個舊礦區周邊農田高產、重金屬低積累玉米品種的篩選

雷恩等

摘要：為了在個舊礦區周邊農田內篩選出產量較高并且籽粒中鎘、鉛、總砷重金屬含量安全的玉米品種，以該地區種植的4個主栽玉米品種為材料，分別探究了在高密度、寬窄行種植條件下的產量、產量形成、籽粒重金屬積累特點。結果表明，在8.4萬株/hm2的高密度、寬窄行種植條件下，該區域內4個主栽玉米品種產量較高的是紅單3號、佳單108；紅單3號、佳單108均具有較高的花后干物質積累比例，紅單3號具有較高的最大葉面積指數，佳單108具有較高的葉片SPAD值、冠層、穗位葉上層的光合有效輻射截獲率。總體看出，4個主栽玉米品種籽粒對鎘、鉛、總砷的積累均達到食用安全標準，屬于重金屬低積累品種。

關鍵詞：個舊；玉米；高產；重金屬低積累；篩選

中圖分類號： S513.02；X53文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2015）09-0124-04

土壤是農業生產的直接載體，而礦業開采以及含重金屬化肥和農藥的使用等導致土壤重金屬污染日趨嚴重。由于土壤重金屬具有移動性差、可積累性及不易被微生物降解等特點，治理和修復難度極大。目前，重金屬污染土壤修復技術較多，其中植物修復技術具有成本低、對環境擾動少、可以將土壤中的重金屬轉移出去，并且可以增加土壤的肥力等優點，因而該技術具有較好的應用前景。然而該項技術受植物生長環境要求、土壤污染程度及重金屬生物毒性的影響較大且修復周期較長，并且當前除了蜈蚣草和東南景天等少數植物外，能夠大規模應用于重金屬污染農田的超積累植物較少，因而僅靠植物修復技術是不夠的[1-3]。通過選育和篩選重金屬低積累品種來降低作物對重金屬的吸收和積累，被認為是現實可行的途徑[4]。迄今為止，篩選重金屬低積累品種的方法仍在探索階段，多數研究方法是通過外加重金屬的盆栽試驗來探討作物可食用部分重金屬含量在種內或種間的差異。

云南個舊是中外聞名的“錫都”，開采錫礦約有2 000年的歷史，是中國最大的產錫基地，同時也是世界上最早的產錫基地。然而個舊錫業的大規模開發，已經嚴重破壞了個舊及周邊地區的生態環境[5]。本次試驗在個舊礦區周邊的農田內，以該區域種植的4個主栽玉米品種為材料，采用田間試驗設計方法，圍繞玉米產量、重金屬積累這2個方面的內容進行分析，探究在高密、寬窄行種植條件下的玉米籽粒產量、產量形成、籽粒重金屬積累特點，旨在為該地區篩選出高產、重金屬低積累的玉米品種。

1材料與方法

1.1試驗地概況

試驗地位于云南省個舊市某礦區周邊農田，試驗地0～20 cm土壤耕作層中總砷、鉛和鎘的含量分別為59.00、280.00、1.11 mg/kg，土壤綜合污染指數為2.48，屬重度污染。

1.2試驗材料和設計方法

采用單因素法，隨機區組試驗設計，3次重復，分別選用該地區主栽玉米品種興黃單892、路單6號、佳單108、紅單3號為試驗材料。每個處理的小區面積為95.2 m2，試驗區域總面積約為1 142.4 m2。試驗于2013年5月7日播種，寬窄行種植，窄行距40 cm，寬行距70 cm。玉米3葉期定苗每穴留雙株，定苗后密度為8.4 萬株/hm2。水、肥管理及其他田間農事操作均按照傳統管理模式統一同步進行。

1.3測定指標及方法

1.3.1玉米經濟產量和生物產量玉米成熟期，在每個處理小區的中間區域先劃出面積不小于20 m2的測產區。然后在測產區中選取具有代表性的1行玉米，以間隔式的方式選取10株，將果穗取下立即稱鮮質量，放入網袋中帶回實驗室進行考種，分別計算出籽率、含水量等指標。剩下10株玉米秸稈全部粉碎立即稱鮮質量，混合均勻后再從中稱取200 g小樣，帶回實驗室于70 ℃恒溫條件下烘至恒質量，計算出生物產量。在測產內將其他剩余的果穗全部摘下稱總鮮質量，最后再通過出籽率、籽粒含水量測算出實際產量，即玉米的經濟產量。

