大理云龍地區(qū)玉米對重金屬累積與轉運的品種差異研究

字曉 段艷濤 張順仁 楊獻清 和培鋮

摘要 ?在對沘江流域（云龍段）常年水稻種植區(qū)受污染耕地現狀調查的基礎上，進行當地主栽玉米品種篩選試驗，通過檢測玉米食用部分重金屬含量，結合各參選品種產量，篩選出適宜于當地種植區(qū)、產量穩(wěn)定、能安全利用的玉米品種，為大理云龍縣沘江流域受污染耕地安全利用和調整修復治理提供技術支撐。結果顯示，在試驗地塊的土壤鉛、鎘重金屬污染背景下（鉛含量310 mg/kg，鎘含量 9.29 mg/kg），4個受試玉米品種中，紅單6號、路單12號籽粒符合食品安全標準，會單4號、云瑞8號籽粒不符合食品安全標準，4個品種莖葉飼用均不合格。各品種實際產量由高到低依次為路單12號、紅單6號、云瑞8號、會單4號，再結合植株體內轉移系數反映出的植株器官累積重金屬元素特點，籽粒安全利用應首推路單12號。

關鍵詞 ?重金屬；低積累玉米品種；食品安全；云龍地區(qū)

中圖分類號 ?S513 ??文獻標識碼 ?A ??文章編號 ?0517-6611（2023）05-0026-05

doi： 10.3969/j.issn.0517-6611.2023.05.007

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Study on Variety Differences of Heavy Metal Accumulation and Transport in Maize in Yunlong Area of Dali

ZI Xiao， DUAN Yan-tao， ZHANG Shun-ren et al

（Dali Academy of Agricultural Sciences， Dali， Yunnan 671005）

Abstract ?Based on the investigation of the current situation of polluted cultivated land in the perennial rice planting area of the Bijiang River Basin （Yunlong section）， the screening test of locally cultivated maize varieties was carried out. By detecting the content of heavy metals in the edible part of maize and combining the yield of each candidate variety， the maize varieties suitable for the local planting area， stable yield and safe utilization were selected， which provided technical support for the safe use， adjustment， restoration and treatment of polluted cultivated land in the Bijiang River Basin of Yunlong County， Dali. The test results showed that under the background of heavy metal pollution of lead and cadmium in the soil of the test plot （lead content 310 mg/kg and cadmium content 9.29 mg/kg）， the grains of Hongdan 6 and Ludan 12 met the food safety standards， but the grains of Huidan 4 and Yunrui 8 did not meet the food safety standards， and the stems and leaves of the four varieties were unqualified. The actual yields of four varieties were in the order of Ludan 12 > Hongdan 6 > Yunrui 8 > Huidan 4. Combined with the characteristics of heavy metal accumulation in plant organs reflected by the transfer coefficient in plant， Ludan 12 was the first one for safe utilization of grains.

Key words ?Heavy metals elements;Low accumulation maize varieties;Food safety;Yunlong area

土壤是農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的基礎，是“舌尖上安全”的根本保證，是經濟社會可持續(xù)發(fā)展的物質基礎，關系到人民群眾的身體健康。當前，我國土壤環(huán)境總體狀況堪憂，部分地區(qū)污染較為嚴重，農業(yè)部農產品污染防治重點實驗室對全國300 000 hm2基本農田保護區(qū)調查顯示，重金屬超標率達121%，糧食重金屬超標率在10%以上［1］。重金屬在土壤中具有隱蔽性、表聚性、不易降解性等特點［2-3］，由于重金屬土壤污染問題情況復雜，具有地域性特點，受種植作物類型、方式以及當地氣候、土壤類型與污染特征等條件的制約，其修復方法很難做到廣適性，多數重金屬土壤污染修復實用技術研究需針對當地情況進行［4-7］，目前針對大理州重金屬土壤污染研究極為匱乏。大理州云龍縣地處滇西瀾滄江縱谷區(qū)，屬于山區(qū)地形，可耕種面積小，耕地面積僅占全縣土地面積的6.65%，而林地面積占69.8%［8］，沘江流域因為存在河流沖積土，地形較為平整，是寶貴的可種植地，該地長期種植水稻、玉米等糧食作物。該地區(qū)的沘江流域（云龍段）曾進行大規(guī)模鉛鋅礦采集［9］，研究發(fā)現由于沘江流域（云龍段）水質遭受礦區(qū)污染，沘江沿岸農田土壤普遍存在重金屬Zn、Cd、Pb污染問題［10-12］，兩岸農田長期引江水灌溉，將產生較大環(huán)境風險和食品安全隱患。

