邵忱忱，牛 婧，張仕穎，包 立，夏運生，張乃明*

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，云南 昆明 650201；2.云南省土壤培肥與污染修復(fù)工程實驗室，云南 昆明 650201)

0 引言

【研究意義】隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的迅速發(fā)展，礦產(chǎn)資源的不合理開發(fā)利用導(dǎo)致我國土壤重金屬污染日益嚴重。據(jù)農(nóng)業(yè)部調(diào)查數(shù)據(jù)顯示[1]，全國土壤調(diào)查點位中有16.1%的點位受到不同程度污染，無機污染超標點位數(shù)占全部超標點位的82.8%，Cd、Pb、和Zn的點位超標率分別為7.0%、1.5%和0.9%。農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品污染防治重點實驗室對全國300 000 hm2基本農(nóng)田保護區(qū)調(diào)查顯示，重金屬超標率達12.1%，糧食重金屬超標率在10%以上[2]。重金屬在土壤中具有隱蔽性、表聚性、不易降解性等多種特點[3-4]，增加了其通過食物鏈進入人體的幾率，并對人體健康造成危害。據(jù)統(tǒng)計，我國每年因重金屬污染而損失的糧食約1 200萬t，合計經(jīng)濟損失至少200億元[5]。云南地處云貴高原，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，金屬礦藏豐富。蘭坪金頂鉛鋅礦位于沘江流域，儲量大而集中，冶煉規(guī)模較大，是我國目前已探明的最大鉛鋅礦[6]。有色金屬冶煉過程中產(chǎn)生的廢棄物會隨河道、沉降、淋溶等途徑不同程度污染周邊農(nóng)田，進而導(dǎo)致農(nóng)作物重金屬含量超標[6-7]。周鴻斌等[8-9]研究發(fā)現(xiàn)，沘江流域As、Zn、Cd和Pb最高區(qū)域均集中于蘭坪縣及其附近，農(nóng)田土壤普遍受重金屬Pb、Zn和Cd的污染。因此，篩選重金屬低積累、高產(chǎn)量和高質(zhì)量的玉米品種具有重要現(xiàn)實意義，是一條在中、輕度重金屬污染土壤上實現(xiàn)安全生產(chǎn)的可行途徑?！厩叭搜芯窟M展】傳統(tǒng)的植物修復(fù)技術(shù)是利用特定植物對重金屬的超富集能力，將重金屬從土壤中轉(zhuǎn)移至植物地上部，收割并集中處理，以達到去除土壤重金屬的目的[10]。早期國內(nèi)外學(xué)者圍繞超富集植物修復(fù)技術(shù)進行了大量研究，但較小的生物量成為制約此技術(shù)的瓶頸問題。面對我國人多地少的國情，合理高效利用土地至關(guān)重要。近年來，學(xué)者將植物修復(fù)轉(zhuǎn)向一些生長周期短、具有較大生物量和較強重金屬耐受力的作物類型[11]，通過將這些作物應(yīng)用于中輕度污染農(nóng)田，從而實現(xiàn)“邊生產(chǎn)邊修復(fù)”或“污染地再利用”。王娟等[12]研究表明，對浙南12個玉米品種篩選，發(fā)現(xiàn)對Cd具有低累積的玉米品種對Cu也具有低累積作用；張彪等[13]研究表明，對河南25個玉米品種篩選，發(fā)現(xiàn)玉米植株體內(nèi)Cd含量分布規(guī)律為根>莖葉>籽粒，濟單7號、農(nóng)華101具有Cd低累積潛力；楊剛等[14]研究表明，對21個玉米品種進行篩選，發(fā)現(xiàn)籽粒中Hg、As含量均低于根和莖葉，符合國家食品衛(wèi)生標準，Hg低累積品種為川單15、金玉308、雅玉10和正紅311，As低累積品種為雅玉10、金玉308、科玉3、東單60和敦玉518。杜彩艷等[15-17]研究表明，Pb、Cd在玉米植株中的總體分布規(guī)律為莖葉>根>籽粒，Zn的總體分布規(guī)律為根>籽粒>莖葉，云瑞88、云瑞220、云瑞6號、云瑞10號、路單12號、足玉7號和華興單3號為Pb、Cd、As低累積品種，雅玉98為Zn低累積品種?！狙芯壳腥朦c】已有研究結(jié)果表明[18]，蘭坪金頂鉛鋅礦產(chǎn)區(qū)和冶煉區(qū)已對當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境造成危害，周邊農(nóng)田土壤嚴重受到重金屬污染，增加了其進入食物鏈的風險，成為亟待解決的現(xiàn)實問題。【擬解決的關(guān)鍵問題】探究復(fù)合污染土壤條件下，Pb、Zn和Cd在玉米根、莖葉中的遷移轉(zhuǎn)化特征，并篩選出具備低累積品種潛力的玉米品種，以期為推廣適合在中輕度污染農(nóng)田土壤種植的玉米品種提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤取自蘭坪金頂鉛鋅礦某污染農(nóng)田耕層(0～20 cm)，采用“S”型布點取樣。土壤經(jīng)自然風干、去除雜質(zhì)、研磨后過250目篩備用，土壤pH 7.01,有機質(zhì)18.72 g/kg，速效磷4.52 mg/kg，速效鉀8.29 mg/kg，堿解氮35.18 mg/kg，鉛264.21 mg/kg，鋅1 759.08 mg/kg，鎘22.63 mg/kg。根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風險管控標準》(GB 15618-2018)[19]，其中并未規(guī)定Zn元素的管控值，故選擇篩選值作為風險參考。土壤Cd含量遠超過農(nóng)用地土壤污染風險管控值(6.5

