不同Cd污染程度下穇子品種Cd富集與轉運效率研究

李基光 王艷蘭 王利群 湯 睿 陳光輝

(湖南農業大學1， 長沙 410128) (湖南省作物研究所， 長沙 410125)

我國有些地方的有色金屬產業在取得長足發展的同時，也帶來了諸多環境問題，尤其是導致土壤重金屬污染嚴重[1]。土壤重金屬Cd被認為是首要污染物，Cd生物毒性高且移動性強，易導致土壤肥力降低[2]，嚴重制約著農業可持續發展。Cd被土壤吸收后，通過食物鏈進入人體，進而危害人類健康[3]。因此，Cd污染區農產品安全性被廣泛關注，安全品種篩選與種植結構調整成為降低農產品 Cd污染風險有效策略。

穇子(Eleusinecoracana(L．) gaertn．)，又叫龍爪稷、鴨爪粟、堿谷等，禾本科(Gramineae)穇屬(Eleusine)1年生草本植物。穇子起源于非洲，因其具有耐旱、耐瘠薄、耐鹽堿、適應性強等特性，在世界很多地方如亞洲的印度、緬甸、斯里蘭卡、尼泊爾、中國、日本，非洲的烏干達、肯尼亞、盧旺達、索馬里等都有種植[4,5]。穇子是世界第四大小米，僅次于高粱、珍珠粟、谷子，是一種非常重要的糧食作物。穇子在非洲很多地區作為主糧生產，全世界常年種植面積約400～450萬公頃，產量約450萬t。我國的湖南、浙江、河南、云南、貴州、四川、廣西、陜西、西藏等省區均有分布[6]。穇子是一種藥食飼多用的特色作物，其籽粒營養豐富，含有較多的膳食纖維、多種氨基酸、多酚、礦物質，尤其是的鈣和鉀含量特別豐富[7-8]。在我國很多山區穇子作為一種重要的救災作物，是主糧的一種主要補充，對當地人們的生活有著重要的影響。同時，穇子在預防結腸癌、腸道疾病、冠心病和糖尿病、輔助降低血糖、預防成年的骨質疏松等方面起著重要作用[9-12]。其秸稈作為牧草喂養奶牛，能夠顯著提高牛奶品質[13]。

近年來，穇子的價值不斷被開發利用，越來越受到廣大消費者的青睞，對穇子的需求也越來越大。因此，開展穇子作物Cd安全性研究就顯得尤為重要。本研究以9個主栽地方品種為材料，在中輕度和重度Cd污染農田開展大田實驗，研究兩種Cd污染土壤下，穇子的Cd富集、轉運特征，分析影響不同穇子籽粒Cd富集及轉運的主要因素，為穇子在中輕度、重度Cd污染區安全種植提供品種選擇。同時，為穇子在中輕度、重度Cd污染地區種植結構調整中的應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗地概況

實驗布置在輕度和重度Cd污染農田。輕度Cd污染農田位于某蔬菜基地用Cd1表示：土壤全Cd含量0.64 mg/kg，有效Cd 0.27 mg/kg，pH值6.4，土壤有機質40.6 g/kg。重度Cd污染農田位于某水稻田用Cd2表示：土壤全Cd含量3.10 mg/kg，有效Cd 1.74，pH 6.14，土壤有機質42.8 g/kg。

1.2 實驗材料

供試材料為9個穇子品種，來自湖南省農科院作物所資源課題組，均為地方主栽品種，對應編號為C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9。

1.3 實驗設計

所有品種于2019年4月11日播種，隨機區組排列，三次重復。小區設計規格為2 m× 5 m，穴播，穴距為10～15 cm，行距為20～25 cm，每穴播種8～12粒，留苗4～5株。田間栽培管理操作按常規措施進行。在穇子成熟期，取各品種的根、莖稈、籽粒，分別裝袋，風干待測。

土壤和植物樣品中重金屬元素測定：土壤樣品風干后磨細過2 mm 網篩備用。稱取0.5 g土壤樣品采用HCl-HNO3-HF·H2O-HClO4全消解的方法，用Z2310原子吸收分光光度計進行Cd含量的測定。植物樣品采用HNO3-HClO4消解，植物樣品中的Cd元素采用石墨爐原子吸收分光光度法(Z2000)測定。

1.4 數據處理與分析

采用Microsoft Excel 2007和DPS軟件進行數據整理及相關性分析。

Cd富集系數(BF) =穇子植株各部位Cd含量/土壤Cd含量

(1)

