馬鳳儀，趙寶平*，張茹，楊波，王永寧，郭曉宇，陳淼，劉景輝

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，呼和浩特 010010；2.內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)生態(tài)與資源保護中心，呼和浩特 010000；3.巴彥淖爾市耕地質(zhì)量監(jiān)測保護中心，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015000；4.烏拉特后旗農(nóng)村牧區(qū)生態(tài)能源環(huán)保站，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015500）

內(nèi)蒙古西部有色金屬、黑色金屬等礦產(chǎn)豐富，在其開采和冶煉過程中導(dǎo)致周邊農(nóng)田土壤鎘（Cd）、鉛（Pb）等重金屬污染物超標(biāo)，嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)剞r(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全。燕麥（Avena sativaL.）是我國北方和西北干旱冷涼等生態(tài)脆弱區(qū)的糧飼及優(yōu)勢特色作物[1]。內(nèi)蒙古是我國燕麥主產(chǎn)區(qū)[2]，其燕麥種植面積占我國燕麥種植面積的40%以上。因此，使當(dāng)?shù)厥芪廴巨r(nóng)田土壤得到安全利用，是確保作物安全生產(chǎn)及生態(tài)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。

Cd 可以通過食物鏈進入人體，而長期攝入過量的Cd會對人體健康造成威脅[3]，因此使受污染農(nóng)田作物可食用部位的重金屬含量達標(biāo)是重中之重。前人對小麥的研究表明，篩選低Cd 積累品種是降低籽粒Cd 含量的有效方法，不同器官吸收轉(zhuǎn)運Cd 的生物學(xué)機制對篩選和應(yīng)用低Cd積累小麥品種具有重要的指導(dǎo)價值[4]，此外在水稻[5]、玉米[6]上也有相關(guān)的研究。重金屬從根部到地上部的轉(zhuǎn)運能力是作物篩選和改造的重點[7]。劉暢等[8]的研究表明不同冬小麥品種的穎殼、穗軸等器官是影響籽粒Cd 積累差異的關(guān)鍵器官；蔡秋玲等[5]的研究表明Cd 從莖到葉的富集轉(zhuǎn)運是控制不同類型水稻籽粒Cd 積累差異的關(guān)鍵因素。不同作物間及同種作物不同品種類型間對Cd 的富集能力存在差異，目前，有關(guān)燕麥各器官吸收轉(zhuǎn)運Cd 對籽粒Cd 積累的影響及哪個器官或轉(zhuǎn)運過程在控制燕麥籽粒Cd 含量的研究還鮮見報道。

針對影響不同品種燕麥籽粒Cd 積累差異的問題，本研究收集歷年燕麥主產(chǎn)區(qū)主推種植的優(yōu)質(zhì)燕麥品種，通過連續(xù)兩年大田試驗，分析不同品種燕麥各器官Cd 的富集系數(shù)、相鄰器官間Cd 的轉(zhuǎn)運系數(shù)，并通過相關(guān)性分析和主成分分析，揭示影響燕麥籽粒Cd 含量的關(guān)鍵器官和關(guān)鍵轉(zhuǎn)運過程，并通過標(biāo)靶危害系數(shù)對不同品種燕麥進行安全風(fēng)險評估，為燕麥安全生產(chǎn)及內(nèi)蒙古Cd 污染農(nóng)田的安全利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

大田試驗于2020年和2021年在內(nèi)蒙古河套地區(qū)某地進行，試驗地年均降水量187.4 mm，年均溫14.3 ℃，試驗區(qū)土壤為堿性棕鈣土，該區(qū)由于有色金屬礦山開采導(dǎo)致土壤重金屬Cd超標(biāo)。供試區(qū)土壤理化性質(zhì)如表1所示。

表1 大田試驗供試土壤理化性質(zhì)Table 1 The physical and chemical properties of tested soil in the field experiment

1.2 供試材料與試驗設(shè)計

供試燕麥品種共18 種，其中壩燕7 號、201229-1-1、壩莜3 號、200919-7-1、品 5、壩莜14 號、壩燕 4號、壩燕6 號由河北省張家口市農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供，燕科2號、蒙燕1號、蒙燕2號、蒙燕3號由內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院提供，白燕2 號、白燕9 號、白燕11 號、白燕15 號、白燕17 號、白燕20 號由吉林省白城市農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供，試驗品種編號詳見表2。

