2023, Vol. 44
2. 桂林理工大学岩溶地区水污染控制与用水安全保障协同创新中心, 桂林 541004
2. Collaborative Innovation Center for Water Pollution Control and Water Safety in Karst Area, Guilin 541004, China
随着工业的发展和农业生产的现代化, 土壤重金属污染已成为全球面临的一个严重的环境问题[1].据赵其国等[2]估算, 全国农田土壤重金属污染面积为2×107 hm2, 每年受污染粮食多达1.2×107 t, 其主要污染物为镉(Cd)和铅(Pb)等元素[3].环境中Pb和Cd相伴存在最为常见, 在我国华南和西南地区有色金属矿区周边广泛存在Cd和Pb复合污染土壤, 部分甚至超过《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618-2018)中的管制值[4~8].《土壤污染防治行动计划》和土壤污染防治法规定, 对于超管制值的Pb和Cd复合污染土壤, 原则上不建议种植食用农产品.但充分考虑我国耕地资源紧张[9]、粮食短缺等现状和当地居民生计需求后, 在此类农田上以生产安全农产品为目标, 具有更加坚实的现实意义与推广价值.而如何在Pb和Cd复合污染土壤上实现安全生产, 最主要的途径是通过种植重金属低积累品种来减少作物可食部位的重金属含量[10].
随着农业供给侧结构性改革的逐步推进, 以“优质、高效”为特色的鲜食玉米备受关注.甜糯玉米(sweet-waxy maize)作为鲜食玉米中的特殊一类, 符合现代人的健康需求.目前, 我国鲜食玉米种植面积约146.7万hm2[11], 除广西、广东、海南和云南等主要栽培地区外, 近几年, 其生产空间处于不断扩大的发展趋势[12].种植甜糯玉米一季收入最高可达9万元·hm-2[13].已有研究表明, 不同玉米品种对Pb和Cd的吸收和富集能力具有明显的差异[14~17], 目前已筛选出Cd低积累小麦[18]、Pb和Cd低积累马铃薯[19]及蔬菜类作物[10]等.杨燕媛等[20]研究发现对于单Cd污染以及Pb和Cd复合污染土壤, 玉米的超标风险较大豆和蔬菜低.对广西玉米和花生的Cd、Pb、Hg、Cu和Zn这5种重金属的预测和风险评估表明, 相对于花生和小麦, 玉米籽粒吸收和积累重金属的能力较弱[21, 22], 甜糯玉米在Pb和Cd复合污染农田实现籽粒安全生产存在可能性.目前, 关于复合污染条件下的低积累品种多侧重于作物可食用部分对重金属吸收积累的差异, 但种植低积累品种不能使土壤污染状况得到改善, 若能选择出其他器官对Pb和Cd耐性高的品种, 可实现边利用、边修复的效果.同时由于盆栽试验具有一定的局限性, 受大田环境因素的作用, 作物品种在室外模拟和大田试验条件下对重金属元素的积累和转运具有一定的差异[23].
本文以39个甜糯玉米品种为材料, 采用大田试验, 探讨Pb和Cd复合污染土壤条件下, 不同玉米品种产量变化及籽粒和秸秆中Pb、Cd含量和富集系数的差异; 结合两种筛选方法, 旨在筛选具备低积累潜力的玉米品种并在铅镉复合污染区推广种植, 同时筛选出非食用部分对Pb和Cd胁迫耐性高的品种, 以期为农田土壤重金属污染修复提供技术支撑.
1 材料与方法 1.1 研究区概况研究区域位于广西壮族自治区桂北地区(图 1), 年平均温度20.0℃, 年平均降雨量为1 000~2 000 mm.试验区曾受伴Cd铅锌矿尾砂污染的废水灌溉逾60a[24], 成土母质为石灰岩, 土壤类型主要以石灰(岩)土和红壤为主, ω(有机质)为23.5 g·kg-1, ω(碱解氮)为100.3 mg·kg-1, ω(有效磷)为0.36 mg·kg-1, ω(全钾)为20.22 g·kg-1, ω(速效钾)为1 213 mg·kg-1.
