孫洪欣，趙全利，薛培英，楊錚錚，楊陽(yáng)，王倩倩，劉峰，唐鐵朝，劉文菊*，申嘉澍

1. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，河北省農(nóng)田生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071000；2. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)教學(xué)試驗(yàn)場(chǎng)，河北 保定 071000；3. 河北省農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站，河北 石家莊 050035；4. 北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，北京100101

不同夏玉米品種對(duì)鎘、鉛積累與轉(zhuǎn)運(yùn)的差異性田間研究

孫洪欣1*，趙全利2*，薛培英1，楊錚錚1，楊陽(yáng)1，王倩倩1，劉峰3，唐鐵朝3，劉文菊1**，申嘉澍4

1. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，河北省農(nóng)田生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071000；2. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)教學(xué)試驗(yàn)場(chǎng)，河北 保定 071000；3. 河北省農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站，河北 石家莊 050035；4. 北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，北京100101

隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，土壤重金屬污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，農(nóng)作物重金屬超標(biāo)現(xiàn)象頻發(fā)。為篩選出具有鎘（Cd）、鉛（Pb）低積累潛力且產(chǎn)量較高的夏玉米（Zea mays）品種，該研究采用田間小區(qū)試驗(yàn)和室內(nèi)分析相結(jié)合的方法，在府河污灌區(qū)選取有代表性的農(nóng)田，探討華北地區(qū)適種的9個(gè)夏玉米品種對(duì)Cd、Pb積累與轉(zhuǎn)運(yùn)的潛力差異。結(jié)果表明：夏玉米產(chǎn)量、玉米籽實(shí)中Cd、Pb含量在品種間存在顯著差異（P＜0.05）。其中，先玉335產(chǎn)量為12 389 kg·hm-2，比其他品種高出32%～93%；玉米籽實(shí)中Cd含量最低的是先玉335，為0.004 4 mg·kg-1，比其他品種低7%～45%；Pb含量最低的是洛玉803，為0.027 3 mg·kg-1，比其他品種低37%～50%，且玉米籽實(shí)中Cd、Pb含量均未超過(guò)食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的食品中污染物限量標(biāo)準(zhǔn)（GB 2762─2012）；對(duì)玉米籽實(shí)和秸稈中的Cd、Pb含量進(jìn)行聚類分析可知，秀青74-9、冀農(nóng)1號(hào)、先玉335、肅玉1號(hào)和偉科702均屬于籽實(shí)、秸稈中Cd、Pb低積累類群。綜合玉米產(chǎn)量、玉米地上部Cd、Pb含量、富集系數(shù)、轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)等指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)，可以篩選出先玉335為既高產(chǎn)且可食部分籽實(shí)具有低積累Cd、Pb潛力的品種，適宜在華北地區(qū)Cd、Pb輕度污染區(qū)推廣種植。

夏玉米；鎘；鉛；積累與轉(zhuǎn)運(yùn)；品種差異

SUN Hongxin, ZHAO Quali, XUE Peiying, YANG Zhengzheng, YANG Yang, WANG Qianqian, LIU Feng, TANG Tiechao, LIU Wenju, SHEN Jiashu. Variety Difference of Cadmium and Lead Accumulation and Translocation in Summer Maize [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(12): 2068-2074.

