肖亞濤,王德哲,李世欣*,王 龍,孫超祥,郭 魏
(1.中國農業科學院 農田灌溉研究所/農業水資源高效安全利用重點實驗室,河南 新鄉 453002;2.河南農業大學 機電工程學院,鄭州 450002;3.河南農業大學 資源與環境學院,鄭州 450046)
【研究意義】鎘(Cd)作為人體和植物非必須元素在自然界中廣泛存在,具有較強的生物毒性,被動植物吸收后難以排出體外。長期取食富含Cd 的食物,可導致Cd 在人體內過量累積,給人體器官組織造成難以修復的損失。據《全國土壤污染狀況調查公報》顯示[1],土壤Cd 污染點位超標率為7%,且主要以輕微污染土壤為主,分布從西北到東南、從東北到西南方向逐漸升高的態勢[2]。土壤Cd 污染給我國農業安全生產帶來巨大潛在危害。土壤安全是農業生產安全的基本前提,但鑒于我國耕地資源狀況以及農業生產比重,無法將Cd 污染耕地全面有效的“退耕還林”或“休耕”。因此,開展切實可行且能保證作物安全生產的修復措施,實現中、低Cd 污染土壤安全利用已成為當前研究熱點。玉米(Zea mays)作為我國主要的糧食作物和飼料作物,研究證實土壤Cd 污染對玉米產量和品質存在顯著負向效應。探明不同基因型玉米受Cd 脅迫后植株體內Cd 的分布和積累規律,明確玉米受Cd 脅迫下品種間差異及污染效應,對緩解我國土壤Cd 污染問題,保障糧食安全和飼料安全具有重要的理論意義和應用價值。
【研究進展】在1955—1972 年,日本富山縣神通川流域發生Cd 污染造成的“骨痛病”公害事件。1974 年,聯合國環境規劃署和國際勞動衛生重金屬委員會正式將Cd 定為重點污染物[3]。在此之后,世界各國專家學者相繼開展Cd 污染的相關研究。隨著我國工業快速發展、農業生產現代化和污水、污泥開發利用等人類活動,Cd 污染引起的環境污染問題日趨嚴重,已成為制約我國農業可持續安全生產的“瓶頸”。2013年2 月27 日,《南方日報》發表了題為“湖南問題大米流向廣東餐桌”的報道,“鎘大米”迅速發酵,引起社會廣大關注[4]。2017 年河南某地區小麥Cd 量超出國家食品安全限定值1.7~12.8 倍,小麥Cd 污染問題成為繼“鎘大米”之后另一關注焦點[5]。
為保證我國的糧食產量和質量安全,迫切需要解決現有耕地的Cd 污染問題。當前針對土壤Cd 污染問題,已有土壤修復技術達到上百種,可分為物理修復、化學修復和生物修復3 類,相關修復原理可歸為:①降低土壤中有害物質在環境中的可遷移性與生物可利用性;②降低土壤中有害物質的濃度[6]。其中降低土壤中Cd 的遷移能力及有效性,阻控植株對Cd2+的吸收或在可食用器官的積累,已成為當前對中、低度污染耕地安全生產和利用切實可行的治理方法。大量關于土壤鈍化劑、葉面噴施阻隔劑等相關研究火熱開展,伴隨著大量化學試劑或藥劑的使用對土壤環境擾動較大,同時存在潛在風險。而借助作物品種對Cd 的吸收差異特性,亦可實現對土壤Cd2+的低吸收或低積累。張儒德等[7]對不同基因型水稻研究結果顯示,在中輕度污染土壤中選種Cd 低積累品種可以實現稻米的安全生產。熊孜等[8]通過對黃淮海平原9 個小麥種植區59 個小麥品種研究證實,篩選特定的小麥品種可以安全種植于不同Cd 污染濃度土壤。杜彩艷等[9]對24 個玉米的研究也表明籽粒低積累玉米種可以用于污染土壤安全生產。
【切入點】當前關于不同基因型作物品種對Cd吸收積累特性和生產適用性的研究主要集中于水稻、小麥等作物,而關于玉米的相關研究相對薄弱。部分關于不同基因型玉米的研究又多為單一Cd 污染濃度下品種篩選[10]或吸收積累特性[11]等研究,缺乏差異品種對不同Cd 濃度的適應性認知。【擬解決的關鍵問題】因此本研究擬通過田間微區試驗,探討玉米品種的Cd 脅迫濃度效應和Cd 積累分布差異,明確Cd 污染濃度對玉米積累特性的影響效應,為籽粒低積累玉米篩選工作和Cd 污染土壤安全生產提供理論依據。
