不同Cd 质量分数处理下两玉米品种植株Cd 分布、富集和转运特性

2023-07-04肖亚涛王德哲李世欣孙超祥

灌溉排水学报 2023年6期

肖亚涛，王德哲，李世欣*，王龙，孙超祥，郭魏

（1.中国农业科学院农田灌溉研究所/农业水资源高效安全利用重点实验室，河南新乡 453002；2.河南农业大学机电工程学院，郑州 450002；3.河南农业大学资源与环境学院，郑州 450046）

0 引言1

【研究意义】镉（Cd）作为人体和植物非必须元素在自然界中广泛存在，具有较强的生物毒性，被动植物吸收后难以排出体外。长期取食富含Cd 的食物，可导致Cd 在人体内过量累积，给人体器官组织造成难以修复的损失。据《全国土壤污染状况调查公报》显示[1]，土壤Cd 污染点位超标率为7%，且主要以轻微污染土壤为主，分布从西北到东南、从东北到西南方向逐渐升高的态势[2]。土壤Cd 污染给我国农业安全生产带来巨大潜在危害。土壤安全是农业生产安全的基本前提，但鉴于我国耕地资源状况以及农业生产比重，无法将Cd 污染耕地全面有效的“退耕还林”或“休耕”。因此，开展切实可行且能保证作物安全生产的修复措施，实现中、低Cd 污染土壤安全利用已成为当前研究热点。玉米（Zea mays）作为我国主要的粮食作物和饲料作物，研究证实土壤Cd 污染对玉米产量和品质存在显著负向效应。探明不同基因型玉米受Cd 胁迫后植株体内Cd 的分布和积累规律，明确玉米受Cd 胁迫下品种间差异及污染效应，对缓解我国土壤Cd 污染问题，保障粮食安全和饲料安全具有重要的理论意义和应用价值。

【研究进展】在1955—1972 年，日本富山县神通川流域发生Cd 污染造成的“骨痛病”公害事件。1974 年，联合国环境规划署和国际劳动卫生重金属委员会正式将Cd 定为重点污染物[3]。在此之后，世界各国专家学者相继开展Cd 污染的相关研究。随着我国工业快速发展、农业生产现代化和污水、污泥开发利用等人类活动，Cd 污染引起的环境污染问题日趋严重，已成为制约我国农业可持续安全生产的“瓶颈”。2013年2 月27 日，《南方日报》发表了题为“湖南问题大米流向广东餐桌”的报道，“镉大米”迅速发酵，引起社会广大关注[4]。2017 年河南某地区小麦Cd 量超出国家食品安全限定值1.7～12.8 倍，小麦Cd 污染问题成为继“镉大米”之后另一关注焦点[5]。

为保证我国的粮食产量和质量安全，迫切需要解决现有耕地的Cd 污染问题。当前针对土壤Cd 污染问题，已有土壤修复技术达到上百种，可分为物理修复、化学修复和生物修复3 类，相关修复原理可归为：①降低土壤中有害物质在环境中的可迁移性与生物可利用性；②降低土壤中有害物质的浓度[6]。其中降低土壤中Cd 的迁移能力及有效性，阻控植株对Cd2+的吸收或在可食用器官的积累，已成为当前对中、低度污染耕地安全生产和利用切实可行的治理方法。大量关于土壤钝化剂、叶面喷施阻隔剂等相关研究火热开展，伴随着大量化学试剂或药剂的使用对土壤环境扰动较大，同时存在潜在风险。而借助作物品种对Cd 的吸收差异特性，亦可实现对土壤Cd2+的低吸收或低积累。张儒德等[7]对不同基因型水稻研究结果显示，在中轻度污染土壤中选种Cd 低积累品种可以实现稻米的安全生产。熊孜等[8]通过对黄淮海平原9 个小麦种植区59 个小麦品种研究证实，筛选特定的小麦品种可以安全种植于不同Cd 污染浓度土壤。杜彩艳等[9]对24 个玉米的研究也表明籽粒低积累玉米种可以用于污染土壤安全生产。

