山東偏酸性棕壤區小麥鎘低累積品種篩選

井永蘋，聶巖，李彥*，康馨，黃現民，趙瑞君，仲子文

（1.山東省農業科學院農業資源與環境研究所，濟南 250100；2.農業農村部黃淮海平原農業環境重點實驗室，濟南 250100；3.山東省農業農村廳農業環境保護和農村能源總站，濟南 250100；4.招遠市農業技術推廣中心，山東 招遠 265400；5.銀川市農業技術推廣服務中心，銀川 750002）

隨著現代工農業的飛速發展和城鎮化進程加快，污染物大量排放和不當處置導致我國農田土壤重金屬Cd 累積和農產品Cd 超標等環境問題日益突出，特別是酸性土壤中Cd 的生物有效性更高，已經引起社會各界的廣泛關注[1]。重金屬主要通過土壤、大氣沉降和灌溉等幾種途徑進入植物體，并在植物體內積累、遷移轉化，最終通過食物鏈進入人體，給人體健康帶來嚴重威脅[2-6]。如何實現農產品安全生產一直是環境安全和農業可持續發展的重大問題[7]。

目前，解決農產品中Cd 超標問題主要有3 種方法[8-9]：一是通過降低土壤中Cd的生物有效性，減少作物對Cd的吸收；二是通過噴施特殊元素阻隔作物對Cd的吸收；三是從作物本身出發，篩選Cd 低累積品種。大量研究表明，種植Cd 低累積作物品種能有效降低農產品Cd 富集量，進而有效降低人體對重金屬Cd 的攝入風險，是安全利用Cd 污染耕地的重要措施。作物對重金屬的吸收累積不僅存在顯著的種間差異，而且還存在種內差異[10-11]。研究表明，小麥和水稻比玉米更容易吸收累積重金屬[12-14]，尤其是對Cd極易吸收富集。小麥是我國第二大糧食作物，種植范圍廣，常見于我國西南、西北、長江中下游和黃淮海等區域。據統計，Cd 污染小麥及其衍生品占人體每日Cd 攝入量的43%[15]。篩選Cd 低累積小麥品種是實現中輕度Cd 污染農田小麥安全生產切實可行的辦法。目前已經出現了較多關于Cd 低累積小麥品種的篩選研究，但是小麥籽粒Cd 累積除了受自身遺傳特性影響外，還會受周邊栽培環境的影響[16]，不同小麥品種對區域環境的適應性存在較大差異。因此，針對特定Cd 污染區域進行Cd低累積小麥品種篩選非常必要。

本文以山東偏酸性棕壤區廣泛種植的20 個小麥品種作為試驗材料，在棕壤Cd 含量超過污染風險篩選值的條件下，通過大田試驗，研究小麥不同品種及不同生育期對Cd 的吸收累積差異，根據小麥籽粒Cd 富集量進行聚類分析，并進行單因子污染指數、內梅羅綜合污染指數和靶標危害系數評估，將20 個品種小麥進行分類，篩選出適宜于當地栽培的Cd 低累積小麥品種，為農作物的低累積品種篩選提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試土壤概況

試驗開展于2020—2021年，試驗地點位于山東省偏酸性棕壤區某地，該地屬暖溫帶大陸性季風氣候，四季分明，冬冷夏熱，春秋適宜，日照充足，年均日照時數2 503.2 h，年平均氣溫11.5 ℃，年平均降水量607.3 mm，年均蒸發量1 664.8 mm。由于以前的技術條件所限，大多數工礦企業生產工藝及裝備水平較差，污染防治設施簡陋，工礦企業排放的“三廢”沒得到有效處理，長期暴露造成部分區域土壤Cd超標。試驗地土壤為棕壤，機械組成分類為砂質壤土，土壤全Cd含量為0.293~0.553 mg·kg-1，平均值為0.376 mg·kg-1，中位數為0.338 mg·kg-1，標準偏差（STDEV）為0.076，Cd含量離散程度較小，變化幅度相對較小，土壤pH為5.6，有機質含量為22.47 g·kg-1，全氮、全磷、全鉀含量分別為1.28、0.69、15.10 g·kg-1，堿解氮、速效鉀和有效磷含量分別為160.28、387.56、83.23 mg·kg-1。

