不同玉米品種對(duì)Cd、Pb、As積累與轉(zhuǎn)運(yùn)的差異研究

杜彩艷，余小芬*，杜建磊，毛妍婷，段宗顏**，包立，張乃明**，陳軍

1. 云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境資源研究所，云南 昆明 650205；2. 云南省農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，云南 昆明 650201

隨著中國(guó)工業(yè)化、城市化和集約化農(nóng)業(yè)的迅猛發(fā)展，大量重金屬污染物通過(guò)各種途徑進(jìn)入環(huán)境，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)土壤污染問(wèn)題日趨嚴(yán)重（陳衛(wèi)平等，2018；Huang et al.，2019）。土壤重金屬污染不僅能直接影響農(nóng)作物的質(zhì)量而且會(huì)間接影響動(dòng)植物和人類(lèi)的健康（羅惠莉等，2018），甚至整個(gè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量（Chen et al.，1999）。云南個(gè)舊是有名的“世界錫都”，礦業(yè)活動(dòng)頻繁，環(huán)境污染嚴(yán)重（葉玉瑤等，2004），礦區(qū)周邊農(nóng)田土壤受到不同程度的重金屬污染，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量。因此，重金屬污染土壤的修復(fù)和治理有助于整個(gè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的改善與提高，更有助于人民生活品質(zhì)的提高。

重金屬污染土壤的修復(fù)一直是國(guó)內(nèi)外環(huán)境科學(xué)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題，在修復(fù)土壤重金屬污染的各種技術(shù)中，植物阻隔修復(fù)（Phytoexclusion）技術(shù)（Dickinson et al.，2009），作為一種低成本、易于推廣且環(huán)境友好的修復(fù)技術(shù)，近幾年來(lái)很多學(xué)者推薦將其用于重金屬中輕度污染農(nóng)田的治理。植物阻隔修復(fù)技術(shù)，即通過(guò)種植重金屬低積累品種來(lái)減少作物可食部位的重金屬含量，實(shí)現(xiàn)“邊生產(chǎn)邊修復(fù)”，是一條經(jīng)濟(jì)、有效的途經(jīng)（徐建明等，2018；Dickinson et al.，2009；王林等，2014），既符合中國(guó)人多地少的實(shí)際國(guó)情，又能保證中輕度重金屬污染條件下糧食作物的安全生產(chǎn)。研究證實(shí)，不同作物和同一作物不同品種或基因型，在對(duì)重金屬的吸收和積累方面存在顯著差異（Grant et al.，2008；劉維濤等，2009），這就為重金屬低積累作物的篩選奠定了理論與物質(zhì)基礎(chǔ)。辛艷衛(wèi)等（2017）通過(guò)盆栽試驗(yàn)，研究了在土壤外加全Cd（5.0 mg·kg-1）條件下18個(gè)玉米品種對(duì)Cd的富集與轉(zhuǎn)運(yùn)差異，結(jié)果表明參試玉米的生物量和產(chǎn)量，以及根、莖、葉和籽粒積累與轉(zhuǎn)運(yùn) Cd的能力存在顯著差異；Zhang et al.（2010）研究亦發(fā)現(xiàn)4種不同的濕地植物不同部位積累與轉(zhuǎn)運(yùn)Cd的能力存在顯著差異；孫洪欣等（2015）根據(jù)玉米產(chǎn)量、玉米地上部Cd、Pb含量、富集系數(shù)、轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)等指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)，篩選出先玉 335為既高產(chǎn)且可食部分籽實(shí)具有低積累 Cd、Pb潛力的品種，適宜在華北地區(qū) Cd、Pb輕度污染區(qū)推廣種植。這些研究表明重金屬低積累品種有望在生產(chǎn)上得到廣泛應(yīng)用，從而生產(chǎn)出重金屬含量較低的產(chǎn)品。然而，以往的研究多數(shù)都是在當(dāng)?shù)貤l件進(jìn)行的，其研究結(jié)果具有很強(qiáng)的地區(qū)性，不同的作物品種具有各自適種的生態(tài)區(qū)域，而且不同地區(qū)的土壤類(lèi)型、污染程度不同。因此，在重金屬中輕度污染農(nóng)田的不同生態(tài)區(qū)域因地制宜地開(kāi)展重金屬低積累農(nóng)作物品種的田間篩選研究勢(shì)在必行。

