铅锌镉复合污染条件玉米低累积品种的筛选

邵忱忱，牛 婧，张仕颖，包 立，夏运生，张乃明*

(1.云南农业大学 资源与环境学院，云南 昆明 650201；2.云南省土壤培肥与污染修复工程实验室，云南 昆明 650201)

0 引言

【研究意义】随着工业化和城镇化的迅速发展，矿产资源的不合理开发利用导致我国土壤重金属污染日益严重。据农业部调查数据显示[1]，全国土壤调查点位中有16.1%的点位受到不同程度污染，无机污染超标点位数占全部超标点位的82.8%，Cd、Pb、和Zn的点位超标率分别为7.0%、1.5%和0.9%。农业部农产品污染防治重点实验室对全国300 000 hm2基本农田保护区调查显示，重金属超标率达12.1%，粮食重金属超标率在10%以上[2]。重金属在土壤中具有隐蔽性、表聚性、不易降解性等多种特点[3-4]，增加了其通过食物链进入人体的几率，并对人体健康造成危害。据统计，我国每年因重金属污染而损失的粮食约1 200万t，合计经济损失至少200亿元[5]。云南地处云贵高原，地质构造复杂，金属矿藏丰富。兰坪金顶铅锌矿位于沘江流域，储量大而集中，冶炼规模较大，是我国目前已探明的最大铅锌矿[6]。有色金属冶炼过程中产生的废弃物会随河道、沉降、淋溶等途径不同程度污染周边农田，进而导致农作物重金属含量超标[6-7]。周鸿斌等[8-9]研究发现，沘江流域As、Zn、Cd和Pb最高区域均集中于兰坪县及其附近，农田土壤普遍受重金属Pb、Zn和Cd的污染。因此，筛选重金属低积累、高产量和高质量的玉米品种具有重要现实意义，是一条在中、轻度重金属污染土壤上实现安全生产的可行途径。【前人研究进展】传统的植物修复技术是利用特定植物对重金属的超富集能力，将重金属从土壤中转移至植物地上部，收割并集中处理，以达到去除土壤重金属的目的[10]。早期国内外学者围绕超富集植物修复技术进行了大量研究，但较小的生物量成为制约此技术的瓶颈问题。面对我国人多地少的国情，合理高效利用土地至关重要。近年来，学者将植物修复转向一些生长周期短、具有较大生物量和较强重金属耐受力的作物类型[11]，通过将这些作物应用于中轻度污染农田，从而实现“边生产边修复”或“污染地再利用”。王娟等[12]研究表明，对浙南12个玉米品种筛选，发现对Cd具有低累积的玉米品种对Cu也具有低累积作用；张彪等[13]研究表明，对河南25个玉米品种筛选，发现玉米植株体内Cd含量分布规律为根>茎叶>籽粒，济单7号、农华101具有Cd低累积潜力；杨刚等[14]研究表明，对21个玉米品种进行筛选，发现籽粒中Hg、As含量均低于根和茎叶，符合国家食品卫生标准，Hg低累积品种为川单15、金玉308、雅玉10和正红311，As低累积品种为雅玉10、金玉308、科玉3、东单60和敦玉518。杜彩艳等[15-17]研究表明，Pb、Cd在玉米植株中的总体分布规律为茎叶>根>籽粒，Zn的总体分布规律为根>籽粒>茎叶，云瑞88、云瑞220、云瑞6号、云瑞10号、路单12号、足玉7号和华兴单3号为Pb、Cd、As低累积品种，雅玉98为Zn低累积品种。【研究切入点】已有研究结果表明[18]，兰坪金顶铅锌矿产区和冶炼区已对当地生态环境造成危害，周边农田土壤严重受到重金属污染，增加了其进入食物链的风险，成为亟待解决的现实问题。【拟解决的关键问题】探究复合污染土壤条件下，Pb、Zn和Cd在玉米根、茎叶中的迁移转化特征，并筛选出具备低累积品种潜力的玉米品种，以期为推广适合在中轻度污染农田土壤种植的玉米品种提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

供试土壤取自兰坪金顶铅锌矿某污染农田耕层(0～20 cm)，采用“S”型布点取样。土壤经自然风干、去除杂质、研磨后过250目筛备用，土壤pH 7.01,有机质18.72 g/kg，速效磷4.52 mg/kg，速效钾8.29 mg/kg，碱解氮35.18 mg/kg，铅264.21 mg/kg，锌1 759.08 mg/kg，镉22.63 mg/kg。根据《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》(GB 15618-2018)[19]，其中并未规定Zn元素的管控值，故选择筛选值作为风险参考。土壤Cd含量远超过农用地土壤污染风险管控值(6.5