1.2 供試材料

供試玉米品種10個，為前期篩選保留云南及北方地區(qū)種植較廣泛的玉米品種(表1)。

表1 供試玉米品種的產(chǎn)地 Table 1 The producing area of maize varieties used in the experiment

1.3 試驗設(shè)計

將篩好的土樣與肥料拌勻，裝入高35 cm、內(nèi)徑20 cm的花盆中，每盆分裝2.5 kg。試驗共設(shè)2個處理，Pb、Zn和Cd復(fù)合污染土壤，以自然土壤作為對照(CK)，每個處理設(shè)3次重復(fù)，每盆3穴，每穴2粒種子。待玉米拔節(jié)期進行間苗和定苗，每盆保留3株，保證植株生長空間。播種前、后各澆水500 mL/盆，生長期根據(jù)實際長勢進行澆水，保證土壤含水量。

1.4 樣品采集與處理方法

在玉米大喇叭口期和抽雄期進行樣品采集，分根、莖葉取樣，清水洗凈后再用去離子水沖洗，105℃烘箱中殺青30 min，80℃烘至恒重。參照國標(GB 5009.12-2017、GB 5009.14-2017、GB 5009.15-2017)[21-23]，測定植株中Pb、Zn和Cd含量；參照國標(GB/T 17141-1997、GB/T 17138-1997)[24-26]，測定土壤中Pb、Zn和Cd含量。儀器設(shè)備包括TST-RO-20純水系統(tǒng)，Arium?ProdI超純水系統(tǒng)，Sartorius Lab Instruments GmbH εt Co.KG，DK-2可調(diào)式電沙浴鍋，Starter 3C pH儀，DPH-9052電熱恒溫培養(yǎng)箱，F(xiàn)P6480火焰光度計，A360紫外-可見分光光度計，AA-6880石墨爐原子吸收分光光度計等。

1.5 指標測定

用富集系數(shù)(BCF)表示玉米植株對重金屬的累積能力，用轉(zhuǎn)運系數(shù)(TF)表示玉米植株對重金屬的轉(zhuǎn)運能力。

FBC=C莖葉/C土

(1)

式(1)中，C莖葉為植株地上部重金屬含量(mg/kg)；C土為土壤重金屬含量(mg/kg)。FBC為富集系數(shù)，與玉米植株累積重金屬能力成正比[27]。

TF=S/T

(2)

式(2)中，S為植株地上部重金屬含量；T為地下部重金屬含量。TF為轉(zhuǎn)運系數(shù)，TF越大，說明植株從地下部向地上部轉(zhuǎn)移重金屬的能力越強[28-29]。

1.6 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2010完成基礎(chǔ)計算和數(shù)據(jù)整理，Origin 9.0進行圖表繪制，采用SPSS 19.0中的LSD和鄧肯多重比較方法進行單因素方差分析(ANOVA)、聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同玉米品種根、莖葉Pb、Zn和Cd的含量差異

