杜彩艷,張乃明,雷寶坤,胡萬(wàn)里,付 斌,陳安強(qiáng),毛妍婷,木 霖,王紅華,嚴(yán)婷婷,段宗顏*,雷 梅

(1.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境資源研究所，昆明 650205；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院，昆明 650201；3.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，昆明 650201；4.云南省農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站，昆明 650201；5.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京，100101)

不同玉米(Zeamays)品種對(duì)鎘鋅積累與轉(zhuǎn)運(yùn)的差異研究

杜彩艷1,2,張乃明3,雷寶坤1,胡萬(wàn)里1,付 斌1,陳安強(qiáng)1,毛妍婷1,木 霖4,王紅華4,嚴(yán)婷婷4,段宗顏1*,雷 梅5*

(1.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境資源研究所，昆明 650205；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院，昆明 650201；3.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，昆明 650201；4.云南省農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站，昆明 650201；5.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京，100101)

選取20個(gè)玉米(Zea mays)品種作試驗(yàn)材料，通過(guò)田間試驗(yàn)研究了鎘-鋅(Cd-Zn)復(fù)合脅迫下玉米的生長(zhǎng)發(fā)育及其積累和轉(zhuǎn)運(yùn)Cd、Zn的差異，以期篩選出Cd、Zn低積累的玉米品種。結(jié)果表明，Cd-Zn復(fù)合脅迫下，玉米的株高、葉面積、生物量、產(chǎn)量以及玉米要、莖葉和籽粒中Cd、Zn含量在品種間均表現(xiàn)出顯著差異。有2個(gè)品種籽粒的Cd含量超過(guò)國(guó)家食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(≤0.2 mg·kg-1)，13個(gè)品種莖葉的Cd含量超過(guò)國(guó)家飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(≤0.5 mg·kg-1)，所有品種籽粒和莖葉的Zn含量均符合國(guó)家食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(≤50 mg·kg-1)；有7個(gè)品種的Cd富集系數(shù)<1，13個(gè)品種莖葉轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)<1，所有品種籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均<1；20個(gè)玉米品種Zn的富集系數(shù)均<1，有18個(gè)品種莖葉轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)<1，6個(gè)品種籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)<1。要據(jù)玉米生物量、產(chǎn)量、籽粒Cd和Zn含量、富集系數(shù)、轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)等指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，認(rèn)為紅單6號(hào)、紅育1號(hào)、云優(yōu)78、平單2號(hào)、屏單2號(hào)5個(gè)品種可作為Cd低積累玉米品種，雅玉98可作為Zn低積累玉米品種，可分別在個(gè)舊地區(qū)Cd、Zn中、輕度污染土壤上推廣種植。

玉米；鎘；鋅；積累與轉(zhuǎn)運(yùn)；篩選

由于工農(nóng)業(yè)的迅猛發(fā)展及各種人類活動(dòng)的干擾，農(nóng)田土壤重金屬污染日益嚴(yán)重，極大地影響著土壤環(huán)境質(zhì)量、作物生長(zhǎng)、產(chǎn)量、品質(zhì)與安全性，嚴(yán)重制約著農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，進(jìn)而威脅著人類健康[1-2]。云南是著名的“有色金屬王國(guó)”，礦產(chǎn)資源十分豐富，而位于滇南的個(gè)舊礦區(qū)是云南省傳統(tǒng)的超大型多金屬礦區(qū)，是中外聞名的“錫都”。由于采、選、冶歷史悠久，礦業(yè)活動(dòng)頻繁，在礦區(qū)繁榮發(fā)展的同時(shí)，個(gè)舊及周邊地區(qū)的生態(tài)環(huán)境已經(jīng)遭到嚴(yán)重破壞[3-4]，使得礦區(qū)周邊農(nóng)田土壤受到不同程度的重金屬污染，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)。如何有效減少重金屬在這一區(qū)域農(nóng)作物中的富集和累積，從而保障農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)，已成為當(dāng)前農(nóng)業(yè)和環(huán)境科學(xué)交叉領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。