表2 供試燕麥品種編號Table 2 Serial number of tested oat variety

小區(qū)面積為21.6 m2（4 m×5.4 m），行距30 cm，26行，隨機播種，播種密度為4.5×106kg·hm-2的基本苗，重復(fù)3 次；機器開溝，人工播種。種肥二銨450 kg·hm-2，復(fù)合肥 150 kg·hm-2，拔節(jié)期追肥尿素 600 kg·hm-2，整個生育期灌水3次，其他種植管理方式按照當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)習(xí)慣進行。

1.3 樣品采集、處理與指標(biāo)測定

1.3.1 樣品采集與處理

于成熟期取土樣，每品種小區(qū)按照3 點取樣，取耕層20 cm 的根際土壤，剔除非土壤成分，在室內(nèi)自然風(fēng)干，混勻后用四分法取樣品200 g，分別過2 mm和0.15 mm篩后備用。

各小區(qū)燕麥?zhǔn)斋@時，按照3 點取樣，分別采集作物根（根系先后用自來水和去離子水洗滌）、莖稈、葉、穎殼和籽粒樣品，分別混合后按照四分法留取樣品，105 ℃殺青30 min，85 ℃烘至質(zhì)量恒定，經(jīng)粉碎機磨碎后過100目篩待用。

1.3.2 指標(biāo)測定

土壤基本理化性質(zhì)參照《土壤農(nóng)化分析（第三版）》中的方法測定[9]；采用微波消解-石墨爐原子吸收分光光度法測定土壤[10]和植株[11]的Cd含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

各燕麥品種Cd 富集系數(shù)（BCF）和轉(zhuǎn)運系數(shù)（TF）計算公式如下：

式中：BCF為富集系數(shù)，表示燕麥對Cd的攝取能力；TF為轉(zhuǎn)運系數(shù)，表征Cd在燕麥體內(nèi)的轉(zhuǎn)運過程[13]；EDI為重金屬膳食暴露量；THQ為標(biāo)靶危害系數(shù)，是用于人體通過食物攝取重金屬風(fēng)險的評估方法，當(dāng)THQ≤1.0時，則認(rèn)為人體負(fù)荷的重金屬對人體健康造成的影響不明顯；C為燕麥籽粒中重金屬含量，μg·kg-1；FIR為每人每日谷物攝入量，g·人-1·d-1；EF為暴露頻率，取365 d·a-1；ED為暴露年限，取70 a；Bw為成人的平均體質(zhì)量，取65 kg·人-1；AT為生命期望值，取70 a；365為轉(zhuǎn)化系數(shù)；RfD為消化食物的比率，μg·kg·d-1。成年人平均每天的谷類食物食用量為261.1 g·人-1·d-1；根據(jù)美國整合風(fēng)險信息系統(tǒng)，Cd的RfD為1.0 μg·kg-1·d-1[14]。

使用Excel 2010 對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計處理和繪圖，采用SPSS 22.0 進行方差分析和聚類分析，采用Origin 2021進行主成分分析圖繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同品種燕麥各器官Cd含量

不同燕麥品種根、莖、葉、穎殼、籽粒Cd含量如表3所示，18個燕麥品種各器官Cd含量均表現(xiàn)為根>葉>穎殼>莖>籽粒。2020 年所選品種籽粒Cd 含量在0.088~0.289 mg·kg-1之間，其中 Y4 和 Y15 籽粒 Cd 含量符合國家食品安全標(biāo)準(zhǔn)值0.1 mg·kg-1（GB 2715—2016），超標(biāo)率為88.89%；2021 年所選品種籽粒Cd 含量在0.199~0.542 mg·kg-1之間，18個燕麥供試品種Cd含量均超過國家食品安全限值，超標(biāo)率為100%。

表3 燕麥各器官Cd含量（mg·kg-1）Table 3 Cd content in every organ of oat（mg·kg-1）

2.2 不同品種燕麥籽粒Cd 含量聚類分析

將2020年和2021年不同品種燕麥籽粒的Cd含量進行綜合聚類分析，將其分為高Cd積累型、中Cd積累型、低 Cd 積累型 3 類。如圖 1 所示，具有籽粒 Cd 低積累特性的品種有 Y1、Y2、Y3、Y4、Y6、Y7、Y10、Y12、Y13、Y14、Y15、Y16、Y18，占供試品種的72.22%；具有籽粒Cd中積累特性的品種為Y5，占供試品種的5.6%；具有籽粒Cd 高積累特性的品種有Y8、Y9、Y11、Y17，占供試品種的22.22%。在重金屬中輕度污染區(qū)域可優(yōu)先考慮種植具有低積累特性的品種。

圖1 供試燕麥品種籽粒Cd含量聚類分析圖Figure 1 Cluster analysis of Cd accumulationin grains of tested oat varieties