土壤重金屬污染修復主要有5種方法：物理修復法、化學修復法、生物修復法、農業(yè)生態(tài)修復法和聯(lián)合修復法。其中，生物修復法的利用前景最好，比物理、化學修復法成本低、處理效果好、操作過程簡單、易于大規(guī)模推廣使用，尤其是使用篩選后的特定植物帶走土壤重金屬污染物的方法，將富集重金屬的植物收獲并統(tǒng)一進行回收處理（焚燒、固化加工等）后，即完成了污染治理的整個過程［13-14］。因此，生物修復法（植物修復）最大的難點集中在植株回收處理上，在產業(yè)不發(fā)達、交通不便的偏遠地區(qū)，由于缺少配套處理設施，富集了大量重金屬的植物無法處理，導致其中的污染物再次回到土壤中，無法起到降低土壤內重金屬污染物的作用。另外，植物修復法周期較長，能吸收的重金屬元素種類有限，需要使用聯(lián)合修復法才能全面修復受污染耕地。

鑒于大理云龍地處山區(qū)，為高山峽谷相間的破碎復雜地貌形態(tài)，山區(qū)面積占全縣面積的90%，屬于偏遠山區(qū)且工業(yè)較不發(fā)達［15］，全縣主要經濟總值來源是農業(yè)經濟，占45.27%。筆者認為最適合當地耕地安全利用的措施是植物修復法，但考慮到該地區(qū)工業(yè)不發(fā)達，缺少后續(xù)處置產業(yè)，篩選低積累品種實現食品安全反而是更加快捷、易推廣的低成本做法。鑒于此，為使當地稀缺的耕種地得到安全有效利用，筆者在對沘江流域（云龍段）常年玉米種植區(qū)受污染耕地現狀調查的基礎上，進行玉米品種篩選試驗，通過檢測玉米食用部分重金屬含量，結合各參選品種產量，篩選出適宜于種植區(qū)、產量穩(wěn)定、適宜推廣的重金屬低累積玉米品種，為大理云龍縣沘江流域受污染耕地安全利用和修復治理提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地點位于云龍縣沘江江畔某村耕地，該田塊在當地具有代表性，地勢平坦、肥力均勻、排灌方便。該地在豐水期會受到沘江江水沖刷，存在污水污染。經取樣檢測，試驗地塊pH為7.2，土壤鎘含量為 9.29 mg/kg，汞含量為 0.489 mg/kg，砷含量為16.3 mg/kg，鉛含量為310 mg/kg，鉻含量為44 mg/kg，屬于受鎘元素、鉛元素污染耕地。

1.2 試驗材料

試驗采用玉米品種為紅單6號、會單4號、云瑞8號、路單12號。

1.3 試驗設計

試驗設4個處理，處理編號紅單6號（A）、會單4號（B）、云瑞8號（C）以及路單12號（D），3次重復，共12個小區(qū)；隨機區(qū)組排列，小區(qū)面積24 m2（4 m×6 m）。小區(qū)四周均以田埂分隔，田埂作為過道，寬度均為30 cm，高度為25 cm，田埂外面包裹一層塑料薄膜；試驗區(qū)進出水單進單排，中間設置一條進水溝，外側設置2條排水溝，一側一條，寬度30 cm，高度25 cm；試驗地四周設保護行，每一邊的寬度大于2 m，以消除邊際效應。小區(qū)布置情況如圖1。

播種方式為打塘點播。使用寬窄行種植，寬行距90 cm，窄行距30 cm，塘距40 cm，每塘播種3～5粒，每塘留苗2株。整地、灌溉、施肥、病蟲害防治、中耕培土及耕作管理措施與當地生產田相同。

1.4 測定項目及方法

1.4.1

土樣采集。試驗種植前采集基礎土樣，按梅花形5點采樣法采集1次基礎土壤混合樣；作物收獲后，采集試驗小區(qū)土壤，各小區(qū)按梅花形5點采樣法采集1次土壤混合樣。土壤采樣深度為0～20 cm，采樣量2 kg/個。

