不同玉米品種對土壤重金屬鎘積累富集特性研究

摘要：【目的】研究30個不同玉米品種對土壤重金屬鎘的積累富集特性，為重金屬污染農田安全利用及保障農產品安全提供依據。【方法】在大田作物常規管理情況下，采用田間試驗的方法。【結果】在土壤鎘含量為1.16mg/kg的背景條件下種植玉米，玉米籽粒中鎘含量在0.004-0.045mg/kg之間，明玉268籽粒鎘含量最高，為0.045mg/kg;沈農T100籽粒鎘含量最低，為0.004mg/kg。同時，玉米籽粒鎘富集能力表現不同，明玉268、狀元985等對鎘富集能力較強，富集系數為0.039、0.037;而丹玉311、沈農T100、聯達169、東單6531、遼單575和沈試991富集能力較弱，富集系數均小于0.01。【結論】綜合考慮玉米籽粒鎘吸收差異和鎘富集能力指標，丹玉311、沈農T100、聯達169、東單6531和遼單575對鎘的積累量小，富集能力弱，可以在中、輕度鎘污染土壤上推廣種植。

關鍵詞：玉米;土壤重金屬;鎘積累;富集

鎘（Cd）是植物生長的非必需元素，在環境中，具有很強的生物毒性，易遷移，活性持久，對土壤微生物群落，土壤環境質量和植物生長發育具有巨大危害[1-3]。WHO確定鎘是優先研究的食品污染物，土壤鎘污染不但會影響農作物的產量和品質，對生態系統構成潛在的威脅[4-6]，而且鎘一旦進入食物鏈還會對人體健康造成危害[7-8]。有研究表明，鎘污染的農產品后可能導致機體的正常代謝機能紊亂，影響人們腎臟功能，導致骨質疏松和身體疼痛，破壞正常細胞的酶活性，甚至增加人體細胞癌變的風險[9]。

我國部分耕地的重金屬污染，對生態環境、食品安全、人體健康及農業發展存在嚴重威脅[10-11]。2014年4月17日，環境保護部會同國土資源部發布《全國土壤污染狀況調查報告》，首次公布了我國土壤污染狀況。調查結果顯示，全國農田土壤環境狀況總體不容樂觀，部分地區土壤污染較重，耕地土壤環境質量堪憂，其土壤重金屬點位超標率達19.4%，而鎘的點位超標率為7.0%[12]。污水灌溉作為一種水處理和水利用的方式曾經在世界各地廣泛應用。在我國，局部地區小規模利用城市工業和生活污水灌溉農田也已有近100年的歷史，大規模的污灌始于20世紀50年代。污水灌溉在解決城市污水排放和農業生產用水來源問題的同時，造成了一些污灌區農田土壤的重金屬超標，土壤中重金屬不能被微生物分解而在土壤中積累，或通過下滲作用進入地下水，并能通過食物鏈進入人體，危害人體健康，土壤重金屬污染是人類面臨的重要的環境問題之一[1，4]。在干旱缺水的北方污灌地區，由于長期污水灌溉造成農田土壤重金屬嚴重污染，其中土壤鎘超標最為嚴重，其平均值達到1990年土壤重金屬元素全國背景值的5.75倍，污灌區農田土壤中鎘明顯積累，存在很大的生態風險[13-14]。

大量研究已證實，作物對重金屬的積累富集存在顯著的品種差異。楊惟薇[15]等通過土培試驗的方法研究10個玉米不同品種對重金屬鉛和鎘的吸收積累，發現廣甜3號對鎘的積累量最小。同時，玉米不同品種對重金屬鎘積累差異性在大田試驗中同樣得到印證[16-17]。曾翔等、Li等[19]發現水稻對重金屬鎘和汞的吸收富集能力存在品種差異，謝鈞宇、趙魯和強承魁等發現小麥和大豆對土壤重金屬吸收富集能力不同，也存在顯著品種差異性[20-22]。低積累植物（Low accumulators）的定義表明低積累品種是可以限制重金屬在地上部的吸收和富集從而降低其生態毒性和生態風險的一類植物品種，另有學者專家將這一概念冠以污染安全品種、排異植物等名稱，其共同觀點在于植物地上部的重金屬含量較同類相比較低[23-24]。種植低積累農產品品種于重金屬中、輕度污染土壤中，既能解決了土地資源緊張而重金屬污染土壤難以修復的土地利用問題，又保障了農產品安全[25-26]。同時，小麥、水稻、玉米、蔬菜等農產品的種類繁多，對重金屬的積累能力各不相同，也為低積累植物的選種提供了諸多便利[23，27]。

