不同燕麦品种籽粒镉富集特征及安全风险评价

2022-12-02马凤仪赵宝平张茹杨波王永宁郭晓宇陈淼刘景辉

农业环境科学学报 2022年11期

马凤仪，赵宝平*，张茹，杨波，王永宁，郭晓宇，陈淼，刘景辉

（1.内蒙古农业大学农学院，呼和浩特 010010；2.内蒙古农牧业生态与资源保护中心，呼和浩特 010000；3.巴彦淖尔市耕地质量监测保护中心，内蒙古巴彦淖尔 015000；4.乌拉特后旗农村牧区生态能源环保站，内蒙古巴彦淖尔 015500）

内蒙古西部有色金属、黑色金属等矿产丰富，在其开采和冶炼过程中导致周边农田土壤镉（Cd）、铅（Pb）等重金属污染物超标，严重影响了当地农产品质量安全。燕麦（Avena sativaL.）是我国北方和西北干旱冷凉等生态脆弱区的粮饲及优势特色作物[1]。内蒙古是我国燕麦主产区[2]，其燕麦种植面积占我国燕麦种植面积的40%以上。因此，使当地受污染农田土壤得到安全利用，是确保作物安全生产及生态农业可持续发展的关键。

Cd 可以通过食物链进入人体，而长期摄入过量的Cd会对人体健康造成威胁[3]，因此使受污染农田作物可食用部位的重金属含量达标是重中之重。前人对小麦的研究表明，筛选低Cd 积累品种是降低籽粒Cd 含量的有效方法，不同器官吸收转运Cd 的生物学机制对筛选和应用低Cd积累小麦品种具有重要的指导价值[4]，此外在水稻[5]、玉米[6]上也有相关的研究。重金属从根部到地上部的转运能力是作物筛选和改造的重点[7]。刘畅等[8]的研究表明不同冬小麦品种的颖壳、穗轴等器官是影响籽粒Cd 积累差异的关键器官；蔡秋玲等[5]的研究表明Cd 从茎到叶的富集转运是控制不同类型水稻籽粒Cd 积累差异的关键因素。不同作物间及同种作物不同品种类型间对Cd 的富集能力存在差异，目前，有关燕麦各器官吸收转运Cd 对籽粒Cd 积累的影响及哪个器官或转运过程在控制燕麦籽粒Cd 含量的研究还鲜见报道。

针对影响不同品种燕麦籽粒Cd 积累差异的问题，本研究收集历年燕麦主产区主推种植的优质燕麦品种，通过连续两年大田试验，分析不同品种燕麦各器官Cd 的富集系数、相邻器官间Cd 的转运系数，并通过相关性分析和主成分分析，揭示影响燕麦籽粒Cd 含量的关键器官和关键转运过程，并通过标靶危害系数对不同品种燕麦进行安全风险评估，为燕麦安全生产及内蒙古Cd 污染农田的安全利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

大田试验于2020年和2021年在内蒙古河套地区某地进行，试验地年均降水量187.4 mm，年均温14.3 ℃，试验区土壤为碱性棕钙土，该区由于有色金属矿山开采导致土壤重金属Cd超标。供试区土壤理化性质如表1所示。

表1 大田试验供试土壤理化性质Table 1 The physical and chemical properties of tested soil in the field experiment

1.2 供试材料与试验设计

供试燕麦品种共18 种，其中坝燕7 号、201229-1-1、坝莜3 号、200919-7-1、品 5、坝莜14 号、坝燕 4号、坝燕6 号由河北省张家口市农业科学院提供，燕科2号、蒙燕1号、蒙燕2号、蒙燕3号由内蒙古自治区农牧业科学院提供，白燕2 号、白燕9 号、白燕11 号、白燕15 号、白燕17 号、白燕20 号由吉林省白城市农业科学院提供，试验品种编号详见表2。

表2 供试燕麦品种编号Table 2 Serial number of tested oat variety

小区面积为21.6 m2（4 m×5.4 m），行距30 cm，26行，随机播种，播种密度为4.5×106kg·hm-2的基本苗，重复3 次；机器开沟，人工播种。种肥二铵450 kg·hm-2，复合肥 150 kg·hm-2，拔节期追肥尿素 600 kg·hm-2，整个生育期灌水3次，其他种植管理方式按照当地常规习惯进行。

1.3 样品采集、处理与指标测定

1.3.1 样品采集与处理

于成熟期取土样，每品种小区按照3 点取样，取耕层20 cm 的根际土壤，剔除非土壤成分，在室内自然风干，混匀后用四分法取样品200 g，分别过2 mm和0.15 mm筛后备用。