隨著工業(yè)的發(fā)展，重金屬類污染物進(jìn)入土壤并引發(fā)土壤-植物系統(tǒng)的環(huán)境污染問(wèn)題，全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)也證實(shí)了這一點(diǎn)（陳懷滿，1996；郭曉方等，2010），其中污灌是農(nóng)田土壤重金屬污染的主要來(lái)源之一（方玉東，2011；Liu et al.，2005）。調(diào)查表明：華北地區(qū)，尤其是北京、保定、石家莊等地因多年污灌造成鎘（Cd）、鉛（Pb）重金屬在土壤中累積（孫雷等，2008；胡國(guó)成等，2011；謝建治等，2002；薛占軍，2012），進(jìn)而通過(guò)吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入農(nóng)作物的可食部位，使一些糧食作物籽實(shí)重金屬存在超標(biāo)現(xiàn)象，且部分根菜類蔬菜中 Pb含量超過(guò)我國(guó)食品中重金屬的限量標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 5009─2003）1倍以上（薛占軍，2012）。河北省清苑縣及周邊農(nóng)田土壤重金屬含量調(diào)查顯示，65%土壤中Cd含量超過(guò)我國(guó)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 15618─ 1995），且3%玉米籽實(shí)中Pb超過(guò)我國(guó)糧食衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)（GB 2715─2005）（張麗紅等，2010）。污染土壤中的重金屬不僅會(huì)影響作物生長(zhǎng)，而且會(huì)通過(guò)食物鏈在人畜體內(nèi)積累從而威脅人畜健康（于蔚等，2014；匡少平等，2002；金亮等，2007；劉恩玲等，2009；朱宇恩等，2011）。研究小組前期調(diào)查研究顯示，本試驗(yàn)研究區(qū)（望亭鄉(xiāng)小望亭村）自上世紀(jì)60年代至今一直采用府河污水進(jìn)行農(nóng)田灌溉，并且由于常年污灌已經(jīng)造成農(nóng)田土壤中一些重金屬超標(biāo)，其中以Cd、Pb污染問(wèn)題最為突出。

已有研究表明，不同的農(nóng)作物對(duì)重金屬的脅迫有不同的抗性與耐性，如水稻、小麥、芋頭、大白菜、青菜、菠菜和苧麻等作物對(duì)重金屬的吸收與積累存在物種、品種和同一作物不同器官的差異（劉維濤等，2009；鄒日，2012；Zeng et al.，2008；黃萍霞，2007；宗良綱等，2007；佘瑋等，2011；代全林等，2005；劉光榮等，2006a）。因此，篩選和培育不僅可以在重金屬污染的土壤上正常生長(zhǎng)，且可食部位重金屬含量較低的低積累農(nóng)作物品種是保證農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)的有效途徑之一。玉米（Zea mays）是我國(guó)主要糧食作物之一，尤其在華北地區(qū)，夏玉米種植更為普遍。近年來(lái)，對(duì)耐、抗重金屬玉米品種的篩選研究工作開(kāi)展了很多（郭曉方等，2010；代全林等，2005），尤其是室內(nèi)盆栽試驗(yàn)，但是室內(nèi)苗期的盆栽試驗(yàn)結(jié)果和大田應(yīng)用還有一定的距離。因此，開(kāi)展重金屬低累積農(nóng)作物品種的田間篩選研究勢(shì)在必行。不同的玉米品種具有各自適種的生態(tài)區(qū)域，目前檢索到的相關(guān)文獻(xiàn)主要集中在我國(guó)南方的廣東、四川等地開(kāi)展的當(dāng)?shù)剡m種品種的重金屬低積累的田間研究，在華北污灌導(dǎo)致的重金屬輕度污染區(qū)開(kāi)展Cd、Pb低積累夏玉米品種的篩選工作較少。因此，針對(duì)適宜在華北地區(qū)種植的夏玉米品種篩選可食部位對(duì)Cd、Pb積累能力較弱、籽實(shí)中Cd、Pb含量不超標(biāo)且產(chǎn)量較高的品種，并在華北地區(qū)重金屬輕度污染的農(nóng)田進(jìn)行推廣種植，不僅能保障該地區(qū)的糧食生產(chǎn)，而且能有效避免重金屬進(jìn)入食物鏈，從而保障糧食安全（于蔚等，2014；劉光榮等，2006）?；诖?，本研究在河北省保定市府河流域污灌區(qū)開(kāi)展了田間小區(qū)試驗(yàn)，研究華北地區(qū)適宜種植的9個(gè)夏玉米品種對(duì)土壤Cd、Pb的積累和轉(zhuǎn)運(yùn)的潛力差異，以期篩選出具有低積累Cd、Pb潛力的夏玉米品種。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)區(qū)概況

河北省保定市清苑縣望亭鄉(xiāng)小望亭村位于保定市南端（N：38°49′31.5″；E：115°39′20.4″），西倚太行山，東瀕白洋淀。地勢(shì)低平，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候。全年平均氣溫12.5 ℃，年平均降水量488.2 mm，年平均風(fēng)速1.8 m·s-1，年平均濕度67%，年無(wú)霜期209 d，年日照2629.5 h，十分利于實(shí)行冬小麥-夏玉米一年兩熟的種植制度。府河流經(jīng)保定市西北郊區(qū)及清苑縣，主要接納工業(yè)廢水和生活污水，其沿岸地區(qū)引污灌溉消納廢水量為9.18×106m3·a-1。