1.3.2玉米干物質積累在玉米的抽雄吐絲期和成熟期，在每個處理小區內進行代表性取樣，選取10株，洗凈泥沙，剪去根，按葉、莖+鞘、穗等器官分開，于105 ℃殺青20 min，然后置于烘箱中，在80 ℃下烘至恒質量，冷卻后稱其干質量，計算出干物質積累量。

1.3.3玉米葉面積指數、葉片SPAD值玉米葉面積指數是指單位土地面積上進行光合作用的植株葉片的面積，結合干物質積累取樣，分別于大喇叭口期和抽雄吐絲期，在每個處理小區內取樣10株進行測定分析，葉面積采用“長×寬×系數”法測定，然后結合種植密度來計算葉面積指數。葉片SPAD值是反映玉米葉片葉綠素的含量值，采用SPAD-502型葉綠素儀測定，與干物質積累取樣同時進行，每個處理小區測定10株，大喇叭口期選取植株上部最新完全展開葉，而抽雄吐絲期選取穗上葉，在離基部50%的位置兩側各測2點，然后取其平均值。

1.3.4光合有效輻射（PAR）截獲率在玉米抽雄吐絲期，采用冠層分析儀（EMS7/E2）測量每個處理小區的冠層光合有效輻射截獲率、穗位葉上層光合有效輻射截獲率，即同時測定每個處理小區玉米冠層的頂部、基部（距離水面5 cm）及穗上葉部的太陽光有效輻射量。冠層光合有效輻射截獲率=[（頂部的太陽光總輻射量-基部太陽光總輻射量）/頂部太陽光總輻射量]×100%；穗位葉上層光合有效輻射截獲率=[（頂部的太陽光總輻射量-穗位葉上部太陽光總輻射量）/頂部太陽光總輻射量]×100%。

1.3.5玉米籽粒重金屬積累和富集系數玉米籽粒經過微波消解，采用ICP-OES和ICP-MS測定溶液中的鎘和鉛的含量，總砷含量的測定采用混合酸 HNO3+HClO4（比例為 4 ∶1）對籽粒消解制備成待測液，然后采用氫化物-原子熒光光譜法測定其含量[6-7]。玉米籽粒對土壤重金屬吸收能力的大小可通過富集系數來反映，富集系數=籽粒重金屬含量（mg/kg）/土壤重金屬含量（mg/kg）。

1.4數據分析

用Excel 2007電子表格對數據進行作圖，用SPSS 13.0數據處理系統對各處理的樣本平均數做方差分析。

2結果與分析

2.1玉米的產量形成

2.1.1玉米的經濟產量和生物產量紅單3號玉米品種的經濟產量最高，為6.79 t/hm2；其次是佳單108和路單6號，且二者間無顯著差異；興黃單892最低，為5.44 t/hm2。4個玉米品種的生物產量均無顯著差異（表1）。

2.1.2米的干物質積累和分配4個玉米品種的總干物質積累量均無顯著差異，興黃單892開花以前的干物質積累量最大，為813.0 g/m2；其次是路單6號和紅單3號，二者間無顯著差異；佳單108較小，為595.2 g/m2。興黃單892花后干物質質量最小，其他3個品種均表現較大，且三者間無顯著差異。興黃單892花前干物質質量占總干物質質量的比例最大，為63.4%，而花后干物質質量比例卻最小，為36.6%。紅單3號、路單6號、佳單108花前干物質質量比例均較小，而花后干物質質量卻均表現較大，且三者間無顯著差異（表2）。

2.1.3玉米的葉面積指數和葉片SPAD值在玉米大喇叭口期，路單6號的葉面積指數最大，為1.22；而其他3個品種均表現較小，且三者間無顯著差異。在玉米抽雄吐絲期，興黃單892的葉面積指數表現較大，為5.88；佳單108表現較小，為4.93；其他品種間無顯著差異（圖1）。玉米在大喇叭口期至抽雄吐絲期，葉片SPAD值隨著生育進程而有所增加。在大喇叭口期，紅單3號葉片SPAD值最大，為51.0；其次是興黃單892、佳單108，且二者間無顯著差異；路單6號表現較低；在抽雄吐絲期，佳單108表現較大，其他3個品種均表現較小（圖2）。