各小区燕麦收获时，按照3 点取样，分别采集作物根（根系先后用自来水和去离子水洗涤）、茎秆、叶、颖壳和籽粒样品，分别混合后按照四分法留取样品，105 ℃杀青30 min，85 ℃烘至质量恒定，经粉碎机磨碎后过100目筛待用。

1.3.2 指标测定

土壤基本理化性质参照《土壤农化分析（第三版）》中的方法测定[9]；采用微波消解-石墨炉原子吸收分光光度法测定土壤[10]和植株[11]的Cd含量。

1.4 数据处理

各燕麦品种Cd 富集系数（BCF）和转运系数（TF）计算公式如下：

式中：BCF为富集系数，表示燕麦对Cd的摄取能力；TF为转运系数，表征Cd在燕麦体内的转运过程[13]；EDI为重金属膳食暴露量；THQ为标靶危害系数，是用于人体通过食物摄取重金属风险的评估方法，当THQ≤1.0时，则认为人体负荷的重金属对人体健康造成的影响不明显；C为燕麦籽粒中重金属含量，µg·kg-1；FIR为每人每日谷物摄入量，g·人-1·d-1；EF为暴露频率，取365 d·a-1；ED为暴露年限，取70 a；Bw为成人的平均体质量，取65 kg·人-1；AT为生命期望值，取70 a；365为转化系数；RfD为消化食物的比率，µg·kg·d-1。成年人平均每天的谷类食物食用量为261.1 g·人-1·d-1；根据美国整合风险信息系统，Cd的RfD为1.0 µg·kg-1·d-1[14]。

使用Excel 2010 对数据进行统计处理和绘图，采用SPSS 22.0 进行方差分析和聚类分析，采用Origin 2021进行主成分分析图绘制。

2 结果与分析

2.1 不同品种燕麦各器官Cd含量

不同燕麦品种根、茎、叶、颖壳、籽粒Cd含量如表3所示，18个燕麦品种各器官Cd含量均表现为根>叶>颖壳>茎>籽粒。2020 年所选品种籽粒Cd 含量在0.088~0.289 mg·kg-1之间，其中 Y4 和 Y15 籽粒 Cd 含量符合国家食品安全标准值0.1 mg·kg-1（GB 2715—2016），超标率为88.89%；2021 年所选品种籽粒Cd 含量在0.199~0.542 mg·kg-1之间，18个燕麦供试品种Cd含量均超过国家食品安全限值，超标率为100%。

表3 燕麦各器官Cd含量（mg·kg-1）Table 3 Cd content in every organ of oat（mg·kg-1）

2.2 不同品种燕麦籽粒Cd 含量聚类分析

将2020年和2021年不同品种燕麦籽粒的Cd含量进行综合聚类分析，将其分为高Cd积累型、中Cd积累型、低 Cd 积累型 3 类。如图 1 所示，具有籽粒 Cd 低积累特性的品种有 Y1、Y2、Y3、Y4、Y6、Y7、Y10、Y12、Y13、Y14、Y15、Y16、Y18，占供试品种的72.22%；具有籽粒Cd中积累特性的品种为Y5，占供试品种的5.6%；具有籽粒Cd 高积累特性的品种有Y8、Y9、Y11、Y17，占供试品种的22.22%。在重金属中轻度污染区域可优先考虑种植具有低积累特性的品种。

图1 供试燕麦品种籽粒Cd含量聚类分析图Figure 1 Cluster analysis of Cd accumulationin grains of tested oat varieties

2.3 不同品种燕麦Cd富集特征差异

2.3.1 不同品种燕麦各器官Cd富集特征

根据聚类分析将18 个燕麦品种分为高、中、低3个Cd 积累类型，不同Cd 积累型燕麦品种各器官富集系数见图2。两年数据综合表明，根的富集系数最大，其次为叶，此外颖壳的Cd富集系数明显高于茎和籽粒。除高积累品种Y8、Y9、Y11 外，其他燕麦品种各器官 Cd 富集系数均呈现BCF根>BCF叶>BCF颖壳>BCF茎>BCF籽粒，且不同 Cd 积累型燕麦品种各器官富集系数均小于1。

图2 不同品种燕麦各器官对Cd的富集系数Figure 2 The enrichment coefficients of Cd in various organs of different varieties of oats

