山东偏酸性棕壤区小麦镉低累积品种筛选

2023-07-13井永苹聂岩李彦康馨黄现民赵瑞君仲子文

农业环境科学学报 2023年6期

井永苹，聂岩，李彦*，康馨，黄现民，赵瑞君，仲子文

（1.山东省农业科学院农业资源与环境研究所，济南 250100；2.农业农村部黄淮海平原农业环境重点实验室，济南 250100；3.山东省农业农村厅农业环境保护和农村能源总站，济南 250100；4.招远市农业技术推广中心，山东招远 265400；5.银川市农业技术推广服务中心，银川 750002）

随着现代工农业的飞速发展和城镇化进程加快，污染物大量排放和不当处置导致我国农田土壤重金属Cd 累积和农产品Cd 超标等环境问题日益突出，特别是酸性土壤中Cd 的生物有效性更高，已经引起社会各界的广泛关注[1]。重金属主要通过土壤、大气沉降和灌溉等几种途径进入植物体，并在植物体内积累、迁移转化，最终通过食物链进入人体，给人体健康带来严重威胁[2-6]。如何实现农产品安全生产一直是环境安全和农业可持续发展的重大问题[7]。

目前，解决农产品中Cd 超标问题主要有3 种方法[8-9]：一是通过降低土壤中Cd的生物有效性，减少作物对Cd的吸收；二是通过喷施特殊元素阻隔作物对Cd的吸收；三是从作物本身出发，筛选Cd 低累积品种。大量研究表明，种植Cd 低累积作物品种能有效降低农产品Cd 富集量，进而有效降低人体对重金属Cd 的摄入风险，是安全利用Cd 污染耕地的重要措施。作物对重金属的吸收累积不仅存在显著的种间差异，而且还存在种内差异[10-11]。研究表明，小麦和水稻比玉米更容易吸收累积重金属[12-14]，尤其是对Cd极易吸收富集。小麦是我国第二大粮食作物，种植范围广，常见于我国西南、西北、长江中下游和黄淮海等区域。据统计，Cd 污染小麦及其衍生品占人体每日Cd 摄入量的43%[15]。筛选Cd 低累积小麦品种是实现中轻度Cd 污染农田小麦安全生产切实可行的办法。目前已经出现了较多关于Cd 低累积小麦品种的筛选研究，但是小麦籽粒Cd 累积除了受自身遗传特性影响外，还会受周边栽培环境的影响[16]，不同小麦品种对区域环境的适应性存在较大差异。因此，针对特定Cd 污染区域进行Cd低累积小麦品种筛选非常必要。

本文以山东偏酸性棕壤区广泛种植的20 个小麦品种作为试验材料，在棕壤Cd 含量超过污染风险筛选值的条件下，通过大田试验，研究小麦不同品种及不同生育期对Cd 的吸收累积差异，根据小麦籽粒Cd 富集量进行聚类分析，并进行单因子污染指数、内梅罗综合污染指数和靶标危害系数评估，将20 个品种小麦进行分类，筛选出适宜于当地栽培的Cd 低累积小麦品种，为农作物的低累积品种筛选提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试土壤概况

试验开展于2020—2021年，试验地点位于山东省偏酸性棕壤区某地，该地属暖温带大陆性季风气候，四季分明，冬冷夏热，春秋适宜，日照充足，年均日照时数2 503.2 h，年平均气温11.5 ℃，年平均降水量607.3 mm，年均蒸发量1 664.8 mm。由于以前的技术条件所限，大多数工矿企业生产工艺及装备水平较差，污染防治设施简陋，工矿企业排放的“三废”没得到有效处理，长期暴露造成部分区域土壤Cd超标。试验地土壤为棕壤，机械组成分类为砂质壤土，土壤全Cd含量为0.293~0.553 mg·kg-1，平均值为0.376 mg·kg-1，中位数为0.338 mg·kg-1，标准偏差（STDEV）为0.076，Cd含量离散程度较小，变化幅度相对较小，土壤pH为5.6，有机质含量为22.47 g·kg-1，全氮、全磷、全钾含量分别为1.28、0.69、15.10 g·kg-1，碱解氮、速效钾和有效磷含量分别为160.28、387.56、83.23 mg·kg-1。

1.2 试验设计

本试验采用完全随机区组设计，大田共分为3 个区组，每个区组再均分为20 个小区，小区规格为3.3 m×50 m，用垄沟隔开。每个区组内随机种植20 个小麦品种（表1）。按当地种植习惯进行田间管理。

