不同牧草品种对Cd、As元素转运富集特性的差异性研究

徐建永 孔辉 胡飞 黄志红

(圣清环保股份有限公司，云南 昆明 650100)

随着工农业的快速发展和城市化进程的加快，重金属污染已成为危害全球环境质量的主要问题之一[1]。重金属通过各种不同的途径进入土壤[2]，对种植作物产生毒害，极大地影响着土壤环境质量、作物生长、产量、品质与安全性[3,4]，严重制约农业可持续发展，最终经食物链在人体内富集，对人体健康造成危害[5]。

个旧矿区历史悠久，矿业活动频繁，在矿区繁荣发展的同时，个旧及周边地区的生态环境已经遭到严重破坏[7]，当地重金属污染严重。如何有效减少重金属在农作物中的富集和累积，从而保障农业安全生产，已成为当前农业和环境科学交叉领域的研究热点之一[7]。

目前，对于控制重金属向食物链中转移主要从2方面着手：通过化学固定降低土壤中重金属的活性使其钝化[8]；通过筛选出对于重金属抗性强、累积量低的农作物品种进行种植[9]。研究证实，植物吸收和累积重金属不仅存在显著的植物种间差异，同时存在种内差异[10]。近年来，对不同作物品种间的重金属低累积品种筛选的研究众多。然而研究大多都是基于各地不同条件下进行的，其研究结果具有很强的地区性。针对个旧市乍甸农田土壤污染特性和乍甸农场“粮改饲”种植试点示范要求及发展规划，开展重金属低累积牧草品种的筛选研究是十分必要的。

本试验以个旧市鸡街镇乍甸的农田为试验地，结合片区原有种植结构和牧草品种，以初步筛选出的26个不同牧草品种为试验材料，在Cd-As复合污染条件下，开展田间小区试验，综合考虑牧草生物学特性、适口性、株高、生物量、产量，Cd、As含量及累积量等指标，通过试验对牧草安全进行探索，提出适合种植的牧草种类，旨在筛选出适合个旧地区种植的具有Cd、As低累积潜力的牧草品种，既为培育Cd、As低累积牧草品种提供科学依据，也可为其它作物的重金属低累积品种筛选提供参考。

1 材料和方法

1.1 供试材料

试验选择可连片种植的农田，地址位于云南省个旧市鸡街镇乍甸牛奶小镇附近，海拔1362m，面积约1hm2。

试验检测了试验地0～20cm耕作层土壤样品，其土壤基本理化性质pH为7.35～8.22，总Cd镉、总As的含量分别为1.43～3.75mg·kg-1、95.7～146mg·kg-1，参照国家《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB/15618-2018)，土壤中的Cd超筛选值1.43～3.75倍，超管制值0.01～0.25倍；As超筛选值2.83～4.84倍，超管制值0.07～0.46倍。

供试牧草品种26个，见表1，均为云南省广泛种植的牧草品种，购自云南省及国内各种子供应商。

表1 供试牧草品种

1.2 试验设计

以26个牧草品种为供试材料，采用随机播种的方法进行种植，每种牧草设3次重复，共78个小区，种植区块随机布置，每个小区面积15m2(3m×5m)，小区间隔0.3m，区组间隔1.0m，同时在试验区四周设置2m保护带，种植一年生黑麦草，以消除边际效应。

试验于2019年10月15—17日整地和划分小区，10月19日完成牧草种植。播种前施“肥力”复合肥(15-15-15，总养分I>45%)做基肥，施用量50kg·667m-2；拔节期追施尿素，施用量50kg·667m-2。种植后按大田常规操作持续进行牧草田间管理。2020年4月3—8日，完成试验区样品采集，开展样品检测分析。

1.3 样品采集与分析

牧草种植前和牧草收获后(以小区为取样单元)分别采用梅花型五点取样法采集耕层0～20cm土壤样品。土壤中Cd全量检测方法采用《土壤质量铅、镉的测定石墨炉原子吸收分光光度法(GB/T17141-1997)》，土壤中As全量检测方法采用《土壤质量总汞、总砷、总铅的测定 原子荧光法 第2部分土壤中总砷的测定(GB/T22105.2-2008)》；土壤中Cd、As有效态按《土壤中重金属可提取态(有机态)测试方法研究》(环境保护部南京环境科学研究所)中的氯化钙法(0.01mol·L-1氯化钙溶液提取)测定，消解液和提取液中As、Cd含量采用ICP-MS和原子荧光进行测定。