2.3 不同品種燕麥Cd富集特征差異

2.3.1 不同品種燕麥各器官Cd富集特征

根據(jù)聚類分析將18 個燕麥品種分為高、中、低3個Cd 積累類型，不同Cd 積累型燕麥品種各器官富集系數(shù)見圖2。兩年數(shù)據(jù)綜合表明，根的富集系數(shù)最大，其次為葉，此外穎殼的Cd富集系數(shù)明顯高于莖和籽粒。除高積累品種Y8、Y9、Y11 外，其他燕麥品種各器官 Cd 富集系數(shù)均呈現(xiàn)BCF根>BCF葉>BCF穎殼>BCF莖>BCF籽粒，且不同 Cd 積累型燕麥品種各器官富集系數(shù)均小于1。

圖2 不同品種燕麥各器官對Cd的富集系數(shù)Figure 2 The enrichment coefficients of Cd in various organs of different varieties of oats

2.3.2 燕麥籽粒Cd 富集系數(shù)與其他器官Cd 富集系數(shù)的相關(guān)性

將燕麥籽粒Cd 富集系數(shù)與其他器官的Cd 富集系數(shù)進行相關(guān)性分析，結(jié)果如表4 所示。2020 年和2021年的結(jié)果表明，莖的Cd富集系數(shù)與籽粒Cd的富集系數(shù)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。

表4 燕麥籽粒Cd富集系數(shù)與各器官Cd富集系數(shù)的相關(guān)性Table 4 Correlation between Cd enrichment coefficient of oat grain and Cd enrichment coefficient of each organ

從燕麥各器官Cd富集系數(shù)的主成分分析載荷圖（圖3）可以看出，兩年試驗共同表現(xiàn)為第一主成分中載荷較高的是BCF籽粒和BCF莖，且BCF莖和BCF籽粒距離較近，表明莖的Cd 富集系數(shù)對籽粒Cd 的富集有正效應(yīng)，與其他器官相比莖的Cd 含量對籽粒Cd 含量影響較大；BCF根和BCF籽粒距離較遠，表明根的 Cd 富集系數(shù)對籽粒Cd含量的積累影響較小。綜上所述，莖可能是造成燕麥籽粒Cd含量差異的關(guān)鍵器官。

圖3 富集系數(shù)的主成分分析載荷系數(shù)Figure 3 Principal component analysis load factor plot for enrichment coefficients

2.4 不同品種燕麥Cd轉(zhuǎn)運特征差異

2.4.1 不同品種燕麥各器官間Cd轉(zhuǎn)運特征

不同燕麥品種Cd從根到地上部各器官的轉(zhuǎn)運系數(shù)如圖4 所示。2020 年和2021 年的結(jié)果表明，除高積累品種Y8、Y9、Y17 外，其他品種根到地上各器官間的Cd 轉(zhuǎn)運系數(shù)中，Cd 從根到葉的轉(zhuǎn)運系數(shù)最高，Cd 從根到籽粒的轉(zhuǎn)運系數(shù)最低；而高Cd 積累品種Y8、Y9、Y17 在 2021 年試驗中則表現(xiàn)為根到莖的 Cd轉(zhuǎn)運系數(shù)最低。地上部各器官間轉(zhuǎn)運系數(shù)中，高積累品種Cd 從莖到籽粒、葉到穎殼、葉到籽粒、穎殼到籽粒的轉(zhuǎn)運系數(shù)較低積累品種高（圖5）。

圖4 不同燕麥品種Cd從根到地上部各器官的轉(zhuǎn)運系數(shù)Figure 4 Cd transport coefficients from roots to aboveground organs in different oat varieties

圖5 不同燕麥品種地上部各器官Cd轉(zhuǎn)運系數(shù)Figure 5 Cd transport coefficients of aboveground organs of different oat varieties

2.4.2 燕麥籽粒Cd 富集系數(shù)與各器官間Cd 轉(zhuǎn)運的相關(guān)性

不同品種燕麥籽粒Cd富集系數(shù)與器官間Cd轉(zhuǎn)運系數(shù)的相關(guān)性分析如表5所示。兩年數(shù)據(jù)共同表現(xiàn)為Cd 從根到籽粒、葉到籽粒的轉(zhuǎn)運系數(shù)與籽粒Cd 含量呈極顯著正相關(guān)，莖到籽粒的Cd 轉(zhuǎn)運系數(shù)與籽粒Cd含量呈顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系；而Cd從莖到葉的轉(zhuǎn)運系數(shù)與籽粒Cd富集系數(shù)呈不顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

