谢炜， 汪亚萍， 黃窈军， 高敬文

(1.桐庐县农业技术推广中心，浙江 桐庐 311500； 2.浙江省农业科学院 环境资源与土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021)

重金属是农田中重要的危害污染物，是导致农产品质量安全问题的关键因素之一。近40 a来，随着社会经济水平的发展，社会生产活动越来越多的向土壤、水体、大气等环境中输出污染物，导致我国的农田污染呈现愈来愈严重的趋势[1]。浙江省经济发达，矿产丰富、酸化土壤导致重金属活化、民营企业多带来污染物随意排放的问题，使其农田重金属污染情况尤为严重[2-3]。镉(Cd)是我国农田超标率最高的重金属污染物，是人类第一致癌有害物，因其迁移性大、容易被植物富集，成为危害农产品质量安全的最重要风险因素之一。

目前重金属污染土壤的安全利用措施中，低积累作物的筛选和推广是最为有效和安全的。玉米是我国第一大粮食作物，其籽粒对重金属富集能力较低[4]。因此，筛选出适宜不同地区栽培的低积累玉米品种，对于Cd污染土壤土地的安全生产具有重要意义。谷物籽粒Cd的高低不仅由其Cd吸收能力决定，还受Cd的转运、再动员等复杂的因素影响。有研究表明，玉米对Cd的积累和转运在不同玉米品种间存在显著差异[5]。目前关于适宜浙江Cd污染土壤种植的玉米品种的相关研究较为匮乏，关于Cd污染农田玉米植株茎、叶、壳、棒、籽粒Cd的富集和转运特性的研究报道较少，本文以近几年浙江地区大面积种植的11个鲜食糯玉米品种和11个鲜食甜玉米品种为研究对象，通过田间试验，筛选出适宜种植的Cd低积累品种，并进一步研究Cd低积累和高积累玉米品种对Cd的富集和转运差异，以期为浙江省受污染耕地的安全利用和Cd低积累玉米品种选育提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

田间试验在浙江省杭州市桐庐县江南镇莲塘村开展，属于Cd中度污染耕地，试验田周边存在冶铜厂，大气沉降值较高。试验土壤pH 5.42，Cd含量为0.87 mg·kg-1，有效Cd含量为0.49 mg·kg-1。

1.2 供试材料

供试品种22个，均为浙江省主要种植的玉米品种。选用品种包括鲜食糯玉米11个：浙凤糯2号、彩甜糯168、浙糯玉21、黑甜糯168、浙甜糯86、浙糯玉18、浙糯玉14、科糯6、科糯2、浙糯玉16、浙糯玉19，鲜食甜玉米11个：浙甜19、雪甜7401、脆甜89、浙甜11、浙甜10、浙甜20、浙甜2088、脆甜321、脆甜258、浙泰甜928、承玉19。

1.3 试验设计

采用随机区组的设计布置田间试验，小区面积为30 m2，合计66个小区。7月中旬采用人工穴播的方式，行距40 cm，株距20 cm，每穴播种3～4粒，在两叶一心期进行间苗，保留大小一致、植株均匀、茎基扁粗的壮苗，若出现缺穴、断垄的现象，可带土移栽幼苗，或在相邻穴保留2株幼苗，以维持幼苗的密度。每个小区667 m2施复合肥(15-15-15)48 kg作基肥，在喇叭期667 m2追施尿素12 kg。水分管理和病虫害防治、除草按常规方式进行。试验统一集中在9月上旬成熟期进行采收。

1.4 样品采集与分析

待玉米成熟后，采集玉米植株和土壤样品，并进行测产。土壤样品风干后，过20目、100目筛备用，植株分为茎秆、叶片、壳、棒、籽粒5个部分，洗净后70 ℃烘干至恒重，粉碎后待测。土壤 pH 用去离子水浸提(土水比 1∶2.5)，而后用精密 pH 计测定。土壤全量 Cd 测定采用《土壤质量铅、镉的测定 石墨炉原子吸收分光光度法》(GB/T 17141—1997)中的方法，植株样品中总 Cd 测定方法参照《食品安全国家标准食品中镉的测定》(GB 5009.15—2014)，土壤和植株样品经微波消解后，用原子吸收分光光度计测定出镉含量。以国家标准参比物质土壤样品和植物样品进行质量控制，国标样分析结果均在允许误差范围内。