牧草生长期间观察各作物生育期、生长特性；收获季节按对应的位置选取正常长势且均匀的牧草，每个小区收取3m2样品，测定生物量或产量，同时测定牧草中重金属含量。采集牧草植株样品整体(根、茎、叶部分),将样品用清水洗净后晾干，放入烘箱80℃(12h)，在干燥器中冷却到室温后用天平测干重(精确到0.01g)为生物量(g/株)。在105℃烘箱中杀青30min，再调至80℃烘24h至样品完全烘干，粉碎，过100目筛，待测。牧草中As、Cd含量测定：硝酸-高氯酸消解植物样品后，用火焰原子吸收分光光度计对植物样品重金属含量进行测定。

1.4 数据处理

所有数据的平均值、标准差等常规分析采用Microsoft Excel 2016软件处理；数据的方差分析、相关性分析及聚类分析等数据相关性分析采用IBM SPSS 25.0软件。

由于试验区种植的牧草用作奶牛饲料，所以牧草中Cd、As的参考《饲料卫生标准》(GB13078-2017)中重金属As、Cd在饲料中的限量值作为评价标准值来评价牧草中各重金属含量状况。

牧草富集系数(BCF)=牧草地上部分重金属含量(mg·kg-1)/土壤相应元素含量(mg·kg-1)

茎叶转运系数(TF)=茎叶重金属含量(mg·kg-1)/根中相应元素含量(mg·kg-1)

采用牧草富集系数(BCF)来反映牧草对土壤重金属的吸收累积能力，富集系数越大表明牧草对重金属的吸收能力越强。采用牧草茎叶转运系数(TF)用于表征重金属通过牧草根部向地上部分不同器官转运的能力，转运系数越大表明重金属从牧草根系向地上部器官转运能力越强，或在牧草器官之间的转运能力越强。若重金属元素的富集系数<1.0，同时作物对重金属元素的转运系数<1.0，即地上部重金属含量与根部重金属含量的比值<1.0，即为低累积牧草。

2 结果与分析

2.1 牧草生长及产量差异分析

在土壤相同Cd-As污染复合胁迫下，不同牧草品种的生长情况、产量差异显著(P<0.05)。

由表2可知，26个牧草品种的产量范围为1.71～19.11t·667m-2，平均产量8.90t·667m-2，产量排名前3的分别是19号牧草、17号牧草和16号牧草，产量顺序为19号牧草(巨菌草“绿舟一号”，产量19.11t·667m-2)>17号牧草(皇竹草，产量17.57t·667m-2)>16号牧草(象草，产量14.77t·667m-2)。受季节因素影响，26个牧草品种的667m2产量属于正常产量水平；其中，多年生牧草的667m2产量大都低于常规产量水平，多年生牧草种植后首先经历新苗营养生长期，根系尚未发育完全，667m2产量偏低且差异显著(P<0.05)。在一定的气候土壤条件下，多年生牧草在第2年返青后的生长高度和产量有一定幅度增加。按照本试验结果，巨菌草、皇竹草、甜象草、王草、高丹草、玉米草、苏丹草、饲用高粱等牧草，可划分为试验区高产量牧草。

表2 牧草产量统计

2.2 牧草根、茎叶中Cd、As含量差异分析

由表3可知，26个牧草品种在相同重金属Cd-As污染的复合胁迫下，各器官中Cd、As含量差异显著(P<0.05)。

表3 不同牧草品种根、茎叶中重金属Cd、As含量及茎叶达标率

Cd在试验牧草体内的分配规律，除6种牧草为茎叶>根部外(苇状羊茅、紫花苜蓿、菊苣、小冠花、提摩西、苦荬草)，其余20种牧草Cd在其体内的分配规律为根>茎叶。牧草茎叶中Cd含量范围为0.09～2.45mg·kg-1，平均值为0.69mg·kg-1；牧草根部Cd含量范围为0.24～5.89mg·kg-1，平均值为1.69mg·kg-1。在重金属Cd-As复合胁迫下，参试牧草中有5个品种茎叶中的Cd含量超过了《饲料卫生标准》(GB13078-2017)，占所有供试品种的19.23%，超标率33.33%～100%。其余21个品种的茎叶中的Cd含量达标，占所有供试品种的80.77%。

