粮食安全是当前我国农业生产面临的重大问题, 如何防治农田重金属污染, 实现区域性大面积重金属污染耕地安全利用, 已成为全球农业环境科学研究领域的难点与热点^[1].通过选育低重金属积累品种来降低作物对重金属的吸收和积累, 从而降低粮食重金属含量已被国内、外相关学者普遍认为是实现重金属污染耕地安全利用的有效途径^[2].研究区位于我国中部重要的钨钼铅锌多金属成矿区河南省栾川县, 该区域被誉为“世界钼都”, 但矿山开采、选冶和尾矿堆存等人类活动导致周边农田土壤重金属Cd、Pb、Zn和As复合污染形势严峻, 已成为我国耕地和农产品重金属污染问题最为突出和典型的区域之一.河南又是我国的粮食主产区, 小麦和玉米等大宗农产品的生产基地, 其农业生产在确保我国粮食安全中占有举足轻重的地位.玉米作为世界上主要粮食作物之一, 种植区广泛且生物量大、产量高, 除了直接供人食用外, 还广泛用于动物饲料、乙醇、高果糖浆、甜味剂和酒的生产^[3], 而我国北方玉米种植区土壤Cd、Pb、Zn和As污染的严重程度令人担忧, 筛选对重金属胁迫具有一定抗性并且籽粒中重金属Cd、Pb和As低积累且Zn含量在安全范围内的优良玉米品种, 对合理利用重金属污染农田具有一定的实践意义.

作物本身对重金属污染的敏感程度和积累能力不同, 重金属的吸收、转运、分配和积累在不同作物品种间存在差异性^[4].以往研究针对禾谷类作物以单一镉或铅低积累品种的重视程度较高, 近年来研究关注热点逐渐从单一重金属污染变得复杂多样^[5].目前, 低积累作物品种筛选的相关研究涉及水稻^[6]、小麦^[7]、玉米^[8]和大麦^[9]等禾谷类作物, 叶菜类、花菜类、根茎类、茄果类和豆类等蔬菜类作物^[10], 以及油料、芝麻、烟草、药材、棉花和苎麻等重点经济作物.目前, 关于复合污染条件下的多元素低积累品种已有一定的研究基础^[11], 但多侧重于作物对重金属吸收积累的差异和品种筛选, 而在不同含量重金属复合污染土壤条件下, 作物对多重金属元素互作和低积累机制研究少有报道.同时由于盆栽试验具有一定的局限性, 受大田环境因素的影响, 低积累品种田间重现性和稳定性较差.本研究选取了豫西地区大面积种植的22个玉米品种, 同时在未污染、轻度、中度和重度重金属复合污染农田中开展低积累玉米品种的田间筛选试验, 研究了不同污染浓度条件下玉米植株各部位对Cd、Pb、Zn和As的积累和转运差异, 同时对Cd、Pb、Zn、As、Cu、Ni、Cr和Hg进行了主成分和相关性分析, 探讨了玉米植株不同部位多元素互作机制.通过大田对比试验, 更能反映出低积累品种的耐受程度和积累特性, 从而筛选出稳定可靠的重金属Cd、Pb和As复合低积累且Zn含量安全的玉米品种, 以期为北方工矿企业周边重金属复合污染农田安全利用工作提供技术支撑.

河南省洛阳市栾川县地处豫西山地丘陵区, 农作物种植为一年一季, 以春播玉米为主, 无灌溉习惯, 属旱作雨养农业.试验区位于栾川县石宝沟钼钨铅锌多金属矿区周边污染农田SBG-3号地块, 根据试验田本身土壤重金属污染程度由低到高依次划分为4个试验区, 分别为对照组区和试验组(1~3区), 面积均为1 000 m², 各试验区均设置玉米种植小区C1~C22区, 小区之间田埂小路相隔.

供试土壤类型为褐土, 质地为粉砂质壤土, pH值7.92, CEC为11.53 cmol·kg^-1, ω(有机质)为13.15 g·kg^-1, ω(全氮)为0.61g·kg^-1, ω(全磷)为3.23 g·kg^-1, ω(全钾)为12.68g·kg^-1, ω(碱解氮)为56.00mg·kg^-1, ω(有效磷)为12.25mg·kg^-1, ω(速效钾)为57.75mg·kg^-1.各试验田分区均为自然条件下污染农田土壤, 表层(0~20 cm)土壤重金属含量见表 1.其中对照组区的Cd、Pb、Zn和As含量低于风险筛选值, 试验组1~3区的Cd、Pb、Zn和As含量高于风险筛选值, 且含量依次增加, 对照筛选值试验组重金属Cd含量超标3.02~6.93倍, Pb含量超标1.56~4.36倍, Zn含量超标1.28~2.90倍, As含量超标1.10~1.77倍.各试验组土壤Cu、Cr、Ni和Hg均未超标.