1.2 試驗設計

本試驗采用完全隨機區組設計，大田共分為3 個區組，每個區組再均分為20 個小區，小區規格為3.3 m×50 m，用壟溝隔開。每個區組內隨機種植20 個小麥品種（表1）。按當地種植習慣進行田間管理。

表1 供試小麥品種Table 1 Tested wheat varieties

1.3 土壤和小麥樣品采集

分別在小麥苗期和成熟期采集小麥樣品和對應點位的土壤樣品。在每個小區避開小區邊際，按五點取樣法采樣。將每個小區內5 個樣點的樣品組成1個混合樣。取0~20 cm 耕層土壤，除去土樣中的石子等異物，自然風干，過2 mm 尼龍篩，瑪瑙研缽研磨過100 目尼龍篩，分別用作土壤物理、化學等指標分析。小麥苗收獲后用自來水及去離子水沖洗干凈，105 ℃殺青，再70 ℃烘至恒質量；小麥根、秸稈、籽粒經人工分離后分別用自來水及去離子水洗凈，置于烘箱內，70 ℃烘至恒質量，各干樣用不銹鋼粉碎機粉碎后過20目篩，以備測定Cd含量。

1.4 土壤和植株樣品分析

1.4.1 土壤養分及pH測定

參照《土壤農業化學分析方法》[17]進行各指標的測定：土壤pH 采用電位法，有機質采用丘林法，堿解氮采用堿解擴散法，有效磷采用碳酸氫鈉提取-鉬銻抗比色法（Olsen法），速效鉀采用乙酸銨提取-火焰光度法，全氮采用半微量凱氏定氮法，全磷采用釩鉬黃比色法，全鉀采用火焰光度法。

1.4.2 全量Cd測定

土壤Cd 全量分析采用HNO3-HClO4-HF 消解法[18]，準確稱取0.100 0 g 土樣于50 mL 聚四氟乙烯坩堝中，用純水濕潤后，移至通風櫥內，加入5 mL 優級純HCl 開蓋加熱（200 ℃）蒸發至2 mL，取下稍冷，然后加入5 mL 優級純HNO3、4 mL 優級純HF、2 mL 優級純HClO4，加蓋加熱（220 ℃）1 h 左右，開蓋繼續加熱除硅，期間經常搖動坩堝，當加熱至冒濃厚HClO4白煙時，加蓋加熱至樣品清亮，開蓋蒸至內容物黏稠狀。若消解不完全，可再加入2 mL 優級純HNO3、2 mL 優級純HF、1 mL 優級純HClO4重復上述消解過程，加熱至內容物黏稠狀。樣品取下稍冷，用純水沖洗坩堝蓋及內壁，然后加入1 mL（HNO3∶純凈水=1∶5）HNO3溶液溫熱溶解殘渣，將溶液用純水轉移至50 mL容量瓶定容，搖勻后過濾。

小麥Cd 全量分析采用王水消解法[19]。準確稱取0.200 0 g 樣品至50 mL 燒杯，加入優級純HNO3和優級純HCl（1∶3比例）配制成的王水12 mL，放入通風櫥過夜，置于電熱板上加熱至250 ℃，待燒杯中溶液清亮狀態，取下稍冷，將溶液轉移至50 mL 容量瓶并用純水定容，搖勻后過濾待測。

土壤和小麥全量Cd均采用原子吸收分光光度計測定。土壤和植物樣品均設置3 份空白，并添加國家標準物質（植物：GBW-07603；土壤：GBW-07404）控制分析質量，保證分析誤差控制在10%以內。

1.4.3 小麥產量和千粒質量

在每個小區內選取3 個1 m2小麥樣方，進行收割脫粒，稱質量后求平均值，計算小麥產量。每個處理隨機選出3 組1 000 粒種子，稱質量后求平均值，得到千粒質量。

1.5 小麥Cd富集系數和轉運系數

富集系數（BCF）可反映小麥對Cd 的攝取能力；植物對重金屬的轉運系數（TF）為植物體內某部位的重金屬含量與另一部位中同種重金屬含量的比值，可用于表征某種元素在植物不同部位之間的轉運能力[20]。公式如下：