玉米（Zea mays）在中國(guó)西部地區(qū)，特別是云南被廣泛種植，是個(gè)舊當(dāng)?shù)氐闹髟云贩N。不同的玉米品種具有各自適種的生態(tài)區(qū)域。因此，本研究在云南省個(gè)舊市北郊雞街鎮(zhèn)農(nóng)田開(kāi)展了田間小區(qū)試驗(yàn)，研究個(gè)舊地區(qū)大面積種植的 24個(gè)玉米品種對(duì)土壤重金屬Cd、Pb、As的積累和轉(zhuǎn)運(yùn)的潛力差異，以期篩選出具有Cd、Pb、As低積累潛力性狀的玉米品種。本研究無(wú)論從篩選適宜在試驗(yàn)區(qū)境內(nèi)種植的玉米品種籽粒中重金屬含量不超標(biāo)且產(chǎn)量較高的品種，從而促進(jìn)其在試驗(yàn)區(qū)的農(nóng)田推廣應(yīng)用角度，還是從進(jìn)一步研究作物重金屬低積累品種可食部位低積累重金屬的作用機(jī)制角度，均具有重要意義；同時(shí)亦可為中輕度Cd、Pb、As中輕度污染農(nóng)田土壤的安全利用提供技術(shù)支撐。

表1 供試玉米品種Table 1 The cultivars of maize

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)地位于云南省個(gè)舊市北郊雞街鎮(zhèn)農(nóng)作物連片種植的水旱輪作農(nóng)田，供試土壤類(lèi)型為黃紅壤，由于該地區(qū)多年的工礦廢水以及采礦冶煉化工及大氣降塵污染，造成大量農(nóng)田遭受重金屬大面積污染，其中以As、Cd和Pb污染較為嚴(yán)重（張德剛等，2009）。其基本理化性質(zhì)為：pH值 6.98，有機(jī)質(zhì) 31.81 g·kg-1，全氮 1.97 g·kg-1，全磷 1.72 g·kg-1，全鉀 12.95 g·kg-1，堿解氮 140.61 mg·kg-1，速效磷62.42 mg·kg-1，速效鉀 148.61 mg·kg-1，Cd 全量 1.58 mg·kg-1，Pb 全量 256.75 mg·kg-1，As 全量 90.82 mg·kg-1，根據(jù)國(guó)家《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》（GB15618—2018），研究區(qū)域土壤重金屬Cd、Pb和As含量分別超出GB 15618—2018規(guī)定的風(fēng)險(xiǎn)篩選值5.26、2.44、3.03倍。

供試玉米品種24個(gè)（見(jiàn)表1），均為個(gè)舊市大面積種植的玉米品種，購(gòu)自個(gè)舊市種子銷(xiāo)售點(diǎn)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)以 24個(gè)玉米品種為供試材料，采用隨機(jī)播種的方法進(jìn)行玉米種植，每個(gè)品種3次重復(fù)，共72個(gè)小區(qū)，行間距60 cm×50 cm，小區(qū)面積30 m2（5 m×6 m）；同時(shí)試驗(yàn)地四周設(shè)置2行玉米作為保護(hù)行，以消除邊際效應(yīng)。

試驗(yàn)于2018年4月26日直接點(diǎn)播，5月14日定苗，2018年8月15日一次性收獲。播種前施“施可豐”復(fù)合肥（15-15-15，總養(yǎng)分≥45%）做基肥，施用量為600 kg·hm-2；玉米拔節(jié)期追施尿素（云天化生產(chǎn)，ω(N)≥46%），施用量為 300 kg·hm-2。田間管理按大田常規(guī)進(jìn)行。