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图 1 研究区域概况 Fig. 1 Location of the study area |
供试玉米品种购自桂林市和柳州市种子市场, 品种主要来自广西、广东、河南、山东和北京等地(表 1).供试玉米品种均为当地农户常年种植的品种.
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表 1 不同品种玉米信息 Table 1 Information on different maize varieties |
1.3 试验设计
选取39个玉米品种(Y1~Y39)作为供试材料(表 1).本研究大田试验分3个区组, 区组内各品种玉米随机排列, 尽量避免因地块土壤异质性对研究结果产生的影响.每个玉米品种为一个处理, 每个处理设3个平行, 共计117个小区; 试验占地面积约0.7 hm2, 每个平行小区面积根据所在地块面积灵活安排, 其面积略有差异, 每个小区面积40~50 m2; 种植行间距为60 cm×40 cm, 每个小区的最外围两行设置为保护行, 以防止不同品种相互传粉, 从而影响品种的稳定性.玉米在三叶期进行间苗, 每穴保留两株, 水肥管理和其他田间管理操作均按照当地农耕和大田生产模式进行.根据玉米的生长需要, 在5月底补施复合肥, 另外, 玉米苗期后喷洒杀虫剂和除草剂, 以保证各品种玉米的良好生长.由于各个品种的生长周期存在差异, 故采取即熟即采的原则, 大部分品种集中在2019年7月成熟.在收获甜糯玉米时对其测产, 公顷产量=平均鲜穗质量×公顷株数[公顷株数=(单位公顷面积/行间距)×2, 其中2表示每穴两株].
1.4 样品采集与测试玉米成熟时, 在每个小区内, 撇除保护行, 采用五点法, 每个小区采集根系土壤和玉米混合样各一个, 分别装入布袋, 并做好标记, 共采集土壤-玉米样品117组.带回实验室后, 将玉米籽粒剥离, 用自来水冲洗干净, 再用超纯水润洗3~5次, 待表面水分自然风干后, 称取鲜重.再将玉米籽粒放入牛皮纸信封内, 于80℃恒温条件下烘干至恒重, 称量干重用于计算含水率, 然后将玉米籽粒用不锈钢粉碎机粉碎, 装入信封中, 保存待测.根系土自然风干后, 分别过0.841 mm和0.149 mm尼龙网筛, 保存备用.
土壤样品和植物样品均采用美国国家环保署(US EPA)推荐的HNO3-H2 O2体系进行消解, 采用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)和电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)进行测定, 分析过程中加入国家标准植物样品(GSB-11)、国家标准土壤样品(GSS-4)进行质量控制, 以确保数据的准确度和精确度.标物样回收率分别为：Pb 89.6% ~91.3%, Cd 83.9% ~104.3%, 测定偏差控制在10%以内, 选10%的样品做重复测试, 相对误差在±5%以内.分析过程中所用试剂均为优级纯, 所用水均为超纯水(Milli-Q超纯水系统).
1.5 数据统计与分析 1.5.1 富集系数(BCF)玉米籽粒或秸秆中Pb生物富集系数通过以下公式计算：
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(1) |
式中, BCFi为i品种的Pb富集系数; Cig和Cis分别表示i品种籽粒或秸秆中的Pb含量和土壤中的Pb含量, mg·kg-1.富集系数越大, 其积累重金属能力越强[25].下文中Cd的富集系数按Pb的富集系数公式计算.
1.5.2 研究区土壤Pb和Cd风险阈值的确定依据《食品安全国家标准食品中污染物限量》(GB 2762-2017)规定的新鲜蔬菜水果中Pb限值(0.1 mg·kg-1)和Cd限值(0.05 mg·kg-1), 利用参试玉米品种籽粒对Pb和Cd的富集系数进行反推, 分别得到玉米安全种植的农用地土壤Pb和Cd风险阈值[26~28].