表1 供试小麦品种Table 1 Tested wheat varieties

1.3 土壤和小麦样品采集

分别在小麦苗期和成熟期采集小麦样品和对应点位的土壤样品。在每个小区避开小区边际，按五点取样法采样。将每个小区内5 个样点的样品组成1个混合样。取0~20 cm 耕层土壤，除去土样中的石子等异物，自然风干，过2 mm 尼龙筛，玛瑙研钵研磨过100 目尼龙筛，分别用作土壤物理、化学等指标分析。小麦苗收获后用自来水及去离子水冲洗干净，105 ℃杀青，再70 ℃烘至恒质量；小麦根、秸秆、籽粒经人工分离后分别用自来水及去离子水洗净，置于烘箱内，70 ℃烘至恒质量，各干样用不锈钢粉碎机粉碎后过20目筛，以备测定Cd含量。

1.4 土壤和植株样品分析

1.4.1 土壤养分及pH测定

参照《土壤农业化学分析方法》[17]进行各指标的测定：土壤pH 采用电位法，有机质采用丘林法，碱解氮采用碱解扩散法，有效磷采用碳酸氢钠提取-钼锑抗比色法（Olsen法），速效钾采用乙酸铵提取-火焰光度法，全氮采用半微量凯氏定氮法，全磷采用钒钼黄比色法，全钾采用火焰光度法。

1.4.2 全量Cd测定

土壤Cd 全量分析采用HNO3-HClO4-HF 消解法[18]，准确称取0.100 0 g 土样于50 mL 聚四氟乙烯坩埚中，用纯水湿润后，移至通风橱内，加入5 mL 优级纯HCl 开盖加热（200 ℃）蒸发至2 mL，取下稍冷，然后加入5 mL 优级纯HNO3、4 mL 优级纯HF、2 mL 优级纯HClO4，加盖加热（220 ℃）1 h 左右，开盖继续加热除硅，期间经常摇动坩埚，当加热至冒浓厚HClO4白烟时，加盖加热至样品清亮，开盖蒸至内容物黏稠状。若消解不完全，可再加入2 mL 优级纯HNO3、2 mL 优级纯HF、1 mL 优级纯HClO4重复上述消解过程，加热至内容物黏稠状。样品取下稍冷，用纯水冲洗坩埚盖及内壁，然后加入1 mL（HNO3∶纯净水=1∶5）HNO3溶液温热溶解残渣，将溶液用纯水转移至50 mL容量瓶定容，摇匀后过滤。

小麦Cd 全量分析采用王水消解法[19]。准确称取0.200 0 g 样品至50 mL 烧杯，加入优级纯HNO3和优级纯HCl（1∶3比例）配制成的王水12 mL，放入通风橱过夜，置于电热板上加热至250 ℃，待烧杯中溶液清亮状态，取下稍冷，将溶液转移至50 mL 容量瓶并用纯水定容，摇匀后过滤待测。

土壤和小麦全量Cd均采用原子吸收分光光度计测定。土壤和植物样品均设置3 份空白，并添加国家标准物质（植物：GBW-07603；土壤：GBW-07404）控制分析质量，保证分析误差控制在10%以内。

1.4.3 小麦产量和千粒质量

在每个小区内选取3 个1 m2小麦样方，进行收割脱粒，称质量后求平均值，计算小麦产量。每个处理随机选出3 组1 000 粒种子，称质量后求平均值，得到千粒质量。

1.5 小麦Cd富集系数和转运系数

富集系数（BCF）可反映小麦对Cd 的摄取能力；植物对重金属的转运系数（TF）为植物体内某部位的重金属含量与另一部位中同种重金属含量的比值，可用于表征某种元素在植物不同部位之间的转运能力[20]。公式如下：

1.6 污染风险评价

采用单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法对小麦籽粒中重金属污染状况进行风险评价。

（1）单因子污染指数法

单因子污染指数计算公式如下：

式中：Pi为重金属i的污染指数；Ci为重金属i的实测含量，mg·kg-1；Si为重金属i的评价标准，mg·kg-1。本研究采用《食品安全国家标准食品中污染物限量》（GB 2762—2017）中的限量评价标准，Cd 为0.1 mg·kg-1。单因子污染指数等级划分标准：Pi≤1 无污染，Pi>1 为污染。

（2）内梅罗综合污染指数法

内梅罗综合污染指数计算公式如下：

式中：P综为内梅罗综合污染指数；Pmax为小麦籽粒中重金属最大单因子污染指数；Pave为小麦籽粒中重金属单因子污染指数平均值。内梅罗综合污染指数污染等级划分标准：P综≤0.7 清洁安全，0.7~1.0 尚安全（警戒线），P综>1.0污染。