目前，對(duì)于控制重金屬向食物鏈中轉(zhuǎn)移主要從兩方面著手：通過(guò)化學(xué)固定降低土壤中重金屬的活性使其鈍化[5]；通過(guò)篩選出對(duì)于重金屬抗性強(qiáng)、累積量低的農(nóng)作物品種進(jìn)行種植[6-8]。研究證實(shí)，植物吸收和累積重金屬不僅存在顯著的植物種間差異，同時(shí)存在種內(nèi)差異[9-10]。近年來(lái)，眾多研究者已對(duì)不同作物品種的重金屬低積累品種的篩選進(jìn)行了相關(guān)研究。郭曉芳等[11]通過(guò)田間試驗(yàn)，研究了8個(gè)玉米品種對(duì)重金屬Cd、Pb、Zn和Cu累積與轉(zhuǎn)運(yùn)的品種差異，篩選出適合廣東地區(qū)低溫季節(jié)種植的重金屬低累積玉米品種。劉維濤等[12]已篩選出部分小麥Cd低積累品種，應(yīng)用于生產(chǎn)并取得了理想效果。陳建軍等[13]通過(guò)外源添加氯化鎘的田間試驗(yàn)，篩選出云瑞8號(hào)、會(huì)單4號(hào)、路單7號(hào)3個(gè)品種為Cd低累積玉米品種，可推薦在云南Cd重度污染土壤上推廣種植。然而以往有關(guān)玉米重金屬低積累品種篩選的研究大多都是基于當(dāng)?shù)貤l件進(jìn)行的，其研究結(jié)果具有很強(qiáng)的地區(qū)性，針對(duì)個(gè)舊開(kāi)展重金屬低積累玉米品種的篩選研究是十分必要的。

本文以云南個(gè)舊廣泛種植的20個(gè)不同玉米品種為試驗(yàn)材料，在Cd-Zn復(fù)合污染條件下，通過(guò)大田試驗(yàn)，研究Cd-Zn脅迫對(duì)玉米不同品種生長(zhǎng)的影響，以及玉米不同品種對(duì)Cd、Zn的吸收和積累差異，旨在篩選出適合個(gè)舊地區(qū)種植的具有Cd、Zn低積累潛力的玉米品種，既為培育Cd、Zn低積累玉米品種提供科學(xué)依據(jù)，也可為其他農(nóng)作物的低積累品種篩選提供必要的參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)地位于個(gè)舊市雞街鎮(zhèn)石榴壩村污染水旱輪作農(nóng)田(103°9′26"E，23°32′11"N，海拔高度1125 m)，其基本理化性狀為：pH6.35，有機(jī)質(zhì)含量42.01 g·kg-1，堿解氮含量165.47 mg·kg-1，有效磷含量79.38 mg·kg-1，速效鉀含量226.53 mg·kg-1，全氮含量2.26 g·kg-1，全磷含量2.08 g·kg-1，全鉀含量11.64 g·kg-1，Cd含量0.46 mg·kg-1，Zn含量368.31 mg·kg-1。要據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618—1995)，研究區(qū)域土壤中重金屬Cd、Zn含量分別超出二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值1.53、1.84倍。

供試玉米品種20個(gè)(表1)，均為個(gè)舊市廣泛種植的玉米品種，購(gòu)自云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所及個(gè)舊市當(dāng)?shù)胤N子銷售點(diǎn)。

表1 供試玉米品種Table 1 The cultivars of Zeamays

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以20個(gè)玉米品種為供試材料，采用隨機(jī)播種的方法進(jìn)行玉米種植，每個(gè)品種設(shè)3次重復(fù)，共60個(gè)小區(qū)，行間距60 cm×50 cm，小區(qū)面積30 m2(5 m×6 m)；同時(shí)在試驗(yàn)地四周設(shè)置2行玉米作為保護(hù)行，以消除邊際效應(yīng)。