1.4.2

植株樣采集。在作物成熟后進行采樣，每個小區(qū)選取3行，分別為中間行及兩側第2行，每行選取5株植株，共取15株/區(qū)。取樣時提前準備好所有樣品標簽，取樣后立即一一對應放置標簽，避免出現樣品混淆。土壤樣品應及時風干；植株樣品取回后先用自來水小心洗凈根系泥土，再用超純水清洗，之后晾干表面水分，進行烘干。

1.4.3 ???指標測定。

土壤檢測指標為pH、鎘、汞、砷、鉛、鉻、有效鉛、有效鎘；農作物（根、莖稈、籽粒）檢測指標為鎘、汞、砷、鉛、鉻，樣品檢測方法見表1。

1.5 評價方法及判定標準

玉米的根（R）、莖葉（SL）和籽粒（G）部位重金屬富集系數和轉運系數根據公式進行計算，玉米食用部位（籽粒）是否達到安全利用標準按照《食品安全國家標準-食品中污染物限量（GB 2762—2017）》判定，莖葉部位是否達到安全利用標準按照《飼料衛(wèi)生標準（GB 13078—2017）》判定。

目前，對于重金屬富集系數和轉移系數還沒有明確定義，結合前人研究［6，15-18］，作者認同富集系數等于植物體內重金屬濃度與土壤中重金屬的濃度之比，該計算方法描述了在某種土壤重金屬元素含量條件下植株體內重金屬元素的累積情況，一定程度上反映了不同元素在土壤-植株各部位的累積儲存能力。轉移系數等于植物體2個部位之間的重金屬濃度之比，該計算方式可以描述植物體內任意2部位之間的重金屬元素累積情況，一定程度上反映了重金屬在植物體內不同器官間的轉移能力和分配情況。具體到該試驗使用的公式為：

根部重金屬富集系數（BCFR）=植物根部內重金屬含量（mg/kg）/土壤中重金屬含量（mg/kg） （1）

根部到莖葉重金屬轉運系數（TFR-SL）=植物莖葉重金屬含量（mg/kg）/植物根部重金屬含量（mg/kg） （2）

莖葉到籽粒重金屬轉運系數（TFSL-G）=植物籽粒重金屬含量（mg/kg）/植物莖葉重金屬含量（mg/kg） （3）

1.6 數據處理

采用EXCEL 2007、SPSS 21.0、Origin 2019b軟件進行數據統(tǒng)計處理。

2 結果與分析

2.1 不同玉米品種的產量及生長情況比較

4個供試玉米品種的產量情況如圖2，除會單4號產量顯著偏低，其他3個品種產量均無顯著性差異，產量最高的路單12號比最低的會單4號高出18.18%，因此從產量上來篩選適合當地的玉米品種，會單4號應可排除。4個供試玉米品種的株高穗位生長情況如圖3。由圖3可知，4個供試玉米品種的穗位處于整株植株離地約4000%的位置，紅單6號和路單12號株高較高，且兩者間無顯著差異，但與會單4號、云瑞8號間有顯著差異；紅單6號和路單12號穗位也較高，4個品種之間均存在顯著性差異。

2.2 不同玉米品種根、莖葉、籽粒中5種重金屬含量比較

4個玉米品種根、莖葉、籽粒中5種重金屬含量情況如表2。根據《食品安全國家標準 食品中污染物限量》（GB 2762—2017）中谷物類限量指標，4個玉米品種的籽粒中會單4號、云瑞8號2個品種鎘含量超標，分別超標66.7%和1200%。據此判定，在試驗地土壤重金屬污染條件下，會單4號、云瑞8號籽粒不合格，紅單6號、路單12號籽粒合格。根據《飼料衛(wèi)生標準（GB 13078—2017）》可知，4個供試玉米品種莖葉的Cd含量均超標，會單4號莖葉Cr含量超標。因此，紅單6號、路單12號的籽?？捎米魇称吩匣蝻暳显希?個品種的莖葉均不能作為飼料使用。

