小麥對(duì)土壤鉻富集和轉(zhuǎn)運(yùn)的品種差異性研究

王彥蘇，李士偉，于學(xué)臻，李合蓮*，馬義兵

（1.濟(jì)南大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，濟(jì)南 250022；2.澳門科技大學(xué)澳門環(huán)境研究院，澳門 999078）

鉻（Cr）存在多種形態(tài)（-2~+6），環(huán)境中最常見(jiàn)和最穩(wěn)定的形態(tài)是六價(jià)鉻[Cr（Ⅵ）]和三價(jià)鉻[Cr（Ⅲ）]。Cr（Ⅲ）被認(rèn)為是對(duì)人和動(dòng)物有益的微量營(yíng)養(yǎng)元素，而Cr（Ⅵ）被認(rèn)為是A類人類致癌物。農(nóng)田土壤Cr污染不僅會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成影響，還會(huì)增加Cr在作物可食部分的累積，進(jìn)而通過(guò)食物鏈給人類健康帶來(lái)潛在危害。

作物對(duì)Cr的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)因品種而異。例如CAO等研究了水稻基因型對(duì)Cr吸收的影響，發(fā)現(xiàn)天優(yōu)805、Ⅱ優(yōu)904，甬優(yōu)412（甬優(yōu)17號(hào)）為Cr的高累積品種，春江糯6、嘉優(yōu)08-1和川香優(yōu)H11為Cr的低累積品種。陳惠君等比較了37個(gè)菜心品種對(duì)Cr/Pb復(fù)合污染土壤中Cr和Pb的累積，發(fā)現(xiàn)累積量最高和最低的品種可食用部分Cr含量之比為4.2，低累積品種根際分泌的溶解性有機(jī)碳和H少，鈣離子通道不活躍，對(duì)重金屬的活化和吸收能力弱。李智鳴通過(guò)田間試驗(yàn)比較了347個(gè)花生品種籽粒中Cr的富集情況，發(fā)現(xiàn)花生籽粒中Cr的含量為0.02~10.62 mg·kg，高、低累積品種之間累積能力差異巨大。

物種敏感性分布方法（SSD）是采用統(tǒng)計(jì)分布函數(shù)對(duì)試驗(yàn)中獲得的不同物種的毒理數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，以獲得不同保護(hù)水平對(duì)應(yīng)的濃度閾值或者對(duì)應(yīng)不同濃度的風(fēng)險(xiǎn)水平的方法。SSD方法常用于制定環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)及進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。近年來(lái)，SSD方法也用于化學(xué)物質(zhì)毒性的比較。此外，若以生物富集系數(shù)（BCF）為評(píng)價(jià)終點(diǎn)，SSD曲線還可以用于比較不同作物品種對(duì)污染物的富集能力差異，這為鑒定低累積品種提供了可能性。

小麥在世界各地廣泛種植且品種繁多，不同品種對(duì)Cr的富集情況尚不清楚。因此，本研究選擇土壤性質(zhì)差異較大的山東潮土和江西紅壤作為受試土壤，外源添加一定濃度的Cr（Ⅵ），通過(guò)盆栽試驗(yàn)研究了12個(gè)品種的小麥對(duì)Cr的累積和轉(zhuǎn)運(yùn)，以BCF作為評(píng)價(jià)終點(diǎn)，構(gòu)建SSD曲線，對(duì)不同小麥品種的富集能力進(jìn)行比較。研究結(jié)果可以為Cr的低累積小麥品種篩選及中、低濃度污染土壤中農(nóng)產(chǎn)品安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 土壤采集及理化性質(zhì)分析

供試土壤（山東潮土和江西紅壤）均采自未受污染的農(nóng)田表層（0~20 cm）。樣品風(fēng)干，混勻，過(guò)2 mm的尼龍篩后備用。土壤pH使用0.01 mol·LCaCl（固液比為1∶2.5）提取，用pH計(jì)測(cè)定；土壤有機(jī)質(zhì)使用重鉻酸鹽法測(cè)定；土壤陽(yáng)離子交換量（CEC）用乙酸銨法測(cè)定；土壤中黏粒含量用移液管法測(cè)定；土壤無(wú)定形Fe、Al用草酸銨溶液提取，并用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定；土壤中總Cr采用硝酸-高氯酸-氫氟酸（體積比為15∶2∶2）進(jìn)行消解，并利用火焰原子吸收光譜法測(cè)定。土壤理化性質(zhì)測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Selected physicochemical properties of soil

