王民炎，王愛云，賀喜全，劉 琳，郭小丹，周 韜，張 蝶

(1.中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長沙 410018； 2.中國科學(xué)院 亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，湖南 長沙 410125)

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玉米品種Cd富集差異研究

王民炎1，王愛云1，賀喜全2，劉 琳1，郭小丹1，周 韜1，張 蝶1

(1.中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長沙 410018； 2.中國科學(xué)院 亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，湖南 長沙 410125)

Cd是農(nóng)田土壤主要的污染物質(zhì)之一。本研究以13個(gè)玉米品種為試驗(yàn)材料，進(jìn)行田間試驗(yàn)，研究了不同玉米品種對(duì)Cd富集的差異及Cd對(duì)玉米品種生物量和產(chǎn)量的影響。研究結(jié)果表明：不同玉米品種的生物干重和產(chǎn)量差異顯著(p<0.05)；不同玉米品種的莖葉和籽粒Cd含量差異顯著(p<0.05)，差異表現(xiàn)為莖葉>籽粒，根據(jù)GB13078-2001飼料衛(wèi)生Cd中的限量標(biāo)準(zhǔn)(≤0.05 mg·kg-1)，莖葉Cd含量超標(biāo)率為7.69%，而根據(jù)GB2762-2012食品衛(wèi)生Cd中的標(biāo)準(zhǔn)(≤0.1 mg·kg-1)，籽粒中Cd的含量全部達(dá)標(biāo)；不同玉米品種植株富集能力和籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)能力差異顯著(p<0.05)，從莖葉到籽粒富集Cd的能力較弱。篩選出的玉米品種先玉335、登海669可在湖南省中、低度土壤Cd污染地區(qū)推廣種植，品種登海605、紀(jì)元101、湘農(nóng)玉13可供作物修復(fù)方面的品種研究。 圖6，參37。

玉米；土壤；Cd；Cd富集；修復(fù)

0 引 言

我國土壤重金屬污染問題日益嚴(yán)重，已成為危害我國人體健康的最大環(huán)境問題之一。土壤中的重金屬污染具有去除難度大、形態(tài)多變、毒性強(qiáng)及易遷移轉(zhuǎn)化等特點(diǎn)，嚴(yán)重危害生態(tài)系統(tǒng)，并通過食物鏈損害人類健康甚至危及人體生命。其中，重金屬鎘在人體中潛伏周期長、容易積累，其危害居于前列，具有致病、致畸和致突變的“三致”效應(yīng)[1-5]。因此，我國已開展土壤重金屬鎘污染的控制與修復(fù)研究工作，如篩選低Cd富集作物品種就是其中的一個(gè)重要方面。

玉米是我國重要的糧食作物，具有種植范圍廣，生物量大，籽粒用途較廣等優(yōu)勢。與水稻、小麥和大麥相比，玉米植株對(duì)Cd的富集和轉(zhuǎn)運(yùn)能力最低，玉米籽粒Cd含量較低[6]。據(jù)研究報(bào)道，不同玉米品種間Cd含量差異顯著，同一品種不同器官中Cd含量表現(xiàn)為：根>莖≈葉>籽粒，但不同研究者其研究結(jié)果存在一定差異，主要原因表現(xiàn)在試驗(yàn)品種、試驗(yàn)種植條件等的不同[7-10]。玉米雖不是Cd超富集植物，但因其生物量大，也可用于重金屬土壤污染的植物修復(fù)技術(shù)中[11-15]。徐穩(wěn)定[12]報(bào)道，與授粉玉米植株相比，不授粉玉米植株顯著降低了土壤中Cd全量。因此對(duì)低積累型玉米品種和玉米莖葉高富集型品種篩選具有一定的可行性。陳建軍等[16]在大田試驗(yàn)條件下篩選出適宜云南省Cd重度污染土壤上推廣種植的玉米品種；郭曉方等[17]也篩選出適宜廣東省重金屬Cd中度污染耕地冬季種植的低累積玉米品種。然而，重金屬鎘污染的重點(diǎn)區(qū)域湖南省，玉米對(duì)重金屬Cd吸收的研究報(bào)道較少，且主要以室內(nèi)研究為主。