【切入点】当前关于不同基因型作物品种对Cd吸收积累特性和生产适用性的研究主要集中于水稻、小麦等作物，而关于玉米的相关研究相对薄弱。部分关于不同基因型玉米的研究又多为单一Cd 污染浓度下品种筛选[10]或吸收积累特性[11]等研究，缺乏差异品种对不同Cd 浓度的适应性认知。【拟解决的关键问题】因此本研究拟通过田间微区试验，探讨玉米品种的Cd 胁迫浓度效应和Cd 积累分布差异，明确Cd 污染浓度对玉米积累特性的影响效应，为籽粒低积累玉米筛选工作和Cd 污染土壤安全生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区域概况

本试验于2020 年6 月—2022 年10 月在河南省新乡市红旗区中国农业科学院农田灌溉研究所农业水土环境野外科学观测试验站内进行。该试验区域多年平均气候条件为：气温14.10 ℃，无霜期210 d，日照时间2 398.80 h，降水量588.80 mm，蒸发量2 000 mm。为充分接近大田生产实际情况，同时兼顾不扩大农田污染的原则，试验采用汽油桶（内径60 cm，高90 cm）作为容器埋入大田之中，并将原位砂壤土逐层回填作为田间微区。

1.2 试验设计及测定方法

本试验田间微区Cd污染是依据多年污灌农田Cd垂直分布规律，于2014 年采用水溶沁润方法对表层土壤（0～20 cm）进行Cd 梯度处理获得。试验共设置6 个Cd 质量分数处理，每个处理6 个重复。后经连续多年耕作和土壤取样，表层土壤Cd 污染质量分数实测值为CK（0.16 mg/kg）、T1（1.70 mg/kg）、T2（4.35 mg/kg）、T3（6.71 mg/kg）、T4（9.78 mg/kg）、T5（15.76 mg/kg），各处理土壤理化性质如表1 所示。

表1 不同Cd 质量分数处理的土壤理化性质Table 1 The physical and chemical properties of soil treated with different Cd concentrations

试验所选用的玉米品种为郑单958（ZD）和先玉335（XY），每微区保留2 株玉米，在生育期内所有处理均采用统一的田间水肥管理模式。待玉米成熟后，将玉米植株整株取出带回实验室，用自来水冲洗根系，然后用10 mmol/L 的EDTA 浸泡根系5 min，之后用去离子水冲洗2～3 遍。将玉米植株按根、茎、叶、苞叶、穗轴、籽粒等组织器官进行处理，放置烘箱75 ℃烘至恒质量。将烘干后的各组织器官进行粉碎，采用微波消解-原子吸收分光光度法，测定各器官中含Cd 量。

1.3 数据处理与分析

用Excel 2021 处理数据和绘图，用SPSS 26.0 软件进行单因素方差分析（one-way ANOVA），并对不同处理间的差异进行Duncan 多重比较，显著性水平为P≤0.05。对Cd 处理、各组织Cd 量进行Pearson相关分析，显著水平为P≤0.05。

富集系数（BCF）=植株地上部Cd 量／土壤中Cd 量；

转运系数（TF）=植株地上部Cd 量／植株根系Cd 量。

2 结果与分析

2.1 不同处理下玉米植株Cd 量变化

图1 为不同Cd 质量分数处理下两玉米品种各组织中含Cd 量，如图1（a）所示，随着Cd 处理质量分数的增大，ZD 和XY 根系中含Cd 量均呈增大趋势。XY 品种各处理间Cd 量差异均显著（P<0.05）；而ZD 在T1 处理和T2 处理之间，以及T3 处理和T4 处理之间均无显著差异（P>0.05）。在CK、T1、T2 处理和T4 处理下，XY 根系中的Cd 量分别为0.40、2.49、6.69、13.34 mg/kg，均高于ZD，但仅在T2 处理和T4 处理下差异达到显著水平（P<0.05）；在T3 处理和T5 处理下，ZD 根系中Cd 量则分别比XY 根系中Cd 量高33.75%和2.03%，T3 处理下品种差异显著（P<0.05）。

