不同牧草品種對Cd、As元素轉(zhuǎn)運富集特性的差異性研究

徐建永 孔輝 胡飛 黃志紅

(圣清環(huán)保股份有限公司，云南 昆明 650100)

隨著工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展和城市化進程的加快，重金屬污染已成為危害全球環(huán)境質(zhì)量的主要問題之一[1]。重金屬通過各種不同的途徑進入土壤[2]，對種植作物產(chǎn)生毒害，極大地影響著土壤環(huán)境質(zhì)量、作物生長、產(chǎn)量、品質(zhì)與安全性[3,4]，嚴重制約農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，最終經(jīng)食物鏈在人體內(nèi)富集，對人體健康造成危害[5]。

個舊礦區(qū)歷史悠久，礦業(yè)活動頻繁，在礦區(qū)繁榮發(fā)展的同時，個舊及周邊地區(qū)的生態(tài)環(huán)境已經(jīng)遭到嚴重破壞[7]，當?shù)刂亟饘傥廴緡乐亍Ｈ绾斡行p少重金屬在農(nóng)作物中的富集和累積，從而保障農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)，已成為當前農(nóng)業(yè)和環(huán)境科學交叉領(lǐng)域的研究熱點之一[7]。

目前，對于控制重金屬向食物鏈中轉(zhuǎn)移主要從2方面著手：通過化學固定降低土壤中重金屬的活性使其鈍化[8]；通過篩選出對于重金屬抗性強、累積量低的農(nóng)作物品種進行種植[9]。研究證實，植物吸收和累積重金屬不僅存在顯著的植物種間差異，同時存在種內(nèi)差異[10]。近年來，對不同作物品種間的重金屬低累積品種篩選的研究眾多。然而研究大多都是基于各地不同條件下進行的，其研究結(jié)果具有很強的地區(qū)性。針對個舊市乍甸農(nóng)田土壤污染特性和乍甸農(nóng)場“糧改飼”種植試點示范要求及發(fā)展規(guī)劃，開展重金屬低累積牧草品種的篩選研究是十分必要的。

本試驗以個舊市雞街鎮(zhèn)乍甸的農(nóng)田為試驗地，結(jié)合片區(qū)原有種植結(jié)構(gòu)和牧草品種，以初步篩選出的26個不同牧草品種為試驗材料，在Cd-As復合污染條件下，開展田間小區(qū)試驗，綜合考慮牧草生物學特性、適口性、株高、生物量、產(chǎn)量，Cd、As含量及累積量等指標，通過試驗對牧草安全進行探索，提出適合種植的牧草種類，旨在篩選出適合個舊地區(qū)種植的具有Cd、As低累積潛力的牧草品種，既為培育Cd、As低累積牧草品種提供科學依據(jù)，也可為其它作物的重金屬低累積品種篩選提供參考。

1 材料和方法

1.1 供試材料

試驗選擇可連片種植的農(nóng)田，地址位于云南省個舊市雞街鎮(zhèn)乍甸牛奶小鎮(zhèn)附近，海拔1362m，面積約1hm2。

試驗檢測了試驗地0～20cm耕作層土壤樣品，其土壤基本理化性質(zhì)pH為7.35～8.22，總Cd鎘、總As的含量分別為1.43～3.75mg·kg-1、95.7～146mg·kg-1，參照國家《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB/15618-2018)，土壤中的Cd超篩選值1.43～3.75倍，超管制值0.01～0.25倍；As超篩選值2.83～4.84倍，超管制值0.07～0.46倍。

供試牧草品種26個，見表1，均為云南省廣泛種植的牧草品種，購自云南省及國內(nèi)各種子供應商。

表1 供試牧草品種

1.2 試驗設計

以26個牧草品種為供試材料，采用隨機播種的方法進行種植，每種牧草設3次重復，共78個小區(qū)，種植區(qū)塊隨機布置，每個小區(qū)面積15m2(3m×5m)，小區(qū)間隔0.3m，區(qū)組間隔1.0m，同時在試驗區(qū)四周設置2m保護帶，種植一年生黑麥草，以消除邊際效應。

