基于Cd污染土壤的不同玉米品种产量及其农艺性状研究

周 斌 陈品燕 段艳涛* 张 蕾 杨怀钦杨友仁 庞聪智

（1大理白族自治州农业科学推广研究院农业环境保护监测站，云南大理 671005；2大理白族自治州种子管理站，云南大理 671000；3祥云县种子管理站，云南祥云 672100）

我国2003年Cd污染耕地面积约为1.33万hm2，土壤Cd含量在1～5 mg/kg之间，甚至达10 mg/kg[1]。2014年的《全国土壤污染状况调查公报》表明，土壤中Cd的点位超标率高达7.0%，远高于Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni等 7 种重金属的污染[2]。 2016 年 5 月28日，国务院颁布《土壤污染防治行动计划》，其中提出重点监测5种重金属元素，Cd被列为首位。Cd在环境中具有稳定、积累和不易消除的特点，长期大量摄入Cd会影响钙和磷的代谢，引起肾、骨和肝的病理变化，诱发骨质疏松、骨软化和肾结石等疾病[3]，在美国毒物管理委员会（ATSDR）黑名单上名列第6位[4]。由此可见，Cd污染土壤对我国粮食安全生产的影响须引起重视。

近年来，基于Cd污染土壤的农作物产量或生物量及其农艺性状研究较多，大部分集中在水稻、蔬菜、高粱和小麦等农作物上。范中亮等[5]研究表明，Cd不同浓度作用下可导致水稻产量减收超三成；王 新等[6]研究表明，在Cd胁迫下，水稻的株高、产量分别下降了2.3 cm、1.75%。赵国华[7]研究发现，Cd处理的黑叶白菜、青江白菜、菜心、羽衣甘蓝和四季豆的可食部分生物量均有不同程度降低。秦 华等[8]研究表明，高浓度Cd抑制了高粱的根长、株高、穗长和生物量。聂胜委等[9]研究表明，在Cd胁迫下，小麦有效穗、产量受到了抑制。但对于我国主要粮食作物玉米[10-11]，基于Cd污染土壤的产量及其农艺性状研究较少。本文针对煤矿周边耕地Cd污染的土壤，以11个玉米品种为研究对象，开展大田作物常规管理试验，探索Cd污染土壤对玉米产量及其农艺性状的影响，以期为选育Cd低累积品种提供参考和借鉴。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区海拔1 980 m，年平均气温14.92℃，年降水量760.00 mm，土地平整，交通便利，灌溉用水中Cd未检出。供试土壤为黏质土，主要化学性质为pH值5.08、总镉2.08 mg/kg、有效镉1.16 mg/kg。土壤总镉已超过《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准》（GB 15618—2018）风险管控值（Cd≤1.5 mg/kg）0.39倍。

1.2 供试材料

供试玉米品种共计11个，其中1个玉米品种为试验区种植面积相对较大的品种（会玉336），10个玉米品种为大理州种植面积相对较大的品种（路单8号、大天1号、西抗18、纪元8号、五谷1790、罗单566、红单 6 号、罗单 299、同玉 213、会单 888），均由当地种子销售点提供。

1.3 试验设计

试验共设11个处理，即每个品种为一个处理，以会玉336作对照（CK）。3次重复，随机排列，小区面积为24 m2（6 m×4 m）。试验采用等行距播种，种植密度为62 490株/hm2，行距80 cm，株距40 cm，田周边设保护行（宽度≥2 m），试验田与保护行之间、各小区之间均以田埂分隔（埂高≥25 cm，埂宽≥30 cm）并用聚乙烯塑料薄膜包裹，每个小区设置单独进、排水口，防止小区之间水肥串流影响试验结果。各处理均施有机肥 22.5 t/hm2、复合肥 300 kg/hm2、尿素750 kg/hm2，有机肥和复合肥作基肥一次性施用，尿素作追肥施用（苗肥 150 kg/hm2、穗肥 600 kg/hm2）。有机肥为秸秆与牛粪堆沤腐熟的生物有机肥。试验于2021年5月9日打塘播种，6月3日每塘选择群体合理、长势较好的2株进行定苗，9月16日一次性收获。玉米田间管理措施与当地常规管理模式一致。