表 1 (Table 1)

表 1 各试验区供试土壤(0~20cm)pH值与重金属含量 Table 1 The pH value and heavy metal content of soil (0-20cm) in each test area 试验田分区 pH ω/mg·kg-1 Cd Pb Zn As Cu Cr Ni Hg 对照组区(n=22) 8.00 0.53 73.31 179.64 12.06 56.47 49.08 40.91 0.027 试验组1区(n=22) 7.92 1.81 264.60 383.05 27.38 74.62 39.77 28.85 0.022 试验组2区(n=22) 7.74 2.42 438.50 527.09 30.38 67.36 39.90 23.06 0.023 试验组3区(n=22) 8.00 4.16 741.41 870.45 44.15 92.79 32.43 19.40 0.017 筛选值(GB 15618-2018) ＞7.5 0.6 170 300 25 100 250 190 3.4 管控值(GB 15618-2018) ＞7.5 4.0 1 000 — 100 — 1 300 — 6.0

表 1 各试验区供试土壤(0~20cm)pH值与重金属含量 Table 1 The pH value and heavy metal content of soil (0-20cm) in each test area

本试验选取栾川地区大面积推广种植的22个玉米品种, 编号C1~C22(表 2), 种子购自栾川县种子公司.

表 2 (Table 2)

表 2 供试玉米品种 Table 2 Test maize varieties 编号 品种名称 编号 品种名称 C1 登海3721 C12 安玉12 C2 登海3622 C13 浚单20 C3 秀青74-9 C14 农玉16 C4 秀青835 C15 强硕88 C5 亿科254 C16 玉农76 C6 东单159 C17 安农591 C7 裕丰303 C18 先玉335 C8 中金368 C19 蠡玉16 C9 承玉5 C20 豫玉22 C10 正大12 C21 创玉358 C11 滑玉12 C22 美锋0808

表 2 供试玉米品种 Table 2 Test maize varieties

根据试验田重金属含量划分4个试验分区, 每个试验分区设置22个玉米品种种植小区, 每个种植小区设5次重复, 各小区田间管理措施保持一致. 2019年4月15~18日进行播种, 播种同时施用磷酸二铵75 t·km^-2(约50kg·亩^-1)作为底肥, 并于大喇叭口期追施45t·km^-2(约30kg·亩^-1)磷酸二铵和30t·km^-2(约20kg·亩^-1)尿素, 9月2~8日收获玉米.

待玉米成熟后, 协同采取土壤样品和成熟期玉米植株样品.土壤样品经自然风干、过2 mm尼龙筛粗磨、过0.15 mm尼龙筛细磨后备用.玉米植株样品分根、穗下茎叶(第一穗节以下)、穗上茎叶(第一穗节以上)和籽粒这4个部分取样, 根和茎叶新鲜样品经去离子水清洗后, 采用组织破碎机粉碎成浆状备用, 籽粒经去离子水清洗、自然晾干、磨碎(过0.25~0.40 mm尼龙筛)混匀后备用.

对照组区和试验组1~3区分别按照梅花5点法各采集1组表层(0~20 cm)混合土壤样品进行理化性质分析.pH采用玻璃电极法, 机械组成采用密度计法, 有机质采用重铬酸钾容量法, 阳离子交换量采用氯化铵-乙酸铵交换法, 全氮采用凯氏定氮法, 全磷、全钾采用四酸消解-电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-OES), 碱解氮采用碱解-扩散法, 有效磷采用碳酸氢钠浸提-电感耦合等离子体发射光谱法, 速效钾采用乙酸铵浸提-电感耦合等离子体发射光谱法.

4个试验分区88个种植小区按照梅花5点各采集1组土壤样品进行Cd、Pb、Zn、As、Cu、Ni、Cr和Hg全量及Cd、Pb、Zn和As不同形态含量测试.土壤样品Cd、Pb、Zn、Cu、Ni和Cr全量采用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS), As和Hg采用氢化物发生-原子荧光光谱法(HG-AFS), 土壤Cd、Pb、Zn和As形态含量采用Tessier修正顺序七步提取法.每个种植小区分别采集玉米籽粒样品5组, 各种植小区分别采集根、穗上茎叶和穗下茎叶样品各1组(五点混合), 作物样品进行Cd、Pb、Zn、As、Cu、Ni、Cr和Hg全量测试, 其中Cd、Pb、Zn、As、Cu、Ni和Cr全量采用ICP-MS法, Hg全量采用HG-AFS法.

对样品测试数据进行分类整理, 采用Excel 2019、Origin 2021b和SPSS 26等软件进行数据整理、统计分析和绘图分析.

