不同玉米品种对镉积累和转运差异研究

张宁，陶荣浩，张慧敏，周晓天，高灿红，胡兆云，马友华*

（1.农田生态保育与污染防控安徽省重点实验室，安徽农业大学资源与环境学院，合肥 230036；2.安徽农业大学农学院，合肥 230036；3.铜陵市义安区农业技术推广中心，安徽 铜陵 244100）

近年来，由于工矿企业的快速发展以及化肥农药的不合理施用，土壤污染愈发严重，尤其以重金属污染最为突出[1-2]。相关研究表明重金属生物降解难度大，在土壤中不断积累并进一步富集在作物器官内，严重危害生态环境和人类身体健康[3]。资料显示，我国每年因重金属污染导致的粮食损失超过1 000 万t，经济损失总量达200 亿元[4]，重金属防治已经刻不容缓。目前，控制重金属向食物链中转移主要有两种途径：一是通过化学方法钝化土壤中的重金属；二是筛选出对重金属有耐受性且积累量低的农作物品种[5]。重金属低积累作物品种筛选研究具有操作简单、风险低、易推广等优点[6]，是当前受污染耕地安全利用的主要措施，品种选择上主要以水稻[7]、小麦[8]、玉米[9]、白菜[10]等为主。因此，通过探寻重金属在大宗粮食作物中富集的特征，筛选重金属低积累品种，对降低作物对重金属的吸收和积累，减少作物中重金属含量具有重要意义。

玉米作为我国广泛种植的农作物之一，具有生物量大、生长周期短等特点，且籽粒对重金属的富集能力较低[11]。因此，低积累玉米品种筛选工作对保障当前农产品安全和Cd污染农田修复具有重要意义。杨刚等[12]分析了四川省主推的21 个玉米品种对重金属Hg 和As 的积累特征，并分别筛选出Hg、As 的低积累品种，为重金属污染土壤修复提供新思路。袁林等[13]通过盆栽试验探讨了不同玉米品种对Cd的吸收累积差异，筛选出可用于重金属Cd 污染土壤修复的玉米品种。陈建军等[14]通过外源添加CdCl2探索不同玉米品种对Cd 积累和转运的种间差异，并筛选出适合云南Cd 重度污染地区种植的3 个品种。目前国内关于低积累玉米品种筛选的研究主要集中于四川、云南、广东等地，且局限于盆栽试验，而针对安徽省受污染耕地的重金属Cd低积累玉米品种筛选研究还未见报道。此外，已有研究中对玉米各器官重金属的积累研究主要集中于根、茎叶、籽粒，而玉米芯对重金属的富集及含量分布则鲜见报道。

本研究以安徽省农作物品种审定委员会审定或引种备案的适宜在安徽省合法种植的50 个玉米品种为试验材料，通过在安徽省铜陵市义安区某严格管控类耕地进行大田试验，研究Cd 胁迫对不同玉米品种生长的影响，以及玉米不同部位（根、茎叶、芯、籽粒）中Cd 的分布和不同玉米品种对Cd 积累及转运的种间差异，以期筛选出Cd 低积累玉米品种，并探究Cd在玉米中的吸收转运及分布特征，为受污染耕地安全利用及保障农产品质量安全提供有效参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验地点位于安徽省铜陵市义安区某严格管控类耕地，试验田周边存在大型铁硫矿。试验前土壤基本理化性质：pH 5.27，有机质34.22 g·kg-1，全氮1.39 g·kg-1，碱解氮58.01 mg·kg-1，有效磷20.75 mg·kg-1，速效钾87.5 mg·kg-1，Cd 2.35 mg·kg-1，根据《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018），试验地Cd含量超出耕地土壤重金属污染风险管制值的1.57倍，土壤属于Cd重度污染。