2.3 不同玉米品種籽粒的5種重金屬含量情況及富集系數、轉移系數比較

根部重金屬富集系數（BCFR）在一定程 度上可以反映植株對重金屬的吸收情況，而植株各部位之間的轉移系數可反映重金屬在植株內部的轉運分配情況。該試驗的玉米根部5種重金屬富集系數（BCFR）及根-莖葉轉移系數（TFR-SL）、莖葉-籽粒轉移系數（TFSL-G）情況如圖4、5、6，品種間富集系數和轉移系數的差異情況見表3。從圖4可以看出，路單12號Cd根部富集系數為0.613 8，其他3個品種的Cd根部富集系數均大于1，說明該品種根部對Cd的富集能力低于其他3個品種，且差異顯著（P<0.05）。所有供試玉米品種Hg、As、Pb、Cr的BCFR均遠小于1，表明供試玉米品種對于其余4種重金屬元素累積能力均較弱。由圖5可知，所有供試玉米品種Hg、As、Pb、Cr的TFR-SL均小于1，Cd的TFR-SL除紅單6號小于1外，其他供試品種均大于1，說明5種重金屬元素在根部向莖葉轉移的過程中，Cd的轉運量更大，莖葉部分Cd累積量是根部的1～2倍。由圖6可知，所有供試玉米品種Hg、As、Pb、Cr、Cd的TFSL-G均遠遠小于1，說明經過莖葉部分的大量積累，5種重金屬元素轉運到籽粒部分的含量都非常少。

結合5種重金屬元素在4個供試玉米品種的富集、轉運情況看，不同玉米品種各部位對重金屬元素的富集和轉運能力均不相同，但從該試驗目的出發(fā)，根部富集能力越強的玉米品種，吸收重金屬元素越多，可能會導致整個植株初始吸收量大；根-莖葉轉移能力強的玉米品種，可能會將重金屬元素富集保存在莖葉部位，不利于玉米作為青貯飼料使用，但一定程度上可以減少莖葉向籽粒的傳輸量；莖葉-籽粒轉移能力越弱的玉米品種，越不容易從莖葉吸收，在籽粒累積重金屬元素，有利于保障籽粒食用和飼用安全。

3 討論

從供試玉米的產量及株高穗位的生長情況來看，株高、穗位較高的2個玉米品種正好在籽粒安全利用判定合格，這也許說明生物量大能夠分散重金屬元素在植株籽粒部位的累積，使得重金屬元素不易傳輸轉運到籽粒部位有關，也可能和玉米莖稈結構特點有關，木質部裝載在重金屬 Cd 進入植物地上部的過程中具有重要作用［19］。莖稈長使重金屬元素在木質部里距離運輸較長，其中細胞壁中疏水性的木栓層也減少了金屬元素從根部質外體途徑到根部木質部的轉運效率，從而一定程度降低了重金屬元素轉運到籽粒的含量［20］。

從供試玉米的富集系數、轉移系數來看，不同玉米品種對Hg、As、Pb、Cr、Cd共5種元素的累積、轉運能力各不相同，但根到莖葉的轉運能力遠大于莖葉到籽粒的轉運能力，因此重金屬元素在籽粒部分的累積含量均較莖葉部大幅降低或未檢出。這可能和玉米植株生物量較大，使得重金屬元素不易傳輸轉運到籽粒部位有關，也可能和玉米莖稈結構特點有關。低積累植物對重金屬的排斥機制通常認為包括2個方面：一是減少根部對重金屬的吸收，二是重金屬在根部通過區(qū)室化保存，限制向地上部轉移［21］。經過根部區(qū)室化保存和細胞木雙層阻隔的特性，使玉米植株吸收的重金屬元素易于在根和莖葉中富集，只有少部分轉運到籽粒中。