图1 不同Cd 质量分数处理下两玉米品种各组织中含Cd 量Fig.1 The Cd content in tissues of two maize varieties under different Cd mass fractions treatments

如图1（b）所示，ZD 和XY 茎中Cd 量随着外界Cd 处理质量分数的增大呈增长趋势，且除T3 处理和T4 处理之外，ZD 在处理间差异均达到显著水平（P<0.05）；而XY 也仅在T2 处理和T3 处理间差异不显著（P>0.05）。T2 处理和T3 处理下ZD 茎中Cd量均高于XY，且在T3 处理下差异显著（P<0.05）；而CK、T1、T4 处理和T5 处理下，ZD 茎中Cd 量低于XY，但仅T4 处理下两玉米品种间差异达到显著水平（P<0.05）。

如图1（c）所示，ZD 和XY 叶中Cd 量同根系和茎一致，均随着Cd 处理质量分数的增大呈增长趋势，ZD 在除CK 之外，各处理之间差异均达到显著水平（P<0.05）；在T2、T3、T4 处理和T5 处理下，XY 各处理之间差异均达到显著（P<0.05）。对比ZD和XY，在除T1 之外的各处理下，ZD 叶中Cd 量均高于XY，在T4 处理下差异值0.43 mg/kg，达到显著（P<0.05）。

如图1（d）所示，ZD 苞叶中Cd 量随着Cd 处理质量分数的增加呈增大趋势，但CK 和T1 处理、T1处理和T2 处理、T3 处理和T4 处理间差异均未达到显著水平（P<0.05）；XY 苞叶中Cd 量在T3 处理下达到最大值2.52 mg/kg，与T2 处理和T5 处理一致显著高于其他处理（P<0.05）。在各个Cd 质量分数处理下，XY 苞叶中Cd 量均高于ZD，且在T2、T3、T4 处理下差异均达到显著（P<0.05）。

如图1（e）所示，在CK、T1 处理和T2 处理下，ZD 和XY 穗轴中Cd量并无处理间和品种间的显著差异（P>0.05）；在T3、T4、T5 处理下，ZD 穗轴中Cd 量均显著增大（P<0.05），而XY 在T3 处理和T4 处理间无显著差异，但在T5 处理下显著增大（P<0.05），达到极值。对比ZD 和XY，在T3、T4、T5 处理下ZD 穗轴中Cd 量比XY 高163.95%、443.53%、183.12%，差异显著（P<0.05）。

如图1（f）所示，ZD 籽粒中Cd 量随着Cd 处理质量分数的增大而增大，但在T1、T2 处理和T3 处理间无显著性差异（P>0.05）；XY 籽粒中Cd 量则在T3 处理下达到最大值0.26 mg/kg，显著高于CK、T1 处理和T4 处理。对比ZD 和XY，在CK、T1、T2、T4 处理和T5 处理下，ZD 籽粒中Cd 量均高于XY，且在T4 处理和T5 处理下差异显著（P<0.05）。

2.2 不同处理下玉米植株中Cd 的分布规律

植株各组织器官中Cd量分布规律及各器官中Cd量所占比例如图2 所示。CK 玉米植株中Cd 量主要集中于叶组织器官内，ZD 和XY 叶中Cd 量占比分别达到43.02%和37.03%。在T1、T2、T3、T4、T5 处理下，植株体各组织器官中Cd 量主要集中于根系、叶和苞叶之中，其次为茎/穗轴，籽粒中Cd 量占比最少，仅为0.08%～5.12%。植株根系中Cd 量随着玉米受到Cd 质量分数的增大而增大，ZD 根系Cd 量百分比为 45.50%～70.12%，XY 根系 Cd 量占比达到53.99%～72.74%。Cd 处理质量分数的增大，可以增加植株组织Cd 量，但并不会同比例增大其所占的百分比。对比ZD 和XY，两玉米品种在Cd 质量分数胁迫应对机制基本一致，均为增加根系Cd 量占比，减少叶/苞叶分布比例。

图2 不同Cd 质量分数处理下两玉米植株各组织器官Cd 量占比Fig.2 Proportion of Cd content in each tissue of two maize plants under different Cd mass fractions treatments