本研究通過Cd中度污染土壤的大田試驗(yàn)，旨在研究不同玉米品種的生長狀況及其對(duì)Cd的吸收特征，擬篩選出適于湖南省中、輕度Cd污染土壤種植的玉米籽粒Cd含量較低的耐性品種，或可用于土壤Cd污染植物修復(fù)技術(shù)的高生物量玉米品種。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)和供試土壤

本試驗(yàn)設(shè)點(diǎn)在湖南省湘鄉(xiāng)市棋梓橋鎮(zhèn)龍江村6組(112°53′E,27°73′N)的農(nóng)田，土壤基本理化性質(zhì)：pH值7.99，有機(jī)質(zhì)18.7 g·kg-1、全氮1.93 g·kg-1、全磷0.84 g·kg-1、全鉀13.8 g·kg-1、堿解氮210 mg·kg-1、速效磷15.3 mg·kg-1、速效鉀102 mg·kg-1，Cd含量為0.96 mg·kg-1。根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618-1995)中Cd的標(biāo)準(zhǔn)，土壤Cd全量超過2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值，低于3級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值，為輕度污染土壤。

1.2 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

供試品種是我國南方大面積種植的早熟玉米品種，共13個(gè)品種：紀(jì)元128、豐玉8號(hào)、紀(jì)元1號(hào)、紀(jì)元101、先玉335、洛玉1號(hào)、登海605、登海669、B256、中科11號(hào)、吉祥1號(hào)、湘農(nóng)玉13和湘農(nóng)玉21。試驗(yàn)設(shè)計(jì)：每個(gè)玉米品種為1個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。每次重復(fù)的小區(qū)面積為26 m2(2.6 m×10 m)，采用寬窄行起壟栽培，壟寬(包溝)1.3 m，種2行玉米，每行36株，窄行距40 cm。每小區(qū)種植4行，共144株，即種植密度為55 200株·hm-2。2014年3月17日前趁晴翻耕，并開好廂溝和圍溝，以便雨停即干。3月24日點(diǎn)播供試玉米種子，每蔸3粒。3葉一心時(shí)定苗，每蔸留1棵。在3月24日基施復(fù)合肥(N∶P∶K=15∶15∶15，以百分?jǐn)?shù)計(jì))750 kg·hm-2；8葉全展期深穴培土追施尿素300 kg·hm-2。其他栽培管理措施、小區(qū)間肥水管理與大面積生產(chǎn)一致。

1.3 樣品采集與指標(biāo)測定

1.3.1 樣品采集與處理。在玉米收獲期：每個(gè)小區(qū)選取5個(gè)玉米果穗曬干后稱重，并取500 g左右籽粒用粉碎機(jī)粉碎，混勻封裝待用；玉米莖葉樣品收集，每個(gè)小區(qū)選取3顆株型一致的玉米植株，經(jīng)105 ℃殺青1 h，后60 ℃烘干至恒重且稱重，并取適量粉碎，封裝待測鎘。

(1) 土壤樣品處理：稱取樣品0.5 g左右與50 mL三角瓶，加入15 mL混合酸HCl∶HNO3體積比為3∶1(優(yōu)級(jí)純)預(yù)消化過夜，在電熱板消煮，升溫程序：先80 ℃消解30 min，升至120 ℃消解1 h，再180 ℃消解1 h，最后升至240 ℃。消解至酸液5 mL～8 mL加入3 mL左右HClO4(優(yōu)級(jí)純)，最后消化至無色或淡黃色，趕酸至近干，用1% HNO3定容至25 mL玻璃試管，搖勻過濾至10 mL塑料離心管中。

(2)植株樣品處理：玉米莖葉稱取0.5 g左右，籽粒稱取1.0 g左右于三角瓶中，加入15 mL混合酸HNO3∶HClO4體積比為4∶1(優(yōu)級(jí)純)預(yù)消化過夜，升溫程序：80 ℃消解30 min，升至120 ℃消解1 h，再180 ℃消解1 h，最后升至240 ℃。消解至無色或淡黃色，趕酸至近干，用1% HNO3定容至10 mL玻璃試管，搖勻過濾至10 mL塑料離心管中。

1.3.2 指標(biāo)測定。樣品鎘含量的測定采用 ICP-OES(Varian 720)測定，儀器參數(shù)：功率1 KW，等離子氣流量15 L·min-1，輔助氣流量1.5 L·min-1，霧化氣流量0.75 L·min-1，進(jìn)樣延時(shí)30 s，泵速15 rpm。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