本試驗于2020 年6 月—2022 年10 月在河南省新鄉市紅旗區中國農業科學院農田灌溉研究所農業水土環境野外科學觀測試驗站內進行。該試驗區域多年平均氣候條件為:氣溫14.10 ℃,無霜期210 d,日照時間2 398.80 h,降水量588.80 mm,蒸發量2 000 mm。為充分接近大田生產實際情況,同時兼顧不擴大農田污染的原則,試驗采用汽油桶(內徑60 cm,高90 cm)作為容器埋入大田之中,并將原位砂壤土逐層回填作為田間微區。
本試驗田間微區Cd污染是依據多年污灌農田Cd垂直分布規律,于2014 年采用水溶沁潤方法對表層土壤(0~20 cm)進行Cd 梯度處理獲得。試驗共設置6 個Cd 質量分數處理,每個處理6 個重復。后經連續多年耕作和土壤取樣,表層土壤Cd 污染質量分數實測值為CK(0.16 mg/kg)、T1(1.70 mg/kg)、T2(4.35 mg/kg)、T3(6.71 mg/kg)、T4(9.78 mg/kg)、T5(15.76 mg/kg),各處理土壤理化性質如表1 所示。

表1 不同Cd 質量分數處理的土壤理化性質Table 1 The physical and chemical properties of soil treated with different Cd concentrations
試驗所選用的玉米品種為鄭單958(ZD)和先玉335(XY),每微區保留2 株玉米,在生育期內所有處理均采用統一的田間水肥管理模式。待玉米成熟后,將玉米植株整株取出帶回實驗室,用自來水沖洗根系,然后用10 mmol/L 的EDTA 浸泡根系5 min,之后用去離子水沖洗2~3 遍。將玉米植株按根、莖、葉、苞葉、穗軸、籽粒等組織器官進行處理,放置烘箱75 ℃烘至恒質量。將烘干后的各組織器官進行粉碎,采用微波消解-原子吸收分光光度法,測定各器官中含Cd 量。
用Excel 2021 處理數據和繪圖,用SPSS 26.0 軟件進行單因素方差分析(one-way ANOVA),并對不同處理間的差異進行Duncan 多重比較,顯著性水平為P≤0.05。對Cd 處理、各組織Cd 量進行Pearson相關分析,顯著水平為P≤0.05。
富集系數(BCF)=植株地上部Cd 量/土壤中Cd 量;
轉運系數(TF)=植株地上部Cd 量/植株根系Cd 量。
圖1 為不同Cd 質量分數處理下兩玉米品種各組織中含Cd 量,如圖1(a)所示,隨著Cd 處理質量分數的增大,ZD 和XY 根系中含Cd 量均呈增大趨勢。XY 品種各處理間Cd 量差異均顯著(P<0.05);而ZD 在T1 處理和T2 處理之間,以及T3 處理和T4 處理之間均無顯著差異(P>0.05)。在CK、T1、T2 處理和T4 處理下,XY 根系中的Cd 量分別為0.40、2.49、6.69、13.34 mg/kg,均高于ZD,但僅在T2 處理和T4 處理下差異達到顯著水平(P<0.05);在T3 處理和T5 處理下,ZD 根系中Cd 量則分別比XY 根系中Cd 量高33.75%和2.03%,T3 處理下品種差異顯著(P<0.05)。

圖1 不同Cd 質量分數處理下兩玉米品種各組織中含Cd 量Fig.1 The Cd content in tissues of two maize varieties under different Cd mass fractions treatments
