长江中下游麦区不同小麦品种镉积累差异研究

2022-07-04易超史高玲陈恒强姚澄潘云俊石月红李标高岩

农业环境科学学报 2022年6期

易超，史高玲，陈恒强，姚澄，潘云俊，石月红，李标，高岩

（1.江苏大学环境与安全工程学院，江苏镇江 212013；2.江苏省农业科学院农业资源与环境研究所/农业农村部长江下游平原农业环境重点实验室/国家农业环境六合观测实验站，南京 210014；3.常熟市耕地质量保护站，江苏常熟 215500）

随着我国工业化和城市化进程的快速推进，土壤重金属污染问题也日益突出。2014年环境保护部和国土资源部联合发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示：全国土壤点位总超标率为16.1%，耕地土壤点位超标率达19.4%，以中轻度污染为主；主要的污染类型为无机型污染，无机污染物的超标点位数占总超标点位的82.8%，其中重金属镉的点位超标率为7%。镉（Cd）是一种人体非必需的有毒重金属，易通过食物链的传递作用在人体内累积，并持续威胁着人体健康。长期摄入镉含量超标的食物会导致一系列人体器官的衰竭、癌变，著名的“痛痛病”便是长时间食用镉含量超标的大米引起的。因此，镉也被世界卫生组织国际癌症研究机构（IARC）归为Ⅰ类致癌物。

小麦是我国第二大粮食作物，广泛种植于长江中下游平原、黄淮海平原、西南和西北等地区。同时，小麦属于镉积累能力较强的作物之一，其对镉的积累能力甚至超过稻米。近年来，小麦镉超标事件在我国被频繁报道，如河南新乡“镉麦”事件。长江中下游麦区为我国小麦主要生产区之一，目前该区域的小麦籽粒镉超标率较高，达9.0%。在江苏，一些镉污染区域小麦籽粒镉超标率通常为100%，部分样品籽粒镉含量甚至高达4.3 mg·kg，对农业和食品安全构成了严重的威胁。然而在小麦籽粒镉超标形势严峻的当下，针对小麦镉污染治理方面的研究仍较为欠缺，如何控制与修复麦田镉污染、保障镉污染地区小麦的安全生产已成为当前亟待解决的问题。

在常用的土壤重金属污染修复技术中，物理化学修复的效果良好，但成本较高，在修复区域上也有一定的局限性。植物修复近几年逐渐成为热门的土壤修复技术，但却因其漫长的修复周期与作物耕种需求相冲突，而不适用于农田土壤重金属污染修复。筛选重金属低积累作物品种，可在经济、高效地实现对土壤重金属阻控的同时，有效保障重金属污染地区农田的安全生产。已有研究表明，小麦对重金属的吸收与累积存在显著的品种间差异。基于此，国内外很多学者探究了不同小麦品种对镉的吸收、积累与转运差异，并开展了一系列低镉积累小麦品种的筛选工作。如LIU 等通过大田试验，分析了来自黄淮海麦区72个小麦品种对镉及微量营养元素的吸收差异，并从中筛选出了9个稳定的低镉积累小麦品种；LU 等比较了生长在轻度镉污染耕地上的30份小麦基因型对镉吸收、积累与分配的差异，认为考虑土壤条件、小麦基因型及其交互作用是筛选低镉积累小麦品种的重要条件；陈亚茹以261份中国小麦微核心种质为研究材料，筛选出对重金属胁迫具有一定抗性且籽粒镉、铅低积累的小麦品种，并将其应用于后续的耐重金属胁迫小麦育种工作中。

现有的小麦品种间镉积累差异研究工作多涵盖数个麦区，所分析的小麦品种过于宽泛，针对性不足，适宜长江中下游种植的低镉积累小麦品种鲜有报道。此外，由于筛选低积累小麦品种所需的周期较长，很多低积累小麦品种被筛选出来后已不再是当地主推品种，如何保障筛选出的低积累小麦品种的时效性仍需进一步探索。本研究针对长江中下游麦区小麦镉污染超标率较高的现状，收集了107份适宜长江中下游麦区种植的小麦品种，首先于无污染农田中进行了初步的田间筛选试验。然后基于大田试验结果，按照随机均匀分布法，从中选取了42个低、中、高镉积累小麦品种，利用盆栽试验将其种植于轻度镉污染土壤中，以研究不同小麦品种对镉积累、转运的差异，筛选出适宜长江中下游地区种植的低积累小麦品种，并对非污染条件和轻度镉污染条件下种植的小麦品种间镉积累差异的关系进行了分析，探究能否在小麦参与品种审定的同时，通过对小麦生产试验中各“准品种”小麦籽粒镉含量进行检测，初步判定各小麦品种对镉的积累能力，从而确保小麦品种筛选结果的时效性。