假设基于玉米食用安全的土壤Pb和Cd风险阈值为T, 其表达式如下：
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(2) |
式中, E为《食品安全国家标准食品中污染物限量》(GB 2762-2017)中规定的新鲜蔬菜水果中Pb和Cd限值.
采用Origin 2021对大田试验玉米品种Pb和Cd积累性进行系统聚类分析, 聚类方法采用组间联接, 欧式平方距离测量区间.数据采用Excel 2010和SPSS 23进行分析, 数据表示为平均值±标准差(M±SD), Origin 2021绘图.
2 结果与分析 2.1 土壤pH与铅镉含量状况土壤pH、Pb和Cd含量的描述性统计见表 2.从中可知, 土壤pH为6.01, 呈弱酸性, 土壤ω(Pb)为(257±101)mg·kg-1, 土壤ω(Cd)为(2.47±0.85)mg·kg-1, 研究区土壤Pb和Cd含量均超过《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618-2018)中Pb和Cd筛选值.研究区土壤Pb含量小于农用地土壤污染风险管制值, 而土壤ω(Cd)超过2.0 mg·kg-1的样本占比24.8%. 结果表明, 研究区土壤存在Pb和Cd污染, 且土壤Cd污染较为严重.因此, 该研究区需要进行土壤重金属污染的安全利用措施, 比如, 改变种植结构等.
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表 2 研究区土壤pH、Pb和Cd含量统计 Table 2 Statistics of soil pH and Pb, Cd contents in the study area |
2.2 不同玉米品种的产量差异
由图 2可见, 玉米产量范围为8 700~45 000 kg·hm-2, 平均产量为17 531 kg·hm-2, 其中, Y37品种产量最高, 为45 000 kg·hm-2, 高于试验中其他品种的产量, 其次是Y39、Y21和Y25等品种, 它们的产量均高于Y28品种, Y28品种产量最低, 为8 700 kg·hm-2.不同玉米品种之间产量存在部分差异, 其中, Y37(金萬糯2000)产量显著高于其他品种, Y28(京甜紫花糯)显著低于其他品种.其余品种之间没有显著的差异, 结果表明, 在Pb和Cd复合污染的土壤上种植玉米, 不会对玉米的产量产生较大的影响.
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虚线表示不同玉米品种产量均值; 不同小写字母表示不同玉米品种产量差异显著(P<0.05) 图 2 不同品种玉米产量 Fig. 2 Yield of different varieties of maize |
不同玉米品种籽粒Pb和Cd含量均存在一定的差异.由图 3可知, 参试玉米品种籽粒ω(Pb)范围为0.009~0.313 mg·kg-1, 平均值为0.075 mg·kg-1, Pb含量最高和最低的品种分别是Y25和Y9.玉米籽粒ω(Cd)范围为0.019~0.193 mg·kg-1, 平均值为0.051 mg·kg-1, Cd含量最低和最高的品种分别是Y34和Y24.
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圆环上的数值表示含量, 单位：mg·kg-1 图 3 不同品种玉米籽粒和秸秆中Pb和Cd含量 Fig. 3 Pb and Cd contents in grains and straws of different varieties of maize |
此外, 由图 3可知, 参试玉米品种秸秆ω(Pb)和ω(Cd)分别为1.2~16.0 mg·kg-1和1.1~11.4 mg·kg-1, 平均值分别为5.6 mg·kg-1和3.6 mg·kg-1.所有参试玉米品种秸秆Pb含量最低和最高的品种分别是Y36和Y28, 秸秆Cd含量最低和最高的品种分别是Y11和Y37.