1.4 测定项目及方法

待玉米成熟时，每个小区选取10株有代表性的植株，测定株高、穗位高，并随机选取代表性的10穗，分别装入尼龙网袋放入标签带回实验室风干进行考种，测量穗粗、穗长、穗行数、行粒数、千粒重等。各小区收获全部果穗，转化为14%含水量的产量。

1.5 数据处理

应用Excel 2003软件进行相关数据的统计与计算，采用SPSS 16.0软件进行聚类分析、相关性分析和差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 Cd污染土壤的不同玉米品种产量差异分析

采用瓦尔德法对11个供试玉米品种产量进行系统聚类分析，结果显示，在欧氏距离为10处将供试玉米品种划分为3个组群（图1），聚类图中从上到下的3个组群包括的种质份数分别为4份（五谷1790、罗单 566、会玉 336、红单 6 号）、3 份（会单 888、罗单299、大天 1号）和 4份（西抗 18、纪元8号、同玉213、路单8号），分别占供试品种的36.36%、27.27%、36.36%。

图1 Cd污染土壤的玉米品种产量聚类图

由表1可知，在Cd污染土壤的条件下，11个玉米品种产量变幅为7 618.8～10 403.1 kg/hm2。第一组群为高产类群，平均产量9 996.55 kg/hm2；该组群中的大天1号、会单888、罗单299产量较会玉336（对照品种）产量分别增加16.79%、11.52%、8.37%，其中大天1号产量显著高于对照品种。第二组群为中产类群，平均产量9 160.54 kg/hm2；对照品种会玉336聚类在该组群，与之相比，五谷1790、罗单566、红单6号产量分别增加5.12%、3.97%、2.28%。第三组群为低产类群，平均产量8 256.26 kg/hm2；该组群玉米产量均低于会玉336，减幅为2.30%～14.47%。

表1 Cd污染土壤的各组群玉米品种产量单位：（kg·hm-2）

2.2 Cd污染土壤的不同玉米品种农艺性状差异分析

由表2可知，11个供试玉米品种的株高变幅为189.00～261.33 cm，平均为 235.64 cm，以西抗 18、大天1号、罗单299和红单6号较高，其中西抗18和大天1号显著高于对照种；穗位高变幅为60.33～113.33 cm，平均为87.15 cm，以罗单299、大天1号、西抗18、红单6号较高，其中罗单299和大天1号显著高于对照种；穗行数变幅为11.87～15.73行，平均为13.77行，以五谷1790、罗单299、西抗18、红单 6号和大天1号较高，其中五谷1790和罗单299显著多于对照种；行粒数变幅为29.73～37.27粒，平均为33.70粒，除红单6号、罗单566、路单8号、同玉213外，其余6个品种的行粒数均多于对照种，且大天1号、罗单299、西抗18与对照种相比差异达到显著水平；穗长变幅为14.57～17.60 cm，平均为16.27 cm，除同玉213、红单6号外，其余8个品种的穗长较对照种长，其中会单888差异达到显著水平；穗粗变幅为4.35～5.11 cm，平均为4.71 cm，罗单 299最粗；千粒重变幅为 287.07～401.03 g，平均为 343.28 g，其中会单888、罗单566、同玉213、纪元8号显著多于对照种；出籽率变幅为82.05%～87.45%，平均为84.07%，除路单8号和西抗18外，其余8个品种的出籽率均高于对照种。11个农艺性状中，以株高的变异系数最大，为21.50%；其次是千粒重，为11.57%。

