馮亞娟，黃議漫，余海英，張錫洲

(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源學(xué)院，四川成都 611130； 2.旺蒼縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，四川旺蒼 628200)

土壤鎘(Cd)污染面積大，易對(duì)人類和動(dòng)物的健康造成危害[1-2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)Cd污染土壤面積已達(dá)20萬(wàn)km2，且以中輕度Cd污染為主，并有逐漸惡化的趨勢(shì)[3]。近年來(lái)，河南、北京、天津等地均發(fā)現(xiàn)了Cd污染小麥，部分農(nóng)田上種植的“Cd麥”籽粒Cd含量甚至超過(guò)《國(guó)家食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 2762-2017)的34.1倍[4-6]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，Cd污染小麥及其衍生品占人體每日Cd污染品攝入量的43%[7]。因此，篩選并培育籽粒Cd低積累小麥材料是實(shí)現(xiàn)中輕度Cd污染農(nóng)田小麥安全生產(chǎn)切實(shí)可行的辦法[8]。

前人研究表明，不同小麥材料籽粒Cd積累差異較大[9]，小麥籽粒Cd積累除了受自身遺傳特性影響外，還會(huì)受到環(huán)境因素的影響[10]。黃其穎[11]通過(guò)大田試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)243份小麥材料籽粒Cd積累差異較大，且籽粒Cd含量較低的基因型材料只占12.3%。陸美斌等[12]對(duì)8個(gè)省(市)采集的393份小麥樣品的研究也得到了相似的結(jié)論。劉 克等[13]采用盆栽試驗(yàn)對(duì)全國(guó)14種典型小麥產(chǎn)區(qū)土壤種植的小麥籽粒Cd含量進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)同一材料籽粒Cd積累差異較大，說(shuō)明土壤特性是影響籽粒Cd積累的重要因素。楊玉敏等[14]在四川綿竹興隆鎮(zhèn)和廣濟(jì)鎮(zhèn)的大田篩選試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，不同試驗(yàn)地中籽粒Cd低積累品種存在差異，且有42.86%的材料籽粒Cd含量隨土壤Cd含量的增加而增加，57.14 %的材料籽粒Cd含量隨土壤Cd含量的增加而降低。因此，小麥材料、試驗(yàn)條件以及材料和環(huán)境之間的相互作用均會(huì)影響小麥籽粒Cd的積累。

本課題組前期通過(guò)連續(xù)2年的大田試驗(yàn)，篩選到籽粒Cd低積累型小麥材料，但其籽粒Cd含量存在年際差異[15]，且由于籽粒Cd低積累型材料的篩選環(huán)境相對(duì)單一，不能較好地反映實(shí)際應(yīng)用中材料-環(huán)境相互作用對(duì)小麥籽粒Cd積累的影響。因此，本研究以前期試驗(yàn)中籽粒Cd積累存在差異的30份小麥材料為研究對(duì)象，通過(guò)不同Cd濃度的盆栽試驗(yàn)和不同Cd污染程度的大田試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行篩選和驗(yàn)證，以期篩選得到穩(wěn)定的籽粒Cd低積累型小麥材料，為中輕度Cd污染農(nóng)田的安全利用和小麥籽粒Cd安全品種的培育及遺傳改良提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

30份小麥材料均由四川農(nóng)業(yè)大學(xué)小麥研究所提供，材料編號(hào)及名稱見表1。

表1 供試小麥材料編號(hào)及名稱Table 1 Codes and names of the wheat materials

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與處理

1.2.1 盆栽試驗(yàn)

試驗(yàn)設(shè)置Cd濃度分別為0(CK)、0.25(Cd 0.25)和0.50 mg·kg-1(Cd 0.50)3個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次，共270盆，完全隨機(jī)排列。供試土壤為灰潮土，采于都江堰市蒲陽(yáng)鎮(zhèn)雙柏村，土壤基本理化性質(zhì)為有機(jī)質(zhì)36.34 g·kg-1，全氮 1.36 g·kg-1，堿解氮141.01 mg·kg-1，有效磷14.35 mg·kg-1，速效鉀24.65 mg·kg-1，pH 7.21。供試土壤經(jīng)自然風(fēng)干、去除雜質(zhì)、過(guò)篩、混勻后備用。每盆(12 L)裝土12 kg(以風(fēng)干土計(jì))，Cd以CdCl2·2.5H2O(分析純)溶液形式施入土壤，充分混勻后陳化4周待用。陳化后CK、Cd 0.25、Cd 0.50處理下的土壤全Cd含量分別為 0.29、0.56和0.85 mg·kg-1，有效Cd含量分別為0.09、0.21和0.35 mg·kg-1。