富集系数(BCF)=玉米各部位Cd和Pb含量/土壤中Cd和Pb含量

转运系数(TF)=玉米地上各部位Cd和Pb含量/玉米根部Cd和Pb含量

由图 1~4可知, 对照组区和试验组1~3区玉米根ω(Cd)分别为0.12~0.30、0.15~2.25、0.12~1.63和0.45~2.83 mg·kg^-1, 玉米穗下茎叶ω(Cd)分别为0.13~0.93、0.12~3.28、0.15~1.26和0.14~6.75mg·kg^-1, 玉米穗上茎叶ω(Cd)分别为0.18~0.70、0.25~8.19、0.25~4.52和0.48~20.61 mg·kg^-1, 籽粒ω(Cd)分别为0.005~0.086、0.008~0.482、0.005~0.153和0.008~0.159mg·kg^-1.分布规律为: 穗上茎叶＞穗下茎叶＞根＞籽粒.对照组区和试验组1~3区玉米根ω(Pb)分别为1.21~5.69、0.97~17.42、1.78~22.28和4.88~92.83 mg·kg^-1, 玉米穗下茎叶ω(Pb)分别为0.55~4.91、0.62~3.66、0.86~3.34和0.61~13.61mg·kg^-1, 玉米穗上茎叶ω(Pb)分别为1.00~1.68、0.92~2.74、1.30~2.85和0.48~5.73mg·kg^-1, 籽粒ω(Pb)分别为0.002~0.012、0.006~0.086、0.009~0.163和0.003~0.153 mg·kg^-1.分布规律为: 根＞穗下茎叶＞穗上茎叶＞籽粒.总体来看, 玉米植株不同部位吸收Cd、Pb、Zn和As的规律不同, Cd和Zn在玉米植株中含量分布规律一致: 穗上茎叶＞穗下茎叶＞根＞籽粒, 表现为茎叶部的积累量更大.而Pb和As在玉米植株中含量总体分布规律均为: 根＞茎叶＞籽粒, 表现为根部的积累量更大, 差异在于Pb表现为穗下茎叶＞穗上茎叶, As表现为穗上茎叶＞穗下茎叶.

图 1

Fig. 1

矩形盒底端、中横线、顶端分别表示下四分位数、中位数和上四分位数, 上下边缘(短横线)分别表示1.5IQR范围内的最大和最小值; 空心圆点表示均值; 实心圆点表示超出1.5IQR范围异常值; 下同 图 1 各试验区玉米植株不同部位Cd含量对比 Fig. 1 Comparison of Cd content in different parts of maize plants in each test area

图 2

Fig. 2

图 2 各试验区玉米植株不同部位Pb含量对比 Fig. 2 Comparison of Pb content in different parts of maize plants in each test area

图 3

Fig. 3

图 3 各试验区玉米植株不同部位Zn含量对比 Fig. 3 Comparison of Zn content in different parts of maize plants in each test area

图 4

Fig. 4

图 4 各试验区玉米植株不同部位As含量对比 Fig. 4 Comparison of As content in different parts of maize plants in each test area

由图 5可知, 不同玉米品种植株(根、茎叶和籽粒)Cd含量存在显著差异(P＜0.05).其中茎叶部Cd含量(穗下与穗上茎叶平均值)超过《饲料卫生标准》(GB 13078-2017)植物性饲料原料标准(1mg·kg^-1)的玉米品种为: 试验组1区的C8、C13、C15~C17和C19~C21, 试验组2区的C8、C15、C17和C19~C21, 试验组3区的C2、C4~C8、C12、C15~C17和C19~C21.表明随着土壤中Cd全量的增高, 上述14个品种在土壤Cd胁迫条件下, 植株茎叶部对Cd的积累量也随之增加且明显高于其他品种(C1、C3、C9~C11、C14、C18和C22), 表现出茎叶部高积累特性.而籽粒Cd含量超过《食品安全国家标准食品中污染物限量》(GB 2762-2017)谷物Cd限值(0.1mg·kg^-1)的玉米品种为: 试验组1区C20, 试验组3区C8和C15, 表明这3个品种由茎叶向籽粒转运的Cd含量高于其他品种, 表现出籽粒高积累特性.由图 6可知, 各试验组不同玉米品种茎叶部Pb含量均未超过《饲料卫生标准》(GB 13078-2017)饲草、粗饲料及其加工产品限值30 mg·kg^-1, 籽粒Pb含量均未超过谷物Pb限值0.2mg·kg^-1.大量的Pb主要集中在根部, 少量的Pb通过根部向茎叶部运输、茎叶部向籽粒再转运.但C1、C3~C9、C11~C13、C17和C20等玉米品种茎叶和籽粒在土壤Pb胁迫条件下对Pb呈现高积累趋势.总体来看, 不同玉米品种籽粒Cd和Pb含量高低与茎叶Cd和Pb含量高低趋势基本保持一致, 说明籽粒Cd和Pb含量更多取决于地上部对Cd和Pb的积累和转运程度, 而并非根部的吸收富集程度.籽粒的积累程度远低于茎叶和根部, 则主要受控于植物营养和繁殖器官为适应Cd和Pb引起的毒性效应而进化的复杂防御机制.由图 7可知, 各试验区籽粒ω(Zn)均维持在正常水平(小于50 mg·kg^-1), 试验组籽粒Zn含量略高于对照组, 而试验组1~3区间籽粒Zn含量差异不大, 表明在土壤Zn含量增高条件下, 不同玉米品种对Zn的吸收量均能保持在满足生长的阈值范围内.由图 8可知, 各试验组供试玉米品种茎叶ω(As)维持在较低水平0.09~0.71mg·kg^-1, 远低于饲草原料干草及其加工产品限值4mg·kg^-1; 籽粒ω(As)维持在较低水平0.003~0.038 mg·kg^-1, 远低于谷物限值0.5 mg·kg^-1, 品种间植株地上部(茎叶、籽粒)As含量差异不大, 表现为各玉米品种本身对As的低积累特性.