1.3 樣品采集與分析

于8月15號(hào)采集成熟期玉米和土壤樣品（0－20 cm）。土壤樣品自然風(fēng)干粉碎后過(guò)100目篩備用；玉米植株樣品分根系、莖葉、籽粒3部分取樣，清水洗凈后再用去離子水沖洗，在105 ℃烘箱中殺青 30 min，70 ℃烘干至恒重，并將根系、莖葉、籽粒分別粉碎過(guò) 40目篩備用。土壤 Cd、Pb、As全量和植物樣品Cd、Pb、As含量測(cè)定：參照土壤農(nóng)化分析的方法（魯如坤，1999）略加改進(jìn)，取定量土壤樣品用王水和高氯酸消煮，取定量植物樣品加濃硝酸和混酸（硝酸?高氯酸=83?17）進(jìn)行消煮。消煮液中的Cd、Pb均用火焰原子吸收分光光度法測(cè)定；消煮液中的As均采用氫化物發(fā)生-原子熒光光譜法（海光，AFS-2202E）測(cè)定。

產(chǎn)量測(cè)定：玉米成熟期，選取具有代表性的 1行玉米，以間隔式的方式選取4株，將果穗取下立即稱(chēng)量其鮮質(zhì)量，放入網(wǎng)袋中帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行考種，最后再通過(guò)出籽率、籽粒含水量（按14%含水量折算）測(cè)算出實(shí)際產(chǎn)量，即玉米的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量 P（kg·hm-2），計(jì)算式如下：

式中，Ws為單株干質(zhì)量（kg）；Np每公頃實(shí)有株數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用Microsoft Excel 2013軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，SPSS 17.0軟件進(jìn)行方差分析、聚類(lèi)分析。

采用富集系數(shù)（BCF）表征玉米積累重金屬能力；采用轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（TF）表征重金屬通過(guò)根部進(jìn)入地上部轉(zhuǎn)運(yùn)及地上部不同器官轉(zhuǎn)運(yùn)的能力，計(jì)算式如下：

式中，BCF為重金屬富集系數(shù)；S為玉米地上部重金屬含量（mg·kg-1）；T為土壤相應(yīng)元素含量（mg·kg-1）。富集系數(shù)越大，表示玉米積累重金屬能力越強(qiáng)（陳小華等，2019）。

式中，TF為重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)；S為植株地上各部位重金屬含量；R為根部相應(yīng)重金屬元素含量。TF越大，表明重金屬?gòu)母迪虻厣喜科鞴俎D(zhuǎn)運(yùn)能力越強(qiáng)，或在器官之間的轉(zhuǎn)運(yùn)能力越強(qiáng)（杜彩艷等，2017；辛艷衛(wèi)等，2017；陳小華等，2019）。

圖1 不同玉米品種的產(chǎn)量差異Fig. 1 The differences in yields of different varieties of maize

2 結(jié)果與分析

2.1 參試玉米產(chǎn)量的品種差異

圖1表明，不同參試玉米產(chǎn)量存在一定的品種間差異，其產(chǎn)量為 7427.25－12782.25 kg·hm-2。24個(gè)參試品種中，7號(hào)品種產(chǎn)量最高，為 12782.25 kg·hm-2，顯著高于試驗(yàn)中其他品種的產(chǎn)量（P＜0.05），其次是6、5、22、3號(hào)品種，它們的產(chǎn)量均顯著高于16號(hào)品種（P＜0.05），16號(hào)品種產(chǎn)量最低。此外，7號(hào)、6號(hào)、5號(hào)、22號(hào)、3號(hào)較16號(hào)產(chǎn)量分別高出 41.89%、39.92%、37.09%、35.95%和 35.75%。24個(gè)玉米品種產(chǎn)量依次為：7＞6＞5＞22＞3＞1＞17＞11＞8＞2＞18＞23＞24＞15＞14＞13＞20＞10＞12＞10＞12＞4＞19＞21＞9＞16。

