不同玉米品种对Pb、Cd积累与转运差异研究

刘 奇,王 晟,何 涛,包 立,张乃明① (1.云南农业大学资源与环境学院,云南 昆明 650201;2.云南省土壤培肥与污染修复工程实验室,云南 昆明 650201;.云南农业大学植物保护学院,云南 昆明 650201)

近年来,随着工业化、城市化进程不断加快以及农药化肥的不合理施用,每年都有大量重金属通过灌溉、大气沉降等途径转移到土壤中[1-3]。目前,我国受重金属污染耕地面积达2 000多万hm2,每年因重金属污染导致的粮食损失超过1 000万t,这些粮食足以养活4 000万人,造成经济损失近200亿元[4-6],耕地土壤重金属污染防治已迫在眉睫。

玉米是中国乃至世界三大粮食作物之一,也是云南省第一大粮食作物,具有分布广、产量高等特点,并且属于低积累作物[7]。目前,降低农作物重金属超标风险的途径主要有两种,一是通过农艺调控措施降低农作物对重金属的吸收[8];二是筛选出自身吸收重金属能力较弱的低积累农作物品种[9-11]。重金属低积累农作物品种的筛选不仅操作简单,且无二次污染风险,相较于农艺调控措施,低积累农作物更容易被推广种植[12-13],是当前重金属污染耕地主要安全利用措施。因此,探究重金属在主要粮食作物中富集与转运差异,筛选出重金属低积累品种,对保障粮食安全具有重要意义。前人对此已开展大量研究,杜彩艳等[14]分析了云南省个旧矿区适种的24个玉米品种对Cd、Pb、As积累与转运的潜力差异,并筛选出具备高产特性的Cd、Pb、As低积累玉米品种,为低积累玉米品种筛选提供新思路。邵忱忱等[15]用矿区农田原状土进行盆栽试验,通过聚类分析,探讨了10个玉米品种对土壤中Pb、Zn和Cd富集系数及转运系数的差异,筛选出具备低积累潜力的玉米品种。鄢小龙等[16]通过研究Cd、Pb胁迫条件下42个玉米品种对Cd、Pb积累与转运差异,筛选出适合云南高海拔重金属污染地区种植的5个Cd、Pb低积累玉米品种。

由于云南滇东地区既是土壤重金属污染耕地集中区域,又是云南玉米主产区。以云南滇东地区农业生产中主栽的18个玉米品种作为供试玉米品种,探究不同玉米品种间Pb、Cd的富集与转运差异,以期筛选出适合云南省滇东地区受Pb、Cd污染的重金属高背景区耕地种植且具备高产特性的低积累玉米品种,为云南滇东地区乃至国内类似地区受污染耕地安全利用和保障粮食安全提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验地点位于云南省宣威市热水镇格依村。供试土壤为红壤,其理化性质:pH为6.50±0.36,w(有机质)为(17.25±0.70) g·kg-1,w(碱解氮)为(218.98±26.28) mg·kg-1,w(速效磷)为(12.56±5.84) mg·kg-1,w(速效钾)为(496.67±124.33) mg·kg-1,w(Cd全量)为(2.0±0.28) mg·kg-1,w(Cd有效态)为(0.26±0.04) mg·kg-1,w(Pb全量)为(61.29±10.86) mg·kg-1,w(Pb有效态)为(4.85±0.53) mg·kg-1。根据GB 15618—2018《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》,试验地土壤Cd含量达到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 供试材料及试验设计

供试18个玉米品种均为云南滇东地区农业生产中主栽的玉米品种,购自宣威市玉米种子销售市场,各品种名称、编号及亲本关系见表1。

表1 供试玉米品种Table 1 Maize varieties tested

试验所有小区均采用随机区组排列方式,每个品种重复3次,共54个小区。试验小区规格:长为5.5 m,宽为4.5 m,面积为24.75 m2,根据当地种植习惯采用双行种植,行距为55 cm,株距为45 cm。试验地四周设保护行,各小区之间采用筑坝隔开,以消除边际效应。每穴播5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100株。播种前按1 125 kg·hm-2撒施氮磷钾三元复合肥(15-15-15)作为基肥,作物生长期间按大田常规操作开展灌溉、除草和除虫等工作,拔节期按750 kg·hm-2追施尿素。2021年4月底播种,同年在10月初玉米成熟期取样并收获。