1.2 供试材料及试验设计

供试玉米品种50个（表1），均为通过安徽省农作物品种审定委员会审定（引种）的品种，购自当地种子销售市场。

表1 供试玉米品种Table 1 The varieties of Zea mays

采用随机区组设计方法种植玉米，每个品种重复3次，共150个小区，行距65 cm，株距30 cm，小区面积7.2 m2（1.2 m×6 m），根据当地种植习惯采用双行种植，四周设保护行。播种前一周按照每亩（1 亩=667 m2）50 kg 播撒基肥氮磷钾三元复合肥（15∶15∶15），播前晒种，土壤含水量保持在最大田间持水量的60%～70%。2020 年6 月直接点播，正常田间水肥管理，并及时对田间进行排水和除虫等工作，9 月成熟期采样并收获，采集各试验小区不同玉米品种植株样及对应根际土样。

1.3 样品采集与分析

玉米成熟期取下果穗后晒干脱粒进行实际测产，并按梅花形取样法采集每个玉米品种5 株，同时采集相对应的土壤样品（0～20 cm）组成混合土样。土壤样品自然风干后分别过10、60、100 目筛备用，植株样品分为根、茎叶、芯、籽粒四部分，用自来水洗净后再用去离子水冲洗。根部使用10 mmol·L-1的乙二胺四乙酸溶液清除Cd 离子，再用去离子水清洗。在105 ℃烘箱中杀青30 min，70 ℃烘干至恒质量，测定干质量后粉碎，过100 目筛备用。土壤和植株干样品经微波消解后，用原子吸收分光光度计测定Cd含量。

按照国标方法和《土壤农业化学分析方法》[15]对土壤基本理化性质进行检测分析。土壤经去CO2蒸馏水浸提（土水比为1∶2.5）后用精密pH 计（TARTER2100）测定pH 值。土壤全量Cd 采用《土壤质量铅、镉的测定石墨炉原子吸收分光光度法》（GB/T 17141—1997）中的方法测定，植株样品中总Cd 测定参照《食品安全国家标准 食品中镉的测定》（GB 5009.15—2014），用德国耶拿Z700P 原子吸收分光光度计石墨炉法测定。以国家标准参比物质土壤样品（GBW07461）和植物样品（GBW10012）进行质量控制，国家标准样品分析结果均在误差允许范围内。

1.4 统计分析

数据统计分析在SPSS 和Excel 软件中进行，处理间平均值的比较采用最小显著差数法（LSD），图表中的数据均采用平均值±标准差表示，差异显著水平为P＜0.05。采用Origin软件绘图。

2 结果与分析

2.1 不同玉米品种生物量及产量

不同玉米品种生物量及产量见表2。由表2 可知，不同玉米品种生物量及产量均存在显著差异。不同玉米品种根部生物量范围为1.99～23.79 g·株-1（37号最低，48 号最高），均值为5.82 g·株-1；不同玉米品种茎叶生物量范围为26.47～70.12 g·株-1（18 号最低，50 号最高），均值为54.47 g·株-1；玉米芯生物量范围为6.41～28.80 g·株-1（35 号最低，30 号最高），均值为18.66 g·株-1。不同玉米品种产量范围为34.82～179.76 g·株-1（35 号最低，31 号最高），均值为112.35 g·株-1。

表2 不同玉米品种生物量及产量（g·株-1）Table 2 Biomass and yield of different maize varieties（g·plant-1）

2.2 不同玉米品种籽粒、根际土壤Cd含量及聚类分析

2.2.1 不同玉米品种籽粒、根际土壤Cd含量差异分析

不同玉米品种籽粒、根际土壤Cd 含量和籽粒富集系数见表3。由表3 可知，不同玉米品种籽粒Cd 含量存在显著差异。50 个玉米品种籽粒Cd 含量介于0.09～0.85 mg·kg-1之间，均符合《饲料卫生标准》（GB 13078—2017）的要求（Cd≤1.0 mg·kg-1），达标率为100%。除33号品种籽粒Cd含量未超过《食品安全国家标准食品中污染物限量》（GB 2762—2017）规定的限值（Cd≤0.1 mg·kg-1）外，其余均超标0.01～0.75 mg·kg-1，超标率达到98%，这与试验区域土壤Cd 含量高直接相关。

