大理云龙地区玉米对重金属累积与转运的品种差异研究

字晓 段艳涛 张顺仁 杨献清 和培铖

摘要  在对沘江流域（云龙段）常年水稻种植区受污染耕地现状调查的基础上，进行当地主栽玉米品种筛选试验，通过检测玉米食用部分重金属含量，结合各参选品种产量，筛选出适宜于当地种植区、产量稳定、能安全利用的玉米品种，为大理云龙县沘江流域受污染耕地安全利用和调整修复治理提供技术支撑。结果显示，在试验地块的土壤铅、镉重金属污染背景下（铅含量310 mg/kg，镉含量 9.29 mg/kg），4个受试玉米品种中，红单6号、路单12号籽粒符合食品安全标准，会单4号、云瑞8号籽粒不符合食品安全标准，4个品种茎叶饲用均不合格。各品种实际产量由高到低依次为路单12号、红单6号、云瑞8号、会单4号，再结合植株体内转移系数反映出的植株器官累积重金属元素特点，籽粒安全利用应首推路单12号。

关键词  重金属；低积累玉米品种；食品安全；云龙地区

中图分类号  S513   文献标识码  A   文章编号  0517-6611（2023）05-0026-05

doi： 10.3969/j.issn.0517-6611.2023.05.007

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Study on Variety Differences of Heavy Metal Accumulation and Transport in Maize in Yunlong Area of Dali

ZI Xiao， DUAN Yan-tao， ZHANG Shun-ren et al

（Dali Academy of Agricultural Sciences， Dali， Yunnan 671005）

Abstract  Based on the investigation of the current situation of polluted cultivated land in the perennial rice planting area of the Bijiang River Basin （Yunlong section）， the screening test of locally cultivated maize varieties was carried out. By detecting the content of heavy metals in the edible part of maize and combining the yield of each candidate variety， the maize varieties suitable for the local planting area， stable yield and safe utilization were selected， which provided technical support for the safe use， adjustment， restoration and treatment of polluted cultivated land in the Bijiang River Basin of Yunlong County， Dali. The test results showed that under the background of heavy metal pollution of lead and cadmium in the soil of the test plot （lead content 310 mg/kg and cadmium content 9.29 mg/kg）， the grains of Hongdan 6 and Ludan 12 met the food safety standards， but the grains of Huidan 4 and Yunrui 8 did not meet the food safety standards， and the stems and leaves of the four varieties were unqualified. The actual yields of four varieties were in the order of Ludan 12 > Hongdan 6 > Yunrui 8 > Huidan 4. Combined with the characteristics of heavy metal accumulation in plant organs reflected by the transfer coefficient in plant， Ludan 12 was the first one for safe utilization of grains.

Key words  Heavy metals elements;Low accumulation maize varieties;Food safety;Yunlong area

土壤是农业生态系统的基础，是“舌尖上安全”的根本保证，是经济社会可持续发展的物质基础，关系到人民群众的身体健康。当前，我国土壤环境总体状况堪忧，部分地区污染较为严重，农业部农产品污染防治重点实验室对全国300 000 hm2基本农田保护区调查显示，重金属超标率达121%，粮食重金属超标率在10%以上［1］。重金屬在土壤中具有隐蔽性、表聚性、不易降解性等特点［2-3］，由于重金属土壤污染问题情况复杂，具有地域性特点，受种植作物类型、方式以及当地气候、土壤类型与污染特征等条件的制约，其修复方法很难做到广适性，多数重金属土壤污染修复实用技术研究需针对当地情况进行［4-7］，目前针对大理州重金属土壤污染研究极为匮乏。大理州云龙县地处滇西澜沧江纵谷区，属于山区地形，可耕种面积小，耕地面积仅占全县土地面积的6.65%，而林地面积占69.8%［8］，沘江流域因为存在河流冲积土，地形较为平整，是宝贵的可种植地，该地长期种植水稻、玉米等粮食作物。该地区的沘江流域（云龙段）曾进行大规模铅锌矿采集［9］，研究发现由于沘江流域（云龙段）水质遭受矿区污染，沘江沿岸农田土壤普遍存在重金属Zn、Cd、Pb污染问题［10-12］，两岸农田长期引江水灌溉，将产生较大环境风险和食品安全隐患。

