不同叶面阻控剂对玉米Cd、Pb积累与转运差异研究

刘奇，王晟，赵炫越，陈文，包立，张乃明*

（1.云南农业大学资源与环境学院，昆明 650201；2.云南省土壤培肥与污染修复工程研究中心，昆明 650201；3.云南农业大学植物保护学院，昆明 650201）

近年来，随着我国工业化、城市化进程不断加快以及农药化肥的不合理施用，每年都有大量的重金属通过灌溉、大气沉降等途径转移到土壤中[1-3]。土壤是保障人类生存和发展的重要资源，由于我国人均耕地面积较少，大部分受重金属污染的土壤仍用于农业生产[4]。土壤中重金属会被农作物富集，通过食物链最终危害人体健康[5]。因此，在重金属污染耕地上生产安全可食用的农产品，具有重要的现实意义与推广价值[6]。

耕地土壤重金属污染具有隐蔽性、多源性和持久性等特点，重金属进入作物体内会破坏其叶绿体结构，使叶绿素含量降低，从而抑制作物光合作用导致其生长发育受到影响[7]。影响农作物吸收与积累重金属的因素众多，目前控制重金属向食物链中转移主要有两种途径，一是筛选出对重金属有耐受性且积累量低的农作物品种[8]，二是通过化学方法抑制农作物从土壤吸收积累重金属到可食用部位。随着土壤重金属污染及粮食安全的社会关注度日益高涨，相应的技术调控措施也得到广泛的研究，在一些中重度污染耕地上，仅仅依靠品种筛选很难实现农产品安全生产，因此成本相对较低的施用土壤钝化剂和喷施叶面阻控剂等技术得到广泛应用[9-10]。相较于施用土壤钝化剂，喷施叶面阻控剂具有操作简单、成本低、易推广等特点。前人研究表明，在土壤重金属复合污染条件下，叶面施用纳米硅肥后水稻籽粒中Cd 和Pb 的吸收量显著降低[11]。于焕云等[12]在三地开展4年田间试验结果表明，施用一定量的降镉灵，在不同污染程度耕地上种植的稻米，Cd 含量降低38%~43%。尹炳等[13]和熊仕娟等[14]发现硒可作为重金属抑制剂用于降低玉米和黄瓜中的Cd 含量。Wang等[15]在Cd、Pb污染土壤上种植的水稻，相较于CK，叶面喷施Si、Se复合溶胶的水稻籽粒和叶片中Cd、Pb 含量显著降低。詹旭芳等[16]通过两年的田间试验发现，在Cd污染土壤上通过叶面喷施降镉灵后，玉米籽粒Cd含量有显著下降。

目前有关叶面喷施阻控重金属技术的系统研究主要应用在水稻与蔬菜等作物，关于玉米的叶面阻控剂报道多为Si、Se 或二者复合成分对其影响，涉及的重金属以Cd为主。由于不同作物对重金属的响应机制存在差异，不能依据单一作物结果广泛应用于其他农作物[17]。因此，本研究选取7 种类型叶面阻控剂，以田间试验的方式使用同一品种的玉米进行叶面阻控剂喷施试验，探究不同类型叶面阻控剂在相同玉米品种间生物性状以及各部位Cd、Pb 的富集与转运差异，以期筛选出针对玉米增产及降低重金属超标风险效果最好的叶面阻控剂，为受Cd、Pb污染耕地玉米安全利用提供科学依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

田间试验地点位于云南省宣威市热水镇格依村（26°03'16″N，103°50'42″E），地处滇东山地高原区，属喀斯特地貌，土壤类型为红壤。土壤pH值为6.50±0.36，有机质含量为17.25±0.70 g·kg-1，碱解氮含量为218.98±26.28 mg·kg-1，有效磷含量为12.56±5.84 mg·kg-1，速效钾含量为496.67±124.33 mg·kg-1，全Cd含量为2.16±0.04 mg·kg-1，有效Cd 含量为0.26±0.04 mg·kg-1，全Pb 含量为81.34±4.10 mg·kg-1，有效Pb 含量为4.85±0.53 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），试验地土壤Cd含量超过了农用地土壤重金属污染风险管制值，存在Cd超标的情况。