1.5 统计分析

数据分析在Excel软件中进行，LSD法分析差异显著性(P<0.05)，图表中数据以平均值±标准差表示，绘图采用Sigmaplot10.0软件。

富集系数=玉米各部位Cd含量/土壤中Cd含量；

籽粒Cd转运系数=玉米籽粒Cd含量/玉米各部位Cd含量。

2 结果分析

2.1 不同玉米品种籽粒产量

如图1所示，不同玉米品种之间产量存在显著差异(P<0.05)。供试的鲜食糯玉米品种中，浙甜糯86和浙糯玉19的鲜穗产量最高，每667 m2产量分别高达1028 和1 081 kg，而彩甜糯168、浙糯玉21和科糯2的鲜穗产量最低，均低于650 kg。供试的鲜食甜玉米品种有4个品种鲜穗产量超过1 000 kg，分别为浙甜19、浙甜10、浙泰甜928和承玉19。其中承玉19鲜穗产量显著高于其他品种，每667 m2鲜穗产量高达1 292 kg，而雪甜7401和脆甜89鲜穗产量最低，每667 m2分别为546和630 kg。

注：没有相同小写字母表示不同玉米种类间显著差异(P<0.05)。图2～3同。

2.2 不同玉米品种植株各部分Cd含量

不同品种玉米籽粒Cd含量变化范围为0.03～0.51 mg·kg-1，差异高达20.3倍。根据《GB 2762—2017食品安全国家标准-食品中污染物限量》，在桐庐Cd污染农田中试验结果发现：供试的鲜食糯玉米品种中，浙凤糯2号、彩甜糯168、黑甜糯168、浙甜糯86、浙糯玉18、浙糯玉14、科糯6和浙糯玉16籽粒Cd含量符合食品安全标准(≤0.1 mg·kg-1)。而浙糯玉21、科糯2和浙糯玉19籽粒Cd含量均超过0.1 mg·kg-1，不符合食品安全标准。供试的鲜食甜玉米品种中，浙泰甜928和承玉19符合食品安全标准，而浙甜19、雪甜7401、脆甜89、浙甜11、浙甜10、浙甜20、浙甜2088、脆甜321、脆甜258籽粒Cd含量均超过0.1 mg·kg-1，不符合食品安全标准(图2)。

图2 不同玉米品种籽粒Cd含量

不同玉米品种茎秆、叶片、棒和壳的Cd含量范围分别为0.18～1.69、1.24～4.96、0.29～2.54、0.14～1.26 mg·kg-1，差异分别为9.3、4.0、8.9、8.8倍(图3)，由此可见，不同品种玉米Cd积累能力差异最大的器官是籽粒，说明与Cd吸收能力相比Cd转运能力对籽粒Cd积累的影响更大。22个玉米品种不同部位Cd含量总体呈现叶片>壳≈茎秆>棒>籽粒的规律。

