低镉高产春小麦品种筛选及富集转运特征分析

马凤仪，马立超，赵宝平*，王永宁，鲁瑞英，郭晓宇，陈淼，刘景辉

（1.内蒙古农业大学农学院，呼和浩特 010019；2.内蒙古农牧业生态与资源保护中心，呼和浩特 010000；3.巴彦淖尔市耕地质量监测保护中心，巴彦淖尔 015000；4.乌拉特后旗农村牧区生态能源环保站，巴彦淖尔 015000）

近年来，随着工农业的迅速发展，工业“三废”和农事操作不当导致农田重金属污染等环境问题凸显，粮食安全问题也受到广泛关注[1-2]。重金属Cd在所有无机污染物中超标率最高[3]，农田Cd可以通过土壤转移积累到作物的可食部位，降低作物品质进而威胁人体健康[4]，减少作物可食部位Cd 积累量、保证作物安全生产已成为环境科学领域关注的重点[5]。目前，筛选重金属低积累品种是解决农作物中重金属超标的重要途径之一[6]。

不同作物对重金属的吸收、累积存在种间和种内差异[7]。诸多学者通过不同评价指标已对水稻[8]、小麦[9]、玉米[10]等作物重金属低积累品种的吸收累积特征进行了大量研究，其中，小麦对Cd具有较强的富集能力[11]。目前，有关冬小麦Cd 低积累品种筛选的研究很多，明毅等[12]通过大田试验和土培试验相结合的方式，从所选用的139 份小麦材料中筛选籽粒Cd 低积累且高产型品种，获取了4 份具有稳定的籽粒Cd低积累且高产特性的小麦材料。

本试验广泛收集春小麦主产区主推的优质小麦品种，在内蒙古河套灌区Cd污染农田连续开展2 a大田试验，进行籽粒Cd低积累且高产春小麦品种筛选，并分析不同类型春小麦各器官Cd 富集系数、Cd 从各器官到籽粒的转运系数与产量的相关性差异，旨在为Cd污染农田的安全生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2020年和2021年在内蒙古河套灌区某地进行，地处温带，属高原大陆性气候，年平均气温14.3 ℃，试验地土壤为碱性棕钙土。供试区由于有色金属矿山开采导致土壤重金属Cd 超标，土壤Cd 含量2020 年为1.5 mg·kg-1、2021 年为1.2 mg·kg-1，基本理化性质如表1所示。

表1 大田试验供试土壤理化性质Table 1 The physical and chemical properties of the field experiment tested soil

1.2 供试材料与试验设计

供试春小麦品种21 个：农麦2 号、农麦4 号、农麦5号由内蒙古自治区农牧业科学院提供；丰强6号、丰强9 号、丰强10 号、丰强11 号、吉春12 号由吉林省农业科学院提供；巴麦6 号、巴麦12 号、巴麦13 号、巴麦15 号、巴麦22 号由巴彦淖尔市农业科学院提供；M7723、EM604、PJ627、H3015、宁2038、宁春4 号、宁春50 号、宁春57 号由宁夏回族自治区农业科学院提供。试验品种编号详见表2。

表2 试验供试品种编号Table 2 Tested variety number

试验采用随机区组设计，小区面积为3.6 m×6 m=21.6 m2，行距15 cm，播种密度4×106株·hm-2（基本苗），重复3 次；机器开沟，人工播种，2020 年于3 月19日播种，2021 年于3 月21 日播种；种肥磷酸二铵（N 18%、P2O546%）25 kg·hm-2，复 合 肥（N 16%、P2O516%、K2O 16%）15 kg·hm-2，拔节期追施尿素40 kg·hm-2，整个生育期灌水3次，其他种植管理方式按照当地常规习惯种植。

1.3 样品采集与处理

1.3.1 土壤样品采集与处理

于成熟期取土样，每品种小区按照5点取样，取耕层30 cm的根际土壤，剔除土壤中的非土壤成分，在室内自然风干后分别过2 mm和0.15 mm土筛后备用。

1.3.2 植物样品采集与处理

各小区春小麦收获时，按照3 点取样，各采集20 cm 整株春小麦，将其分为根（根系先后用自来水、去离子水洗涤）、茎秆、叶、颖壳和籽粒样品，分别混合后按照四分法留取样品，105 ℃杀青30 min，85 ℃烘至恒量，用粉碎机磨碎后过0.15 mm筛待用。

1.4 测定指标与方法

1.4.1 样品Cd含量测定

（1）使用微波消解-石墨炉原子吸收分光光度法测定土壤样品Cd全量[13]。

称取0.20 g 过100 目筛的土壤样品，放入与微波消解仪配套的消解管中，采用三酸消解体系，依次放入4 mL HNO3、2 mL HCl、2 mL HF，浸泡过夜，加盖密封后放入仪器中，每个样品5 个平行，同时做空白实验。反应分为3个阶段，第1阶段：120 ℃，40 min；第2阶段：150 ℃，5 min；第3阶段：185 ℃，20 min。消解结束后冷却1 h，在通风橱中赶酸至近干，定容至50 mL，过滤。消解后样品Cd浓度用石墨炉原子吸收分光光度计测定。