1.2 供试材料

供试玉米品种为云南省主栽杂交品种“华兴单88”（滇审玉米2015018），亲本关系为：ZH08×QR273。供试的叶面阻控剂分别为：YZ-1、YZ-2、YZ-3和YZ-4，由云南农业大学云南省土壤培肥与污染修复工程研究中心自行研制，主成分分别为P+K、腐植酸+B、腐植酸+B+Zn 和Ca+Mg，每公顷喷施总成本（以无人机单次喷施为例，下同）分别为600、750、900元和900元；降镉灵（JGL）和喷喷富（PPF），由佛山市铁人环保科技有限公司提供，主要成分分别为纳米有机硅溶胶和壳聚糖硒+二氧化硅溶胶，每公顷喷施总成本分别为1 000 元和1 500 元；万物生（WWS），由万物生生物科技控股有限公司提供，主成分为含植物干细胞、有效活菌、有益微生物菌群的有机叶面肥，每公顷喷施总成本为1 200元。

1.3 试验设计

试验面积约2 500 m2，地势平坦，所有小区均采用随机区组的排列方式，共设置8 个处理，每个处理重复3 次，共24 个小区。每个试验小区规格为长11 m，宽9 m，面积99 m2，根据当地种植习惯采用双行种植，行距55 cm，株距45 cm。试验地四周设置4 行保护行，各小区之间筑坝隔开，以消除边际效应。每穴播3 粒玉米种子，使种子入土2~3 cm，保持播种深度一致，玉米长出2 片叶片时进行间苗，每穴留1 株，各小区定株441 株。叶面阻控剂YZ-1、YZ-2、YZ-3 和YZ-4 按每亩（667 m2）250 mL 兑水至20 L 喷施，稀释倍数为80 倍；JGL 和PPF 按每亩500 mL 兑水稀释至20 L 喷施，稀释倍数为40 倍；WWS 按每亩350 mL 兑水稀释至20 L 喷施，稀释倍数约为57 倍。叶面阻控剂共喷施2 次，分别在玉米大喇叭口期和灌浆期进行喷施，避开雨天在下午5 点使用背负式农用喷雾器进行人工喷施。玉米播种前按每亩75 kg撒施氮磷钾三元复合肥（15-15-15）作基肥，作物生长期间按大田常规操作进行灌溉、除草和除虫等工作，拔节期按每亩追施尿素50 kg 进行追肥。2021 年4 月底播种，同年10月初玉米成熟期取样并收获。

1.4 测定指标与方法

玉米成熟期时每个小区采集1 个玉米植株样品和1个对应的土壤样品。土壤样品按5点采样法采集0~20 cm 表层土壤，现场混匀为1个样品装入自封袋，带回实验室经室温避光风干后去除碎石和动植物残体等异物，用研钵研磨后过100 目尼龙筛装袋待测。玉米植株样品按五点取样法每个小区采集5 整株，带回实验室后将玉米植株样品分为根、茎、叶、棒芯和籽粒5 部分，先用纯水冲洗后再用去离子水洗净，在105 ℃烘箱中杀青30 min 后调至65 ℃烘干至质量恒定，测定干质量后使用粉碎机磨碎，过100 目尼龙筛装袋待测。土壤理化性质测定参照国标方法和《土壤农化分析》[18]进行测定。土壤Cd、Pb 按照《土壤质量铅、镉的测定 石墨炉原子吸收分光光度法》（GB/T17141—1997），植株Cd、Pb 按照《食品安全国家标准 食品中镉的测定》（GB5009.15—2014）和《食品安全国家标准食品中铅的测定》（GB5009.12—2017），使用原子吸收光度计（Hitachi Z-2000）测定。以国家标准参比物质土壤样品（GBW07405）和植物样品（GBW10012）进行质量控制，标准样品检测结果均在允许误差范围内。

1.5 统计分析

数据使用Excel 和SPSS 软件进行统计分析，使用Origin 软件进行绘图，平均数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（M±SD）表示，差异显著水平为P<0.05。

富集系数（BCF）是指作物不同组织中某元素的平均含量与土壤中该元素的平均含量之比，表示作物对土壤重金属的积累能力；转运系数（TF）是指作物上部某元素的平均含量与作物下部该元素的平均含量之比，表示作物将重金属从下部向上部运输的能力。

2 结果与讨论

2.1 叶面阻控剂对玉米生物量及性状的影响

表1 表明，不同处理下供试玉米根部干质量、茎部干质量、叶部干质量、籽粒干质量、产量、茎粗以及叶面积均存在显著差异。不同处理玉米根部、茎部、叶部、棒芯、籽粒干质量平均值分别为15.0、90.3、77.3、65.4、244.8 g·株-1，变异系数为8.71%~15.94%；不同处理玉米产量平均值为9 890.6 kg·hm-2，变异系数为8.71%，YZ-3、YZ-4、YZ-2、YZ-1、JGL、PPF 和WWS 相较于CK，产量分别提高了30.4%、24.4%、23.8%、20.3%、16.3%、11.1%和4.8%，表现为WWS