1.2 污染土壤的制備及老化處理

本研究重點(diǎn)關(guān)注的是中、低污染水平的非毒害效應(yīng)濃度下小麥對(duì)土壤Cr的吸收和富集，而非生態(tài)毒害作用。根據(jù)預(yù)試驗(yàn)結(jié)果，外源Cr（Ⅵ）添加濃度為45mg·kg并老化3個(gè)月后，山東潮土中小麥幼苗的生長(zhǎng)仍然有明顯的毒害效應(yīng)產(chǎn)生。此外，CHEN等發(fā)現(xiàn)，土壤中Cr（Ⅵ）濃度為20 mg·kg時(shí)，小麥根系生長(zhǎng)受到明顯的抑制。綜合以上結(jié)果，本研究最終確定設(shè)置3個(gè)Cr（Ⅵ）添加濃度：0（CK）、5.6 mg·kg（T1）和10 mg·kg（T2）。將一定量的KCrO以溶液形式分多次加入土壤，混勻，在70%的田間持水量下老化90 d。

1.3 盆栽試驗(yàn)

供試小麥共計(jì)12個(gè)品種，其中濟(jì)麥22、石麥14、百農(nóng)AK58、山農(nóng)17、魯原502、中麥895、周麥27、良星77和輪選988為半冬性品種，煙農(nóng)19為冬性品種，揚(yáng)麥20和川麥104為春性品種。將小麥種子在去離子水中浸泡24 h，然后在25℃的潮濕條件下催芽12 h。將萌發(fā)的種子進(jìn)行播種，每盆播種10顆，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。盆栽前，所有處理均施加N 0.15 g·kg（尿素）、P 0.05 g·kg（磷酸二氫鈣）、K 0.10 g·kg（硫酸鉀）作為底肥。盆栽試驗(yàn)于2018年10月中旬至2019年6月初在濟(jì)南大學(xué)溫室進(jìn)行。試驗(yàn)期間土壤含水量保持在田間持水量的70%左右。

1.4 樣品采集和分析

小麥成熟后收獲秸稈和麥穗，對(duì)麥穗進(jìn)行脫殼，獲取小麥籽粒。分別用自來(lái)水和去離子水進(jìn)行徹底清洗，用濾紙吸去表面水分，稱取鮮質(zhì)量。鮮樣在105℃下殺青20 min，然后70℃條件下烘干至恒質(zhì)量，記錄干質(zhì)量，將樣品粉碎，裝入紙袋中儲(chǔ)于干燥器內(nèi)。稱取0.3 g秸稈或0.8 g小麥籽粒于消解管中，加入10 mL 1∶1硝酸和1 mL雙氧水，用石墨消解儀進(jìn)行消解，消解液經(jīng)趕酸、定容至50 mL后過(guò)濾、稀釋，用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS，Agilent-7500a）測(cè)定Cr濃度。

收獲小麥的同時(shí)進(jìn)行土壤采樣，樣品風(fēng)干后研磨過(guò)2 mm篩，用于測(cè)定有效態(tài)Cr含量。準(zhǔn)確稱取土壤樣品1.00 g于50 mL離心管中，加入10.0 mL 0.050 mol·LEDTA-Na，40℃恒溫?fù)u床內(nèi)180 r·min振蕩12 h，13 500離心，取上清液過(guò)0.45μm濾膜，稀釋后利用ICP-MS進(jìn)行有效態(tài)Cr（EDTA-Cr）含量的測(cè)定。

整個(gè)分析過(guò)程中，用小麥標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（GBW10046）和土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（GBW07424）進(jìn)行質(zhì)量控制，小麥中Cr的回收率為92%~103%，土壤中總Cr的回收率為95%~110%。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

1.5.1 數(shù)據(jù)處理

由于本研究中外源Cr（Ⅵ）添加水平遠(yuǎn)低于土壤的總Cr背景值，在計(jì)算小麥秸稈或籽粒對(duì)土壤中Cr的生物富集系數(shù)（BCF）時(shí)，采用土壤EDTA-Cr含量而不是總Cr含量來(lái)計(jì)算：

式中：為小麥秸稈或籽粒中Cr的含量，mg·kg；為土壤EDTA-Cr的含量，mg·kg。

土壤Cr從小麥秸稈向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（TF）：

式中：和分別為小麥籽粒和秸稈中Cr的含量，mg·kg。

1.5.2 SSD曲線的擬合

SSD方法中累積概率分布的擬合常采用loglogistic、log-normal和Burr-Ⅲ分布函數(shù)，而Burr-Ⅲ分布是一種更靈活的函數(shù)，可以對(duì)log-logistic、log-nor?mal等分布函數(shù)進(jìn)行很好的逼近。因此本研究采用Burr-Ⅲ函數(shù)對(duì)1/BCF數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，建立12種小麥對(duì)Cr元素的富集能力敏感性分布曲線。SSD曲線的擬合采用BurrliOZ軟件（http：//www.cmis.csiro.au/en?vir/burrlioz/）完成。