從供試玉米的重金屬含量情況來看，云瑞8號和會單4號的籽粒重金屬含量不符合國家食品安全標準。這與秦歡等［17，22］的研究結果不同，秦歡等使用的供試土壤Cd僅為101 mg/kg，與該試驗地受污染程度相差甚遠，且2位作者的研究結論均以富集系數和轉移系數篩選低累積品種，缺少對品種食用部分（籽粒）的安全判定，因此作者認為該研究篩選結果更具參考價值。從食品安全利用的角度篩選低累積品種，應優(yōu)先關注含量這一絕對數值，再參考富集系數或轉移系數。劉維濤等［23］認為，理想的重金屬低積累植物應同時具備以下4個特征：該植物的地上部和根部的重金屬含量都很低或者可食部位低于有關標準，該植物對重金屬的累積量小于土壤中該重金屬的濃度，即富集系數<1；該植物從根部重金屬向地上部轉運能力較差，即轉運系數<1；該植物對重金屬毒害具有較高的耐受性，在較高的重金屬污染下能夠正常生長且生物量無顯著下降。而該篩選試驗中，紅單6號玉米品種出現根部重金屬富集系數大于1但籽粒含量不超標的情況。實際上任超等［24］研究中出現了部分玉米品種富集和轉運系數小于1但籽粒Cd含量超標現象，他認為“關于可食部分BCF和 TF小于1的限定過于寬泛，應以保障食品安全為底線”；馮愛煊等［6］經研究篩選出的推薦水稻品種也存在根部富集系數大于1的情況，重金屬在水稻系統(tǒng)內的累積、轉運和外排過程非常復雜，單一考量某一作用的強弱或者水稻某一部位的累積情況難以說明水稻整體對重金屬的累積情況。綜上所述，作者認為富集系數或轉移系數大只能說明該植株該部位容易累積該重金屬元素，是一個相對量，并不能體現該植株的重金屬累積量，也就不能體現該品種是否是低累積品種。從該研究為山區(qū)人民篩選高效安全利用玉米品種的目的出發(fā)，在參考陳亮妹等［25］的觀點后，作者認為具有現實指導意義的重金屬低積累作物應具有以下特征：①作物可食用或可利用部位的重金屬含量低于相關標準限值；②向可食用或可利用部位轉移的轉移系數較?。虎墼谑苤亟饘僭匚廴镜臈l件下能夠有較好的產量；④篩選出的重金屬低積累作物的低積累特性要能夠復現（3季及以上），且盆栽試驗應用需到大田進行驗證。

4 結論

（1）參考《食品安全國家標準食品中污染物限量》（GB 2762—2017），Cd在谷物類限量為0.1 mg/kg，4個供試玉米品種的Cd含量范圍是0.046～0.237 mg/kg，是限量值的46%～237%，說明在試驗地區(qū)，當土壤Cd元素含量超過風險管控值3倍多時，4個供試玉米作物的食用部位Cd含量只有紅單6號和路單12號為安全范圍；Pb在谷物類限量為0.2 mg/kg，4個供試玉米品種的Pb含量范圍是0.038～0.079 mg/kg，是限量值的19.0%～39.5%，說明在試驗地區(qū)，當土壤Pb元素含量超過風險篩選值，低于風險管控值時，4個供試玉米作物的食用部位Pb含量均為安全范圍。

（2）綜合分析可知，在該試驗地使用紅單6號、會單4號、云瑞8號、路單12號4個玉米品種進行5種重金屬低積累品種篩選試驗，首先排除會單4號和云瑞8號2個籽粒不合格的品種，紅單6號和路單12號籽粒合格，產量表現也較好，可以作為籽粒低積累品種用于食用。另外路單12號的根-莖葉轉移系數（TFR-SL）大于紅單6號，比后者大54.82%，且莖葉-籽粒轉移系數（TFSL-G）也是4個供試品種中最小，因此路單12號為首推安全品種。

參考文獻

［1］ ?蔡美芳，李開明，謝丹平，等.我國耕地土壤重金屬污染防控策略研究［C］//2014中國環(huán)境科學學會學術年會論文集（第八、九章）.北京：中國環(huán)境科學出版集團，2014：275-282.

［2］ 顧繼光，林秋奇，胡韌，等.土壤－植物系統(tǒng)中重金屬污染的治理途徑及其研究展望［J］.土壤通報，2005，36（1）：128-133.

［3］ 崔德杰，張玉龍.土壤重金屬污染現狀與修復技術研究進展［J］.土壤通報，2004，35（3）：366-370.

［4］ 王娟，蘇德純.基于文獻計量的小麥玉米重金屬污染農田修復治理技術及效果分析［J］.農業(yè)環(huán)境科學學報，2021，40（3）：493-500.