土壤重金属污染修复主要有5种方法：物理修复法、化学修复法、生物修复法、农业生态修复法和联合修复法。其中，生物修复法的利用前景最好，比物理、化学修复法成本低、处理效果好、操作过程简单、易于大规模推广使用，尤其是使用筛选后的特定植物带走土壤重金属污染物的方法，将富集重金属的植物收获并统一进行回收处理（焚烧、固化加工等）后，即完成了污染治理的整个过程［13-14］。因此，生物修复法（植物修复）最大的难点集中在植株回收处理上，在产业不发达、交通不便的偏远地区，由于缺少配套处理设施，富集了大量重金属的植物无法处理，导致其中的污染物再次回到土壤中，无法起到降低土壤内重金属污染物的作用。另外，植物修复法周期较长，能吸收的重金属元素种类有限，需要使用联合修复法才能全面修复受污染耕地。

鉴于大理云龙地处山区，为高山峡谷相间的破碎复杂地貌形态，山区面积占全县面积的90%，属于偏远山区且工业较不发达［15］，全县主要经济总值来源是农业经济，占45.27%。笔者认为最适合当地耕地安全利用的措施是植物修复法，但考虑到该地区工业不发达，缺少后续处置产业，筛选低积累品种实现食品安全反而是更加快捷、易推广的低成本做法。鉴于此，为使当地稀缺的耕种地得到安全有效利用，笔者在对沘江流域（云龙段）常年玉米种植区受污染耕地现状调查的基础上，进行玉米品种筛选试验，通过检测玉米食用部分重金属含量，结合各参选品种产量，筛选出适宜于种植区、产量稳定、适宜推广的重金属低累积玉米品种，为大理云龙县沘江流域受污染耕地安全利用和修复治理提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地点位于云龙县沘江江畔某村耕地，该田块在当地具有代表性，地势平坦、肥力均匀、排灌方便。该地在丰水期会受到沘江江水冲刷，存在污水污染。经取样检测，试验地块pH为7.2，土壤镉含量为 9.29 mg/kg，汞含量为 0.489 mg/kg，砷含量为16.3 mg/kg，铅含量为310 mg/kg，铬含量为44 mg/kg，属于受镉元素、铅元素污染耕地。

1.2 试验材料

试验采用玉米品种为红单6号、会单4号、云瑞8号、路单12号。

1.3 试验设计

试验设4个处理，处理编号红单6号（A）、会单4号（B）、云瑞8号（C）以及路单12号（D），3次重复，共12个小区；随机区组排列，小区面积24 m2（4 m×6 m）。小区四周均以田埂分隔，田埂作为过道，宽度均为30 cm，高度为25 cm，田埂外面包裹一层塑料薄膜；试验区进出水单进单排，中间设置一条进水沟，外侧设置2条排水沟，一侧一条，宽度30 cm，高度25 cm；试验地四周设保护行，每一边的宽度大于2 m，以消除边际效应。小区布置情况如图1。

播种方式为打塘点播。使用宽窄行种植，宽行距90 cm，窄行距30 cm，塘距40 cm，每塘播种3～5粒，每塘留苗2株。整地、灌溉、施肥、病虫害防治、中耕培土及耕作管理措施与当地生产田相同。

1.4 测定项目及方法

1.4.1

土样采集。试验种植前采集基础土样，按梅花形5点采样法采集1次基础土壤混合样；作物收获后，采集试验小区土壤，各小区按梅花形5点采样法采集1次土壤混合样。土壤采样深度为0～20 cm，采样量2 kg/个。

1.4.2

植株样采集。在作物成熟后进行采样，每个小区选取3行，分别为中间行及两侧第2行，每行选取5株植株，共取15株/区。取样时提前准备好所有样品标签，取样后立即一一对应放置标签，避免出现样品混淆。土壤样品应及时风干；植株样品取回后先用自来水小心洗净根系泥土，再用超纯水清洗，之后晾干表面水分，进行烘干。

1.4.3    指标测定。

土壤检测指标为pH、镉、汞、砷、铅、铬、有效铅、有效镉；农作物（根、茎秆、籽粒）检测指标为镉、汞、砷、铅、铬，样品检测方法见表1。

1.5 评价方法及判定标准

玉米的根（R）、茎叶（SL）和籽粒（G）部位重金属富集系数和转运系数根据公式进行计算，玉米食用部位（籽粒）是否达到安全利用标准按照《食品安全国家标准-食品中污染物限量（GB 2762—2017）》判定，茎叶部位是否达到安全利用标准按照《饲料卫生标准（GB 13078—2017）》判定。

目前，對于重金属富集系数和转移系数还没有明确定义，结合前人研究［6，15-18］，作者认同富集系数等于植物体内重金属浓度与土壤中重金属的浓度之比，该计算方法描述了在某种土壤重金属元素含量条件下植株体内重金属元素的累积情况，一定程度上反映了不同元素在土壤-植株各部位的累积储存能力。转移系数等于植物体2个部位之间的重金属浓度之比，该计算方式可以描述植物体内任意2部位之间的重金属元素累积情况，一定程度上反映了重金属在植物体内不同器官间的转移能力和分配情况。具体到该试验使用的公式为：