圖2 玉米籽粒中Cd，Pb和As含量的品種差異Fig. 2 The concentrations of Cd, Pb and As in grains of different varieties of maize

2.2 參試玉米籽粒Cd、Pb和As含量的品種差異

不同玉米品種籽粒Cd、Pb和As含量分別見(jiàn)圖2A－圖2C。不同玉米品種籽粒Cd、Pb和As含量均存在明顯差異。參試玉米品種籽粒Cd、Pb和As含量分別為 0.04－0.72、0.02－0.1、0.000－0.017 mg·kg-1，平均值分別為 0.28、0.04、0.006 mg·kg-1。參試玉米中籽粒Cd含量最低和最高的品種分別是6號(hào)和24號(hào)，其中5、6、7、12和22號(hào)5個(gè)品種籽粒的Cd含量符合國(guó)家規(guī)定的食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)（≤0.1 mg·kg-1），其余19個(gè)品種的籽粒Cd含量均超過(guò)了國(guó)家規(guī)定的食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)（＞0.1 mg·kg-1），占所有供試品種的79%。參試玉米籽粒Pb含量最低和最高的品種分別是8號(hào)和14號(hào)，參試玉米品種籽粒的Pb含量均未超過(guò)國(guó)家規(guī)定的食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)（≤0.2 mg·kg-1）。參試玉米籽粒As含量最低和最高的品種分別是3、7、8、9號(hào)和17號(hào)，本試驗(yàn)條件下參試玉米籽粒 As含量均未超過(guò)國(guó)家食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)（≤0.5 mg·kg-1）。

2.3 參試玉米莖葉Cd、Pb和As含量的品種差異

由圖3A－圖3C可知，不同玉米品種莖葉Cd、Pb和As含量均存在一定的差異。參試玉米品種莖葉 Cd、Pb和 As含量分別為 0.74－2.59、12.27－31.61、3.86－6.47 mg·kg-1，平均值分別為 21.80、1.73、5.10 mg·kg-1。參試玉米品種莖葉Cd含量最低和最高的品種分別是3號(hào)和12號(hào)。參試品種莖葉Pb含量最低和最高的品種分別是15號(hào)和11號(hào)。參試品種莖葉 As含量最低和最高的品種分別是 3號(hào)和21號(hào)。所有參試品種莖葉Cd、Pb和As含量均超過(guò)國(guó)家飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)（≤0.5 mg·kg-1）。

2.4 參試玉米根Cd、Pb和As含量的品種差異

參試玉米根中Cd、Pb和As含量分別見(jiàn)圖4A－圖4C。不同玉米品種根Cd、Pb和As含量均存在明顯的差異。參試玉米根Cd、Pb和As含量范圍分別為 0.50－1.84、6.43－41.44、1.31－3.74 mg·kg-1，平均值分別為 1.27、17.89、2.88 mg·kg-1。參試玉米中根 Cd含量最低和最高的品種分別為15號(hào)和20號(hào)，Pb含量最低和最高的品種分別是15號(hào)和2號(hào)，As含量最低和最高的品種分別為4號(hào)和17號(hào)。

圖3 玉米莖葉中Cd，Pb和As含量的品種差異Fig. 3 The concentrations of Cd, Pb and As in stem leaf of different varieties of maize

圖4 玉米根中Cd，Pb和As含量的品種差異分析Fig. 4 The concentrations of Cd, Pb and As in root of different varieties of maize

2.5 參試玉米莖葉、籽粒Cd、Pb和As富集系數(shù)的品種差異

富集系數(shù)（BF）通常能較為直觀地表征植物各部分對(duì)重金屬的吸收積累能力。由表2可知，本試驗(yàn)條件下參試玉米的籽粒、莖葉Cd、Pb和As的富集系數(shù)均存在一定的差異。參試 24個(gè)玉米品種莖葉Cd的富集系數(shù)為0.494－1.696（表2），其中1、3、5、6、7、9、21號(hào)等7個(gè)品種的富集系數(shù)小于1，說(shuō)明這7個(gè)玉米品種的莖葉對(duì)土壤Cd的吸收能力均較弱，其余17個(gè)品種較強(qiáng)。24個(gè)參試玉米的莖葉Pb、As富集系數(shù)分別為0.049－0.126、0.034－0.054，均小于1，表明參試玉米莖葉對(duì)土壤Pb、As的吸收能力較弱。