2.1.1 大喇叭口期 由圖1看出，在重金屬Pb、Zn和Cd復(fù)合脅迫下，大喇叭口期10個玉米品種根部和莖葉部重金屬含量差異顯著(P<0.05)。玉米根部Pb、Zn和Cd含量分別為6.44～31.73 mg/kg、1 787.98～3 745.92 mg/kg和14.79～67.87 mg/kg。莖葉部Pb、Zn和Cd含量分別為0.41～6.25 mg/kg、505.85～794.96 mg/kg和10.90～38.32 mg/kg，在玉米體內(nèi)Pb、Zn和Cd的含量均表現(xiàn)為根>莖葉。其中，根部Pb累積量最高的為西單7號，累積量最低的為通單202；莖葉部Pb累積量最高的為渝研香甜超糯，累積量最低的為喜玉12號。根部Zn累積量最高的為渝研香甜超糯，累積量最低的為西單7號；莖葉部Zn累積最高的為云瑞47，累積量最低的為紅單6號。根部Cd累積量最高的為云瑞8號，累積量最低的為通單202；莖葉部Cd累積量最高的為浚單3136，累積量最低的為新石玉8號。

注：圖中不同小寫字母表示品種間某指標差異達顯著水平(P<0.05)，下同。Note:Different lowercase letters in the figure indicate significance of difference at P<0.05 level.The same below.圖 1 大喇叭期玉米根、莖葉的Pb、Zn和Cd的含量Fig.1 Pb,Zn and Cd content in root and stem and leaf of different tested maize varieties at bell-mouth stage

2.1.2 抽雄期 由圖2看出，在重金屬Pb、Zn和Cd復(fù)合脅迫下，抽雄期10個玉米品種根部和莖葉部重金屬含量均表現(xiàn)差異顯著(P<0.05)。玉米根部Pb、Zn和Cd含量分別為2.05～19.26 mg/kg、848.04～2 353.88 mg/kg和17.25～37.34 mg/kg，莖葉部Pb、Zn和Cd含量分別葉為0.77～2.02 mg/kg、130.13～1 211.17 mg/kg和6.60～22.86 mg/kg，在玉米體內(nèi)Pb、Zn和Cd的含量均表現(xiàn)為根>莖葉。其中，根部Pb累積量最高的為金玉1號，累積量最低的為西單7號；莖葉部Pb累積量最高的為金玉1號，累積量最低的為紅單6號。根部Zn累積量最高的為通單202，累積量最低的為喜玉12號；莖葉部Zn累積最高的為紅單6號，累積量最低的為新石玉8號。根部Cd累積量最高的為金玉1號，累積量最低的為浚單3136；莖葉部Cd累積量最高的為通單202，累積量最低的為新石玉8號。

圖 2 抽雄期玉米根、莖葉中Pb、Zn和Cd的含量Fig.2 Pb,Zn and Cd content in root and stem and leaf of different tested maize varieties at tasseling stage

2.2 不同玉米品種根、莖葉對Pb、Zn和Cd富集及轉(zhuǎn)運能力的差異

2.2.1 富集特征 從表2看出，不同生長時期10個玉米品種對Pb、Zn和Cd富集能力差異顯著(P<0.05)。大喇叭口期，10個玉米品種植株P(guān)b、Zn和Cd富集系數(shù)分別為0.03～0.13、1.28～2.51和1.48～3.91。Pb富集系數(shù)<1，Zn和Cd富集系數(shù)均>1，說明各品種地上部對Pb的吸收能力較弱，對Zn和Cd的吸收能力較強。Pb富集能力最強的是西單7號，最弱的是通單202；Zn富集能力最強的是浚單3136，最弱的是西單7號；Cd富集能力最強的是渝研香甜超糯，最弱的是喜玉12號。抽雄期，10個玉米品種植株P(guān)b、Zn和Cd富集系數(shù)分別為0.01～0.08、0.62～1.75和1.41～2.51。Pb富集系數(shù)均<1，新石玉8號、渝研香甜超糯、浚單3136、西單7號和喜玉12號5個品種Zn富集系數(shù)<1，其余5個品種Zn富集系數(shù)>1，Cd富集系數(shù)均>1。

表2 各玉米品種不同時期植株對Pb、Zn和Cd的富集系數(shù)Table 2 Pb,Zn and Cd enrichment coefficient in plants of different tested maize varieties at different growth stages