本文從中輕度污染農田安全利用及保障農產品安全角度出發，以北方污灌區中、輕度鎘污染農田土壤為研究背景，在大田作物常規管理情況下，研究本地區常見不同玉米品種對土壤重金屬鎘的積累富集差異特性，可為中輕度鎘污染農田安全利用和保證農作物的安全生產提供依據，具有實地應用的可行性及指導性。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

大田試驗位于沈陽市鐵西經濟技術開發區彰驛鎮彰驛站村（123°5'9.474"E，41°39'25.8012"N），該地屬于暖溫帶大陸性半濕潤的季風氣候，年平均氣溫為7.5℃，年平均降水量為659.6mm，年日照時數為2527h。供試土壤為潮棕壤，土壤 pH 6.43，全氮1.54g/kg，有效磷0.07g/kg，速效鉀0.34g/kg，總鎘1.16mg/kg，有效鎘0.71mg/kg，對照GB 15618-2018標準，供試土壤屬中輕度鎘污染。

1.2 試驗材料

供試玉米品種是近年來在沈陽市普遍種植的品種，見表1。

1.3 試驗設計

田間試驗開始于2020年，共設置30個處理。每個小區長12.5m、寬2.28m，面積為27.36m2，相鄰之間間隔1.2m，每個處理設3次重復，共90個試驗小區，隨機區組排列。玉米播種管理措施，如整地、施肥、播種、中耕除草、病蟲害防治等同當地常規管理模式一致。

1.4 樣品的采集與分析

田間土壤采用隨機5處梅花點分布法取樣，均勻混合，低溫（4℃）保存及風干處理備用;玉米樣品采用5點“Z”型隨機取樣法采集，玉米、水稻風干脫粒后備用。

土壤基本性質測定參照[28];土壤鎘含量采用HCl-HNO3-HF-HClO3消解，火焰原子吸收光譜儀進行測定;土壤有效鎘含量采用0.1mol/L的鹽酸浸提，電感耦合等離子質譜儀（ICP-OES）進行測定[29];玉米籽粒鎘含量采用HNO3-H2O2法（5：1，V/V）消解，原子吸收分光光度計進行測定。

1.5 數據統計分析

應用Excel 2007、SPSS 16.0（Chicago，IL，USA）等軟件進行數據處理、統計分析和作圖，差異顯著性采用Duncan法進行檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同品種玉米籽粒鎘吸收積累的差異

在該試驗中，不同玉米品種籽粒鎘含量均符合糧食衛生標準GB2715-2005中污染物限量標準的規定（≤0.1mg/kg），見表2，玉米籽粒鎘含量在0.004-0.045mg/kg之間，明玉268籽粒鎘含量0.045mg/kg為最高，沈農T100籽粒鎘含量0.004mg/kg為最低，所有品種玉米籽粒鎘含量均值為0.012mg/kg。由圖1可知，玉米籽粒含鎘量的頻次分布呈現規律不顯著，玉米籽粒大多數品種含鎘量在0-0.008mg/kg范圍內，樣本數14個;其次是在0.008-0.016mg/kg范圍內，樣本數11個;在0.016-0.024mg/kg和0.040-0.048mg/kg兩范圍內樣本數都為2個;而0.024-0.032mg/kg范圍內樣本數為0個。