1 材料与方法

1.1 供试小麦品种

大田试验所用107个供试小麦品种均属于长江中下游麦区种植品种，分别来自江苏、湖北、安徽等地区，对该麦区历年来的育种情况具有较强代表性，品种信息详见表1。在大田试验的基础上，按照小麦籽粒镉浓度从高到低的顺序和随机均匀分布原则，从107个小麦品种中选取了42个不同镉积累能力的小麦品种进行盆栽试验，具体品种信息详见表1（加粗品种）。

表1 大田试验、盆栽试验供试小麦品种及其来源Table 1 Wheat varieties tested in field experiment，pot experiment and their sources

1.2 大田试验

大田试验于2016—2017年进行，试验地点位于江苏省农业科学院院内某试验田（32°01′54″N，118°52′23″E）。试验田表层（0～20 cm）土壤为黄棕壤，土壤镉含量为 0.22 mg·kg，pH 为 6.56（土水比为 1∶2.5），有机质含量为23.11 g·kg，全氮含量为1.30 g·kg，有效磷含量为 14.63 mg · kg，速效钾含量为110.09 mg·kg。试验按照完全随机区组设计，设置3组重复试验，试验小区行长1.6 m，行距30 cm，每个品种的每个重复种植3 行。除所种植小麦品种不一致外，试验区域田间其他管理均保持一致，小麦田间管理参照当地管理模式。

1.3 盆栽试验

盆栽试验于2019—2020年进行，试验地点位于江苏省农业科学院院内试验基地（32°02′00″N，118°52′25″E）。受试土壤采自江苏省农业科学院六合基地某块农田（32°29′ 07″ N，118°37′ 06″ E）表层土壤，土壤镉含量背景值为0.19 mg·kg。土壤为黄棕壤，pH 为 6.65，有机质含量为 14.24 g·kg，全氮含量为0.92 g·kg，有效磷含量为53.82 mg·kg，速效钾含量为141.57 mg·kg。土壤经风干、过10目筛后，以溶液的形式向土壤中加入CdCl，使镉的最终添加量为0.60 mg·kg。添加过CdCl的土壤经搅拌均匀后，加入一定量的水保持土壤在湿润状态下老化6个月，将老化后的土壤风干、敲碎、混匀过筛后进行盆栽试验。选用的盆钵材质为聚丙烯（PP），盆高、内径和外径分别为22、20.5 cm 和24 cm，每盆装填5 kg受试土壤，基肥随土壤装盆时加入，每盆加入6 g 氮磷钾复合肥（N、PO、KO 比例为 15∶15∶15），搅拌均匀，3 d 后进行播种。选取饱满度相同、大小基本一致的小麦种子，用体积分数为10% 的双氧水浸泡灭菌，10 min 后用自来水和去离子水洗净，随后将种子置于润湿的培养皿中浸种1 d。将露白的种子转移至盆中，每盆均匀播种6 粒，于同一天内完成。每个小麦品种设置3组重复试验，期间根据天气状况每盆等量浇水，约1个月后间苗，最终每盆留下大小和长势相同的3 株小麦幼苗。所有盆钵随机放置，每隔两周重新更换各盆钵的摆放位置，小麦生长管理参照当地管理模式。

1.4 样品采集与处理

大田试验的小麦籽粒于小麦成熟期收获，采集每个重复处理中间一行的小麦，经人工分离出受试小麦的籽粒后，用自来水及去离子水洗净，在70 ℃的条件下烘干至恒质量，粉碎后过100目筛，留待消解、测定镉含量。

盆栽试验同样于小麦成熟期进行样品收获，收获时测量小麦株高。对每盆小麦进行分别采集，人工分离出籽粒、秸秆两部分后，用自来水及去离子水洗净，在70 ℃的条件下烘干至恒质量并称量，粉碎后过100目筛，留待消解、测定镉含量。