1.2供試材料

供試土壤為潮褐土，質(zhì)地為重壤土，pH值8.01，有機(jī)質(zhì)含量為 25.53 g·kg-1，有效磷含量為 28.18 mg·kg-1，速效鉀含量為350 mg·kg-1，DTPA-Cd含量為0.36 mg·kg-1，DTPA-Pb含量為8.81 mg·kg-1，表層（0～20 cm）土壤重金屬含量見(jiàn)表1。

表1　供試表層土壤（0～20 cm）和灌溉水中重金屬含量狀況Table 1 Heavy metals concentrations in selected soils (0～20 cm) and irrigation water

由表 1可知，開(kāi)展田間小區(qū)試驗(yàn)的表層土壤中 Cd含量超過(guò)我國(guó)食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（HJ/T332─2006）的土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)限值 0.6 mg·kg-1（pH>7.5）。該區(qū)域土壤中 Ni含量雖相對(duì)較高，但調(diào)查中小麥和玉米籽實(shí)Ni含量卻明顯低于食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的食品中Ni限量標(biāo)準(zhǔn)（GB 2762─2012）1.0 mg·kg-1。相比之下，土壤中Pb雖然沒(méi)有超標(biāo)，但種植在該土壤上的農(nóng)作物卻存在Pb超標(biāo)的現(xiàn)象，導(dǎo)致這種現(xiàn)象可能是因?yàn)樵囼?yàn)區(qū)周邊環(huán)境以及小型冶煉廠排放的Pb在農(nóng)作物體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)或者大氣沉降造成的。因此，本研究主要針對(duì)土壤中的Cd、Pb篩選其低積累夏玉米品種。

供試夏玉米品種：選擇華北地區(qū)適宜種植且面積較廣的9個(gè)夏玉米品種：鄭單958、秀青74-9、肅玉1號(hào)、德利農(nóng)988、冀農(nóng)1號(hào)、敦煌1號(hào)、先玉335、偉科702和洛玉803，均購(gòu)于當(dāng)?shù)赜衩追N子經(jīng)銷公司。

1.3試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，9個(gè)夏玉米品種為 9個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)，共計(jì)27個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積14.0 m×11.5 m=161 m2。于2014年6月20日收獲上一季冬小麥后播種夏玉米，施肥和田間管理按照當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)管理進(jìn)行。株行距30 cm×60 cm；帶小麥茬耕地；使用府河水灌溉，水中重金屬的含量見(jiàn)表 1，符合我國(guó)食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（HJ/T 332─2006）的灌溉水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)限值；基施玉米專用復(fù)合肥（24-11-10），肥料用量750 kg·hm-2；大喇叭口期施追肥尿素（含N46%）98.0 kg·hm-2；玉米季養(yǎng)分總投入量：N 225 kg·hm-2，P2O583 kg·hm-2，K2O 90 kg·hm-2。所有供試肥料中重金屬含量均遠(yuǎn)低于我國(guó)無(wú)機(jī)-有機(jī)復(fù)混肥料標(biāo)準(zhǔn)（GB 18877─2002）。2014年9月29收獲玉米，測(cè)定各試驗(yàn)小區(qū)產(chǎn)量，并采集各試驗(yàn)小區(qū)的土樣及玉米籽實(shí)和秸稈樣品。

1.4樣品分析

1.4.1土壤樣品的采集與測(cè)定

玉米收獲后用混合取樣法采集表層（0～20 cm）土壤樣品，風(fēng)干后分別過(guò)1.00和0.25 mm尼龍篩，保存?zhèn)溆?；土壤pH、N、P、K均采用《土壤農(nóng)化分析》（第三版）中的方法進(jìn)行測(cè)定（鮑士旦，2007）。土壤中Cd、Pb全量采用鹽酸-硝酸-氫氟酸-高氯酸全消解法（GB/T 17141─1997），有效態(tài)采用DTPA提取法（GB/T 23739─2009），消解液和提取液中Cd、Pb含量采用ICP-MS（Agilent 7500a）和原子熒光（AFS 2202E）進(jìn)行測(cè)定，以國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（土壤：GBW 07451、GBW 07452、GBW 07457；植物：GBW 10011、GBW 10012）進(jìn)行準(zhǔn)確度和精密度控制，回收率為 80%～90%，所有樣點(diǎn)的測(cè)試均在儀器最低檢出限之內(nèi)；按比例隨機(jī)檢查和異常點(diǎn)抽查進(jìn)行樣品分析質(zhì)量監(jiān)控，以重復(fù)采樣、重復(fù)分析來(lái)評(píng)定采樣和分析誤差。