（2）使用微波消解-石墨炉原子吸收分光光度法测定植物样品的Cd含量[14]。

称取0.500 0 g干燥样品，放入与微波消解仪配套的消解管中，依次放入7 mL HNO3，2 mL H2O2，浸泡过夜，加盖密封后放入仪器中，每个样品3 个平行，同时做空白实验。反应分为3 个阶段，第1 阶段：120 ℃，10 min；第2 阶段：150 ℃，10 min；第3 阶段：185 ℃，30 min。消解结束后冷却1 h，在通风橱中赶酸至近干，定容至25 mL，过滤。消解后样品Cd浓度用石墨炉原子吸收分光光度计测定。

1.4.2 不同品种春小麦产量的测定

成熟后在每一品种小区随机选1 m2收割穗头，脱粒晒干后测定质量，即1 m2产量。

1.5 数据处理

式中：EDI为重金属膳食暴露量；THQ为标靶危害系数，可用于评估人体通过食物摄取重金属的风险，当THQ≤1.0时，认为人体负荷的重金属对人体健康造成的影响不明显；C为小麦籽粒中重金属含量，μg·kg-1；FIR为每人每日谷物摄入量，g·人-1·d-1；EF为暴露频率，取365 d·a-1；ED为暴露年限，取70 a；Bw为成人的平均体质量，取65 kg·人-1；AT为生命期望值，取70 a；365 为转化系数；RfD为消化食物的比率，μg·kg·d-1。有研究[12]指出，成年人平均每天的谷类食物食用量为261.1 g·人-1·d-1；根据美国整合风险信息系统，Cd 的RfD为1.0 μg·kg-1·d-1。

采用Excel 2019 进行一般数据统计，采用SPSS 25.0 统计软件进行单因素方差分析（ANOVA），采用最小显著差异法（LSD）进行不同处理均值的差异显著性比较，采用系统聚类法对不同品种进行聚类分析；采用Excel 2019软件进行图形处理。

2 结果分析

2.1 不同品种春小麦各器官Cd含量及籽粒Cd安全风险评价

2.1.1 各器官Cd含量及籽粒Cd含量聚类分析

不同品种春小麦根、茎、叶、颖壳和籽粒Cd 含量如表3 所示。2020、2021 两年试验结果综合表明，不同品种春小麦各器官Cd含量总体趋势为根>叶>颖壳≈茎>籽粒；X10 籽粒Cd 含量在两年试验中均符合国家食品安全标准值0.1 mg·kg-1（GB 2715—2016）；籽粒Cd含量在2020年超标率为95.24%，2021年超标率为52.38%。

表3 不同品种春小麦各器官Cd含量（mg·kg-1）Table 3 Cd content in each organ of spring wheat of different varieties（mg·kg-1）

将2020 年和2021 年不同品种春小麦籽粒的Cd含量进行综合聚类分析，可分为3 类，即高Cd 积累型、中Cd积累型和低Cd积累型。如图1所示，具有籽粒Cd低积累特性的品种有X4、X7、X8、X9、X10、X16、X17、X18、X19、X20、X21，占总品种数的52.38%；具有籽粒Cd 中积累特性的品种有X1、X2、X3、X5、X6、X11、X12、X13、X15，占总品种数的42.86%；具有籽粒Cd高积累特性的品种为X14，占总品种数的4.76%。

图1 不同春小麦品种籽粒Cd积累能力聚类分析Figure 1 Cluster analysis of Cd accumulation ability in different spring wheat varieties

2.1.2 籽粒Cd安全风险评价

不同品种春小麦标靶危害系数如图2 所示。2020 年THQ值介于0.310~1.288 之间，2021 年THQ值介于0.326~1.982之间。X3~X11、X13、X16~X21等16个春小麦品种在两年试验中THQ均小于1。

图2 不同品种春小麦标靶危害系数Figure 2 Target hazard coefficients of different varieties of spring wheat

2.2 不同品种春小麦产量

2.2.1 产量聚类分析

在相同Cd污染环境下不同品种春小麦产量如图3 所示，不同品种春小麦产量存在显著差异。2020 年X4 产量最高，X14 最低；X4 较其他品种高7.89%~381.4%。2021 年X7 产量最高，X12 最低；X7 较其他品种高2.26%~332.31%。2020 和2021 两年数据综合表明，X12 产量受Cd 胁迫影响较大；X4 和X7 受Cd 胁迫影响较小，产量较高且稳定。