試驗于2019年10月15—17日整地和劃分小區(qū)，10月19日完成牧草種植。播種前施“肥力”復合肥(15-15-15，總養(yǎng)分I>45%)做基肥，施用量50kg·667m-2；拔節(jié)期追施尿素，施用量50kg·667m-2。種植后按大田常規(guī)操作持續(xù)進行牧草田間管理。2020年4月3—8日，完成試驗區(qū)樣品采集，開展樣品檢測分析。

1.3 樣品采集與分析

牧草種植前和牧草收獲后(以小區(qū)為取樣單元)分別采用梅花型五點取樣法采集耕層0～20cm土壤樣品。土壤中Cd全量檢測方法采用《土壤質(zhì)量鉛、鎘的測定石墨爐原子吸收分光光度法(GB/T17141-1997)》，土壤中As全量檢測方法采用《土壤質(zhì)量總汞、總砷、總鉛的測定 原子熒光法 第2部分土壤中總砷的測定(GB/T22105.2-2008)》；土壤中Cd、As有效態(tài)按《土壤中重金屬可提取態(tài)(有機態(tài))測試方法研究》(環(huán)境保護部南京環(huán)境科學研究所)中的氯化鈣法(0.01mol·L-1氯化鈣溶液提取)測定，消解液和提取液中As、Cd含量采用ICP-MS和原子熒光進行測定。

牧草生長期間觀察各作物生育期、生長特性；收獲季節(jié)按對應的位置選取正常長勢且均勻的牧草，每個小區(qū)收取3m2樣品，測定生物量或產(chǎn)量，同時測定牧草中重金屬含量。采集牧草植株樣品整體(根、莖、葉部分),將樣品用清水洗凈后晾干，放入烘箱80℃(12h)，在干燥器中冷卻到室溫后用天平測干重(精確到0.01g)為生物量(g/株)。在105℃烘箱中殺青30min，再調(diào)至80℃烘24h至樣品完全烘干，粉碎，過100目篩，待測。牧草中As、Cd含量測定：硝酸-高氯酸消解植物樣品后，用火焰原子吸收分光光度計對植物樣品重金屬含量進行測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)的平均值、標準差等常規(guī)分析采用Microsoft Excel 2016軟件處理；數(shù)據(jù)的方差分析、相關(guān)性分析及聚類分析等數(shù)據(jù)相關(guān)性分析采用IBM SPSS 25.0軟件。

由于試驗區(qū)種植的牧草用作奶牛飼料，所以牧草中Cd、As的參考《飼料衛(wèi)生標準》(GB13078-2017)中重金屬As、Cd在飼料中的限量值作為評價標準值來評價牧草中各重金屬含量狀況。

牧草富集系數(shù)(BCF)=牧草地上部分重金屬含量(mg·kg-1)/土壤相應元素含量(mg·kg-1)

莖葉轉(zhuǎn)運系數(shù)(TF)=莖葉重金屬含量(mg·kg-1)/根中相應元素含量(mg·kg-1)

采用牧草富集系數(shù)(BCF)來反映牧草對土壤重金屬的吸收累積能力，富集系數(shù)越大表明牧草對重金屬的吸收能力越強。采用牧草莖葉轉(zhuǎn)運系數(shù)(TF)用于表征重金屬通過牧草根部向地上部分不同器官轉(zhuǎn)運的能力，轉(zhuǎn)運系數(shù)越大表明重金屬從牧草根系向地上部器官轉(zhuǎn)運能力越強，或在牧草器官之間的轉(zhuǎn)運能力越強。若重金屬元素的富集系數(shù)<1.0，同時作物對重金屬元素的轉(zhuǎn)運系數(shù)<1.0，即地上部重金屬含量與根部重金屬含量的比值<1.0，即為低累積牧草。

