镉砷污染耕地玉米重金属安全品种筛选

柴冠群，周礼兴，王 丽，刘桂华，秦 松，曹 艳，范成五

（1. 贵州省农业科学院 土壤肥料研究所，贵州 贵阳 550006；2. 毕节市七星关区农业农村局，贵州 毕节 551700）

近年来，由于工农业的快速发展及各种人类活动的干扰，农用地土壤重金属污染日益严重。我国约0.2×108hm2的耕地受镉（Cd）、砷（As）、铅（Pb）等重金属污染，每年被重金属污染的粮食高达1.2×107t，遭受的经济损失约200 亿元[1]。良好的土壤环境质量是作物安全生产的基本保障。有研究认为，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）[2]划定的重金属安全利用类耕地（风险筛选值＜重金属含量≤风险管制值）应当采取农艺调控、替代种植等安全利用措施实现农产品安全生产，划定的重金属严格管控类耕地（重金属含量＞风险管制值）应当禁止种植食用农产品[3]。而贵州耕地资源紧缺，是我国典型的重金属高地质背景区[4]，若贵州禁止在严格管控类耕地种植食用农产品，势必会造成粮食产量降低与社会恐慌等现象发生。因此，针对贵州省情，亟需在重金属污染耕地上开展“边生产，边修复”的技术研究。

重金属低积累品种种植由于可接受度高和操作性较强，其作为“边生产，边修复”技术被用于解决重金属污染土壤上食品安全问题的研究方兴未艾[5]。不同品种玉米[6]、水稻[7]、马铃薯[8]、花生[9]等作物对重金属吸收均存在显著差异，甚至同一物种不同品种可食部位重金属含量可差10倍以上，通过种植重金属低积累作物品种能够实现作物安全生产[10]。玉米作为我国主要的粮食作物，种植面积广、生物量大且产量高，除了直接食用外，还可作为畜牧业和工业的原材料[11]，在贵州各地均有大面积种植。前人关于玉米重金属低积累品种筛选的报道多是围绕矿区周边受污染耕地或单一土壤环境条件下，多个品种对重金属污染元素积累的研究[6，12-15]，鲜见基于多地块、多目标重金属低积累玉米品种筛选的报道。

毕节市七星关区是贵州玉米主栽区，也是贵州典型重金属高地质背景区，受Cd、As 污染耕地面积占比较大，Cd 安全利用类、严格管控类耕地面积分别占全区耕地面积的85.06%、5.46%，As 安全利用类、严格管控类耕地面积分别占全区耕地面积的2.95%、0.04%[16]；此外，由于环境与品种存在交互作用，在试验地条件下进行重金属低积累品种筛选存在一定的地域性[17]，毕节属于高海拔冷凉地区，其他地方筛选的玉米Cd、As 低积累品种可能不适宜七星关区种植。因此，有必要在毕节开展Cd、As 低积累玉米品种筛选。鉴于此，拟以毕节市七星关区的50 个玉米品种为材料，通过在七星关区2 个不同重金属含量地块上采取相同措施开展田间小区试验，旨在筛选出适宜毕节种植，且籽粒重金属含量低于粮食重金属限值（NY 861—2004）[18]与饲料重金属限值（GB 13078—2017）[19]的玉米品种，为耕地资源紧缺地区的重金属安全利用类或严格管控类耕地安全利用和玉米籽粒重金属安全品种培育提供依据。

1 材料和方法

1.1 供试材料

试验地位于毕节市七星关区Y地（104.990 901 E，27.203 148 N，海拔1 614.32 m）与T 地（105.328 404 E，27.646 286 N，海拔1 176.37 m）。Y地供试土壤pH值4.71，有机质42.01 g/kg，全氮2.26 g/kg，全磷2.08 g/kg，全钾11.64 g/kg，碱解氮165.47 mg/kg，有效磷79.39 mg/kg，速 效 钾226.53 mg/kg；T 地 供 试 土 壤pH 值5.12，有机质39.68 g/kg，全氮1.89 g/kg，全磷2.06 g/kg，全钾11.28 g/kg，碱解氮158.94 mg/kg，有效磷79.18 mg/kg，速效钾224.69 mg/kg。两地均为黄壤，海拔条件、土壤重金属含量等存在差异，土壤重金属含量如表1 所示。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），Y地与T 地均存在土壤Cd、As 污染现象，Y 地为安全利用类耕地，Cd、As 含量分别是其风险筛选值的1.6、1.0 倍，原则上应当采取农艺调控、替代种植等安全利用措施；T 地为严格管控类耕地，Cd、As 含量分别是其风险筛选值的5.4、1.1倍，原则上应当采取禁止种植食用农产品、退耕还林等严格管控措施[2]。供试玉米品种50个，由七星关区农业农村局提供种子，具体见表2。