試驗(yàn)于2015年5月10日直接點(diǎn)播，5月29日定苗，2015年9月13日一次性收獲。播種前施“肥力番”復(fù)合肥(15-15-15，總養(yǎng)分≥45%)做基肥，施用量600 kg·hm-2；拔節(jié)期追施尿素，施用量300 kg·hm-2。田間管理按大田常規(guī)操作進(jìn)行。

1.3 樣品采集與分析

玉米種植前(背景值)、收獲后采用“梅花”形取樣法采集表層(0～20 cm)土壤樣品，風(fēng)干后分別過(guò)20、60、100目篩備用。土壤有機(jī)質(zhì)、pH值、N、P、K均采用《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[14]中的方法進(jìn)行測(cè)定。土壤中Cd、Zn全量分析采用HCl-HNO3-HF-HClO4消解法(GB/T 17141—1997)，消解液中Cd、Zn含量采用ICP-MS(Agilent 7500a)和原子熒光(AFS 2202E)進(jìn)行測(cè)定。

玉米成熟后測(cè)定產(chǎn)量，選取具有代表性的1行玉米，以間隔式的方式選取4株，將果穗取下立即稱鮮質(zhì)量，放入網(wǎng)袋中帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行考種，最后再通過(guò)出籽率、籽粒含水量(按14%含水量折算)測(cè)算出實(shí)際產(chǎn)量，即玉米的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量(kg·hm-2)=單株干重(kg)×每公頃實(shí)有株數(shù)。同時(shí)采用“梅花”形取樣法分別對(duì)各小區(qū)進(jìn)行玉米植株(秸稈和籽實(shí))的采集，分別用去離子水洗凈，將植株要系、莖葉、籽粒分離，在105℃殺青30 min，70℃烘干至恒重，分別測(cè)定干重(DW)。玉米籽粒烘干樣品粉碎過(guò)40目篩備用。采用硝酸-雙氧水微波消解法(GB/T 5009—2010)測(cè)定玉米子實(shí)和秸稈中Cd、Zn含量，測(cè)定方法同上。

玉米收獲時(shí)，用卷尺測(cè)定其株高、葉片長(zhǎng)和最大葉寬，葉面積=∑(葉長(zhǎng)×葉寬×0.75)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差采用Microsoft Excel 2013軟件處理，數(shù)據(jù)的方差分析、相關(guān)性分析及聚類分析采用SPSS 16.0軟件。

富集系數(shù)(BCF)=玉米地上部重金屬含量/土壤相應(yīng)元素含量[15]

籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(TF)=玉米籽粒重金屬含量/莖葉重金屬含量[10]

莖葉轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)=玉米莖葉重金屬含量/要中相應(yīng)元素含量[12，16]

富集系數(shù)用于表征植物對(duì)重金屬元素的吸收積累能力，富集系數(shù)越大表明植物對(duì)重金屬的吸收能力越強(qiáng)；轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)用于表征重金屬通過(guò)要部進(jìn)入地上部轉(zhuǎn)運(yùn)及地上部不同器官轉(zhuǎn)運(yùn)的能力，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)越大表明重金屬?gòu)囊迪虻厣喜科鞴俎D(zhuǎn)運(yùn)能力越強(qiáng)，或在器官之間的轉(zhuǎn)運(yùn)能力越強(qiáng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米生長(zhǎng)及產(chǎn)量差異分析

在Cd-Zn復(fù)合脅迫下，不同玉米品種的生長(zhǎng)情況和產(chǎn)量存在顯著差異(P<0.05)。由表2可知：20個(gè)玉米品種的平均株高為286.2 cm，最高的是9號(hào)品種，達(dá)到305.50 cm，其次是3號(hào)品種，且兩者之間無(wú)顯著差異，1號(hào)品種最低，為258.50 cm。20個(gè)不同玉米品種的葉面積范圍為856.80～1 075.25 cm2，平均葉面積為941.59 cm2。葉面積最大的是20號(hào)品種，為1 075.30 cm2，其次是15號(hào)品種，但兩者間差異不顯著。參試玉米的平均地上部生物量為151.67 g，最高的是6號(hào)品種，達(dá)到184.92 kg，7號(hào)品種次之，但兩者間無(wú)顯著差異，最低的是12號(hào)品種，為129.05 g。參試玉米的平均地下部生物量為14.40 g，最高的是20號(hào)品種，達(dá)到21.92 g，19號(hào)品種次之，但兩者間差異不顯著，最低的是4號(hào)品種，為7.76 g。