表2 Cd污染土壤的不同玉米品种农艺性状

2.3 玉米品种产量及其农艺性状的相关性分析

由表3可知，11个供试品种的产量与株高（r=0.51**）、穗位高（r=0.50**）及行粒数（r=0.54**）成极显著正相关；与穗长（r=0.43*）和出籽率（r=0.42*）成显著正相关，说明株高、穗位高、行粒数、穗长、出籽率是影响产量的主要农艺性状。株高与穗位高（r=0.83**）和穗行数（r=0.53**）成极显著正相关。穗位高与穗行数（r=0.63**）及行粒数（r=0.53**）成极显著正相关；与千粒重（r=-0.60**）成极显著负相关，表明千粒重的增加会使穗位高降低。穗行数与千粒重（r=-0.75**）成极显著负相关，表明穗行数随着千粒重的增加而减少。行粒数与穗长（r=0.54**）成极显著正相关；与出籽率（r=0.43*）成显著正相关。

表3 玉米品种农艺性状的相关性分析

3 讨论与结论

3.1 讨论

重金属对作物的生长发育会有一定的抑制作用[12]，这可能是作物根系吸收土壤中的重金属后，会诱导产生一些有害物质，导致光合作用以及酶活性受到抑制，ATP加速降解，细胞膜通透性改变，DNA受损伤等，扰乱了作物的新陈代谢，从而抑制作物的生长发育[13]。陈慧茹[14]研究表明，Cd胁迫下的玉米产量会有所下降。作物吸收重金属，主要取决于作物本身的遗传因素及外界的环境条件[15-16]。选育重金属低累积农作物品种，符合我国人多地少的实际国情，既能保证大面积中、轻度污染农田的安全生产，也能为矿区重度污染农田的恢复使用提供一条合理有效的途径。本文在Cd污染土壤的大田作物常规管理情况下，研究了Cd胁迫对11种玉米品种产量及其主要农艺性状的影响，以期为下一步能筛选出应用于重金属污染农田生产的Cd低积累玉米品种提供数据支撑，结果表明：Cd胁迫下的11个玉米品种产量存在一定的差异，与以往的研究结果一致[17-18]；供试品种中有3个品种（大天1号、会单888、罗单 299）为高产类群，占比27.27%；有4个品种（五谷1790、罗单 566、红单 6号、会玉 336）为中产类群，占比36.36%；其余4个品种为低产类群，占比为36.36%。刘维涛等[19]认为，理想的重金属低累积作物应该具备的重要特征之一是该植物对重金属毒害具有较高的耐受性，在较高重金属污染下能够正常生长，且生物量或产量无明显下降。因此，在下一步Cd低积累玉米品种筛选中，可以重点考虑高产类群和中产类群的玉米品种。

玉米产量不仅受多基因性状的直接和间接影响[20]，而且还受区域环境等条件的影响[21-23]。本研究结果显示，在Cd污染土壤的玉米产量与株高、穗位高、行粒数成极显著正相关；各性状中，株高与穗位高和穗行数成极显著正相关，穗位高与穗行数和行粒数成极显著正相关，行粒数与穗长成极显著正相关，这与前人的研究结果基本一致[24-27]。说明在本区域Cd污染土壤的大田作物常规管理情况下，应重点考虑具备适宜的株高和穗位高、较多行粒数的品种，同时协调各性状之间的关系，以获得高产。

3.2 结论

在Cd污染土壤的条件下，采用瓦尔德法对供试玉米品种产量进行系统聚类分析，大天1号、会单888、罗单299为高产类群，平均产量9 996.55 kg/hm2；五谷1790、罗单566、红单6号、会玉336为中产类群，平均产量9 160.54 kg/hm2；西抗 18、纪元8号、同玉213、路单8号为低产类群，平均产量8 256.26 kg/hm2，在下一步Cd低积累玉米品种筛选中，可以重点考虑高产类群和中产类群的玉米品种。从供试玉米品种的农艺性状看，株高、穗位高、穗行数、行粒数、穗长、穗粗、千粒重、出籽率均存在一定的差异，其中株高、穗位高、行粒数与产量成极显著正相关；穗长、出籽率与产量成显著正相关，该结果可为选育Cd低累积品种提供借鉴。