1.5 测试指标及方法

1.5.1 土壤基本理化性质测定

土壤pH 值用pH 计（Mettler Toledo，FE-28，德国）测定；全氮含量采用凯氏定氮法测定；有机质含量采用重铬酸钾-外加热法测定；速效磷含量采用碳酸氢钠提取，钼锑抗比色法测定；速效钾含量采用乙酸铵浸提法测定。

1.5.2 样品镉含量测定

小麦籽粒和秸秆样品的消解参考TAO 等的方法，采用HNO-HO（∶=1∶1）进行电热消解，使用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）（PerkinElmer，NexION-2000，美国）测定样品中的镉含量。为确保样品检测的准确度，每批样品在消解过程中均带有试剂空白和植物标准物质样品（柑橘叶，GBW10020）。本实验过程中，标准物质镉的回收率范围为94%～105%。

1.5.3 小麦镉转运系数

植物对重金属的转运系数（）是植物体内某部位的重金属含量与另一部位中同种重金属含量的比值，可用于表征某种元素在植物不同部位之间的转运能力。公式如下：

式中：为小麦秸秆向籽粒转运镉的转运系数；、分别为小麦籽粒和秸秆中的镉含量，mg·kg。

1.6 数据处理

所有数据均使用SPSS 18.0 和Excel 2016 软件进行统计分析。采用单因素方差分析（ANOVA）及Duncan检验进行不同小麦品种中重金属镉含量的差异性分析；各指标间的相关性分析采用Pearson 相关系数进行检验；小麦籽粒重金属镉含量及籽粒干质量通过离差平方和（Ward）聚类法进行聚类分析。

2 结果与分析

2.1 大田试验小麦籽粒镉含量

大田试验中，于无污染土壤上生长的107个小麦品种籽粒镉含量如图1 所示，不同小麦品种籽粒镉含量存在显著差异（=1.817，＜0.001）。籽粒镉含量最高的品种为扬麦21，镉含量为0.082 mg·kg，其次为镇麦10 号和扬麦27；籽粒镉含量最低的品种为皖麦54，镉含量为 0.040 mg·kg，其次为宁麦 7 和扬麦15。在大田试验107个供试品种中，小麦籽粒镉含量平均值为0.062 mg·kg，各品种间最大值为最小值的2.05倍，75% 的小麦品种籽粒镉含量集中在0.050～0.070 mg·kg的范围内。

图1 大田试验107个小麦品种籽粒镉含量Figure 1 Grain Cd concentration of 107 wheat varieties in field experiment

2.2 盆栽试验小麦籽粒和秸秆镉含量

如图2 所示，盆栽试验中42个小麦品种的籽粒镉含量分布在0.261～0.524 mg·kg的范围内，各品种间最大值为最小值的2.00倍，平均值为0.384 mg·kg，不同品种间的籽粒镉含量存在显著差异（=3.013，＜0.001）。其中，宁麦 11、轮选 22 和扬辐麦 4 号 3个品种籽粒镉积累量较低，分别为0.261、0.270 mg·kg和0.274 mg·kg；而扬麦11、扬麦21和扬麦16的籽粒镉含量则高于其他小麦品种，分别达0.524、0.503 mg·kg及0.497 mg·kg。所有盆栽试验的受试小麦品种的秸秆镉含量均大于籽粒镉含量，且不同品种间的秸秆镉含量同样存在显著差异（=6.914，＜0.001）。秸秆镉含量分布范围介于0.562 mg·kg（扬麦15）和1.095 mg·kg（扬麦 16）之间，其均值为 0.816 mg·kg；各品种间秸秆镉含量的最大值为最小值的倍数（1.95倍）低于籽粒镉含量的相应倍数。

图2 盆栽试验42个小麦品种籽粒和秸秆镉含量Figure 2 Cd concentration in grain and straw of 42 wheat varieties in pot experiment

2.3 盆栽试验小麦镉转运系数

是评价不同小麦品系对镉积累差异的重要指标。对42个小麦品种的进行分析（图3），发现值均小于1，分布范围为0.314（扬辐麦4号）～0.701（扬麦11），平均值为0.481，最大值为最小值的2.23 倍，不同品种间存在显著差异（=5.568，＜0.001）。