2 結(jié)果與分析

2.1 牧草生長及產(chǎn)量差異分析

在土壤相同Cd-As污染復合脅迫下，不同牧草品種的生長情況、產(chǎn)量差異顯著(P<0.05)。

由表2可知，26個牧草品種的產(chǎn)量范圍為1.71～19.11t·667m-2，平均產(chǎn)量8.90t·667m-2，產(chǎn)量排名前3的分別是19號牧草、17號牧草和16號牧草，產(chǎn)量順序為19號牧草(巨菌草“綠舟一號”，產(chǎn)量19.11t·667m-2)>17號牧草(皇竹草，產(chǎn)量17.57t·667m-2)>16號牧草(象草，產(chǎn)量14.77t·667m-2)。受季節(jié)因素影響，26個牧草品種的667m2產(chǎn)量屬于正常產(chǎn)量水平；其中，多年生牧草的667m2產(chǎn)量大都低于常規(guī)產(chǎn)量水平，多年生牧草種植后首先經(jīng)歷新苗營養(yǎng)生長期，根系尚未發(fā)育完全，667m2產(chǎn)量偏低且差異顯著(P<0.05)。在一定的氣候土壤條件下，多年生牧草在第2年返青后的生長高度和產(chǎn)量有一定幅度增加。按照本試驗結(jié)果，巨菌草、皇竹草、甜象草、王草、高丹草、玉米草、蘇丹草、飼用高粱等牧草，可劃分為試驗區(qū)高產(chǎn)量牧草。

表2 牧草產(chǎn)量統(tǒng)計

2.2 牧草根、莖葉中Cd、As含量差異分析

由表3可知，26個牧草品種在相同重金屬Cd-As污染的復合脅迫下，各器官中Cd、As含量差異顯著(P<0.05)。

表3 不同牧草品種根、莖葉中重金屬Cd、As含量及莖葉達標率

Cd在試驗牧草體內(nèi)的分配規(guī)律，除6種牧草為莖葉>根部外(葦狀羊茅、紫花苜蓿、菊苣、小冠花、提摩西、苦荬草)，其余20種牧草Cd在其體內(nèi)的分配規(guī)律為根>莖葉。牧草莖葉中Cd含量范圍為0.09～2.45mg·kg-1，平均值為0.69mg·kg-1；牧草根部Cd含量范圍為0.24～5.89mg·kg-1，平均值為1.69mg·kg-1。在重金屬Cd-As復合脅迫下，參試牧草中有5個品種莖葉中的Cd含量超過了《飼料衛(wèi)生標準》(GB13078-2017)，占所有供試品種的19.23%，超標率33.33%～100%。其余21個品種的莖葉中的Cd含量達標，占所有供試品種的80.77%。

As在試驗牧草體內(nèi)的分配規(guī)律，除7種牧草為根部>莖葉外(蘇丹草“12SU9003”、紫花苜蓿、王草、菊苣、小冠花、苦荬草、紫云英)，其余19種牧草As在其體內(nèi)的分配規(guī)律為莖葉>根。牧草莖葉中As含量范圍為0.06～12.6mg·kg-1，平均值為3.98mg·kg-1；牧草根部As含量范圍為0.18～23.19mg·kg-1，平均值為5.56mg·kg-1。在重金屬As-As復合脅迫下，參試牧草中有13個品種莖葉中的As含量超過了《飼料衛(wèi)生標準》(GB13078-2017)，占所有供試品種的50%，超標率33.33%～100%。其余13個品種的莖葉中的As含量達標，占所有供試品種的50%。

2.3 牧草中Cd、As累積與轉(zhuǎn)運的差異分析

由表4中富集系數(shù)可知，Cd-As復合脅迫條件下，26個牧草品種對土壤中Cd和As的吸收和累積存在顯著差異(P<0.05)。26個牧草品種對重金屬Cd的富集系數(shù)為0.039～1.061，平均值為0.303。其中，“冬牧70”的富集系數(shù)>1，說明其對土壤中重金屬Cd的吸收能力較強。其余參試牧草Cd的富集系數(shù)均<1，說明其余牧草對土壤中重金屬Cd的吸收能力較弱。牧草對As的富集系數(shù)為0.005～0.110，平均值為0.035，均<1，說明所有參試牧草對土壤中重金屬As的吸收能力較弱。

表4 不同牧草品種Cd、As的富集系數(shù)(BCF)與轉(zhuǎn)運系數(shù)(TF)

續(xù)表 不同牧草品種Cd、As的富集系數(shù)(BCF)與轉(zhuǎn)運系數(shù)(TF)

