适合云南省Pb污染农田种植的低累积玉米品种筛选
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随着矿产资源的大量开发、农药化肥的广泛使用及城市污泥污水的农用，土壤 － 植物 － 环境系统中重金属污染问题日趋严重。我国重金属含量超标的农产品产量与面积占污染物超标农产品总量与总面积的 80% 以上。据统计，受 Cd、As、Pb 等重金属污染的耕地面积近 20 × 108hm2，约占总耕地面积的1 /5，每年造成粮食减产达2. 5× 109kg，农业总损失每年达 200 亿元以上。对我国 3 ×105hm2基本农田保护区 2 ×108kg 粮食抽查发现，重金属超标率 ＞ 10% ，污灌区的问题更加严重。在众多重金属元素中，Pb 为当前最为突出的重金属污染元素，不仅在环境中易积累、难降解，而且植物对 Pb 的吸收表现出极强的隐蔽性。通过各种途径进入土壤中的 Pb，不仅影响作物生长，而且进入食物链危害人畜健康。 不同基因型作物对重金属的吸收、累积水平差别较大，甚至同一种作物的不同品种间重金属吸收、累积能力也可能有较大差异。利用这些特点，筛选供食用器官重金属富集能力较弱(重金属含量不超过国家食品卫生有关标准) 但生长和产量不受影响的农作物种类或品种，并在中、轻度重金属污染土壤中种植，可以达到农田重金属污染的治理目标，同时抑制其进入食物链，有效降低农产品的重金属污染风险。玉米作为我国主要的粮食作物，种植面积广、生物量大且产量高，除了直接食用外，其茎叶部还可作为畜牧业和工业原材料。因此，筛选 Pb 低累积、高产量和高质量的玉米品种具有现实意义。 本文以 25 个玉米品种为材料，在外施乙酸铅条件下，通过大田试验，研究 Pb 对不同品种玉米的生长、产量及根、茎叶和籽粒 Pb 含量的影响，旨在筛选出适合云南省 Pb 污染农田种植的低累积玉米品种。 1、 试验材料与设计 1. 1 供试材料 供试土壤属黄壤，其理化性质: pH = 6. 95，有机质30. 71g/kg，全氮2. 41g/kg，全磷13. 63g/kg，全 钾 8. 59g/kg，碱 解 氮 53. 73mg/kg，速 效 磷151. 47mg / kg，速效钾 170. 23mg / kg。 玉米品种见表 1。以分析纯乙酸铅为供试试剂。 1. 2 试验设计 于 2013 年 5 月在云南省寻甸县大河桥云南农业大学试验基地进行大田试验。试验以 25 个玉米品种 为 试 验 材 料，分 别 设 对 照 (CK) 区、Pb(2000mg/kg) 区，每个处理 3 次重复。共计 150个小区，小区面积为 2m × 1. 2m，每小区设 10 穴玉米，株距为 40cm，行距为 60cm，每穴播 3 粒玉米种子，将定量的乙酸铅溶解于 50ml 蒸馏水，均匀拌于 200g 过 2mm 筛的土样中，于实验室中待水分挥发后，再均匀施入每穴土壤。待玉米长出 3 片叶子时间苗，每穴仅留 1 株。 1. 3 取样与样品分析 玉米成熟期进行采样，每个小区取长势较均匀的植株样品。样品分为根、茎叶和籽粒三部分，清水洗净后再用去离子水冲洗，测其株高、根长、鲜重等生长指标，在105℃烘箱中杀青30min，再调至80℃烘24h 至样品完全烘干，用不锈钢粉碎机粉碎，过100 目筛。 称样后样品采用混合酸 HNO3+ HClO4(4∶1) 消解制备成待测液，采用火焰原子吸收分光光度法测定。 1. 4 统计分析 所有数据的平均值、标准差采用 Excel 2007 软件，数据的方差分析、相关性分析及聚类分析采用SPSS 17. 0 软件。 性状变化率 (%)= 处理值 － 对照值 / 对照值 × l00% (包括株高、根长、生物量变化率) ;综合响应指数 (%) 为所有性状变化率之和;小区相对产量 = 处理下产量/对照产量;富集系数 (BF) = 植物地上部重金属含量/土壤响应元素含量;转运系数 (TF) = 植物地上部重金属含量/地下部相应元素含量。 2、 结果与分析 2. 1 Pb 对不同玉米品种的影响 2. 1. 1 对玉米生长的影响综合响应指数反映玉米生长受 Pb 胁迫的综合响应情况。综合响应指数为正值，说明 Pb 能促进该品种的生长，值越大说明促进作用越大，当综合响应指数为负值时，说明该品种的生长受到 Pb 的抑制，值越小说明抑制作用越大。 