1.5.3 統(tǒng)計(jì)分析

用SPSS 22軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用單因素方差分析（ANOVA）檢驗(yàn)不同處理間的差異，運(yùn)用多因素方差分析檢驗(yàn)小麥品種與土壤類型及其交互作用對(duì)小麥秸稈和籽粒Cr含量的影響，秸稈和籽粒Cr含量的相關(guān)性以及籽粒Cr含量和TF之間的相關(guān)性通過(guò)皮爾遜相關(guān)分析進(jìn)行確定。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土壤中有效態(tài)Cr含量的差異

土壤中EDTA-Cr濃度見(jiàn)表2。小麥品種影響土壤中EDTA-Cr含量，山東潮土中T1和T2處理的EDTA-Cr含量分別為0.39~0.76 mg·kg和0.68~1.84 mg·kg；江西紅壤中T1和T2處理的EDTA-Cr含量分別為0.20~0.75 mg·kg和0.26~1.26 mg·kg。除T1處理下種植山農(nóng)17和周麥27的土壤和T2處理下種植山農(nóng)17、中麥895和輪選988的土壤外，都表現(xiàn)出山東潮土中EDTA-Cr含量高于江西紅壤的現(xiàn)象。

表2 山東潮土和江西紅壤中有效態(tài)Cr含量（mg·kg-1）Table 2 Available Cr concentration in Shandong fluvo-aquic soil and Jiangxired soil（mg·kg-1）

山東潮土中，除種植濟(jì)麥22、石麥14、百農(nóng)AK58和良星77的T1處理土壤外，其余土壤中EDTA-Cr含量均顯著高于對(duì)照土壤。江西紅壤中，除種植濟(jì)麥22的土壤及種植煙農(nóng)19和百農(nóng)AK58的T1處理土壤外，其余土壤中EDTA-Cr含量均顯著高于對(duì)照土壤。此外，除個(gè)別小麥品種外，T2處理土壤中EDTA-Cr含量均顯著高于T1處理土壤?？傮w上看，盡管本研究外源Cr（Ⅵ）添加濃度較低，卻顯著增加了土壤中EDTA-Cr的含量。

2.2 小麥中Cr含量及影響因素

圖1為山東潮土和江西紅壤中12個(gè)品種小麥秸稈和籽粒Cr含量。T1和T2處理下，山東潮土中秸稈Cr含量分別為0.73~2.45 mg·kg和0.97~2.56 mg·kg，籽粒Cr含量分別為0.31~0.59 mg·kg和0.31~0.58 mg·kg。不同品種小麥秸稈Cr含量無(wú)顯著差異。T1處理下，良星77和輪選988與其他小麥品種籽粒Cr含量有顯著差異；T2處理下，除輪選988和百農(nóng)AK58兩種小麥外，其他小麥品種間籽粒Cr含量有顯著差異（<0.05）。T1和T2處理下，江西紅壤中12個(gè)品種小麥秸稈Cr含量分別為0.97~6.33 mg·kg和0.22~5.19 mg·kg，籽粒Cr含量分別為0.21~0.37 mg·kg和0.22~0.31 mg·kg。揚(yáng)麥20和輪選988與其他小麥品種間秸稈Cr含量有顯著差異；不同小麥品種籽粒Cr含量無(wú)顯著差異。

圖1 小麥秸稈和籽粒Cr含量Figure 1 Contents of Cr in wheat straw and grain

根據(jù)《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》（GB 2762—2017），谷物中總Cr的最高允許含量為1 mg·kg。山東潮土和江西紅壤中的小麥籽粒Cr含量分別僅為限量值的31%~59%和21%~37%。總體來(lái)說(shuō)，山東潮土中12個(gè)品種的小麥籽粒中Cr含量均顯著高于江西紅壤中相應(yīng)品種的籽粒Cr含量，山東潮土中小麥籽粒Cr含量是江西紅壤中的1.07~2.50倍。