图 5

Fig. 5

不同小写字母表示不同玉米品种籽粒重金属含量差异显著(P＜0.05), 下同 图 5 各试验区不同玉米品种植株各部位Cd含量 Fig. 5 Cd content in different parts of maize varieties in each test area

图 6

Fig. 6

图 6 各试验区不同玉米品种植株各部位Pb含量 Fig. 6 Pb content in different parts of maize varieties in each test area

图 7

Fig. 7

图 7 各试验区不同玉米品种植株各部位Zn含量 Fig. 7 Zn content in different parts of maize varieties in each test area

图 8

Fig. 8

图 8 各试验区不同玉米品种植株各部位As含量 Fig. 8 As content in plant parts of different maize varieties in each test area

由于试验区22个玉米品种籽粒As含量均维持在较低水平(远低于标准谷物限值), 故主要针对研究区不同玉米品种籽粒Cd和Pb进行聚类分析.图 9和图 10分别为采用系统聚类分析方法对22个玉米品种籽粒Cd和Pb含量的聚类分析结果.对照组区和试验组1~3区Cd低积累类群(Ⅰ)、中等积累类群(Ⅱ)和高积累类群(Ⅲ)玉米籽粒ω(Cd)分别为0.0111~0.0246、0.0213~0.0671和0.0323~0.166mg·kg^-1; Pb低积累类群(Ⅰ)、中等积累类群(Ⅱ)和高积累类群(Ⅲ)玉米籽粒ω(Pb)分别为0.00843~0.0307、0.0178~0.0729和0.0274~0.0988mg·kg^-1.同一品种在4组不同污染含量条件下籽粒Cd和Pb积累特性表现出明显的差异性, Cd和Pb低积累品种是一个相对概念, 随着各试验小区土壤Cd和Pb含量的依次增加, 低积累类群与高积累类群的稳定性逐渐显现.故考察一个品种的Cd和Pb低积累特性, 要考虑该品种在不同污染浓度条件下低积累的稳定性.本研究综合不同玉米品种在对照组区和试验组1~3区聚类分析结果, 选择同时在对照组区和试验组1~3区结果一致的品种作为优选低积累类群, 其中C1~C7、C9~C12、C16、C18和C22属于籽粒Cd低积累类群玉米品种, C14、C18、C19、C21和C22属于籽粒Pb低积累类群玉米品种, 而C18和C22同时为Cd和Pb低积累类群的玉米品种, 可作为籽粒Cd和Pb复合低积累的优选品种.

图 9

Fig. 9

虚线表示欧式平方距离取值, Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ表示系统聚类类别 图 9 各试验区不同玉米品种籽粒Cd含量聚类分析 Fig. 9 Cluster analysis of Cd content in different maize varieties in each test area

图 10

Fig. 10

虚线表示欧式平方距离取值, Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ表示系统聚类类别 图 10 各试验区不同玉米品种籽粒Pb含量聚类分析 Fig. 10 Cluster analysis of Pb content in grains of maize varieties in each test area

由图 11可知, 供试的22个玉米品种不同部位Cd富集和转运系数具有显著差异(P＜0.05).对照组区和试验组1~3区玉米根部BCF_Cd分别为0.216~0.436、0.057~1.472、0.028~0.640和0.114~0.620; 茎叶BCF_Cd分别为0.216~1.683、0.043~1.791、0.036~0.515和0.051~1.082; 籽粒BCF_Cd分别为0.012~0.059、0.006~0.091、0.002~0.031和0.002~0.023.玉米植株各部位富集Cd能力为: 茎叶＞根＞籽粒.对照组区、试验组1~3区玉米茎叶TF_Cd分别为0.512~4.955、0.352~4.470、0.244~4.949和0.132~2.657; 籽粒TF_Cd分别为0.027~0.173、0.017~0.387、0.008~0.298和0.006~0.086.玉米植株地上部转运Cd能力为: 茎叶＞籽粒.对于低积累作物来说, 富集系数要比单纯植物地上部重金属含量更为重要^[12], 为考察玉米品种在不同污染含量条件下的综合抗性, 本研究将同时满足: ①籽粒Cd含量未超过国家食品安全标准限值、茎叶Cd含量未超过国家饲料卫生标准限值的品种; ②聚类分析籽粒为Cd低积累类群的品种; ③玉米茎叶富集和转运系数较低的品种(BCF_Cd平均值＜1、TF_Cd平均值＜1); ④玉米籽粒富集和转运系数较低的品种(BCF_Cd平均值＜0.1、TF_Cd平均值＜0.1)作为筛选条件; 筛选出C3、C11和C18为Cd低积累优选品种.