1.4.2植物樣品采集與測(cè)定

玉米成熟后測(cè)定產(chǎn)量，并且每小區(qū)隨機(jī)采集 3株玉米植株（秸稈和籽實(shí)），分別用去離子水洗凈，70 ℃烘至恒重，不銹鋼植物粉碎機(jī)粉碎后備用。采用硝酸-雙氧水微波消解法測(cè)定玉米籽實(shí)和秸稈中Cd、Pb含量，測(cè)定方法同上。

1.4.3轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)

籽實(shí)/秸稈轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（TF）=籽實(shí)中重金屬含量(mg·kg-1)/秸稈中重金屬含量(mg·kg-1)（郭曉方等，2010）。

1.4.4富集系數(shù)

籽實(shí)（秸稈）富集系數(shù)（BAFs）=籽實(shí)（秸稈）中重金屬含量(mg·kg-1)/土壤中重金屬含量(mg·kg-1)（吳傳星，2010）。

1.5數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用Microsoft Excel 2007和SPSS 19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2　結(jié)果與分析

2.1玉米產(chǎn)量的品種差異分析

由圖 1可見(jiàn)，不同品種間玉米產(chǎn)量差異顯著（P＜0.05），產(chǎn)量范圍為6407～12389 kg·hm-2。9個(gè)品種中，先玉335產(chǎn)量最高，顯著高于試驗(yàn)中其他品種的產(chǎn)量（P＜0.05），其次是偉科702、秀青74-9、鄭單958，其產(chǎn)量顯著高于洛玉803，洛玉803產(chǎn)量最低。此外，先玉335、偉科702、秀青74-9、鄭單958較洛玉803產(chǎn)量分別高出93%、46%、45%和 45%。9個(gè)玉米品種產(chǎn)量順序?yàn)橄扔?335>偉科702>秀青74-9>鄭單958>敦煌1號(hào)>肅玉1號(hào)>冀農(nóng)1號(hào)>德利農(nóng)988>洛玉803。

圖1　玉米產(chǎn)量的品種差異分析（n=27）Fig. 1 The yields of different varieties of maize(n=27)

圖2　玉米籽實(shí)中Cd（A）、Pb（B）含量的品種差異分析（n=27）Fig. 2 The concentrations of Cd (A), Pb (B) in grains of different varieties of maize(n=27)

2.2玉米籽實(shí)中鎘、鉛含量的品種差異分析

圖2所示，9個(gè)品種玉米籽實(shí)中Cd、Pb含量均未超過(guò)食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的食品中污染物限量標(biāo)準(zhǔn)（GB 2762─2012）（Cd≤0.1 mg·kg-1，Pb≤0.2 mg·kg-1）。由圖2A可見(jiàn)，玉米籽實(shí)中Cd含量范圍為0.0044～0.0081 mg·kg-1，含量最高的是洛玉803，顯著高于先玉335、偉科702、敦煌1號(hào)和秀青74-9（P＜0.05），且高出幅度分別為 46%、45%、41%和38%。9個(gè)品種籽實(shí)中Cd含量的順序?yàn)橄扔?35＜偉科702＜敦煌1號(hào)＜秀青74-9＜鄭單958＜肅玉1號(hào)＜德利農(nóng)988＜冀農(nóng)1號(hào)＜洛玉803。

由圖 2B可見(jiàn)，玉米籽實(shí)中 Pb含量范圍為0.0273～0.0547 mg·kg-1，其中洛玉803含量最低，顯著低于其他8個(gè)參試品種；含量較低的有偉科702和肅玉1號(hào)，分別為0.0437、0.0447 mg·kg-1。洛玉803、偉科702、肅玉1號(hào)較Pb含量最高的德利農(nóng)988分別低50%、20%和18%。9個(gè)品種籽實(shí)中Pb含量的高低順序?yàn)槁逵?03＜偉科702＜肅玉1號(hào)＜先玉 335＜冀農(nóng) 1號(hào)＜秀青 74-9＜敦煌 1號(hào)＜鄭單958＜德利農(nóng)988。

