不同Cd污染程度下穇子品种Cd富集与转运效率研究

李基光 王艳兰 王利群 汤 睿 陈光辉

(湖南农业大学1， 长沙 410128) (湖南省作物研究所， 长沙 410125)

我国有些地方的有色金属产业在取得长足发展的同时，也带来了诸多环境问题，尤其是导致土壤重金属污染严重[1]。土壤重金属Cd被认为是首要污染物，Cd生物毒性高且移动性强，易导致土壤肥力降低[2]，严重制约着农业可持续发展。Cd被土壤吸收后，通过食物链进入人体，进而危害人类健康[3]。因此，Cd污染区农产品安全性被广泛关注，安全品种筛选与种植结构调整成为降低农产品 Cd污染风险有效策略。

穇子(Eleusinecoracana(L．) gaertn．)，又叫龙爪稷、鸭爪粟、碱谷等，禾本科(Gramineae)穇属(Eleusine)1年生草本植物。穇子起源于非洲，因其具有耐旱、耐瘠薄、耐盐碱、适应性强等特性，在世界很多地方如亚洲的印度、缅甸、斯里兰卡、尼泊尔、中国、日本，非洲的乌干达、肯尼亚、卢旺达、索马里等都有种植[4,5]。穇子是世界第四大小米，仅次于高粱、珍珠粟、谷子，是一种非常重要的粮食作物。穇子在非洲很多地区作为主粮生产，全世界常年种植面积约400～450万公顷，产量约450万t。我国的湖南、浙江、河南、云南、贵州、四川、广西、陕西、西藏等省区均有分布[6]。穇子是一种药食饲多用的特色作物，其籽粒营养丰富，含有较多的膳食纤维、多种氨基酸、多酚、矿物质，尤其是的钙和钾含量特别丰富[7-8]。在我国很多山区穇子作为一种重要的救灾作物，是主粮的一种主要补充，对当地人们的生活有着重要的影响。同时，穇子在预防结肠癌、肠道疾病、冠心病和糖尿病、辅助降低血糖、预防成年的骨质疏松等方面起着重要作用[9-12]。其秸秆作为牧草喂养奶牛，能够显著提高牛奶品质[13]。

近年来，穇子的价值不断被开发利用，越来越受到广大消费者的青睐，对穇子的需求也越来越大。因此，开展穇子作物Cd安全性研究就显得尤为重要。本研究以9个主栽地方品种为材料，在中轻度和重度Cd污染农田开展大田实验，研究两种Cd污染土壤下，穇子的Cd富集、转运特征，分析影响不同穇子籽粒Cd富集及转运的主要因素，为穇子在中轻度、重度Cd污染区安全种植提供品种选择。同时，为穇子在中轻度、重度Cd污染地区种植结构调整中的应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验地概况

实验布置在轻度和重度Cd污染农田。轻度Cd污染农田位于某蔬菜基地用Cd1表示：土壤全Cd含量0.64 mg/kg，有效Cd 0.27 mg/kg，pH值6.4，土壤有机质40.6 g/kg。重度Cd污染农田位于某水稻田用Cd2表示：土壤全Cd含量3.10 mg/kg，有效Cd 1.74，pH 6.14，土壤有机质42.8 g/kg。

1.2 实验材料

供试材料为9个穇子品种，来自湖南省农科院作物所资源课题组，均为地方主栽品种，对应编号为C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9。

1.3 实验设计

所有品种于2019年4月11日播种，随机区组排列，三次重复。小区设计规格为2 m× 5 m，穴播，穴距为10～15 cm，行距为20～25 cm，每穴播种8～12粒，留苗4～5株。田间栽培管理操作按常规措施进行。在穇子成熟期，取各品种的根、茎秆、籽粒，分别装袋，风干待测。

土壤和植物样品中重金属元素测定：土壤样品风干后磨细过2 mm 网筛备用。称取0.5 g土壤样品采用HCl-HNO3-HF·H2O-HClO4全消解的方法，用Z2310原子吸收分光光度计进行Cd含量的测定。植物样品采用HNO3-HClO4消解，植物样品中的Cd元素采用石墨炉原子吸收分光光度法(Z2000)测定。

1.4 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2007和DPS软件进行数据整理及相关性分析。

Cd富集系数(BF) =穇子植株各部位Cd含量/土壤Cd含量

(1)