图3 不同玉米品种茎秆、叶片、壳、棒Cd含量

2.3 不同玉米品种籽粒Cd和产量聚类分析

将玉米产量和籽粒Cd含量数据进行系统聚类分析(图4)，可将22个玉米品种分为4类：第1组是高镉含量组，籽粒Cd含量为0.23～0.33 mg·kg-1、平均值为0.28 mg·kg-1，每667 m2产量为546～770 kg、平均值为654 kg；第2组是低镉含量低产量组，籽粒Cd含量为0.04～0.17 mg·kg-1、平均值为0.11 mg·kg-1，每667 m2产量为533～813 kg、平均值为706 kg；第3组为低镉含量中产量组，籽粒Cd含量为0.03～0.04 mg·kg-1、平均值为0.04 mg·kg-1，每667 m2产量为837～1 028 kg、平均值为920 kg；第4组为低镉含量高产量组，籽粒Cd含量为0.08～0.17 mg·kg-1、平均值为0.12 mg·kg-1，每667 m2产量为1 050～1 292 kg、平均值为1 128 kg。其中第1组(高镉含量组)有鲜食糯玉米品种浙糯玉21和鲜食甜玉米品种脆甜89、脆甜321、雪甜7401、浙甜11，第2组(低镉含量低产量组)有鲜食糯玉米品种彩甜糯168、浙糯玉18、浙凤糯2号、科糯2和鲜食甜玉米品种脆甜2088、脆甜258、浙甜20，第3组(低镉含量中产量组)有鲜食糯玉米品种黑甜糯168、科糯6、浙糯玉14、浙糯玉16、浙甜糯86，第4组(低镉含量高产量组)有鲜食糯玉米品种浙糯玉19和鲜食甜玉米品种浙泰甜928、浙甜19、浙甜10、承玉19。

图4 不同玉米品种产量与籽粒Cd含量聚类分析

2.4 不同玉米品种籽粒Cd聚类分析

将玉米籽粒Cd含量数据进行系统聚类分析(图5)，可将22个玉米品种分为3类：第1组为低镉含量组，籽粒Cd含量为0.03～0.09 mg·kg-1、平均值为0.05 mg·kg-1；第2组为中镉含量组，籽粒Cd含量为0.12～0.17 mg·kg-1、平均值为0.14 mg·kg-1；第3组为高镉含量组，籽粒Cd含量为0.23～0.33 mg·kg-1、平均值为0.28 mg·kg-1。其中第1组(低镉含量组)有浙凤糯2号、浙泰甜928、承玉19、彩甜糯168、浙甜糯86、浙糯玉16、黑甜糯168、浙糯玉14、科糯6、浙糯玉18，第2组(中镉含量组)有浙甜19、浙甜20、科糯2、浙糯玉19、浙甜2088、脆甜258、浙甜10号，第3组(高镉含量组)有脆甜89、脆甜321、雪甜7401、浙糯玉21、浙甜11。

图5 不同玉米品种籽粒Cd含量聚类分析

2.5 低、中、高镉含量组玉米对Cd的富集特性

如图6所示，供试22个玉米品种不同部位的富集系数差异较大，不同部位Cd富集能力为：叶片>壳≈茎秆>棒>籽粒。其中低镉含量组10个品种籽粒、茎秆、叶片、壳和棒的富集系数分别为0.03～0.12、0.21～1.94、1.43～5.49、0.33～2.92、0.16～0.67，平均值分别为0.06、0.59、3.27、0.75、0.34。中镉含量组7个品种籽粒、茎秆、叶片、壳和棒的富集系数分别为0.08～0.27、0.25～0.72、2.93～5.64、0.40～0.92、0.26～0.92，平均值分别为0.16、0.49、4.22、0.60、0.51。高镉含量组5个品种籽粒、茎秆、叶片、壳和棒的富集系数分别为0.18～0.59、0.22～1.51、3.93～5.70、0.47～2.14、0.44～1.45，平均值分别为0.32、0.85、4.56、1.29、0.83。低、中、高镉含量组不同部位Cd富集能力存在较大差异，籽粒Cd富集系数平均值为：高镉含量组>中镉含量组>低镉含量组，茎秆Cd富集系数平均值为：高镉含量组>低镉含量组>中镉含量组，叶片Cd富集系数平均值为：高镉含量组>中镉含量组>低镉含量组，棒Cd富集系数平均值为：高镉含量组>低镉含量组>中镉含量组，壳Cd富集系数平均值为：高镉含量组>中镉含量组>低镉含量组。