參試24個(gè)品種玉米籽粒對(duì)土壤中Cd、Pb和As的吸收積累能力存在明顯差異（P＜0.05）。籽粒中Cd富集系數(shù)為0.03－0.53，其中籽粒Cd富集系數(shù)較低的是5、6、7、22號(hào)品種，籽粒中Cd富集系數(shù)最高的24號(hào)品種，比5、6、7、22號(hào)品種Cd富集系數(shù)高出10倍多。24個(gè)品種玉米籽粒中Pb和As富集系數(shù)均低于 0.0004（表 2），表明供試玉米品種的籽粒對(duì)土壤中Pb和As積累能力較低。這與參試玉米籽粒中Cd、Pb、As含量（圖2）均一致。此外，參試玉米莖葉富集Cd、Pb、As能力大于籽粒。

表2 不同玉米品種莖葉和籽粒對(duì)Cd、Pb和As的富集系數(shù)Table 2 The bioaccumulation factors of Cd, Pb and As for stem leaf and grains of different varieties of maize

2.6 參試玉米Cd、Pb和As轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的品種差異

玉米莖葉和籽粒中重金屬含量的變化特征與作物不同部位重金屬的遷移能力密切相關(guān)。因此，本研究在初步了解各參試品種對(duì)Cd、Pb和As積累程度的基礎(chǔ)上，通過(guò)轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（TF）進(jìn)一步驗(yàn)證Cd、Pb、As由根部向莖葉、莖葉向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)的能力是否存在品種差異。本試驗(yàn)條件下參試的 24個(gè)玉米品種Cd的莖葉轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)、籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)分別為0.46－3.49、0.025－0.410（表3），且品種間均存在一定的差異，其中 3、9、20、21號(hào) 4個(gè)品種莖葉轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)小于1，而所有品種籽粒Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均小于1；說(shuō)明這4個(gè)玉米品種對(duì)Cd由根部向莖葉轉(zhuǎn)運(yùn)的能力較弱，而所有參試玉米對(duì)Cd由莖葉轉(zhuǎn)運(yùn)到籽粒的能力均較弱。24個(gè)玉米品種Pb的莖葉、籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)分別為0.55－3.45、0.001－0.004，各品種之間有明顯的差異，其中參試品種1、2、5、7、8號(hào)的Pb莖葉轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)小于1，說(shuō)明這5個(gè)玉米品種Pb莖葉轉(zhuǎn)運(yùn)能力均較弱，所有參試玉米對(duì)Pb由莖葉轉(zhuǎn)運(yùn)向籽粒的能力均較弱。參試玉米品種 As的莖葉、籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)分別為1.31－4.21、0.000－0.003，品種間差異明顯，所有品種莖葉As轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)都大于1，而所有品種籽粒As轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均小于1，表明所有參試玉米品種對(duì) As由根部向莖葉轉(zhuǎn)運(yùn)的能力較強(qiáng)，而所有參試玉米品種對(duì) As由莖葉向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)的能力都較弱。