1.6 污染風險評價

采用單因子污染指數法和內梅羅綜合污染指數法對小麥籽粒中重金屬污染狀況進行風險評價。

（1）單因子污染指數法

單因子污染指數計算公式如下：

式中：Pi為重金屬i的污染指數；Ci為重金屬i的實測含量，mg·kg-1；Si為重金屬i的評價標準，mg·kg-1。本研究采用《食品安全國家標準 食品中污染物限量》（GB 2762—2017）中的限量評價標準，Cd 為0.1 mg·kg-1。單因子污染指數等級劃分標準：Pi≤1 無污染，Pi>1 為污染。

（2）內梅羅綜合污染指數法

內梅羅綜合污染指數計算公式如下：

式中：P綜為內梅羅綜合污染指數；Pmax為小麥籽粒中重金屬最大單因子污染指數；Pave為小麥籽粒中重金屬單因子污染指數平均值。內梅羅綜合污染指數污染等級劃分標準：P綜≤0.7 清潔安全，0.7~1.0 尚安全（警戒線），P綜>1.0污染。

（3）小麥籽粒健康風險評價

靶標危害系數（THQ）計算公式如下：

式中：EDI為重金屬膳食暴露量；THQ為靶標危害系數，是一種用于人體通過食物攝取重金屬風險的評估方法，當THQ≤1.0 時，認為人體負荷的重金屬對人體健康造成的影響不明顯；C為小麥籽粒中重金屬含量，μg·kg-1；FIR為每人每日谷物攝入量，g·人-1·d-1；EF為暴露頻率，取365 d·a-1；ED為暴露年限，取77.3 a（中國人口平均壽命）；Bw為成人的平均身體質量，取64.3 kg·人-1；AT為生命期望值，取77.3 a；365 為轉化系數；RfD為消化食物的比率，μg·kg-1·d-1。研究指出，成年人平均每天的谷類食物食用量為150 g·人-1·d-1；根據美國整合風險信息系統，Cd的RfD為1.0μg·kg-1·d-1。

1.7 數據統計與分析

所有實驗數據先使用WPS Office 進行整理，再用SPSS 22和Origin 2018軟件進行統計分析及圖表的繪制，使用單因素方差分析比較各處理間與對照組的差異性。采用系統聚類對不同品種進行聚類分析。

2 結果與分析

2.1 不同品種小麥產量指標

供試的20 個小麥品種間產量（表2）有顯著差異（P<0.05）。產量范圍為5604.2~10 593.0 kg·hm-2，其中煙農215的產量最高為10 593.0 kg·hm-2。本研究中煙農系列小麥品種的產量均居前列，產量高于9 500 kg·hm-2；濟麥44、濟麥106、濟麥0435和濟麥55等產量高于8 900 kg·hm-2，處于中等水平；而中麥578和泰科33的產量水平較低，分別為6 169.5 kg·hm-2和5 604.2 kg·hm-2。穗數范圍為438.0萬~691.5萬株·hm-2，其中濟麥23 的穗數最高。穗粒數范圍為31.8~47.8 粒，濟麥5022 的穗粒數最高。千粒質量最高的品種為37.0~49.4 g，中麥578 和煙農215 的千粒質量最高。不同品種小麥穗數、穗粒數、千粒質量和產量存在顯著性差異的原因可能是不同小麥品種之間存在遺傳差異，以及受當地氣候、土壤環境等因素的影響。