2.3.2 燕麦籽粒Cd 富集系数与其他器官Cd 富集系数的相关性

将燕麦籽粒Cd 富集系数与其他器官的Cd 富集系数进行相关性分析，结果如表4 所示。2020 年和2021年的结果表明，茎的Cd富集系数与籽粒Cd的富集系数呈极显著正相关关系。

表4 燕麦籽粒Cd富集系数与各器官Cd富集系数的相关性Table 4 Correlation between Cd enrichment coefficient of oat grain and Cd enrichment coefficient of each organ

从燕麦各器官Cd富集系数的主成分分析载荷图（图3）可以看出，两年试验共同表现为第一主成分中载荷较高的是BCF籽粒和BCF茎，且BCF茎和BCF籽粒距离较近，表明茎的Cd 富集系数对籽粒Cd 的富集有正效应，与其他器官相比茎的Cd 含量对籽粒Cd 含量影响较大；BCF根和BCF籽粒距离较远，表明根的 Cd 富集系数对籽粒Cd含量的积累影响较小。综上所述，茎可能是造成燕麦籽粒Cd含量差异的关键器官。

图3 富集系数的主成分分析载荷系数Figure 3 Principal component analysis load factor plot for enrichment coefficients

2.4 不同品种燕麦Cd转运特征差异

2.4.1 不同品种燕麦各器官间Cd转运特征

不同燕麦品种Cd从根到地上部各器官的转运系数如图4 所示。2020 年和2021 年的结果表明，除高积累品种Y8、Y9、Y17 外，其他品种根到地上各器官间的Cd 转运系数中，Cd 从根到叶的转运系数最高，Cd 从根到籽粒的转运系数最低；而高Cd 积累品种Y8、Y9、Y17 在 2021 年试验中则表现为根到茎的 Cd转运系数最低。地上部各器官间转运系数中，高积累品种Cd 从茎到籽粒、叶到颖壳、叶到籽粒、颖壳到籽粒的转运系数较低积累品种高（图5）。

图4 不同燕麦品种Cd从根到地上部各器官的转运系数Figure 4 Cd transport coefficients from roots to aboveground organs in different oat varieties

图5 不同燕麦品种地上部各器官Cd转运系数Figure 5 Cd transport coefficients of aboveground organs of different oat varieties

2.4.2 燕麦籽粒Cd 富集系数与各器官间Cd 转运的相关性

不同品种燕麦籽粒Cd富集系数与器官间Cd转运系数的相关性分析如表5所示。两年数据共同表现为Cd 从根到籽粒、叶到籽粒的转运系数与籽粒Cd 含量呈极显著正相关，茎到籽粒的Cd 转运系数与籽粒Cd含量呈显著或极显著正相关关系；而Cd从茎到叶的转运系数与籽粒Cd富集系数呈不显著负相关关系。

表5 籽粒Cd富集系数与各器官间Cd转运系数的相关性Table 5 Correlation between grain Cd enrichment coefficient and Cd transport coefficient among organs

从燕麦各器官Cd转运系数和籽粒富集系数的主成分分析载荷图（图6）可以看出，两年试验共同表现为，TF籽粒/根、TF籽粒/茎和BCF籽粒距离较近，表明根到籽粒、叶到籽粒、颖壳到籽粒的转运过程对籽粒Cd含量的影响最大；TF叶/茎、TF颖壳/茎和BCF籽粒距离较远，表明茎到叶、茎到颖壳的转运过程对籽粒Cd 含量的积累作用较小。综上所述，Cd 从根到籽粒、茎到籽粒、叶到籽粒的转运过程可能是造成燕麦籽粒Cd含量差异的关键过程。

图6 转运系数的主成分分析载荷系数Figure 6 Principal component analysis load factor plot for transport coefficients

2.5 不同品种燕麦籽粒安全风险评价

不同品种燕麦标靶危害系数见图7。2020 年THQ值介于 0.352~1.160 之间，其中THQ最大值为Y6、最小值为Y16；2021年THQ值介于0.800~2.179之间，其中THQ最大值为Y8、最小值为Y15。结合籽粒Cd 含量聚类分析及两年THQ值，在Cd 污染地区可优先推广种植Y1、Y2、Y4、Y6、Y7、Y15。

图7 不同品种燕麦标靶危害系数（THQ）Figure 7 Cadmium bioconcentration factor of different oat varieties

