Cd含量均处于中等水平，变化范围为0.16－0.52 mg·kg-1。

参试的24个玉米品种对Pb的积累能力差异可以分为4类（图5B），第一类是8号品种，为Pb低积累类群，其籽粒Pb含量为0.01 mg·kg-1；第二类是14号品种，为Pb高积累类群，其籽粒Pb含量为0.10 mg·kg-1；其他两类籽粒中Pb含量处于中等水平，为Pb中等积累类群，变化范围为 0.02－0.04 mg·kg-1。

参试玉米品种籽粒 As聚类分析结果表明（图5C），24个参试品种籽粒对As的积累能力差异可分为3类：第一类为As低积累类群，包括2、3、4、6、7、8、9、20、23和 24号 10个品种，其籽粒平均As含量为0.0007 mg·kg-1，变化范围为0.000－0.002 mg·kg-1；第二类为 As高积累类群，包括 10、11、12、13、14、15、16和17号8个品种，其籽粒平均As含量为0.013 mg·kg-1；第三类为As中等积累类群，包括其他6个供试品种，其籽粒As含量平均为0.004 mg·kg-1，变化范围为 0.003－0.006 mg·kg-1。

表3 不同玉米品种Cd、Pb和As茎叶/籽粒的转运系数Table 3 The translocation factors of Cd, Pb and As from straws to grains for different varieties of maize

3 讨论

本研究在Cd含量1.58 mg·kg-1，Pb含量256.75 mg·kg-1，As含量 90.82 mg·kg-1，pH 值 6.98 的个旧矿区周边农田中进行，探讨个旧地区大面积种植的24个玉米品种对Cd、Pb、As积累与转运的潜力差异。结果表明，参试的 24个玉米品种产量，根、茎叶和籽粒Cd、Pb、As含量，富集系数与转运系数均存在一定差异，这与前人的研究结果一致（Zhang et al.，2010；辛艳卫等，2017）。试验选取的 24个玉米品种遗传背景差异较大，不同品种玉米Cd、Pb、As离子的吸收和转运机制不同，进而造成品种间 Cd、Pb、As含量和分布的巨大差异（Liang et al.，2018）；另一方面，低积累植物对重金属的耐性机制通常包括以下几方面：（1）区域化作用，指重金属只在植物的某一特定部位富集，与细胞中其他组分隔离而达到解毒作用；（2）络合作用，即重金属与植物体内的有机物（如蛋白）或者无机物（如硫化物）形成络合物使重金属在液泡中聚集；（3）排斥作用，即重金属在植物体内的运输受到阻碍，被植物吸收后又被排斥出体外（Bake，1981）。本试验条件下参试的 24个玉米品种茎叶Cd、Pb、As的富集系数分别为0.494－1.696、0.049－0.126、0.034－0.054（表 2），籽粒中 Cd富集系数为0.03－0.53，籽粒中Pb和As富集系数均低于0.0004（表 2）；表明参试玉米茎叶富集 Cd、Pb、As能力均大于籽粒。另一方面，24个参试玉米品种 Cd、Pb、As的籽粒转运系数范围分别为 0.025－0.410、0.001－0.004 和 0.000－0.003（表 3），表明所有参试玉米品种对Cd、Pb、As由茎叶向籽粒的转运能力均较弱。籽粒转运系数越小，说明植物所吸收的重金属从茎叶向可食部位转移的量就越少，相应地进入食物链的比例就减少，从而保证农产品的安全。研究表明，玉米主要通过区域化作用，即抑制和阻隔茎叶中Cd、Pb、As向籽粒转运来降低籽粒中Cd、Pb、As含量，这与以往研究相似（吴传星，2010；孙洪欣等，2015）。但也有研究表明，玉米秸秆具有较强的向籽粒转运Cd、Pb的能力，郭晓方等（2010）研究表明，饲料玉米和甜玉米对Cd、Pb的积累能力都很高，玉米籽粒中Cd、Pb含量分别为 0.124－0.536 mg·kg-1和 0.125－0.414 mg·kg-1，此外，玉米秸秆中Cd、Pb向籽粒转运的转运系数均在0.3以上。其原因可能是不同区域下不同生长环境以及不同的玉米品种对重金属的积累能力存在极其显著的差异所致（于蔚等，2014；肖蓉等，2017）。

图5 不同玉米品种籽粒中Cd，Pb和As含量聚类分析Fig. 5 The hierarchical clustering analysis diagram of Cd, Pb and As concentrations in grain of different varieties of maize