由表 2 可看出，Pb 对 25 个玉米品种株高、根长、生物量均有影响。Pb 胁迫下玉米的株高变化率范围为 － 27. 4% ～ 10. 47%; 根长变化率范围为－ 28. 68% ～ 24. 72% ; 生物量变化率范围为 －124. 3% ～ 649. 67% 。说明 Pb 胁迫对玉米株高、根长、生物量有显著影响。其中综合响应指数最大品种为宁玉 507，达 676. 96%; 最小品种为靖单 13，为 －140%。 2. 1. 2 Pb 对不同品种玉米产量的影响小区相对产量是指 Pb 胁迫下的小区产量与对照小区产量的比值。比值 ＞ 1 说明 Pb 胁迫对产量有促进作用，即产量增加; 比值 ＜ 1 则为 Pb 胁迫下产量受抑制，作物产量减少。由图 1 可看出，25个玉米品种在 Pb 胁迫下小区相对产量差异显著，其中有 18 个品种小区相对产量比值 ＞ 1。汕珍在Pb 胁迫下小区相对产量达到最大，比值为 1. 65，产量增加了 65%; 路单 8 号次之; 比值最小的是曲辰 11 号，为 0. 75，产量下降了 25%。 2. 2 不同玉米品种对 Pb 的富集特征 2. 2. 1 不同玉米品种根、茎叶、籽粒中的 Pb 含量图 2 结果表明，Pb 胁迫下 25 个玉米品种根部重金属含量差异显著。各品种根部 Pb 含量范围为100. 79 ～ 737. 09mg / kg，根部 Pb 含量最高的品种桂单 160 是含量最低的品种云瑞 21 的 7 倍多，平均含量为 351. 62mg/kg。 分析 25 个玉米品种茎叶部 Pb 含量，结果见图 3。茎叶部 Pb 含量范围为 8. 81 ～ 32. 98mg/kg，旭玉 1446 与路单 7 号茎叶部 Pb 含量差异显著，旭玉 1446 茎叶部 Pb 含量是路单 7 号的3. 67 倍; 25 个品种茎叶部 Pb 含量均超出饲料卫生标准 (GB － 13078 － 2001) (Pb≤5mg/kg) ，不可用作青贮饲料，但均符合有机肥重金属卫生标准 (NY525 － 2002) ，可用作有机肥或制作有机肥的原料。 对 25 个玉米品种籽粒部含 Pb 量进行分析，结果见图 4。各品种籽粒 Pb 含量差异显著，Pb含 量 范 围 为 0 ～ 3. 71mg/kg， 平 均 含 量 为1. 1808mg / kg。其中桂单 160 的籽粒 Pb 含量达到最大 3. 71mg/kg，是 《粮食及制品中重金属限量标准》(NY861 －2004) 规定 Pb 含量 (≤0. 4mg/kg) 的 9 倍，京滇 8 号 (二代) 籽粒 Pb 含量最小，浓度为 0mg/kg。 2. 2. 2 不同玉米品种对 Pb 的富集、转运能力植物对重金属的富集、转运能力主要用富集系数 (BF) 和转运系数 (TF) 来反映。富集系数用来评价植物将重金属吸收到其体内能力的大小，转运系数则用来评价植物将重金属从根部向地上部运输的能力。由表 3 可看出，25 个玉米品种对 Pb的富集系数范围为: 0. 005 ～ 0. 018; 转运系数范围为: 0. 013 ～0. 084。富集系数、转运系数均 ＜1，说明各品种地上部对 Pb 的吸收能力较弱，且地下部向地上部转运能力也较弱。富集 Pb 能力最强的品种是旭玉1446，最弱的是路单7 号; 而对 Pb 转运能力最强的品种是云优167，最弱的品种是曲辰11 号。 2. 3 低累积 Pb 玉米品种的筛选 对25 个玉米品种 Pb 胁迫综合响应指数进行聚类分析，结果见图5。根据不同玉米品种对 Pb 胁迫的不同响应程度，可把25 个玉米品种分为 4 类。其中宁玉507 为综和响应指数最高的一类; 京滇 8 号(一代) 、辰11 号、云瑞6 号等为综合响应指数较高的一类; 靖单 13 号、京滇 8 号 (二代) 、云优 167、晴三和云瑞21 号为综合响应指数最低的一类; 其余品种综合响应指数居中。宁玉 507、京滇 8 号 (一代) 、辰11 号、云瑞 6 号、曲辰 3 号、云瑞 68、路单7 号和寻单8 号可作为耐 Pb 品种。 对 25 个玉米品种籽粒 Pb 含量进行聚类分析，结果见图 6。