As在试验牧草体内的分配规律，除7种牧草为根部>茎叶外(苏丹草“12SU9003”、紫花苜蓿、王草、菊苣、小冠花、苦荬草、紫云英)，其余19种牧草As在其体内的分配规律为茎叶>根。牧草茎叶中As含量范围为0.06～12.6mg·kg-1，平均值为3.98mg·kg-1；牧草根部As含量范围为0.18～23.19mg·kg-1，平均值为5.56mg·kg-1。在重金属As-As复合胁迫下，参试牧草中有13个品种茎叶中的As含量超过了《饲料卫生标准》(GB13078-2017)，占所有供试品种的50%，超标率33.33%～100%。其余13个品种的茎叶中的As含量达标，占所有供试品种的50%。

2.3 牧草中Cd、As累积与转运的差异分析

由表4中富集系数可知，Cd-As复合胁迫条件下，26个牧草品种对土壤中Cd和As的吸收和累积存在显著差异(P<0.05)。26个牧草品种对重金属Cd的富集系数为0.039～1.061，平均值为0.303。其中，“冬牧70”的富集系数>1，说明其对土壤中重金属Cd的吸收能力较强。其余参试牧草Cd的富集系数均<1，说明其余牧草对土壤中重金属Cd的吸收能力较弱。牧草对As的富集系数为0.005～0.110，平均值为0.035，均<1，说明所有参试牧草对土壤中重金属As的吸收能力较弱。

表4 不同牧草品种Cd、As的富集系数(BCF)与转运系数(TF)

续表 不同牧草品种Cd、As的富集系数(BCF)与转运系数(TF)

牧草茎叶中Cd、As含量的变化特征与牧草不同部位重金属的转运、迁移能力有关。因此，在初步了解各牧草品种对Cd、As累积程度的基础上，通过转运系数进一步考查Cd、As由根向茎叶转运能力的差异。由表4中转运系数可知，Cd-As复合胁迫条件下，26个牧草品种将Cd、As由根部向茎叶转运的能力存在显著差异(P<0.05)。牧草对Cd的茎叶转运系数为0.030～2.846，平均值为0.681。其中，紫花苜蓿、菊苣、小冠花、提摩西和苦荬草的Cd茎叶转运系数>1，说明这5个牧草品种的Cd茎叶转运能力均较强；其余21个牧草品种的Cd茎叶转运系数均<1，说明Cd茎叶转运能力均较弱。牧草对As的茎叶转运系数为0.260～7.712，平均值为1.439。其中，苏丹草“12SU9003”、紫花苜蓿、王草、菊苣、小冠花、苦荬草、紫云英的As茎叶转运系数>1，说明这7个牧草品种的As茎叶转运能力均较强；其余19个牧草品种的As茎叶转运系数均<1，说明As茎叶转运能力均较弱。

2.4 牧草中Cd、As含量的聚类分析

为了区分不同牧草品种的茎叶部分对Cd、As的累积能力，从而筛选出具有Cd、As低累积潜力的牧草品种，对26个牧草品种的茎叶中的Cd、As含量分别进行聚类分析，结果见图1、图2。参试牧草均种植在同一田间试验小区，生长环境一致，环境对牧草吸收Cd、As的影响也一致，因此不同牧草品种茎叶中的Cd、As含量的差异主要来自其对Cd、As的吸收、转运及累积能力。

图1 不同牧草品种茎叶中的Cd含量聚类分析

图2 不同牧草品种茎叶中的As含量聚类分析

根据图1分析，可将参试的26个牧草品种的地上部分对Cd的累积差异划分为3类，光叶紫花苕“洪章”为第1类，代表地上部分的Cd含量较高，为Cd高累积类群，其茎叶中Cd含量为2.45mg·kg-1，超过国家饲料卫生标准(≤1mg·kg-1)；饲用高粱“12FS9011”、苏丹草“12US9004”和苇状羊茅为第2类，地上部分的Cd含量处于中等水平，变化范围为1.23～1.40mg·kg-1，超过国家饲料卫生标准(≤1mg·kg-1)，为Cd中等累积类群；其余22种牧草为第3类，地上部分的Cd含量变化范围为0.09～0.83mg·kg-1，属于Cd低等累积类群。