表1 不同叶面阻控剂处理下玉米的生物量及性状Table 1 Biomass and traits of corn under different foliar blocker treatments

本试验条件下，叶面阻控剂中所含的营养元素不仅可以及时矫正作物的缺素症状，高效补充作物所需的养分，同时还能弥补根系吸收不足，促进作物生长，供试的叶面阻控剂相较于CK，均具有增产效果，这与王世华等[11]研究结果一致。YZ-3 的增产效果最显著，可能是因为作物受到Cd 胁迫时，Zn 可以促进叶绿素合成相关基因和蛋白的表达[19]，抑制重金属对作物光合机构的损害[20]，这与李宇航等[21]叶面喷施ZnSO4可有效提高玉米叶绿素含量和籽粒产量的研究结果一致。

2.2 叶面阻控剂对玉米Cd、Pb含量及积累量的影响

表2 表明，供试玉米各部位Cd 含量以及积累量均存在差异。不同处理下供试玉米根部、茎部、叶部、棒芯、籽粒中Cd 含量平均值分别为1.64、0.250、0.676、0.051、0.021 mg·kg-1，各部位Cd 含量表现为籽粒<棒芯<茎部<叶部<根部，变异系数为21.17%~41.91%。YZ-1、YZ-2、JGL、YZ-3、YZ-4、PPF和WWS相较于CK，籽粒Cd 含量分别降低了69.4%、63.9%、55.6%、38.9%、58.3%、36.1%、13.9%，表现为WWS>PPF>YZ-4>YZ-3>JGL>YZ-2>YZ-1。不同处理下供试玉米根部、茎部、叶部、棒芯、籽粒中Cd积累量平均值分别为0.024 2、0.022 2、0.051 6、0.003 2、0.004 9 mg·株-1，变异系数为16.00%~34.60%。

表2 不同叶面阻控剂处理下玉米各部位Cd含量以及积累量Table 2 Cd content and accumulation in various parts of corn under different foliar blocker treatments

表3 表明，供试玉米各部位Pb 含量以及积累量均存在差异。不同处理下供试玉米根部、茎部、叶部、棒芯、籽粒中Pb 含量平均值分别为5.36、0.88、2.36、0.32、0.12 mg·kg-1，各部位Pb 含量表现为籽粒<棒芯<茎部<叶部<根部，变异系数为9.24%~36.62%。YZ-1、YZ-2、JGL、YZ-3、YZ-4、PPF 和WWS 相较于CK，籽粒Pb 含量分别降低了55.6%、44.4%、33.3%、27.8%、38.9%、22.2%、16.7%，表现为WWS>PPF>YZ-4>YZ-3>JGL>YZ-2>YZ-1。不同处理下供试玉米根部、茎部、叶部、棒芯、籽粒中Pb积累量平均值分别为0.080、0.077、0.179、0.020、0.030 mg·株-1，变异系数为13.69%~31.39%。

表3 不同叶面阻控剂处理下玉米各部位Pb含量以及积累量Table 3 Pb content and accumulation in various parts of corn under different foliar blocker treatments

本试验所有处理中，玉米籽粒Cd、Pb含量均符合《食品安全国家标准食品中污染物限量》（GB 2762—2022）的要求（Cd≤0.1 mg·kg-1、Pb≤0.2 mg·kg-1），所有处理玉米茎部、叶部和棒芯中Cd、Pb 含量均符合《饲料卫生标准》（GB 13078—2017）的要求（Cd≤1.0 mg·kg-1、Pb≤30.0 mg·kg-1）。试验种植的玉米各部位均可用于农业生产，达到了“边生产，边修复”和受污染耕地安全利用的目的。

2.3 不同叶面阻控剂玉米籽粒中Cd、Pb 含量的聚类分析

根据供试玉米籽粒中Cd、Pb 含量对7 种叶面阻控剂进行聚类分析，结果如图1 所示，以Cd 含量0.020 mg·kg-1和Pb 含量0.125 mg·kg-1为基准，将YZ-1、YZ-2、YZ-3和JGL划分Ⅰ类，玉米籽粒中Cd、Pb含量分别为0.011~0.016 mg·kg-1和0.08~0.12 mg·kg-1；将YZ-4、PPF和WWS划分为Ⅱ类，玉米籽粒中Cd、Pb含量分别为0.022~0.031 mg·kg-1和0.13~0.15 mg·kg-1。

图1 不同叶面阻控剂处理下玉米籽粒Cd、Pb含量聚类分析Figure 1 Cluster analysis of Cd and Pb content of corn seeds under different foliar blocker treatments