表1 供试土壤的基本理化性质Tab.1 Basic physical and chemical properties of the tested soils mg/kg

表2 供试玉米品种Tab.2 The tested maize varieties

1.2 试验设计

于2021年5月在Y 地与T地的试验基地进行田间小区试验。以50个玉米品种为试验材料，每个玉米品种为1 个处理，每个处理3 次重复，共计150 个小区，小区面积为10 m2（4 m×2.5 m）。每个小区种40 穴玉米，株距40 cm，行距60 cm，每穴播种3粒玉米种子。玉米长出3 片叶时间苗，每穴仅留1株玉米。Y 地与T 地田间管理一致，整个生育期N、P2O5与K2O 施用量分别为225、120、150 kg/hm2，N移栽时、拔节期与大喇叭口期施用量占比分别为50%、20%、30%，P2O5全部作为基肥施用，K2O 移栽时与大喇叭口期施用量占比分别为60%、40%，供试氮肥、磷肥与钾肥分别为尿素、过磷酸钙与硫酸钾。

1.3 样品处理与分析

玉米种植前（土壤基础样）采用“梅花形”取样法分别采集Y 地与T 地试验地块表层（0～20 cm）土壤样品，风干后，分别过2.00、0.149 mm 筛备用。土壤pH 值、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾均采用《土壤农业化学分析方法》中的方法进行测定[20]。土壤重金属Cd、Pb、Cr 采用HNO3-HF-HClO4消解，使用ICP-MS 仪器（Elan 9000型，美国珀金埃尔默股份有限公司）测定，As、Hg采用王水消解，使用原子荧光光度计（LC-AFS9700，北京海光仪器公司）测定[21]。 采用土壤标准样品（GB W07405）进行质量控制，土壤样品标准物质回收率为91.3%～103.2%。

玉米成熟后测定产量，在各小区中采用“梅花形”取样法选取10株，将果穗取下，称鲜质量后带回实验室进行考种，通过出籽率、籽粒含水量（按14%含水量折算）计算出实际产量，即玉米的经济产量（kg/hm2）=单株籽粒干质量×每公顷株数。同时，用去离子水将籽粒清洗干净，吸水纸擦干后，在105 ℃杀青30 min，60 ℃烘干至恒质量。用三维震击式球磨仪（TJS-325，天津市东方天净科技发展有限公司）研磨玉米籽粒烘干样品，过0.25 mm 筛后保存备用。参照《食品安全国家标准食品中多元素的测定》（GB 5009.268—2016）[22]，经硝酸-微波法消解玉米籽粒样品后，用ICP-MS仪器（Elan 9000型，美国珀金埃尔默股份有限公司）测定其Cd、As 含量，Cd、As检出限均为0.001 mg/kg。采用标样（GB W100348）进行质控，回收率为98.6%～100.4%，全程做空白试验。

1.4 数据分析

T 地与Y 地试验玉米籽粒Cd、As 含量均低于饲料中Cd、As 限值（GB 13078—2017）[19]，本研究根据粮食中Cd、As 限值（NY 861—2004）[18]，采用单因子污染指数法（Pi）和内梅罗综合污染指数法（PZ）对两地参试玉米重金属（Cd、As）综合积累能力进行评价[23-24]，计算公式：

试验数据均采用Excel 2010 软件进行计算处理，运用SPSS 20 进行统计分析，采用LSD法进行差异显著性分析，采用Sigmaplot 14.0软件作图。

式中，Pi为单因子积累指数；Ci为玉米籽粒中重金属i的实测值；Si为玉米籽粒中重金属i的限值，玉米籽粒Cd、As 限值分别为0.05、0.7 mg/kg[18]；PZ为综合积累指数；Pimax为最大单项积累指数；Piave为平均单项积累指数。PZ＜0.7，表示作物对重金属综合积累能力低，无重金属超标；0.7≤PZ＜1，作物对重金属综合积累能力较低，存在重金属超标风险；1≤PZ＜2，表示作物对重金属综合积累能力中等，存在重金属轻度超标风险；2≤PZ＜3，表示作物对重金属综合积累能力较高，存在重金属中度超标风险；PZ≥3，表示作物对重金属综合积累能力高，存在重金属重度超标风险。