如圖1(b)所示,ZD 和XY 莖中Cd 量隨著外界Cd 處理質量分數的增大呈增長趨勢,且除T3 處理和T4 處理之外,ZD 在處理間差異均達到顯著水平(P<0.05);而XY 也僅在T2 處理和T3 處理間差異不顯著(P>0.05)。T2 處理和T3 處理下ZD 莖中Cd量均高于XY,且在T3 處理下差異顯著(P<0.05);而CK、T1、T4 處理和T5 處理下,ZD 莖中Cd 量低于XY,但僅T4 處理下兩玉米品種間差異達到顯著水平(P<0.05)。
如圖1(c)所示,ZD 和XY 葉中Cd 量同根系和莖一致,均隨著Cd 處理質量分數的增大呈增長趨勢,ZD 在除CK 之外,各處理之間差異均達到顯著水平(P<0.05);在T2、T3、T4 處理和T5 處理下,XY 各處理之間差異均達到顯著(P<0.05)。對比ZD和XY,在除T1 之外的各處理下,ZD 葉中Cd 量均高于XY,在T4 處理下差異值0.43 mg/kg,達到顯著(P<0.05)。
如圖1(d)所示,ZD 苞葉中Cd 量隨著Cd 處理質量分數的增加呈增大趨勢,但CK 和T1 處理、T1處理和T2 處理、T3 處理和T4 處理間差異均未達到顯著水平(P<0.05);XY 苞葉中Cd 量在T3 處理下達到最大值2.52 mg/kg,與T2 處理和T5 處理一致顯著高于其他處理(P<0.05)。在各個Cd 質量分數處理下,XY 苞葉中Cd 量均高于ZD,且在T2、T3、T4 處理下差異均達到顯著(P<0.05)。
如圖1(e)所示,在CK、T1 處理和T2 處理下,ZD 和XY 穗軸中Cd量并無處理間和品種間的顯著差異(P>0.05);在T3、T4、T5 處理下,ZD 穗軸中Cd 量均顯著增大(P<0.05),而XY 在T3 處理和T4 處理間無顯著差異,但在T5 處理下顯著增大(P<0.05),達到極值。對比ZD 和XY,在T3、T4、T5 處理下ZD 穗軸中Cd 量比XY 高163.95%、443.53%、183.12%,差異顯著(P<0.05)。
如圖1(f)所示,ZD 籽粒中Cd 量隨著Cd 處理質量分數的增大而增大,但在T1、T2 處理和T3 處理間無顯著性差異(P>0.05);XY 籽粒中Cd 量則在T3 處理下達到最大值0.26 mg/kg,顯著高于CK、T1 處理和T4 處理。對比ZD 和XY,在CK、T1、T2、T4 處理和T5 處理下,ZD 籽粒中Cd 量均高于XY,且在T4 處理和T5 處理下差異顯著(P<0.05)。
植株各組織器官中Cd量分布規律及各器官中Cd量所占比例如圖2 所示。CK 玉米植株中Cd 量主要集中于葉組織器官內,ZD 和XY 葉中Cd 量占比分別達到43.02%和37.03%。在T1、T2、T3、T4、T5 處理下,植株體各組織器官中Cd 量主要集中于根系、葉和苞葉之中,其次為莖/穗軸,籽粒中Cd 量占比最少,僅為0.08%~5.12%。植株根系中Cd 量隨著玉米受到Cd 質量分數的增大而增大,ZD 根系Cd 量百分比為 45.50%~70.12%,XY 根系 Cd 量占比達到53.99%~72.74%。Cd 處理質量分數的增大,可以增加植株組織Cd 量,但并不會同比例增大其所占的百分比。對比ZD 和XY,兩玉米品種在Cd 質量分數脅迫應對機制基本一致,均為增加根系Cd 量占比,減少葉/苞葉分布比例。

圖2 不同Cd 質量分數處理下兩玉米植株各組織器官Cd 量占比Fig.2 Proportion of Cd content in each tissue of two maize plants under different Cd mass fractions treatments