由图 4可知：39个玉米品种籽粒对土壤中重金属Pb和Cd的吸收、积累能力存在显著差异(P<0.05), 籽粒Pb富集系数范围在0.000 03~0.002 30之间, 远小于1, 表明供试玉米品种籽粒对土壤中的Pb积累能力很低.籽粒中Cd富集系数为0.01~0.15, 且品种间差异显著(P<0.05), 其中Y24籽粒中Cd富集系数最高, 显著高于其他供试品种(P<0.05), 比其余品种Cd富集系数高出2~29倍.
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圆环上的数值表示富集系数 图 4 不同品种玉米籽粒和秸秆对Pb和Cd的富集系数 Fig. 4 Bioaccumulation factors of Pb and Cd of different maize grains and straws |
由图 4发现, 参试的39个品种玉米秸秆中的Pb富集系数为0.003~0.065, 小于1, 表明供试玉米秸秆对土壤Pb的吸收能力较弱.参试39个品种玉米秸秆中的Cd富集系数为0.64~4.28, 其中Y4、Y34和Y22等10个品种的富集系数均小于1, 说明这9个玉米品种的秸秆对土壤Cd的吸收能力均较弱, 其余30个品种较强, Y37品种的富集系数高达4.28.
2.4 基于籽粒和秸秆对铅镉富集系数的玉米品种筛选富集系数(BCF)是农作物积累重金属的重要指标, 可以解释为农作物对重金属离子的吸收和富集能力[29].将不同玉米品种籽粒对Pb和Cd的富集系数和秸秆对Pb和Cd的富集系数作为参数, 对39个玉米品种进行聚类分析, 结果如图 5所示.参试玉米品种分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和其他类, Ⅰ类玉米品种籽粒对Pb和Cd的富集系数分别为0.000 1~0.000 9、0.01~0.04, 秸秆对Pb和Cd的富集系数分别为0.004~0.041和0.64~1.0, BCF均小于1; Ⅱ类(Y19)和Ⅲ类(Y37)籽粒对Pb和Cd的富集系数分别为0.000 2、0.000 3和0.5、0.3, 而秸秆对Cd的富集系数分别高达3.07和4.28.
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虚线表示欧式平方距离取值 图 5 不同品种玉米籽粒和秸秆对Pb和Cd富集系数聚类分析 Fig. 5 Cluster analysis of Pb and Cd bioaccumulation factors of different maize grains and straws |
由图 6可知, 土壤Pb风险阈值在41~2 844 mg·kg-1, 土壤Cd风险阈值介于0.3~10.0 mg·kg-1, 其中Y1、Y16和Y19品种下土壤Pb和Cd风险阈值介于风险筛选值与风险管制值(5.5 < pH≤6.5), Y4(TPb=572 mg·kg-1, TCd=7.1 mg·kg-1)、Y6(TPb=510 mg·kg-1, TCd=4.5 mg·kg-1)、Y10(TPb=1 004 mg·kg-1, TCd=2.6 mg·kg-1)、Y12(TPb=574 mg·kg-1, TCd=208 mg·kg-1)、Y14(TPb=979 mg·kg-1, TCd=2.5 mg·kg-1)、Y15(TPb=606 mg·kg-1, TCd=3.1 mg·kg-1)、Y29(TPb=570 mg·kg-1, TCd=2.9 mg·kg-1)、Y33(TPb=807 mg·kg-1, TCd=2.1 mg·kg-1)、Y34(TPb=1 348 mg·kg-1, TCd=10.0 mg·kg-1)、Y35(TPb=1 287 mg·kg-1, TCd=3.6 mg·kg-1)、Y36(TPb=2 844 mg·kg-1, TCd=3.6 mg·kg-1)、Y38(TPb=519 mg·kg-1, TCd=2.5 mg·kg-1)和Y39(TPb=633 mg·kg-1, TCd=2.2 mg·kg-1)这13个玉米品种下土壤Pb和Cd风险阈值均超过《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618-2018)规定的风险管制值(5.5 < pH≤6.5).