2.1.4玉米冠層光合有效輻射（PAR）截獲率在玉米抽雄吐絲期，佳單108玉米品種的冠層光合有效輻射截獲率較大，為88.4%；其次是紅單3號，為85.4%；而興黃單892表現較小，為72.8%。在玉米穗位葉上層的截獲率方面，佳單108、路單6號均表現較高，而興黃單892、紅單3號卻表現較低（圖3）。

2.2玉米籽粒重金屬積累和富集系數

整體而言，4個玉米品種籽粒中的鎘、鉛、總砷含量均低于規定的限量，均屬于低積累品種，且佳單108籽粒相對與其他3

個品種，對鎘、鉛、總砷的積累均表現更低。其中，興黃單892籽粒對鎘的吸收較高，為0.023 mg/kg；路單6號（0.013 mg/kg）、佳單108（0.014 mg/kg）、紅單3號（0.014 mg/kg ）均較低。興黃單892對總砷的吸收較高，為0.077 mg/kg；其次是佳單108，為0.064 mg/kg；而紅單3號（0.059 mg/kg）、路單6號（0.057 mg/kg）較低。路單6號對鉛的積累表現較高，為0198 mg/kg；其次是紅單3號（0.159 mg/kg）、興黃單892（0124 mg/kg）；而佳單108表現較低，為0.095 mg/kg（圖4）。

3種重金屬在籽粒當中富集系數由大到小的順序分別是鎘>總砷>鉛，其中，興黃單892鎘的富集系數相對較大，其次是佳單108、紅單3號，路單6號表現較小；興黃單892總砷的富集系數相對較高，而佳單108、紅單3號、路單6號均表現較小；路單6號鉛的富集系數相對較高，其次分別是紅單3號、興黃單892，佳單108表現最小（圖5）。

3結論與討論

3.1玉米的干物質積累和葉面積指數

相關研究結果表明，在玉米的整個生育期內，干物質積累速率在花后將逐漸達到最大值，且最大值越往后推移其籽粒的產量將越高，而不同的品種和種植密度對玉米的物質生產和產量均有顯著影響[8]。高產實踐表明，增加花后的干物質量對提高產量具有重要作用，而產量在品種間存在顯著差異，產量較高的品種花后干物質生產及其向籽粒的分配比例較高[9]。不同品種的干物質積累量在開花前差異不顯著，而在開花后差異顯著，且隨著株高的增加花后的干物質量有所降低，另外不同品種不同部位的葉片所積累的干物質質量對籽粒產量的貢獻也是不相同的[10]。在高密度種植條件下，若寬窄行種植或使株行距的配置合理，則玉米群體中各個小氣候因素表現協調，所形成的小氣候有利于玉米的生長和發育，表現為冠層光合能力高，干物質積累量大，單位面積產量也高，且稀植大穗型玉米品種植株的干物質積累量較大[11-12]。本試驗結果表明，在高密、寬窄行種植條件下的4個主栽玉米品種中，紅單3號和佳單108的產量較高，且這2個品種花后干物質積累比例均表現較高，再次驗證了增加花后的干物質量對提高產量具有重要的作用。另外還得出4個玉米品種生物產量均無顯著差異，說明不同品種之間光合生產物質的分配是有差異的。玉米群體冠層結構合理，增產的潛力才會體現，而葉面積指數是群體質量的1個重要指標。隨種植密度的增加，不同品種的葉面積指數和葉向值增大，而在同一密度下，耐密型品種的葉傾角較小、葉面積指數和葉向值較大，密植條件下對冠層環境適應性不同的玉米品種其葉面積指數表現各不相同，適應性好的玉米品種吐絲后的平均葉面積指數表現較高[13-15]。本研究表明，在同等的種植密度下，產量較高的佳單108的最大葉面積指數表現較小，而產量較低的興黃單892的最大葉面積指數卻表現較高，這說明在高密條件下籽粒產量不隨最大葉面指數的增加而增加，最大葉面積指數對產量的貢獻有其適宜的范圍。

