不同小麦品种对大田中低量镉富集及转运研究

熊 孜，李菊梅*，赵会薇，马义兵

（1.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，国家土壤肥力与肥料效益监测站网，北京 100081；2.国家半干旱农业工程技术研究中心，石家庄 050051）

小麦是我国主要粮食作物之一，品种丰富，集中分布于黄淮海平原的河北、河南、山东三省[1]，其质量安全在我国粮食生产中有重要意义。小麦属于耐Cd力较强[2]、易积累Cd的作物之一，易从土壤中吸收积累Cd，造成小麦籽粒Cd累积。研究显示[3-5]，即使在未受人为污染的土壤上，小麦籽粒Cd含量也可能超标。杨玉敏等[6]盆栽试验显示（N=102），土壤Cd总量为0.4 mg·kg-1时，不同小麦品种籽粒Cd含量区间为0.189～0.557 mg·kg-1（GB 2715—2005，0.1 mg·kg-1）。

近年来，污水灌溉[7]、污泥农用、农药及化肥的不合理施用，使得小麦Cd污染风险问题逐渐成为社会关注的热点和政府农产品质量安全监管的重点[8]，因此，能否保证小麦在中低污染程度的土壤上安全生产，越来越受到人们关注。目前，解决粮食中Cd超标问题的途径主要有两种[9]：一是从土壤角度出发，降低土壤中Cd的有效性；二是从农作物角度出发，优选和培育吸Cd量少或向籽粒转移系数低的优良抗逆小麦品种。在良种试验过程中，迫切需要筛选低Cd小麦品种，它有利于良种推广应用以及在Cd污染农田优选安全品种。目前，对低Cd土壤上，即小麦正常生长条件下小麦籽粒Cd吸收能力研究较少[11-12]，低Cd小麦品种筛选多基于添加高量外源Cd的盆栽试验，添加量较我国土壤Cd三级标准值要高出数倍到数十倍。在作物受害不能正常生长的土壤状态下进行品种筛选，有其不合理性。同时，由于外源添加Cd老化程度不同，和大田Cd有效性有很大差别，往往筛选的低Cd品种在无污染土壤上易超标[6]；此外，还存在推荐的某些低Cd小麦品种特性不稳定，换地方就超标的现象。

大量基于外源Cd添加土培、水培试验表明[12-14]，小麦对重金属元素的吸收、累积能力与其品种有关[6，15-17]。本文基于良种试验中小麦品种间对Cd的吸收、转运以及籽粒富集差异，试图比较得出小麦低累积Cd品种，筛选出分别适宜于二级、三级Cd污染农田的小麦品种，为我国轻度Cd污染的二级、三级农田小麦安全生产提供依据，丰富优势小麦品种特征资料，为优势小麦品种推广应用提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 样品采集与处理

2015年6月10—12日于河北、山东及河南3省9地采集59个小麦品种，共计91组土壤-植物点对点样品。土壤类型均为褐土，样点位置及品种详见表1。土样深度0～20 cm，经自然风干，剔除杂质后，研磨，分别过2、1、0.25 mm和0.149 mm尼龙筛，充分混匀，备用。植株样品（仅采集地上部分）经105℃杀青20 min，70℃烘干，分离为茎叶、籽粒两部分（舍去颖壳），并分别将其粉碎，过0.25 mm尼龙筛，测定Cd含量。样品基本理化性质详见表2。

1.2 测定项目与方法

土壤pH采用电位法（玻璃电极）测定（2.5∶1，TP320，北京时代新维测控设备有限公司），有机质（OM）采用外加热重铬酸钾法测定，阳离子交换量（CEC）采用非缓冲硫脲银法测定，土壤碱解氮采用扩散法测定，有效磷（Olsen-P）采用 0.5 mol·L-1NaHCO3浸提-紫外分光光度法（UV-5100H，上海元析仪器有限公司）测定；土壤有效钾采用NH4OAc浸提-火焰光度法测定（HG-8，北京检测仪器有限公司），参见《土壤农化分析》[18]。土壤Cd总量测定参考EPA 3052方法，土样采用硝酸-氢氟酸（3∶1，V∶V）混合酸消解，溶液中Cd含量采用电感耦合等离子体质谱测定（7700X ICP-MS，安捷伦科技有限公司）。植株中Cd含量测定方法参考GB/T 5009.15—2003，植物样采用硝酸-过氧化氢（2∶1，V∶V）混合酸消解，溶液中 Cd 含量测定方法同上。采用标准物质作为内标控制分析质量，土壤和植物标准样品分别选用GBW07427（GSS-13）和 GBW10011（GSB-2），每 10 个样品添加一个标样，并保证回收率大于90%。