2.7 參試玉米籽粒、莖葉Cd、Pb和As含量的聚類(lèi)分析

為了進(jìn)一步明確不同玉米品種籽粒對(duì) Cd、Pb和As的積累能力，對(duì)24個(gè)參試玉米籽粒的Cd、Pb、As含量進(jìn)行聚類(lèi)分析（圖5A－圖5C）。本試驗(yàn)條件下參試玉米品種的生長(zhǎng)環(huán)境都一致，環(huán)境對(duì)玉米吸收Cd、Pb和As的影響亦一致，由此推測(cè)不同玉米品種Cd、Pb、As含量的差異主要源自其對(duì)Cd、Pb和 As的積累能力。24個(gè)玉米品種籽粒對(duì)Cd的積累能力差異可劃分為4類(lèi)（圖5A）：第一類(lèi)為Cd低積累類(lèi)群，包括3、4、5、6、7、8、12和 22號(hào) 8個(gè)品種，其籽粒 Cd含量平均為 0.079 mg·kg-1，變化范圍在 0.04－0.12 mg·kg-1之間，其中3、5、6、7、12、22號(hào)6個(gè)品種籽粒Cd含量均符合國(guó)家食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)；第二類(lèi)為Cd高積累類(lèi)群，包括11、20、24號(hào)3個(gè)品種，其籽粒平均Cd含量為0.75 mg·kg-1；而其他兩類(lèi)為Cd中等積累類(lèi)群，玉米籽粒Cd含量均處于中等水平，變化范圍為0.16－0.52 mg·kg-1。

參試的24個(gè)玉米品種對(duì)Pb的積累能力差異可以分為4類(lèi)（圖5B），第一類(lèi)是8號(hào)品種，為Pb低積累類(lèi)群，其籽粒Pb含量為0.01 mg·kg-1；第二類(lèi)是14號(hào)品種，為Pb高積累類(lèi)群，其籽粒Pb含量為0.10 mg·kg-1；其他兩類(lèi)籽粒中Pb含量處于中等水平，為Pb中等積累類(lèi)群，變化范圍為 0.02－0.04 mg·kg-1。

參試玉米品種籽粒 As聚類(lèi)分析結(jié)果表明（圖5C），24個(gè)參試品種籽粒對(duì)As的積累能力差異可分為3類(lèi)：第一類(lèi)為As低積累類(lèi)群，包括2、3、4、6、7、8、9、20、23和 24號(hào) 10個(gè)品種，其籽粒平均As含量為0.0007 mg·kg-1，變化范圍為0.000－0.002 mg·kg-1；第二類(lèi)為 As高積累類(lèi)群，包括 10、11、12、13、14、15、16和17號(hào)8個(gè)品種，其籽粒平均As含量為0.013 mg·kg-1；第三類(lèi)為As中等積累類(lèi)群，包括其他6個(gè)供試品種，其籽粒As含量平均為0.004 mg·kg-1，變化范圍為 0.003－0.006 mg·kg-1。

表3 不同玉米品種Cd、Pb和As莖葉/籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)Table 3 The translocation factors of Cd, Pb and As from straws to grains for different varieties of maize