圖2為小麥對(duì)Cr的TF計(jì)算結(jié)果。相同濃度Cr（Ⅵ）處理下，山東潮土和江西紅壤中秸稈到籽粒的TF值在不同品種的小麥間均存在顯著差異（0.05），同一品種的小麥在兩種土壤中的TF值也有較大的差異。外源添加Cr（Ⅵ）處理下，山東潮土和江西紅壤中不同小麥品種的TF值變化范圍為0.14~0.61和0.04~0.49，其變異系數(shù)為2.50%~67.36%。小麥籽粒Cr含量與Cr從秸稈到籽粒的TF值呈極顯著正相關(guān)（0.01）。

圖2 小麥對(duì)Cr的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（TF）Figure 2 Translocation factor（TF）from wheat straw to grain

表3為小麥品種和土壤類型對(duì)小麥籽粒Cr含量影響的方差分析結(jié)果。T1和T2處理下，品種和土壤類型及品種和土壤類型互作均顯著影響小麥籽粒中Cr含量。從各因子和兩個(gè)因子互作對(duì)Cr含量變化的貢獻(xiàn)（平方和，SS）可以看出，土壤類型對(duì)小麥籽粒Cr含量影響最大。

表3 品種和土壤類型對(duì)小麥籽粒Cr含量影響的方差分析Table 3 Variance analysison the effects of cultivars，soil types，and their interaction on the Cr contents in wheat grains

2.3 不同品種小麥對(duì)土壤Cr的富集能力差異

根據(jù)公式（1）計(jì)算不同品種小麥基于土壤EDTA-Cr濃度的BCF值，用BurrliOZ軟件對(duì)1/BCF進(jìn)行累積概率分布擬合，分別得到T1和T2處理下不同品種小麥BCF值的SSD曲線（圖3）。兩種土壤中不同品種的小麥對(duì)Cr的富集能力存在很大差異。此外，小麥對(duì)Cr的富集受土壤中Cr（Ⅵ）添加濃度的影響，隨著Cr（Ⅵ）添加濃度增大，小麥的BCF值降低。

圖3 基于土壤有效態(tài)Cr的小麥生物富集系數(shù)物種敏感性分布曲線Figure 3 Species sensitivity distribution curve of wheat bioconcentration factor based on soil available Cr

山東潮土中的魯原502、濟(jì)麥22、川麥104、揚(yáng)麥20、石麥14和江西紅壤中的濟(jì)麥22在敏感性分布曲線中的位置在不同Cr（Ⅵ）添加濃度下變化較大，這可能是因?yàn)楸狙芯緾r（Ⅵ）總體添加濃度較低，導(dǎo)致富集規(guī)律性不夠明顯。輪選988對(duì)Cr的富集在兩種土壤中差異較大，在江西紅壤中富集較少，位于敏感性分布曲線的上端，而在山東潮土中富集較多，位于敏感性分布曲線的下端；山農(nóng)17對(duì)Cr的富集在兩種土壤中變化較小，均位于敏感性分布曲線的上端。山東潮土和江西紅壤中12個(gè)品種的小麥BCF值分別為0.19（石麥14）~1.38（百農(nóng)AK58）和0.18（山農(nóng)17）~1.62（濟(jì)麥22）。

在山東潮土中，T1和T2處理下，百農(nóng)AK58位于SSD曲線的下端，富集Cr的能力最強(qiáng)，其BCF值分別為1.01和0.60。魯原502和濟(jì)麥22位于SSD曲線的上端，富集Cr的能力較弱，其BCF值分別為0.50和0.26。在江西紅壤中，低濃度Cr（Ⅵ）處理下，揚(yáng)麥20位于SSD曲線底端，是富集Cr最高的品種（BCF=1.42），山農(nóng)17位于SSD曲線頂端，是富集Cr最低的品種（BCF=0.20）。高濃度Cr（Ⅵ）處理下，濟(jì)麥22是富集Cr最高的品種（BCF=1.11），輪選988為富集Cr最低的品種（BCF=0.20）。

百農(nóng)AK58在兩種土壤中T1和T2處理下均位于SSD曲線的下端，富集Cr的能力較強(qiáng)，是Cr的高累積小麥品種；山農(nóng)17在兩種土壤中T1和T2處理下均位于SSD曲線的上端，富集Cr的能力較弱，是Cr的低累積小麥品種。

3 討論

3.1 土壤類型對(duì)小麥Cr含量的影響

本研究發(fā)現(xiàn)小麥Cr含量受土壤類型影響最大，這與張國(guó)慶的研究結(jié)果一致。此外，程旺大等研究了水稻籽粒中Cr含量與基因型和環(huán)境變異的關(guān)系，亦發(fā)現(xiàn)環(huán)境對(duì)籽粒Cr含量的影響最大。而伍鈞等則發(fā)現(xiàn)影響玉米籽粒富集Cr能力的因素排序?yàn)榄h(huán)境與品種互作>品種>環(huán)境。以上不同的結(jié)論可能是源于供試作物種類不同以及土壤理化性質(zhì)的差異。