植物對重金屬的富集能力是評定植物對重金屬積累能力大小的一個重要指標，而植物對重金屬富集能力的強弱可以由該植物的富集系數大小所表示，富集系數越大，說明富集能力越強（富集系數（BCF）=植物體內某種重金屬含量/土壤中該種重金屬含量）。本文中，玉米籽粒鎘富集系數=玉米籽粒中重金屬鎘含量/土壤中重金屬鎘含量。對30個品種玉米籽粒鎘的富集系數進行分析，見表3可知，大部分玉米籽粒對鎘的富集能力較弱，富集系數小于0.01;富集能力最弱的是丹玉311，為0.003;其次是沈農T100、聯達169、東單6531、遼單575、沈試991。其中，明玉268、狀元985、東單1775、先亞787、聯達6124、先亞679、東單1607、丹玉508和先禾336對鎘的富集能力較強，富集系數大于0.01，分別為0.039、0.037、0.032、0.017、0.019、0.012、0.012、0.012和0.011。由結果可知，大多數玉米品種對土壤重金屬鎘富集能力較弱，在中、輕度鎘污染地區合理種植低積累玉米品種是實現受污染農田安全利用并保障農產品質量安全的行之有效的措施之一。

3 討論

之前的研究發現，土壤有效重金屬含量與植物吸收積累重金屬量存在顯著相關，同時土壤條件、農藝措施、不同作物等影響土壤重金屬的有效性，從而影響作物對重金屬的吸收積累[17，30]，因此與當地農業常規管理模式相一致的大田試驗結果具有實地可操作性和復制性，利于品種的示范推廣。本文試驗結果表明，在土壤總鎘含量1.16mg/kg、有效鎘0.71mg/kg背景條件下，玉米籽粒鎘含量在0.004-0.045mg/kg之間。30個玉米品種籽粒鎘含量的極差值為11.25倍，說明不同玉米品種籽粒對鎘積累差異較大，不同玉米品種對鎘富集能力也存在顯著差異，這與楊惟薇、吳傳星、杜彩艷等人研究結果相一致[15，17，31]。同時，不同品種玉米的低積累性狀及其低富集能力在不同土壤環境中的適應性和穩定性需要進一步探究和持續動態監測。

4 結論

在大田作物常規管理情況下，綜合考慮玉米籽粒對土壤鎘積累差異和富集能力指標，這些玉米品種：丹玉311、沈農T100、聯達169、東單6531和遼單575可以在當地中、輕度鎘污染地區推廣種植。

參考文獻

[1] Wang Y P，Shi J Y， Wang H， et al. The influence of soil heavy metals pollution on soil microbial biomass，enzyme activity，and communtiycomosition near a copper smelter [J].Ecotoxicoloty and Environmental Satety，2006，67（1）：75-81.

[2] Yu Y C，Yang J Y，Zeng C， et al. Soil pH，organic matter，and nutrient content change with the continuous cropping of Cunninghamia lanceolata plantations in South China[J].Journal of Soils and Sediments，2017，17（9）：2230-2238.

[3] Seregin I V，Ivanov V B. Physiologiicall aspects of cadmium and lead toxic effects on higher plants[J].Russian Journal of Plant Physiology，2001，48（4）：523-544.

[4] 林凡華，陳海博，白軍.土壤環境中重金屬污染危害的研究[J].環境科學與管理，2007（7）：74-76.

[5] 朱奇宏，黃道友，劉國勝，等.石灰和海泡石對鎘污染土壤的修復效應與機理研究[J].水土保持學報，2009，23（1）：111-116.

[6] 賀慧，陳燦，鄭華斌，等.不同基因型水稻鎘吸收差異及鎘對水稻的影響研究進展[J].作物研究，2014，28（2）：211-215.

[7] 劉發欣，高懷友，伍鈞.鎘的食物鏈遷移及其污染防治對策研究[J].農業環境科學學報，2006，25（S2）：805-809.

[8] Singare P U，Lokhande R S. Studies on ion-isotopic exchange reactions using nuclear grade ion exchange resins[J].Springer Nature Jouranl，2012，18（4）：351-357.

[9] Zhang W L， Du Y， Zhai M M，et al. Cadmium exposure and its health effects：A 19-year follow-up study of a polluted area in China[J].The Science of the total enviornment，2013，470-471.