就玉米產(chǎn)量而言，20個(gè)玉米品種的產(chǎn)量范圍為7125～1076 kg·hm-2，平均產(chǎn)量9105 kg·hm-2，產(chǎn)量最高的是10號(hào)品種，達(dá)10 761 kg·hm-2，18號(hào)品種產(chǎn)量次之，為10 758 kg·hm-2，20號(hào)品種產(chǎn)量第三，為10 652 kg·hm-2，三者間無(wú)顯著差異(表2)。

2.2 玉米根、莖葉和籽粒中Cd、Zn含量差異分析

由表3可見(jiàn)，20個(gè)玉米品種在相同Cd-Zn復(fù)合脅迫下，各器官Cd、Zn含量差異顯著(P<0.05)。Cd在玉米體內(nèi)的分配規(guī)律總體上為莖葉>要>籽粒。莖葉Cd含量范圍和平均值分別為 0.27～1.03 mg·kg-1和0.59 mg·kg-1，要部為0.45～0.78 mg·kg-1和0.58 mg· kg-1，籽粒為0.06～0.31 mg·kg-1和0.12 mg·kg-1。在Cd-Zn復(fù)合脅迫下，參試玉米中有2個(gè)品種籽粒的Cd含量超過(guò)了國(guó)家食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(≤0.2 mg·kg-1)，占所有供試品種的10%。此外，20個(gè)參試品種中有7個(gè)品種莖葉的Cd含量達(dá)標(biāo)，其余13個(gè)品種莖葉的Cd含量均超過(guò)了國(guó)家飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(≤0.5 mg·kg-1)，超標(biāo)率65%。

Zn在植株內(nèi)的分配規(guī)律總體上為要>籽粒>莖葉。要部Zn含量范圍和平均值分別為28.86～68.55 mg·kg-1和48.58 mg·kg-1，莖葉為19.90～41.71 mg·kg-1和31.69 mg·kg-1，籽粒為26.14～43.38 mg·kg-1和35.10 mg·kg-1。在Cd-Zn復(fù)合脅迫下20個(gè)玉米品種中籽粒和莖葉的Zn含量均符合國(guó)家食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(≤50 mg·kg-1)。

表2 不同玉米品種的生長(zhǎng)和產(chǎn)量差異Table 2 The differences in growth and yield of different varieties of maize

2.3 玉米Cd、Zn積累和轉(zhuǎn)運(yùn)的品種差異分析

富集系數(shù)通常能直觀地表征植物對(duì)重金屬的吸收積累能力。由表4可知，Cd-Zn復(fù)合脅迫條件下20個(gè)玉米品種對(duì)土壤中Cd、Zn的吸收積累能力存在顯著差異(P<0.05)。20個(gè)玉米品種Cd的富集系數(shù)為0.618～2.436，其中6、8、9、10、13、17、18號(hào)7個(gè)品種的富集系數(shù)<1，說(shuō)明這7個(gè)玉米品種地上部對(duì)土壤Cd的吸收能力較弱，其余13個(gè)品種較強(qiáng)。20個(gè)玉米品種地上部Zn的富集系數(shù)為0.056～0.131，均小于1，說(shuō)明所有參試玉米地上部對(duì)土壤Zn的吸收能力較弱。

