小麥對土壤鉻富集和轉運的品種差異性研究

王彥蘇，李士偉，于學臻，李合蓮*，馬義兵

（1.濟南大學水利與環境學院，濟南 250022；2.澳門科技大學澳門環境研究院，澳門 999078）

鉻（Cr）存在多種形態（-2~+6），環境中最常見和最穩定的形態是六價鉻[Cr（Ⅵ）]和三價鉻[Cr（Ⅲ）]。Cr（Ⅲ）被認為是對人和動物有益的微量營養元素，而Cr（Ⅵ）被認為是A類人類致癌物。農田土壤Cr污染不僅會對生態環境造成影響，還會增加Cr在作物可食部分的累積，進而通過食物鏈給人類健康帶來潛在危害。

作物對Cr的吸收和轉運因品種而異。例如CAO等研究了水稻基因型對Cr吸收的影響，發現天優805、Ⅱ優904，甬優412（甬優17號）為Cr的高累積品種，春江糯6、嘉優08-1和川香優H11為Cr的低累積品種。陳惠君等比較了37個菜心品種對Cr/Pb復合污染土壤中Cr和Pb的累積，發現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碳和H少，鈣離子通道不活躍，對重金屬的活化和吸收能力弱。李智鳴通過田間試驗比較了347個花生品種籽粒中Cr的富集情況，發現花生籽粒中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）是采用統計分布函數對試驗中獲得的不同物種的毒理數據進行擬合，以獲得不同保護水平對應的濃度閾值或者對應不同濃度的風險水平的方法。SSD方法常用于制定環境質量基準及進行生態風險評估。近年來，SSD方法也用于化學物質毒性的比較。此外，若以生物富集系數（BCF）為評價終點，SSD曲線還可以用于比較不同作物品種對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Cr的富集情況尚不清楚。因此，本研究選擇土壤性質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），通過盆栽試驗研究了12個品種的小麥對Cr的累積和轉運，以BCF作為評價終點，構建SSD曲線，對不同小麥品種的富集能力進行比較。研究結果可以為Cr的低累積小麥品種篩選及中、低濃度污染土壤中農產品安全風險評估提供依據。

1 材料和方法

1.1 土壤采集及理化性質分析

供試土壤（山東潮土和江西紅壤）均采自未受污染的農田表層（0~20 cm）。樣品風干，混勻，過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計測定；土壤有機質使用重鉻酸鹽法測定；土壤陽離子交換量（CEC）用乙酸銨法測定；土壤中黏粒含量用移液管法測定；土壤無定形Fe、Al用草酸銨溶液提取，并用紫外可見分光光度計測定；土壤中總Cr采用硝酸-高氯酸-氫氟酸（體積比為15∶2∶2）進行消解，并利用火焰原子吸收光譜法測定。土壤理化性質測定結果見表1。

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

1.2 污染土壤的制備及老化處理

本研究重點關注的是中、低污染水平的非毒害效應濃度下小麥對土壤Cr的吸收和富集，而非生態毒害作用。根據預試驗結果，外源Cr（Ⅵ）添加濃度為45mg·kg并老化3個月后，山東潮土中小麥幼苗的生長仍然有明顯的毒害效應產生。此外，CHEN等發現，土壤中Cr（Ⅵ）濃度為20 mg·kg時，小麥根系生長受到明顯的抑制。綜合以上結果，本研究最終確定設置3個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

供試小麥共計12個品種，其中濟麥22、石麥14、百農AK58、山農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19為冬性品種，揚麥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。將萌發的種子進行播種，每盆播種10顆，每個處理3個重復。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。盆栽試驗于2018年10月中旬至2019年6月初在濟南大學溫室進行。試驗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，對麥穗進行脫殼，獲取小麥籽粒。分別用自來水和去離子水進行徹底清洗，用濾紙吸去表面水分，稱取鮮質量。鮮樣在105℃下殺青20 min，然后70℃條件下烘干至恒質量，記錄干質量，將樣品粉碎，裝入紙袋中儲于干燥器內。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，用石墨消解儀進行消解，消解液經趕酸、定容至50 mL后過濾、稀釋，用電感耦合等離子體質譜儀（ICP-MS，Agilent-7500a）測定Cr濃度。

收獲小麥的同時進行土壤采樣，樣品風干后研磨過2 mm篩，用于測定有效態Cr含量。準確稱取土壤樣品1.00 g于50 mL離心管中，加入10.0 mL 0.050 mol·LEDTA-Na，40℃恒溫搖床內180 r·min振蕩12 h，13 500離心，取上清液過0.45μm濾膜，稀釋后利用ICP-MS進行有效態Cr（EDTA-Cr）含量的測定。

整個分析過程中，用小麥標準物質（GBW10046）和土壤標準物質（GBW07424）進行質量控制，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 數據處理與分析

1.5.1 數據處理

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

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運系數（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，而Burr-Ⅲ分布是一種更靈活的函數，可以對log-logistic、log-nor?mal等分布函數進行很好的逼近。因此本研究采用Burr-Ⅲ函數對1/BCF數據進行擬合，建立12種小麥對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 統計分析

用SPSS 22軟件對數據進行統計分析。采用單因素方差分析（ANOVA）檢驗不同處理間的差異，運用多因素方差分析檢驗小麥品種與土壤類型及其交互作用對小麥秸稈和籽粒Cr含量的影響，秸稈和籽粒Cr含量的相關性以及籽粒Cr含量和TF之間的相關性通過皮爾遜相關分析進行確定。