图3 不同品种春小麦产量Figure 3 Yield of different varieties of spring wheat

将2020年和2021年不同品种春小麦产量进行综合聚类分析（图4），可分为2 类，即高产和低产。其中，高产春小麦有X1~X8、X10、X13、X15~X21 等17个品种，占供试品种的80.95%；低产春小麦有X9、X11、X12、X14等4个品种，占供试品种的19.05%。

图4 不同品种春小麦产量聚类分析Figure 4 Cluster analysis of spring wheat yield of different varieties

2.2.2 不同Cd积累能力春小麦品种产量分析

通过不同品种春小麦籽粒Cd含量和产量的聚类分析（图1、图4）可得到以下5个类型（表4）：高产低Cd品种X4、X6~X8、X10、X16~X21等11个，占供试品种的52.38%；高产中Cd 品种X1~X3、X5、X13、X15 等6 个，占供试品种的28.57%。低产低Cd品种X9，占供试品种的4.76%；低产中Cd 品种X11、X12，占供试品种的9.52%；低产高Cd品种X14，占供试品种的4.76%。

表4 不同类型春小麦品种分类Table 4 Different types of spring wheat

2.3 不同类型春小麦Cd富集特征差异

2.3.1 对Cd的富集特征

分组统计春小麦各器官的富集系数，结果如图5所示。在两年试验中，土壤Cd 进入不同类型春小麦品种植株后主要集中在根部，低产中Cd 春小麦根中Cd 含量综合表现为最高；2020 年高产低Cd 春小麦品种茎中Cd 含量较高产中Cd、低产低Cd、低产中Cd、低产高Cd 类型品种分别显著低35.30%、11.77%、58.82%、17.65%。除低产低Cd和低产高Cd两个类型的春小麦外，其他类型春小麦在两年中的Cd 富集系数均呈现为根>叶>颖壳≈茎>籽粒的规律，且各器官的富集系数均小于1。

图5 不同类型春小麦品种各器官Cd富集系数Figure 5 Cd bioaccumulation factor of various organs of different types of spring wheat

2.3.2 籽粒Cd 富集系数与其他器官Cd 富集系数的相关性

将春小麦籽粒Cd 富集系数与其他器官的Cd 富集系数进行相关性分析，结果如表5 所示。两年数据共同表现为茎的Cd 富集系数与籽粒Cd 的富集系数呈显著正相关关系。

表5 春小麦籽粒Cd富集系数与各器官Cd富集系数的相关性Table 5 Correlation between Cd bioaccumulation factor of spring wheat grains and Cd bioaccumulation factor of various organs

2.4 不同类型春小麦Cd转运特征差异

2.4.1 对Cd的转运特征

分组统计春小麦各器官间Cd 转运系数，结果如图6 所示。综合两年试验结果表明，不同类型春小麦根到茎和根到籽粒的Cd 转运系数均小于1；Cd 从茎到叶的转运系数均值最大，2020 年和2021 年分别为2.83和2.15。

图6 不同类型春小麦品种各器官间Cd转运系数Figure 6 Cd transport factor among organs of different types of spring wheat

低产高Cd 类型春小麦品种Cd 从根、茎、叶、颖壳到籽粒的Cd 转运系数均显著高于高产低Cd 类型春小麦品种（P<0.05），2020 年分别显著高58.82%、21.67%、61.1%、68.97%；2021年分别显著高431.25%、414.03%、300%、356.52%。

2.4.2 籽粒Cd 富集系数与其他器官Cd 转运系数的相关性

将春小麦籽粒Cd 富集系数与其他器官的Cd 转运系数进行相关性分析，结果如表6 所示。两年数据共同表现为Cd 从根、茎、叶、颖壳到籽粒的Cd 转运系数与籽粒Cd的富集系数呈显著正相关关系。

表6 春小麦籽粒Cd富集系数与各器官Cd转运系数的相关性Table 6 Correlation between Cd bioaccumulation factor of wheat grains and Cd transport factor of various organs