選取飽滿的小麥種子，經(jīng)10%過(guò)氧化氫溶液浸泡30 min后，用滅菌蒸餾水清洗3遍，移入鋪有滅菌濾紙的培養(yǎng)皿中，在25 ℃無(wú)光照條件下培養(yǎng)48 h，待胚根長(zhǎng)至約2 mm時(shí)，移至正常光照通風(fēng)處培養(yǎng)5 d，選擇長(zhǎng)勢(shì)一致的3株幼苗定植于盆中。氮(N)、磷(P2O5)、鉀(K2O)肥用量分別為200、150和150 mg·kg-1，移栽前一周將氮肥、磷肥和鉀肥作為基肥施入土壤。試驗(yàn)于2018年11月至2019年5月在四川農(nóng)業(yè)大學(xué)教學(xué)科研園區(qū)有防雨設(shè)施的網(wǎng)室內(nèi)進(jìn)行。

成熟期采樣，每盆3株混合樣為一次重復(fù)，每個(gè)處理共3個(gè)重復(fù)。穗部樣品經(jīng)自然風(fēng)干后，稱重，人工脫?？挤N混勻后，置于75 ℃條件下烘干至恒重，研磨過(guò)100目篩，備用。

1.2.2 大田試驗(yàn)

根據(jù)前期調(diào)查，選擇Cd污染程度不同的兩個(gè)大田進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)地點(diǎn)1位于成都平原區(qū)，屬于中亞熱帶濕潤(rùn)氣候，平均海拔507 m，年平均氣溫15.2 ℃，年降水量944.6 mm，年日照時(shí)數(shù)777.8 h。土壤類型為潴育型水稻土，常年水稻-小麥輪作，屬于中度Cd污染農(nóng)田。試驗(yàn)地點(diǎn)2位于川南丘陵區(qū)，屬于亞熱帶濕潤(rùn)氣候，平均海拔350 m，年平均氣溫18.1 ℃，年降水量 1 179.4 mm，年日照時(shí)數(shù)950.3 h，土壤為紫色土發(fā)育而成的淹育型水稻土，常年水稻-小麥輪作，屬于輕度Cd污染農(nóng)田。兩個(gè)試驗(yàn)地土壤基本理化性質(zhì)如表2所示。

表2 不同試驗(yàn)地點(diǎn)大田土壤的基本理化性質(zhì)Table 2 Basic physical and chemical properties of field soil at different sites

將試驗(yàn)田塊劃分為90個(gè)2 m×1 m的試驗(yàn)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)之間橫向設(shè)0.5 m的緩沖帶，縱向設(shè)1 m的間隔區(qū)。每份小麥材料重復(fù)3次，隨機(jī)區(qū)組排列。選取飽滿種子條播，行距0.3 m，株距0.2 m，田塊四周種植保護(hù)行。試驗(yàn)于2018年10月至2019年5月進(jìn)行，水肥管理和病蟲害防治同當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)小麥栽培管理方式。

于成熟期采集小麥樣品，每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)隨機(jī)選取長(zhǎng)勢(shì)一致的30個(gè)穗作為一個(gè)混合樣。籽粒風(fēng)干后人工脫粒，于75 ℃條件下烘干至恒重，研磨過(guò)100目篩，備用。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

籽粒Cd含量采用HNO3微波消解-電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定過(guò)程中以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW(E)100495 控制分析質(zhì)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 25.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，選擇LSD法進(jìn)行多重比較，采用Origin 8.0和Excel 2013制作圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥籽粒Cd積累的差異

2.1.1 小麥籽粒Cd含量的變異性

從表3和表4可以看出，不同Cd濃度(盆栽)和試驗(yàn)地點(diǎn)(大田)對(duì)小麥籽粒Cd含量有顯著影響。盆栽試驗(yàn)中，CK、Cd 0.25和Cd 0.50處理的小麥籽粒Cd含量的平均值分別為0.30、0.64和 0.92 mg·kg-1，變化范圍分別為0.20～0.55、 0.39～1.55和0.62～1.84 mg·kg-1，變異系數(shù)分別為25.99%、36.46%和 28.70%。大田試驗(yàn)中，成都平原區(qū)小麥籽粒Cd含量變化范圍為 0.07～0.94 mg·kg-1，平均為0.26 mg·kg-1，變異系數(shù)為79.65%；川南丘陵區(qū)小麥籽粒Cd含量變化范圍為0.23～ 0.69 mg·kg-1，平均為 0.48 mg·kg-1，變異系數(shù)為 30.63%。說(shuō)明不同試驗(yàn)條件下，小麥籽粒Cd含量差異均較大，符合Cd低積累材料篩選的基本條件。