玉米籽粒和莖葉中Cd、Zn含量的變化特征與玉米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、Zn積累程度的基礎(chǔ)上，通過(guò)轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)進(jìn)一步考查Cd、Zn由莖葉向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)的能力是否存在品種差異。從轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(表4)來(lái)看，參試玉米品種中Cd的莖葉轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)、籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)范圍分別為0.495～2.187、0.094～0.992，且品種間差異顯著(P< 0.05)，其中12個(gè)品種莖葉轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)<1，而所有品種籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均<1，說(shuō)明這12個(gè)玉米品種對(duì)Cd由地下部向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)能力較弱，而且參試20個(gè)不同玉米品種對(duì)Cd由莖葉向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)能力均較弱。20個(gè)玉米品種Zn的莖葉轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)、籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)范圍分別為0.410～1.089、0.797～2.183，各品種之間差異顯著(P<0.05)，其中有18個(gè)品種的莖葉轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)<1，說(shuō)明這18個(gè)玉米品種Zn莖葉轉(zhuǎn)運(yùn)能力均較弱；參試玉米中2、3、4、5、6、19號(hào)6個(gè)品種籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)< 1，說(shuō)明這6個(gè)玉米品種對(duì)Zn從莖葉向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)能力較弱，其余14個(gè)品種轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均>1，表明多數(shù)玉米品種對(duì)Zn從莖葉向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)能力較強(qiáng)。

2.4 玉米籽粒中Cd、Zn含量的聚類分析

為了區(qū)分玉米不同品種籽粒對(duì)Cd、Zn的積累能力，從而篩選出具有Cd、Zn低積累潛力的玉米品種，對(duì)20個(gè)玉米品種籽粒中的Cd、Zn含量分別進(jìn)行聚類分析，結(jié)果見(jiàn)圖1、圖2。所有參試玉米的生長(zhǎng)環(huán)境均一致，環(huán)境對(duì)玉米吸收Cd、Zn的影響也一致，因此玉米不同品種Cd、Zn含量差異來(lái)自其對(duì)Cd、Zn的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)及積累能力。

表3 不同玉米品種根、莖葉和籽粒中重金屬Cd、Zn含量Table 3 Cd，Zn concentrations in root，stem leaf and grain of different varieties of maize

由圖1可知，可將參試的20個(gè)玉米品種籽粒對(duì)Cd的積累差異劃分為四類：2、3、4、5、6、7、8、10、13、14、16、18號(hào)品種代表籽粒中Cd含量較低一類，為Cd低積累類群，其籽粒平均Cd含量為0.066 mg·kg-1，變化范圍為0.06～0.07 mg·kg-1；1號(hào)品種為一類，代表籽粒中Cd含量較高，為Cd高積累類群，其籽粒Cd含量為0.31 mg·kg-1，超過(guò)食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(≤0.2 mg· kg-1)；其他兩類代表籽粒中Cd含量處于中等水平，為Cd中等積累類群，變化范圍為0.08～0.22 mg·kg-1，其中12號(hào)品種籽粒Cd含量超過(guò)食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(≤0.2 mg·kg-1)。

從圖2可以看出，參試的20個(gè)玉米品種可以分為三類：5、6、12、18、19號(hào)5個(gè)品種代表籽粒中Zn含量較低一類，為Zn低積累類群，其籽粒平均含量為29.50 mg·kg-1，變化范圍為26.14～31.22 mg·kg-1，均沒(méi)有超過(guò)國(guó)家食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(≤50 mg·kg-1)；9、15號(hào)品種為一類，代表籽粒中Zn含量較高，為Zn高積累類群，其籽粒Zn含量分別為43.22、43.38 mg·kg-1；其他一類代表籽粒中Zn含量處于中等水平，為Zn中等積累類群。

3 討論

作物吸收重金屬，主要取決于作物本身的遺傳因素及外界的環(huán)境條件[17-18]。土壤Cd-Zn復(fù)合脅迫下，20個(gè)玉米品種生物量、產(chǎn)量差異顯著，該研究結(jié)果與以往的研究結(jié)果一致[13，19-20]。不同玉米品種產(chǎn)量差異大的原因主要在于玉米品種間本身的遺傳差異，以及不同品種玉米對(duì)Cd、Zn脅迫的耐性差異。