表2 小麥產量指標數據Table 2 The data of wheat yield index

2.2 不同品種小麥籽粒Cd含量

20 個供試小麥品種籽粒Cd 含量（圖1）的差異顯著（P<0.05）。小麥籽粒Cd含量最高的是3號小麥（中麥578），Cd含量為0.116 mg·kg-1，籽粒Cd含量最低的品種是12 號小麥（濟麥55）和13 號小麥（濟糯116），籽粒Cd 含量均為0.013 mg·kg-1，最高值是最低值的8.923 倍，20 個品種籽粒的平均值為0.042 mg·kg-1。8號（煙農745）、20 號（濟麥38）和11 號（濟麥0435）小麥籽粒Cd 含量也相對較低。只有3 號小麥（中麥578）籽粒Cd含量超出了《食品安全國家標準 食品中污染物限量》（GB 2762—2017）中規定的小麥Cd的限量標準值（0.1 mg·kg-1），其余品種均不超標。

圖1 供試20個小麥品種的籽粒Cd含量Figure 1 Grain Cd content of 20 wheat varieties in field experiment

2.3 不同品種小麥苗期地上部Cd含量和富集系數

表3為20個小麥品種苗期地上部的Cd含量和富集系數。由表3 可知，20 個小麥品種苗期地上部Cd含量差異較大，介于0.039~0.297 mg·kg-1之間，平均值為0.126 mg·kg-1。其中13 號小麥（濟糯116）苗期地上部的Cd 含量最低，12 號小麥（濟麥55）、15 號小麥（煙農1212）Cd 含量也相對較低，14 號小麥（煙農215）苗期地上部的Cd含量最高。20個小麥品種苗期地上部的富集系數間存在顯著差異，介于0.119~0.774 之間，富集系數最小的是13 號小麥（濟糯116），最大的是14 號小麥（煙農215）。不同品種小麥苗對Cd 的吸收富集存在顯著差異的原因可能是不同小麥品種之間的遺傳差異。

表3 小麥苗期地上部Cd含量和富集系數Table 3 Cd content in aboveground part of wheat at seedling stage

2.4 不同品種小麥籽粒富集系數和轉運系數

由表4可知，20個小麥品種籽粒富集系數范圍為0.038~0.355，不同品種間的富集系數差異顯著，富集系數最小的小麥品種是13 號（濟糯116），其次是12號（濟麥55）、8 號（煙農745）、11 號（濟麥0435）、18 號（濟麥5022），富集系數最高的是3號（中麥578）。

表4 不同品種小麥Cd籽粒生物富集系數和轉運系數Table 4 Bioaccumulation coefficient and transport coefficient of Cd in different wheat varieties

小麥籽粒Cd含量變化特征與小麥不同部位Cd的轉移能力有關。轉運系數越小，表明Cd越難以到達籽粒。對20 個小麥品種Cd 轉運系數分析發現（表4），TF根系-秸稈為0.320（濟糯116）~0.642（濟麥70），最大值是最小值的2.01倍；TF秸稈-籽粒為0.093（濟麥38）~0.496（中麥578），最大值比最小值高4.36倍。12號小麥（濟麥55）和20 號小麥（濟麥38）的TF秸稈-籽粒最低，其次是11 號小麥（濟麥0435）；TF根系-秸稈最小的品種為13 號（濟糯116）、8號（煙農745）、9號（煙農572）、12 號（濟麥55）、15號（煙農1212）。

12 號（濟麥55）和13 號小麥（濟糯116）相較于其余18 個品種在小麥苗期和成熟期均表現出低Cd 累積特性。14 號小麥（煙農215）在苗期表現出了較強的富集Cd 的能力，地上部Cd 含量和富集系數均高于其余品種，而籽粒中富集Cd的能力有所下降。3號小麥（中麥578）在小麥苗期并未表現出較高的Cd 累積特性，但是成熟期卻表現出了較高的Cd累積特性。