2.3玉米秸稈中鎘、鉛含量的品種差異分析

由圖3A可知，9個(gè)夏玉米品種秸稈中Cd含量在品種間差異不顯著（P>0.05），含量范圍為0.32～0.42 mg·kg-1。目前，玉米秸稈主要有3個(gè)去向：秸稈還田、青貯飼料或制備有機(jī)肥的原料。在該污灌區(qū)種植的9個(gè)玉米品種秸稈Cd含量均未超過(guò)國(guó)家飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(GB 13078─2001)（Cd≤0.5 mg·kg-1）和有機(jī)肥料中重金屬限量標(biāo)準(zhǔn)（NY 525─2012）（Cd≤3 mg·kg-1）。因此，污灌區(qū)種植的玉米秸稈直接還田，或作為青貯飼料和有機(jī)肥的原料均是安全的。

圖3　玉米秸稈中Cd（A）、Pb（B）含量的品種差異分析（n=27）Fig. 3 The concentrations of Cd (A), Pb (B) in straws of different varieties of maize (n=27）

由圖3B可知，9個(gè)品種夏玉米秸稈中Pb含量范圍為 9.98～14.0 mg·kg-1，品種間差異不顯著（P>0.05），且均超過(guò)國(guó)家飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(GB 13078─2001)（Pb≤8 mg·kg-1），用作青貯飼料具有較大的安全風(fēng)險(xiǎn)；但所有品種秸稈中 Pb含量均符合有機(jī)肥料中重金屬限量標(biāo)準(zhǔn)（NY 525─2012）（Pb≤50 mg·kg-1），若用作有機(jī)肥料仍是安全的。

2.4玉米籽實(shí)和秸稈鎘、鉛富集系數(shù)的品種差異分析

表2　不同玉米品種籽實(shí)、秸稈對(duì)Cd、Pb的富集系數(shù)Table 2 The bioaccumulation factors of Cd, Pb for grains and straws of different varieties of maize

富集系數(shù)（BAFs）通常能直觀的表示植物各部分對(duì)重金屬的吸收積累能力。從表 2可以看出，9個(gè)品種夏玉米籽實(shí)對(duì)土壤中重金屬Cd、Pb的吸收積累能力存在顯著差異（P＜0.05）。籽實(shí)中Cd富集系數(shù)范圍為 0.0049～0.0113，且品種間差異顯著（P＜0.05）。其中Cd富集系數(shù)較低的是偉科702和先玉335，顯著低于洛玉803。籽實(shí)中Cd富集系數(shù)最高的洛玉 803，比 Cd富集系數(shù)最低的偉科 702和先玉335高出2倍之多。9個(gè)品種夏玉米籽實(shí)中Pb富集系數(shù)均不高于0.002（表2），這說(shuō)明供試玉米品種的籽實(shí)對(duì)土壤中 Pb積累能力較低。其中，德利農(nóng)988籽實(shí)中Pb的富集系數(shù)最高，品種洛玉803籽實(shí)中Pb的富集系數(shù)最低，為0.0006，顯著低于其他8個(gè)供試品種，其他8個(gè)供試品種籽實(shí)中Pb的富集系數(shù)沒(méi)有明顯差異。這與夏玉米籽實(shí)中Cd、Pb含量（圖2）均一致。由表2可知，9個(gè)品種夏玉米秸稈中Cd、Pb的富集系數(shù)在品種間差異并不顯著（P>0.05），范圍分別為 0.44～0.59和0.21～0.27。