图 11

Fig. 11

图 11 各试验区不同玉米品种各部位Cd富集和转运系数热图 Fig. 11 Heat maps of Cd enrichment and transport coefficients in different parts of maize varieties in each test area

由图 12可知, 供试的22个玉米品种不同部位Pb富集和转运系数具有显著差异(P＜0.05).对照组区、试验组1~3区玉米根部BCF_Pb分别为0.020~0.080、0.003~0.112、0.005~0.087和0.008~0.139; 茎叶BCF_Pb分别为0.008~0.069、0.001~0.023、0.001~0.020和0.001~0.016; 籽粒BCF_Pb分别为0.000 1~0.000 7、0.000 03~0.000 56、0.000 04~0.000 48和0.000 002~0.000 032.玉米植株各部位富集Pb能力为: 根＞茎叶＞籽粒.对照组区、试验组1~3区玉米茎叶TF_Pb分别为0.213~1.104、0.077~1.179、0.071~1.016和0.045~0.282; 籽粒TF_Pb分别为0.001~0.022、0.001~0.036、0.001~0.022和0.000 3~0.005 8.玉米植株地上部转运Pb能力为: 茎叶＞籽粒.总体来看, 研究区玉米植株各部位Pb富集和转运系数远低于Cd, 本研究将同时满足: ①籽粒Pb含量未超过国家食品安全标准限值、茎叶Pb含量未超过国家饲料卫生标准限值的品种; ②聚类分析籽粒为Cd低积累类群的品种; ③玉米茎叶富集和转运系数较低的品种(BCF_Pb平均值＜1、TF_Pb平均值＜1); ④玉米籽粒富集和转运系数较低的品种(BCF_Pb平均值＜0.01、TF_Pb平均值＜0.01)作为筛选条件; 筛选出C14、C18、C19、C21和C22为Pb低积累优选品种.

图 12

Fig. 12

图 12 各试验区不同玉米品种各部位Pb富集和转运系数热图 Fig. 12 Heat maps of Pb enrichment and transport coefficients in different parts of maize varieties in each test area

为进一步解析玉米植株各部位重金属来源和元素间相关性, 对各试验区玉米植株不同部位重金属含量进行主成分分析.采用KMO(Kaiser-Meyer-Olkin)和Bartlett(Bartlett's test of sphericity)法对玉米根部、穗下茎叶、穗上茎叶和籽粒中重金属含量的原数据进行检验, KMO值分别为0.681、0.760、0.566和0.625, 均大于最小值0.5, Bartlett球度检验的相伴概率均为0.000, 小于显著性水平0.05, 表示重金属数据适合进行主成分分析^[13].由图 13可知, 玉米植株根部、穗下茎叶、穗上茎叶和籽粒重金属元素分别提取了3个特征值成分, 各部位主成分分别累积解释了总方差的86.04%、82.80%、70.42%和70.35%, 表明对3个主成分进行分析可以得到Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Ni和Zn这8种重金属含量数据的大部分信息.玉米根部第一、第二和第三主成分中具有较高载荷的重金属元素分别为As、Pb、Cd、Zn和Cu(51.82%), Ni、Cr和Hg(23.90%), Hg和Cr(10.32%); 玉米穗下茎叶第一、第二和第三主成分中具有较高载荷的重金属元素分别为Pb、As、Cd、Zn和Cr(45.13%), Hg、Ni、Cu和Cr(27.84%), Cu和Cr(9.84%); 玉米穗上茎叶第一、第二和第三主成分中具有较高载荷的重金属元素分别为Pb、Zn、As和Cd(33.97%), Cu、Ni、Cr和Hg(24.66%), Ni、Cu、Hg、Cr和Cd(11.79%); 玉米籽粒第一、第二和第三主成分中具有较高载荷的重金属元素分别为Zn、As、Cu、Cd和Pb(33.51%), Ni、Cr和Pb(21.81%), Hg和Cr(15.02%).总体来看, 第一主成分主要支配玉米植株中Cd、Pb、Zn和As的来源, 这4种元素的相关性较强, 具有一定的同源性, 主要受土壤中Cd、Pb、Zn和As含量污染超标的影响较为深刻, 第一主成分代表了矿山采选和尾矿堆存带来的人为来源.第二和第三主成分主要支配玉米植株中Hg、Ni、Cr和Cu的来源, 这些元素在土壤中的含量维持在正常水平, 受外源污染的影响较小, 主要来源于成土母质和风化产物累积的重金属影响, 第二和第三主成分代表了自然来源.重金属元素间的距离反映了元素含量间的相关性^[14], 玉米植株各部位Cd、Pb、Zn和As之间的距离均较近, 显示出较强的相关性, 相对而言, Ni和Cr也具有较强的相关性, 与Cd、Pb、Zn和As表现出较强的异源性.而Cu在根部与籽粒中与Cd、Pb、Zn和As间的距离较近, 以及Cu在茎叶部与Hg间的距离较近, 显示出一定的相关性.Hg在籽粒中与其他元素距离较远, 表现出一定的负相关性.