（3）小麦籽粒健康风险评价

靶标危害系数（THQ）计算公式如下：

式中：EDI为重金属膳食暴露量；THQ为靶标危害系数，是一种用于人体通过食物摄取重金属风险的评估方法，当THQ≤1.0 时，认为人体负荷的重金属对人体健康造成的影响不明显；C为小麦籽粒中重金属含量，µg·kg-1；FIR为每人每日谷物摄入量，g·人-1·d-1；EF为暴露频率，取365 d·a-1；ED为暴露年限，取77.3 a（中国人口平均寿命）；Bw为成人的平均身体质量，取64.3 kg·人-1；AT为生命期望值，取77.3 a；365 为转化系数；RfD为消化食物的比率，µg·kg-1·d-1。研究指出，成年人平均每天的谷类食物食用量为150 g·人-1·d-1；根据美国整合风险信息系统，Cd的RfD为1.0µg·kg-1·d-1。

1.7 数据统计与分析

所有实验数据先使用WPS Office 进行整理，再用SPSS 22和Origin 2018软件进行统计分析及图表的绘制，使用单因素方差分析比较各处理间与对照组的差异性。采用系统聚类对不同品种进行聚类分析。

2 结果与分析

2.1 不同品种小麦产量指标

供试的20 个小麦品种间产量（表2）有显著差异（P<0.05）。产量范围为5604.2~10 593.0 kg·hm-2，其中烟农215的产量最高为10 593.0 kg·hm-2。本研究中烟农系列小麦品种的产量均居前列，产量高于9 500 kg·hm-2；济麦44、济麦106、济麦0435和济麦55等产量高于8 900 kg·hm-2，处于中等水平；而中麦578和泰科33的产量水平较低，分别为6 169.5 kg·hm-2和5 604.2 kg·hm-2。穗数范围为438.0万~691.5万株·hm-2，其中济麦23 的穗数最高。穗粒数范围为31.8~47.8 粒，济麦5022 的穗粒数最高。千粒质量最高的品种为37.0~49.4 g，中麦578 和烟农215 的千粒质量最高。不同品种小麦穗数、穗粒数、千粒质量和产量存在显著性差异的原因可能是不同小麦品种之间存在遗传差异，以及受当地气候、土壤环境等因素的影响。

表2 小麦产量指标数据Table 2 The data of wheat yield index

2.2 不同品种小麦籽粒Cd含量

20 个供试小麦品种籽粒Cd 含量（图1）的差异显著（P<0.05）。小麦籽粒Cd含量最高的是3号小麦（中麦578），Cd含量为0.116 mg·kg-1，籽粒Cd含量最低的品种是12 号小麦（济麦55）和13 号小麦（济糯116），籽粒Cd 含量均为0.013 mg·kg-1，最高值是最低值的8.923 倍，20 个品种籽粒的平均值为0.042 mg·kg-1。8号（烟农745）、20 号（济麦38）和11 号（济麦0435）小麦籽粒Cd 含量也相对较低。只有3 号小麦（中麦578）籽粒Cd含量超出了《食品安全国家标准食品中污染物限量》（GB 2762—2017）中规定的小麦Cd的限量标准值（0.1 mg·kg-1），其余品种均不超标。

图1 供试20个小麦品种的籽粒Cd含量Figure 1 Grain Cd content of 20 wheat varieties in field experiment

2.3 不同品种小麦苗期地上部Cd含量和富集系数

表3为20个小麦品种苗期地上部的Cd含量和富集系数。由表3 可知，20 个小麦品种苗期地上部Cd含量差异较大，介于0.039~0.297 mg·kg-1之间，平均值为0.126 mg·kg-1。其中13 号小麦（济糯116）苗期地上部的Cd 含量最低，12 号小麦（济麦55）、15 号小麦（烟农1212）Cd 含量也相对较低，14 号小麦（烟农215）苗期地上部的Cd含量最高。20个小麦品种苗期地上部的富集系数间存在显著差异，介于0.119~0.774 之间，富集系数最小的是13 号小麦（济糯116），最大的是14 号小麦（烟农215）。不同品种小麦苗对Cd 的吸收富集存在显著差异的原因可能是不同小麦品种之间的遗传差异。

表3 小麦苗期地上部Cd含量和富集系数Table 3 Cd content in aboveground part of wheat at seedling stage

2.4 不同品种小麦籽粒富集系数和转运系数

由表4可知，20个小麦品种籽粒富集系数范围为0.038~0.355，不同品种间的富集系数差异显著，富集系数最小的小麦品种是13 号（济糯116），其次是12号（济麦55）、8 号（烟农745）、11 号（济麦0435）、18 号（济麦5022），富集系数最高的是3号（中麦578）。