表3 不同玉米品种籽粒、根际土壤Cd含量和籽粒富集系数Table 3 Cd content in seeds and rhizosphere soil and seed bioaccumulation factor of different maize varieties

不同玉米品种根际土壤Cd 含量范围为1.89～2.66 mg·kg-1（18 号最低，21 号最高），均值为2.27 mg·kg-1。不同玉米品种籽粒对土壤中Cd 富集系数范围为0.040～0.386（33号最低，40号最高），均值为0.103。

2.2.2 不同玉米品种籽粒Cd含量聚类分析

50 个供试玉米品种籽粒Cd 含量均符合《饲料卫生标准》，为进一步筛选可在优先保护类耕地和安全利用类耕地试种且籽粒可安全食用的玉米品种，降低玉米籽粒Cd 含量超标风险，对50 个玉米品种进行聚类分析（图1），以期获得籽粒Cd 低积累的玉米品种。由图1 可知，50 个玉米品种可分为高、中、低积累三类。其中高积累类型有8 号、1 号、10 号、40 号4 个品种，玉米籽粒Cd 含量介于0.47～0.85 mg·kg-1之间，占供试品种的8%；中积累类型有2 号、5 号、50 号等17个品种，玉米籽粒Cd 含量介于0.22～0.32 mg·kg-1之间，占供试品种的34%；低积累类型有33、25、49等29个品种，玉米籽粒Cd 含量介于0.09～0.19 mg·kg-1之间，占供试品种的58%，不同玉米品种籽粒Cd积累类型划分见表4。

表4 不同玉米品种（编号）籽粒Cd积累类型划分Table 4 Classification of seeds Cd accumulation types of different maize varieties（number）

图1 不同玉米品种籽粒Cd含量聚类分析Figure 1 Cluster analysis of Cd content in seeds of different maize varieties

2.3 不同玉米品种根、茎叶、芯Cd含量

为进一步探讨不同玉米品种对Cd的积累和转运特征，分别挑选籽粒Cd 高、中、低积累代表玉米品种各两个（每种类型各选一个高产类型和低产类型），检测植株根、茎叶、芯的Cd 含量。不同玉米品种根、茎叶、芯Cd 含量见表5。由表5 可知，玉米代表品种不同部位Cd 含量差异显著，其中根部Cd 含量介于0.91～1.28 mg·kg-1之间，平均值为1.12 mg·kg-1；茎叶Cd 含量范围为1.07～1.19 mg·kg-1，平均值为1.10 mg·kg-1；芯Cd 含量范围为0.51～0.94 mg·kg-1，平均值为0.74 mg·kg-1。总体来看，高积累代表品种Cd 含量表现为茎叶＞根＞芯，中积累代表品种表现为根＞茎叶＞芯，低积累代表品种表现为根＞茎叶＞芯。

表5 不同玉米品种根、茎叶、芯Cd含量Table 5 Cd content in roots，shoots and corncobs of different maize varieties

2.4 不同玉米品种对Cd积累和转运差异分析

2.4.1 不同玉米品种对Cd积累差异分析

作物对重金属的积累能力可用富集系数表示，不同玉米品种对土壤中Cd 的富集系数如图2 所示。其中高积累代表品种（1 号、40 号）根、茎叶、芯、籽粒的Cd 富集系数分别为0.40～0.44、0.51～0.53、0.34～0.40、0.32～0.39，中积累代表品种（5号、12号）根、茎叶、芯、籽粒的Cd 富集系数分别为0.52、0.47～0.49、0.22～0.23、0.12～0.14，低积累代表品种（31 号、33 号）根、茎叶、芯、籽粒的Cd 富集系数分别为0.52～0.60、0.45～0.50、0.35～0.44、0.04。不同玉米品种各器官对Cd 的积累能力有较大差异，但富集系数均小于1，说明各品种对Cd的吸收能力均较弱。其中高积累代表品种Cd 富集系数表现为茎叶＞根＞芯＞籽粒，中积累代表品种Cd富集系数表现为根＞茎叶＞芯＞籽粒，低积累代表品种Cd富集系数表现为根＞茎叶＞芯＞籽粒。