1.2 供试材料

供试玉米品种10个，为前期筛选保留云南及北方地区种植较广泛的玉米品种(表1)。

表1 供试玉米品种的产地 Table 1 The producing area of maize varieties used in the experiment

1.3 试验设计

将筛好的土样与肥料拌匀，装入高35 cm、内径20 cm的花盆中，每盆分装2.5 kg。试验共设2个处理，Pb、Zn和Cd复合污染土壤，以自然土壤作为对照(CK)，每个处理设3次重复，每盆3穴，每穴2粒种子。待玉米拔节期进行间苗和定苗，每盆保留3株，保证植株生长空间。播种前、后各浇水500 mL/盆，生长期根据实际长势进行浇水，保证土壤含水量。

1.4 样品采集与处理方法

在玉米大喇叭口期和抽雄期进行样品采集，分根、茎叶取样，清水洗净后再用去离子水冲洗，105℃烘箱中杀青30 min，80℃烘至恒重。参照国标(GB 5009.12-2017、GB 5009.14-2017、GB 5009.15-2017)[21-23]，测定植株中Pb、Zn和Cd含量；参照国标(GB/T 17141-1997、GB/T 17138-1997)[24-26]，测定土壤中Pb、Zn和Cd含量。仪器设备包括TST-RO-20纯水系统，Arium®ProdI超纯水系统，Sartorius Lab Instruments GmbH εt Co.KG，DK-2可调式电沙浴锅，Starter 3C pH仪，DPH-9052电热恒温培养箱，FP6480火焰光度计，A360紫外-可见分光光度计，AA-6880石墨炉原子吸收分光光度计等。

1.5 指标测定

用富集系数(BCF)表示玉米植株对重金属的累积能力，用转运系数(TF)表示玉米植株对重金属的转运能力。

FBC=C茎叶/C土

(1)

式(1)中，C茎叶为植株地上部重金属含量(mg/kg)；C土为土壤重金属含量(mg/kg)。FBC为富集系数，与玉米植株累积重金属能力成正比[27]。

TF=S/T

(2)

式(2)中，S为植株地上部重金属含量；T为地下部重金属含量。TF为转运系数，TF越大，说明植株从地下部向地上部转移重金属的能力越强[28-29]。

1.6 数据处理

使用Excel 2010完成基础计算和数据整理，Origin 9.0进行图表绘制，采用SPSS 19.0中的LSD和邓肯多重比较方法进行单因素方差分析(ANOVA)、聚类分析。

2 结果与分析

2.1 不同玉米品种根、茎叶Pb、Zn和Cd的含量差异

2.1.1 大喇叭口期 由图1看出，在重金属Pb、Zn和Cd复合胁迫下，大喇叭口期10个玉米品种根部和茎叶部重金属含量差异显著(P<0.05)。玉米根部Pb、Zn和Cd含量分别为6.44～31.73 mg/kg、1 787.98～3 745.92 mg/kg和14.79～67.87 mg/kg。茎叶部Pb、Zn和Cd含量分别为0.41～6.25 mg/kg、505.85～794.96 mg/kg和10.90～38.32 mg/kg，在玉米体内Pb、Zn和Cd的含量均表现为根>茎叶。其中，根部Pb累积量最高的为西单7号，累积量最低的为通单202；茎叶部Pb累积量最高的为渝研香甜超糯，累积量最低的为喜玉12号。根部Zn累积量最高的为渝研香甜超糯，累积量最低的为西单7号；茎叶部Zn累积最高的为云瑞47，累积量最低的为红单6号。根部Cd累积量最高的为云瑞8号，累积量最低的为通单202；茎叶部Cd累积量最高的为浚单3136，累积量最低的为新石玉8号。

注：图中不同小写字母表示品种间某指标差异达显著水平(P<0.05)，下同。Note:Different lowercase letters in the figure indicate significance of difference at P<0.05 level.The same below.图 1 大喇叭期玉米根、茎叶的Pb、Zn和Cd的含量Fig.1 Pb,Zn and Cd content in root and stem and leaf of different tested maize varieties at bell-mouth stage