2 结果与分析

2.1 不同试验地点镉砷污染耕地玉米籽粒产量

50个玉米品种在Y与T两地的籽粒产量见图1。同一玉米品种，Y 地玉米籽粒产量均高于T 地；不同试验环境下玉米籽粒产量差异较大，同一玉米品种，Y 地玉米籽粒产量是T 地的1.04～2.37 倍。Y 地玉米产量为6 569.74～11 650.57 kg/hm2，其中，玉米产量最高的品种为富华22（M13），玉米产量最低的品种为渝单7 号（M50）；T 地玉米产量为3 262.41～7 623.80 kg/hm2，其中，玉米产量最高的品种为奥玉白99（M03），其玉米产量最低的品种为金辉玉809（M23）。

图1 不同地点镉砷污染耕地50个玉米品种产量差异Fig.1 Yield differences of 50 maize varieties in farmlands polluted by Cd and As in different test sites

2 个试验地点的土壤重金属含量、气候条件等存在较大差异。对不同品种、不同土壤环境下的籽粒产量进行双因素方差分析，结果见表3。修正模型的F值为83.36，P＜0.01，说明该模型具有统计学意义。地点、品种、地点×品种的F值分别为5 452.97、30.60、26.55，均达极显著水平（P＜0.01）。说明不同品种、不同试验环境及品种与环境间的交互作用对籽粒产量均有极显著影响（P＜0.01）。

表3 不同品种、不同试验地点的籽粒产量方差分析Tab.3 Analysis of variance of grain yields in different varieties and different test sites

2.2 镉砷污染耕地玉米籽粒重金属含量特征

从表4可知，T地玉米Cd、As含量分别为0.007～0.579 mg/kg、0.003～0.009 mg/kg，平均含量分别为0.062、0.005 mg/kg，变 异 系 数 分 别 为212.90%、20.00%。T 地玉米Cd 含量最大值是最小值的82.7倍，As含量最大值是最小值的3倍。Y地Cd、As含量分别为0.003～0.473 mg/kg、0.001～0.006 mg/kg，平均含量分别为0.045、0.002 mg/kg，变异系数分别为220.00%、50.00%。Y 地玉米Cd 含量最大值是最小值的157.7倍，As含量最大值是最小值的6倍。综上，玉米籽粒重金属含量存在较大差异，T、Y两地玉米籽粒Cd 含量变幅大于As，T 地Cd、As含量均值均高于Y地。

表4 不同试验地点镉砷污染耕地玉米籽粒重金属含量差异Tab.4 Difference of heavy metal content in maize grains from Cd and As contaminated farmland in different test sites mg/kg

50个玉米品种在T地与Y地的籽粒重金属含量见图2。就Cd而言，同一玉米品种，T地玉米籽粒Cd含量均高于Y 地，T 地玉米籽粒Cd 含量是Y 地的1.07～3.31倍。T地金都玉2号（M45）Cd含量最高，惠农单5 号（M19）含量最低；Y 地金都玉2 号（M45）Cd含量最高，正红431（M40）含量最低。T 地与Y 地玉米籽粒Cd含量均低于饲料中Cd限值（1.0 mg/kg）[19]。T 地玉米品种金湘369（M43）、新中玉801（M44）、金都玉2 号（M45）、金都玉808（M46）、康农玉109（M47）、铜玉3号（M49）与渝单7号（M50）籽粒Cd含量高于粮食中Cd 限值（0.05 mg/kg）[18]，而Y 地玉米品种新中玉801（M44）、金都玉2 号（M45）、金都玉808（M46）、康农玉109（M47）、铜玉3 号（M49）与渝单7 号（M50）籽粒Cd 含量也高于粮食中Cd 限值（0.05 mg/kg）[18]。就As而言，T地与Y地玉米籽粒As含量均低于饲料中As 限值（2.0 mg/kg）[19]与粮食中As 限值（0.7 mg/kg）[18]。同一玉米品种，T 地玉米籽粒As含量均高于Y 地，T 地玉米籽粒As含量是Y 地的0.92～5.02 倍。T 地康农玉109（M47）含量最高，新中玉801（M44）含量最低，Y 地黔黄375（M24）含量最高，山玉12号（M27）含量最低。