图 13

Fig. 13

图 13 供试玉米品种不同部位重金属元素主成分分析 Fig. 13 Principal component analysis of heavy metal elements in different parts of maize varieties

研究区位于豫西钨钼铅锌多金属成矿区, 矿区周边农田土壤中重金属污染往往伴生, 存在复杂的交互作用, Cd、Pb、Zn、As、Cu、Ni、Cr和Hg相互作用对植物生长、植物体内元素的吸收转运及其生理生化方面具有影响, 可能是协同效应, 也可能是拮抗效应^[15].图 14是对照组区和试验组1~3区玉米植株根、穗下茎叶、穗上茎叶和籽粒Cd、Pb、Zn、As、Cu、Cr、Ni和Hg元素间的相关性分析结果.总体来看, 玉米植株各部位吸收重金属元素的相关性趋势明显, 不同部位对重金属元素的吸收具有一定的差异性, 根部吸收各元素的正相关性高于茎叶和籽粒.其中玉米植株各部位对Cd、Pb、Zn和As元素的吸收具有极显著正相关性(P＜0.01).Cu在玉米不同部位与Cd、Pb、Zn和As元素的相关性具有一定的差异性, 表现为: 在玉米根部和籽粒中Cu与Cd、Pb、Zn和As元素具有极显著正相关性(P＜0.01), 在玉米茎叶中Cu与Cd、Pb、Zn和As元素相关性较弱(P＞0.05).Cr、Ni和Hg元素在玉米根部和茎叶中具有显著正相关性(P＜0.05), 而Hg与Cd、Pb、Zn和As在玉米地上部呈现明显的负相关性.Cr、Ni和Hg元素在玉米籽粒中具有一定的差异性, 表现为: Cr和Ni元素在玉米籽粒中具有极显著正相关性(P＜0.01), 而Hg与Cd、Pb、Zn、As、Ni和Cr元素在玉米籽粒中呈现一定的负相关性.以上结果表明, Cd、Pb、Zn和As元素在植物体内的运输机制具有共同之处, 从玉米根部向地上部迁移方面表现出协同效应, Cr和Ni元素亦是如此.而在茎叶中Hg与Cd、Pb、Zn和As元素, 以及籽粒中Hg与Cd、Pb、Zn、As、Ni和Cr元素均表现出一定的拮抗作用.Cd、Pb、As、Ni、Cr和Hg不是植物生长所必需的元素, 但它们在植物中的运输是由Zn、Fe、Mn、Cu、Ca和Mg等必需元素的转运体介导的^[16], 通过占用特异度低的必需元素的离子通道进入植物细胞, 再通过转运通道时与转运蛋白结合, 以共质体途径进入根表皮细胞^[17].有研究表明, 由于重金属元素化学性质的相似性和代谢途径的关联性, 植物在吸收和运输Cd、Pb、As、Ni、Cr和Hg等非必需元素与Zn、Fe、Mn、Cu、Ca和Mg等基本矿质营养元素的吸收和转运能力密切相关, 基本矿质营养元素的转运体参与了离子态重金属元素的摄取和转运^[18], 且类似亲缘关系的转运体已被确定特征^[19].虽然Zn和Cu是植物生长必需的微量元素之一, 在植物生长过程中起着重要的作用, 但是土壤中Zn和Cu过量也会对植物造成一定的毒害^[20].

图 14

Fig. 14

对角线为变量直方分布, 左下角为变量矩阵散点线性拟合和皮尔逊相关系数(n=88), 右上角是相关性系数(形状表示95%置信椭圆, 椭圆方向表示相关性正负, 颜色表示相关系数大小)和显著性水平(*表示P＜0.05, **表示P＜0.01, ***表示P＜0.001) 图 14 供试玉米品种不同部位重金属元素含量相关性分析 Fig. 14 Correlation analysis of heavy metal contents in different parts of tested maize varieties