富集系數越大，表示穇子積累重金屬能力越強。

土壤-根Cd的轉移系數(TF)=根的Cd含量/土壤的Cd含量

(2)

根-秸稈Cd的轉移系數(TF)=秸稈的Cd含量/根的Cd含量

(3)

秸稈-籽粒Cd的轉移系數(TF)=籽粒的Cd含量/秸稈的Cd含量

(4)

轉運系數越高，表示Cd的轉運能力越強。

2 結果與分析

2.1 不同穇子品種產量與各器官Cd含量的差異

由表1可以看出，在Cd1和Cd2兩種背景下，9個穇子品種間產量、籽粒、秸稈、根Cd含量差異顯著，變異系數均超過15%。

表1 不同Cd背景下穇子產量、籽粒、秸軒、根Cd含量及變異系數

Cd2籽粒Cd含量明顯高于Cd1。Cd1籽粒Cd含量在0.044～0.099 mg/kg，均低于GB 2762—2017《食品安全國家標準食品中污染物限量》中食品的鎘限量標準(谷物為 0.1 mg/kg)；Cd2籽粒Cd含量在0.175～0.423 mg/kg，低于GB 13078—2017《國家飼料飼料衛生標準》中飼料原料限量標準(植物性飼料原料為≤1.0 mg/kg)。

2.2 穇子產量與各器官Cd含量相關性分析

在Cd1和Cd2兩個背景下，分別對不同穇子品種產量、籽粒、秸稈、根Cd含量進行相關分析，結果表明穇子產量與籽粒Cd含量相關性不大。Cd1中秸稈Cd含量與籽粒Cd含量呈正相關，且達到顯著水平(r=0.70*)； Cd2中根Cd含量與秸稈Cd含量呈正相關，且達到極顯著水平(r=0.80**)。

2.3 穇子產量與籽粒Cd含量的聚類分析

為了篩選出高產低Cd的穇子品種，對9個穇子品種的產量和籽粒Cd含量進行聚類分析，結果見圖1、圖2。通過聚類分析，可將Cd1 9個穇子品種分為3類：C1、C6、C4、C5為中產高Cd品種，C3、C8、C7為低產低Cd品種，C2、C9為高產中Cd品種。可將Cd2 9個穇子品種分為2類：C1、C4、C6、C5、C3、C8、C7為低產中Cd品種，C2、C9為高產中Cd品種。品種C2、C9在Cd1、Cd2背景下均表現出高產、籽粒中等聚Cd的特點。

圖1 Cd1不同穇子品種產量和籽粒Cd含量的聚類分析

圖2 Cd2不同穇子品種產量和籽粒Cd含量聚類分析

2.4 不同Cd背景下穇子不同器官中Cd的富集系數

由圖3、圖4可知，在Cd1和Cd2兩種背景下穇子根系、秸稈、籽粒的Cd富集效率均為籽粒<秸稈<根系，且根部Cd富集系數遠高于秸稈和籽粒，不同品種間各器官富集系數存在差異。在Cd1和Cd2中穇子籽粒富集系數差異不大；Cd1秸稈富集系數只有Cd2的一半；Cd2中穇子根系富集系數均高于Cd1。

圖3 Cd1穇子不同器官中Cd的富集系數

圖4 Cd2穇子不同器官中Cd的富集系數

2.5 不同Cd背景下穇子不同器官中Cd的轉運系數

如圖5、圖6所示，在Cd1和Cd2兩種背景下，穇子根系、秸稈、籽粒的Cd轉運效率高低順序均為土-根>根-秸桿>秸稈-籽粒，且土壤-根Cd轉運系數遠高于根-秸稈和秸稈-籽粒。總體來說，Cd2的土-根轉運系數均遠高于Cd1；穇子根-秸稈轉運系數在Cd1和Cd2中差異不大；Cd1的秸稈-籽粒轉運系數均高于Cd2；但品種間也有差異。