根据图2分析，可将参试的26个牧草品种的地上部分对As的累积差异划分为5类，光叶紫花苕和紫云英为第1类，苇状羊茅和小冠花为第2类，代表地上部分的As含量较高，为Cd高累积类群，第1类和第2类茎叶中As含量的变化范围分别为11.45～12.60mg·kg-1和8.70～9.60mg·kg-1，超过国家饲料卫生标准(≤4mg·kg-1)；多年生黑麦草、紫花苜蓿和毛苕子为第3类，地上部分的As含量处于中等水平，变化范围为4.77～6.13mg·kg-1，超过国家饲料卫生标准(≤4mg·kg-1)，为As中等累积类群牧草；饲用高粱“12FS9011”、苏丹草“12SU9003”、苏丹草“12US9004”、高丹草“12SU9001”和提摩西为第4类，地上部分的As含量处于中等水平，变化范围分别为3.14～4.10mg·kg-1，为As中等累积类群牧草；其余14种牧草品种为第5类，地上部分茎叶的As含量变化范围为0.60～2.53mg·kg-1，符合国家饲料卫生标准(≤4mg·kg-1)，属于Cd低等累积类群。

2.5 低富集牧草品种分析

重金属通过根表皮从土壤溶液中进入植物体内，通过共质体途径和质外体途径进入木质部并被转运到地上部[11]。作物吸收重金属，主要取决于作物本身的遗传因素及外界的环境条件[12]。

本试验在Cd、As的含量分别为1.43～3.75mg·kg-1、95.7～146mg·kg-1的污染农田中进行，旨在探讨不同牧草品种对Cd、As积累与转运的潜力差异，筛选低累积牧草。结果表明，参试的26个牧草品种的生物量、产量，根和茎叶中Cd、As含量，富集系数(BCF)和转运系数(TF)均存在一定差异。目前，牧草这些方面的研究颇少，但与玉米等其它作物的研究结果一致(刘维涛[10]、杜彩艳[14]等)，主要原因在于牧草品种本身的遗传背景差异，以及不同品种牧草对重金属Cd、As复合胁迫下的不同吸收和转运机制，即不同的耐性差异。

本试验条件下，参试的26个牧草品种的Cd、As富集系数分别为0.039～1.061、0.005～0.110，见表4。其中，“冬牧70”的富集系数>1，说明其对土壤中重金属Cd的吸收能力较强；其余参试牧草Cd的富集系数均<1，说明其余牧草对土壤中重金属Cd的吸收能力较弱；所有参试牧草对As的富集系数均<1，即As的吸收能力较弱。

本试验条件下，参试的26个牧草品种的Cd、As的茎叶转运系数分别为0.030～2.846、0.260～7.712，见表4。其中，紫花苜蓿、菊苣、小冠花、提摩西和苦荬草的Cd茎叶转运系数>1，Cd茎叶转运能力均较强；其余21个牧草品种的Cd茎叶转运系数均<1，Cd茎叶转运能力均较弱。苏丹草“12SU9003”、紫花苜蓿、王草、菊苣、小冠花、苦荬草、紫云英的As茎叶转运系数>1，As茎叶转运能力均较强；其余19个牧草品种的As茎叶转运系数均<1，As茎叶转运能力均较弱。茎叶转运系数越小，说明植物所吸收的重金属从根部向地上部分茎叶中转移的量就越少，相应进入饲料的比例就减少，从而保证农作物的饲用安全。