图2 不同玉米品种对Cd的富集系数Figure 2 Bioaccumulation factor of Cd in different maize varieties

2.4.2 不同玉米品种对Cd转运差异分析

不同玉米品种对Cd 的转运系数见图3。高积累代表品种（1号、40号）茎叶、籽粒对Cd 的转运系数分别为1.17～1.31、0.60～0.76，中积累代表品种（5 号、12号）茎叶、籽粒对Cd 的转运系数分别为0.90～0.96、0.26～0.27，低积累代表品种（31号、33号）茎叶、籽粒对Cd的转运系数分别为0.84～0.87、0.08～0.10，具有明显的差异性。高积累代表品种茎叶对Cd的转运系数大于1，而中积累代表品种和低积累代表品种的茎叶转运系数均小于1，总体呈现出高积累型＞中积累型＞低积累型的趋势。不同玉米品种籽粒转运系数均小于1，整体表现为高积累型＞中积累型＞低积累型的趋势。

图3 不同玉米品种对Cd的转运系数Figure 3 Translocation factor of Cd in different maize varieties

3 讨论

作物对重金属的吸收由外界环境和自身的遗传因素共同决定[20]。段桂兰等[21]的研究表明稻米中As的积累受到环境、遗传及环境与遗传交互作用的显著影响。本研究中外界环境条件一致，所以各玉米品种对Cd的吸收主要由自身的遗传因素决定。依据我国《土壤污染防治行动计划》，严格管控类耕地禁止种植可食用农产品，如种植需进行安全性评估。本研究中50 个玉米品种籽粒中的Cd 含量有较大差异，由于试验地Cd 污染较为严重（＞1.5 倍三级标准限值），绝大部分品种籽粒中的Cd 含量高于《食品安全国家标准食品中污染物限量》中Cd 的限值0.1 mg·kg-1，但所有品种的籽粒Cd 含量均未超过《饲料卫生标准》（GB 13078—2017）中Cd 的限值1.0 mg·kg-1，因此籽粒在成熟期收获时可作为动物饲料，其他部位作为修复部分回收处理，达到边生产、边修复的目的。所有玉米品种籽粒对土壤中Cd的富集系数均小于1，说明供试玉米品种对Cd 均具有较好的耐受性。李乐乐等[22]根据聚类分析等结果，筛选出16 个小麦品种可优先用于中轻度污染耕地的推广种植。杜彩艳等[23]通过对不同玉米品种籽粒重金属含量进行聚类分析，筛选出云瑞88等4个品种作为籽粒As、Pb、Cd低积累玉米品种。易春丽等[24]通过聚类分析将不同水稻品种进行分类。明毅等[25]结合小麦籽粒Cd 含量和籽粒产量进行聚类分析，获得籽粒Cd 含量低且产量较高的优势小麦品种。本研究根据聚类分析结果将50个玉米品种划分为籽粒Cd高、中、低积累三种类型，分别为红大粒耕玉505、沃玉3 号等4 个高积累品种，秋乐618、迪卡653 等17 个中积累品种，以及新单58、美加303 等29 个低积累品种，各占供试玉米品种的8%、34%和58%，其中低积累类型可作为优势品种在优先保护类耕地和安全利用类耕地试种，以进一步筛选安全可食用玉米品种，降低玉米籽粒Cd超标风险。

玉米品种根、茎叶、芯、籽粒中的Cd 含量分配规律也具有较大差异，其中高积累代表品种1 号、40 号表现为茎叶＞根＞芯＞籽粒，中积累代表品种5号、12号表现为根＞茎叶＞芯＞籽粒，低积累代表品种31 号、33号表现为根＞茎叶＞芯＞籽粒。陈建军等[14]研究发现，玉米植株中的Cd 含量分配表现为根＞茎叶＞籽粒，与本研究中的中积累和低积累代表品种一致。但也有茎叶＞根＞籽粒的研究结果[5，26]，与本研究中高积累代表品种一致，可能与品种差异和种植土壤的不同有关[5]。不同玉米品种均表现为籽粒中的Cd含量最低，芯次之，而根和茎叶中的Cd含量较高，其中高积累代表品种1 号、40 号茎叶中的Cd 含量明显高于植株其他部位，表明Cd 主要分布于其茎叶中，而中、低积累代表品种植株中的Cd 主要分布于根部，但与茎叶中的Cd含量差异不大。