2.1.2 抽雄期 由图2看出，在重金属Pb、Zn和Cd复合胁迫下，抽雄期10个玉米品种根部和茎叶部重金属含量均表现差异显著(P<0.05)。玉米根部Pb、Zn和Cd含量分别为2.05～19.26 mg/kg、848.04～2 353.88 mg/kg和17.25～37.34 mg/kg，茎叶部Pb、Zn和Cd含量分别叶为0.77～2.02 mg/kg、130.13～1 211.17 mg/kg和6.60～22.86 mg/kg，在玉米体内Pb、Zn和Cd的含量均表现为根>茎叶。其中，根部Pb累积量最高的为金玉1号，累积量最低的为西单7号；茎叶部Pb累积量最高的为金玉1号，累积量最低的为红单6号。根部Zn累积量最高的为通单202，累积量最低的为喜玉12号；茎叶部Zn累积最高的为红单6号，累积量最低的为新石玉8号。根部Cd累积量最高的为金玉1号，累积量最低的为浚单3136；茎叶部Cd累积量最高的为通单202，累积量最低的为新石玉8号。

图 2 抽雄期玉米根、茎叶中Pb、Zn和Cd的含量Fig.2 Pb,Zn and Cd content in root and stem and leaf of different tested maize varieties at tasseling stage

2.2 不同玉米品种根、茎叶对Pb、Zn和Cd富集及转运能力的差异

2.2.1 富集特征 从表2看出，不同生长时期10个玉米品种对Pb、Zn和Cd富集能力差异显著(P<0.05)。大喇叭口期，10个玉米品种植株Pb、Zn和Cd富集系数分别为0.03～0.13、1.28～2.51和1.48～3.91。Pb富集系数<1，Zn和Cd富集系数均>1，说明各品种地上部对Pb的吸收能力较弱，对Zn和Cd的吸收能力较强。Pb富集能力最强的是西单7号，最弱的是通单202；Zn富集能力最强的是浚单3136，最弱的是西单7号；Cd富集能力最强的是渝研香甜超糯，最弱的是喜玉12号。抽雄期，10个玉米品种植株Pb、Zn和Cd富集系数分别为0.01～0.08、0.62～1.75和1.41～2.51。Pb富集系数均<1，新石玉8号、渝研香甜超糯、浚单3136、西单7号和喜玉12号5个品种Zn富集系数<1，其余5个品种Zn富集系数>1，Cd富集系数均>1。

表2 各玉米品种不同时期植株对Pb、Zn和Cd的富集系数Table 2 Pb,Zn and Cd enrichment coefficient in plants of different tested maize varieties at different growth stages

说明各品种地上部对Pb的吸收和部分品种地上部对Zn的吸收能力较弱，各品种地上部对Cd的吸收能力较强。Pb富集能力最强的是金玉1号，最弱的是西单7号；Zn富集能力最强的是通单202，最弱的是新石玉8号；Cd富集能力最强的是金玉1号，最弱的是渝研香甜超糯。

2.2.2 转运特征 由表3看出，不同生长时期10个玉米植株对Pb、Zn和Cd转运能力差异显著(P<0.05)。大喇叭口期，10个玉米品种植株Pb、Zn和Cd转移系数分别为0.02～0.70、0.15～0.32和0.22～1.41。Pb和Zn转移系数均<1，说明植株地下部向地上部转移能力较弱；除金玉1号、浚单3136和通单202的Cd转移系数>1外，其余品种的转移系数均<1。Pb转移能力最强的是渝研香甜超糯，最弱的是喜玉12号；Zn转移能力最强的是金玉1号，最弱的是云瑞8号；Cd转移能力最强的是通单202，最弱的是云瑞8号。抽雄期，10个玉米品种植株Pb、Zn和Cd转移系数分别为0.04～0.55、0.13～0.86和0.22～1.33。Pb和Zn转移系数均<1，说明地下部向地上部转运能力较弱；浚单3136的Cd转移系数>1，其余品种的Cd转移系数均<1。Pb转移能力最强的是西单7号，最弱的是红单6号；Zn转移能力最强的是红单6号，最弱的是新石玉8号；Cd转移能力最强的是浚单3136，最弱的是红单6号。

表3 各玉米品种不同时期对Pb、Zn和Cd的转移系数Table 3 Pb,Zn and Cd transfer coefficient in plants of different tested maize varieties at different growth stages

2.3 不同玉米品种重金属低累积品种的筛选

2.3.1 大喇叭口期 由图3-A看出，10个玉米品种根部对Pb、Zn和Cd的累积能力可分为3类：第一类包括渝研香甜超糯、浚单3136、云瑞8号、云瑞47，为根部高累积类群；第二类包括金玉1号、喜玉12号、西单7号，为根部中等累积类群；第三类包括红单6号、新石玉8号、通单202，为根部低累积类群。由图3-B可知，10个玉米品种茎叶部对Pb、Zn和Cd的累积能力可分为3类：第一类包括通单202、云瑞47、渝研香甜超糯，为茎叶部高累积类群；第二类包括新石玉8号、浚单3136、金玉1号，为茎叶部中等累积类群；第三类包括西单7号、云瑞8号、红单6号、喜玉12号，为茎叶部低累积类群。

