个旧矿区周边农田高产、重金属低积累玉米品种的筛选

2015-10-20雷恩等

江苏农业科学 2015年9期

雷恩等

摘要：为了在个旧矿区周边农田内筛选出产量较高并且籽粒中镉、铅、总砷重金属含量安全的玉米品种，以该地区种植的4个主栽玉米品种为材料，分别探究了在高密度、宽窄行种植条件下的产量、产量形成、籽粒重金属积累特点。结果表明，在8.4万株/hm2的高密度、宽窄行种植条件下，该区域内4个主栽玉米品种产量较高的是红单3号、佳单108；红单3号、佳单108均具有较高的花后干物质积累比例，红单3号具有较高的最大叶面积指数，佳单108具有较高的叶片SPAD值、冠层、穗位叶上层的光合有效辐射截获率。总体看出，4个主栽玉米品种籽粒对镉、铅、总砷的积累均达到食用安全标准，属于重金属低积累品种。

关键词：个旧；玉米；高产；重金属低积累；筛选

中图分类号： S513.02；X53文献标志码： A文章编号：1002-1302（2015）09-0124-04

土壤是农业生产的直接载体，而矿业开采以及含重金属化肥和农药的使用等导致土壤重金属污染日趋严重。由于土壤重金属具有移动性差、可积累性及不易被微生物降解等特点，治理和修复难度极大。目前，重金属污染土壤修复技术较多，其中植物修复技术具有成本低、对环境扰动少、可以将土壤中的重金属转移出去，并且可以增加土壤的肥力等优点，因而该技术具有较好的应用前景。然而该项技术受植物生长环境要求、土壤污染程度及重金属生物毒性的影响较大且修复周期较长，并且当前除了蜈蚣草和东南景天等少数植物外，能够大规模应用于重金属污染农田的超积累植物较少，因而仅靠植物修复技术是不够的[1-3]。通过选育和筛选重金属低积累品种来降低作物对重金属的吸收和积累，被认为是现实可行的途径[4]。迄今为止，筛选重金属低积累品种的方法仍在探索阶段，多数研究方法是通过外加重金属的盆栽试验来探讨作物可食用部分重金属含量在种内或种间的差异。

云南个旧是中外闻名的“锡都”，开采锡矿约有2 000年的历史，是中国最大的产锡基地，同时也是世界上最早的产锡基地。然而个旧锡业的大规模开发，已经严重破坏了个旧及周边地区的生态环境[5]。本次试验在个旧矿区周边的农田内，以该区域种植的4个主栽玉米品种为材料，采用田间试验设计方法，围绕玉米产量、重金属积累这2个方面的内容进行分析，探究在高密、宽窄行种植条件下的玉米籽粒产量、产量形成、籽粒重金属积累特点，旨在为该地区筛选出高产、重金属低积累的玉米品种。

1材料与方法

1.1试验地概况

试验地位于云南省个旧市某矿区周边农田，试验地0～20 cm土壤耕作层中总砷、铅和镉的含量分别为59.00、280.00、1.11 mg/kg，土壤综合污染指数为2.48，属重度污染。

1.2试验材料和设计方法

采用单因素法，随机区组试验设计，3次重复，分别选用该地区主栽玉米品种兴黄单892、路单6号、佳单108、红单3号为试验材料。每个处理的小区面积为95.2 m2，试验区域总面积约为1 142.4 m2。试验于2013年5月7日播种，宽窄行种植，窄行距40 cm，宽行距70 cm。玉米3叶期定苗每穴留双株，定苗后密度为8.4 万株/hm2。水、肥管理及其他田间农事操作均按照传统管理模式统一同步进行。

1.3测定指标及方法

1.3.1玉米经济产量和生物产量玉米成熟期，在每个处理小区的中间区域先划出面积不小于20 m2的测产区。然后在测产区中选取具有代表性的1行玉米，以间隔式的方式选取10株，将果穗取下立即称鲜质量，放入网袋中带回实验室进行考种，分别计算出籽率、含水量等指标。剩下10株玉米秸秆全部粉碎立即称鲜质量，混合均匀后再从中称取200 g小样，带回实验室于70 ℃恒温条件下烘至恒质量，计算出生物产量。在测产内将其他剩余的果穗全部摘下称总鲜质量，最后再通过出籽率、籽粒含水量测算出实际产量，即玉米的经济产量。