3 讨论

土壤中的Cd2+通过质外体或共质体途径进入根系，之后逐渐向地上部运输，籽粒中Cd含量与地上部各器官对Cd 的吸收和转运有关。本研究发现，燕麦不同器官中根部的Cd 富集系数最大，多数燕麦品种各器官间的Cd 转运系数中根到叶的转运系数最大、根到籽粒的转运系数最小，表明燕麦吸收的Cd 大部分被截留在叶片中。辛艳卫等[15]、刘畅等[8]和张大众等[16]在玉米和小麦上的研究表明，高、低Cd 不同积累型品种间作物根部的Cd 富集系数最大，这与本研究结果一致；而Cd 在不同器官间的转运系数中，刘畅等[8]的研究表明根到第5 节间的值最小，反映了吸收的Cd 大部分被固定在根部。在本研究中，各器官Cd富集系数中，根的Cd富集系数在高、低积累品种间的差异较明显，但在两年试验中其与籽粒Cd 富集系数的相关性并不稳定，只在2021 年有显著相关性；主成分分析对区分高、低积累品种也没有发挥重要作用。根到茎的Cd 转运系数差异较明显，但在两年试验中高、低积累品种间表现不稳定，与籽粒的Cd富集系数无显著相关性；根到籽粒的Cd 转运系数与其他器官间转运系数相比差异较小，但相关性分析表明其与籽粒Cd 含量有极显著的相关性，在主成分分析中对区分高、低Cd积累品种有一定贡献。在本研究中，根部的吸收及根到叶的转运过程并不是影响燕麦籽粒Cd积累差异的关键因素，而根到籽粒的转运过程是影响燕麦籽粒Cd积累差异的关键因素之一。蔡秋玲等[5]、ZHANG 等[17]和邓婷等[6]通过田间试验分别对水稻、小麦和玉米的研究表明高积累品种根部Cd含量较低积累品种显著高；SHI 等[18]研究认为根部向地上部的转运过程是影响小麦Cd 积累的关键因素，这与本研究结果一致；蔡秋玲等[5]对不同类型水稻的研究则表明影响高、低Cd 积累型水稻籽粒Cd 含量差异的关键因素是Cd从茎到叶的富集转运。

有研究表明，茎是地上部Cd 转运的主要通道[17]，不同品种籽粒中Cd 含量的差异取决于根和茎叶中Cd 从穗轴向颖壳和籽粒的转运和再分配[18]。在本研究中，高积累品种茎和颖壳的Cd 富集系数较低积累品种高，低积累品种茎到叶的Cd 转运系数较高积累品种高，而茎到籽粒、叶到籽粒的Cd转运系数低于高积累品种，表明低积累品种茎中的Cd 在向上运输过程中较多的被固定在茎和叶中，从而减少了向籽粒中的运输。鄢小龙等[19]的研究表明低积累植物将Cd 积累在根部，主要通过茎、叶部阻拦从而降低籽粒Cd含量，这与本研究结果相似。在相关性分析中，茎到叶的Cd 转运系数与籽粒Cd 富集系数呈不显著负相关，且在主成分分析中对籽粒贡献较小；而茎到籽粒、叶到籽粒的Cd 转运系数与籽粒Cd 含量呈显著正相关关系，且在主成分分析中对区分高、低积累品种有一定作用。而ZHANG 等[17]在研究高Cd 积累小麦不同节点时发现茎向上转运Cd的能力明显强于低积累品种，这导致高、低积累小麦地上部Cd 富集存在差异。本研究与其研究结果不同，一方面可能与作物和种植环境的差异有关，另一方面上述试验研究计算转运系数是不同节点Cd 含量的比值。综上所述，Cd 从根、茎、叶到籽粒的转运过程及茎中Cd 的含量在决定燕麦籽粒Cd 积累差异中发挥了重要作用，同时这也为喷施叶面调理剂，阻控茎叶中Cd 向籽粒转运提供了重要依据。

对于生长在受Cd 污染土壤中的燕麦，可利用THQ值进行评估，THQ值作为一种用于人体通过食物摄取重金属风险的评估方法而被广泛应用[20]。李乐乐等[21]对47 份冬小麦进行低Cd 积累品种筛选，所选材料THQ值均小于1。张婍等[22]以扬麦13 号为材料进行盆栽试验发现，籽粒中Cd 的THQ值也随外源Cd浓度的增加而增大，且儿童的THQ值大于成人。本研究中18 个燕麦品种在2020 年除Y6 外，其他品种THQ值均小于 1，2021 年除 Y1、Y2、Y4、Y6、Y7、Y15外，其他品种THQ值均大于1。在两年试验中，13 个低积累品种THQ值均小于1 的品种占比仅为46.2%。因此，从粮食安全角度出发，符合标准的燕麦品种还需进一步的长期验证，以满足安全生产和污染农田利用的需要。