根据籽粒 Pb 含量的不同，25 个玉米品种可以分为 5 类。其中京滇 8 号 (二代) 、汕珍、宣黄平 4 号等为籽粒含量最低的一类; 桂单160 为籽粒 Pb 含量最高的一类; 其他品种籽粒 Pb含量居中。为了降低食物链 Pb 含量的富集，选择京滇 8 号 (二代) 、汕珍、宣黄平 4 号、曲辰 11号、靖丰 8 号和寻单 7 号作为玉米籽粒低累积 Pb的品种。 3、 讨论 有关重金属低累积玉米品种的筛选研究已有报道，郭晓芳、吴传星等研究了不同玉米品种对重金属累积和转运的品种差异，通过对籽粒重金属含量聚类分析，筛选出籽粒含量未超出国家规定的食品卫生标准的低累积玉米品种。然而，目前对重金属低累积作物还没有明确的定义，多数学者筛选低累积品种的标准为供食用器官重金属富集能力较弱 (重金属含量不超过国家食品卫生有关标准) ，而对受重金属胁迫下作物生长及产量变化研究较少。刘维涛等认为理想的重金属低累积作物应该同时具备以下特征: 该植物的地上部和根部重金属含量均很低或者可食部位重金属含量低于有关标准; 该植物对重金属的累积量小于土壤中该重金属的浓度，即富集系数 ＜ 1; 该植物从其他部位向可食部位转运重金属能力较差，即转运系数 ＜1; 该植物对重金属毒害具有较高的耐受性，在较高浓度重金属污染下能够正常生长，且生物量无明显下降。重金属胁迫可导致玉米生理代谢紊乱，使其正常生长受到抑制，所以玉米的株高、根长、生物量及产量的变化均可作为玉米对重金属耐性指标。 本试验研究了 Pb 胁迫对 25 个玉米品种生长、产量的影响及不同品种对 Pb 的富集特征，结果表明: 受 Pb 胁迫的25 个玉米品种株高、根长、生物量及产量差异显著。Pb 胁迫下曲辰 11 号、曲辰 3号综合响应指数均 ＞ 50%，但小区相对产量 ＜ 1，而宁玉 507、京滇 8 号 (一代) 、云瑞 68 号、寻单7 号、云瑞 6 号及路单 7 号综合响应指数均 ＞50% ，且小区相对产量 ＞ 1，表明宁玉 507、京滇 8号 (一代) 、云瑞 68、寻单 7、云瑞 6 号及路单 7号在 Pb 胁迫下能够正常生长，生物量和产量无明显下降，可作为耐 Pb 品种。 在单一污染条件下，Pb 在 25 个玉米品种体内富集差异显著，根部富集 Pb 能力远高于茎叶，这与李凡、代全林等研究结果一致。通过对比 25个玉米品种对 Pb 的富集系数与转运系数发现，所有品种富集系数与转运系数均 ＜1，说明玉米地上部富集 Pb 的能力较弱且地下部向地上部的转运能力也较弱。综合分析，寻单 7 号符合上述有关重金属低累积品种的定义，寻单7 号可作为 Pb 低累积品种。 4、 结论 (1) Pb 胁迫对 25 个玉米品种的株高、根长、生物量及产量的变化差异显著;(2) 25 个玉米品种对 Pb 的吸收、累积、分配能力存在显著差异，在各部位的富集量为: 根 ＞ 茎叶 ＞ 籽粒;(3) 综合分析，最终筛选出寻单 7 号为 Pb 低累积品种。 参考文献: ［1］ 田帅，丁永祯，居学海． 玉米对重金属胁迫的响应及其在植物修复中的应用 ［J］． 安徽农业科学，2009，37 (5) : 2208 －2210． ［2］ 聂胜委，黄绍敏，张水清，等． 不同种类重金属胁迫对两种小麦产量及构成因素的影响 ［J］． 农业环境科学学报，2012，13 (3) : 455 － 463． ［3］ 胡文友，祖艳群，李元． 无公害蔬菜生产中重金属含量的控制技术 ［J］． 农业环境科学学报，2005，24 (增刊) : 353－ 357． ［4］ 周东美，郝秀珍，薛艳，等． 污染土壤的修复技术研究进展［J］． 生态环境，2004，13 (2) : 234 －242． ［5］ 薛艳，沈振国，周东美． 蔬菜对土集重金属吸收的差异与机理 ［J］． 土壤，2005，37 (1) : 32 －36． ［6］ 匡少平，徐仲，张书圣． 玉米对土壤中重金属铅的吸收特性及污染防治 ［J］． 安全环境科学报，2002，2 (1) : 28 －31． ［7］ 郭晓芳，卫泽斌，丘锦荣，等． 玉米对重金属累积与转运的品种间差异 ［J］． 生态与农村环境学报，2010，26 (4) : 367－ 371．
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