1.3.2玉米干物质积累在玉米的抽雄吐丝期和成熟期，在每个处理小区内进行代表性取样，选取10株，洗净泥沙，剪去根，按叶、茎+鞘、穗等器官分开，于105 ℃杀青20 min，然后置于烘箱中，在80 ℃下烘至恒质量，冷却后称其干质量，计算出干物质积累量。

1.3.3玉米叶面积指数、叶片SPAD值玉米叶面积指数是指单位土地面积上进行光合作用的植株叶片的面积，结合干物质积累取样，分别于大喇叭口期和抽雄吐丝期，在每个处理小区内取样10株进行测定分析，叶面积采用“长×宽×系数”法测定，然后结合种植密度来计算叶面积指数。叶片SPAD值是反映玉米叶片叶绿素的含量值，采用SPAD-502型叶绿素仪测定，与干物质积累取样同时进行，每个处理小区测定10株，大喇叭口期选取植株上部最新完全展开叶，而抽雄吐丝期选取穗上叶，在离基部50%的位置两侧各测2点，然后取其平均值。

1.3.4光合有效辐射（PAR）截获率在玉米抽雄吐丝期，采用冠层分析仪（EMS7/E2）测量每个处理小区的冠层光合有效辐射截获率、穗位叶上层光合有效辐射截获率，即同时测定每个处理小区玉米冠层的顶部、基部（距离水面5 cm）及穗上叶部的太阳光有效辐射量。冠层光合有效辐射截获率=[（顶部的太阳光总辐射量-基部太阳光总辐射量）/顶部太阳光总辐射量]×100%；穗位叶上层光合有效辐射截获率=[（顶部的太阳光总辐射量-穗位叶上部太阳光总辐射量）/顶部太阳光总辐射量]×100%。

1.3.5玉米籽粒重金属积累和富集系数玉米籽粒经过微波消解，采用ICP-OES和ICP-MS测定溶液中的镉和铅的含量，总砷含量的测定采用混合酸 HNO3+HClO4（比例为 4 ∶1）对籽粒消解制备成待测液，然后采用氢化物-原子荧光光谱法测定其含量[6-7]。玉米籽粒对土壤重金属吸收能力的大小可通过富集系数来反映，富集系数=籽粒重金属含量（mg/kg）/土壤重金属含量（mg/kg）。

1.4数据分析

用Excel 2007电子表格对数据进行作图，用SPSS 13.0数据处理系统对各处理的样本平均数做方差分析。

2结果与分析

2.1玉米的产量形成

2.1.1玉米的经济产量和生物产量红单3号玉米品种的经济产量最高，为6.79 t/hm2；其次是佳单108和路单6号，且二者间无显著差异；兴黄单892最低，为5.44 t/hm2。4个玉米品种的生物产量均无显著差异（表1）。

2.1.2米的干物质积累和分配4个玉米品种的总干物质积累量均无显著差异，兴黄单892开花以前的干物质积累量最大，为813.0 g/m2；其次是路单6号和红单3号，二者间无显著差异；佳单108较小，为595.2 g/m2。兴黄单892花后干物质质量最小，其他3个品种均表现较大，且三者间无显著差异。兴黄单892花前干物质质量占总干物质质量的比例最大，为63.4%，而花后干物质质量比例却最小，为36.6%。红单3号、路单6号、佳单108花前干物质质量比例均较小，而花后干物质质量却均表现较大，且三者间无显著差异（表2）。

2.1.3玉米的叶面积指数和叶片SPAD值在玉米大喇叭口期，路单6号的叶面积指数最大，为1.22；而其他3个品种均表现较小，且三者间无显著差异。在玉米抽雄吐丝期，兴黄单892的叶面积指数表现较大，为5.88；佳单108表现较小，为4.93；其他品种间无显著差异（图1）。玉米在大喇叭口期至抽雄吐丝期，叶片SPAD值随着生育进程而有所增加。在大喇叭口期，红单3号叶片SPAD值最大，为51.0；其次是兴黄单892、佳单108，且二者间无显著差异；路单6号表现较低；在抽雄吐丝期，佳单108表现较大，其他3个品种均表现较小（图2）。

