鉛低累積玉米品種的篩選研究

于 蔚，李 元，陳建軍，李敬偉，陳 樹

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，云南昆明650201)

隨著礦產(chǎn)資源的大量開發(fā)、農(nóng)藥化肥的廣泛使用及城市污泥污水的農(nóng)用，土壤－植物－環(huán)境系統(tǒng)中重金屬污染問題日趨嚴(yán)重［1］。我國重金屬含量超標(biāo)的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量與面積占污染物超標(biāo)農(nóng)產(chǎn)品總量與總面積的80%以上［2］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，受Cd、As、Pb等重金屬污染的耕地面積近20×108hm2，約占總耕地面積的1/5，每年造成糧食減產(chǎn)達(dá)2.5×109kg，農(nóng)業(yè)總損失每年達(dá)200億元以上［3］。對(duì)我國3×105hm2基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)2×108kg糧食抽查發(fā)現(xiàn)，重金屬超標(biāo)率＞10%，污灌區(qū)的問題更加嚴(yán)重［4］。在眾多重金屬元素中，Pb為當(dāng)前最為突出的重金屬污染元素［5］，不僅在環(huán)境中易積累、難降解，而且植物對(duì)Pb的吸收表現(xiàn)出極強(qiáng)的隱蔽性［6］。通過各種途徑進(jìn)入土壤中的Pb，不僅影響作物生長，而且進(jìn)入食物鏈危害人畜健康［6～9］。

不同基因型作物對(duì)重金屬的吸收、累積水平差別較大，甚至同一種作物的不同品種間重金屬吸收、累積能力也可能有較大差異［7，10～11］。利用這些特點(diǎn)，篩選供食用器官重金屬富集能力較弱(重金屬含量不超過國家食品衛(wèi)生有關(guān)標(biāo)準(zhǔn))但生長和產(chǎn)量不受影響的農(nóng)作物種類或品種，并在中、輕度重金屬污染土壤中種植，可以達(dá)到農(nóng)田重金屬污染的治理目標(biāo)，同時(shí)抑制其進(jìn)入食物鏈，有效降低農(nóng)產(chǎn)品的重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)［12］。玉米作為我國主要的糧食作物，種植面積廣、生物量大且產(chǎn)量高，除了直接食用外，其莖葉部還可作為畜牧業(yè)和工業(yè)原材料。因此，篩選Pb低累積、高產(chǎn)量和高質(zhì)量的玉米品種具有現(xiàn)實(shí)意義。

本文以25個(gè)玉米品種為材料，在外施乙酸鉛條件下，通過大田試驗(yàn)，研究Pb對(duì)不同品種玉米的生長、產(chǎn)量及根、莖葉和籽粒Pb含量的影響，旨在篩選出適合云南省Pb污染農(nóng)田種植的低累積玉米品種。

1 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

1.1 供試材料

供試土壤屬黃壤，其理化性質(zhì):pH=6.95，有機(jī)質(zhì)30.71g/kg，全氮2.41g/kg，全磷13.63g/kg，全鉀 8.59g/kg，堿 解 氮 53.73mg/kg，速 效 磷151.47mg/kg，速效鉀170.23mg/kg。

玉米品種見表1。以分析純乙酸鉛為供試試劑。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2013年5月在云南省尋甸縣大河橋云南農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)基地進(jìn)行大田試驗(yàn)。試驗(yàn)以25個(gè)玉米品種為試驗(yàn)材料，分別設(shè)對(duì)照 (CK)區(qū)、Pb(2000mg/kg)區(qū)，每個(gè)處理3次重復(fù)。共計(jì)150個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積為2m×1.2m，每小區(qū)設(shè)10穴玉米，株距為40cm，行距為60cm，每穴播3粒玉米種子，將定量的乙酸鉛溶解于50ml蒸餾水，均勻拌于200g過2mm篩的土樣中，于實(shí)驗(yàn)室中待水分揮發(fā)后，再均勻施入每穴土壤。待玉米長出3片葉子時(shí)間苗，每穴僅留1株。