不同玉米品种对Cd的积累和转运具有明显的差异性。辛艳卫等[27]研究发现，不同玉米品种根、茎、叶、籽粒积累和转运Cd 的能力存在显著差异。杨惟薇等[28]的研究表明，不同玉米品种籽粒对土壤中Cd的富集能力同样具有差异性。本研究中，不同玉米品种植株各器官对Cd的富集系数呈现出一定的规律性和差异性，高积累玉米代表品种Cd 富集系数表现为茎叶＞根＞芯＞籽粒，中、低积累玉米代表品种表现为根＞茎叶＞芯＞籽粒，表明高积累代表品种茎叶的富集能力优于植株其他部位，而中、低积累代表品种根的富集能力较强，其次是茎叶，但三个品种均表现出从地下部向地上部（芯和籽粒）转移过程中Cd富集系数逐级递减的规律。转运系数是评价重金属在植物体内分配情况以及植物对重金属转运能力的重要依据[29]。各玉米品种茎叶对Cd 的转运系数也存在差异，表现为高积累代表品种＞中积累代表品种＞低积累代表品种，说明低积累代表品种将Cd 从根部向地上部转移的能力较弱。研究表明，低积累作物的根部在减少对重金属吸收[30]的同时，还会通过区室化保存抑制重金属由根部向地上部转移[31]。本研究中各品种籽粒对Cd 的转运系数均小于1。籽粒转运系数总体表现为高积累代表品种＞中积累代表品种＞低积累代表品种，说明低积累代表品种将Cd 从茎叶转移到籽粒的能力比其他两组品种弱。这一方面可能是由于低积累代表品种植株中的Cd 主要积累在根部，另一方面可能是因为Cd在低积累代表品种地上部各器官之间转移时，主要富集在茎叶和玉米芯中。后者可以从不同玉米品种各器官间的Cd含量差异和富集系数看出，即低积累代表品种玉米芯对Cd 的富集系数明显高于中积累代表品种，且接近高积累代表品种。研究表明，Cd 低积累玉米品种植株中与液泡或细胞壁结合的Cd活性较低，移动性较弱，上一器官能够拦截Cd 向下一器官的转运和积累，而高积累玉米品种这种拦截能力相对较低[17]，这解释了不同积累类型玉米品种芯和籽粒中Cd 含量的差异，但本研究中茎叶对Cd的拦截作用并不明显，今后还需进一步验证。

4 结论

（1）农田Cd 重度污染条件下不同玉米品种的生物量和产量表现出明显的品种间差异。

（2）50个玉米品种籽粒中Cd含量差异显著，均符合国家饲料卫生标准，新单58、美加303、京农科828、苏玉29、德单123、MC121、奥玉503、泛玉298、农大372、金秋119、先达601、巡天1102、京农科728、禾茂808、金玉1233、怀玉23、裕丰303、德力666、德单5号、嘉禧100、棒博士76、中科玉505、邵单8 号、隆平206、蠡玉35、蠡玉37、丰度191、豫单9953 和皖玉708共29个品种为籽粒Cd低积累的优势品种。

（3）不同玉米品种器官间Cd 的分布具有显著差异，高、中、低积累玉米代表品种依次表现为茎叶＞根＞芯＞籽粒，根＞茎叶＞芯＞籽粒，根＞茎叶＞芯＞籽粒。

（4）高积累玉米代表品种茎叶对土壤中Cd 的富集能力较强，而中、低积累玉米代表品种根对土壤中Cd的富集能力较强。

（5）高、中、低积累玉米代表品种茎叶和籽粒对Cd 转运能力依次降低，且籽粒对Cd 的转运能力均较弱。