3.2玉米的冠層光合有效輻射和葉片SPAD值

干物質的生產和積累是玉米籽粒產量的基礎，干物質的生產主要是葉片通過光合作用把光合有效輻射進行轉化和固定的結果，而群體數量和冠層的結構又是影響玉米冠層對光合有效輻射截獲和利用的主要因素。研究結果表明，冠層的光合有效輻射截獲率隨種植密度的增加而增大，而冠層透光率隨密度增加而減小[16-18]。盡管寬窄行種植下的冠層光合有效輻射截獲量相對等行距而言呈現減少趨勢，然而冠層中的光環境得到了改善，最終的光合有效輻射利用效率卻有明顯的提升[19]。本研究結果表明，產量較高的品種其冠層光合有效輻射截獲率表現較高，故增加冠層的光合有效輻射截獲率對提高籽粒產量具有重要作用，且最大葉面積指數較小的佳單108其冠層和穗位葉上層的光合有效輻射截獲率卻均表現較高，說明在高密、寬窄行種植下選擇葉向值較大的品種有利于冠層對光合有效輻射的截獲和利用。

玉米葉片SPAD值是葉片中葉綠素的相對含量，在一定條件下其值的大小能客觀地反映出葉綠素含量的高低。葉片SPAD值分別與產量、生物量呈顯著正相關性，該值主要受氮肥水平影響，并因土壤肥力和生育期的不同而產生變異[20]，整體而言，葉片SPAD值隨著玉米生育期的推進呈現先升高后降低的趨勢[21]。也有研究表明，葉片SPAD值會隨種植密度的增加而降低，在吐絲期葉片葉綠素總含量在不同的密植條件下表現不同[17-18]。本研究結果表明，在高密寬窄行條件下，不同品種間葉片SPAD值表現有所不同，且在大喇叭口期至抽雄吐絲期高的葉片SPAD值其籽粒產量也表現較高。

3.3玉米籽粒的重金屬積累

土壤中的重金屬離子通過根的吸收進入植株體內以后，會對玉米植株的生長發育產生顯著的影響。在同一濃度下的單一污染中，鉛對玉米的毒害抑制主要表現在幼苗根長上，而鎘主要表現在幼苗的株高上，而復合污染物的毒性抑制主要表現在幼苗根長上[22]。重金屬離子會提高根系和葉片中可溶性蛋白含量，對葉綠素含量的影響與其濃度有關，中、高濃度的鎘離子會明顯降低根系中SOD和POD的活性[23]。然而也有研究表明，一定高濃度鎘和鉛離子能顯著提高玉米的籽粒產量和生物產量，且鎘和砷脅迫下的玉米穗軸質量會顯著增加[24]。玉米地上部重金屬含量大于根部重金屬含量，各種重金屬在器官中的分布規律不一致，玉米莖中的重金屬含量偏高，玉米根中的含量較低[25]。另外，籽粒和莖葉中的重金屬含量在不同品種間存在顯著差異，籽粒生物量、籽粒重金屬含量及重金屬轉運系數也是篩選低累積玉米品種的重要依據指標[26]。本研究結果表明，不同品種間籽粒對鎘、鉛和總砷的積累不同，且產量較高的品種其籽粒中鎘和總砷的積累和富集系數均表現較低。

在土壤重金屬污染較為嚴重的個舊礦區周邊農田內，高密和實行寬窄行種植下的4個主栽玉米品種中，產量較高的品種為紅單3號和佳單108。從產量形成方面來分析，這2個品種均具有較高的花后干物質積累比例，且紅單3號具有較高的最大葉面積指數，佳單108具有較高的葉片SPAD值及冠層和穗位葉上層的光合有效輻射截獲率。在籽粒重金屬積累和安全性評價方面，4個主栽玉米品種籽粒中的鎘、鉛和總砷的含量均未超標，均屬于重金屬低累積品種。其中，紅單3號玉米籽粒對鎘和總砷的積累均表現較小，而對鉛的積累呈中等水平，佳單108對鉛和鎘的積累表現較小，對總砷的積累為中等水平。

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