3 讨论

筛选和培育具有低Cd积累特性的作物品种是使Cd 污染土壤得到持续安全生产且经济、有效的途径之一[16]。低Cd 积累作物的评价基本采用籽粒Cd 含量、转移系数或富集系数等对材料进行初步聚类分析以确定材料的类型，选择作物可食部位吸收Cd 含量或关键指标进行评价，可较好地体现出相同作物不同品种间对Cd的吸收差异[17]。本研究所选的21个春小麦品种籽粒Cd 的富集系数在2 期大田试验中均小于1，说明供试品种对Cd 均具较高的耐受性。李乐乐等[18]根据国家标准（GB 2715—2016）以及聚类分析、标靶危害系数、富集系数和转运系数筛选出了16 个可在中轻度Cd污染农田推广种植的小麦品种。本研究对21 个春小麦品种进行低Cd 积累品种筛选的基础上结合产量，筛选出了11 个可在Cd 污染农田进行推广种植的具有低Cd高产特性的春小麦品种。明毅等[12]通过籽粒Cd 含量和产量进行综合聚类分析，获得了同时具有低Cd且高产特性的小麦品种。本研究在2 期大田试验中，通过结合籽粒Cd 含量、籽粒产量和标靶危害系数筛选出了11 个低Cd 高产的春小麦品种，丰强10 号（X8）、EM604（X17）、宁春50 号（X19）、H3015（X20）虽籽粒Cd 含量超过了国家食品安全标准值，但这4个品种标靶危害系数值均小于1，人体摄入后对人体健康不会造成明显影响。因此，从经济收益和粮食安全角度，可考虑将筛选出的Cd低积累且高产的春小麦品种在轻度Cd污染农田进行推广种植，使受污染农田得到安全利用的同时增加收益。

土壤中的Cd离子通过质外体或共质体途径进入植物根系，根系是Cd 进入植物体内的首要门户，是Cd 的主要积累器官。籽粒中Cd 含量取决于地上部各器官Cd 的吸收、运输[19]，同种作物不同类型间Cd吸收转运存在差异[20-22]。本研究发现，不同类型春小麦品种各器官中根部的Cd 富集系数最大、籽粒Cd 富集系数最小，这表明大量的Cd都被根固定吸收，这与刘畅等[22]和辛艳卫等[20]、邓婷等[23]在高、低Cd 积累冬小麦和玉米品种各器官Cd 含量差异研究结果一致。在不同类型春小麦品种籽粒Cd富集系数与其他器官Cd 富集系数的相关性分析中，茎的Cd 富集系数与籽粒Cd 富集系数呈显著的正相关关系，这与胡莹等[24]研究结果一致。对各类型春小麦根的Cd富集系数进行对比发现，在2020年试验中低产中Cd和低产高Cd类型的春小麦茎的Cd 富集系数与高产低Cd 类型间春小麦茎的Cd富集系数呈显著差异，蔡秋玲等[8]研究结果中，低产高Cd 春小麦和低产低Cd 春小麦的Cd富集系数之间有显著差异，且该研究发现不同产量和富集能力的水稻类型的差异主要在于茎和叶的富集与转移。本研究两年试验结果表明，低产中Cd 类型的春小麦品种和高产低Cd 类型春小麦茎部Cd 富集系数存在差异。

Cd 转运系数是评价Cd 在植物体内的分配情况及植物对Cd 转运能力的重要指标[25]。地上部的转运主要经历的过程包括Cd 离子进入木质部、木质部的转运及韧皮部的输送。前人研究表明，籽粒中Cd 含量的差异取决于根和茎叶中Cd从穗轴向颖壳和籽粒的转运与再分配[19]，茎是地上部Cd 转运的主要通道[26]。本研究结果表明，在2 期大田试验中，各器官到籽粒的Cd 转运系数中，Cd 由茎和颖壳向籽粒的转移能力均较根和叶向籽粒的转运能力强，其中，低产高Cd 春小麦品种Cd 从茎到籽粒的转运系数显著高于其他类型品种；各器官Cd 转运系数中Cd 由茎到叶的转运系数最大，其中，高产低Cd 类型春小麦品种Cd 由茎到叶的转运系数较其他类型高0.45~1.52 倍，这与蔡秋玲等[8]的研究结果一致，与其研究结果不同的是，本研究结果中Cd 从叶到颖壳和叶到籽粒的转运系数较其他类型春小麦品种小。综上结果分析表明，高产低Cd 类型的春小麦品种大量的Cd 被截留在叶中。在相关性分析中，Cd 从各器官到籽粒的Cd 转运系数均与籽粒Cd 的富集系数呈正相关关系，在2021 年低产高Cd 类型各器官到籽粒的Cd 转运系数较其他类型品种高，而2期试验结果表现并不稳定。

从本研究结果可见，高产低Cd 和低产高Cd 两个类型的春小麦品种的差异在于Cd 在茎中的富集和Cd 由根、茎、叶、颖壳到籽粒的转运，由此在生产过程中采取有效阻控措施控制根对Cd的吸收及向地上各器官的转运均可能降低籽粒中Cd含量。

4 结论

（1）不同类型春小麦品种各器官Cd 含量及Cd 富集系数总体表现为根>叶>颖壳≈茎>籽粒的规律，且各器官的富集系数均小于1；高产低Cd类型春小麦品种和低产高Cd类型春小麦品种的主要差异在于Cd在茎的富集和Cd从根、茎、叶、颖壳到籽粒的转运。

（2）X4、X6~X8、X10、X16~X21 等11 个品种标靶危害系数均小于1，且同时具有低Cd 高产特性，可优先考虑在Cd污染农田进行推广种植。