以玉米植株各器官對Cd 的富集系數來反映其對重金屬Cd 富集能力的強弱,結果如表2 所示。不同Cd 質量分數下,玉米根系、莖、葉、苞葉、穗軸和籽粒的Cd 富集系數分別為0.65~2.49、0.09~0.86、0.18~3.35、0.13~0.79、0.04~0.93 和0.01~0.30。整體分析來看,CK 的ZD 和XY 植株的葉組織器官對土壤Cd 的富集能力最強,其次是根系、穗軸、苞葉、莖籽粒逐次遞減。當受Cd 脅迫后,ZD 和XY 植株各器官對Cd 富集能力發生變化,以根系富集系數最大,莖、葉和苞葉富集能力受Cd 脅迫質量分數和品種差異影響波動,但兩玉米品種及不同處理下籽粒富集系數始終最低。

表2 不同Cd 質量分數處理下兩玉米植株各組織Cd 富集系數Table 2 The Cd enrichment coefficients in tissues of two maize plants under different Cd concentrations
分析不同處理下ZD 各組織器官的富集系數發現,根系的富集系數與CK 相比在T1 處理和T2 處理下均顯著降低(P<0.05)。而在T3、T4、T5 處理下富集系數增大;莖、葉、苞葉各組織富集系數整體隨著Cd 處理質量分數的增大而降低,但莖或葉在不同處理間的差異均未達到顯著水平(P>0.05);籽粒隨Cd 處理質量分數變化規律與穗軸一致,即低Cd 質量分數(CK、T1、T2)下富集系數隨著Cd 處理質量分數的增大而降低,而中高度Cd 處理質量分數(T3、T4、T5)下富集系數在T4 處理處有一較小峰值。就XY 品種而言,各組織CK 的富集系數均顯著高于其他處理(P<0.05);在T1、T2、T3、T4 處理和T5處理下,根、莖、葉、苞葉、穗軸和籽粒的富集系數整體隨著Cd 處理質量分數增大而減小,其中根系富集系數在T2 處理和T4 處理呈雙峰轉折,而莖、葉和苞葉則分別在T4、T3 處理和T2 處理單峰轉折。
以玉米地上部組織對Cd 的轉運系數來表示植株對Cd 的轉運能力,結果如表3 所示。在不同Cd 質量分數處理下,玉米根-莖、根-葉、根-苞葉、根-穗軸、根-籽粒的轉運系數變化范圍分別為0.06~0.35、0.14~1.79、0.10~0.42、0.04~0.44 和0.01~0.16。CK的ZD 和XY 根系向地上部各組織中轉運規律具有一致性,均以根-葉轉運為主,其次為根-穗軸、根-苞葉、根-莖和根-籽粒。不同Cd 處理下,ZD 和XY 植株根系向地上部轉運能力整體隨著Cd 處理質量分數的增大而降低;同一Cd 脅迫處理水平下,以根-葉或根-苞葉的轉運為主,但存在品種差異和質量分數效應。分析不同處理下ZD 各組織器官的轉運系數發現,根-莖、根-苞葉和根-籽粒轉運系數在T1 處理和T2處理間差異均未達到顯著水平(P>0.05),但其轉運系數均顯著高于T3、T4 處理和T5 處理(P<0.05)。XY 根-籽粒轉運系數隨著Cd 處理質量分數增大而降低,且Cd 脅迫質量分數效應明顯;低質量分數Cd處理(T1)、中質量分數Cd 處理(T2、T3)和高質量分數Cd 處理(T4、T5)間轉運系數差異均達到顯著水平(P<0.05);而根-莖和根-葉轉運系數隨著Cd質量分數增大而整體減少,分別于T4 處理和T5 處理下呈單峰拐點,但不同處理間差異均未達到顯著水平(P>0.05);根-苞葉轉運系數則在T2 處理下達到最大值0.34,顯著高于其他Cd質量分數處理(P<0.05)。

表3 不同Cd 質量分數處理下玉米植株各組織Cd 轉運系數Table 3 The Cd transport coefficients in tissues of two maize plants under different Cd concentrations