1.3 小麦Cd生物富集、转移系数

植物对重金属的生物富集系数（BCF）是指植物地上部某一重金属的含量与相应的土壤重金属含量的比值，可以表征小麦从土壤中吸收重金属的能力。植物对重金属的转移系数（TF）是指植物某一部位重金属的含量与植物另外相应部位重金属含量的比值，可以表征小麦自身转移重金属的能力。

表1 采样地点及小麦品种名称Table 1 Sampling sites and varieties of wheat

表2 供试土壤的基本理化性质Table 2 The properties of the soils collected from different site

式中：Cgrain、Cstem和Csoil分别表示籽粒、茎叶和土壤Cd全量，mg·kg-1。

1.4 数据处理与分析

所有试验数据均采用Microsoft Excel 2010、Origin 8.5和SAS 9.0软件进行处理与分析。

2 结果与分析

2.1 不同小麦品种茎叶、籽粒Cd含量比较

在调查的9个小麦种植区域中有8个小麦种植区耕层土壤Cd含量低于国家土壤环境质量标准规定的限制标准（0.6 mg·kg-1），范围为0.107～0.212 mg·kg-1，平均为 0.155 mg·kg-1，土壤 Cd 含量整体变化不大,并且接近国家土壤环境质量标准规定的自然背景值（0.2 mg·kg-1）；只有济源采样点土壤 Cd含量超过《土壤环境质量标准》（GB 15618—1995）限制的三级Cd 污染限量（≤1.0 mg·kg-1），为 2.292 mg·kg-1（表2）。未超标采样点不同小麦品种的籽粒Cd含量范围为 0.005～0.030 mg·kg-1，平均为 0.016 mg·kg-1，最大值是最小值的5.89倍，茎叶Cd含量范围为0.016～0.092 mg·kg-1，平均为 0.058 mg·kg-1，其中小麦籽粒Cd含量远低于食品卫生标准；济源Cd超标地茎叶Cd 含量范围为 0.513～0.681 mg·kg-1，平均为 0.583 mg·kg-1，籽粒 Cd 含量范围为 0.119～0.150 mg·kg-1，平均为 0.132 mg·kg-1，高于我国《粮食卫生标准》（GB 2715—2005，小麦籽粒 Cd 含量≤0.1 mg·kg-1）。同一地块土壤Cd含量相同，部分品种间籽粒Cd含量差异较显著，相同地块不同品种间差异可达1.26～3.75倍（图 1）。

2.2 不同小麦品种Cd富集系数的差异

小麦籽粒对土壤Cd的富集系数（BCF）是评价小麦品种低Cd品质的重要参数。将不同土壤上种植的相同小麦品种（同一小麦品种数大于3）的BCF值进行比较（图2），结果显示，相同小麦品种种植于不同低Cd含量土壤地块，籽粒Cd含量一般随土壤Cd含量增高而增高，BCF随土壤Cd含量增高而减小。因为土壤Cd含量差异较小，故同一小麦品种间大多差异不显著，但也出现个别差异显著的小麦品种，分别为冀麦518、石农086和济麦22。将不同地点相同品种小麦的BCF取均值，将所有小麦品种的BCF按大小顺序进行排列并进行显著性差异分析（图3）。发现不同小麦品种间籽粒Cd富集系数存在差异，其中部分小麦品种间BCF差异显著，部分BCF差异不显著，供试小麦品种籽粒对土壤Cd的BCF范围为0.047～0.165，平均为0.107，品种间最大差异达3.55倍。

图1 不同地点小麦茎叶及籽粒Cd含量Figure 1 Concentrations of Cd in stems and leaves and grains in wheat