表5 籽粒Cd富集系數(shù)與各器官間Cd轉(zhuǎn)運系數(shù)的相關(guān)性Table 5 Correlation between grain Cd enrichment coefficient and Cd transport coefficient among organs

從燕麥各器官Cd轉(zhuǎn)運系數(shù)和籽粒富集系數(shù)的主成分分析載荷圖（圖6）可以看出，兩年試驗共同表現(xiàn)為，TF籽粒/根、TF籽粒/莖和BCF籽粒距離較近，表明根到籽粒、葉到籽粒、穎殼到籽粒的轉(zhuǎn)運過程對籽粒Cd含量的影響最大；TF葉/莖、TF穎殼/莖和BCF籽粒距離較遠，表明莖到葉、莖到穎殼的轉(zhuǎn)運過程對籽粒Cd 含量的積累作用較小。綜上所述，Cd 從根到籽粒、莖到籽粒、葉到籽粒的轉(zhuǎn)運過程可能是造成燕麥籽粒Cd含量差異的關(guān)鍵過程。

圖6 轉(zhuǎn)運系數(shù)的主成分分析載荷系數(shù)Figure 6 Principal component analysis load factor plot for transport coefficients

2.5 不同品種燕麥籽粒安全風(fēng)險評價

不同品種燕麥標(biāo)靶危害系數(shù)見圖7。2020 年THQ值 介 于 0.352~1.160 之 間 ，其 中THQ最 大 值 為Y6、最小值為Y16；2021年THQ值介于0.800~2.179之間，其中THQ最大值為Y8、最小值為Y15。結(jié)合籽粒Cd 含量聚類分析及兩年THQ值，在Cd 污染地區(qū)可優(yōu)先推廣種植Y1、Y2、Y4、Y6、Y7、Y15。

圖7 不同品種燕麥標(biāo)靶危害系數(shù)（THQ）Figure 7 Cadmium bioconcentration factor of different oat varieties

3 討論

土壤中的Cd2+通過質(zhì)外體或共質(zhì)體途徑進入根系，之后逐漸向地上部運輸，籽粒中Cd含量與地上部各器官對Cd 的吸收和轉(zhuǎn)運有關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn)，燕麥不同器官中根部的Cd 富集系數(shù)最大，多數(shù)燕麥品種各器官間的Cd 轉(zhuǎn)運系數(shù)中根到葉的轉(zhuǎn)運系數(shù)最大、根到籽粒的轉(zhuǎn)運系數(shù)最小，表明燕麥吸收的Cd 大部分被截留在葉片中。辛艷衛(wèi)等[15]、劉暢等[8]和張大眾等[16]在玉米和小麥上的研究表明，高、低Cd 不同積累型品種間作物根部的Cd 富集系數(shù)最大，這與本研究結(jié)果一致；而Cd 在不同器官間的轉(zhuǎn)運系數(shù)中，劉暢等[8]的研究表明根到第5 節(jié)間的值最小，反映了吸收的Cd 大部分被固定在根部。在本研究中，各器官Cd富集系數(shù)中，根的Cd富集系數(shù)在高、低積累品種間的差異較明顯，但在兩年試驗中其與籽粒Cd 富集系數(shù)的相關(guān)性并不穩(wěn)定，只在2021 年有顯著相關(guān)性；主成分分析對區(qū)分高、低積累品種也沒有發(fā)揮重要作用。根到莖的Cd 轉(zhuǎn)運系數(shù)差異較明顯，但在兩年試驗中高、低積累品種間表現(xiàn)不穩(wěn)定，與籽粒的Cd富集系數(shù)無顯著相關(guān)性；根到籽粒的Cd 轉(zhuǎn)運系數(shù)與其他器官間轉(zhuǎn)運系數(shù)相比差異較小，但相關(guān)性分析表明其與籽粒Cd 含量有極顯著的相關(guān)性，在主成分分析中對區(qū)分高、低Cd積累品種有一定貢獻。在本研究中，根部的吸收及根到葉的轉(zhuǎn)運過程并不是影響燕麥籽粒Cd積累差異的關(guān)鍵因素，而根到籽粒的轉(zhuǎn)運過程是影響燕麥籽粒Cd積累差異的關(guān)鍵因素之一。蔡秋玲等[5]、ZHANG 等[17]和鄧婷等[6]通過田間試驗分別對水稻、小麥和玉米的研究表明高積累品種根部Cd含量較低積累品種顯著高；SHI 等[18]研究認(rèn)為根部向地上部的轉(zhuǎn)運過程是影響小麥Cd 積累的關(guān)鍵因素，這與本研究結(jié)果一致；蔡秋玲等[5]對不同類型水稻的研究則表明影響高、低Cd 積累型水稻籽粒Cd 含量差異的關(guān)鍵因素是Cd從莖到葉的富集轉(zhuǎn)運。