各處理和各組織器官中Cd 量Pearson 相關分析結果見表4。Cd 處理質量分數與植株根系、莖、葉、苞葉、穗軸和籽粒中Cd 量均呈極顯著相關(P<0.01),其中與根系、莖、葉的相關系數分別達到0.973、0.961和0.963;根系與地上部組織(莖、葉、苞葉、穗軸、籽粒)中Cd 量的相關性也均達到極顯著水平(P<0.01),根系與莖、葉的相關系數分別為0.941 和0.943;莖與葉、苞葉相關系數分別為0.932 和0.722,與穗軸和籽粒相關系數僅為0.597 和0.585;籽粒中Cd 量與各組織Cd 量均顯著相關(P<0.01),其中與穗軸相關系數最大0.915,其次為葉0.729,與處理質量分數相關系數為0.679。由此可知,Cd 處理質量分數對兩玉米品種各組織器官均有極強的質量分數效應,對根、莖、葉的作用效應可能大于對苞葉、穗軸和籽粒的作用;籽粒中Cd 的積累可能存在除根系之外的其他組織器官中Cd 的二次分配。

表4 不同Cd 質量分數處理下兩玉米植株各組織Cd 量相關性Table 4 Correlation of Cd content in tissues of two maize plants under different Cd concentration treatments
玉米作為我國重要的糧飼兩用作物,探明不同玉米品種的Cd 積累特征與植株分布,對中度、輕度Cd污染土壤的安全種植和畜牧業的安全均具有重要的理論和實踐意義。Cd 在玉米植株中的分布規律為根系Cd 量大于莖葉[12]。在Cd 脅迫條件下,玉米各器官中Cd 量分布順序為根>莖>葉>籽粒[13-15],但鄧婷等[16]研究表明,華彩糯3 號和廣紅糯8 號玉米莖葉Cd 量大于根,而其他玉米莖葉Cd 量均小于根系。本研究中CK 兩玉米植株中Cd 量分布呈現為葉>根>穗軸>苞葉/莖>籽粒規律,隨著土壤Cd 量的增加,兩玉米品種植株根、莖、葉及籽粒中的Cd 量均逐漸上升,且主要分布于根系、葉和苞葉之中,其次為莖/穗軸,籽粒占比最少,莖、葉、苞葉及穗軸中Cd量與分布比例顯現出極大的品種間差異和Cd 脅迫質量分數效應。分析CK 組和處理間Cd 的根、葉分布巨大差異,主要在于Cd 量較低時并不能造成植株損傷,Cd 如同其他養分離子一樣被根系吸收并運輸至地上部組織,因此導致以葉中Cd 分布為主;而在土壤Cd 質量分數高于土壤質量三級標準(1.0 mg/kg Cd)時,過量的Cd 進入植株體內可引起植株損傷和品質安全問題,同時也激發了植株的自我保護機制。通過限制Cd 由根系向地上部的轉運(表3)和“區室化”等反應機制來降低Cd 的毒害作用,根系中Cd 的大量積累和分布很好的印證了這一點。但由于不同作物間品種遺傳特性決定其對Cd 的耐受閾值、響應機制和自我保護能力不同,這是導致不同品種在Cd 的器官分布、組織轉運和積累特性上存在差異的重要原因[17-18]。另外,考慮本試驗與以往研究在試驗容器、Cd 質量分數梯度、玉米品種、耕作方式、氣象環境均有所不同,導致對玉米植株Cd 的分布問題研究結果有所出入,有待進一步研究驗證。
根部吸收是Cd2+進入植株體內的主要途徑,而Cd 進入植株根部途徑與其他礦質元素一樣,可以分為2 種:一種是通過根表皮細胞間隙,自由擴散進入;另一種則是通過根表皮細胞(主要為根毛細胞)膜上運輸蛋白的轉運進入細胞內[19]。Cd 進入到根毛區后,先通過橫向運輸到達維管柱之后,經木質部裝載、運輸和卸載過程由根部轉移到地上部莖、葉、花等各個器官組織中。