1.3 取樣與樣品分析

玉米成熟期進(jìn)行采樣，每個(gè)小區(qū)取長勢(shì)較均勻的植株樣品。樣品分為根、莖葉和籽粒三部分，清水洗凈后再用去離子水沖洗，測(cè)其株高、根長、鮮重等生長指標(biāo)，在105℃烘箱中殺青30min，再調(diào)至80℃烘24h至樣品完全烘干，用不銹鋼粉碎機(jī)粉碎，過100目篩。

稱樣后樣品采用混合酸HNO3+HClO4(4∶1)消解制備成待測(cè)液，采用火焰原子吸收分光光度法測(cè)定。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

所有數(shù)據(jù)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差采用Excel 2007軟件，數(shù)據(jù)的方差分析、相關(guān)性分析及聚類分析采用SPSS 17.0軟件。

性狀變化率 (%)［13］=處理值 －對(duì)照值/對(duì)照值×l00%(包括株高、根長、生物量變化率);

綜合響應(yīng)指數(shù) (%)為所有性狀變化率之和;

小區(qū)相對(duì)產(chǎn)量=處理下產(chǎn)量/對(duì)照產(chǎn)量;

富集系數(shù) (BF)=植物地上部重金屬含量/土壤響應(yīng)元素含量［14］;

轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù) (TF)=植物地上部重金屬含量/地下部相應(yīng)元素含量［15～16］。

表1 供試玉米品種

表2 重金屬Pb對(duì)25個(gè)玉米品種生長指標(biāo)的綜合響應(yīng)指數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 Pb對(duì)不同玉米品種的影響

2.1.1 對(duì)玉米生長的影響

綜合響應(yīng)指數(shù)反映玉米生長受Pb脅迫的綜合響應(yīng)情況。綜合響應(yīng)指數(shù)為正值，說明Pb能促進(jìn)該品種的生長，值越大說明促進(jìn)作用越大，當(dāng)綜合響應(yīng)指數(shù)為負(fù)值時(shí)，說明該品種的生長受到Pb的抑制，值越小說明抑制作用越大。

由表2可看出，Pb對(duì)25個(gè)玉米品種株高、根長、生物量均有影響。Pb脅迫下玉米的株高變化率范圍為－27.4% ～10.47%;根長變化率范圍為－28.68% ～24.72%;生物量變化率范圍為 －124.3%～649.67%。說明Pb脅迫對(duì)玉米株高、根長、生物量有顯著影響。其中綜合響應(yīng)指數(shù)最大品種為寧玉507，達(dá)676.96%;最小品種為靖單13，為－140%。

2.1.2 Pb對(duì)不同品種玉米產(chǎn)量的影響

小區(qū)相對(duì)產(chǎn)量是指Pb脅迫下的小區(qū)產(chǎn)量與對(duì)照小區(qū)產(chǎn)量的比值。比值＞1說明Pb脅迫對(duì)產(chǎn)量有促進(jìn)作用，即產(chǎn)量增加;比值＜1則為Pb脅迫下產(chǎn)量受抑制，作物產(chǎn)量減少。由圖1可看出，25個(gè)玉米品種在Pb脅迫下小區(qū)相對(duì)產(chǎn)量差異顯著，其中有18個(gè)品種小區(qū)相對(duì)產(chǎn)量比值＞1。汕珍在Pb脅迫下小區(qū)相對(duì)產(chǎn)量達(dá)到最大，比值為1.65，產(chǎn)量增加了65%;路單8號(hào)次之;比值最小的是曲辰11號(hào)，為0.75，產(chǎn)量下降了25%。

2.2 不同玉米品種對(duì)Pb的富集特征

2.2.1 不同玉米品種根、莖葉、籽粒中的Pb含量

圖2結(jié)果表明，Pb脅迫下25個(gè)玉米品種根部重金屬含量差異顯著。各品種根部Pb含量范圍為100.79～737.09mg/kg，根部Pb含量最高的品種桂單160是含量最低的品種云瑞21的7倍多，平均含量為351.62mg/kg。