本試驗(yàn)條件下20個(gè)玉米品種中只有7個(gè)品種的Cd的富集系數(shù)<1，表明玉米對(duì)Cd的吸收能力較強(qiáng)，玉米莖葉Cd含量遠(yuǎn)高于要部，與陳建軍等[13]的研究結(jié)果不一致；參試玉米中有12個(gè)品種Cd的莖葉轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)<1，表明玉米對(duì)Cd通過(guò)地下部向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)能力較弱，與李凡等[21]和陳建軍等[13]研究結(jié)果一致。本研究中Cd的籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)為0.082～0.400，與郭曉芳等[11]的研究結(jié)果類似，但遠(yuǎn)高于陳建軍等[13]0～0.111的結(jié)果。另外，本試驗(yàn)條件下，不同玉米品種Zn富集系數(shù)為0.056～0.131，均<1，說(shuō)明參試玉米地上部對(duì)土壤Zn的吸收能力較弱。參試玉米中有14個(gè)品種的Zn籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)>1，說(shuō)明這14個(gè)玉米品種對(duì)Zn從莖葉向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)能力較強(qiáng)，多數(shù)參試玉米品種Zn籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)大于莖的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)，原因可能是：Cd-Zn復(fù)合污染條件下，Cd、Zn之間的協(xié)同作用導(dǎo)致Zn的溶解性增強(qiáng)，促使Zn從要部向頂部轉(zhuǎn)移[22]。Zn是一種比較活潑的元素，不僅向上轉(zhuǎn)移系數(shù)高而且向籽粒的遷移率也很高。這些研究結(jié)果之間存在一些差異或矛盾，可能是由于不同區(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所致。由此可以推測(cè)以上研究中明顯的差異主要來(lái)自于生長(zhǎng)環(huán)境與玉米品種的遺傳因素不同，特別是不同的土壤pH值。本研究土壤pH為6.35，陳建軍等[13]的研究土壤pH值為6.95，中性或堿性土壤條件能降低土壤重金屬的生物有效性，有效降低玉米對(duì)重金屬的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)與積累。

表4 不同玉米品種Cd、Zn的富集系數(shù)與轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)Table 4 The bioconcentration factors and translocation factors of Cd，Zn of different varieties of maize

圖1 不同玉米品種籽粒中Cd含量聚類分析Figure 1 The hierarchical clustering analysis diagram of Cd concentrations in grain of different varieties of maize

圖2 不同玉米品種籽粒中Zn含量聚類分析Figure 2 The hierarchical clustering analysis diagram of Zn concentrations in grain of different varieties of maize

參試的20個(gè)玉米品種Cd在玉米體內(nèi)的分配規(guī)律一般為莖葉>要>籽粒，Zn在玉米體內(nèi)的分配規(guī)律一般為要>籽粒>莖葉。這與以往研究基本一致[23]。但有研究發(fā)現(xiàn)，參試的20個(gè)玉米品種各器官Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異顯著(P<0.05)，大小順序?yàn)橐?莖葉>籽粒[13]。可見(jiàn)，不同玉米品種不同器官重金屬含量的分配規(guī)律有所差異，其原因可能與供試品種、重金屬類型和種植土壤等不同有關(guān)。此外，本試驗(yàn)條件下玉米籽粒Zn含量高于莖葉含量，原因可能在于Zn是一種移動(dòng)性很強(qiáng)的元素，當(dāng)植物不缺Zn時(shí)，有大量的Zn從老葉向新生組織轉(zhuǎn)移，從而導(dǎo)致籽粒Zn含量較高。

目前，對(duì)于重金屬低積累作物還沒(méi)有明確的定義。劉維濤等[12]認(rèn)為理想的重金屬低積累作物應(yīng)該同時(shí)具備以下特征：①該植物的地上部和地下部重金屬含量均很低或者其可食部位重金屬含量低于國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；②該植物對(duì)重金屬的累積量小于土壤中該重金屬的濃度(即富集系數(shù)＜1)；③該植物從其他部位向可食部位轉(zhuǎn)運(yùn)重金屬能力較差(即轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)＜1)；④該植物對(duì)重金屬毒害具有較高的耐受性，在較高濃度重金屬污染下能夠正常生長(zhǎng)，且生物量無(wú)明顯下降。