圖5 Cd1穇子不同器官中Cd的轉運系數

圖6 Cd2穇子不同器官中Cd的轉運系數

3 討論

Cd是作物生長的非必需元素，容易在作物體內積累，當達到一定量時，就會對作物產生毒害，從而影響作物的產量和質量。孫鐵珩等[14]認為，作物生物量一定程度上可以反映植物對逆境的響應情況，通常植物對土壤中的重金屬濃度有一定的耐受閾值，超過耐受的臨界濃度則表現為生長量降低，生長受抑。本研究中，不同穇子品種的產量和Cd富集能力存在明顯的基因型差異，且產量差異在不同Cd背景下影響基本一致。李坤權等[21]研究了Cd在20個水稻品種體內的積累與分配，結果表明糙米中的Cd濃度和積累速率與水稻產量呈顯著正相關，即高產伴隨高Cd。與前人研究不同的是，穇子的產量與籽粒Cd含量相關性不大，所有穇子品種均表現出較強的Cd耐受能力，可以在Cd濃度較高的土壤中正常生長，而且對產量影響不大。有研究表明，水稻同一生育期不同器官之間的Cd含量相關性不大[15]。但在本研究中發現：在低Cd土壤條件下，穇子秸稈Cd含量與籽粒Cd含量顯著正相關，可見在低Cd條件下秸稈對Cd的轉運效率較高，Cd更容易在籽粒中積累；在高Cd土壤條件下，根Cd含量與秸稈Cd含量極顯著正相關，可見在高Cd條件下根對Cd的轉運效率高，Cd容易在秸稈中積累。

富集系數在一定程度上反映了土壤-植物系統中重金屬遷移的難易程度，說明重金屬在植物體內的積累能力[19]。研究發現，進入植物體中的Cd富集于根部，根部Cd的積累一般大于莖葉等其他組織，多數植物大約65%～90%的Cd存在于根部[16]。本研究中，在高低兩種Cd背景下，所有穇子品種各器官的Cd累積量為根>秸稈>籽粒，而且各器官在高Cd土壤中Cd的累積量明顯高于低Cd土壤，這與魏樹強[17]、Noci等[18]的研究結論相似。在高Cd背景下，秸稈、根系的Cd富集系數遠高于低Cd背景，但籽粒的Cd富集系數卻低于低Cd背景。重金屬Cd從土壤轉運到籽粒的程度很小，大部分Cd被截留在根部以及莖葉部分，這可能是作物的一種生殖保護機制，使重要的生殖器官免受元素過量吸收的毒害，這可能也是穇子對Cd較耐受的主要原因[20]。龍小林等[22]的研究發現，秈稻CG132R和粳925各器官均在低濃度Cd處理下具有較高的Cd富集系數，說明水稻植株各器官在低Cd土壤中具有較強的Cd富集能力。

本研究中，穇子根系、秸稈、籽粒的Cd轉運效率高低順序均為土-根>根-秸桿>秸稈-籽粒，且土壤-根Cd轉運系數遠高于根-秸稈和秸稈-籽粒。高Cd土壤條件下，穇子土-根轉運系數是低Cd條件下的一倍，但到了根-秸稈環節，兩種條件下Cd的轉運系數相當，最后在高Cd土壤條件下秸稈-籽粒的轉運系數不到低Cd條件下的一半，可見穇子對Cd的吸收和運轉是主動的、可調節的、具有品種差異、器官差異和背景差異的。

由于穇子根和秸稈對Cd的富集能力與轉運能力較強，在高Cd污染地區種植后把其秸稈和根系移除，可起到一定土壤修復的作用。本文論述了穇子作為Cd累積作物修復Cd污染農田的可行性，提供了其在種植結構調整中作為替代作物的科學依據。但本研究也存在一些不足，如缺乏穇子生物量的調查數據，不能為飼用穇子生產提供更充分的依據。下一步將針對Cd對穇子營養品質的影響開展相關研究。

4 結論

Cd在穇子體內各器官的分配規律為根>秸稈>籽粒。Cd從土壤轉運到籽粒的程度很小，大部分Cd被截留在根部以及莖葉部分，使重要的生殖器官免受元素過量吸收的毒害。

Cd在穇子體內的運轉規律為土-根>根-秸稈>秸稈-籽粒。穇子對Cd的吸收和運轉是主動的、可調節的、具有品種差異、器官差異和背景差異。

不同穇子品種的產量和Cd富集能力存在明顯的基因型差異，且產量差異在不同Cd背景下影響基本一致。中輕度Cd污染條件下，9個穇子品種籽粒Cd含量均<0.099 mg/kg，低于國家食品Cd安全標準；重度Cd污染條件下，9個穇子品種籽粒Cd含量均<0.5 mg/kg，低于國家飼料Cd安全標準。品種C2、C9產量高，Cd吸收能力中等，推薦在域值范圍內使用，從而實現種植結構調整，安全高效生產。