1.3 样品采集与测定

种植玉米前,采用五点采样法采集0～20 cm表层土壤样品,土壤样品经自然风干后磨碎,过0.15 mm 孔径尼龙筛网备用。在玉米成熟期采集玉米植株样品,每个小区按五点取样法采集5株玉米晒干脱粒进行实际测产,植株样品保留根部和籽粒2个部分,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 ℃烘干至恒重,测定干重后磨碎,过0.15 mm孔径尼龙筛网备用。土壤理化性质参照国家标准方法和《土壤农业化学分析方法》[17]进行测定。土壤Pb、Cd含量参照GB/T 17141—1997《土壤质量 铅、镉的测定 石墨炉原子吸收分光光度法》,植株Pb、Cd含量分别参照GB 5009.12—2017《食品安全国家标准 食品中铅的测定》和GB 5009.15—2014《食品安全国家标准 食品中镉的测定》,采用原子吸收光度计(日立,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。

1.4 统计分析

数据采用Excel 2019和SPSS 23.0软件进行统计分析,图片采用Origin 2021、SPSS 23.0软件以及派森诺基因云数据分析平台(https:∥www.genescloud.cn)进行制作,平均数采用最小显著差数法(LSD)进行比较,图表中数据均采用平均值±标准差表示,差异显著水平为P<0.05。

富集系数(BCF)指植物不同组织中某元素平均含量与土壤中该元素平均含量之比,转运系数(TF)指植物地上部某元素平均含量与植物地下部该元素平均含量之比。BCF和TF计算公式[18]分别为

XBCF=WS/WSO,

(1)

XTF=WS/WR。

(2)

式(1)～(2)中,XBCF为富集系数;XTF为转运系数;WS为玉米籽粒中某元素平均含量,mg·kg-1;WSO为土壤中某元素平均含量,mg·kg-1;WR为玉米根中某元素平均含量,mg·kg-1。

2 结果与分析

2.1 不同玉米品种根部生物量、籽粒产量及生物性状差异分析

不同玉米品种根部生物量(干重)、籽粒产量(干重)、株高和茎粗见表2。由表2可知,不同玉米品种根部生物量、产量和株高均存在显著差异。不同玉米品种根部生物量为6.30～21.30 g·株-1(宣宏18最小,秋硕玉3最大),均值为12.01 g·株-1;不同玉米品种产量为190～296 g·株-1(胜玉16最小,地沃7号最大),均值为239 g·株-1;不同玉米品种株高为218.8～269.1 cm(秋硕玉3最小,地沃2号最大),均值为238.7 cm;不同玉米品种茎粗为17.80～24.08 mm(华兴单88最小,宣瑞10最大),均值为20.64 mm。

表2 不同玉米品种根部生物量、产量、株高及茎粗Table 2 Root biomass, yield, plant height and stem thickness of different maize varieties

2.2 不同玉米品种籽粒Pb、Cd含量和积累量差异分析

2.2.1不同玉米品种籽粒Pb、Cd含量差异分析

不同玉米品种籽粒Pb、Cd含量见图1。由图1可知,不同玉米品种籽粒Pb、Cd含量均存在差异。18个玉米品种籽粒Pb、Cd含量分别介于0.08～0.18和0.004～0.103 mg·kg-1之间,变异系数分别为18.59%和103.32%;18个玉米品种均符合GB 13078—2017《饲料卫生标准》要求,即w(Pb)≤30.0 mg·kg-1,w(Cd)≤1.0 mg·kg-1,达标率为100%;18个玉米品种中,除胜玉607籽粒Cd含量超过GB 2762—2022《食品安全国家标准 食品中污染物限量》外,即w(Pb)≤0.2 mg·kg-1,w(Cd)≤0.1 mg·kg-1,其余均符合标准。

就同一指标而言,直方柱上方英文小写字母不同表示玉米品种间该指标差异显著(P<0.05)。图1 不同玉米品种籽粒Pb、Cd含量Fig.1 Grain Pb and Cd mass fractions of different maize varieties

2.2.2不同玉米品种籽粒Pb、Cd积累量差异分析

不同玉米品种籽粒Pb、Cd积累量见图2。由图2可知,不同玉米品种籽粒Pb、Cd积累量均存在差异。18个玉米品种籽粒Pb、Cd积累量分别介于0.017～0.043和0.000 9～0.022 6 mg·株-1之间,均值分别为0.032和0.004 8 mg·株-1,变异系数分别为21.94%和97.24%。

就同一指标而言,直方柱上方英文小写字母不同表示玉米品种间该指标差异显著(P<0.05)。图2 不同玉米品种籽粒Pb、Cd积累量Fig.2 Grain Pb and Cd accumulation of different maize varieties