表3 盆栽試驗(yàn)中不同Cd處理下小麥籽粒Cd含量的差異Table 3 Statistical analysis of Cd concentration in wheat grains with pot experiments under different Cd treatments

表4 不同大田試驗(yàn)點(diǎn)小麥籽粒 Cd 含量的差異Table 4 Statistical analysis of Cd concentration in wheat grains in different field experimental sites

2.1.2 小麥籽粒Cd含量的變化特征

從圖1和圖2可以看出，同一材料在不同試驗(yàn)環(huán)境中籽粒Cd含量存在差異。在土壤環(huán)境和管理措施相對(duì)一致的盆栽試驗(yàn)中，同一材料籽粒Cd含量均隨土壤Cd濃度的增加而升高，且在不同Cd水平下籽粒Cd含量的分布具有一致性，W26的籽粒Cd含量在三個(gè)Cd濃度下均最高。大田試驗(yàn)中，除W17、W18和W20外，其他材料籽粒Cd含量和土壤Cd濃度呈現(xiàn)了相反的趨勢(shì)，即成都平原區(qū)土壤Cd濃度高于川南丘陵區(qū)，但川南丘陵區(qū)小麥籽粒Cd含量卻相對(duì)較高。

兩個(gè)試驗(yàn)地點(diǎn)的土壤Cd含量、氣候條件、管理措施等存在較大差異，對(duì)不同材料、不同試驗(yàn)地點(diǎn)整體環(huán)境下的籽粒Cd含量進(jìn)行方差分析，結(jié)果(表5)表明，修正模型的F值為40.87，P< 0.01，說(shuō)明該模型具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。材料、地點(diǎn)、材料×地點(diǎn)的F值分別為31.61、1 057.31、 5.47，均達(dá)極顯著水平 (P<0.01)。說(shuō)明不同材料、試驗(yàn)環(huán)境以及材料及環(huán)境間的相互作用均會(huì)對(duì)籽粒Cd積累產(chǎn)生顯著影響，不同試驗(yàn)環(huán)境下籽粒Cd含量差異較大。

表5 不同材料、不同試驗(yàn)地點(diǎn)的籽粒Cd含量方差分析Table 5 ANOVA of the Cd concentration in different materials and experimental sites

2.2 小麥籽粒Cd低積累型材料的篩選結(jié)果

本研究以籽粒Cd含量為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用瓦爾德法對(duì)盆栽試驗(yàn)中的30份小麥材料進(jìn)行聚類分析(圖3)，發(fā)現(xiàn)在CK、Cd 0.25和Cd 0.5處理下，當(dāng)平方歐氏距離分別為13、11和19時(shí)，可將小麥材料劃分為Cd高積累型材料(I)、Cd中積累型材料(II)和Cd低積累型材料(III)3大類。CK、Cd 0.25和Cd 0.50處理聚類分析分別獲得14、17和9份Cd低積累型小麥材料，15、12和20份Cd中積累材料，以及各1份Cd高積累材料。其中30389(W01)、MY1848(W04)、XK066-1(W09)、77782(W10)、HW2-2(W22)、中梁22(W29)和綿麥37(W30)7份材料在三個(gè)Cd處理下均為Cd低積累型材料，W26(抗銹3816)在所有處理下均表現(xiàn)為Cd高積累特性。

由圖4可知，當(dāng)平方歐氏距離分別為2和6時(shí)，成都平原區(qū)聚類可得到8份Cd低積累型小麥材料，19份Cd中積累型材料和3份Cd高積累型材料；川南丘陵區(qū)聚類可得到11份Cd低積累型材料，11份Cd中積累型材料和8份Cd高積累型材料。其中30389(W01)、77782(W10)、良麥2號(hào)(W19)、12N551(W24)、濟(jì)麥22(W25)、蜀麥375(W28)、中梁22(W29)、綿麥37(W30)8份材料在兩個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)中均為Cd低積累型材料，表明Cd低積累型材料在不同試驗(yàn)地點(diǎn)具有較好的重現(xiàn)性，但Cd高積累型材料卻沒有一致性。