2.5玉米鎘、鉛轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的品種差異分析

玉米籽實(shí)和秸稈中Cd、Pb含量的變化特征與植物不同部位重金屬的遷移能力有關(guān)。因此，在初步了解各品種對(duì)Cd、Pb積累程度的基礎(chǔ)上，通過(guò)轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（TF）進(jìn)一步說(shuō)明Cd、Pb由秸稈向籽實(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)的能力是否存在品種差異。從轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)來(lái)看（表3），9個(gè)品種夏玉米秸稈中Cd向籽實(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)為 0.011～0.022，且品種間差異顯著（P＜0.05），其中轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)最高的為洛玉803，偉科702的Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)最低，其他夏玉米品種Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)與偉科 702沒(méi)有明顯差異，這說(shuō)明洛玉803中Cd由秸稈向籽實(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)的能力最強(qiáng)，其他品種 Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)能力差異不顯著（P>0.05），這與夏玉米籽實(shí)中Cd含量一致（圖2A）。9個(gè)品種夏玉米秸稈中Pb向籽實(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)為0.0029～0.0047，各品種間差異并不顯著（P>0.05），這說(shuō)明各個(gè)品種夏玉米秸稈中Pb向籽實(shí)中的轉(zhuǎn)運(yùn)能力無(wú)明顯差異。

表3　不同玉米品種Cd、Pb籽實(shí)/秸稈的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)Table 3 The translocation factors of Cd, Pb from straws to grains for different varieties of maize

2.6玉米籽實(shí)、秸稈重金屬鎘、鉛含量的聚類分析

為了進(jìn)一步明確夏玉米不同品種對(duì)土壤中Cd、Pb的綜合積累能力，采用聚類分析的方法對(duì)9個(gè)品種夏玉米籽實(shí)和秸稈的Cd、Pb含量進(jìn)行分類分析，結(jié)果見(jiàn)圖 4。所有夏玉米品種的生長(zhǎng)環(huán)境均一致，環(huán)境因素對(duì)玉米吸收Cd、Pb的影響也一致，故不同夏玉米品種 Cd、Pb含量差異來(lái)自其對(duì) Cd、Pb的積累能力。聚類分析結(jié)果（圖4A）顯示，9個(gè)夏玉米品種籽實(shí)對(duì)Cd、Pb的積累能力差異可劃分為2類：第一類是洛玉803，為玉米籽實(shí)中Cd、Pb高積累類群；第二類包括其他8個(gè)供試品種，均屬于籽實(shí)中Cd、Pb低積累類群。

圖4　玉米籽實(shí)（A）、秸稈（B）中Cd、Pb含量聚類分析（n=27）Fig. 4 Cluster analysis of concentrations of Cd、Pb in the maize grains(A) and straws (B) of different varieties(n=27)

此外，對(duì)9個(gè)品種夏玉米秸稈Cd、Pb含量進(jìn)行聚類分析，結(jié)果見(jiàn)圖4B。不同品種秸稈對(duì)Cd、Pb的積累能力不同，聚類分析的結(jié)果（圖4B）顯示，9個(gè)品種秸稈對(duì)Cd、Pb的積累能力差異可劃分為 3類：第一類是鄭單 958，為秸稈中 Cd、Pb高積累類群，其秸稈中Pb含量為14.30 mg·kg-1，超過(guò)國(guó)家飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)1.8倍；第二類包括敦煌1號(hào)、洛玉803和德利農(nóng)988，為秸稈中Cd、Pb中等積累類群；第三類包括秀青74-9、冀農(nóng)1號(hào)、肅玉1號(hào)、偉科702和先玉335，為秸稈中Cd、Pb低積累類群。