分析25個(gè)玉米品種莖葉部Pb含量，結(jié)果見圖3。莖葉部Pb含量范圍為8.81～32.98mg/kg，旭玉1446與路單7號(hào)莖葉部Pb含量差異顯著，旭玉1446莖葉部Pb含量是路單7號(hào)的3.67倍;25個(gè)品種莖葉部Pb含量均超出飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn) (GB－13078－2001)(Pb≤5mg/kg)，不可用作青貯飼料，但均符合有機(jī)肥重金屬衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn) (NY525－2002)，可用作有機(jī)肥或制作有機(jī)肥的原料。

對(duì)25個(gè)玉米品種籽粒部含Pb量進(jìn)行分析，結(jié)果見圖4。各品種籽粒Pb含量差異顯著，Pb含量范圍為0～3.71mg/kg，平均含量為1.1808mg/kg。其中桂單160的籽粒Pb含量達(dá)到最大3.71mg/kg，是《糧食及制品中重金屬限量標(biāo)準(zhǔn)》(NY861－2004)規(guī)定Pb含量 (≤0.4mg/kg)的9倍，京滇8號(hào) (二代)籽粒Pb含量最小，濃度為0mg/kg。

2.2.2 不同玉米品種對(duì)Pb的富集、轉(zhuǎn)運(yùn)能力

植物對(duì)重金屬的富集、轉(zhuǎn)運(yùn)能力主要用富集系數(shù) (BF)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù) (TF)來反映。富集系數(shù)用來評(píng)價(jià)植物將重金屬吸收到其體內(nèi)能力的大小，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)則用來評(píng)價(jià)植物將重金屬從根部向地上部運(yùn)輸?shù)哪芰Γ?7］。由表3可看出，25個(gè)玉米品種對(duì)Pb的富集系數(shù)范圍為:0.005～0.018;轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)范圍為:0.013～0.084。富集系數(shù)、轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均＜1，說明各品種地上部對(duì)Pb的吸收能力較弱，且地下部向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)能力也較弱。富集Pb能力最強(qiáng)的品種是旭玉1446，最弱的是路單7號(hào);而對(duì)Pb轉(zhuǎn)運(yùn)能力最強(qiáng)的品種是云優(yōu)167，最弱的品種是曲辰11號(hào)。

表3 不同玉米品種對(duì)Pb的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)

2.3 低累積Pb玉米品種的篩選

對(duì)25個(gè)玉米品種Pb脅迫綜合響應(yīng)指數(shù)進(jìn)行聚類分析，結(jié)果見圖5。根據(jù)不同玉米品種對(duì)Pb脅迫的不同響應(yīng)程度，可把25個(gè)玉米品種分為4類。其中寧玉507為綜和響應(yīng)指數(shù)最高的一類;京滇8號(hào)(一代)、辰11號(hào)、云瑞6號(hào)等為綜合響應(yīng)指數(shù)較高的一類;靖單13號(hào)、京滇8號(hào) (二代)、云優(yōu)167、晴三和云瑞21號(hào)為綜合響應(yīng)指數(shù)最低的一類;其余品種綜合響應(yīng)指數(shù)居中。寧玉507、京滇8號(hào) (一代)、辰11號(hào)、云瑞6號(hào)、曲辰3號(hào)、云瑞68、路單7號(hào)和尋單8號(hào)可作為耐Pb品種。

對(duì)25個(gè)玉米品種籽粒Pb含量進(jìn)行聚類分析，結(jié)果見圖6。根據(jù)籽粒Pb含量的不同，25個(gè)玉米品種可以分為5類。其中京滇8號(hào) (二代)、汕珍、宣黃平4號(hào)等為籽粒含量最低的一類;桂單160為籽粒Pb含量最高的一類;其他品種籽粒Pb含量居中。為了降低食物鏈Pb含量的富集，選擇京滇8號(hào) (二代)、汕珍、宣黃平4號(hào)、曲辰11號(hào)、靖豐8號(hào)和尋單7號(hào)作為玉米籽粒低累積Pb的品種。