2.1.4玉米冠层光合有效辐射（PAR）截获率在玉米抽雄吐丝期，佳单108玉米品种的冠层光合有效辐射截获率较大，为88.4%；其次是红单3号，为85.4%；而兴黄单892表现较小，为72.8%。在玉米穗位叶上层的截获率方面，佳单108、路单6号均表现较高，而兴黄单892、红单3号却表现较低（图3）。

2.2玉米籽粒重金属积累和富集系数

整体而言，4个玉米品种籽粒中的镉、铅、总砷含量均低于规定的限量，均属于低积累品种，且佳单108籽粒相对与其他3

个品种，对镉、铅、总砷的积累均表现更低。其中，兴黄单892籽粒对镉的吸收较高，为0.023 mg/kg；路单6号（0.013 mg/kg）、佳单108（0.014 mg/kg）、红单3号（0.014 mg/kg ）均较低。兴黄单892对总砷的吸收较高，为0.077 mg/kg；其次是佳单108，为0.064 mg/kg；而红单3号（0.059 mg/kg）、路单6号（0.057 mg/kg）较低。路单6号对铅的积累表现较高，为0198 mg/kg；其次是红单3号（0.159 mg/kg）、兴黄单892（0124 mg/kg）；而佳单108表现较低，为0.095 mg/kg（图4）。

3种重金属在籽粒当中富集系数由大到小的顺序分别是镉>总砷>铅，其中，兴黄单892镉的富集系数相对较大，其次是佳单108、红单3号，路单6号表现较小；兴黄单892总砷的富集系数相对较高，而佳单108、红单3号、路单6号均表现较小；路单6号铅的富集系数相对较高，其次分别是红单3号、兴黄单892，佳单108表现最小（图5）。

3结论与讨论

3.1玉米的干物质积累和叶面积指数

相关研究结果表明，在玉米的整个生育期内，干物质积累速率在花后将逐渐达到最大值，且最大值越往后推移其籽粒的产量将越高，而不同的品种和种植密度对玉米的物质生产和产量均有显著影响[8]。高产实践表明，增加花后的干物质量对提高产量具有重要作用，而产量在品种间存在显著差异，产量较高的品种花后干物质生产及其向籽粒的分配比例较高[9]。不同品种的干物质积累量在开花前差异不显著，而在开花后差异显著，且随着株高的增加花后的干物质量有所降低，另外不同品种不同部位的叶片所积累的干物质质量对籽粒产量的贡献也是不相同的[10]。在高密度种植条件下，若宽窄行种植或使株行距的配置合理，则玉米群体中各个小气候因素表现协调，所形成的小气候有利于玉米的生长和发育，表现为冠层光合能力高，干物质积累量大，单位面积产量也高，且稀植大穗型玉米品种植株的干物质积累量较大[11-12]。本试验结果表明，在高密、宽窄行种植条件下的4个主栽玉米品种中，红单3号和佳单108的产量较高，且这2个品种花后干物质积累比例均表现较高，再次验证了增加花后的干物质量对提高产量具有重要的作用。另外还得出4个玉米品种生物产量均无显著差异，说明不同品种之间光合生产物质的分配是有差异的。玉米群体冠层结构合理，增产的潜力才会体现，而叶面积指数是群体质量的1个重要指标。随种植密度的增加，不同品种的叶面积指数和叶向值增大，而在同一密度下，耐密型品种的叶倾角较小、叶面积指数和叶向值较大，密植条件下对冠层环境适应性不同的玉米品种其叶面积指数表现各不相同，适应性好的玉米品种吐丝后的平均叶面积指数表现较高[13-15]。本研究表明，在同等的种植密度下，产量较高的佳单108的最大叶面积指数表现较小，而产量较低的兴黄单892的最大叶面积指数却表现较高，这说明在高密条件下籽粒产量不随最大叶面指数的增加而增加，最大叶面积指数对产量的贡献有其适宜的范围。