2.3 不同处理下玉米对土壤Cd 的转运

以玉米植株各器官对Cd 的富集系数来反映其对重金属Cd 富集能力的强弱，结果如表2 所示。不同Cd 质量分数下，玉米根系、茎、叶、苞叶、穗轴和籽粒的Cd 富集系数分别为0.65～2.49、0.09～0.86、0.18～3.35、0.13～0.79、0.04～0.93 和0.01～0.30。整体分析来看，CK 的ZD 和XY 植株的叶组织器官对土壤Cd 的富集能力最强，其次是根系、穗轴、苞叶、茎籽粒逐次递减。当受Cd 胁迫后，ZD 和XY 植株各器官对Cd 富集能力发生变化，以根系富集系数最大，茎、叶和苞叶富集能力受Cd 胁迫质量分数和品种差异影响波动，但两玉米品种及不同处理下籽粒富集系数始终最低。

表2 不同Cd 质量分数处理下两玉米植株各组织Cd 富集系数Table 2 The Cd enrichment coefficients in tissues of two maize plants under different Cd concentrations

分析不同处理下ZD 各组织器官的富集系数发现，根系的富集系数与CK 相比在T1 处理和T2 处理下均显著降低（P<0.05）。而在T3、T4、T5 处理下富集系数增大；茎、叶、苞叶各组织富集系数整体随着Cd 处理质量分数的增大而降低，但茎或叶在不同处理间的差异均未达到显著水平（P>0.05）；籽粒随Cd 处理质量分数变化规律与穗轴一致，即低Cd 质量分数（CK、T1、T2）下富集系数随着Cd 处理质量分数的增大而降低，而中高度Cd 处理质量分数（T3、T4、T5）下富集系数在T4 处理处有一较小峰值。就XY 品种而言，各组织CK 的富集系数均显著高于其他处理（P<0.05）；在T1、T2、T3、T4 处理和T5处理下，根、茎、叶、苞叶、穗轴和籽粒的富集系数整体随着Cd 处理质量分数增大而减小，其中根系富集系数在T2 处理和T4 处理呈双峰转折，而茎、叶和苞叶则分别在T4、T3 处理和T2 处理单峰转折。

以玉米地上部组织对Cd 的转运系数来表示植株对Cd 的转运能力，结果如表3 所示。在不同Cd 质量分数处理下，玉米根-茎、根-叶、根-苞叶、根-穗轴、根-籽粒的转运系数变化范围分别为0.06～0.35、0.14～1.79、0.10～0.42、0.04～0.44 和0.01～0.16。CK的ZD 和XY 根系向地上部各组织中转运规律具有一致性，均以根-叶转运为主，其次为根-穗轴、根-苞叶、根-茎和根-籽粒。不同Cd 处理下，ZD 和XY 植株根系向地上部转运能力整体随着Cd 处理质量分数的增大而降低；同一Cd 胁迫处理水平下，以根-叶或根-苞叶的转运为主，但存在品种差异和质量分数效应。分析不同处理下ZD 各组织器官的转运系数发现，根-茎、根-苞叶和根-籽粒转运系数在T1 处理和T2处理间差异均未达到显著水平（P>0.05），但其转运系数均显著高于T3、T4 处理和T5 处理（P<0.05）。XY 根-籽粒转运系数随着Cd 处理质量分数增大而降低，且Cd 胁迫质量分数效应明显；低质量分数Cd处理（T1）、中质量分数Cd 处理（T2、T3）和高质量分数Cd 处理（T4、T5）间转运系数差异均达到显著水平（P<0.05）；而根-茎和根-叶转运系数随着Cd质量分数增大而整体减少，分别于T4 处理和T5 处理下呈单峰拐点，但不同处理间差异均未达到显著水平（P>0.05）；根-苞叶转运系数则在T2 处理下达到最大值0.34，显著高于其他Cd质量分数处理（P<0.05）。

表3 不同Cd 质量分数处理下玉米植株各组织Cd 转运系数Table 3 The Cd transport coefficients in tissues of two maize plants under different Cd concentrations