图2 不同试验地点镉砷污染耕地50份玉米籽粒重金属含量Fig.2 Heavy metal concentration in grains of 50 maize varieties cultivated in Cd and As contaminated farmland in different test sites

对不同品种、不同土壤环境下的籽粒重金属含量进行双因素方差分析，结果见表5。就Cd 而言，地点、品种、地点×品种的F值分别为71.48、252.47、6.84，均达极显著水平（P＜0.01）；就As 而言，地点、品种、地点×品种的F值分别为277.02、2.96、2.48，均达极显著水平（P＜0.01）。说明不同品种、不同试验环境及品种与环境间的交互作用对籽粒Cd、As 均有极显著影响（P＜0.01）。

表5 不同品种、不同试验地点的籽粒重金属含量方差分析Tab.5 Analysis of variance of grain heavy metal concentration in different varieties and different test sites

2.3 镉砷污染耕地玉米籽粒重金属积累特征评价

两地玉米重金属（Cd、As）综合积累能力评价结果（表6）表明，T地玉米品种金都玉2号（M45）、金都玉808（M46）、康农玉109（M47）、铜玉3 号（M49）与渝单7 号（M50）PZ分别为5.907、4.775、3.596、3.912、4.263，说明其对重金属（Cd、As）综合积累能力高，存在重金属重度超标风险，结合Pi可知，以上5个玉米品种表现为Cd 重度超标，As 未超标；玉米品种金湘369（M43）与新中玉801（M44）PZ分别为1.622、1.865，说明其对重金属（Cd、As）综合积累能力中等，存在重金属轻度超标风险，结合Pi可知，以上2个玉米品种表现为Cd 轻度超标，As 未超标；其余玉米品种对重金属（Cd、As）综合积累能力低，无Cd、As 超 标 风 险。Y 地M45、M46 与M50PZ分 别 为4.829、3.349、3.145，说明其对重金属（Cd、As）综合积累能力高，存在重金属重度超标风险，结合Pi可知，以上3 个玉米品种表现为Cd 重度超标，As 未超标；M47、M49 的PZ分别为2.818、2.130，说明其对重金属（Cd、As）综合积累能力较高，存在重金属中度超标风险，结合Pi可知，以上2 个玉米品种表现为Cd 中度超标，As 未超标；M44 的PZ为1.669，说明其对重金属（Cd、As）综合积累能力中等，存在重金属轻度超标风险，结合Pi可知，M44 玉米品种表现为Cd 轻度超标，As 未超标；其余品种对重金属（Cd、As）综合积累能力低，无Cd、As 超标风险。综上，50个玉米品种籽粒As 含量均未超标；新中玉801（M44）、金都玉2 号（M45）、金都玉808（M46）、康农玉109（M47）、铜玉3 号（M49）与渝单7 号（M50）对Cd 积累能力较强，在两地均表现为Cd 超标现象，说明其稳定性较强，应该引起重视。

表6 不同试验地点镉砷污染耕地玉米籽粒重金属积累特征评价Tab.6 Evaluation of heavy metal accumulation characteristics of maize grains from Cd and As contaminated farmland in different test sites

续表6 不同试验地点镉砷污染耕地玉米籽粒重金属积累特征评价Tab.6（Continued） Evaluation of heavy metal accumulation characteristics of maize grains from Cd and As contaminated farmland in different test sites

2.4 镉砷污染耕地玉米籽粒重金属含量聚类分析

由系统聚类分析法-组间联接-平方欧氏距离分析[24]结果可知，将T、Y 两地的玉米品种间重金属（Cd、As）含量分成第一类（高积累型品种）、第二类（中积累型品种）、第三类（低积累型品种）（图3）。就Cd 而言，T 地M45 为第一类（高积累型品种），M46、M47、M49、M50 为第二类（中积累型品种），其余玉米品种为第三类（低积累型品种）；Y 地M45 为第一类（高积累型品种），M44、M46、M47、M49、M50为第二类（中积累型品种），其余玉米品种为第三类（低积累型品种）。就As而言，T地M25、M47为第一类（高积累型品种），M05、M30、M36、M41、M45 为第二类（中积累型品种），其余玉米品种为第三类（低积累型品种）；Y 地M24 为第一类（高积累型品种），M05、M15、M18、M29 为第二类（中积累型品种），其余玉米品种为第三类（低积累型品种）。表明Cd 高积累型与中积累型玉米品种在不同试验地点具有较好的重现性，而玉米籽粒As含量聚类结果在T、Y两地表现不一致，但均显著低于粮食As 限值（0.7 mg/kg）[18]与饲料As限值（2.0 mg/kg）[19]。