［5］ 李娜，賀紅周，馮愛煊，等.渝西地區(qū)鎘輕度污染稻田安全利用技術［J］.環(huán)境科學，2019，40（10）：4637-4646.

［6］ ?馮愛煊，賀紅周，李娜，等.基于多目標元素的重金屬低累積水稻品種篩選及其吸收轉運特征［J］.農業(yè)資源與環(huán)境學報，2020，37（6）：988-1000.

［7］ 趙麗芳，黃鵬武，宗玉統(tǒng)，等.適宜浙南地區(qū)種植的重金屬低積累玉米品種篩選［J］.浙江農業(yè)科學，2019，60（8）：1370-1372．

［8］ 黎春梅.云南大理白族自治州土地利用結構研究［D］.武漢：華中師范大學，2011：68-72.

［9］ 陳春.沘江流域環(huán)境保護綜合治理措施探討［J］.環(huán)境科學導刊，2013，32（2）：52-57.

［10］ ?周鴻斌，角媛梅，史正濤，等.云南沘江沿岸農田土壤磁測分析與重金屬污染評價［J］.農業(yè)環(huán)境科學學報，2008，27（4）：1586-1591.

［11］ 金修齊，王朋，郭秉林，等.小尺度農田土壤Pb、Zn和Cd空間分布及污染評價：以云南沘江沿岸某農田為例［J］.環(huán)境工程學報，2017，11（11）：6190-6195.

［12］ 陳柯臻，吳文衛(wèi)，趙海光，等.生態(tài)環(huán)境污染防治戰(zhàn)略及經濟高質量協(xié)同發(fā)展研究：以沘江流域（云龍段）為例［J］.環(huán)境科學導刊，2020，39（4）：16-18.

［13］ 袁婧.油菜與亞麻對農田重金屬積累特征及其收獲物后續(xù)處理［D］.長沙：湖南農業(yè)大學，2019：4-5.

［14］ 郭虎.生物質炭對重金屬污染土壤水稻鎘吸收的影響［D］.南京：南京農業(yè)大學，2016：4-6.

［15］ 云龍縣人民政府網站.云龍概況［EB/OL］.（2021-10-26）［2022-02-09］.http：//www.ylx.gov.cn/ylxrmzf/c102588/202110/3bc433dacba54 33480d5e0c688968963.shtml.

［16］ 李凝玉，李志安，丁永禎，等.不同作物與玉米間作對玉米吸收積累鎘的影響［J］.應用生態(tài)學報，2008，19（6）：1369-1373.

［17］ 秦歡，何忠俊，熊俊芬，等.間作對不同品種玉米和大葉井口邊草吸收積累重金屬的影響［J］.農業(yè)環(huán)境科學學報，2012，31（7）：1281-1288.

［18］ 郭曉方，衛(wèi)澤斌，丘錦榮，等.玉米對重金屬累積與轉運的品種間差異［J］.生態(tài)與農村環(huán)境學報，2010，26（4）：367-371.

［19］ 陳婧，王博，郭昱言，等.土壤重金屬污染及其修復技術研究［J］.中國環(huán)境管理干部學院學報，2010，20（5）：66-67，72.

［20］ 宋瑜，馬艷華，唐希望，等.重金屬鎘（Cd）在植物體內轉運途徑研究進展［J］.中國環(huán)境管理干部學院學報，2019，29（3）：56-59.

［21］ BAKER A J M.Accumulators and excluders-strategies in the response of plants to heavy metals ［J］.Journal of plant nutrient，1981，3（1/2/3/4）：643-654.

［22］ 邵忱忱，牛婧，張仕穎，等.鉛鋅鎘復合污染條件玉米低累積品種的篩選［J］.貴州農業(yè)科學，2021，49（12）：107-117.

［23］ 劉維濤，周啟星，孫約兵，等.大白菜對鉛積累與轉運的品種差異研究［J］.中國環(huán)境科學，2009，29（1）：63-67.

［24］ 任超，肖建輝，李競天，等.不同玉米品種Cd、Pb、Zn和As積累與轉運特性［J］.環(huán)境科學，2022，43（8）：4232-4252.

［25］ 陳亮妹，李江遐，胡兆云，等.重金屬低積累作物在農田修復中的研究與應用［J］.作物雜志，2018（1）：16-24.