本研究中，受Cd-Zn復(fù)合脅迫的20個(gè)玉米品種生物量、產(chǎn)量，要、莖葉和籽粒中Cd含量，富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均存在顯著差異。結(jié)合籽粒Cd含量以及聚類分析結(jié)果來(lái)看，云瑞2號(hào)(2號(hào))、云瑞10號(hào)(3號(hào))、云瑞220(4號(hào))、云瑞47(5號(hào))、紅單6號(hào)(6號(hào))、興黃單892(7號(hào))、紅育1號(hào)(8號(hào))、云優(yōu)78(10號(hào))、平單2號(hào)(13號(hào))、蒙玉2號(hào)(14)、子玉2號(hào)(16號(hào))、屏單2號(hào)(18號(hào))12個(gè)品種籽粒Cd含量為0.07～0.09 mg·kg-1，沒(méi)有超過(guò)國(guó)家食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(≤0.2 mg·kg-1)，12個(gè)品種均屬于Cd低積累類群。同時(shí)，12個(gè)品種的莖葉富集系數(shù)和籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)范圍分別為0.806～2.267、0.096～0.241，其中只有6、8、10、13、18號(hào)5個(gè)品種的富集系數(shù)小于1，12個(gè)品種的籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均小于1。從玉米生長(zhǎng)情況、生物量和產(chǎn)量來(lái)看，6、8、10、13、18號(hào)5個(gè)品種對(duì)Cd的耐性較強(qiáng)，生物量和產(chǎn)量沒(méi)有明顯降低。因此，紅單6號(hào)(6號(hào))、紅育1號(hào)(8號(hào))、云優(yōu)78(10號(hào))、平單2號(hào)(13號(hào))、屏單2號(hào)(18號(hào))5個(gè)品種可作為Cd低積累玉米品種。受Cd-Zn復(fù)合脅迫的20個(gè)玉米品種生物量、產(chǎn)量，要、莖葉和籽粒中Zn含量，富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均存在明顯差異。結(jié)合籽粒中Zn含量以及聚類分析結(jié)果來(lái)看，云瑞47(5號(hào))、紅單6號(hào)(6號(hào))、路單12號(hào)(12號(hào))、屏單2號(hào)(18號(hào))、雅玉98(19號(hào))5個(gè)品種籽粒Zn含量為26.14～31.22 mg·kg-1，均沒(méi)有超過(guò)國(guó)家食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(≤50 mg·kg-1)，屬于Zn低積累類群。另外，其莖葉富集系數(shù)和籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)范圍分別為0.078～ 0.113、0.797～1.100，其中5、6號(hào)品種的莖葉富集系數(shù)>1，12、18號(hào)品種籽粒富集系數(shù)>1。從玉米生長(zhǎng)情況、生物量和產(chǎn)量來(lái)看，19號(hào)品種對(duì)Zn的耐性較強(qiáng)，生物量和產(chǎn)量沒(méi)有明顯降低。因此，雅玉98(19號(hào))可作為Zn低積累玉米品種。

4 結(jié)論

(1)Cd-Zn復(fù)合污染條件下20個(gè)玉米品種的生物量及產(chǎn)量存在顯著的品種差異。

(2)不同玉米品種各器官吸收、積累Cd、Zn的能力存在明顯的差異。Cd在玉米體內(nèi)的分配規(guī)律總體上為莖葉>要>籽粒，Zn在玉米體內(nèi)的分配規(guī)律總體上為要>籽粒>莖葉。

(3)不同玉米品種各器官轉(zhuǎn)運(yùn)Cd、Zn的能力存在明顯差異，其中7個(gè)品種的Cd富集系數(shù)<1，13個(gè)品種莖葉轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)<1，所有品種籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均<1；所有品種Zn的富集系數(shù)均<1，其中18個(gè)品種莖葉轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)<1，6個(gè)品種籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)<1。