玉米植株各部位Cd、Pb、Zn和As含量分布规律不尽相同, 不同组织部位对重金属转运和区隔能力的差异是导致其富集能力不同的原因之一.植物对重金属的富集能力一般为: 地下部分＞地上部分、吸收器官＞输导器官、同化器官＞繁殖器官, 这是由于这些重金属在植物体内的转运能力相对较弱, 重金属离子被根吸收后, 一般通过必需元素的运输途径或者离子通道转运至其他部位, 因而转运能力差的离子地上积累就少^[21].低积累作物从土壤中吸收的Cd、Pb和As只有很少量转运到籽粒中, 大部分Cd、Pb和As被截留在根部以及茎叶部分, 植物通过细胞的解毒作用、有毒重金属的代谢拮抗作用, 降低Cd、Pb和As向籽粒的转运, 实现对营养器官和繁殖器官的保护^[22].①本研究中Cd在茎叶部的积累高于根部, 且穗上茎叶明显高于穗下茎叶, 这与杜彩艳等^[23]的研究结论一致(茎叶＞根＞籽粒), 与陈建军等^[24]的研究结论不一致(根＞茎叶＞籽粒), 分析Cd在植物各部位含量除了与作物本身不同器官的积累特性有关, 也与Cd在土壤中环境活性和地上部的蒸腾作用密切相关.研究区土壤中离子交换态Cd含量与玉米植株根部、穗下茎叶、穗上茎叶和籽粒Cd含量相关系数r分别为0.68^**、0.39^**、0.24^*和0.23^*, 呈极显著正相关(P＜0.01)和显著正相关(P＜0.05), 表明离子交换态Cd含量与玉米植株各部位Cd积累量密切相关. 4个试验区土壤中Cd离子交换态含量分别为0.094、0.347、0.610和0.941mg·kg^-1, 占全量的质量分数分别为15.96%、19.75%、24.47%和25.66%, 离子交换态Cd含量较结合态和残余态Cd含量随全量的升高更为明显, 表现出很高的化学活性和迁移性, 更易被植物吸收积累, 而木质部对Cd的远距离运输成为地上部Cd积累的关键^[25], 表现为茎叶部对Cd的积累量大于根部, 从而导致22个供试玉米品种中3个品种籽粒Cd含量超过国家食品安全标准, 14个品种茎叶Cd含量超过国家饲料卫生标准.另外, 重金属向地上部运输还受蒸腾作用的影响, 有研究认为^[26], 蒸腾作用越强, 重金属向茎叶中运输的越多, 也是导致玉米植株Cd含量穗上茎叶＞穗下茎叶＞根部的原因之一.②研究区试验组1~3区土壤Cd、Pb、Zn和As含量均超过了风险筛选值, 而玉米籽粒中积累的Cd、Pb、Zn和As含量具有显著差异, 这与土壤中不同重金属元素形态含量分布规律的差异密切相关.由图 15可知, 各试验区土壤中Cd、Pb、Zn和As随着总量的升高, 离子交换态、弱结合态(碳酸盐结合态、腐殖酸结合态、铁锰氧化物结合态)、强结合态(强有机结合态)和硅酸盐残余态均有不同程度地提升, 但不同重金属元素交换态、结合态和残余态的提升幅度差异明显, 表现为3种趋势: Cd以离子交换态、Pb和Zn以结合态、As以硅酸盐残余态提升最为明显, 从形态含量分布规律可以看出Pb、Zn和As的环境活性和迁移性明显低于Cd, 这与供试玉米品种籽粒Cd出现超标现象, 而Pb和As含量均未超过国家食品安全标准, Zn含量维持在正常水平(小于50mg·kg^-1)的结果相一致.籽粒中Pb的积累量低于限值, 但由于随Pb全量的增加Pb离子交换态含量也有一定程度的提升, 导致部分品种籽粒Pb含量接近限值, 具有超标风险; 而土壤中As含量主要以硅酸盐残余态为主, 且随As全量的增加, As离子交换态含量基本不变, 22个供试玉米品种籽粒As含量始终维持在较低水平.

图 15

Fig. 15

图 15 各试验区表层土壤(0~20cm)Cd、Pb、Zn和As的7种形态含量 Fig. 15 Seven speciation contents of Cd, Pb, Zn, and As in the topsoil (0-20 cm) of each test area

随着对照组区, 试验组1~3区土壤重金属Cd、Pb全量和离子交换态含量的依次增加, 22个玉米品种对Cd、Pb的积累出现了明显的差异性, 表现出4种趋势: ①Cd和Pb复合高积累品种, 如高Cd高Pb品种C8、C17和C20; ②单一Cd或Pb低积累品种, 如低Cd高Pb品种C1、C9、C10和C11, 低Pb高Cd品种C21; ③Cd和Pb复合低积累品种, 如低Cd低Pb品种C18.这与试验选取的22个玉米品种遗传背景差异较大有关, 不同品种玉米Cd和Pb离子吸收转运的调节过程和作用机制不同, 进而造成品种间Cd和Pb含量和分布的较大差异^[27].本研究筛选出C3、C11和C18为Cd低积累优选品种, C14、C18、C19、C21和C22为Pb低积累优选品种, 叠加后筛选出C18(先玉335)为Cd和Pb复合低积累品种, 这与孙洪欣等^[28]在河北省保定市污灌区针对华北地区9个玉米品种田间小区试验筛选出先玉335低积累Cd和Pb潜力品种的结果一致, 也进一步验证了该品种在适宜生态区Cd和Pb复合低积累的地域环境稳定性.通常认为低积累植物对重金属的排斥机制包括两个方面, 一是减少根部对重金属的吸收, 二是重金属在根部通过区室化保存, 限制向地上部转移^[29].运用分子标记技术(SSR)确定重金属低积累特性的稳定性和各种质间的亲缘关系, 为重金属低积累作物育种亲本的选配提供了依据^[30], 但植物对污染物的吸收、积累及其解毒机制等一系列基础理论问题仍有待于进一步的深入研究.