2.3.2 抽雄期 由图3-C可知，10个玉米品种根部对Pb、Zn和Cd累积能力可分为3类：第一类包括云瑞8号、通单202，为根部高累积类群；第二类包括金玉1号、红单6号、云瑞47，为根部中等累积类群；第三类包括渝研香甜超糯、喜玉2号、西单7号、浚单3136、新石玉8号，为根部低累积类群。由图3-D可知，10个玉米品种茎叶部对Pb、Zn和Cd累积能力可分为4类：第一类包括红单6号，为茎叶部高累积类群；第二类包括渝研香甜超糯、喜玉12号、新石玉8号，为茎叶部中等累积类群；第三类包括通单202，为茎叶部中低累积类群；第四类包括金玉1号、浚单3136、云瑞8号、云瑞47、西单7号，为茎叶部低累积类群。通过聚类分析发现，云瑞8号、新石玉8号和西单7号为玉米Pb、Zn和Cd低累积优势品种，可进一步进行品种筛选的完整试验验证。

图3 参试玉米不同时期根、茎叶中Pb、Zn和Cd含量聚类分析Fig.3 Clustering analysis on Pb,Zn and Cd content in root and stems and leaf of different tested maize varieties at different growth stages

3 讨论

影响玉米植株吸收转运和富集重金属的因素既有不同品种的抗逆能力差异，也有外界环境条件的影响[26]。已有研究表明[30-38]，Cd是植物生长过程中的非必要元素，较短时间内可在植株根系大量累积，并可通过自身的转运系统将Cd向植株地上部转移，从而影响植株的生长发育[34-37]。Pb对植物有抑制作用，在较低浓度下出现毒害作用，当其进入植株体内，会将其积累在植株根部，防止或减少其向地上部的转移。Zn作为植物生长发育所必需的微量营养元素，在低浓度下对植物生长发育有促进作用，但在高浓度下对植物生长发育有不良影响[39-41]。

研究10个在云南和北方地区常见玉米品种发现，通单202、西单7号、喜玉12号、红单6号、新石玉8号、浚单3136等在玉米不同生长发育期、不同部位对3种重金属有低累积潜力。玉米不同时期与不同部位对重金属富集能力均表现为根>茎叶，与杜彩艳等[15]的研究结果有所差异，分析其主要原因，一是供试土壤背景值不同；二可能是种植环境和玉米植株测定的生长期不同所导致的差异。但红单6号不具备Pb、Zn和Cd低累积品种潜力，与杜彩艳等[15-16]的研究结果相似。结果显示10个品种茎叶部Pb的富集系数和转移系数均<1，表明玉米植株对Pb的迁移转化能力较弱，与鄢小龙等[41-42]的研究结果一致，表明Pb轻度污染对玉米的安全生产影响较小。抽雄期西单7号、新石玉8号、渝研香甜超糯、浚单3136和喜玉12号的Zn富集系数<1，说明这5个玉米品种地上部对土壤Zn的吸收能力较弱，其余5个品种的Zn富集系数>1，对Zn的吸收能力较强。Zn属于营养物质，植物对其有较高的吸收率，但高浓度Zn会影响植株生长发育[32]，且植株对Zn的吸收与土壤pH呈负相关关系[34]。两个时期Zn的转移系数均<1，说明玉米植株对Zn的转运能力较弱，即使植株根部积累Zn较多，但转移到植株地上部的Zn含量比例相对较小。有研究表明，玉米通过区域化作用来抑制和阻隔重金属在体内的转移[43-44]，10个玉米品种茎叶部Cd的富集系数均>1，说明植株对Cd的吸收能力较强，除浚单3136茎叶部Cd转移系数>1外，其余玉米品种茎叶部Cd转移系数均<1，表明玉米地下部向地上部转运Cd的能力较弱，与李凡等[42，45]的研究结果一致，进一步验证筛选的玉米品种根部对Cd普遍具有较强的吸收能力，但从根部向茎叶转移的能力有限，具备安全生产的潜力。

4 结论

Pb、Zn和Cd复合污染土壤条件下，玉米根、茎叶不同时期富集能力和转运能力存在显著差异(P<0.05)，玉米各器官对Pb、Zn和Cd的富集能力均表现为根>茎叶，且随着玉米的生长发育，不同玉米品种对Pb、Cd的转移能力呈下降趋势，对Zn的转移能力呈增高趋势；通过聚类分析对比两时期根和茎叶低累积品种类群，综合比较富集系数及转运系数得出，云瑞8号、新石玉8号、西单7号初步具备低累积潜力，可进一步筛选目标玉米品种。