图3 盆栽试验42个小麦品种的镉转运系数（TFStraw - Grain）Figure 3 Cd translocation factor（TFStraw - Grain）of 42 wheat varieties in pot experiment

2.4 盆栽试验小麦各项农艺性状与籽粒、秸秆镉含量的相关性分析

对42个小麦品种的农艺性状及其籽粒、秸秆镉含量和进行了相关性分析，结果如表2 所示。相关性系数表明，小麦籽粒镉含量与小麦秸秆镉含量、呈极显著正相关（＜0.001），与包含籽粒干质量、株高等在内的农艺性状无显著相关性；小麦秸秆镉含量与呈极显著负相关（＜0.001），与株高呈显著负相关（＜0.01），与籽粒秸秆干质量比呈显著正相关（＜0.01）；而与籽粒秸秆干质量比呈极显著负相关（＜0.001），与株高呈显著正相关（＜0.05）。

表2 盆栽试验42个小麦品种籽粒镉含量、秸秆镉含量、镉转运系数及各项农艺性状之间的相关性系数Table 2 Correlation coefficients of grain Cd concentration，straw Cd concentration，Cd translocation factor and wheat agronomic traits of 42 wheat varieties in pot experiment

在小麦的各项农艺性状中，籽粒干质量与秸秆干质量、籽粒秸秆干质量比呈极显著正相关（＜0.001），与千粒质量呈显著负相关（＜0.05）；秸秆干质量与株高呈极显著正相关（＜0.001），与籽粒秸秆干质量比呈极显著负相关（＜0.001）；小麦株高与千粒质量呈显著正相关（＜0.01），与籽粒秸秆干质量比呈极显著负相关（＜0.001）。

2.5 盆栽试验小麦籽粒镉含量及籽粒干质量的聚类分析

基于盆栽试验中的小麦籽粒镉含量，采用聚类分析法（系统聚类-离差平方和（Ward）法-平方Euclidean距离）将42份小麦品种分为5个类群（图4A），即第Ⅰ类群（籽粒镉低积累品种）、第Ⅱ类群（籽粒镉较低积累品种）、第Ⅲ类群（籽粒镉中积累品种）、第Ⅳ类群（籽粒镉较高积累品种）和第Ⅴ类群（籽粒镉高积累品种），从而更为直观地反映这些品种的镉积累能力差异。从Ⅰ到Ⅴ，各个类群分别占供试小麦总数的14.29%、33.34%、28.57%、11.90% 和11.90%。其中，第Ⅰ类由宁麦11、轮选22、皖麦54、扬辐麦4 号、扬麦15 及宁麦17 共6个品种组成；第Ⅱ类由襄麦25、扬麦17、镇麦12 等14个品种组成；第Ⅲ类为包含宁麦9、鄂麦580、华麦12 在内的12个品种；第Ⅳ类包括皖麦26、宁麦8 等5个品种；而第Ⅴ类则由扬麦11、扬麦21、扬麦16、镇麦10号和扬麦27组成。第Ⅰ类中6个品种的籽粒镉含量分布在0.261～0.298 mg·kg范围内，平均值为0.279 mg·kg，是本次试验中优先考虑的低镉积累小麦品种；而第Ⅴ类中5个品种的籽粒镉含量平均值达0.503 mg·kg，从食品安全的角度考虑，不推荐将这些品种种植于镉污染地区。

为明确不同小麦品种间产量差异，采用同种聚类分析法对42个小麦品种的籽粒干质量进行了分析（图4B）。结果表明，宁麦8、鄂麦26、宁麦11等8个品种组成的类群为籽粒干质量最高的类群，即高产类群，其平均籽粒干质量为16.08 g·株，最大值为16.65 g·株（鄂麦26）；而鄂麦352、襄麦55、皖麦26、扬麦22 和生选3号这5个品种组成了低产类群，其平均籽粒干质量最低，为12.37 g·株。结合两次聚类分析结果，发现宁麦11为籽粒镉低积累品种类群与高产类群的交集，即为本次受试小麦中的低镉高产小麦品种。

图4 盆栽试验42个小麦品种籽粒镉含量及籽粒干质量的聚类分析Figure 4 Cluster analysis of grain Cd concentration and grain dry weight of 42 wheat varieties in pot experiment