本研究中，山東潮土中的小麥籽粒Cr含量顯著高于江西紅壤中的小麥籽粒Cr含量，這與土壤中Cr的存在形態(tài)和土壤性質(zhì)有著密切關(guān)系。相同Cr（Ⅵ）污染水平下，土壤老化1 a后，山東潮土中有效態(tài)Cr的濃度顯著高于江西紅壤。這可能是因?yàn)閮煞N土壤對(duì)Cr（Ⅵ）的還原容量存在較大差異。Cr（Ⅵ）向Cr（Ⅲ）的還原反應(yīng)是影響土壤中Cr（Ⅵ）生物有效性的關(guān)鍵過(guò)程，該過(guò)程與土壤pH、有機(jī)質(zhì)含量及土壤顆粒組成等因素關(guān)系密切。低pH值、高有機(jī)質(zhì)及高黏粒含量有利于Cr（Ⅵ）向Cr（Ⅲ）的還原。由于江西紅壤與山東潮土相比pH較低，有機(jī)質(zhì)含量高，黏粒占比大，因此還原Cr（Ⅵ）能力較強(qiáng)，這在本課題組先前的研究中已經(jīng)得到證實(shí)。因此，Cr在山東潮土中具有更高的生物有效性，更容易在小麥中累積。

3.2 品種對(duì)小麥Cr含量的影響

大多數(shù)Cr是通過(guò)植物吸收必需離子的載體而進(jìn)入植物體內(nèi)的，植物吸收Cr的能力取決于植物類型。本研究中同一濃度下，山東潮土中良星77和輪選988兩個(gè)品種籽粒Cr含量和江西紅壤中輪選988和揚(yáng)麥20秸稈Cr含量與其他絕大多數(shù)小麥品種間存在顯著差異。與本研究的結(jié)果類似，陳啟航發(fā)現(xiàn)不同品種的小麥對(duì)土壤背景Cr中Cr（Ⅲ）及總Cr的富集程度存在很大差異，這主要是因?yàn)椴煌贩N的生理特性及基因差異。

一般來(lái)說(shuō)，土壤源重金屬在植物各器官中的分布規(guī)律為根>秸稈>籽粒。本研究中也發(fā)現(xiàn)了同樣的規(guī)律，山東潮土和江西紅壤中的小麥秸稈Cr含量分別約為籽粒Cr含量的8倍和4倍，秸稈和籽粒Cr含量之間存在顯著差異，這說(shuō)明秸稈和籽粒富集Cr的能力不同。與本研究結(jié)果類似，TIWARI等發(fā)現(xiàn)Cr在豌豆不同器官中的累積順序?yàn)椋焊?莖>葉>籽粒。同時(shí)，本研究發(fā)現(xiàn)，不同品種小麥籽粒中Cr含量的差異主要是秸稈中的Cr遷移轉(zhuǎn)運(yùn)到籽粒能力的差異引起的。這與YE等的觀點(diǎn)類似，即稻米對(duì)鎘（Cd）的累積與莖葉到籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)相關(guān)。

3.3 土壤污染水平對(duì)小麥Cr含量的影響

在本研究中，由于外源Cr（Ⅵ）添加水平較低，且土壤老化時(shí)間較長(zhǎng)，小麥秸稈和籽粒Cr含量在CK、T1和T2處理下未觀察到顯著差異。而趙魯?shù)妊芯堪l(fā)現(xiàn)，隨土壤中Cr添加量的增加，小麥籽粒Cr含量呈逐漸升高的趨勢(shì)，且顯著高于對(duì)照處理。這說(shuō)明小麥籽粒Cr含量受土壤Cr含量的影響。

4 結(jié)論

（1）小麥品種的富集順序受土壤性質(zhì)的影響，在山東潮土和江西紅壤中呈現(xiàn)出不同的規(guī)律。外源添加Cr（Ⅵ）后，山東潮土（堿性）中Cr的化學(xué)浸提性和生物有效性都高于江西紅壤（酸性）。

（2）不同小麥品種對(duì)Cr的吸收富集和轉(zhuǎn)運(yùn)能力存在顯著差異。不同品種籽粒Cr含量的差異主要源于轉(zhuǎn)運(yùn)能力的不同。

（3）山農(nóng)17是Cr的低累積小麥品種，百農(nóng)AK58是Cr的高累積小麥品種。