牧草莖葉中Cd、As含量的變化特征與牧草不同部位重金屬的轉(zhuǎn)運、遷移能力有關(guān)。因此，在初步了解各牧草品種對Cd、As累積程度的基礎上，通過轉(zhuǎn)運系數(shù)進一步考查Cd、As由根向莖葉轉(zhuǎn)運能力的差異。由表4中轉(zhuǎn)運系數(shù)可知，Cd-As復合脅迫條件下，26個牧草品種將Cd、As由根部向莖葉轉(zhuǎn)運的能力存在顯著差異(P<0.05)。牧草對Cd的莖葉轉(zhuǎn)運系數(shù)為0.030～2.846，平均值為0.681。其中，紫花苜蓿、菊苣、小冠花、提摩西和苦荬草的Cd莖葉轉(zhuǎn)運系數(shù)>1，說明這5個牧草品種的Cd莖葉轉(zhuǎn)運能力均較強；其余21個牧草品種的Cd莖葉轉(zhuǎn)運系數(shù)均<1，說明Cd莖葉轉(zhuǎn)運能力均較弱。牧草對As的莖葉轉(zhuǎn)運系數(shù)為0.260～7.712，平均值為1.439。其中，蘇丹草“12SU9003”、紫花苜蓿、王草、菊苣、小冠花、苦荬草、紫云英的As莖葉轉(zhuǎn)運系數(shù)>1，說明這7個牧草品種的As莖葉轉(zhuǎn)運能力均較強；其余19個牧草品種的As莖葉轉(zhuǎn)運系數(shù)均<1，說明As莖葉轉(zhuǎn)運能力均較弱。

2.4 牧草中Cd、As含量的聚類分析

為了區(qū)分不同牧草品種的莖葉部分對Cd、As的累積能力，從而篩選出具有Cd、As低累積潛力的牧草品種，對26個牧草品種的莖葉中的Cd、As含量分別進行聚類分析，結(jié)果見圖1、圖2。參試牧草均種植在同一田間試驗小區(qū)，生長環(huán)境一致，環(huán)境對牧草吸收Cd、As的影響也一致，因此不同牧草品種莖葉中的Cd、As含量的差異主要來自其對Cd、As的吸收、轉(zhuǎn)運及累積能力。

圖1 不同牧草品種莖葉中的Cd含量聚類分析

圖2 不同牧草品種莖葉中的As含量聚類分析

根據(jù)圖1分析，可將參試的26個牧草品種的地上部分對Cd的累積差異劃分為3類，光葉紫花苕“洪章”為第1類，代表地上部分的Cd含量較高，為Cd高累積類群，其莖葉中Cd含量為2.45mg·kg-1，超過國家飼料衛(wèi)生標準(≤1mg·kg-1)；飼用高粱“12FS9011”、蘇丹草“12US9004”和葦狀羊茅為第2類，地上部分的Cd含量處于中等水平，變化范圍為1.23～1.40mg·kg-1，超過國家飼料衛(wèi)生標準(≤1mg·kg-1)，為Cd中等累積類群；其余22種牧草為第3類，地上部分的Cd含量變化范圍為0.09～0.83mg·kg-1，屬于Cd低等累積類群。

根據(jù)圖2分析，可將參試的26個牧草品種的地上部分對As的累積差異劃分為5類，光葉紫花苕和紫云英為第1類，葦狀羊茅和小冠花為第2類，代表地上部分的As含量較高，為Cd高累積類群，第1類和第2類莖葉中As含量的變化范圍分別為11.45～12.60mg·kg-1和8.70～9.60mg·kg-1，超過國家飼料衛(wèi)生標準(≤4mg·kg-1)；多年生黑麥草、紫花苜蓿和毛苕子為第3類，地上部分的As含量處于中等水平，變化范圍為4.77～6.13mg·kg-1，超過國家飼料衛(wèi)生標準(≤4mg·kg-1)，為As中等累積類群牧草；飼用高粱“12FS9011”、蘇丹草“12SU9003”、蘇丹草“12US9004”、高丹草“12SU9001”和提摩西為第4類，地上部分的As含量處于中等水平，變化范圍分別為3.14～4.10mg·kg-1，為As中等累積類群牧草；其余14種牧草品種為第5類，地上部分莖葉的As含量變化范圍為0.60～2.53mg·kg-1，符合國家飼料衛(wèi)生標準(≤4mg·kg-1)，屬于Cd低等累積類群。