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不同小写字母表示不同玉米品种产量差异显著(P<0.05) 图 6 不同品种玉米的土壤Pb、Cd风险阈值 Fig. 6 Soil Pb and Cd risk thresholds of different maize varieties |
结合2.4节和2.5节的结果进一步分析, 玉米品种Y4(惠甜5号)、Y12(新美甜818)、Y33(天贵糯161)和Y34(玉糯9号)籽粒和秸秆对Pb和Cd富集系数均较低, 且其土壤Pb和Cd风险阈值均超过土壤风险管制值, 表明这4个品种在Pb和Cd含量超风险管制值的土壤中可以种出安全食用的籽粒; Y19(天贵糯937)和Y37(金萬糯2000)品种籽粒对Pb和Cd富集系数均较低, 而秸秆对Cd的富集系数分别高达3.07和4.28, 且其土壤Cd风险阈值介于土壤风险筛选值和土壤风险管制值, 说明这2个品种在Cd含量超风险筛选值的耕地可安全生产, 同时其能够对Cd污染土壤进行植物修复.
3 讨论有关重金属低积累玉米品种的筛选研究虽已有报道[30~32], 然而, 目前国内尚未有对重金属低积累作物明确的定义和标准.邢丹等[33]认为重金属低积累农作物的筛选标准是可食部位中重金属含量低于国家食品安全相关标准以及作物对重金属元素的转运系数和富集系数均小于1.Yu等[34]提出“污染预防品种(pollution-safe cultivars, PSCs)”来概括低积累蔬菜品种, 并以可食部位特定污染物的含量作为筛选标准.Liu等[35]和刘维涛等[36]都认为重金属低积累品种筛选标准应包括4个方面：可食部位特定污染物的含量低于有关食品安全标准; 富集系数(BCF)<1; 转运系数(TF)<1; 能够耐受污染物的毒性, 其地上部生物量不会受太大影响.不过相关研究都遵循一个共同的基础, 即该品种种植于污染环境中, 其可食用部位积累的特定污染物含量仍低于食品安全标准.有研究表明, 重金属低积累作物品种的筛选方式可以参考籽粒中重金属含量的聚类分析结果[14, 37].陈小华等[25]采用优先选择富集系数低的农作物作为重金属低积累品种的筛选方式, 刘桂华等[38]的研究以不同蔬菜品种地上部分Cd质量比和富集系数两个指标进行聚类统计分析, 各种筛选方式都有一定的合理性.除此之外, 基于农作物食用安全的土壤重金属风险阈值已有学者研究[26], 它是不影响农产品质量和产量, 同时不会造成环境污染的最大含量[39].同类型农作物在种植时由于环境的差异会出现不同的风险阈值, 阈值越大, 表明对于种植土壤环境中重金属的含量要求越低.
张慧敏等[40]的研究结果表明, 在严格管控类耕地种植玉米作为青贮饲料, 存在重金属超标风险, 而玉米籽粒重金属超标风险相对较低, 可进一步筛选低积累玉米品种以达到籽粒安全食用的目的.有研究表明, 只要选择合适的重金属低积累玉米品种, 受重金属污染的农田也能生产出安全产品[15].而且以重金属低积累作物为基础, 降低籽粒重金属吸收的技术可以相应地提高安全利用的农田重金属污染上限[41].本研究区土壤污染较为严重[ω(Pb)：256.9 mg·kg-1、ω(Cd)：2.47 mg·kg-1], 部分品种籽粒Pb和Cd含量高于国家食品安全标准[ω(Pb)<0.1 mg·kg-1、ω(Cd)<0.05 mg·kg-1], 但所有品种的籽粒Pb和Cd含量均符合国家饲料卫生标准[ω(Pb)<5 mg·kg-1、ω(Cd)<0.5 mg·kg-1], 因此籽粒在成熟期收获时可充作动物饲料.