依據(jù)大田試驗(yàn)和盆栽試驗(yàn)的聚類結(jié)果，將在大田試驗(yàn)和盆栽試驗(yàn)中表現(xiàn)為相同Cd積累特性的材料作為典型材料(表6)。在成都平原區(qū)、川南丘陵區(qū)、以及CK、Cd 0.25、Cd 0.50處理盆栽試驗(yàn)條件下，Cd低積累型典型材料(30389、77782、中梁22和綿麥37)籽粒Cd含量變化范圍分別為0.07～ 0.16、0.23～0.36、0.20～ 0.27、0.44～0.57、 0.62～0.65 mg·kg-1；Cd中積累型典型材料(省CXK027-4和L08-969)籽粒Cd含量分別為0.21和0.23、0.50和0.55、0.30和 0.35、0.68和0.78、0.97和0.98 mg·kg-1；Cd高積累型材料(抗銹3816)分別為0.32、0.60、 0.55、 1.55、1.84 mg·kg-1，說(shuō)明在同一試驗(yàn)地點(diǎn)或試驗(yàn)條件下，小麥Cd低積累型材料籽粒Cd含量均低于Cd中積累型和Cd高積累型材料。綜合篩選得到30389、77782、中梁22、綿麥37共4份穩(wěn)定的小麥籽粒Cd低積累型材料。

表6 不同Cd積累類型小麥材料籽粒Cd含量的差異Table 6 Differences of Cd concentration in different Cd accumulation types of wheat materials mg·kg-1

3 討 論

3.1 基因型對(duì)小麥籽粒Cd積累的影響

研究表明，小麥籽粒Cd積累在一定程度上受4A和5D染色體上兩個(gè)數(shù)量性狀位點(diǎn)的控制，不同基因型小麥材料的Cd吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和積累存在差異[16]。夏亦濤[17]通過(guò)2年多點(diǎn)大田試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，基因型對(duì)小麥籽粒Cd積累有顯著影響，且小麥籽粒Cd含量與苗期地下部至地上部的Cd遷移系數(shù)呈顯著正相關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn)，盆栽試驗(yàn)和大田試驗(yàn)中，小麥材料籽粒Cd含量存在顯著差異，其中最大值和最小值間的差異可達(dá)13.43倍。不同基因型小麥籽粒Cd積累差異為小麥Cd低積累型材料的選育提供了可能。

3.2 環(huán)境因素對(duì)籽粒Cd含量的影響

作物籽粒Cd積累能力除了取決于自身遺傳特性外，環(huán)境因素以及基因型與環(huán)境因素間的相互作用也是影響籽粒Cd積累的重要因素[18]。Cheng等[19]通過(guò)連續(xù)兩年大田試驗(yàn)，對(duì)6個(gè)試驗(yàn)地、9個(gè)水稻品種籽粒Cd含量研究發(fā)現(xiàn)，除基因型對(duì)水稻籽粒Cd積累有較大貢獻(xiàn)外，環(huán)境因素以及環(huán)境與基因型的交互作用對(duì)籽粒積累也有影響。Lu等[20]對(duì)兩個(gè)大田試驗(yàn)中30份小麥材料籽粒Cd含量的方差分析表明，小麥籽粒Cd含量與基因型、基因型-土壤環(huán)境的相互作用均存在極顯著的相關(guān)性。本研究發(fā)現(xiàn)，在土壤特性、氣候條件和管理措施一致的盆栽試驗(yàn)中，同一小麥材料籽粒Cd含量隨土壤Cd濃度的增加而升高，且在相同Cd濃度中不同小麥材料Cd含量的分布具有一致性；而同一材料籽粒Cd含量在兩個(gè)大田試驗(yàn)間卻存在較大差異，成都平原區(qū)土壤Cd含量要高于川南丘陵區(qū)，但是對(duì)于大多數(shù)材料而言，川南丘陵區(qū)籽粒Cd含量卻高于成都平原區(qū)。大田試驗(yàn)和盆栽試驗(yàn)的結(jié)果呈現(xiàn)了相反的趨勢(shì)，方差分析表明，小麥籽粒Cd含量除了受到基因型、土壤Cd含量影響外，土壤特性、氣候環(huán)境、環(huán)境與基因型的相互作用也是影響小麥籽粒Cd含量的重要因素。