3　結(jié)論與討論

3.1討論

本研究在Cd：1.03 mg·kg-1，Pb：56.0 mg·kg-1，pH：8.01的污灌區(qū)農(nóng)田中進(jìn)行，結(jié)果表明玉米籽實(shí)中Cd、Pb含量均不超過(guò)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，而且秸稈中Cd、Pb向籽實(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均小于0.03（通常玉米籽實(shí)中重金屬含量低于秸稈，即轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)小于 1。轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)越小，說(shuō)明植物吸收的重金屬?gòu)慕斩掁D(zhuǎn)移至可食部位籽實(shí)的量就越少，從而降低進(jìn)入食物鏈比例，最終保證農(nóng)產(chǎn)品的安全。這說(shuō)明玉米主要通過(guò)抑制和阻隔秸稈中Cd、Pb向籽實(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)來(lái)降低籽實(shí)中Cd、Pb含量，這與以往研究相似（張麗紅等，2010；代全林等，2005；吳傳星，2010；李凝玉等，2008）。但有研究發(fā)現(xiàn)玉米秸稈具有較強(qiáng)的向籽實(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)Cd、Pb的能力，郭曉方等（2010）在廣東地區(qū)輕中度污染（Cd：1.2 mg·kg-1，Pb：147 mg·kg-1，pH：4.54）農(nóng)田開(kāi)展的8個(gè)玉米品種篩選的研究發(fā)現(xiàn)，甜玉米和飼料玉米對(duì)Cd、Pb的積累能力很高，玉米籽實(shí)中 Cd、Pb含量范圍分別為 0.124～0.536 mg·kg-1和0.125～0.414 mg·kg-1，同時(shí)發(fā)現(xiàn)玉米秸稈中Cd、Pb向籽實(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均在0.3以上。這是因?yàn)?，不同區(qū)域、不同生長(zhǎng)環(huán)境以及不同品種的玉米對(duì)重金屬的積累能力存在極其顯著的差異（張麗紅等，2010；于蔚等，2014；代全林等，2005；周航，2011；曹瑩等，2006；崔邢濤等，2010；陳得軍等，2010）。由此可以推測(cè)以上研究中明顯的差異主要來(lái)自于玉米品種以及生長(zhǎng)環(huán)境的差異，尤其是不同的土壤pH。本研究土壤pH為8.01，郭曉方等（2010）的研究中土壤pH為4.54，低pH提高了土壤重金屬的生物有效性，從而促進(jìn)了玉米對(duì)Cd、Pb的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)與積累。

綜合本研究中玉米秸稈Cd、Pb含量來(lái)看，盡管污灌區(qū)土壤中Cd含量超標(biāo)，但種植在該土壤上的玉米秸稈中Cd含量既不超過(guò)國(guó)家飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)又不超過(guò)有機(jī)肥料中重金屬限量標(biāo)準(zhǔn)；而土壤中Pb含量雖不超標(biāo)，但種植在該土壤上的玉米秸稈中Pb含量超過(guò)了國(guó)家飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。因此，污灌區(qū)的玉米秸稈不能用作青貯飼料。不過(guò)玉米秸稈中 Pb含量并未超過(guò)有機(jī)肥料中重金屬限量標(biāo)準(zhǔn)，故仍可以用作有機(jī)肥或生產(chǎn)有機(jī)肥商品的原料。此外，土壤中 Pb含量符合農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，但種植在該土壤上的玉米秸稈中 Pb含量卻較高，并超出國(guó)家飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，這其中的原因可能有兩個(gè)：一個(gè)是內(nèi)因，說(shuō)明夏玉米對(duì) Pb的吸收能力和Pb向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)的能力較強(qiáng)；一個(gè)是外因，大氣沉降導(dǎo)致玉米秸稈中Pb含量升高（代全林等，2005；曹瑩等，2006）。綜上所述，為保障我國(guó)糧食安全，篩選適宜當(dāng)?shù)胤N植的重金屬低積累農(nóng)作物成為污灌區(qū)農(nóng)作物安全生產(chǎn)的關(guān)鍵。

目前，篩選重金屬低積累的作物仍沒(méi)有明確標(biāo)準(zhǔn)。本研究認(rèn)為：篩選重金屬低累積作物最主要的特征是：可食部位重金屬含量相對(duì)較低，并且符合食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的食品中重金屬限量標(biāo)準(zhǔn)（GB 2762─2012）。因此可以優(yōu)先考慮產(chǎn)量較高且籽實(shí)對(duì)Cd、Pb富集能力較低的玉米品種作為低積累Cd、Pb夏玉米品種。本研究結(jié)果表明：先玉335、敦煌1號(hào)和偉科702均屬于地上部（秸稈、籽實(shí)）Cd、Pb低積累類群，而且秸稈、籽實(shí)對(duì)土壤中Cd、Pb積累系數(shù)較低，可視為華北地區(qū)具有Cd、Pb低積累潛力的夏玉米品種。尤其是先玉335品種玉米產(chǎn)量最高，該品種籽實(shí)、秸稈中Cd、Pb含量相對(duì)較低，其植株地上部對(duì)Cd、Pb的吸收富集能力和轉(zhuǎn)運(yùn)能力也較低。因此，可以篩選出先玉335為既高產(chǎn)且可食部分籽實(shí)具有低積累Cd、Pb潛力的夏玉米品種，適宜在華北地區(qū)Cd、Pb輕度污染區(qū)推廣種植。