根系中的Cd 經木質部運輸到地上部的過程被認為是決定地上部Cd 量的關鍵。Cd 在木質部轉運的過程中會在莖節點處的分散維管束內進行Cd2+由木質部到韌皮部的轉運過程,且在植株的生長發育過程中,地上部莖、葉等器官組織間會經過韌皮部組織對地上部Cd2+進行二次分配[20]。水稻籽粒中過量的Cd 積累與幼苗根系的吸收或Cd2+由根系向地上部轉移的能力無關,而與韌皮部向籽粒轉運Cd2+能力有關[21]。籽粒中91%的Cd 主要是通過韌皮部的運輸進入到籽粒中[20]。而小麥研究則認為籽粒中Cd 積累的調控機制不取決于地上部組織,而是在于根部或者根系吸收Cd 的能力[22]。灌漿期沒有發生Cd2+從葉到籽粒的韌皮部轉運,籽粒內的Cd2+來自于土壤中的根系吸收,而且籽粒內Cd2+積累與籽粒生物量的積累正相關[23]。Cd2+通過根木質部的轉運是莖和籽粒中Cd 積累的主要途徑[24]。但在本研究相關性分析顯示(表4),玉米籽粒與根系、莖、葉、苞葉、穗軸等器官中Cd 量均極顯著相關,且根系與苞葉、穗軸和籽粒的相關系數遠低于莖、葉。由此推斷,在不同Cd 質量分數處理下兩玉米植株后續器官(苞葉、穗軸、籽粒)中Cd量可能存在根系之外的其他組織中Cd的二次分配。這與文獻[20-21]的再分配理論相一致。但在本研究中沒有區分Cd 的短距離運輸過程和長距離運輸,未對Cd 轉運積累過程誘發植株的生理響應(激素水平、光合作用、水分吸收和礦質元素吸收等方面)進行分析,有待下一步深入研究。
依據食品安全國家標準中食品中重金屬Cd 限量標準(GB 2762—2017)[25]和國家飼料衛生標準(GB 13078—2017)[26],以及Cd 富集系數和轉運系數小于1 等方面對玉米生產適用性進行綜合評價。王艷芳等[27]利用盆栽模式設置1 mg/kg 和3 mg/kg 的Cd 污染梯度,對6 個玉米基因型品種Cd 吸收分配研究結果顯示,玉米鄭單958對Cd的富集和轉運能力最小,在1 mg/kg 的Cd 處理下滿足食品安全國家標準中重金屬Cd<0.1 mg/kg 限量標準,可在輕度Cd 污染條件下用于安全生產;而在3 mg/kg 的Cd 下,其籽粒中Cd 量遠超0.1 mg/kg,但符合飼料衛生標準(Cd<0.5 mg/kg),因此,認為該品種可作為飼料在中輕度Cd污染土壤下種植。孫洪欣等[28]研究華北地區1.03 mg/kg 的Cd 和56 mg/kg 的Pb 復合污染下適宜種植的9 個夏玉米品種對土壤Cd、Pb 的積累和轉運的潛力差異,鄭單958 和先玉335 籽粒中Cd 量均符合食品安全國家標準,且先玉335 籽粒和秸稈富集系數均低于鄭單958。而在本研究Cd 質量分數梯度下,兩玉米品種籽粒中Cd 量均高于0.1 mg/kg(食品安全國家標準),均不適用于在Cd 污染土壤下種植;而作為飼料ZD 僅適用于1.70~6.71 mg/kg 的Cd 污染質量分數范圍;XY 籽粒轉運系數和富集系數低于ZD,更適合作為飼料在1.70~15.76 mg/kg 的Cd 污染土壤上安全種植。這與王艷芳等[27]和孫洪欣等[28]研究結果不一致,其原因應為污染土壤Cd 的質量分數以及土壤類型不同所致。這也表明玉米應用于Cd 污染土壤種植有著敏感的質量分數界限和適種范圍。
1)CK 玉米植株中Cd 量分布主要集中于葉組織器官內。隨著Cd 質量分數增大,ZD 和XY 植株各組織器官中Cd 量的分布主要集中于根系、葉和苞葉之中,其次為莖/穗軸,籽粒中Cd 量占比最少。
2)當受Cd 脅迫后,ZD 和XY 根系對Cd 富集能力最大,莖、葉和苞葉富集能力受Cd 質量分數和品種差異影響波動,籽粒富集能力始終最低。籽粒中Cd 量與各組織Cd 量均顯著相關(P<0.01),其中與穗軸相關系數最大0.915。
3)在各Cd 質量分數下,ZD 和XY 籽粒中Cd量均高于0.1 mg/kg 食品安全國家標準,僅可作為飼料作物于特定的污染質量分數范圍內(ZD:1.70~6.71 mg/kg,XY:1.70~15.76 mg/kg)安全種植。
(作者聲明本文無實際或潛在的利益沖突)