2.3 不同玉米品种籽粒中Pb、Cd含量的聚类分析

为了区分玉米品种间籽粒对Pb、Cd的积累能力,进一步筛选出可在风险管控类耕地和安全利用类耕地推广种植的Pb、Cd低积累玉米品种,降低玉米粒子Pb、Cd含量超标风险,依据供试玉米籽粒中Pb、Cd含量对18个玉米品种进行聚类分析。根据18个玉米品种籽粒对Pb和Cd积累的差异划分为高、中和低3类:籽粒Pb含量>0.15 mg·kg-1为Pb高积累品种,介于>0.10～0.15 mg·kg-1之间为Pb中积累品种,≤0.10 mg·kg-1为Pb低积累品种;籽粒Cd含量>0.075 mg·kg-1为Cd高积累品种,介于>0.050～0.075 mg·kg-1之间为Cd中积累品种,≤0.050 mg·kg-1为Cd低积累品种。

由图3可知,Pb高积累品种编号为3、9、10、12、13和14号,其数量占供试品种数量的33%,其籽粒Pb含量介于0.15～0.18 mg·kg-1之间;Pb中积累品种编号为1、2、5、7、8、11、15、16、17和18号,其数量占供试品种数量的56%,其籽粒Pb含量介于0.11～0.14 mg·kg-1之间;Pb低积累品种编号为4和6号,其数量占供试品种数量的11%,其籽粒Pb含量分别为0.08和0.09 mg·kg-1。

各编号对应玉米品种详见表1。图3 不同玉米品种籽粒Pb含量聚类分析Fig.3 Cluster analysis of Pb content in seeds of different maize varieties

由图4可知,Cd高积累品种为7号(胜玉607),其数量占供试品种数量的6%,其籽粒Cd含量为0.103 mg·kg-1;其他17个品种均为低积累品种,占供试品种数量的94%,其籽粒Cd含量介于0.004～0.033 mg·kg-1之间。

各编号对应玉米品种详见表1。图4 不同玉米品种籽粒Cd含量聚类分析Fig.4 Cluster analysis of Cd content in seeds of different maize varieties

综上所述,4号(宣宏18)和6号(胜玉16)品种为Pb和Cd低积累玉米品种。

2.4 不同玉米品种对Pb、Cd富集系数的差异分析

富集系数(BCF)表示作物对土壤重金属的积累能力,供试玉米品种对土壤中Pb、Cd的BCF见图5。

箱体上、中和下线分别表示上四分位数、中位数和下四分位数。P值表示Kruskal-Wallis非参数检验获得的组间总体差异,*表示P<0.05。图5 不同玉米品种对土壤中Pb、Cd的富集系数(BCF)Fig.5 Enrichment coefficients of different maize varieties for Pb and Cd in soil

如图5所示,Pb高积累玉米品种BCF为0.002 4～0.003 0,Pb中积累品种BCF为0.001 8～0.002 3,Pb低积累品种BCF为0.001 3～0.001 5;Cd高积累玉米品种BCF为0.051 6,Cd低积累品种BCF为0.002 0～0.016 4。不同玉米品种间籽粒对Pb、Cd的富集能力存在差异,但富集系数均小于1,说明供试品种对Pb、Cd的吸收能力均处于较弱水平。其中,罗单566的Pb富集系数分别与宣宏18和胜玉16存在显著差异;胜玉607的Cd富集系数分别与胜玉16和金玉932存在显著差异。

2.5 不同玉米品种根部-籽粒Pb、Cd转运系数的差异分析

不同玉米品种根部-籽粒Pb、Cd的转运系数(TF)见图6。如图6所示,Pb高积累品种TF为0.032 5～0.126 1,Pb中积累品种TF为0.025 1～0.106 3,Pb低积累品种TF为0.025 1～0.034 5;Cd高积累品种TF为0.083 2,Cd低积累品种TF为0.005 3～0.025 6。不同玉米品种根部-籽粒对Pb、Cd的转运能力存在差异,但转运系数均小于1,说明供试品种对Pb、Cd的转运能力均处于较弱水平,各玉米品种Pb、Cd转运能力分别呈现高积累品种>中积累品种>低积累品种和高积累品种>低积累品种的趋势。其中,潞玉1681的Pb转运系数分别与地沃2号和宣宏18存在显著差异;胜玉607的Cd转运系数分别与宣宏18和金玉932存在显著差异。

箱体上、中和下线分别表示上四分位数、中位数和下四分位数。P值表示Kruskal-Wallis非参数检验获得的组间总体差异,*表示P<0.05。图6 不同玉米品种根部-籽粒Pb、Cd的转运系数(TF)Fig.6 Pb and Cd transport coefficients from root to seed of different maize varieties