2.5 Cd低累積小麥品種聚類分析

根據小麥籽粒Cd 含量進行聚類分析，將20 個供試小麥品種分為5 組（圖2），分別為低Cd 累積品種、較低Cd 累積品種、中等Cd 累積品種、較高Cd 累積品種、高Cd 累積品種。組Ⅰ為低Cd 累積小麥品種（3個），包括8 號（煙農745）、12 號（濟麥55）、13 號（濟糯116）小麥，平均Cd 含量為0.015 mg·kg-1，占所研究小麥品種的15%。組Ⅱ為較低Cd累積小麥品種（9個），包括7號（泰科33）、9號（煙農572）、10號（濟麥106）、11 號（濟麥0435）、15 號（煙農1212）、16 號（煙農999）、17 號（濟麥70）、18 號（濟麥5022）、20 號（濟麥38）小麥，平均Cd 含量為0.031 mg·kg-1，占所研究小麥品種的45%。組Ⅲ為中等Cd累積小麥品種（6個），包括2 號（濟麥44）、4 號（山農38）、5 號（中麥415）、6號（登海206）、14 號（煙農215）、19 號（濟麥5172）小麥，平均Cd 含量為0.054 mg·kg-1，占所研究小麥品種的30%。組Ⅳ為較高Cd 累積小麥品種（1 個），為1 號小麥（濟麥23），Cd 含量為0.079 mg·kg-1，占所研究小麥的5%。組Ⅴ的3 號（中麥578）小麥Cd 含量為0.116 mg·kg-1，超過國家標準（GB 2762—2017）規定的0.1 mg kg-1限量值。占所研究小麥的5%。通過聚類分析初步篩選出8號小麥（煙農745）、12號小麥（濟麥55）和13號小麥（濟糯116）為低Cd累積小麥品種。

圖2 小麥籽粒Cd含量聚類分析Figure 2 Cluster analysis of cadmium content in wheat grains

2.6 不同小麥品種安全風險評價

使用單因子污染指數法和內梅羅綜合污染指數法對小麥籽粒重金屬污染狀況進行評價（圖3），結果發現3號小麥（中麥578）單因子污染指數大于1，為污染狀態，其他品種的小麥籽粒Cd 單因子污染指數均小于1，可見除3 號以外其他小麥籽粒中Cd 污染水平均為清潔狀態，這與根據GB 2762—2017 國家限量評價標準判定的結果一致。12 號（濟麥55）和13 號（濟糯116）小麥品種籽粒單因子污染指數最低，風險最小。對所有品種小麥進行內梅羅綜合污染指數計算的結果為0.822，屬于尚安全狀態。

圖3 不同品種冬小麥單因子污染指數Figure 3 Single factor pollution index of different winter wheat varieties

不同品種小麥靶標危害系數如圖4 所示，所有品種小麥的靶標危害系數均小于1。3 號（中麥578）的靶標危害系數最大，為0.30，12 號（濟麥55）和13 號（濟糯116）的靶標危害系數最小，均為0.03。

圖4 不同品種冬小麥靶標危害系數Figure 4 Target damage coefficient of different winter wheat varieties

3 討論

3.1 富集能力和轉運能力對小麥籽粒Cd含量的影響

研究表明，小麥籽粒Cd 累積在一定程度上受基因控制[23]，與根系、莖葉不同細胞器對Cd 的固定儲存能力、耐Cd 特性、調控基因等密切相關[23-26]。夏亦濤[24]研究發現，不同基因型小麥的Cd 吸收、轉運和累積存在差異，小麥籽粒Cd 含量與苗期地下部至地上部的Cd 遷移系數呈顯著正相關。Gray 等[25]研究認為篩選低累積作物品種的標準必須滿足該品種對重金屬富集系數和轉運系數均小于1 的條件。本研究發現，不同小麥品種對Cd的吸收累積量存在顯著差異，富集系數最小的小麥品種為濟糯116、其次是濟麥55、煙農745，其富集系數均小于0.1。富集系數與小麥籽粒Cd 含量呈正比，這與前人研究結果一致[26-27]。本研究中Cd 由小麥根系向秸稈的轉運系數，以及秸稈向籽粒的轉運系數均小于1，說明Cd從土壤中轉運到小麥根系以及由根系向地上部轉運的程度很小，大部分Cd 被截留在根系以及秸稈部，這與李樂樂等[28]的研究結果一致。生物富集系數和轉運系數是評價不同小麥品種對Cd累積差異的重要指標。

