不同高粱品种对土壤重金属Cd的积累差异

邵建均， 楼振邦， 徐立军， 谢炜， 卢华兵， 喻曼*

(1.浙江省耕地质量与肥料管理总站，浙江 杭州 310005； 2.浙江省农业科学院 a环境资源与土壤肥料研究所，b玉米与特色旱粮研究所，浙江 杭州 310021； 3.桐庐县农业技术推广中心，浙江 桐庐 311500)

根据2014年全国土壤污染调查发现，我国大约1/5的农田土壤受到重金属污染，每年因土壤污染造成农产品减产和重金属超标损失高达200亿元。其中，Cd元素超标率在重金属污染中最高，约为7.0%[1-3]。土壤受Cd污染后，主要积累在土壤表层，不能进行生物降解。与其他元素相比，Cd以更低浓度对植物产生毒害作用，Cd污染不仅导致土壤退化、农作物产量、品质降低，而且通过雨水径流和淋洗作用污染地表水和地下水，最终可通过直接接触、食物链等途径影响人类健康[4-5]。已有研究表明，人体中的重金属Cd绝大部分来源于蔬菜，而蔬菜作物的Cd主要来源于土壤，部分来自灌溉水。目前对于土壤重金属污染主要采用客土置换等物理方法或土壤淋洗、化学固化、动电修复的化学方法进行修复，有机改良剂修复重金属污染土壤已被广泛运用，特别是生物质炭、腐殖酸等有机改良剂具有很好的吸附性能，可显著降低土壤中重金属的含量。但是这些方法不仅成本昂贵，而且还会破坏土壤结构和微生物区系，造成二次污染[6-8]。因此，利用重金属富集植物进行土壤修复一直被广泛关注，富集植物多具有生物量高、忍耐性强和超积累污染物等特点，通过植物的根系直接将大量的污染元素吸收，从而修复被污染的土壤。高粱作为生产生物能源乙醇的优良作物原料，近年来因其对重金属污染土壤有光合修饰特性，能吸收土壤中残留的重金属而被研究者作为土壤重金属修复的重点研究作物[9-11]，高粱不仅具有耐干旱、高生物量、高光合作用效率和低生产成本等优势，过去的高粱品种筛选的研究重点主要集中在其农艺性状、抗病抗逆和生长条件的优化，而应用于耕地安全利用目的的筛选较少，因此，为了有效避免能源和粮食作物间的矛盾冲突，对不同品种高粱Cd积累差异进行研究和筛选，探寻适宜严管区种植的高粱品种，有望为重金属污染农田修复提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试品种为浙江省种植的主要高粱品种，包括辽糯11、汾酒梁1号、川糯梁2号、衡糯9号、晋杂22、辽杂82。种子由浙江省农业科学院玉米与特色旱粮研究所提供。

1.2 试验设计

采用随机区组布置田间试验，小区面积为1 m2，每个品种3个重复，共18个小区。试验地点位于浙江省衢州市衢江区新塘底村。

1.3 样品采集与分析测定方法

植株取样时将高粱整株连根挖起，测量植株高度。样品采集后把样品按地上部和根部分开，用去离子水将茎、叶和根洗净。鲜样先在105 ℃下杀青30 min，后在70 ℃下烘干至恒重，分别测定地上部茎、叶和地下部根的干物质重，粉碎过20目筛，装入样品袋备用。

植株样品中总Cd含量的测定方法参照《食品安全国家标准 食品中镉的测定》(GB 5009.15—2014)，样品经微波消解后，用原子吸收分光光度计测定出Cd含量。以国家标准参比物质植物样品进行质量控制，国标样分析结果均在允许误差范围内。

1.4 数据分析

数据分析采用Excel 2010和SPSS 25.0进行。富集系数=高粱各组织Cd含量/土壤中Cd含量；籽粒Cd转运系数=高粱籽粒Cd含量/高粱各组织Cd含量。

2 结果与分析

2.1 不同品种高粱农艺性状差异

不同品种高粱的农艺性状存在显著差异(表1)，发现晋杂22的株高、茎重、叶重、干量总体上均高于其他品种。6个品种单株干重大小为：晋杂22>辽杂82>衡糯9号>汾酒梁1号>辽糯11>川糯梁2号。

表1 不同高粱品种农艺性状差异

2.2 高粱不同器官Cd吸收差异

表2结果显示，不同高梁品种的不同器官对Cd的吸收规律存在差异，其中晋杂22和辽糯11不同器官对Cd的吸收表现为：叶>根>茎>穗，汾酒梁1号不同器官对Cd的吸收表现为叶>根>穗>茎，川糯梁2号和衡糯9号不同器官对Cd的吸收表现为根>叶>茎>穗，辽杂82不同器官对Cd的吸收表现为叶>茎>根>穗。总体而言，辽杂82的根、茎和叶对Cd的吸收均高于其他品种，汾酒梁1号的穗中Cd含量在6个品种中最高。

表2 不同高粱品种不同器官Cd含量 单位：mg·kg-1

2.3 不同高粱品种Cd富集系数差异

由表3可见，6个品种的高梁Cd富集能力存在显著性差异。高粱根部的富集系数为2.80～5.05，平均系数为3.61，其中汾酒梁1号根部富集系数最低。高粱茎部的富集系数为1.66～5.41，平均系数为2.52，其中晋杂22的茎部富集系数最低。高粱叶部的富集系数为2.03～6.82，平均系数为3.56，其中川糯梁2号叶部富集能力最弱。辽杂82各个器官的富集能力都表现为最高。

表3 不同品种高粱Cd富集系数

2.4 不同品种高粱Cd转运系数的差异

6个品种高梁不同器官Cd的转运能力如表4所示。不同品种根、茎、叶的转运系数分别为0.05～0.96、0.11～0.27、0.06～2.42，不同品种间不同器官的转运能力在根和叶两个部位差异较大。不同品种根的Cd转运能力表现为辽糯11>辽杂82>汾酒梁1号>衡糯9号>晋杂22>川糯梁2号，不同品种叶的Cd转运能力表现为衡糯9号>辽杂82>辽糯11>汾酒梁1号>川糯梁2号>晋杂22。

表4 不同品种高粱Cd转移系数

3 讨论

富集系数和转运系数一般用于超积累植物的筛选，当系数大于1，可认为该植物具有超积累特性。但是目前用于重金属污染修复的超积累植物植株偏矮小、地上生物量低，因而在实际重金属植物修复工程中难以应用推广。近期不少研究者发现，甜高粱不仅具有抗逆、抗旱、耐涝、耐贫瘠、耐盐碱等易栽培的优良特性，可能还具有重金属污染修复植物的特征[11-12]。

从本试验中的6个高粱品种来看，不同品种间的生物量存在显著差异，其中晋杂22和辽杂82表现为较高的生物量，说明这2个品种在相同的试验条件下，重金属Cd对其生长影响较小，相较其他品种，这2个品种更满足重金属修复植物的特征。不同品种的富集系数也存在显著差异，而且富集系数均大于1，说明所选高粱品种都具备Cd富集植物的特性，其中以辽杂82富集能力最强。但是不同品种的转运系数差异不显著，且系数都小于1，这可能跟6个品种均为酿造杂交种，生理特性较为相似有关。综合比较不同性状，6个品种中辽杂82同时具备了高生物量与高富集系数的特性，因此，该品种更适合在重金属污染土壤修复中种植。