3 討論

本研究在Cd含量1.58 mg·kg-1，Pb含量256.75 mg·kg-1，As含量 90.82 mg·kg-1，pH 值 6.98 的個(gè)舊礦區(qū)周邊農(nóng)田中進(jìn)行，探討個(gè)舊地區(qū)大面積種植的24個(gè)玉米品種對(duì)Cd、Pb、As積累與轉(zhuǎn)運(yùn)的潛力差異。結(jié)果表明，參試的 24個(gè)玉米品種產(chǎn)量，根、莖葉和籽粒Cd、Pb、As含量，富集系數(shù)與轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均存在一定差異，這與前人的研究結(jié)果一致（Zhang et al.，2010；辛艷衛(wèi)等，2017）。試驗(yàn)選取的 24個(gè)玉米品種遺傳背景差異較大，不同品種玉米Cd、Pb、As離子的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制不同，進(jìn)而造成品種間 Cd、Pb、As含量和分布的巨大差異（Liang et al.，2018）；另一方面，低積累植物對(duì)重金屬的耐性機(jī)制通常包括以下幾方面：（1）區(qū)域化作用，指重金屬只在植物的某一特定部位富集，與細(xì)胞中其他組分隔離而達(dá)到解毒作用；（2）絡(luò)合作用，即重金屬與植物體內(nèi)的有機(jī)物（如蛋白）或者無(wú)機(jī)物（如硫化物）形成絡(luò)合物使重金屬在液泡中聚集；（3）排斥作用，即重金屬在植物體內(nèi)的運(yùn)輸受到阻礙，被植物吸收后又被排斥出體外（Bake，1981）。本試驗(yàn)條件下參試的 24個(gè)玉米品種莖葉Cd、Pb、As的富集系數(shù)分別為0.494－1.696、0.049－0.126、0.034－0.054（表 2），籽粒中 Cd富集系數(shù)為0.03－0.53，籽粒中Pb和As富集系數(shù)均低于0.0004（表 2）；表明參試玉米莖葉富集 Cd、Pb、As能力均大于籽粒。另一方面，24個(gè)參試玉米品種 Cd、Pb、As的籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)范圍分別為 0.025－0.410、0.001－0.004 和 0.000－0.003（表 3），表明所有參試玉米品種對(duì)Cd、Pb、As由莖葉向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)能力均較弱。籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)越小，說(shuō)明植物所吸收的重金屬?gòu)那o葉向可食部位轉(zhuǎn)移的量就越少，相應(yīng)地進(jìn)入食物鏈的比例就減少，從而保證農(nóng)產(chǎn)品的安全。研究表明，玉米主要通過(guò)區(qū)域化作用，即抑制和阻隔莖葉中Cd、Pb、As向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)來(lái)降低籽粒中Cd、Pb、As含量，這與以往研究相似（吳傳星，2010；孫洪欣等，2015）。但也有研究表明，玉米秸稈具有較強(qiáng)的向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)Cd、Pb的能力，郭曉方等（2010）研究表明，飼料玉米和甜玉米對(duì)Cd、Pb的積累能力都很高，玉米籽粒中Cd、Pb含量分別為 0.124－0.536 mg·kg-1和 0.125－0.414 mg·kg-1，此外，玉米秸稈中Cd、Pb向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均在0.3以上。其原因可能是不同區(qū)域下不同生長(zhǎng)環(huán)境以及不同的玉米品種對(duì)重金屬的積累能力存在極其顯著的差異所致（于蔚等，2014；肖蓉等，2017）。

圖5 不同玉米品種籽粒中Cd，Pb和As含量聚類(lèi)分析Fig. 5 The hierarchical clustering analysis diagram of Cd, Pb and As concentrations in grain of different varieties of maize

本研究表明，參試玉米品種莖葉Cd、Pb和As含量分別為 0.74－2.59、12.27－31.61、3.86－6.47 mg·kg-1，平均值分別為 21.80、1.73、5.10 mg·kg-1；所有參試品種莖葉Cd、Pb和As含量都超過(guò)了國(guó)家飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)（≤0.5 mg·kg-1），然而均未超過(guò)有機(jī)肥料中重金屬Cd、Pb和As限量標(biāo)準(zhǔn)，因此仍然可以作為有機(jī)肥或生產(chǎn)有機(jī)肥商品的原料。