2 結果與分析

2.1 不同土壤中有效態Cr含量的差異

土壤中EDTA-Cr濃度見表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17和周麥27的土壤和T2處理下種植山農17、中麥895和輪選988的土壤外，都表現出山東潮土中EDTA-Cr含量高于江西紅壤的現象。

表2 山東潮土和江西紅壤中有效態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，除種植濟麥22、石麥14、百農AK58和良星77的T1處理土壤外，其余土壤中EDTA-Cr含量均顯著高于對照土壤。江西紅壤中，除種植濟麥22的土壤及種植煙農19和百農AK58的T1處理土壤外，其余土壤中EDTA-Cr含量均顯著高于對照土壤。此外，除個別小麥品種外，T2處理土壤中EDTA-Cr含量均顯著高于T1處理土壤。總體上看，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《食品安全國家標準食品中污染物限量》（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%。總體來說，山東潮土中12個品種的小麥籽粒中Cr含量均顯著高于江西紅壤中相應品種的籽粒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Cr的TF計算結果。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（0.01）。

圖2 小麥對Cr的轉運系數（TF）Figure 2 Translocation factor（TF）from wheat straw to grain

表3為小麥品種和土壤類型對小麥籽粒Cr含量影響的方差分析結果。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。從各因子和兩個因子互作對Cr含量變化的貢獻（平方和，SS）可以看出，土壤類型對小麥籽粒Cr含量影響最大。

表3 品種和土壤類型對小麥籽粒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 不同品種小麥對土壤Cr的富集能力差異

根據公式（1）計算不同品種小麥基于土壤EDTA-Cr濃度的BCF值，用BurrliOZ軟件對1/BCF進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Cr的富集能力存在很大差異。此外，小麥對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Cr的小麥生物富集系數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、濟麥22、川麥104、揚麥20、石麥14和江西紅壤中的濟麥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，這可能是因為本研究Cr（Ⅵ）總體添加濃度較低，導致富集規律性不夠明顯。輪選988對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17對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個品種的小麥BCF值分別為0.19（石麥14）~1.38（百農AK58）和0.18（山農17）~1.62（濟麥22）。

在山東潮土中，T1和T2處理下，百農AK58位于SSD曲線的下端，富集Cr的能力最強，其BCF值分別為1.01和0.60。魯原502和濟麥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，揚麥20位于SSD曲線底端，是富集Cr最高的品種（BCF=1.42），山農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，是Cr的高累積小麥品種；山農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 土壤類型對小麥Cr含量的影響

本研究發現小麥Cr含量受土壤類型影響最大，這與張國慶的研究結果一致。此外，程旺大等研究了水稻籽粒中Cr含量與基因型和環境變異的關系，亦發現環境對籽粒Cr含量的影響最大。而伍鈞等則發現影響玉米籽粒富集Cr能力的因素排序為環境與品種互作>品種>環境。以上不同的結論可能是源于供試作物種類不同以及土壤理化性質的差異。

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的存在形態和土壤性質有著密切關系。相同Cr（Ⅵ）污染水平下，土壤老化1 a后，山東潮土中有效態Cr的濃度顯著高于江西紅壤。這可能是因為兩種土壤對Cr（Ⅵ）的還原容量存在較大差異。Cr（Ⅵ）向Cr（Ⅲ）的還原反應是影響土壤中Cr（Ⅵ）生物有效性的關鍵過程，該過程與土壤pH、有機質含量及土壤顆粒組成等因素關系密切。低pH值、高有機質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，有機質含量高，黏粒占比大，因此還原Cr（Ⅵ）能力較強，這在本課題組先前的研究中已經得到證實。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 品種對小麥Cr含量的影響

大多數Cr是通過植物吸收必需離子的載體而進入植物體內的，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988兩個品種籽粒Cr含量和江西紅壤中輪選988和揚麥20秸稈Cr含量與其他絕大多數小麥品種間存在顯著差異。與本研究的結果類似，陳啟航發現不同品種的小麥對土壤背景Cr中Cr（Ⅲ）及總Cr的富集程度存在很大差異，這主要是因為不同品種的生理特性及基因差異。

一般來說，土壤源重金屬在植物各器官中的分布規律為根>秸稈>籽粒。本研究中也發現了同樣的規律，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，這說明秸稈和籽粒富集Cr的能力不同。與本研究結果類似，TIWARI等發現Cr在豌豆不同器官中的累積順序為：根>莖>葉>籽粒。同時，本研究發現，不同品種小麥籽粒中Cr含量的差異主要是秸稈中的Cr遷移轉運到籽粒能力的差異引起的。這與YE等的觀點類似，即稻米對鎘（Cd）的累積與莖葉到籽粒的轉運系數相關。

3.3 土壤污染水平對小麥Cr含量的影響

在本研究中，由于外源Cr（Ⅵ）添加水平較低，且土壤老化時間較長，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。而趙魯等研究發現，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，且顯著高于對照處理。這說明小麥籽粒Cr含量受土壤Cr含量的影響。

4 結論

（1）小麥品種的富集順序受土壤性質的影響，在山東潮土和江西紅壤中呈現出不同的規律。外源添加Cr（Ⅵ）后，山東潮土（堿性）中Cr的化學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Cr的吸收富集和轉運能力存在顯著差異。不同品種籽粒Cr含量的差異主要源于轉運能力的不同。

（3）山農17是Cr的低累積小麥品種，百農AK58是Cr的高累積小麥品種。