3.2玉米的冠层光合有效辐射和叶片SPAD值

干物质的生产和积累是玉米籽粒产量的基础，干物质的生产主要是叶片通过光合作用把光合有效辐射进行转化和固定的结果，而群体数量和冠层的结构又是影响玉米冠层对光合有效辐射截获和利用的主要因素。研究结果表明，冠层的光合有效辐射截获率随种植密度的增加而增大，而冠层透光率随密度增加而减小[16-18]。尽管宽窄行种植下的冠层光合有效辐射截获量相对等行距而言呈现减少趋势，然而冠层中的光环境得到了改善，最终的光合有效辐射利用效率却有明显的提升[19]。本研究结果表明，产量较高的品种其冠层光合有效辐射截获率表现较高，故增加冠层的光合有效辐射截获率对提高籽粒产量具有重要作用，且最大叶面积指数较小的佳单108其冠层和穗位叶上层的光合有效辐射截获率却均表现较高，说明在高密、宽窄行种植下选择叶向值较大的品种有利于冠层对光合有效辐射的截获和利用。

玉米叶片SPAD值是叶片中叶绿素的相对含量，在一定条件下其值的大小能客观地反映出叶绿素含量的高低。叶片SPAD值分别与产量、生物量呈显著正相关性，该值主要受氮肥水平影响，并因土壤肥力和生育期的不同而产生变异[20]，整体而言，叶片SPAD值随着玉米生育期的推进呈现先升高后降低的趋势[21]。也有研究表明，叶片SPAD值会随种植密度的增加而降低，在吐丝期叶片叶绿素总含量在不同的密植条件下表现不同[17-18]。本研究结果表明，在高密宽窄行条件下，不同品种间叶片SPAD值表现有所不同，且在大喇叭口期至抽雄吐丝期高的叶片SPAD值其籽粒产量也表现较高。

3.3玉米籽粒的重金属积累

土壤中的重金属离子通过根的吸收进入植株体内以后，会对玉米植株的生长发育产生显著的影响。在同一浓度下的单一污染中，铅对玉米的毒害抑制主要表现在幼苗根长上，而镉主要表现在幼苗的株高上，而复合污染物的毒性抑制主要表现在幼苗根长上[22]。重金属离子会提高根系和叶片中可溶性蛋白含量，对叶绿素含量的影响与其浓度有关，中、高浓度的镉离子会明显降低根系中SOD和POD的活性[23]。然而也有研究表明，一定高浓度镉和铅离子能显著提高玉米的籽粒产量和生物产量，且镉和砷胁迫下的玉米穗轴质量会显著增加[24]。玉米地上部重金属含量大于根部重金属含量，各种重金属在器官中的分布规律不一致，玉米茎中的重金属含量偏高，玉米根中的含量较低[25]。另外，籽粒和茎叶中的重金属含量在不同品种间存在显著差异，籽粒生物量、籽粒重金属含量及重金属转运系数也是筛选低累积玉米品种的重要依据指标[26]。本研究结果表明，不同品种间籽粒对镉、铅和总砷的积累不同，且产量较高的品种其籽粒中镉和总砷的积累和富集系数均表现较低。

在土壤重金属污染较为严重的个旧矿区周边农田内，高密和实行宽窄行种植下的4个主栽玉米品种中，产量较高的品种为红单3号和佳单108。从产量形成方面来分析，这2个品种均具有较高的花后干物质积累比例，且红单3号具有较高的最大叶面积指数，佳单108具有较高的叶片SPAD值及冠层和穗位叶上层的光合有效辐射截获率。在籽粒重金属积累和安全性评价方面，4个主栽玉米品种籽粒中的镉、铅和总砷的含量均未超标，均属于重金属低累积品种。其中，红单3号玉米籽粒对镉和总砷的积累均表现较小，而对铅的积累呈中等水平，佳单108对铅和镉的积累表现较小，对总砷的积累为中等水平。

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