關(guān)于重金屬低積累品種的篩選、應(yīng)用及其累積重金屬機(jī)理方面的研究有不少報(bào)道，提出了如“低積累品種（Low accumulators or cultivars with low accumulation）”及“重金屬排異品種（Heavy metal exclusive cultivar)”、“污染預(yù)防/對(duì)策品種（Pollution-safe cultivars）”等概念（Yu et al.，2006）。這些概念雖然表述不一樣，但均體現(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(zhǎng)時(shí)其可食部分重金屬含量明顯低于國(guó)家規(guī)定的食品或飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，能夠滿足農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)的需求。此外，劉維濤等（2009）還借鑒超富集植物（Hyperaccumulator）的篩選標(biāo)準(zhǔn)，提出了重金屬低積累作物品種的篩選標(biāo)準(zhǔn)：可食部分含量低、地上部低富集、體內(nèi)低運(yùn)轉(zhuǎn)及高耐性。然而，迄今為止，國(guó)內(nèi)尚沒(méi)有篩選重金屬低積累作物的明確標(biāo)準(zhǔn)。本研究認(rèn)為：篩選重金屬低積累作物最主要的特征是：作物可食部位重金屬含量相對(duì)較低，且需符合食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中重金屬限量標(biāo)準(zhǔn)（GB 2762—2012）。據(jù)此，本研究?jī)?yōu)先考慮產(chǎn)量較高且籽粒對(duì)Cd、Pb、As富集能力較低的玉米品種作為低積累Cd、Pb、As玉米品種。本試驗(yàn)結(jié)果顯示：5號(hào)（路單12號(hào)）、6號(hào)（足玉7號(hào)）和7號(hào)（華興單88號(hào)）3個(gè)品種對(duì)Cd、Pb、As的耐性較強(qiáng)，其產(chǎn)量相對(duì)較高（圖1）；5號(hào)、6號(hào)和7號(hào)品種籽粒Cd 含量分別為 0.07、0.04、0.06 mg·kg-1，Pb 含量分別為 0.03、0.03、0.04 mg·kg-1，而 As含量都≤0.01 mg·kg-1，均沒(méi)有超過(guò)國(guó)家食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)（Cd≤0.1 mg·kg-1，Pb≤0.2 mg·kg-1，As≤0.5 mg·kg-1）；通過(guò)聚類(lèi)分析可知，3個(gè)品種均屬于Cd、Pb、As低積累類(lèi)群，而且其籽粒對(duì)土壤中Cd、Pb、As富集系數(shù)均較低。因此，可以篩選出5號(hào)（路單12號(hào)）、6號(hào)（足玉7號(hào)）和7號(hào)（華興單88號(hào)）作為產(chǎn)量較高且籽粒具有低積累Cd、Pb、As潛力性狀的玉米品種。然而，玉米種植存在一定的慣性，農(nóng)戶常會(huì)選擇常年種植的品種，或者從高產(chǎn)的角度選擇種植品種，因此需在低積累品種中選擇適宜的品種進(jìn)行推廣種植。此外，玉米的Cd、Pb、As低積累特性也受多種因素的影響，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)充分考慮土壤類(lèi)型、污染程度等因素。

4 結(jié)論

（1） 24個(gè)參試玉米品種的產(chǎn)量均存在顯著差異（P＜0.05）。其中，華興單88號(hào)品種產(chǎn)量最高，為12782.25 kg·hm-2，顯著高于試驗(yàn)中其他品種的產(chǎn)量（P＜0.05），其次是足玉7號(hào)、路單12號(hào)、22號(hào)品種，其產(chǎn)量均顯著高于16號(hào)（云瑞8號(hào)）品種（P＜0.05），云瑞8號(hào)產(chǎn)量最低。華興單88號(hào)、足玉7號(hào)、路單12號(hào)、扎單202產(chǎn)量較云瑞8號(hào)分別高出41.89%、39.92%、37.09 %和35.95%。

（2）玉米籽粒中Cd、Pb和As存在顯著品種差異，其中籽粒中Cd含量最低的是足玉7號(hào)，為0.04 mg·kg-1，且路單12號(hào)、足玉7號(hào)、華興單88號(hào)、田豐8號(hào)和扎單202 5個(gè)品種籽粒的Cd含量符合國(guó)家規(guī)定的食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)（≤0.1 mg·kg-1）；Pb含量最低的是勝境007品種，為0.01 mg·kg-1；As含量最低的品種是貴單8號(hào)、華興單88號(hào)、勝境007、秋碩玉6號(hào)。

（3）根據(jù)參試玉米產(chǎn)量、籽粒和莖葉中Cd、Pb、As含量，富集系數(shù)、轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)等指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)，最終篩選出路單12號(hào)、足玉7號(hào)、華興單88號(hào)3個(gè)品種作為高產(chǎn)且籽粒具有低積累Cd、Pb、As潛力性狀的玉米品種，適宜在個(gè)舊地區(qū) Cd、Pb、As中輕度污染區(qū)推廣種植。