[10] 梁淑敏，許艷萍，陳裕，等.工業大麻對重金屬污染土壤的治理研究進展[J].生態學報，2013，33（5）：1347-1351+1353-1356.

[11] 張繼舟，王宏韜，倪紅偉，等.我國農田土壤重金屬污染現狀、成因與診斷方法分析[J].土壤與作物，2012，1（4）：212-218.

[12] 陳能場，鄭煜基，何曉峰，等.《全國土壤污染狀況調查公報》探析[J].農業環境科學學報，2017，36（9）：1689-1692.

[13] 林海鵬，于云江，李定龍，等.沈撫污灌區土壤重金屬污染潛在生態風險評價[J].環境與健康雜志，2009，26（4）：320-322.

[14] 李小牛，周長松，杜斌，等.北方污灌區土壤重金屬污染特征分析[J].西北農林科技大學學報（自然科學版），2014，42（6）：205-212.

[15] 楊惟薇，劉敏，曹美珠，等.不同玉米品種對重金屬鉛鎘的富集和轉運能力[J].生態與農村環境學報，2014，30（6）：774-779.

[16] 董欣欣，孫保亞，楊雙，等.鎘低積累玉米水稻品種的篩選[J].農業與技術，2021，41（8）：839-842.

[17] 吳傳星.不同玉米品種對重金屬吸收累積特性研究[D].雅安：四川農業大學，2010.

[18] 曾翔，張玉燭，王凱榮，等.不同品種水稻糙米含鎘量差異[J].生態與農村環境學報，2006（1）：67-69，83.

[19] Li B，Shi J B，Wang X，et al.Variations and constancy of mercury and methylmercury accumulation in rice grown at contaminated paddy field sites in three Provinces of China[J].Environmental Pollution，2013，181：91-97.

[20] 謝鈞宇，楊峰，劉娟娟，等.8個不同品種小麥汞吸收和分布的差異[J].西北農林科技大學學報（自然科學版），2014，42（11）：129-134.

[21] 趙魯，朱欣宇，譚曉東，等.大豆和小麥對土壤中汞的吸收與富集研究[J].中國農學通報，2013，29（18）：45-49.

[22] 強承魁，秦越華，曹丹，等.小麥富集重金屬的品種差異及其潛在健康風險評價[J].麥類作物學報，2017，37（11）：1489-1496.

[23] 劉維濤，周啟星.重金屬污染預防品種的篩選與培育[J].生態環境學報，2010，19（6）：1452-1458.

[24] Yu H，Wang J L，Fang W，et al.Cadmium accumulation in different rice cultivars and screening for pollution-safe cultivars of rice[J].Science of the Total Environment，2006，370（2）：302-309.

[25] Zhang G，Fukami M，Sekimoto H.Influence of cadmium on mineral concentrations and yield components in wheat genotypes differing in cd tolerance at seeding stage[J].Field Crops Res，2002，77：93-98.

[26] 代全林.玉米對Cd、Pd脅迫相應的品種間差異及機理研究 [D].廣州：中山大學，2005.

[27] 伍鈞，吳傳星，孟曉霞，等.重金屬低積累玉米品種的穩定性和環境適應性分析[J].農業環境科學學報，2011，30（11）：2160-2167

[28] 鮑士旦，史瑞和，秦懷英.土壤農化分析[M].北京：中國農業出版社，2000：42-107.

[29] 宋玉芳，許華夏，任麗萍，等.土壤重金屬對白菜種子發芽與根伸長抑制的生態毒性效應[J].環境科學，2002，23（1）：103-107.

[30] 杭小帥，周健民，王火焰.常熟市高風險區水稻籽粒重金屬污染特征及評價[J].中國環境科學，2009，29（2）：130-135.

[31] 杜彩艷，余小芬，杜建磊，等.不同玉米品種對Cd、Pb、As積累與轉運的差異研究[J].生態環境學報，2019，28（9）：1867-1875.

作者簡介： 董欣欣，博士，高級農藝師，主要從事農業環境保護與治理的相關研究。Email：dongxxhappy@163.com