2.3 不同小麦品种转运系数的差异

小麦Cd从茎叶向籽粒转运的多少关系到籽粒Cd的含量，其转运系数（TF）也是评价小麦品种的重要指标之一。59个小麦品种中，济源Cd超标土壤3个小麦品种TF值平均为0.231，其他不超标土壤小麦品种TF范围为0.093～0.500，平均为0.291。相同小麦品种在Cd含量不同土壤上的TF值除衡4444和冀麦585外其他都表现为差异不显著（图4，同一小麦品种数≥3的地点），因此可以将不同地块相同小麦品种的TF值进行平均，以便比较品种间TF值的差异。小麦品种间Cd从茎叶向籽粒的转运系数如图5所示，有的品种间差异极显著，有的品种间差异不显著，TF值最大品种是衡6632（0.500），最小品种是衡0628（0.093），二者相差约4.4倍。TF值较低的衡0628、衡09观29小麦品种的BCF值也较低，TF值较高的石麦15、衡6632等小麦品种其BCF值也较高。

图3 不同品种Cd富集系数差异比较Figure 3 Compare Cd bioconcentration with different wheat varieties

2.4 不同小麦品种富集系数的聚类分析

对所有品种小麦籽粒的Cd富集系数进行聚类分析（图6），结果可大致分成5类：籽粒低富集型（BCF＜0.050），小麦品种为冀麦 518、衡 0628、衡 09 观29；籽粒较低富集型（BCF∈0.050～0.060），小麦品种为周麦27、周麦16、矮抗58、山农24；籽粒中富集型（BCF∈0.060～0.150），小麦品种为河农58-3、郯麦98、藁优5766、刑麦 7号、论选 103、济南17号、石麦18、潍麦 8、婴泊 700、科农 1006、河农 7069、济麦 22、山农 22、石麦 22、衡 4444、石麦 19、石农 086、石麦21、邯 5093、刑麦 4 号、河农 827、石 4185、石新 633、小偃 101、衡观 35、冀麦 585、邯 6172、藁优 2018、舜麦 1718、石麦 20、师栾 02-1、良星 66、衡 4399、中麦155、农大399、邯麦13、山农15、科农199、河农6049、石新 828、京麦 8 号、邯麦 14、鲁原 502、沧麦12、山农 20；籽粒较高富集型（BCF∈0.150～0.160），小麦品种为汶农8号、泰农18、石麦15；籽粒高富集型（BCF＞0.160），小麦品种为良星 77、良星 99、衡 6632、山农23。

图5 不同品种小麦Cd转移系数差异比较Figure 5 Compare Cd translocation factor with different wheat varieties

图4 同一品种小麦在不同土壤上Cd转运系数Figure 4 Compare Cd translocation factor with same wheat variety of in different soils

图6 不同品种小麦富集系数聚类分析Figure 6 Cluster analysis of BCF with different wheat varieties

2.5 Cd污染土壤上基于BCF的小麦品种筛选

在土壤类型、耕作措施相同的条件下，不同小麦品种积累Cd含量差异的原因应主要是品种基因的差别，若不考虑pH和有机质等其他条件的差异，可以由BCF值推算二级Cd污染和三级Cd污染条件下籽粒Cd含量，为选择安全适宜的小麦品种提供依据。根据BCF计算公式可知，小麦籽粒Cd含量=BCF×土壤Cd含量，参照我国粮食卫生标准（GB 2715—2005）中小麦籽粒Cd含量限量值（≤0.1 mg·kg-1）与我国土壤环境质量标准（GB 15618—1995）中二级（≤0.6 mg·kg-1，pH＞7.5）及三级污染土壤 Cd 限量值（≤1.0 mg·kg-1，pH＞6.5），对本研究 59 个小麦品种进行推算，得出：当土壤Cd含量≤0.6 mg·kg-1（即土壤达到二级污染临界水平时），BCF≤0.167，59个小麦籽粒Cd含量全部未超过限量标准（GB 15618—1995），都可以种植；当土壤Cd含量≤1.0 mg·kg-1（即土壤达到三级污染临界水平时），有50%的小麦品种籽粒Cd含量超标。从另一方面考虑，籽粒超标临界水平为0.1 mg·kg-1，在Cd二级污染土壤上适宜种植的小麦籽粒的BCF应≤0.167，在三级Cd污染土壤上适宜种植的小麦籽粒的BCF应该≤0.100。

3 讨论

本研究9个调查土壤中，除济源外土壤Cd含量均远低于污染土壤的限制标准（0.6 mg·kg-1）。小麦茎叶和籽粒Cd含量较低，且品种间有显著差异。小麦吸收的Cd随土壤Cd含量提高而增高，且茎叶Cd含量＞籽粒Cd含量，与其他学者研究一致[6，19-20]。本研究56个小麦品种（济源3个品种除外）籽粒Cd含量范围为 0.005～0.030 mg·kg-1，平均为 0.016 0 mg·kg-1，该数值范围与季书勤等[21]、刘克等[22]测定结果相近。