表4 不同品种小麦Cd籽粒生物富集系数和转运系数Table 4 Bioaccumulation coefficient and transport coefficient of Cd in different wheat varieties

小麦籽粒Cd含量变化特征与小麦不同部位Cd的转移能力有关。转运系数越小，表明Cd越难以到达籽粒。对20 个小麦品种Cd 转运系数分析发现（表4），TF根系-秸秆为0.320（济糯116）~0.642（济麦70），最大值是最小值的2.01倍；TF秸秆-籽粒为0.093（济麦38）~0.496（中麦578），最大值比最小值高4.36倍。12号小麦（济麦55）和20 号小麦（济麦38）的TF秸秆-籽粒最低，其次是11 号小麦（济麦0435）；TF根系-秸秆最小的品种为13 号（济糯116）、8号（烟农745）、9号（烟农572）、12 号（济麦55）、15号（烟农1212）。

12 号（济麦55）和13 号小麦（济糯116）相较于其余18 个品种在小麦苗期和成熟期均表现出低Cd 累积特性。14 号小麦（烟农215）在苗期表现出了较强的富集Cd 的能力，地上部Cd 含量和富集系数均高于其余品种，而籽粒中富集Cd的能力有所下降。3号小麦（中麦578）在小麦苗期并未表现出较高的Cd 累积特性，但是成熟期却表现出了较高的Cd累积特性。

2.5 Cd低累积小麦品种聚类分析

根据小麦籽粒Cd 含量进行聚类分析，将20 个供试小麦品种分为5 组（图2），分别为低Cd 累积品种、较低Cd 累积品种、中等Cd 累积品种、较高Cd 累积品种、高Cd 累积品种。组Ⅰ为低Cd 累积小麦品种（3个），包括8 号（烟农745）、12 号（济麦55）、13 号（济糯116）小麦，平均Cd 含量为0.015 mg·kg-1，占所研究小麦品种的15%。组Ⅱ为较低Cd累积小麦品种（9个），包括7号（泰科33）、9号（烟农572）、10号（济麦106）、11 号（济麦0435）、15 号（烟农1212）、16 号（烟农999）、17 号（济麦70）、18 号（济麦5022）、20 号（济麦38）小麦，平均Cd 含量为0.031 mg·kg-1，占所研究小麦品种的45%。组Ⅲ为中等Cd累积小麦品种（6个），包括2 号（济麦44）、4 号（山农38）、5 号（中麦415）、6号（登海206）、14 号（烟农215）、19 号（济麦5172）小麦，平均Cd 含量为0.054 mg·kg-1，占所研究小麦品种的30%。组Ⅳ为较高Cd 累积小麦品种（1 个），为1 号小麦（济麦23），Cd 含量为0.079 mg·kg-1，占所研究小麦的5%。组Ⅴ的3 号（中麦578）小麦Cd 含量为0.116 mg·kg-1，超过国家标准（GB 2762—2017）规定的0.1 mg kg-1限量值。占所研究小麦的5%。通过聚类分析初步筛选出8号小麦（烟农745）、12号小麦（济麦55）和13号小麦（济糯116）为低Cd累积小麦品种。

图2 小麦籽粒Cd含量聚类分析Figure 2 Cluster analysis of cadmium content in wheat grains

2.6 不同小麦品种安全风险评价

使用单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法对小麦籽粒重金属污染状况进行评价（图3），结果发现3号小麦（中麦578）单因子污染指数大于1，为污染状态，其他品种的小麦籽粒Cd 单因子污染指数均小于1，可见除3 号以外其他小麦籽粒中Cd 污染水平均为清洁状态，这与根据GB 2762—2017 国家限量评价标准判定的结果一致。12 号（济麦55）和13 号（济糯116）小麦品种籽粒单因子污染指数最低，风险最小。对所有品种小麦进行内梅罗综合污染指数计算的结果为0.822，属于尚安全状态。

图3 不同品种冬小麦单因子污染指数Figure 3 Single factor pollution index of different winter wheat varieties

不同品种小麦靶标危害系数如图4 所示，所有品种小麦的靶标危害系数均小于1。3 号（中麦578）的靶标危害系数最大，为0.30，12 号（济麦55）和13 号（济糯116）的靶标危害系数最小，均为0.03。

图4 不同品种冬小麦靶标危害系数Figure 4 Target damage coefficient of different winter wheat varieties