有研究表明，莖是地上部Cd 轉(zhuǎn)運的主要通道[17]，不同品種籽粒中Cd 含量的差異取決于根和莖葉中Cd 從穗軸向穎殼和籽粒的轉(zhuǎn)運和再分配[18]。在本研究中，高積累品種莖和穎殼的Cd 富集系數(shù)較低積累品種高，低積累品種莖到葉的Cd 轉(zhuǎn)運系數(shù)較高積累品種高，而莖到籽粒、葉到籽粒的Cd轉(zhuǎn)運系數(shù)低于高積累品種，表明低積累品種莖中的Cd 在向上運輸過程中較多的被固定在莖和葉中，從而減少了向籽粒中的運輸。鄢小龍等[19]的研究表明低積累植物將Cd 積累在根部，主要通過莖、葉部阻攔從而降低籽粒Cd含量，這與本研究結(jié)果相似。在相關(guān)性分析中，莖到葉的Cd 轉(zhuǎn)運系數(shù)與籽粒Cd 富集系數(shù)呈不顯著負(fù)相關(guān)，且在主成分分析中對籽粒貢獻較??；而莖到籽粒、葉到籽粒的Cd 轉(zhuǎn)運系數(shù)與籽粒Cd 含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，且在主成分分析中對區(qū)分高、低積累品種有一定作用。而ZHANG 等[17]在研究高Cd 積累小麥不同節(jié)點時發(fā)現(xiàn)莖向上轉(zhuǎn)運Cd的能力明顯強于低積累品種，這導(dǎo)致高、低積累小麥地上部Cd 富集存在差異。本研究與其研究結(jié)果不同，一方面可能與作物和種植環(huán)境的差異有關(guān)，另一方面上述試驗研究計算轉(zhuǎn)運系數(shù)是不同節(jié)點Cd 含量的比值。綜上所述，Cd 從根、莖、葉到籽粒的轉(zhuǎn)運過程及莖中Cd 的含量在決定燕麥籽粒Cd 積累差異中發(fā)揮了重要作用，同時這也為噴施葉面調(diào)理劑，阻控莖葉中Cd 向籽粒轉(zhuǎn)運提供了重要依據(jù)。

對于生長在受Cd 污染土壤中的燕麥，可利用THQ值進行評估，THQ值作為一種用于人體通過食物攝取重金屬風(fēng)險的評估方法而被廣泛應(yīng)用[20]。李樂樂等[21]對47 份冬小麥進行低Cd 積累品種篩選，所選材料THQ值均小于1。張婍等[22]以揚麥13 號為材料進行盆栽試驗發(fā)現(xiàn)，籽粒中Cd 的THQ值也隨外源Cd濃度的增加而增大，且兒童的THQ值大于成人。本研究中18 個燕麥品種在2020 年除Y6 外，其他品種THQ值均小于 1，2021 年除 Y1、Y2、Y4、Y6、Y7、Y15外，其他品種THQ值均大于1。在兩年試驗中，13 個低積累品種THQ值均小于1 的品種占比僅為46.2%。因此，從糧食安全角度出發(fā)，符合標(biāo)準(zhǔn)的燕麥品種還需進一步的長期驗證，以滿足安全生產(chǎn)和污染農(nóng)田利用的需要。

4 結(jié)論

（1）不同Cd積累型燕麥品種各器官Cd含量及Cd富集系數(shù)總體表現(xiàn)為根>葉>穎殼>莖>籽粒的規(guī)律。

（2）相關(guān)性分析和主成分分析表明，莖是影響燕麥籽粒Cd 含量差異的關(guān)鍵器官，Cd 從根到籽粒、莖到籽粒、葉到籽粒的轉(zhuǎn)運過程是造成燕麥籽粒Cd 含量差異的關(guān)鍵轉(zhuǎn)運過程。

（3）篩選籽粒低Cd積累型燕麥品種，對受污染燕麥產(chǎn)區(qū)土壤的安全利用具有重要意義，綜合籽粒Cd聚類分析、標(biāo)靶危害系數(shù)、富集系數(shù)以及轉(zhuǎn)運系數(shù)結(jié)果，可考慮將低積累品種（壩燕7 號、201229-1-1、200919-7-1、壩莜14 號、壩燕6 號、白燕9 號）優(yōu)先用于Cd污染農(nóng)田的推廣種植。