所有數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與存儲(chǔ)采用Office 2010；數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差、單因素方差等分析和圖行制作分別采用軟件SPSS 19.0、軟件Origin 9.1。

富集系數(shù)=地上部分鎘全量/土壤鎘全量[17]

籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)=籽粒鎘全量/莖葉鎘全量[17]

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米莖葉生物量及籽粒產(chǎn)量的差異

13個(gè)玉米品種的莖葉生物量存在顯著差異(p<0.05)，見圖1。生物量范圍為87.3 g～151 g，其中莖葉生物量較大的有5個(gè)品種：先玉335、紀(jì)元101、紀(jì)元128、登海605、登海669，說明這些品種是在該環(huán)境下種植優(yōu)勢大；而洛玉1號(hào)、B256、中科11號(hào)、湘農(nóng)玉13的生物干重低。13個(gè)玉米品種產(chǎn)量存在顯著差異(p<0.05)，其中豐玉8號(hào)、先玉335、登海605、登海669、B256產(chǎn)量較高；產(chǎn)量低的有紀(jì)元1號(hào)、紀(jì)元101、湘農(nóng)玉13、湘農(nóng)玉21，見圖2。通過分析表明，不同玉米品種的生物干重和產(chǎn)量差異明顯，玉米品種先玉335，登海605和登海669的生物干重和產(chǎn)量都較高，玉米品種湘農(nóng)玉13的生物干重和產(chǎn)量最低。

圖1 不同玉米品種單株莖葉干重Fig.1 Differences of stem and leaf dry weight among the 13 maize cultivars注：圖中不同字母表示各品種間差異顯著(p<0.05)。下同Note:Different letters indicate significant differences(p<0.05) between different cultivars.The same as below

2.2 不同玉米品種莖葉和籽粒中Cd含量差異比較

13個(gè)玉米品種莖葉和籽粒中Cd含量差異顯著(p<0.05)，莖葉平均累積為0.399 mg·kg-1，變化范圍為0.183～0.859 mg·kg-1；而籽粒平均累積量為0.022 mg·kg-1，變化范圍為0.014 mg·kg-1～0.037 mg·kg-1，見圖3。根據(jù)GB13078-2001飼料中鎘的限量標(biāo)準(zhǔn)(≤0.5 mg·kg-1)，13個(gè)玉米品種莖葉的Cd超標(biāo)率為7.69%；根據(jù)GB2762-2012中國食品中重金屬Cd的限量標(biāo)準(zhǔn)(≤0.1 mg·kg-1)，籽粒Cd含量全部達(dá)標(biāo)。其中湘農(nóng)玉13的莖葉Cd含量最高，是最低Cd含量品種的4.5倍，而籽粒中較高的品種有登海605和湘農(nóng)玉13與最低Cd含量品種相差2倍左右。表明13個(gè)玉米品種對(duì)Cd的吸收存在顯著差異，并且差異表現(xiàn)為：莖葉>籽粒。

2.3 玉米莖葉和籽粒對(duì)Cd的富集能力分析

13個(gè)玉米品種的富集系數(shù)小于1且差異顯著(p<0.5)，系數(shù)范圍為：0.20～0.94；籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)小于0.1且差異顯著(p<0.5)，系數(shù)范圍為：0.03～0.1，見圖4。表明玉米植株對(duì)重金屬Cd吸收能力較弱，從籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)來看，籽粒中Cd含量得到大幅的減弱。其中湘農(nóng)玉13的莖葉富集能力明顯較高，而品種紀(jì)元128、紀(jì)元1號(hào)、先玉335、洛玉1號(hào)、登海605、登海669、B256、中科11號(hào)、玉米籽粒的Cd富集能力相對(duì)較弱。

圖2 不同玉米品種的產(chǎn)量Fig.2 Differences of maize seed yield among the 13 maize cultivars

圖3 13個(gè)玉米品種中莖葉和籽粒鎘含量Fig.3 Cd accumulations in stem leaf and seed of 13 maize cultivars