3 讨论

重金属低积累农作物品种的筛选,既能降低粮食超标风险,又能为重金属污染高背景地区耕地的安全利用提供有效措施。作物积累重金属主要取决于作物自身的遗传因素和外界的环境条件[19-20]。笔者试验中,各处理土壤、施肥等外界环境因素相同,玉米品种间Pb、Cd积累的不同主要由其自身遗传因素决定。18个供试玉米品种在产量、籽粒Pb含量、籽粒Cd含量、富集系数和转运系数上均存在一定差异,这与前人研究结果[21-23]一致;供试玉米品种间遗传背景差异较大,不同品种对Pb、Cd吸收和转运机制不同,进而导致品种间籽粒Pb、Cd含量存在差异[24]。供试的18个玉米品种中,只有胜玉607籽粒Cd含量高于GB 2762—2022〔w(Cd)≤0.1 mg·kg-1〕,但也达到GB 13078—2017〔w(Cd)≤1.0 mg·kg-1〕,可作为动物饲料。笔者试验种植的玉米均可用于农业生产,实现“边生产,边修复”和受污染耕地安全利用的目的。

18个供试玉米品种籽粒Pb、Cd富集系数分别介于0.001 3～0.003 0和0.002 0～0.051 6之间(图5),均小于0.1,说明供试玉米品种对Pb、Cd均具有较好耐受性。转运系数是评价重金属在作物体内分配、转移情况的重要依据[25]。笔者研究中,不同玉米品种根部和籽粒Pb、Cd含量均呈现出一定规律性和差异性,但供试玉米Pb、Cd从根部到籽粒的转运系数均小于1,说明根部重金属含量高于籽粒。一方面,可能是供试玉米品种植株中的Pb、Cd主要富集在根部;另一方面,可能是Pb、Cd在玉米各部位间转移时部分积累在其他部位。前人研究表明,低积累作物根部在减少对重金属吸收的同时[26],还会通过区室化保存的方式抑制重金属由根部向其他部位转移[27],笔者研究结果与之一致。

通过聚类分析将18种玉米品种划分为籽粒Pb高、中、低积累3种类型和Cd高、低积累2种类型,其中,地沃2号和宣瑞10这2个品种的母本相同,且籽粒Cd含量差异较小,同为Cd低积累品种,但籽粒Pb含量存在显著差异,分别为Pb中积累和高积累品种,对于玉米籽粒中重金属积累特性是否与其亲本具有相关性还需进一步研究。供试玉米Pb、Cd从根部到籽粒转运系数总体表现为高积累品种>中积累品种>低积累品种,证明低积累品种将Pb、Cd从根部转移到籽粒的能力最弱,这与前人研究结果[14]一致。低积累玉米品种中重金属与细胞壁或液泡结合的能力较弱,导致重金属元素移动性降低,抑制了重金属向下部器官的转运和积累,而高积累玉米品种中重金属与细胞壁或液泡结合的能力相对较强[28],这解释了不同积累类型玉米品种间根部和籽粒Pb、Cd含量的差异。

目前,筛选低积累玉米品种尚无明确标准,尤其是筛选Pb、Cd低富集品种。笔者研究认为,从实际应用角度筛选重金属低积累玉米品种时应考虑以下2个方面:一是在符合国家食品安全相关标准的基础上,所选玉米品种对重金属的富集和转运能力要尽可能弱;二是所选玉米品种要具备高产特性。综上所述,笔者筛选出地沃7号、云良1号和地沃2号3个对Pb、Cd耐受性较强的玉米品种,同时也是供试品种中产量(表2)最高的3个品种。由于玉米生长存在较大区域限制,因此这3种低积累玉米品种对于不同Pb、Cd污染程度和不同类型土壤的适应性还需进一步研究验证。

4 结论

(1)供试的18种玉米品种生物性状以及籽粒Pb、Cd含量均存在明显差异,除胜玉607籽粒Cd含量超标外,其余17个品种Pb、Cd含量均符合食品安全国家标准,均可作为土壤重金属高背景地区优先选用的品种。其中,地沃7号、云良1号和地沃2号为适合云南滇东地区种植且具备高产特性的Pb、Cd低积累玉米品种。

(2)供试的18种玉米品种籽粒对土壤中Pb、Cd的富集能力存在差异,富集系数分别介于0.001 3～0.003 0和0.002 0～0.051 6之间,均处于较弱水平。

(3)供试的18种玉米品种根-籽粒中Pb、Cd转运能力均存在差异,转运系数分别介于0.025 1～0.126 1和0.005 3～0.083 2之间,均处于较弱水平,且转运系数总体呈现高积累品种>中积累品种>低积累品种的趋势。