2.6 小麦品种间镉积累差异在非污染条件和污染条件下的相关性分析

为探究不同小麦品种在非污染和污染条件下对镉积累差异的关系，对盆栽试验中42个小麦品种的籽粒镉含量及对应品种的大田试验籽粒镉含量进行相关性分析（图5）。结果表明，盆栽试验与大田试验中的小麦籽粒镉含量呈极显著正相关（=0.612，＜0.001），说明非污染条件下不同小麦品种对镉的积累差异在一定程度上能够反映其在污染条件下对镉的积累差异，例如镉积累能力较弱的宁麦11，无论是在非污染条件还是在轻度镉污染条件下均能保持较低的籽粒镉含量。故可通过各小麦品系在非污染条件下的镉积累差异来初步推测其镉积累能力。

图5 非污染（大田）和轻度污染（盆栽）条件下小麦籽粒镉含量相关性分析Figure 5 Correlation analysis of Cd concentration in wheat grain under non-polluted（field）and slightly polluted（pot）conditions

3 讨论

作为自然界中毒性最强的重金属之一，镉即使是在极低的含量下也能通过食物链的传递对动植物健康构成严重威胁。小麦是人类重要的粮食来源，且与其他谷物相比，小麦籽粒对镉的积累能力更强。因此，小麦籽粒中积累的镉是人体镉暴露的主要来源之一。目前，国内外许多学者的研究均表明，不同小麦品种的籽粒对重金属镉的积累能力存在着显著差异。孙洪欣等在轻度镉污染条件下比较了北方10个小麦品种对镉的积累差异，发现受试的10个小麦品种间镉积累量最大值为最小值的1.94 倍。LIU 等通过多点试验，比较了黄淮海麦区72个小麦品种对镉的积累差异，发现受试的72个小麦品种对镉积累量的最大值为最小值的2～3 倍。本研究同样发现，无论是在无污染还是在镉轻度污染条件下，不同小麦品种籽粒对镉的积累均出现了显著的品种间差异（＜0.001），不同小麦品种在无污染大田试验和轻度镉污染盆栽试验条件下的最大值为最小值的2.05 倍和2.00 倍（图1 和图2）。进一步分析发现，小麦籽粒镉含量与秸秆镉含量、镉从秸秆向籽粒的转运能力均呈显著正相关（表2），表明小麦品种间籽粒镉含量差异与镉从根系向地上部转运的总量以及镉从秸秆向籽粒的转运能力均相关。同时，较强的转运能力也是高镉积累小麦品种扬麦11 籽粒镉积累量高的主要原因，盆栽试验42个小麦品种中，扬麦11 的最高，达0.701（图3）。因此，解析不同小麦品种对镉转运差异的生理与分子机制有助于阐明高镉积累小麦品种的镉累积机制。有研究表明，农作物的生育期是影响作物可食部位镉积累的因素之一。如DUAN 等对水稻的研究结果表明，水稻籽粒镉含量与水稻抽穗日期呈显著正相关，抽穗期越早的水稻品种籽粒镉含量越低。而本研究中的42个小麦品种同属长江中下游麦区，生育期较为接近，在种植时间一致的情况下，品种间抽穗期、成熟期相差不超过5 d，对小麦镉累积的影响微乎其微。因此，生育期差异并非导致本研究中不同小麦品种对镉积累出现差异的原因。

针对小麦、水稻等主要粮食作物的重金属镉超标问题，目前已开展了多项研究。我国《食品安全国家标准食品中污染物限量》（GB 2762—2017）规定，谷物及其制品中镉的限定阈值为0.1 mg·kg，一旦超过该值就会威胁谷物质量安全。本研究在无污染土壤条件下进行的大田试验结果显示，107 种小麦的籽粒镉含量分布在0.040～0.082 mg·kg范围内，均低于标准所规定的限定阈值，即在无污染土壤中，受试的长江中下游麦区小麦品种均可安全生产。然而本研究的盆栽试验结果表明，在轻度镉污染条件下，42个小麦品种的籽粒镉含量均超过国家规定阈值，部分品种籽粒镉含量可达0.524 mg·kg（扬麦11），这与熊孜等和邢维芹等的研究结果一致。而在江苏，工业发展带来的耕地镉污染问题已严重威胁到小麦的安全生产，其中以苏南地区和徐州等工业发达地区的小麦镉超标现象最为常见,一些镉污染区域小麦籽粒镉超标率通常为100%，部分小麦籽粒镉含量甚至高达4.3 mg·kg。因此，前人及本研究的结果均表明小麦籽粒对镉的积累能力较强，小麦高富集镉的机制应当得到更多的关注与研究。