图3 不同试验地点镉砷污染耕地50份玉米品种籽粒重金属含量聚类分析Fig.3 Cluster analysis of heavy metal concentration in grains of 50 maize varieties cultivated in Cd and As contaminated farmland in different test sites

3 结论与讨论

研究表明，作物产量主要受3个方面的影响，一是品种因素形成的基因效应，二是不同地点因素形成的环境效应，三是二者之间的互作效应，3个方面共同作用造成同一品种不同地点产量的变化[25]。前人研究发现，小麦[25]、油菜[26]与玉米[27]的产量受品种、土壤环境及二者互作的影响。本研究通过对T、Y 两地50 个玉米试验品种产量进行双因素方差分析发现，玉米产量受品种、土壤环境及二者互作的影响，这与前人[25-27]报道一致。T地玉米产量均低于Y 地，可能是受Cd 毒害的原因（T 地土壤Cd 含量是Y 地的3.35倍），有报道认为，低Cd能够促进作物生长，高Cd抑制作物生长[28]。

众多研究发现，基因型是引起作物籽粒对重金属积累差异的重要因素之一。如冯亚娟等[17]报道，不同基因型小麦对Cd 积累存在显著差异；秦榕璘等[12]报道，Pb高积累玉米品种籽粒的Pb含量约是低积累品种的3 倍。本研究发现，不同品种玉米籽粒重金属（Cd、As）含量均存在极显著差异，以Cd 积累差异最大，其最大值是最小值的157.7 倍。此外，聚类分析将50 个玉米品种籽粒重金属（Cd、As）含量分成第一类（高积累型品种）、第二类（中积累型品种）、第三类（低积累型品种），不同品种玉米籽粒重金属积累特征也能将玉米品种明显地区分开，说明基因型对玉米籽粒重金属含量有显著影响，这为玉米重金属低积累品种选育提供了可能。有研究表明，根系分泌的有机酸、酚类等物质能够活化或螯合土壤重金属，可改变重金属形态，从而促进或抑制作物对重金属的吸收[29]，而不同品种根系分泌物的成分或释放速率存在差异[30]，还有报道认为，作物不同品种向籽粒转运重金属的能力存在差异[15]，这些可能是不同品种重金属（Cd、As）积累差异的原因。

在实际生产中，作物可食部位重金属积累能力除了取决于自身遗传特性外，还受土壤肥力与重金属污染程度等多个因素影响[23]。前人研究发现，作物重金属积累特征不仅受基因型影响，而且受基因型与环境因素交互作用的影响，这在小麦[17，31]、大豆[32]上已均有相关报道。本研究中，土壤养分状况差异不明显，但土壤重金属污染程度差异明显，T地土壤Cd 含量约是Y 地的3.35 倍，玉米Cd 含量随土壤Cd含量的增加而增加，双因素方差分析结果也表明，玉米籽粒Cd、As 含量受基因型、土壤环境及基因型与环境因素交互作用的影响，这与前人报道相一致[17，31-32]。

本研究区存在突出的土壤Cd、As 复合污染问题，T、Y 两地种植的50 个玉米品种Cd 含量均低于饲料Cd 限值（GB 13078—2017）[19]，As 含量均低于粮 食As 限 值（NY 861—2004）[18]与 饲 料As 限 值（GB 13078—2017）[19]。T、Y 两地种植的新中玉801（M44）、金都玉2 号（M45）、金都玉808（M46）、康农玉109（M47）、铜玉3 号（M49）与渝单7 号（M50）6 个品种稳定性较强，其Cd 含量均高于粮食安全限值（NY 861—2004）[18]。在研究区，以上6 个玉米品种不建议作为收储粮种植，参试的50个品种均可作为收储饲料种植。此外，在T 地，金湘369（M43）也不建议作为收储粮种植，其存在Cd超标风险。