不同玉米品种对土壤重金属镉积累富集特性研究

摘要：【目的】研究30个不同玉米品种对土壤重金属镉的积累富集特性，为重金属污染农田安全利用及保障农产品安全提供依据。【方法】在大田作物常规管理情况下，采用田间试验的方法。【结果】在土壤镉含量为1.16mg/kg的背景条件下种植玉米，玉米籽粒中镉含量在0.004-0.045mg/kg之间，明玉268籽粒镉含量最高，为0.045mg/kg;沈农T100籽粒镉含量最低，为0.004mg/kg。同时，玉米籽粒镉富集能力表现不同，明玉268、状元985等对镉富集能力较强，富集系数为0.039、0.037;而丹玉311、沈农T100、联达169、东单6531、辽单575和沈试991富集能力较弱，富集系数均小于0.01。【结论】综合考虑玉米籽粒镉吸收差异和镉富集能力指标，丹玉311、沈农T100、联达169、东单6531和辽单575对镉的积累量小，富集能力弱，可以在中、轻度镉污染土壤上推广种植。

关键词：玉米;土壤重金属;镉积累;富集

镉（Cd）是植物生长的非必需元素，在环境中，具有很强的生物毒性，易迁移，活性持久，对土壤微生物群落，土壤环境质量和植物生长发育具有巨大危害[1-3]。WHO确定镉是优先研究的食品污染物，土壤镉污染不但会影响农作物的产量和品质，对生态系统构成潜在的威胁[4-6]，而且镉一旦进入食物链还会对人体健康造成危害[7-8]。有研究表明，镉污染的农产品后可能导致机体的正常代谢机能紊乱，影响人们肾脏功能，导致骨质疏松和身体疼痛，破坏正常细胞的酶活性，甚至增加人体细胞癌变的风险[9]。

我国部分耕地的重金属污染，对生态环境、食品安全、人体健康及农业发展存在严重威胁[10-11]。2014年4月17日，环境保护部会同国土资源部发布《全国土壤污染状况调查报告》，首次公布了我国土壤污染状况。调查结果显示，全国农田土壤环境状况总体不容乐观，部分地区土壤污染较重，耕地土壤环境质量堪忧，其土壤重金属点位超标率达19.4%，而镉的点位超标率为7.0%[12]。污水灌溉作为一种水处理和水利用的方式曾经在世界各地广泛应用。在我国，局部地区小规模利用城市工业和生活污水灌溉農田也已有近100年的历史，大规模的污灌始于20世纪50年代。污水灌溉在解决城市污水排放和农业生产用水来源问题的同时，造成了一些污灌区农田土壤的重金属超标，土壤中重金属不能被微生物分解而在土壤中积累，或通过下渗作用进入地下水，并能通过食物链进入人体，危害人体健康，土壤重金属污染是人类面临的重要的环境问题之一[1，4]。在干旱缺水的北方污灌地区，由于长期污水灌溉造成农田土壤重金属严重污染，其中土壤镉超标最为严重，其平均值达到1990年土壤重金属元素全国背景值的5.75倍，污灌区农田土壤中镉明显积累，存在很大的生态风险[13-14]。

大量研究已证实，作物对重金属的积累富集存在显著的品种差异。杨惟薇[15]等通过土培试验的方法研究10个玉米不同品种对重金属铅和镉的吸收积累，发现广甜3号对镉的积累量最小。同时，玉米不同品种对重金属镉积累差异性在大田试验中同样得到印证[16-17]。曾翔等、Li等[19]发现水稻对重金属镉和汞的吸收富集能力存在品种差异，谢钧宇、赵鲁和强承魁等发现小麦和大豆对土壤重金属吸收富集能力不同，也存在显著品种差异性[20-22]。低积累植物（Low accumulators）的定义表明低积累品种是可以限制重金属在地上部的吸收和富集从而降低其生态毒性和生态风险的一类植物品种，另有学者专家将这一概念冠以污染安全品种、排异植物等名称，其共同观点在于植物地上部的重金属含量较同类相比较低[23-24]。种植低积累农产品品种于重金属中、轻度污染土壤中，既能解决了土地资源紧张而重金属污染土壤难以修复的土地利用问题，又保障了农产品安全[25-26]。同时，小麦、水稻、玉米、蔬菜等农产品的种类繁多，对重金属的积累能力各不相同，也为低积累植物的选种提供了诸多便利[23，27]。

本文从中轻度污染农田安全利用及保障农产品安全角度出发，以北方污灌区中、轻度镉污染农田土壤为研究背景，在大田作物常规管理情况下，研究本地区常见不同玉米品种对土壤重金属镉的积累富集差异特性，可为中轻度镉污染农田安全利用和保证农作物的安全生产提供依据，具有实地应用的可行性及指导性。