目前對(duì)小麥籽粒Cd含量影響的研究主要集中在土壤特性上，紀(jì)淑娟等[21]研究表明，小麥籽粒Cd含量和土壤Cd含量在一定范圍內(nèi)呈正相關(guān)。土壤pH是影響作物Cd積累的重要因素，較低的土壤pH會(huì)提高根際土壤重金屬的有效性，進(jìn)而影響植物對(duì)Cd的吸收[13]。土壤有機(jī)質(zhì)也是影響Cd積累的重要參數(shù)，可以和土壤重金屬螯合，進(jìn)而減少Cd向植物的遷移[22]。本研究?jī)蓚€(gè)大田試驗(yàn)中大多數(shù)小麥材料籽粒Cd含量和土壤Cd含量、有機(jī)質(zhì)含量呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)，和土壤酸度呈正相關(guān)，說(shuō)明川南丘陵區(qū)較低的土壤pH可能是導(dǎo)致兩個(gè)試驗(yàn)區(qū)域小麥籽粒Cd含量差異的主要原因。兩個(gè)試驗(yàn)地點(diǎn)的環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，除了土壤性質(zhì)以外，氣候條件亦是影響小麥籽粒Cd含量的重要影響因素之一[23]。賀 遠(yuǎn)[24]研究了 5 ℃、20 ℃和30 ℃下煙草幼苗的Cd含量，發(fā)現(xiàn)煙草幼苗Cd含量隨著溫度的升高呈現(xiàn)了先增加后降低的趨勢(shì)，20 ℃最利于煙草幼苗對(duì)Cd的吸收和積累。相比于成都平原區(qū)，川南丘陵區(qū)的年平均氣溫更高，降雨更充足，日照時(shí)數(shù)更長(zhǎng)，有利于小麥材料對(duì)Cd的吸收和積累。適宜的土壤環(huán)境、光合作用、蒸騰作用可能在一定程度上促進(jìn)了小麥對(duì)Cd的吸收積累[25]。以后應(yīng)進(jìn)一步探討特定環(huán)境因素對(duì)小麥籽粒Cd含量的影響，確定影響籽粒Cd含量的關(guān)鍵環(huán)境因素，合理確定Cd低積累型小麥品種的安全種植區(qū)和低風(fēng)險(xiǎn)種植區(qū)。

3.3 籽粒Cd低積累型小麥材料的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

為實(shí)現(xiàn)中輕度Cd污染農(nóng)田的利用及糧食的安全生產(chǎn)，近年來(lái)諸多學(xué)者開展了Cd低積累型作物的篩選與培育工作，并得到了諸多具有Cd低積累特性的作物[26]。目前，對(duì)Cd低積累型品種的篩選多基于礦區(qū)附近重度污染農(nóng)田[27]、室內(nèi)盆栽試驗(yàn)[28]、室內(nèi)水培試驗(yàn)[28]以及單一環(huán)境大田試驗(yàn)[29]，均不能全面反映小麥在中輕度Cd污染情況下的自然生長(zhǎng)狀況及穩(wěn)定性。從糧食安全角度出發(fā)，所有篩選得到的Cd低積累型材料都應(yīng)該在不同條件、不同環(huán)境下重復(fù)鑒定，以驗(yàn)證籽粒Cd積累的穩(wěn)定性，以滿足實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用的需要[30]。本研究采用不同Cd處理的盆栽試驗(yàn)以及不同試驗(yàn)環(huán)境的大田試驗(yàn)對(duì)30份小麥材料進(jìn)行篩選與驗(yàn)證，以籽粒Cd含量為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行聚類分析，發(fā)現(xiàn)盆栽試驗(yàn)在CK、Cd 0.25和Cd 0.50處理下分別獲得14、17、9份低積累型材料，其中30389、MY1848、XK066-1、77782、HW2-2、中梁22和綿麥37在三個(gè)Cd處理下均屬于Cd低積累型材料。而材料30389、77782、良麥2號(hào)、12N551、濟(jì)麥22、蜀麥375、中梁22和綿麥37在不同環(huán)境的大田試驗(yàn)中屬于Cd低積累型材料。總體來(lái)看，30389、77782、中梁22、綿麥37這4份材料在不同Cd污染程度、土壤環(huán)境和氣候條件下均為Cd低積累型材料，具有穩(wěn)定的籽粒Cd低積累特性。