2.4 不同叶面阻控剂对玉米Cd、Pb富集系数的影响

不同处理下供试玉米各部位对土壤中Cd的富集系数如图2 所示。供试玉米不同处理下根部、茎部、叶部、棒芯、籽粒的Cd 富集系数平均值分别为0.760、0.116、0.314、0.023、0.010，各部位Cd 富集系数表现为籽粒<棒芯<茎部<叶部<根部，变异系数为21.0%~41.7%。不同处理下供试玉米各部位对Cd 的富集能力均存在差异，除CK 处理下根部富集系数大于1，其他处理下各部位Cd 富集系数均小于1，说明在Cd 污染耕地上，直接种植的玉米根部会产生超富集现象。YZ-1、YZ-2、JGL、YZ-3、YZ-4、PPF、WWS 相较于CK，籽粒Cd 富集系数分别降低了70.8%、65.0%、58.4%、56.5%、38.3%、36.3%、14.5%，表现为WWS>PPF>YZ-4>YZ-3>JGL>YZ-2>YZ-1，与聚类分析结果一致。

不同处理下供试玉米对土壤中Pb 的富集系数如图3 所示。不同处理下供试玉米根部、茎部、叶部、棒芯、籽粒的Pb 富集系数平均值分别为0.066、0.011、0.029、0.004、0.002，各部位Pb 富集系数表现为籽粒<棒芯<茎部<叶部<根部，变异系数为7.9%~34.2%。不同处理下供试玉米各部位对Pb的富集能力均存在差异，供试玉米各部位所有处理的Pb 富集系数均小于0.1，说明供试玉米各部位对Pb 的吸收能力均处于较弱水平。YZ-1、YZ-2、JGL、YZ-3、YZ-4、PPF、WWS相较于CK，籽粒Pb 富集系数分别降低了49.8%、42.9%、36.4%、35.7%、24.8%、15.3%、11.5%，表现为WWS>PPF>YZ-4>YZ-3>JGL>YZ-2>YZ-1，与聚类分析结果一致。

图3 不同处理下供试玉米各部位Pb的富集系数Figure 3 Bioconcentration factors of Pb in each part of the test corn under different treatments

富集系数（BCF）是作物积累重金属的重要指标，可以解释为作物对重金属离子的吸收和富集能力[22]。本试验中供试的玉米品种以及土壤、施肥等外界环境因素相同，不同处理间玉米各部位Cd、Pb积累能力主要受不同类型的叶面阻控剂影响。喷施叶面阻控剂，首先通过改变作物细胞膜对Cd2+、Pb2+的通透性，进而影响其在作物体内运输[23-24]，其次通过拮抗作用加大作物对营养元素的吸收，抑制含Cd、Pb 的金属酶活性，从而降低作物的蒸腾效率以阻碍Cd、Pb的向上运输[25-26]，最后通过促进抗氧化物质的形成，增加对Cd2+、Pb2+的吸附及螯合作用，进一步降低作物体内Cd、Pb的吸收累积[27]。

钙镁磷肥和腐植酸是目前广泛使用的土壤钝化剂[28-30]，但将其主要成分改良为叶面阻控剂以叶面喷施的方式用于降低作物重金属含量还鲜有研究。矿质元素作为作物生长的必需元素，不仅能为作物生长发育提供必要的矿物质营养[31]，还能通过根系上的竞争性吸附和共沉淀来抑制作物吸收重金属[29]，同时对作物可食用部位富集的Cd、Pb 还会产生一定的稀释效应[32]。因此本研究团队以B、Mg、P、K、Ca、Zn 等矿质元素和腐植酸作为主要成分，自制了4 种叶面阻控剂：YZ-1（P+K）、YZ-2（腐植酸+B）、YZ-3（腐植酸+B+Zn）以及YZ-4（Ca+Mg）。试验结果表明，YZ-1、YZ-2、YZ-3、YZ-4 相较于CK，供试玉米籽粒中Cd 和Pb的富集系数分别降低了70.8%和49.8%、65.0%和42.9%、56.5%和35.7%、38.3%和24.8%，验证了4 种配方的可行性。