最終認(rèn)為：紅單6號(hào)、紅育1號(hào)、云優(yōu)78、平單2號(hào)、屏單2號(hào)5個(gè)品種可作為Cd低累積玉米品種，雅玉98可作為Zn低積累玉米品種，可分別在個(gè)舊的Cd、Zn中、輕度污染土壤上推廣種植。

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Differences of cadmium and zinc accumulation and translocation in different varieties of Zea mays

DU Cai-yan1,2,ZHANG Nai-ming3,LEI Bao-kun1,HU Wan-li1,FU Bin1,CHEN An-qiang1,MAO Yan-ting1,MU Lin3,WANG Hong-hua3, YAN Ting-ting3,DUAN Zong-yan1*,LEI Mei5*
(1.Institute of agricultural Environment&Resources,Yunnan Academy of Agricultural Sciences,Kunming 650205，China；2.Plant Protection College,Yunnan Agricultural University,Kunming 650201，China；3.College of Resource and Environment,Yunnan Agricultural University,Kunming 650201，China；4.Agricultural Environmental Protection Monitoring Station of Yunnan Province,Kunming 650201,China；5.Institute of Geographic Science and Natural Resources Research,Chinese Academy of Sciences,Beijing 10010，China)

In the heavy metal contaminated soil of cadmium-zinc(Cd-Zn),the effects of Cd and Zn on the growth of 20 maize varieties along with differences of Cd and Zn accumulation and transfer between different maize varieties were studied in field experiments.The purpose of the field experiments was to screen out maize varieties with low accumulation ability of Cd and Zn.The results showed that there were significant differences among 20 maize varieties of plant height,leaf area,biomass as well as yield under combined stress of Cd and Zn. Meanwhile,there were significant differences among 20 maize varieties of Cd and Zn uptake by root,stem and leaf,kernels Cd and Zn accumulation and translocation ability(P<0.05).The seed Cd contents of 2 varieties were more than the food sanitation standards set by the state (≤0.2 mg·kg-1).The stem and leaf Cd contents of 13 varieties were more than the national feed hygiene standard(≤0.5 mg·kg-1).The kernel stem and leaf Zn contents of 20 varieties conformed to the food sanitation standards(≤50 mg·kg-1).The Cd enrichment coefficients of 7 maize species<1,the stem and leaf transfer coefficient of 13 maize species<1,and all the seed transport coefficients were less than 1. Data analysis results showed that there were still certain absorption capacity of the maize to soil Cd,but the transport capacity from root toshoot and from stem and leaf to grain was weak——The Zn enrichment coefficients of 20 maize species<1,the stem and leaf transfer coefficient of 18 maize species<1,and the seed transport coefficients of 6 maize species<1.Data analysis results showed that the absorption capacity of the maize to soil Zn and the transport capacity from shoot and stem to grain were strong.Evaluated by the index of maize biomass, grain yield,Cd and Zn content,Cd and Zn enrichment coefficient and transfer coefficient,5 varieties of Hong Dan 6,Hong Yu 1,Yun You 78,Ping Dan 2 and Ping Dan 2 could be used as Cd low accumulation Maize Varieties,and Ya Yu 98 could be used as Zn low accumulation Maize Varieties,and were fit to be planted in Cd,Zn polluted soil in Gejiu lightly and moderately.

Zeamays;cadmium;zinc;accumulation and translocation;screening

S513

A

1672-2043(2017)01-0016-08

10.11654/jaes.2016-0872

2016-07-02

杜彩艷(1977—)，女，博士，副研究員，主要從事植物營(yíng)養(yǎng)和環(huán)境生態(tài)方面研究。E-mail：caiyandu@126.com

*通信作者：段宗顏 E-mail：duanzongy@163.com； 雷 梅 E-mail：leim@igsnrr.ac.cn

中科院國(guó)際合作項(xiàng)目(GJHZ201308)

Project supported：T卜e Internation Joint Researc卜Program of C卜inese Academy of Sciences(GJHZ201308)

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