2.5 低富集牧草品種分析

重金屬通過根表皮從土壤溶液中進入植物體內(nèi)，通過共質(zhì)體途徑和質(zhì)外體途徑進入木質(zhì)部并被轉(zhuǎn)運到地上部[11]。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[12]。

本試驗在Cd、As的含量分別為1.43～3.75mg·kg-1、95.7～146mg·kg-1的污染農(nóng)田中進行，旨在探討不同牧草品種對Cd、As積累與轉(zhuǎn)運的潛力差異，篩選低累積牧草。結(jié)果表明，參試的26個牧草品種的生物量、產(chǎn)量，根和莖葉中Cd、As含量，富集系數(shù)(BCF)和轉(zhuǎn)運系數(shù)(TF)均存在一定差異。目前，牧草這些方面的研究頗少，但與玉米等其它作物的研究結(jié)果一致(劉維濤[10]、杜彩艷[14]等)，主要原因在于牧草品種本身的遺傳背景差異，以及不同品種牧草對重金屬Cd、As復合脅迫下的不同吸收和轉(zhuǎn)運機制，即不同的耐性差異。

本試驗條件下，參試的26個牧草品種的Cd、As富集系數(shù)分別為0.039～1.061、0.005～0.110，見表4。其中，“冬牧70”的富集系數(shù)>1，說明其對土壤中重金屬Cd的吸收能力較強；其余參試牧草Cd的富集系數(shù)均<1，說明其余牧草對土壤中重金屬Cd的吸收能力較弱；所有參試牧草對As的富集系數(shù)均<1，即As的吸收能力較弱。

本試驗條件下，參試的26個牧草品種的Cd、As的莖葉轉(zhuǎn)運系數(shù)分別為0.030～2.846、0.260～7.712，見表4。其中，紫花苜蓿、菊苣、小冠花、提摩西和苦荬草的Cd莖葉轉(zhuǎn)運系數(shù)>1，Cd莖葉轉(zhuǎn)運能力均較強；其余21個牧草品種的Cd莖葉轉(zhuǎn)運系數(shù)均<1，Cd莖葉轉(zhuǎn)運能力均較弱。蘇丹草“12SU9003”、紫花苜蓿、王草、菊苣、小冠花、苦荬草、紫云英的As莖葉轉(zhuǎn)運系數(shù)>1，As莖葉轉(zhuǎn)運能力均較強；其余19個牧草品種的As莖葉轉(zhuǎn)運系數(shù)均<1，As莖葉轉(zhuǎn)運能力均較弱。莖葉轉(zhuǎn)運系數(shù)越小，說明植物所吸收的重金屬從根部向地上部分莖葉中轉(zhuǎn)移的量就越少，相應進入飼料的比例就減少，從而保證農(nóng)作物的飼用安全。

本試驗表明，6種試驗牧草(葦狀羊茅、紫花苜蓿、菊苣、小冠花、提摩西、苦荬草)的Cd在體內(nèi)的分配規(guī)律為莖葉>根部，另20種為根>莖葉；7種試驗牧草(蘇丹草“12SU9003”、紫花苜蓿、王草、菊苣、小冠花、苦荬草、紫云英)的As在體內(nèi)的分配規(guī)律為根部>莖葉，另19種為莖葉>根。這與以往的試驗研究相似(吳傳星[15]、薛歡[16])，不同牧草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)[7]。本試驗條件下，5個參試牧草品種莖葉中的Cd含量超過國家飼料衛(wèi)生標準(≤1mg·kg-1)，13個品種莖葉中的As含量超過國家飼料衛(wèi)生標準(≤4mg·kg-1)。