图6 玉米籽粒、茎秆、叶片、壳、棒Cd富集系数分布

2.6 低、中、高镉含量组玉米对Cd的转运特性

供试22个玉米品种不同植株部位-籽粒Cd转运系数具有较大差异。其中低镉含量组10个品种茎秆、叶片、壳和棒的转运系数分别为0.03～0.32、0.01～0.05、0.03～0.19、0.11～0.40，平均值分别为0.14、0.02、0.10、0.19，不同部位-籽粒Cd转运能力为：棒>茎秆≈壳>叶片。中镉含量组7个品种茎秆、叶片、壳和棒的转运系数分别为0.15～0.85、0.02～0.05、0.12～0.59、0.15～0.61，平均值分别为0.38、0.04、0.29、0.34，不同部位-籽粒Cd转运能力为：茎秆≈壳≈棒>叶片。高镉含量组4个品种茎秆、叶片、壳和棒的转运系数分别为0.19～0.66、0.04～0.14、0.11～0.58、0.17～0.84，平均值分别为0.45、0.07、0.30、0.43，不同部位-籽粒Cd转运能力为：棒≈茎秆>壳>叶片。低、中、高镉含量组不同部位-籽粒Cd转运能力皆是存在高镉含量组>中镉含量组>低镉含量组的规律(图7)。

图7 玉米籽粒、茎秆、叶片、壳、棒Cd转运系数分布

2.7 低、中、高镉含量组玉米各部位Cd含量之间的相关性

图8、9、10分别是低、中、高镉含量组玉米各部位Cd含量与籽粒Cd含量的线性拟合结果。低镉含量组壳和棒Cd含量与籽粒Cd含量呈极显著正相关(P<0.01)，叶片Cd含量与籽粒Cd含量呈显著正相关(P<0.05)；中镉含量组叶片与籽粒Cd含量呈极显著正相关(P<0.01)；其他部位Cd含量与籽粒Cd含量相关性不显著。低镉含量组各部位与籽粒Cd相关性排序为：棒(r2=0.469**)>壳(r2=0.258**)>叶片(r2=0.151*)>茎秆(r2=0.104)，中镉含量组各部位与籽粒Cd相关性排序为：叶片(r2=0.303**)>壳(r2=0.137)>茎秆(r2=0.034)>棒(r2=0.020)，高镉含量组各部位与籽粒Cd相关性排序为：茎秆(r2=0.037)>壳(r2=0.018)>叶片(r2=0.009)>棒(r2=0.001)。相较于其他两组，低镉含量组不同部位Cd含量与籽粒Cd含量相关系数更大，说明低镉含量组Cd转运能力对籽粒Cd含量的影响更大，其中低镉含量组的各部位向籽粒的Cd转运能力为：叶片>壳>茎秆>棒。

图8 低镉含量组籽粒Cd含量与玉米各器官Cd含量相关性

3 讨论

在不同地域开展Cd低积累作物的筛选对于耕地安全利用具有重要意义，在筛选过程中不仅要考虑作物可食用部位Cd含量是否在安全范围内，还需要综合考虑作物产量以保证农民的收益以及安全利用技术的推广。本研究发现，在浙江省杭州市桐庐县试验区(土壤Cd平均含量为0.87 mg·kg-1)供试鲜食糯玉米品种中，浙凤糯2号、彩甜糯168、黑甜糯168、浙甜糯86、浙糯玉18、浙糯玉14、科糯6和浙糯玉16籽粒Cd含量符合食品安全标准(≤0.1 mg·kg-1)；供试的鲜食甜玉米品种中，浙泰甜928和承玉19符合食品安全标准(图2)。通过聚类分析发现，同时满足籽粒Cd含量低和高中产的品种的鲜食糯玉米品种有浙糯玉19、黑甜糯168、科糯6、浙糯玉14、浙糯玉16、浙甜糯86，鲜食甜玉米品种有浙泰甜928、浙甜19、浙甜10、承玉19(图4)，667 m2产量为837～1 292 kg(图1)。因此，在杭州市桐庐县这类偏酸性中度Cd污染的耕地土壤上，推荐种植的鲜食糯玉米品种为：黑甜糯168、浙糯玉14、浙糯玉16、浙甜糯86，鲜食甜玉米品种为：浙泰甜928、承玉19。