2.4 相关性分析

各处理和各组织器官中Cd 量Pearson 相关分析结果见表4。Cd 处理质量分数与植株根系、茎、叶、苞叶、穗轴和籽粒中Cd 量均呈极显著相关（P<0.01），其中与根系、茎、叶的相关系数分别达到0.973、0.961和0.963；根系与地上部组织（茎、叶、苞叶、穗轴、籽粒）中Cd 量的相关性也均达到极显著水平（P<0.01），根系与茎、叶的相关系数分别为0.941 和0.943；茎与叶、苞叶相关系数分别为0.932 和0.722，与穗轴和籽粒相关系数仅为0.597 和0.585；籽粒中Cd 量与各组织Cd 量均显著相关（P<0.01），其中与穗轴相关系数最大0.915，其次为叶0.729，与处理质量分数相关系数为0.679。由此可知，Cd 处理质量分数对两玉米品种各组织器官均有极强的质量分数效应，对根、茎、叶的作用效应可能大于对苞叶、穗轴和籽粒的作用；籽粒中Cd 的积累可能存在除根系之外的其他组织器官中Cd 的二次分配。

表4 不同Cd 质量分数处理下两玉米植株各组织Cd 量相关性Table 4 Correlation of Cd content in tissues of two maize plants under different Cd concentration treatments

3 讨论

3.1 不同Cd处理质量分数下两玉米品种Cd分布特征

玉米作为我国重要的粮饲两用作物，探明不同玉米品种的Cd 积累特征与植株分布，对中度、轻度Cd污染土壤的安全种植和畜牧业的安全均具有重要的理论和实践意义。Cd 在玉米植株中的分布规律为根系Cd 量大于茎叶[12]。在Cd 胁迫条件下，玉米各器官中Cd 量分布顺序为根＞茎＞叶＞籽粒[13-15]，但邓婷等[16]研究表明，华彩糯3 号和广红糯8 号玉米茎叶Cd 量大于根，而其他玉米茎叶Cd 量均小于根系。本研究中CK 两玉米植株中Cd 量分布呈现为叶＞根＞穗轴＞苞叶/茎＞籽粒规律，随着土壤Cd 量的增加，两玉米品种植株根、茎、叶及籽粒中的Cd 量均逐渐上升，且主要分布于根系、叶和苞叶之中，其次为茎/穗轴，籽粒占比最少，茎、叶、苞叶及穗轴中Cd量与分布比例显现出极大的品种间差异和Cd 胁迫质量分数效应。分析CK 组和处理间Cd 的根、叶分布巨大差异，主要在于Cd 量较低时并不能造成植株损伤，Cd 如同其他养分离子一样被根系吸收并运输至地上部组织，因此导致以叶中Cd 分布为主；而在土壤Cd 质量分数高于土壤质量三级标准（1.0 mg/kg Cd）时，过量的Cd 进入植株体内可引起植株损伤和品质安全问题，同时也激发了植株的自我保护机制。通过限制Cd 由根系向地上部的转运（表3）和“区室化”等反应机制来降低Cd 的毒害作用，根系中Cd 的大量积累和分布很好的印证了这一点。但由于不同作物间品种遗传特性决定其对Cd 的耐受阈值、响应机制和自我保护能力不同，这是导致不同品种在Cd 的器官分布、组织转运和积累特性上存在差异的重要原因[17-18]。另外，考虑本试验与以往研究在试验容器、Cd 质量分数梯度、玉米品种、耕作方式、气象环境均有所不同，导致对玉米植株Cd 的分布问题研究结果有所出入，有待进一步研究验证。

3.2 不同Cd质量分数处理下两玉米品种Cd积累机制

根部吸收是Cd2+进入植株体内的主要途径，而Cd 进入植株根部途径与其他矿质元素一样，可以分为2 种：一种是通过根表皮细胞间隙，自由扩散进入；另一种则是通过根表皮细胞（主要为根毛细胞）膜上运输蛋白的转运进入细胞内[19]。Cd 进入到根毛区后，先通过横向运输到达维管柱之后，经木质部装载、运输和卸载过程由根部转移到地上部茎、叶、花等各个器官组织中。