39个参试品种玉米籽粒对土壤中的Pb和Cd的吸收积累能力存在显著差异(P<0.05).籽粒中Pb富集系数为0.000 03~0.002 30, 远小于1, 表明供试玉米品种的籽粒对土壤中的Pb积累能力较低.籽粒中Cd富集系数为0.01~0.15, 小于1.相较之下玉米籽粒对Cd的富集能力较强, 对Pb的富集能力较弱.这可能与Pb和Cd在玉米体内的转运速率有一定差异有关, Cd易与蛋白质结合成有机络合物, 而这种有机络合物在玉米植株体内的迁移性比Pb强, 进而导致Cd的富集能力较Pb强[42].此外, 土壤pH值是影响Cd2+在土壤中被植物吸收的主要因素, 本试验土壤pH值为6.01, 属于酸性土壤, Cd2+的迁移能力较强[43].
玉米秸秆Pb富集系数(0.003~0.065)均小于1, 低于杜彩艳等[44]的研究结果(0.049~0.126), 秸秆Cd富集系数为0.64~4.28, 低于邓婷等[31]的研究结果(1.39~7.45), 高于任超等[45]的研究结果(0.051~1.082), 这可能与不同区域下不同生长条件以及不同品种的玉米对重金属的积累能力存在差异有关[46].李静等[47]的研究表明, 在污染指数Pi≥3的重度污染地区, 玉米根、茎和叶的重金属富集系数从大到小依次为：Cd>Pb>Zn, Cd是最易在玉米植株富集的元素, 相比之下, Pb是较难于吸收富集的重金属元素.郭晓方等[48]和杨惟薇等[49]也证实了玉米对土壤中的镉具有较强的吸收性.
对重金属Pb和Cd的积累能力而言, 39个玉米品种对土壤中Cd的积累能力大于对Pb的积累能力, 且玉米秸秆对土壤中Pb和Cd的积累能力均大于籽粒, 这与其他学者对玉米籽粒、茎叶吸收积累Pb和Cd能力的研究结果相同[44].这说明在没有其他外界污染因素的农田里, 玉米植株不同部位Pb和Cd含量分布的不同与作物本身积累特性及研究区中Pb和Cd的环境活性高低有关, 暴露在同等浓度Pb和Cd的土壤中, Cd通过玉米籽粒进入食物链的风险更大.
本文筛选出的惠甜5号、新美甜818和玉糯9号籽粒Pb和Cd含量符合国家食品卫生标准, 籽粒和秸秆的富集系数均小于1, 同时其土壤Pb和Cd风险阈值均超过土壤风险管制值, 可作为Pb和Cd复合低积累品种; 天贵糯937和金萬糯2000籽粒Pb和Cd含量符合国家饲料卫生标准, 秸秆对Cd的富集系数均大于1, 可作为籽粒低积累、秸秆高积累品种.
甜糯玉米在促进当地农村产业结构调整、增加农民收入中具有一定的作用, 然而农户习惯性会选择常年种植和高产的品种, 因此需在低积累品种中选择适宜的品种进行推广种植.此外, 玉米的Pb和Cd低积累特性也受多种因素的影响, 在实际生产中应充分考虑气候(气温、降雨等)、土壤类型和污染程度等因素.本文筛选出的有关品种在不同浓度Pb和Cd污染土壤中低积累性状是否具有再现性和环境适应性, 有待进一步研究验证.
4 结论(1) 在铅镉复合污染土壤中种植的39个甜糯玉米品种的产量差异较大; 供试品种对Pb和Cd的吸收和积累能力不同.
(2) 供试39个玉米品种籽粒对Pb和Cd的富集系数均小于1; 秸秆对Pb的富集系数小于1, 秸秆Cd富集系数为0.64~4.28.
(3) 惠甜5号、新美甜818和玉糯9号作为Pb和Cd复合低积累品种, 适宜在广西铅镉复合污染土壤上推广种植; 天贵糯937和金萬糯2000作为籽粒低积累、秸秆Cd高积累品种, 建议将其作为植物修复资源加以利用.
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