3 討論

有關(guān)重金屬低累積玉米品種的篩選研究已有報(bào)道，郭曉芳［6］、吳傳星［18］等研究了不同玉米品種對(duì)重金屬累積和轉(zhuǎn)運(yùn)的品種差異，通過對(duì)籽粒重金屬含量聚類分析，篩選出籽粒含量未超出國家規(guī)定的食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的低累積玉米品種。然而，目前對(duì)重金屬低累積作物還沒有明確的定義，多數(shù)學(xué)者篩選低累積品種的標(biāo)準(zhǔn)為供食用器官重金屬富集能力較弱 (重金屬含量不超過國家食品衛(wèi)生有關(guān)標(biāo)準(zhǔn))，而對(duì)受重金屬脅迫下作物生長及產(chǎn)量變化研究較少。劉維濤［9］等認(rèn)為理想的重金屬低累積作物應(yīng)該同時(shí)具備以下特征:①該植物的地上部和根部重金屬含量均很低或者可食部位重金屬含量低于有關(guān)標(biāo)準(zhǔn);②該植物對(duì)重金屬的累積量小于土壤中該重金屬的濃度，即富集系數(shù)＜1;③該植物從其他部位向可食部位轉(zhuǎn)運(yùn)重金屬能力較差，即轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)＜1;④該植物對(duì)重金屬毒害具有較高的耐受性，在較高濃度重金屬污染下能夠正常生長，且生物量無明顯下降。重金屬脅迫可導(dǎo)致玉米生理代謝紊亂，使其正常生長受到抑制，所以玉米的株高、根長、生物量及產(chǎn)量的變化均可作為玉米對(duì)重金屬耐性指標(biāo)。

本試驗(yàn)研究了Pb脅迫對(duì)25個(gè)玉米品種生長、產(chǎn)量的影響及不同品種對(duì)Pb的富集特征，結(jié)果表明:受Pb脅迫的25個(gè)玉米品種株高、根長、生物量及產(chǎn)量差異顯著。Pb脅迫下曲辰11號(hào)、曲辰3號(hào)綜合響應(yīng)指數(shù)均＞50%，但小區(qū)相對(duì)產(chǎn)量＜1，而寧玉507、京滇8號(hào) (一代)、云瑞68號(hào)、尋單7號(hào)、云瑞6號(hào)及路單7號(hào)綜合響應(yīng)指數(shù)均 ＞50%，且小區(qū)相對(duì)產(chǎn)量＞1，表明寧玉507、京滇8號(hào) (一代)、云瑞68、尋單7、云瑞6號(hào)及路單7號(hào)在Pb脅迫下能夠正常生長，生物量和產(chǎn)量無明顯下降，可作為耐Pb品種。

在單一污染條件下，Pb在25個(gè)玉米品種體內(nèi)富集差異顯著，根部富集Pb能力遠(yuǎn)高于莖葉，這與李凡、代全林［19～20］等研究結(jié)果一致。通過對(duì)比25個(gè)玉米品種對(duì)Pb的富集系數(shù)與轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)發(fā)現(xiàn)，所有品種富集系數(shù)與轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均＜1，說明玉米地上部富集Pb的能力較弱且地下部向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)能力也較弱。綜合分析，尋單7號(hào)符合上述有關(guān)重金屬低累積品種的定義，尋單7號(hào)可作為Pb低累積品種。

4 結(jié)論

(1)Pb脅迫對(duì)25個(gè)玉米品種的株高、根長、生物量及產(chǎn)量的變化差異顯著;

(2)25個(gè)玉米品種對(duì)Pb的吸收、累積、分配能力存在顯著差異，在各部位的富集量為:根＞莖葉＞籽粒;

(3)綜合分析，最終篩選出尋單7號(hào)為Pb低累積品種。

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