目前，國內(nèi)關(guān)于重金屬低積累作物的篩選、應用及其積累重金屬機理方面的研究不少，如“低積累品種”、“重金屬排異品種”、“污染預防/對策品種”等[13]，這些概念均體現(xiàn)了重金屬低積累作物的主要特征，即在污染環(huán)境中生長時其可食部分重金屬含量明顯低于國家規(guī)定的食品或飼料衛(wèi)生標準，能夠滿足農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)的需求[17]。

據(jù)此，本試驗在優(yōu)先考慮《飼料衛(wèi)生標準》(GB13078-2017)重金屬元素限值要求的前提下，考慮產(chǎn)量較高且莖葉對Cd、As富集能力和轉(zhuǎn)運能力均較低的牧草品種作為Cd、As低累積牧草品種。

本試驗結(jié)果顯示，編號為1、2、7、13、14、15、16、17、19、22、24的牧草品種對Cd、As的耐性較強，對Cd、As富集能力和轉(zhuǎn)運能力較弱，莖葉中Cd、As含量范圍分別為0.09～0.83mg·kg-1、0.90～2.53mg·kg-1，均沒有超過國家飼料衛(wèi)生標準(Cd≤1mg·kg-1，As≤4mg·kg-1)；通過聚類分析可知，均屬于Cd、As低積累類群牧草。然而，牧草種植存在一定的慣性，農(nóng)戶一般會選擇常年種植的品種，或者從高產(chǎn)的角度選擇種植品種[14]。14、22、24號牧草不屬于高產(chǎn)牧草，同時13號牧草在個舊種植較少，不推薦；1、2、7、號牧草的Cd、As含量較高，接近《飼料衛(wèi)生標準》(GB13078-2017)限值，故不推薦。此外，牧草的Cd、As低積累特性也受多種因素的影響，實際推廣中，應充分考慮土壤類型和污染程度等。

因此，本試驗篩選出巨菌草“綠舟一號”、皇竹草“12SU9005”、甜象草“彩虹”、玉米草“優(yōu)-12”作為產(chǎn)量較高且莖葉具有低積累Cd、As潛力性狀的牧草品種。

3 結(jié)論

Cd-As復合污染條件下，26個牧草品種的產(chǎn)量存在顯著差異(P<0.05)。

26個牧草品種各器官吸收、積累Cd、As的能力存在明顯的差異(P<0.05)。Cd在6種試驗牧草體內(nèi)的分配規(guī)律為莖葉>根部，另20種為根>莖葉；As在7種試驗牧草體內(nèi)的分配規(guī)律為根部>莖葉，另19種為莖葉>根。

26個牧草品種莖葉轉(zhuǎn)運Cd、As的能力差異顯著(P<0.05)，5個牧草品種Cd莖葉轉(zhuǎn)運系數(shù)>1，21個牧草品種的Cd莖葉轉(zhuǎn)運系數(shù)<1；7個牧草品種的As莖葉轉(zhuǎn)運系數(shù)>1，19個牧草品種的As莖葉轉(zhuǎn)運系數(shù)<1。

26個牧草品種莖葉中Cd、As含量存在顯著差異。其中，飼用高粱“12FS9003”、飼用高粱“13FB7001”、蘇丹草“12SU9003”、高丹草“12SU9001”、高丹草“超級唐王”、菊苣“大滿貫”、鴨茅草“德娜塔”、玉米草“優(yōu)-12”、甜象草“彩虹”、皇竹草“12SU9005”、巨菌草“綠舟一號”、狼尾草“御谷”、苦荬草“超勝”13個牧草品種莖葉中Cd、As含量符合國家飼料衛(wèi)生標準(Cd≤1mg·kg-1，As≤4mg·kg-1)；Cd含量最低的是狼尾草“御谷”，為0.09mg·kg-1；As含量最低的是皇竹草“12SU9005”，為0.60mg·kg-1。

根據(jù)參試牧草產(chǎn)量、莖葉中Cd、As含量、富集系數(shù)、轉(zhuǎn)運系數(shù)、聚類分析等指標綜合評價，最終認為巨菌草“綠舟一號”、皇竹草“12SU9005”、甜象草“彩虹”、玉米草“優(yōu)-12”為具有低積累Cd、As的潛力的牧草品種，可在個舊Cd、As輕度和中度土壤污染區(qū)推廣種植。