3.2結(jié)論

（1）9個(gè)品種玉米產(chǎn)量存在顯著品種差異，先玉335產(chǎn)量最高，為12389 kg·hm-2，比其他品種高出32%～93%。

（2）玉米籽實(shí)中Cd、Pb存在顯著品種差異，其中籽實(shí)中Cd含量最低的是先玉335，為0.0044 mg·kg-1；Pb含量最低的是洛玉 803，為 0.0273 mg·kg-1。

（3）根據(jù)玉米產(chǎn)量、玉米籽實(shí)和秸稈中 Cd、Pb含量、富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)等指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)，可以篩選出先玉335為既高產(chǎn)且可食部分籽實(shí)具有低積累Cd、Pb潛力的夏玉米品種，適宜在華北地區(qū)Cd、Pb輕度污染區(qū)推廣種植。

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Variety Difference of Cadmium and Lead Accumulation and Translocation in Summer Maize

SUN Hongxin1, ZHAO Quali2*, XUE Peiying1, YANG Zhengzheng1, YANG Yang1, WANG Qianqian1, LIU Feng3, TANG Tiechao3, LIU Wenju1, SHEN Jiashu3
1. College of Resources and Environmental Sciences, Agricultural University of Hebei, Key Laboratory of Ecological Environment of Farmland in Hebei Province, Baoding 071000, China; 2. The Teaching Experiment Field, Agricultural University of Hebei, Baoding 071000, China; 3. Hebei Agricultural Environmental Protection Monitoring Stations, Shijiazhuang 050035, China; 4. School of Soil and Water Conservation, Beijing Forestry University, Beijing 100101, China

With the development of industry and agriculture, the heavy metals pollution problem in soils and crops is increasingly serious, A Field experiment was carried out to study the differences of cadmium and lead accumulation and translocation in 9 cultivars of summer maize in North China, which aimed to screen summer maize cultivars with low accumulation ability of Cd, Pb in the irrigation farmland of the Fu River. There was a significant difference (P＜0.05) in yields, heavy metals (Cd, Pb) concentrations in grains and straws among 9 varieties. Xianyu-335 had the highest yield at 12 389 kg·hm-2, 32% to 93% higher than those of other cultivars; Moreover, Xianyu-335 had the minimum concentrations of Cd in grains at 0.004 4 mg·kg-1, 7% to 45% lower than those of other varieties; Luoyu-803 had the minimum concentrations of Pb in grains at 0.027 3 mg·kg-1, 37% to 50% lower than those of other varieties, and the concentrations of Cd, Pb of grains for all cultivars were less than the Maximum levels of contaminants in foods (GB 2762─2012).Cluster analysis of the heavy metal (Cd, Pb) concentrations in grains and straws shows that the 9 cultivars could be sorted into three groups. Jinong-1, Xianyu-335, Suyu-1 and Weike-702 were Cd, Pb low-accumulation cultivars in the grains and straws. Based on yields, Cd and Pb levels in grains and straws, the Bioaccumulation Factors (BAFs) and the Translocation Factors (TFs) of Cd and Pb from straws to grains, cultivars of Xianyu-335 was selected with high yields and low accumulation of Cd, Pb in summer maize, and should be suitable and extended in farmland contaminated lightly with Cd, Pb in north China.

summer maize; cadmium; lead; accumulation; variety difference

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.12.023

X171.5

A

1674-5906（2015）12-2068-07

河北省高等學(xué)校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)領(lǐng)軍人才培育計(jì)劃（LJRC016）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41471398）

孫洪欣（1990年生），女，黑龍江人，碩士研究生，主要從事土壤環(huán)境質(zhì)量與監(jiān)控方面研究。E-mail: sunhongxin0303@163.com *孫洪欣和趙全利對(duì)本文貢獻(xiàn)相同，同為本文第一作者**通信作者。E-mail: liuwj@hebau.edu.cn

2015-09-23

引用格式：孫洪欣, 趙全利, 薛培英, 楊錚錚, 楊陽(yáng), 王倩倩, 劉峰, 唐鐵朝, 劉文菊, 申嘉澍. 不同夏玉米品種對(duì)鎘、鉛積累與轉(zhuǎn)運(yùn)的差異性田間研究[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2015, 24(12): 2068-2074.