說明各品種地上部對Pb的吸收和部分品種地上部對Zn的吸收能力較弱，各品種地上部對Cd的吸收能力較強。Pb富集能力最強的是金玉1號，最弱的是西單7號；Zn富集能力最強的是通單202，最弱的是新石玉8號；Cd富集能力最強的是金玉1號，最弱的是渝研香甜超糯。

2.2.2 轉(zhuǎn)運特征 由表3看出，不同生長時期10個玉米植株對Pb、Zn和Cd轉(zhuǎn)運能力差異顯著(P<0.05)。大喇叭口期，10個玉米品種植株P(guān)b、Zn和Cd轉(zhuǎn)移系數(shù)分別為0.02～0.70、0.15～0.32和0.22～1.41。Pb和Zn轉(zhuǎn)移系數(shù)均<1，說明植株地下部向地上部轉(zhuǎn)移能力較弱；除金玉1號、浚單3136和通單202的Cd轉(zhuǎn)移系數(shù)>1外，其余品種的轉(zhuǎn)移系數(shù)均<1。Pb轉(zhuǎn)移能力最強的是渝研香甜超糯，最弱的是喜玉12號；Zn轉(zhuǎn)移能力最強的是金玉1號，最弱的是云瑞8號；Cd轉(zhuǎn)移能力最強的是通單202，最弱的是云瑞8號。抽雄期，10個玉米品種植株P(guān)b、Zn和Cd轉(zhuǎn)移系數(shù)分別為0.04～0.55、0.13～0.86和0.22～1.33。Pb和Zn轉(zhuǎn)移系數(shù)均<1，說明地下部向地上部轉(zhuǎn)運能力較弱；浚單3136的Cd轉(zhuǎn)移系數(shù)>1，其余品種的Cd轉(zhuǎn)移系數(shù)均<1。Pb轉(zhuǎn)移能力最強的是西單7號，最弱的是紅單6號；Zn轉(zhuǎn)移能力最強的是紅單6號，最弱的是新石玉8號；Cd轉(zhuǎn)移能力最強的是浚單3136，最弱的是紅單6號。

表3 各玉米品種不同時期對Pb、Zn和Cd的轉(zhuǎn)移系數(shù)Table 3 Pb,Zn and Cd transfer coefficient in plants of different tested maize varieties at different growth stages

2.3 不同玉米品種重金屬低累積品種的篩選

2.3.1 大喇叭口期 由圖3-A看出，10個玉米品種根部對Pb、Zn和Cd的累積能力可分為3類：第一類包括渝研香甜超糯、浚單3136、云瑞8號、云瑞47，為根部高累積類群；第二類包括金玉1號、喜玉12號、西單7號，為根部中等累積類群；第三類包括紅單6號、新石玉8號、通單202，為根部低累積類群。由圖3-B可知，10個玉米品種莖葉部對Pb、Zn和Cd的累積能力可分為3類：第一類包括通單202、云瑞47、渝研香甜超糯，為莖葉部高累積類群；第二類包括新石玉8號、浚單3136、金玉1號，為莖葉部中等累積類群；第三類包括西單7號、云瑞8號、紅單6號、喜玉12號，為莖葉部低累積類群。

2.3.2 抽雄期 由圖3-C可知，10個玉米品種根部對Pb、Zn和Cd累積能力可分為3類：第一類包括云瑞8號、通單202，為根部高累積類群；第二類包括金玉1號、紅單6號、云瑞47，為根部中等累積類群；第三類包括渝研香甜超糯、喜玉2號、西單7號、浚單3136、新石玉8號，為根部低累積類群。由圖3-D可知，10個玉米品種莖葉部對Pb、Zn和Cd累積能力可分為4類：第一類包括紅單6號，為莖葉部高累積類群；第二類包括渝研香甜超糯、喜玉12號、新石玉8號，為莖葉部中等累積類群；第三類包括通單202，為莖葉部中低累積類群；第四類包括金玉1號、浚單3136、云瑞8號、云瑞47、西單7號，為莖葉部低累積類群。通過聚類分析發(fā)現(xiàn)，云瑞8號、新石玉8號和西單7號為玉米Pb、Zn和Cd低累積優(yōu)勢品種，可進一步進行品種篩選的完整試驗驗證。

圖3 參試玉米不同時期根、莖葉中Pb、Zn和Cd含量聚類分析Fig.3 Clustering analysis on Pb,Zn and Cd content in root and stems and leaf of different tested maize varieties at different growth stages