JGL 和PPF 的主要成分分别为Si 和Se+SiO2。Si、Se 常被认为是对作物生长有益的元素，特别是在重金属胁迫环境下[33]。相关研究表明，Si、Se 具有减少作物中重金属积累和减轻氧化应激的潜力[34]。喷施含Si、Se的叶面阻控剂，可以通过调节根系吸收、木质部负荷、维管内转移和韧皮部对重金属的运输从而影响重金属在作物不同部位的分布[35-36]。Si 可以提高细胞壁对Cd、Pb的吸附固定能力，进而提高作物的抵抗能力，降低Cd、Pb 向地上部位转运，从而抑制作物可食用部位对Cd、Pb 的富集[37-38]。Se 可与重金属形成难溶复合物，清除重金属引起的自由基和改变细胞膜的透性来阻碍作物对重金属的吸收[39]。安志装等[40]研究发现，Se可移除作物代谢活跃细胞点位上的重金属或改变作物细胞膜通透性来阻碍重金属转运。

2.5 不同叶面阻控剂对玉米Cd、Pb转运系数的影响

不同处理下供试玉米各部位Cd 转运系数如图4所示，供试玉米各部位对Cd的转运系数均存在差异。供试玉米不同处理下根部-茎部、茎部-叶部、茎部-棒芯和棒芯-籽粒的Cd 转运系数平均值分别为0.160、2.711、0.198 和0.399，变 异 系 数 为3.6%~20.1%。供试玉米根部-茎部不同处理下Cd转运系数表现为YZ-4

图4 不同处理下供试玉米各部位Cd的转运系数Figure 4 Translocation factor of Cd in various parts of the test corn under different treatments

不同处理下供试玉米各部位Pb 转运系数如图5所示，供试玉米各部位对Pb的转运系数均存在差异。供试玉米不同处理下根部-茎部、茎部-叶部、茎部-棒芯和棒芯-籽粒的Pb 转运系数平均值分别为0.159、2.711、0.366 和0.405，变 异 系 数 为3.4%~27.5%。供试玉米根部-茎部不同处理下Pb转运系数表现为YZ-1

图5 不同处理下供试玉米各部位Pb的转运系数Figure 5 Translocation factor of Pb in various parts of the test corn under different treatments

转运系数（TF）是判断作物吸收、分配和转运重金属的一个重要指标[41]。本研究使用的叶面阻控剂，富含大量作物生长必需的矿质元素以及Si、Se等有益于作物生长的元素，喷施在作物叶面上可保湿、成膜，通过叶面直接吸收进入作物体内，不仅能促进作物吸收营养，还能增强其光合作用[20，42]，并能从调控茎叶分配、运输蛋白活性、竞争运输通道等方面抑制作物对重金属的吸收，改变重金属在作物体内的分配，抑制重金属由作物叶片向籽粒运输[36]。本研究中，玉米各部位Cd、Pb 转运系数均表现为根部-茎部<茎部-棒芯<棒芯-籽粒<茎部-叶部，供试玉米各部位Cd、Pb转运系数除茎部-叶部大于1 外，其余各部位间Cd、Pb 转运系数均小于1，并且叶面阻控剂处理下茎部-叶部的Cd、Pb 平均转运系数高于CK，说明Cd、Pb 在玉米体内转运过程中，倾向于向叶部富集，而叶面阻控剂的施用会促进这种效果，与王灿等[36]研究结果一致。本试验YZ-1 处理下茎部-叶部的Cd、Pb 转运系数在所有处理中最大，YZ-3仅次于YZ-1。结合全文结果综合分析，YZ-1阻控Cd、Pb的效果最好，且成本最低；YZ-3 阻控Cd、Pb 的能力虽弱于YZ-1，但增产效果最好，且成本低廉。综上所述，YZ-3 建议在Cd轻中度污染的玉米产区推广使用，YZ-1 建议在Cd 重度污染的玉米主产区推广使用。

3 结论

（1）通过田间试验证明，7 种叶面阻控剂处理下，供试玉米各部位干质量以及株高、茎粗、叶面积等生物性状均高于CK，产量提高了4.8%~30.4%，增产能力表现为WWS

（2）供试玉米各部位的Cd、Pb含量与富集系数均表现为籽粒<棒芯<茎部<叶部<根部；7种叶面阻控剂处理下，相较于CK，玉米籽粒Cd、Pb含量分别降低了13.9%~69.4%、16.7%~55.6%，玉米籽粒富集系数分别降低了14.5%~70.8%、11.5%~49.8%，不同处理下供试玉米籽粒Cd、Pb 含量与富集系数均表现为CK>WWS>PPF>YZ-4>YZ-3>JGL>YZ-2>YZ-1。

（3）本试验条件下，YZ-3 作为增产效果最好的叶面阻控剂，建议在Cd 轻中度污染的玉米产区推广使用；YZ-1 作为Cd、Pb 阻控效果最好且成本最低的叶面阻控剂，建议在Cd 重度污染的玉米主产区推广使用。