3.2 籽粒Cd低累積小麥品種評價標準

篩選Cd 低累積小麥品種不僅要求其籽粒中Cd含量低于國家標準，還要求其適宜于當地環境種植，農民接收程度高。為實現中輕度Cd污染農田的利用及糧食的安全生產，近年來諸多學者開展了Cd 低累積型作物的篩選與培育工作，并得到了諸多具有Cd低累積特性的作物[29-31]。目前，對Cd低累積品種的篩選多基于室內盆栽或水培試驗、礦區附近重度污染農田環境等，均以小麥籽粒Cd累積量為標準，并未過多考慮小麥產量水平，以及農民接收程度等因素，因此不利于全面反映小麥在特定Cd污染區域下的自然生產狀況及實際推廣應用。從區域糧食安全角度出發，所有篩選得到的Cd 低累積品種既要具備小麥Cd 低累積特性，還要適應當地農業生產環境，以滿足實際生產應用的需要。本研究采用大田試驗對20 份小麥材料進行篩選與驗證，以籽粒Cd 含量為評價指標進行聚類分析，初步篩選出煙農745、濟麥55、濟糯116為小麥低Cd累積品種。20個小麥品種的平均產量為8 811 kg·hm-2，其中初步篩選出的3 個低累積品種中產量高于平均產量的有2 個，為煙農745 和濟麥55，濟糯116 低于平均產量。因此，綜合考慮小麥產量和Cd 低累積結果，確定煙農745 和濟麥55 為該地區Cd低累積品種。

3.3 籽粒Cd低累積小麥品種風險評價

由于當地種植的主要糧食作物為小麥、玉米和花生，且主要以小麥為主食，因此，以供試的小麥品種為對象，探討了膳食攝取重金屬對當地居民產生的健康風險。采用單因子污染指數法和內梅羅綜合污染指數法對小麥籽粒Cd 污染狀況進行評價，同時采用靶標危害系數評價小麥籽粒中重金屬Cd攝入對成人產生的健康風險[32-33]。本研究發現供試的20 個小麥品種中，中麥578的小麥籽粒單因子污染指數評價結果為污染狀態，其他品種的小麥籽粒均為清潔狀態，這與《食品安全國家標準 食品中污染物限量》（GB 2762—2017）判定結果一致。而按照靶標危害系數的評價結果，所有品種小麥的攝入對人體造成的危害風險均較低，內梅羅綜合污染指數也顯示屬于尚清潔狀態。該結果與單因子污染指數和國家限量評價標準評價結果不一致，這可能是由于在本研究中計算靶標危害系數所采用的參數均為平均指數，且并未考慮當地居民其他食物和暴露途徑，因此本研究中的暴露評價結果比較保守，而我國國家標準的限量標準更為嚴格，從而導致兩種判定結果不一致。研究認為重金屬低累積小麥品種篩選標準必須滿足的條件之一是該品種可食用部分的重金屬含量必須低于相關國家標準，即使其他部位含量較高[25]。因此，仍以國家標準為最終判定標準篩選Cd低累積小麥品種。

綜合小麥產量、籽粒Cd 累積量、富集系數和轉運系數，以及靶標危害系數和聚類分析等結果，本研究篩選出濟麥55、煙農745、濟麥0435 和濟麥5022為適宜于當地種植的Cd 低累積品種。從糧食安全角度出發，所篩選出的小麥Cd 低累積品種還需進一步驗證其低累積特征的穩定性，以及確定影響籽粒Cd 含量的關鍵環境因素，從而合理確定Cd 低累積型小麥品種的安全種植區和低風險種植區，以滿足實際生產應用的需要。

4 結論

（1）在研究區域內供試的20 份小麥品種的籽粒Cd 含量差異顯著，除1 個品種小麥籽粒Cd 含量超國家限量標準值外，其他品種Cd 含量均低于國家限量標準值。

（2）基于小麥籽粒Cd 含量及相關評價指標篩選出的Cd低累積型小麥品種具有較高的參考和應用價值，為當地Cd 污染風險區域的耕地安全利用提供了Cd 低累積型品種材料，能夠有效解決Cd 污染耕地邊生產邊修復的問題，但受土壤Cd 含量水平和低累積特征的穩定性限制，Cd 低累積型小麥品種仍需要進一步驗證。