1 材料与方法

1.1 试验地点

大田试验位于沈阳市铁西经济技术开发区彰驿镇彰驿站村（123°5'9.474"E，41°39'25.8012"N），该地属于暖温带大陆性半湿润的季风气候，年平均气温为7.5℃，年平均降水量为659.6mm，年日照时数为2527h。供试土壤为潮棕壤，土壤 pH 6.43，全氮1.54g/kg，有效磷0.07g/kg，速效钾0.34g/kg，总镉1.16mg/kg，有效镉0.71mg/kg，对照GB 15618-2018标准，供试土壤属中轻度镉污染。

1.2 试验材料

供试玉米品种是近年来在沈阳市普遍种植的品种，见表1。

1.3 试验设计

田间试验开始于2020年，共设置30个处理。每个小区长12.5m、宽2.28m，面积为27.36m2，相邻之间间隔1.2m，每个处理设3次重复，共90个试验小区，随机区组排列。玉米播种管理措施，如整地、施肥、播种、中耕除草、病虫害防治等同当地常规管理模式一致。

1.4 样品的采集与分析

田间土壤采用随机5处梅花点分布法取样，均匀混合，低温（4℃）保存及风干处理备用;玉米样品采用5点“Z”型随机取样法采集，玉米、水稻风干脱粒后备用。

土壤基本性质测定参照[28];土壤镉含量采用HCl-HNO3-HF-HClO3消解，火焰原子吸收光谱仪进行测定;土壤有效镉含量采用0.1mol/L的盐酸浸提，电感耦合等离子质谱仪（ICP-OES）进行测定[29];玉米籽粒镉含量采用HNO3-H2O2法（5：1，V/V）消解，原子吸收分光光度计进行测定。

1.5 数据统计分析

应用Excel 2007、SPSS 16.0（Chicago，IL，USA）等软件进行数据处理、统计分析和作图，差异显著性采用Duncan法进行检验。

2 结果与分析

2.1 不同品种玉米籽粒镉吸收积累的差异

在该试验中，不同玉米品种籽粒镉含量均符合粮食卫生标准GB2715-2005中污染物限量标准的规定（≤0.1mg/kg），见表2，玉米籽粒镉含量在0.004-0.045mg/kg之间，明玉268籽粒镉含量0.045mg/kg为最高，沈农T100籽粒镉含量0.004mg/kg为最低，所有品种玉米籽粒镉含量均值为0.012mg/kg。由图1可知，玉米籽粒含镉量的频次分布呈现规律不显著，玉米籽粒大多数品种含镉量在0-0.008mg/kg范围内，样本数14个;其次是在0.008-0.016mg/kg范围内，样本数11个;在0.016-0.024mg/kg和0.040-0.048mg/kg两范围内样本数都为2个;而0.024-0.032mg/kg范围内样本数为0个。

植物对重金属的富集能力是评定植物对重金属积累能力大小的一个重要指标，而植物对重金属富集能力的强弱可以由该植物的富集系数大小所表示，富集系数越大，说明富集能力越强（富集系数（BCF）=植物体内某种重金属含量/土壤中该种重金属含量）。本文中，玉米籽粒镉富集系数=玉米籽粒中重金属镉含量/土壤中重金属镉含量。对30个品种玉米籽粒镉的富集系数进行分析，见表3可知，大部分玉米籽粒对镉的富集能力较弱，富集系数小于0.01;富集能力最弱的是丹玉311，为0.003;其次是沈农T100、联达169、东单6531、辽单575、沈试991。其中，明玉268、状元985、东单1775、先亚787、联达6124、先亚679、东单1607、丹玉508和先禾336对镉的富集能力较强，富集系数大于0.01，分别为0.039、0.037、0.032、0.017、0.019、0.012、0.012、0.012和0.011。由结果可知，大多数玉米品种对土壤重金属镉富集能力较弱，在中、輕度镉污染地区合理种植低积累玉米品种是实现受污染农田安全利用并保障农产品质量安全的行之有效的措施之一。

3 讨论

之前的研究发现，土壤有效重金属含量与植物吸收积累重金属量存在显著相关，同时土壤条件、农艺措施、不同作物等影响土壤重金属的有效性，从而影响作物对重金属的吸收积累[17，30]，因此与当地农业常规管理模式相一致的大田试验结果具有实地可操作性和复制性，利于品种的示范推广。本文试验结果表明，在土壤总镉含量1.16mg/kg、有效镉0.71mg/kg背景条件下，玉米籽粒镉含量在0.004-0.045mg/kg之间。30个玉米品种籽粒镉含量的极差值为11.25倍，说明不同玉米品种籽粒对镉积累差异较大，不同玉米品种对镉富集能力也存在显著差异，这与杨惟薇、吴传星、杜彩艳等人研究结果相一致[15，17，31]。同时，不同品种玉米的低积累性状及其低富集能力在不同土壤环境中的适应性和稳定性需要进一步探究和持续动态监测。

4 结论

在大田作物常规管理情况下，综合考虑玉米籽粒对土壤镉积累差异和富集能力指标，这些玉米品种：丹玉311、沈农T100、联达169、东单6531和辽单575可以在当地中、轻度镉污染地区推广种植。

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作者簡介： 董欣欣，博士，高级农艺师，主要从事农业环境保护与治理的相关研究。Email：dongxxhappy@163.com