2.4 不同玉米品種莖葉和籽粒Cd含量的聚類分析

為進(jìn)一步篩選出玉米籽粒低積累型玉米品種和玉米莖葉高富集型品種，通過系統(tǒng)聚類組平均鏈接法，分別對(duì)13個(gè)玉米品種莖葉和籽粒Cd含量進(jìn)行聚類分析。由圖5可知，可將籽粒聚類結(jié)果分為三類：第一類分為敏感品種，范圍為0.029 mg·kg-1～0.038 mg·kg-1，包括紀(jì)元101、登海605、湘農(nóng)玉13；第二類品種范圍為0.021 mg·kg-1～0.025 mg·kg-1，包括紀(jì)元1號(hào)、B256、中科11、洛玉1號(hào)；其余品種分為第三類耐性品種，品種范圍為0.014 mg·kg-1～0.017 mg·kg-1。由圖6可知，可將聚類結(jié)果可分為三類，第一類分為敏感品種，品種為湘農(nóng)玉13，Cd含量為0.859 mg·kg-1；第二類品種范圍為0.376 mg·kg-1～0.482 mg·kg-1，包括紀(jì)元128、洛玉1號(hào)、登海605、紀(jì)元101、豐玉8號(hào)、湘農(nóng)玉21、吉祥1號(hào)；第三類分為耐性品種，品種范圍為0.183 mg·kg-1～0.333 mg·kg-1，包括品種紀(jì)元1號(hào)、先玉335、B256、中科11號(hào)、登海669。

3 討 論

目前，我國耕地受大面積重金屬污染，涉及多個(gè)省、市、自治區(qū)，湖南省內(nèi)Cd污染主要集中在湘江流域，環(huán)境污染治理成本十分昂貴[19-22]。研究從13個(gè)早熟玉米品種中篩選出適宜在湖南省中度、輕度Cd污染地區(qū)種植的玉米品種，結(jié)果表明不同玉米品種莖葉和籽粒的生物干重、產(chǎn)量和Cd含量都存在顯著差異，這與陳建軍[16]和郭曉方[17]研究結(jié)果一致。其中，莖葉Cd含量最高比最低高4.5倍，籽粒最高與最低相差2倍左右，差異表現(xiàn)為：莖葉>籽粒。經(jīng)試驗(yàn)結(jié)果分析，玉米對(duì)Cd的富集系數(shù)與籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)范圍分別為：0.20～0.94，0.03～0.1。除個(gè)別Cd敏感型品種以外，與陳建軍[16]和吳傳星[23]的研究結(jié)果極為相近，然而，籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)小于楊惟薇[24]的研究結(jié)果(0.05～0.29)和郭曉方[17]的研究結(jié)果(0.251～0.889)。由此可得出，不同玉米品種間Cd含量差異顯著，同一植株不同器官Cd含量差異表現(xiàn)為：根>莖葉>籽粒，部分結(jié)果存在差異，主要原因可能是由田間與盆栽試驗(yàn)、品種不同和種植環(huán)境所引起。

圖4 13個(gè)玉米品種Cd的富集系數(shù)與籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)Fig.4 Cd bioconcentration coefficients and grain translocation coefficients of 13 maize cultivars

圖5 13個(gè)玉米品種籽粒Cd含量聚類分析Fig.5 The hierarchical clustering analysis diagram of Cd concentrations

據(jù)大部分研究報(bào)告，土壤中pH值成為影響植物對(duì)Cd吸收的主要影響因子，植物對(duì)Cd的吸收與土壤pH值呈負(fù)相關(guān)[25-28]。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，楊惟薇[24]和郭曉方[17]研究中的土壤pH分別為：5.6、4.54，籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)較高。而本試驗(yàn)和陳建軍[16]的土壤pH值分別為：7.99、6.95，籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)較低。除了pH值外，影響植物對(duì)Cd吸收還受土壤氧化還原狀態(tài)、有機(jī)質(zhì)含量、氮磷鉀含量及土壤間離子相互作用等的影響[29-34]。

圖6 13個(gè)玉米品種莖葉Cd含量聚類分析Fig.6 The hierarchical clustering analysis diagram of Cd concentrations in stem and leaf of 13 maize cultivars

