不同高粱品種對土壤重金屬Cd的積累差異

邵建均， 樓振邦， 徐立軍， 謝煒， 盧華兵， 喻曼*

(1.浙江省耕地質量與肥料管理總站，浙江 杭州 310005； 2.浙江省農業科學院 a環境資源與土壤肥料研究所，b玉米與特色旱糧研究所，浙江 杭州 310021； 3.桐廬縣農業技術推廣中心，浙江 桐廬 311500)

根據2014年全國土壤污染調查發現，我國大約1/5的農田土壤受到重金屬污染，每年因土壤污染造成農產品減產和重金屬超標損失高達200億元。其中，Cd元素超標率在重金屬污染中最高，約為7.0%[1-3]。土壤受Cd污染后，主要積累在土壤表層，不能進行生物降解。與其他元素相比，Cd以更低濃度對植物產生毒害作用，Cd污染不僅導致土壤退化、農作物產量、品質降低，而且通過雨水徑流和淋洗作用污染地表水和地下水，最終可通過直接接觸、食物鏈等途徑影響人類健康[4-5]。已有研究表明，人體中的重金屬Cd絕大部分來源于蔬菜，而蔬菜作物的Cd主要來源于土壤，部分來自灌溉水。目前對于土壤重金屬污染主要采用客土置換等物理方法或土壤淋洗、化學固化、動電修復的化學方法進行修復，有機改良劑修復重金屬污染土壤已被廣泛運用，特別是生物質炭、腐殖酸等有機改良劑具有很好的吸附性能，可顯著降低土壤中重金屬的含量。但是這些方法不僅成本昂貴，而且還會破壞土壤結構和微生物區系，造成二次污染[6-8]。因此，利用重金屬富集植物進行土壤修復一直被廣泛關注，富集植物多具有生物量高、忍耐性強和超積累污染物等特點，通過植物的根系直接將大量的污染元素吸收，從而修復被污染的土壤。高粱作為生產生物能源乙醇的優良作物原料，近年來因其對重金屬污染土壤有光合修飾特性，能吸收土壤中殘留的重金屬而被研究者作為土壤重金屬修復的重點研究作物[9-11]，高粱不僅具有耐干旱、高生物量、高光合作用效率和低生產成本等優勢，過去的高粱品種篩選的研究重點主要集中在其農藝性狀、抗病抗逆和生長條件的優化，而應用于耕地安全利用目的的篩選較少，因此，為了有效避免能源和糧食作物間的矛盾沖突，對不同品種高粱Cd積累差異進行研究和篩選，探尋適宜嚴管區種植的高粱品種，有望為重金屬污染農田修復提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試品種為浙江省種植的主要高粱品種，包括遼糯11、汾酒梁1號、川糯梁2號、衡糯9號、晉雜22、遼雜82。種子由浙江省農業科學院玉米與特色旱糧研究所提供。

1.2 試驗設計

采用隨機區組布置田間試驗，小區面積為1 m2，每個品種3個重復，共18個小區。試驗地點位于浙江省衢州市衢江區新塘底村。

1.3 樣品采集與分析測定方法

植株取樣時將高粱整株連根挖起，測量植株高度。樣品采集后把樣品按地上部和根部分開，用去離子水將莖、葉和根洗凈。鮮樣先在105 ℃下殺青30 min，后在70 ℃下烘干至恒重，分別測定地上部莖、葉和地下部根的干物質重，粉碎過20目篩，裝入樣品袋備用。

植株樣品中總Cd含量的測定方法參照《食品安全國家標準 食品中鎘的測定》(GB 5009.15—2014)，樣品經微波消解后，用原子吸收分光光度計測定出Cd含量。以國家標準參比物質植物樣品進行質量控制，國標樣分析結果均在允許誤差范圍內。

1.4 數據分析

數據分析采用Excel 2010和SPSS 25.0進行。富集系數=高粱各組織Cd含量/土壤中Cd含量；籽粒Cd轉運系數=高粱籽粒Cd含量/高粱各組織Cd含量。

2 結果與分析

2.1 不同品種高粱農藝性狀差異

不同品種高粱的農藝性狀存在顯著差異(表1)，發現晉雜22的株高、莖重、葉重、干量總體上均高于其他品種。6個品種單株干重大小為：晉雜22>遼雜82>衡糯9號>汾酒梁1號>遼糯11>川糯梁2號。

表1 不同高粱品種農藝性狀差異

2.2 高粱不同器官Cd吸收差異

表2結果顯示，不同高梁品種的不同器官對Cd的吸收規律存在差異，其中晉雜22和遼糯11不同器官對Cd的吸收表現為：葉>根>莖>穗，汾酒梁1號不同器官對Cd的吸收表現為葉>根>穗>莖，川糯梁2號和衡糯9號不同器官對Cd的吸收表現為根>葉>莖>穗，遼雜82不同器官對Cd的吸收表現為葉>莖>根>穗。總體而言，遼雜82的根、莖和葉對Cd的吸收均高于其他品種，汾酒梁1號的穗中Cd含量在6個品種中最高。

表2 不同高粱品種不同器官Cd含量 單位：mg·kg-1

2.3 不同高粱品種Cd富集系數差異

由表3可見，6個品種的高梁Cd富集能力存在顯著性差異。高粱根部的富集系數為2.80～5.05，平均系數為3.61，其中汾酒梁1號根部富集系數最低。高粱莖部的富集系數為1.66～5.41，平均系數為2.52，其中晉雜22的莖部富集系數最低。高粱葉部的富集系數為2.03～6.82，平均系數為3.56，其中川糯梁2號葉部富集能力最弱。遼雜82各個器官的富集能力都表現為最高。

表3 不同品種高粱Cd富集系數

2.4 不同品種高粱Cd轉運系數的差異

6個品種高梁不同器官Cd的轉運能力如表4所示。不同品種根、莖、葉的轉運系數分別為0.05～0.96、0.11～0.27、0.06～2.42，不同品種間不同器官的轉運能力在根和葉兩個部位差異較大。不同品種根的Cd轉運能力表現為遼糯11>遼雜82>汾酒梁1號>衡糯9號>晉雜22>川糯梁2號，不同品種葉的Cd轉運能力表現為衡糯9號>遼雜82>遼糯11>汾酒梁1號>川糯梁2號>晉雜22。

表4 不同品種高粱Cd轉移系數

3 討論

富集系數和轉運系數一般用于超積累植物的篩選，當系數大于1，可認為該植物具有超積累特性。但是目前用于重金屬污染修復的超積累植物植株偏矮小、地上生物量低，因而在實際重金屬植物修復工程中難以應用推廣。近期不少研究者發現，甜高粱不僅具有抗逆、抗旱、耐澇、耐貧瘠、耐鹽堿等易栽培的優良特性，可能還具有重金屬污染修復植物的特征[11-12]。

從本試驗中的6個高粱品種來看，不同品種間的生物量存在顯著差異，其中晉雜22和遼雜82表現為較高的生物量，說明這2個品種在相同的試驗條件下，重金屬Cd對其生長影響較小，相較其他品種，這2個品種更滿足重金屬修復植物的特征。不同品種的富集系數也存在顯著差異，而且富集系數均大于1，說明所選高粱品種都具備Cd富集植物的特性，其中以遼雜82富集能力最強。但是不同品種的轉運系數差異不顯著，且系數都小于1，這可能跟6個品種均為釀造雜交種，生理特性較為相似有關。綜合比較不同性狀，6個品種中遼雜82同時具備了高生物量與高富集系數的特性，因此，該品種更適合在重金屬污染土壤修復中種植。