产量是小麦选育过程中最重要的指标之一，然而小麦籽粒镉含量与小麦产量的关系尚不明确。是否能选育出低镉高产小麦品种，在保证食品安全不受重金属镉威胁的同时尽可能实现稳产高产，已成为目前低镉小麦育种工作中的关键问题。本研究结果显示，小麦籽粒镉含量与小麦籽粒干质量无显著相关性（表2），表明选育同时具备低镉积累和高产特性的小麦品种是可行的。对小麦籽粒镉含量和籽粒干质量分别进行聚类分析，发现品种宁麦11 同时具备高产与低籽粒镉含量两个特征（图4），这进一步印证了筛选低镉高产小麦品种的可行性。前人的研究也筛选出了一些低镉且相对高产的小麦品种，如陈亮妹等在镉重度污染农田及非污染农田间进行了12个小麦品种的筛选试验，最终确定扬麦20和宁麦8为籽粒镉积累量较低、产量较高的小麦品种；孙洪欣等基于北方冬麦区的10个小麦品种在污灌区的产量、籽粒重金属含量和转运系数等指标，筛选出适宜在黄淮海麦区北部种植的兼具高产和低镉积累能力的小麦品种济麦22。此外，在筛选低镉积累小麦品种时，除了保证其可食部位镉含量相比于其他品种处于尽可能低的水平外，还应将较低的镉转运水平纳入参考范围内，即最终筛选出的小麦品种应兼顾低籽粒镉含量和低镉转运系数这两点。本研究中的扬辐麦4号、宁麦11、宁麦17和皖麦54这4个品种的镉转运系数均处于较低水平（图3），平均值为0.339，且在非污染的大田试验中同样呈现出较低的籽粒镉含量（图1），符合低镉积累小麦品种的筛选标准。因此，根据以上结果可将宁麦11、扬辐麦4号、皖麦54和宁麦17认定为本次受试小麦中的低镉积累品种，其中的宁麦11作为低镉高产品种，适用于长江中下游麦区的推广种植。

关于低积累小麦品种的筛选，前人已开展过大量的研究，但这些研究筛选出的小麦品种常面临着即将退出或已退出市场的问题，多数低积累品种难以得到大面积推广应用。重金属低积累品种筛选是一项工作量大、周期长的工程，而小麦又具有较长的生育期，从而导致低积累小麦品种的筛选结果难以跟上小麦主推品种的更新速度。对此，目前亟待开发一种能够在小麦进入市场前即可初步判定小麦镉积累能力的方法，为后期稳定低积累小麦品种的筛选提供候选名单，在缩小筛选范围的同时缩短筛选周期，从而保障低积累小麦品种筛选结果的时效性。本研究结果显示，42个小麦品种在非污染大田试验和轻度镉污染盆栽试验中的籽粒镉含量呈显著正相关（图5），说明小麦品种间镉积累差异在无污染和轻度镉污染条件下具有一致性，类似的结果也出现在LIU 等和LU 等的研究中。这些研究表明，小麦自身遗传特性是影响其镉积累的主要因素之一，这与DUAN 等在水稻中的研究结果一致，其通过对多点大田试验结果进行分析，发现水稻基因型、环境以及基因型与环境互作对稻米镉积累的贡献分别为48%、16% 和26%。因此，对生长于无污染条件下不同小麦对镉的积累差异进行比较，也可在一定程度上评估其在轻度镉污染条件下对镉的积累水平。而小麦在品种审定完成前需要投入大面积的生产试验，在此期间可检测这些小麦“准品种”的籽粒镉含量，在小麦材料尚处于品种审定阶段时就对其镉积累能力进行初步评价，从而为低镉积累小麦筛选提供第一手数据。这将显著缩短低镉积累小麦品种的筛选周期，在保证筛选结果时效性的同时，也为低镉积累小麦品种的最终鉴定提供重要的参考依据。