本试验表明，6种试验牧草(苇状羊茅、紫花苜蓿、菊苣、小冠花、提摩西、苦荬草)的Cd在体内的分配规律为茎叶>根部，另20种为根>茎叶；7种试验牧草(苏丹草“12SU9003”、紫花苜蓿、王草、菊苣、小冠花、苦荬草、紫云英)的As在体内的分配规律为根部>茎叶，另19种为茎叶>根。这与以往的试验研究相似(吴传星[15]、薛欢[16])，不同牧草品种不同器官重金属含量的分配规律有所差异，其原因可能与供试品种、重金属类型和种植土壤等不同有关[7]。本试验条件下，5个参试牧草品种茎叶中的Cd含量超过国家饲料卫生标准(≤1mg·kg-1)，13个品种茎叶中的As含量超过国家饲料卫生标准(≤4mg·kg-1)。

目前，国内关于重金属低积累作物的筛选、应用及其积累重金属机理方面的研究不少，如“低积累品种”、“重金属排异品种”、“污染预防/对策品种”等[13]，这些概念均体现了重金属低积累作物的主要特征，即在污染环境中生长时其可食部分重金属含量明显低于国家规定的食品或饲料卫生标准，能够满足农业安全生产的需求[17]。

据此，本试验在优先考虑《饲料卫生标准》(GB13078-2017)重金属元素限值要求的前提下，考虑产量较高且茎叶对Cd、As富集能力和转运能力均较低的牧草品种作为Cd、As低累积牧草品种。

本试验结果显示，编号为1、2、7、13、14、15、16、17、19、22、24的牧草品种对Cd、As的耐性较强，对Cd、As富集能力和转运能力较弱，茎叶中Cd、As含量范围分别为0.09～0.83mg·kg-1、0.90～2.53mg·kg-1，均没有超过国家饲料卫生标准(Cd≤1mg·kg-1，As≤4mg·kg-1)；通过聚类分析可知，均属于Cd、As低积累类群牧草。然而，牧草种植存在一定的惯性，农户一般会选择常年种植的品种，或者从高产的角度选择种植品种[14]。14、22、24号牧草不属于高产牧草，同时13号牧草在个旧种植较少，不推荐；1、2、7、号牧草的Cd、As含量较高，接近《饲料卫生标准》(GB13078-2017)限值，故不推荐。此外，牧草的Cd、As低积累特性也受多种因素的影响，实际推广中，应充分考虑土壤类型和污染程度等。

因此，本试验筛选出巨菌草“绿舟一号”、皇竹草“12SU9005”、甜象草“彩虹”、玉米草“优-12”作为产量较高且茎叶具有低积累Cd、As潜力性状的牧草品种。

3 结论

Cd-As复合污染条件下，26个牧草品种的产量存在显著差异(P<0.05)。

26个牧草品种各器官吸收、积累Cd、As的能力存在明显的差异(P<0.05)。Cd在6种试验牧草体内的分配规律为茎叶>根部，另20种为根>茎叶；As在7种试验牧草体内的分配规律为根部>茎叶，另19种为茎叶>根。

26个牧草品种茎叶转运Cd、As的能力差异显著(P<0.05)，5个牧草品种Cd茎叶转运系数>1，21个牧草品种的Cd茎叶转运系数<1；7个牧草品种的As茎叶转运系数>1，19个牧草品种的As茎叶转运系数<1。

26个牧草品种茎叶中Cd、As含量存在显著差异。其中，饲用高粱“12FS9003”、饲用高粱“13FB7001”、苏丹草“12SU9003”、高丹草“12SU9001”、高丹草“超级唐王”、菊苣“大满贯”、鸭茅草“德娜塔”、玉米草“优-12”、甜象草“彩虹”、皇竹草“12SU9005”、巨菌草“绿舟一号”、狼尾草“御谷”、苦荬草“超胜”13个牧草品种茎叶中Cd、As含量符合国家饲料卫生标准(Cd≤1mg·kg-1，As≤4mg·kg-1)；Cd含量最低的是狼尾草“御谷”，为0.09mg·kg-1；As含量最低的是皇竹草“12SU9005”，为0.60mg·kg-1。

根据参试牧草产量、茎叶中Cd、As含量、富集系数、转运系数、聚类分析等指标综合评价，最终认为巨菌草“绿舟一号”、皇竹草“12SU9005”、甜象草“彩虹”、玉米草“优-12”为具有低积累Cd、As的潜力的牧草品种，可在个旧Cd、As轻度和中度土壤污染区推广种植。