3 讨论

3.1 富集能力和转运能力对小麦籽粒Cd含量的影响

研究表明，小麦籽粒Cd 累积在一定程度上受基因控制[23]，与根系、茎叶不同细胞器对Cd 的固定储存能力、耐Cd 特性、调控基因等密切相关[23-26]。夏亦涛[24]研究发现，不同基因型小麦的Cd 吸收、转运和累积存在差异，小麦籽粒Cd 含量与苗期地下部至地上部的Cd 迁移系数呈显著正相关。Gray 等[25]研究认为筛选低累积作物品种的标准必须满足该品种对重金属富集系数和转运系数均小于1 的条件。本研究发现，不同小麦品种对Cd的吸收累积量存在显著差异，富集系数最小的小麦品种为济糯116、其次是济麦55、烟农745，其富集系数均小于0.1。富集系数与小麦籽粒Cd 含量呈正比，这与前人研究结果一致[26-27]。本研究中Cd 由小麦根系向秸秆的转运系数，以及秸秆向籽粒的转运系数均小于1，说明Cd从土壤中转运到小麦根系以及由根系向地上部转运的程度很小，大部分Cd 被截留在根系以及秸秆部，这与李乐乐等[28]的研究结果一致。生物富集系数和转运系数是评价不同小麦品种对Cd累积差异的重要指标。

3.2 籽粒Cd低累积小麦品种评价标准

筛选Cd 低累积小麦品种不仅要求其籽粒中Cd含量低于国家标准，还要求其适宜于当地环境种植，农民接收程度高。为实现中轻度Cd污染农田的利用及粮食的安全生产，近年来诸多学者开展了Cd 低累积型作物的筛选与培育工作，并得到了诸多具有Cd低累积特性的作物[29-31]。目前，对Cd低累积品种的筛选多基于室内盆栽或水培试验、矿区附近重度污染农田环境等，均以小麦籽粒Cd累积量为标准，并未过多考虑小麦产量水平，以及农民接收程度等因素，因此不利于全面反映小麦在特定Cd污染区域下的自然生产状况及实际推广应用。从区域粮食安全角度出发，所有筛选得到的Cd 低累积品种既要具备小麦Cd 低累积特性，还要适应当地农业生产环境，以满足实际生产应用的需要。本研究采用大田试验对20 份小麦材料进行筛选与验证，以籽粒Cd 含量为评价指标进行聚类分析，初步筛选出烟农745、济麦55、济糯116为小麦低Cd累积品种。20个小麦品种的平均产量为8 811 kg·hm-2，其中初步筛选出的3 个低累积品种中产量高于平均产量的有2 个，为烟农745 和济麦55，济糯116 低于平均产量。因此，综合考虑小麦产量和Cd 低累积结果，确定烟农745 和济麦55 为该地区Cd低累积品种。

3.3 籽粒Cd低累积小麦品种风险评价

由于当地种植的主要粮食作物为小麦、玉米和花生，且主要以小麦为主食，因此，以供试的小麦品种为对象，探讨了膳食摄取重金属对当地居民产生的健康风险。采用单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法对小麦籽粒Cd 污染状况进行评价，同时采用靶标危害系数评价小麦籽粒中重金属Cd摄入对成人产生的健康风险[32-33]。本研究发现供试的20 个小麦品种中，中麦578的小麦籽粒单因子污染指数评价结果为污染状态，其他品种的小麦籽粒均为清洁状态，这与《食品安全国家标准食品中污染物限量》（GB 2762—2017）判定结果一致。而按照靶标危害系数的评价结果，所有品种小麦的摄入对人体造成的危害风险均较低，内梅罗综合污染指数也显示属于尚清洁状态。该结果与单因子污染指数和国家限量评价标准评价结果不一致，这可能是由于在本研究中计算靶标危害系数所采用的参数均为平均指数，且并未考虑当地居民其他食物和暴露途径，因此本研究中的暴露评价结果比较保守，而我国国家标准的限量标准更为严格，从而导致两种判定结果不一致。研究认为重金属低累积小麦品种筛选标准必须满足的条件之一是该品种可食用部分的重金属含量必须低于相关国家标准，即使其他部位含量较高[25]。因此，仍以国家标准为最终判定标准筛选Cd低累积小麦品种。

综合小麦产量、籽粒Cd 累积量、富集系数和转运系数，以及靶标危害系数和聚类分析等结果，本研究筛选出济麦55、烟农745、济麦0435 和济麦5022为适宜于当地种植的Cd 低累积品种。从粮食安全角度出发，所筛选出的小麦Cd 低累积品种还需进一步验证其低累积特征的稳定性，以及确定影响籽粒Cd 含量的关键环境因素，从而合理确定Cd 低累积型小麦品种的安全种植区和低风险种植区，以满足实际生产应用的需要。