3 討論

影響玉米植株吸收轉(zhuǎn)運和富集重金屬的因素既有不同品種的抗逆能力差異，也有外界環(huán)境條件的影響[26]。已有研究表明[30-38]，Cd是植物生長過程中的非必要元素，較短時間內(nèi)可在植株根系大量累積，并可通過自身的轉(zhuǎn)運系統(tǒng)將Cd向植株地上部轉(zhuǎn)移，從而影響植株的生長發(fā)育[34-37]。Pb對植物有抑制作用，在較低濃度下出現(xiàn)毒害作用，當其進入植株體內(nèi)，會將其積累在植株根部，防止或減少其向地上部的轉(zhuǎn)移。Zn作為植物生長發(fā)育所必需的微量營養(yǎng)元素，在低濃度下對植物生長發(fā)育有促進作用，但在高濃度下對植物生長發(fā)育有不良影響[39-41]。

研究10個在云南和北方地區(qū)常見玉米品種發(fā)現(xiàn)，通單202、西單7號、喜玉12號、紅單6號、新石玉8號、浚單3136等在玉米不同生長發(fā)育期、不同部位對3種重金屬有低累積潛力。玉米不同時期與不同部位對重金屬富集能力均表現(xiàn)為根>莖葉，與杜彩艷等[15]的研究結(jié)果有所差異，分析其主要原因，一是供試土壤背景值不同；二可能是種植環(huán)境和玉米植株測定的生長期不同所導(dǎo)致的差異。但紅單6號不具備Pb、Zn和Cd低累積品種潛力，與杜彩艷等[15-16]的研究結(jié)果相似。結(jié)果顯示10個品種莖葉部Pb的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)均<1，表明玉米植株對Pb的遷移轉(zhuǎn)化能力較弱，與鄢小龍等[41-42]的研究結(jié)果一致，表明Pb輕度污染對玉米的安全生產(chǎn)影響較小。抽雄期西單7號、新石玉8號、渝研香甜超糯、浚單3136和喜玉12號的Zn富集系數(shù)<1，說明這5個玉米品種地上部對土壤Zn的吸收能力較弱，其余5個品種的Zn富集系數(shù)>1，對Zn的吸收能力較強。Zn屬于營養(yǎng)物質(zhì)，植物對其有較高的吸收率，但高濃度Zn會影響植株生長發(fā)育[32]，且植株對Zn的吸收與土壤pH呈負相關(guān)關(guān)系[34]。兩個時期Zn的轉(zhuǎn)移系數(shù)均<1，說明玉米植株對Zn的轉(zhuǎn)運能力較弱，即使植株根部積累Zn較多，但轉(zhuǎn)移到植株地上部的Zn含量比例相對較小。有研究表明，玉米通過區(qū)域化作用來抑制和阻隔重金屬在體內(nèi)的轉(zhuǎn)移[43-44]，10個玉米品種莖葉部Cd的富集系數(shù)均>1，說明植株對Cd的吸收能力較強，除浚單3136莖葉部Cd轉(zhuǎn)移系數(shù)>1外，其余玉米品種莖葉部Cd轉(zhuǎn)移系數(shù)均<1，表明玉米地下部向地上部轉(zhuǎn)運Cd的能力較弱，與李凡等[42，45]的研究結(jié)果一致，進一步驗證篩選的玉米品種根部對Cd普遍具有較強的吸收能力，但從根部向莖葉轉(zhuǎn)移的能力有限，具備安全生產(chǎn)的潛力。

4 結(jié)論

Pb、Zn和Cd復(fù)合污染土壤條件下，玉米根、莖葉不同時期富集能力和轉(zhuǎn)運能力存在顯著差異(P<0.05)，玉米各器官對Pb、Zn和Cd的富集能力均表現(xiàn)為根>莖葉，且隨著玉米的生長發(fā)育，不同玉米品種對Pb、Cd的轉(zhuǎn)移能力呈下降趨勢，對Zn的轉(zhuǎn)移能力呈增高趨勢；通過聚類分析對比兩時期根和莖葉低累積品種類群，綜合比較富集系數(shù)及轉(zhuǎn)運系數(shù)得出，云瑞8號、新石玉8號、西單7號初步具備低累積潛力，可進一步篩選目標玉米品種。