富集系数越大，表示穇子积累重金属能力越强。

土壤-根Cd的转移系数(TF)=根的Cd含量/土壤的Cd含量

(2)

根-秸秆Cd的转移系数(TF)=秸秆的Cd含量/根的Cd含量

(3)

秸秆-籽粒Cd的转移系数(TF)=籽粒的Cd含量/秸秆的Cd含量

(4)

转运系数越高，表示Cd的转运能力越强。

2 结果与分析

2.1 不同穇子品种产量与各器官Cd含量的差异

由表1可以看出，在Cd1和Cd2两种背景下，9个穇子品种间产量、籽粒、秸秆、根Cd含量差异显著，变异系数均超过15%。

表1 不同Cd背景下穇子产量、籽粒、秸轩、根Cd含量及变异系数

Cd2籽粒Cd含量明显高于Cd1。Cd1籽粒Cd含量在0.044～0.099 mg/kg，均低于GB 2762—2017《食品安全国家标准食品中污染物限量》中食品的镉限量标准(谷物为 0.1 mg/kg)；Cd2籽粒Cd含量在0.175～0.423 mg/kg，低于GB 13078—2017《国家饲料饲料卫生标准》中饲料原料限量标准(植物性饲料原料为≤1.0 mg/kg)。

2.2 穇子产量与各器官Cd含量相关性分析

在Cd1和Cd2两个背景下，分别对不同穇子品种产量、籽粒、秸秆、根Cd含量进行相关分析，结果表明穇子产量与籽粒Cd含量相关性不大。Cd1中秸秆Cd含量与籽粒Cd含量呈正相关，且达到显著水平(r=0.70*)； Cd2中根Cd含量与秸秆Cd含量呈正相关，且达到极显著水平(r=0.80**)。

2.3 穇子产量与籽粒Cd含量的聚类分析

为了筛选出高产低Cd的穇子品种，对9个穇子品种的产量和籽粒Cd含量进行聚类分析，结果见图1、图2。通过聚类分析，可将Cd1 9个穇子品种分为3类：C1、C6、C4、C5为中产高Cd品种，C3、C8、C7为低产低Cd品种，C2、C9为高产中Cd品种。可将Cd2 9个穇子品种分为2类：C1、C4、C6、C5、C3、C8、C7为低产中Cd品种，C2、C9为高产中Cd品种。品种C2、C9在Cd1、Cd2背景下均表现出高产、籽粒中等聚Cd的特点。

图1 Cd1不同穇子品种产量和籽粒Cd含量的聚类分析

图2 Cd2不同穇子品种产量和籽粒Cd含量聚类分析

2.4 不同Cd背景下穇子不同器官中Cd的富集系数

由图3、图4可知，在Cd1和Cd2两种背景下穇子根系、秸秆、籽粒的Cd富集效率均为籽粒<秸秆<根系，且根部Cd富集系数远高于秸秆和籽粒，不同品种间各器官富集系数存在差异。在Cd1和Cd2中穇子籽粒富集系数差异不大；Cd1秸秆富集系数只有Cd2的一半；Cd2中穇子根系富集系数均高于Cd1。

图3 Cd1穇子不同器官中Cd的富集系数

图4 Cd2穇子不同器官中Cd的富集系数

2.5 不同Cd背景下穇子不同器官中Cd的转运系数

如图5、图6所示，在Cd1和Cd2两种背景下，穇子根系、秸秆、籽粒的Cd转运效率高低顺序均为土-根>根-秸杆>秸秆-籽粒，且土壤-根Cd转运系数远高于根-秸秆和秸秆-籽粒。总体来说，Cd2的土-根转运系数均远高于Cd1；穇子根-秸秆转运系数在Cd1和Cd2中差异不大；Cd1的秸秆-籽粒转运系数均高于Cd2；但品种间也有差异。