衡量植物修復(fù)能力與富集系數(shù)除了和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)有關(guān)外，還受生物量的影響。而玉米與其它植物相比有明顯的生物量優(yōu)勢，并且莖葉Cd含量相對(duì)較高，通過玉米對(duì)Cd富集的深入研究，可以做為修復(fù)方面的應(yīng)用[35-37]。徐穩(wěn)定[12]通過研究認(rèn)為玉米品種CT38在實(shí)地Cd修復(fù)中是可行的，這為文中篩選玉米品種登海605、紀(jì)元101、湘農(nóng)玉13，用于做修復(fù)研究得到了很好的借鑒。玉米的重金屬Cd修復(fù)能力受品種與環(huán)境的相互制約，研究情況十分復(fù)雜，大多還處于試驗(yàn)階段，用于商業(yè)化的報(bào)道較少?？紤]到與實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系，下一步將進(jìn)行對(duì)玉米Cd富集與玉米植株器官形態(tài)關(guān)系的研究、及影響玉米Cd吸收的環(huán)境因素如光照、溫度、pH、鹽等方面研究。

4 結(jié) 論

此試驗(yàn)研究表明，玉米在中度Cd污染條件下：不同玉米品種的生物干重和產(chǎn)量差異顯著(p<0.5)；不同玉米品種的莖葉和籽粒Cd含量差異顯著(p<0.5)，差異表現(xiàn)為莖葉>籽粒，莖葉Cd含量達(dá)標(biāo)率為92.3%(GB13078-2001，≤0.5 mg·kg-1)，而籽粒Cd含量達(dá)標(biāo)率為100%(GB2762-2012，≤0.1 mg·kg-1)；不同玉米品種植株Cd富集能力和籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)能力差異顯著(p<0.5)，富集系數(shù)和籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)范圍分別為：0.20～0.94，0.03～0.1，表明玉米對(duì)Cd的富集能力較弱，從莖葉到籽粒富集Cd的能力更得到大幅的減弱。

根據(jù)玉米的生物量、產(chǎn)量、Cd含量及富集系數(shù)等指標(biāo)，分析得出：品種先玉335和登海669的莖葉和籽粒Cd含量低、產(chǎn)量高、農(nóng)藝性狀好，可在湖南省中、低度Cd污染環(huán)境下種植；品種登海605和紀(jì)元101的莖葉和籽粒Cd含量高，生物干重較高，而品種湘農(nóng)13雖生物干重較低，但是莖葉Cd含量遠(yuǎn)超過其它品種，也適宜做植物修復(fù)研究。

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Differences of Cd Accumulation in Maize Hybrids

WANG Minyan1,WANG Aiyun1,HE Xiquan2,LIU Lin1,GUO Xiaodan,ZHOU Tao1,ZHANG Die1

(1.CentralSouthUniversityofForestryandTechnology,Changsha410018,China；2.InstituteofSubtropicalAgriculture,TheChineseAcademyofScieneces,Changsha410125,China)

Cadmiun(Cd)is one of the main pollutants in agricultural soil.A field experiment was carried out by studying the difference of Cd enrichment and Cd effects on biomass and yield in 13 maize hybrids.The results showed that the dry weight of different maize hybrids and yield differed significantly (p<0.05).Greater differences were found in stem and leaf and seed Cd content (p<0.05),with the differences in stem and leaf>seed.According to GB13078-2001 feed hygiene standard of set limit to Cd (≤0.5 mg·kg-1),the Cd content in stem and leaf exceeded the limit by 7.69 %,and according to the standards in food hygiene GB2762-2012 Cd (≤0.1 mg·kg-1) ,the seed Cd content was within the standard limit.Enrichment ability and seed translocation for Cd differed among hybrids (p<0.05) with weak ability in translocating Cd from the stem and leaf to seed.We screened out maize hybrids Xianyu 335 and Denghai 669 as suitable for planting in moderate and low Cd contaminated soil region of Hunan Province of China,and While Denghai 605,Jiyuan 101 and Xiangnongyu 13 as materials for phytoremediation research.

maize(Zeamays)；soil；cadmium；Cd accumulation； remedy

10.11689/j.issn.2095-2961.2016.04.006

2095-2961(2016)04-0248-07

2016-04-02；

2016-06-21.

湖南省重金屬污染耕地修復(fù)及農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)整試點(diǎn)(2130299).

王民炎(1991-)，男，四川宣漢人，碩士研究生，從事作物耐逆境分子機(jī)理研究.

王愛云(1964-)，女，湖南桃江人，博士，教授，主要從事植物遺傳改良.

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