小麦对Cd富集与转运的品种间差异被许多研究证实。Cd进入植物体机理研究[23-24]显示，小麦对Cd的吸收和转运受基因影响[25-26]，但具体何种基因还有待深入研究，同时小麦对Cd的吸收、转运还受多种环境因素影响[22，27-29]。小麦低Cd吸收品种筛选的评价指标基本相同，包括：籽粒Cd含量、转运系数和富集系数，且多对不同试验条件下各评估指标进行简单排序或者初步聚类[2，10-15，19-20，29-32]以确定品种优势。

我国土壤Cd环境质量三级标准（≤1.0 mg·kg-1）是为了保障农林业生产和植物正常生长的土壤临界值。许多试验结果显示，影响小麦生长的土壤Cd含量阈值为 3～5 mg·kg-1[33]，在土壤 Cd 含量＜20 mg·kg-1条件下，小麦籽粒Cd浓度与土壤Cd含量基本呈线性关系[34-35]。据此可推测，三级Cd污染土壤上小麦生长过程不受毒性抑制，小麦籽粒Cd富集效应随土壤Cd含量线性相关[6，34]，且BCF值通常随着土壤Cd含量增加而减小[6]，这与本文研究结果一致。由此可见，对同一品种来说，由高BCF推算出的小麦籽粒Cd含量会高于在污染土壤上小麦籽粒Cd的实测含量，用低Cd土壤上小麦籽粒的BCF筛选低Cd小麦品种更具有科学性。

杨玉敏从102份小麦品种中筛选出了9份低Cd富集小麦品种[6]，之后分别对筛选出的低富集Cd小麦品种在Cd含量为0.4 mg·kg-1及0.28 mg·kg-1的土壤上进行验证[33]，但所有小麦籽粒含量都超过食品安全标准（≤0.1 mg·kg-1）。以杨玉敏在高Cd含量土壤上得出的小麦BCF值推算小麦籽粒超标情况，结果仅部分超标，但实际结果却均超过标准。因此，通过对以上低Cd土壤和高Cd污染土壤上小麦籽粒Cd含量的比较可知，两者根本的区别是在低Cd土壤上，小麦可以正常生长、吸收、转运和富集土壤Cd，而在高Cd污染土壤上，小麦正常生长受到不同程度影响，对Cd的吸收、转运及富集也受到影响，前者对Cd的低富集具有确定性，而后者主要是在耐性支配下小麦籽粒对土壤Cd的富集。在低Cd土壤筛选低Cd小麦品种的缺点就是可能会把一些吸收Cd含量较低的小麦品种淘汰，而在高Cd污染土壤上筛选低Cd小麦品种的缺点就是可能会把吸收Cd含量较高的品种选上。

因此，相同土壤大田试验、土培或者水培条件下筛选小麦低Cd吸收品种比较容易，但不同土壤条件下，有些小麦品种出现显著差异，易受环境影响，本研究结果可为在低Cd土壤上进一步优选低Cd吸收品种提供资料，也为良种场品种推广应用提供科学依据。总之，小麦对Cd吸收受许多环境因素影响，本研究涉及土壤Cd含量低且范围窄，大多数相同小麦品种在不同地点土壤上的转运系数和富集系数差异不显著，可能与土壤之间Cd含量差异较小有关系，以上品种低Cd特性还需要进一步验证。

4 结论

（1）在低 Cd（0.107～0.212 mg·kg-1）大田条件下，小麦茎叶、籽粒Cd含量显示出品种间的差异。小麦富集系数的聚类分析表明，冀麦518、衡0628、衡09观29为低Cd富集小麦品种。

（2）以BCF推算，在保障籽粒Cd含量不超过标准的前提下，59个小麦品种基本上都可以在二类Cd污染土壤上种植，有27个小麦品种可以在三级Cd污染土壤上种植。

（3）在土壤Cd含量较低条件下筛选出的低Cd富集小麦品种比在高Cd条件下筛选出的保障性更高。在Cd二级污染土壤上适宜种植的小麦籽粒的富集系数应≤0.167，在三级Cd污染土壤上适宜种植的小麦籽粒的富集系数应≤0.100。

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