土壤-农作物系统重金属累积并非简单的线性关系^[31], 作物对重金属的吸收能力大小受作物本身遗传因素和外界环境条件共同调控^[32], 土壤中重金属的含量和形态、土壤的理化性质和营养元素、气候条件等均能影响作物对重金属的吸收积累^[33].目前尚无统一筛选标准对重金属高、低积累作物品种进行区分和界定.不同领域对重金属低积累品种的界定有不同的标准, 食品安全领域侧重于强调低积累品种的农产品要符合国家安全标准, 而在生态修复领域则侧重于强调其吸收能力和富集系数要小于某一特定值.由于目前筛选和认定重金属低积累品种的方法较多, 如排序法、分级法、富集和转运系数法等, 人们对Cd和Pb低积累品种的筛选、认定还没有形成统一的标准.各种方法都有一定的合理性, 也有不少争论^[34].但相关研究都遵循一个共同的基础, 即该品种即便种植于污染环境中, 其可食部分积累的特定污染物含量仍低于食品安全标准, 可以满足安全食用和消费.有研究认为重金属低积累品种筛选标准应包含以下4个方面^[35]: ①可食部位特定污染物的含量低于国家或国际的食品安全标准; ②富集系数(BCF)＜1; ③转运系数(TF)＜1; ④能够耐受污染物的毒性, 其地上部生物量不受太大影响.有研究认为低积累作物筛选除了保障重金属低积累外^[36], 还应具有当地适应性、多金属抗性等特征, 且筛选出的作物的可食用部分对重金属表现出低积累特性要能够重复出现(大田三季以上)^[37].但以上划定标准中关于可食部分BCF和TF小于1的限定过于宽泛, 本研究中部分玉米品种富集和转运系数小于1但仍出现籽粒Cd含量超标现象, 且供试玉米品种中Cd的富集和转运系数均远高于Pb.故笔者认为, 针对不同重金属元素和不同作物类型, 以保障食品安全为底线, 亟需建立低积累作物品种对照优选的评价体系, 且在大田条件下低积累特性应具有年际和地域环境稳定性的特征.由于我国土壤重金属复合污染情况较多, 本研究同时考虑玉米品种对Cd、Pb、Zn和As多胁迫因素的耐受性, 并通过4个梯度污染含量小区试验, 确保筛选的低积累品种在低、中和高镉铅含量条件下, Cd和Pb积累量差异相对较小, 不随重金属污染物含量的差异和胁迫条件而出现超标风险, 进一步验证了在轻度、中度和重度污染农田土壤中低积累品种的稳定性, 对多金属矿区周边复合污染农田土壤安全利用工作具有现实意义.

(1) 玉米植株不同部位Cd和Zn含量分布规律为: 穗上茎叶＞穗下茎叶＞根＞籽粒; Pb分布规律为: 根＞穗下茎叶＞穗上茎叶＞籽粒; As分布规律为: 根＞穗上茎叶＞穗下茎叶＞籽粒.Cd和Zn表现为茎叶部积累富集, 而Pb和As表现为根部积累富集, 分布规律的不同与作物本身积累特性和研究区土壤中Cd、Pb、Zn和As元素环境活性高低密切相关.

(2) 研究区玉米植株中Cd、Pb、Zn和As具有一定的同源性, 主要受土壤中Cd、Pb、Zn和As污染物含量超标的影响较深, 说明矿山采选和尾矿堆存带来的人为来源, 而玉米植株中Cu元素受人为污染来源影响的程度有限; 玉米植株中Hg、Ni和Cr元素间具有一定的同源性, 说明成土母质和风化产物累积的自然来源.

(3) 玉米植株各部位Cd、Pb、Zn和As元素含量, 以及Cr和Ni元素含量均具有极显著正相关性(P＜0.01), 表明Cd、Pb、Zn和As元素从玉米根部向地上部迁移具有一定的协同效应, Cr和Ni元素亦是如此.而玉米茎叶中Hg与Cd、Pb、Zn和As元素, 以及籽粒中Hg与Cd、Hg、As、Pb、Cr、Ni和Zn元素均表现出一定的拮抗作用.

(4) 供试玉米品种在不同含量Cd、Pb、Zn和As复合污染土壤条件下, 通过对照优选法筛选出C3(秀青74-9)、C11(滑玉12)和C18(先玉335)为Cd低积累建议品种, C14(农玉16)、C18(先玉335)、C19(蠡玉16)、C21(创玉358)和C22(美锋0808)为Pb低积累建议品种, 而C18(先玉335)可作为Cd、Pb和As复合低积累, 且Zn含量维持在正常水平的优选玉米品种.