本研究表明，参试玉米品种茎叶Cd、Pb和As含量分别为 0.74－2.59、12.27－31.61、3.86－6.47 mg·kg-1，平均值分别为 21.80、1.73、5.10 mg·kg-1；所有参试品种茎叶Cd、Pb和As含量都超过了国家饲料卫生标准（≤0.5 mg·kg-1），然而均未超过有机肥料中重金属Cd、Pb和As限量标准，因此仍然可以作为有机肥或生产有机肥商品的原料。

关于重金属低积累品种的筛选、应用及其累积重金属机理方面的研究有不少报道，提出了如“低积累品种（Low accumulators or cultivars with low accumulation）”及“重金属排异品种（Heavy metal exclusive cultivar)”、“污染预防/对策品种（Pollution-safe cultivars）”等概念（Yu et al.，2006）。这些概念虽然表述不一样，但均体现了重金属低积累作物的主要特征，即在污染环境中生长时其可食部分重金属含量明显低于国家规定的食品或饲料卫生标准，能够满足农业安全生产的需求。此外，刘维涛等（2009）还借鉴超富集植物（Hyperaccumulator）的筛选标准，提出了重金属低积累作物品种的筛选标准：可食部分含量低、地上部低富集、体内低运转及高耐性。然而，迄今为止，国内尚没有筛选重金属低积累作物的明确标准。本研究认为：筛选重金属低积累作物最主要的特征是：作物可食部位重金属含量相对较低，且需符合食品安全国家标准食品中重金属限量标准（GB 2762—2012）。据此，本研究优先考虑产量较高且籽粒对Cd、Pb、As富集能力较低的玉米品种作为低积累Cd、Pb、As玉米品种。本试验结果显示：5号（路单12号）、6号（足玉7号）和7号（华兴单88号）3个品种对Cd、Pb、As的耐性较强，其产量相对较高（图1）；5号、6号和7号品种籽粒Cd 含量分别为 0.07、0.04、0.06 mg·kg-1，Pb 含量分别为 0.03、0.03、0.04 mg·kg-1，而 As含量都≤0.01 mg·kg-1，均没有超过国家食品卫生标准（Cd≤0.1 mg·kg-1，Pb≤0.2 mg·kg-1，As≤0.5 mg·kg-1）；通过聚类分析可知，3个品种均属于Cd、Pb、As低积累类群，而且其籽粒对土壤中Cd、Pb、As富集系数均较低。因此，可以筛选出5号（路单12号）、6号（足玉7号）和7号（华兴单88号）作为产量较高且籽粒具有低积累Cd、Pb、As潜力性状的玉米品种。然而，玉米种植存在一定的惯性，农户常会选择常年种植的品种，或者从高产的角度选择种植品种，因此需在低积累品种中选择适宜的品种进行推广种植。此外，玉米的Cd、Pb、As低积累特性也受多种因素的影响，在实际应用中应充分考虑土壤类型、污染程度等因素。

4 结论

（1） 24个参试玉米品种的产量均存在显著差异（P＜0.05）。其中，华兴单88号品种产量最高，为12782.25 kg·hm-2，显著高于试验中其他品种的产量（P＜0.05），其次是足玉7号、路单12号、22号品种，其产量均显著高于16号（云瑞8号）品种（P＜0.05），云瑞8号产量最低。华兴单88号、足玉7号、路单12号、扎单202产量较云瑞8号分别高出41.89%、39.92%、37.09 %和35.95%。

（2）玉米籽粒中Cd、Pb和As存在显著品种差异，其中籽粒中Cd含量最低的是足玉7号，为0.04 mg·kg-1，且路单12号、足玉7号、华兴单88号、田丰8号和扎单202 5个品种籽粒的Cd含量符合国家规定的食品卫生标准（≤0.1 mg·kg-1）；Pb含量最低的是胜境007品种，为0.01 mg·kg-1；As含量最低的品种是贵单8号、华兴单88号、胜境007、秋硕玉6号。

（3）根据参试玉米产量、籽粒和茎叶中Cd、Pb、As含量，富集系数、转运系数等指标综合评价，最终筛选出路单12号、足玉7号、华兴单88号3个品种作为高产且籽粒具有低积累Cd、Pb、As潜力性状的玉米品种，适宜在个旧地区 Cd、Pb、As中轻度污染区推广种植。