不同玉米品种Cd积累能力存在显著差异。张宁等[5]的研究发现，在安徽省土壤Cd 平均含量为2.35 mg·kg-1的耕地，玉米品种籽粒Cd含量范围为0.09～0.85 mg·kg-1。杜彩艳等[6]的研究发现，在云南旧矿区土壤Cd 平均含量为1.58 mg·kg-1的耕地，玉米品种籽粒Cd含量范围为0.04～0.72 mg·kg-1。赵丽芳等[7]研究发现，在浙南土壤Cd平均含量为0.91 mg·kg-1的耕地，玉米籽粒的Cd含量为0.06～0.52 mg·kg-1。本试验中，土壤Cd平均含量为0.87 mg·kg-1，22个供试玉米品种籽粒Cd含量变化范围为0.03～0.51 mg·kg-1，存在高达20.3倍的变差(图2)。

图9 中镉含量组籽粒Cd含量与玉米各器官Cd含量相关性

图10 高镉含量组籽粒Cd含量与玉米各器官Cd含量相关性

禾本科作物籽粒Cd含量受作物Cd吸收能力和Cd转运能力的共同影响[8-10]，明确不同品种籽粒Cd积累差异形成的原因及其生理机理，对于低积累Cd玉米品种育种工作和玉米安全生产的栽培措施具有重要的意义。分析玉米不同部位Cd富集能力发现，不同部位Cd富集能力为：叶片>壳≈茎秆>棒>籽粒(图6)，说明玉米吸收的Cd分配到籽粒的部分较小。本研究还发现不同玉米品种籽粒、茎秆、叶片、棒和壳的Cd含量的变差分别为20.3、9.3、4.0、8.9、8.8倍(图3)，玉米Cd积累能力差异最大的器官是籽粒，说明与Cd吸收能力相比Cd转运能力对籽粒Cd积累的影响更大。

为进一步分析Cd积累能力存在差异的品种Cd吸收和转运的响应，本研究通过对籽粒Cd含量聚类分析将22个玉米品种分为低镉含量组、中镉含量组、高镉含量组。高镉含量组植株各部位的Cd富集系数均高于其他两组(图6)，说明高镉含量组玉米品种普遍具有较高的Cd吸收能力；高镉含量组不同部位-籽粒Cd转运系数也均高于其他两组(图7)，说明高镉含量组玉米品种也普遍具有较高的Cd转运能力。低镉含量组玉米各部位Cd含量与籽粒Cd含量的相关系数高于其他两组，说明低镉含量组Cd转运能力对籽粒Cd含量的影响更大，其中低镉含量组的各部位向籽粒的Cd转运能力为：叶片>壳>茎秆>棒(图8、9、10)。

4 小结

综合籽粒Cd含量符合食品安全标准和产量较高的要求，在杭州市桐庐县这类偏酸性中度Cd污染的耕地土壤上，推荐种植的鲜食糯玉米品种为：黑甜糯168、浙糯玉14、浙糯玉16、浙甜糯86，鲜食甜玉米品种为：浙泰甜928、承玉19。

不同玉米品种Cd积累能力存在显著差异，在本试验土壤Cd平均含量为0.87 mg·kg-1的污染耕地，品种籽粒Cd含量变化范围为0.03～0.51 mg·kg-1，存在高达20.3倍的变差。

玉米Cd转运能力对籽粒Cd积累的影响更大。

高镉含量组玉米品种同时具有较高的Cd吸收能力和Cd向籽粒的转运能力，低镉含量组不同部位向籽粒的转运能力对籽粒Cd含量的影响更大。