根系中的Cd 经木质部运输到地上部的过程被认为是决定地上部Cd 量的关键。Cd 在木质部转运的过程中会在茎节点处的分散维管束内进行Cd2+由木质部到韧皮部的转运过程，且在植株的生长发育过程中，地上部茎、叶等器官组织间会经过韧皮部组织对地上部Cd2+进行二次分配[20]。水稻籽粒中过量的Cd 积累与幼苗根系的吸收或Cd2+由根系向地上部转移的能力无关，而与韧皮部向籽粒转运Cd2+能力有关[21]。籽粒中91%的Cd 主要是通过韧皮部的运输进入到籽粒中[20]。而小麦研究则认为籽粒中Cd 积累的调控机制不取决于地上部组织，而是在于根部或者根系吸收Cd 的能力[22]。灌浆期没有发生Cd2+从叶到籽粒的韧皮部转运，籽粒内的Cd2+来自于土壤中的根系吸收，而且籽粒内Cd2+积累与籽粒生物量的积累正相关[23]。Cd2+通过根木质部的转运是茎和籽粒中Cd 积累的主要途径[24]。但在本研究相关性分析显示（表4），玉米籽粒与根系、茎、叶、苞叶、穗轴等器官中Cd 量均极显著相关，且根系与苞叶、穗轴和籽粒的相关系数远低于茎、叶。由此推断，在不同Cd 质量分数处理下两玉米植株后续器官（苞叶、穗轴、籽粒）中Cd量可能存在根系之外的其他组织中Cd的二次分配。这与文献[20-21]的再分配理论相一致。但在本研究中没有区分Cd 的短距离运输过程和长距离运输，未对Cd 转运积累过程诱发植株的生理响应（激素水平、光合作用、水分吸收和矿质元素吸收等方面）进行分析，有待下一步深入研究。

3.3 不同Cd 处理质量分数下两玉米品种生产实用性

依据食品安全国家标准中食品中重金属Cd 限量标准（GB 2762—2017）[25]和国家饲料卫生标准（GB 13078—2017）[26]，以及Cd 富集系数和转运系数小于1 等方面对玉米生产适用性进行综合评价。王艳芳等[27]利用盆栽模式设置1 mg/kg 和3 mg/kg 的Cd 污染梯度，对6 个玉米基因型品种Cd 吸收分配研究结果显示，玉米郑单958对Cd的富集和转运能力最小，在1 mg/kg 的Cd 处理下满足食品安全国家标准中重金属Cd<0.1 mg/kg 限量标准，可在轻度Cd 污染条件下用于安全生产；而在3 mg/kg 的Cd 下，其籽粒中Cd 量远超0.1 mg/kg，但符合饲料卫生标准（Cd<0.5 mg/kg），因此，认为该品种可作为饲料在中轻度Cd污染土壤下种植。孙洪欣等[28]研究华北地区1.03 mg/kg 的Cd 和56 mg/kg 的Pb 复合污染下适宜种植的9 个夏玉米品种对土壤Cd、Pb 的积累和转运的潜力差异，郑单958 和先玉335 籽粒中Cd 量均符合食品安全国家标准，且先玉335 籽粒和秸秆富集系数均低于郑单958。而在本研究Cd 质量分数梯度下，两玉米品种籽粒中Cd 量均高于0.1 mg/kg（食品安全国家标准），均不适用于在Cd 污染土壤下种植；而作为饲料ZD 仅适用于1.70～6.71 mg/kg 的Cd 污染质量分数范围；XY 籽粒转运系数和富集系数低于ZD，更适合作为饲料在1.70～15.76 mg/kg 的Cd 污染土壤上安全种植。这与王艳芳等[27]和孙洪欣等[28]研究结果不一致，其原因应为污染土壤Cd 的质量分数以及土壤类型不同所致。这也表明玉米应用于Cd 污染土壤种植有着敏感的质量分数界限和适种范围。