图5 Cd1穇子不同器官中Cd的转运系数

图6 Cd2穇子不同器官中Cd的转运系数

3 讨论

Cd是作物生长的非必需元素，容易在作物体内积累，当达到一定量时，就会对作物产生毒害，从而影响作物的产量和质量。孙铁珩等[14]认为，作物生物量一定程度上可以反映植物对逆境的响应情况，通常植物对土壤中的重金属浓度有一定的耐受阈值，超过耐受的临界浓度则表现为生长量降低，生长受抑。本研究中，不同穇子品种的产量和Cd富集能力存在明显的基因型差异，且产量差异在不同Cd背景下影响基本一致。李坤权等[21]研究了Cd在20个水稻品种体内的积累与分配，结果表明糙米中的Cd浓度和积累速率与水稻产量呈显著正相关，即高产伴随高Cd。与前人研究不同的是，穇子的产量与籽粒Cd含量相关性不大，所有穇子品种均表现出较强的Cd耐受能力，可以在Cd浓度较高的土壤中正常生长，而且对产量影响不大。有研究表明，水稻同一生育期不同器官之间的Cd含量相关性不大[15]。但在本研究中发现：在低Cd土壤条件下，穇子秸秆Cd含量与籽粒Cd含量显著正相关，可见在低Cd条件下秸秆对Cd的转运效率较高，Cd更容易在籽粒中积累；在高Cd土壤条件下，根Cd含量与秸秆Cd含量极显著正相关，可见在高Cd条件下根对Cd的转运效率高，Cd容易在秸秆中积累。

富集系数在一定程度上反映了土壤-植物系统中重金属迁移的难易程度，说明重金属在植物体内的积累能力[19]。研究发现，进入植物体中的Cd富集于根部，根部Cd的积累一般大于茎叶等其他组织，多数植物大约65%～90%的Cd存在于根部[16]。本研究中，在高低两种Cd背景下，所有穇子品种各器官的Cd累积量为根>秸秆>籽粒，而且各器官在高Cd土壤中Cd的累积量明显高于低Cd土壤，这与魏树强[17]、Noci等[18]的研究结论相似。在高Cd背景下，秸秆、根系的Cd富集系数远高于低Cd背景，但籽粒的Cd富集系数却低于低Cd背景。重金属Cd从土壤转运到籽粒的程度很小，大部分Cd被截留在根部以及茎叶部分，这可能是作物的一种生殖保护机制，使重要的生殖器官免受元素过量吸收的毒害，这可能也是穇子对Cd较耐受的主要原因[20]。龙小林等[22]的研究发现，籼稻CG132R和粳925各器官均在低浓度Cd处理下具有较高的Cd富集系数，说明水稻植株各器官在低Cd土壤中具有较强的Cd富集能力。

本研究中，穇子根系、秸秆、籽粒的Cd转运效率高低顺序均为土-根>根-秸杆>秸秆-籽粒，且土壤-根Cd转运系数远高于根-秸秆和秸秆-籽粒。高Cd土壤条件下，穇子土-根转运系数是低Cd条件下的一倍，但到了根-秸秆环节，两种条件下Cd的转运系数相当，最后在高Cd土壤条件下秸秆-籽粒的转运系数不到低Cd条件下的一半，可见穇子对Cd的吸收和运转是主动的、可调节的、具有品种差异、器官差异和背景差异的。

由于穇子根和秸秆对Cd的富集能力与转运能力较强，在高Cd污染地区种植后把其秸秆和根系移除，可起到一定土壤修复的作用。本文论述了穇子作为Cd累积作物修复Cd污染农田的可行性，提供了其在种植结构调整中作为替代作物的科学依据。但本研究也存在一些不足，如缺乏穇子生物量的调查数据，不能为饲用穇子生产提供更充分的依据。下一步将针对Cd对穇子营养品质的影响开展相关研究。

4 结论

Cd在穇子体内各器官的分配规律为根>秸秆>籽粒。Cd从土壤转运到籽粒的程度很小，大部分Cd被截留在根部以及茎叶部分，使重要的生殖器官免受元素过量吸收的毒害。

Cd在穇子体内的运转规律为土-根>根-秸秆>秸秆-籽粒。穇子对Cd的吸收和运转是主动的、可调节的、具有品种差异、器官差异和背景差异。

不同穇子品种的产量和Cd富集能力存在明显的基因型差异，且产量差异在不同Cd背景下影响基本一致。中轻度Cd污染条件下，9个穇子品种籽粒Cd含量均<0.099 mg/kg，低于国家食品Cd安全标准；重度Cd污染条件下，9个穇子品种籽粒Cd含量均<0.5 mg/kg，低于国家饲料Cd安全标准。品种C2、C9产量高，Cd吸收能力中等，推荐在域值范围内使用，从而实现种植结构调整，安全高效生产。