根部重金属富集系数（BCFR）=植物根部内重金属含量（mg/kg）/土壤中重金属含量（mg/kg） （1）

根部到茎叶重金属转运系数（TFR-SL）=植物茎叶重金属含量（mg/kg）/植物根部重金属含量（mg/kg） （2）

茎叶到籽粒重金属转运系数（TFSL-G）=植物籽粒重金属含量（mg/kg）/植物茎叶重金属含量（mg/kg） （3）

1.6 数据处理

采用EXCEL 2007、SPSS 21.0、Origin 2019b软件进行数据统计处理。

2 结果与分析

2.1 不同玉米品种的产量及生长情况比较

4个供试玉米品种的产量情况如图2，除会单4号产量显著偏低，其他3个品种产量均无显著性差异，产量最高的路单12号比最低的会单4号高出18.18%，因此从产量上来筛选适合当地的玉米品种，会单4号应可排除。4个供试玉米品种的株高穗位生长情况如图3。由图3可知，4个供试玉米品种的穗位处于整株植株离地约4000%的位置，红单6号和路单12号株高较高，且两者间无显著差异，但与会单4号、云瑞8号间有显著差异；红单6号和路单12号穗位也较高，4个品种之间均存在显著性差异。

2.2 不同玉米品种根、茎叶、籽粒中5种重金属含量比较

4个玉米品种根、茎叶、籽粒中5种重金属含量情况如表2。根据《食品安全国家标准 食品中污染物限量》（GB 2762—2017）中谷物类限量指标，4个玉米品种的籽粒中会单4号、云瑞8号2个品种镉含量超标，分别超标66.7%和1200%。據此判定，在试验地土壤重金属污染条件下，会单4号、云瑞8号籽粒不合格，红单6号、路单12号籽粒合格。根据《饲料卫生标准（GB 13078—2017）》可知，4个供试玉米品种茎叶的Cd含量均超标，会单4号茎叶Cr含量超标。因此，红单6号、路单12号的籽粒可用作食品原料或饲料原料，4个品种的茎叶均不能作为饲料使用。

2.3 不同玉米品种籽粒的5种重金属含量情况及富集系数、转移系数比较

根部重金属富集系数（BCFR）在一定程 度上可以反映植株对重金属的吸收情况，而植株各部位之间的转移系数可反映重金属在植株内部的转运分配情况。该试验的玉米根部5种重金属富集系数（BCFR）及根-茎叶转移系数（TFR-SL）、茎叶-籽粒转移系数（TFSL-G）情况如图4、5、6，品种间富集系数和转移系数的差异情况见表3。从图4可以看出，路单12号Cd根部富集系数为0.613 8，其他3个品种的Cd根部富集系数均大于1，说明该品种根部对Cd的富集能力低于其他3个品种，且差异显著（P<0.05）。所有供试玉米品种Hg、As、Pb、Cr的BCFR均远小于1，表明供试玉米品种对于其余4种重金属元素累积能力均较弱。由图5可知，所有供试玉米品种Hg、As、Pb、Cr的TFR-SL均小于1，Cd的TFR-SL除红单6号小于1外，其他供试品种均大于1，说明5种重金属元素在根部向茎叶转移的过程中，Cd的转运量更大，茎叶部分Cd累积量是根部的1～2倍。由图6可知，所有供试玉米品种Hg、As、Pb、Cr、Cd的TFSL-G均远远小于1，说明经过茎叶部分的大量积累，5种重金属元素转运到籽粒部分的含量都非常少。

结合5种重金属元素在4个供试玉米品种的富集、转运情况看，不同玉米品种各部位对重金属元素的富集和转运能力均不相同，但从该试验目的出发，根部富集能力越强的玉米品种，吸收重金属元素越多，可能会导致整个植株初始吸收量大；根-茎叶转移能力强的玉米品种，可能会将重金属元素富集保存在茎叶部位，不利于玉米作为青贮饲料使用，但一定程度上可以减少茎叶向籽粒的传输量；茎叶-籽粒转移能力越弱的玉米品种，越不容易从茎叶吸收，在籽粒累积重金属元素，有利于保障籽粒食用和饲用安全。

3 讨论

从供试玉米的产量及株高穗位的生长情况来看，株高、穗位较高的2个玉米品种正好在籽粒安全利用判定合格，这也许说明生物量大能够分散重金属元素在植株籽粒部位的累积，使得重金属元素不易传输转运到籽粒部位有关，也可能和玉米茎秆结构特点有关，木质部装载在重金属 Cd 进入植物地上部的过程中具有重要作用［19］。茎秆长使重金属元素在木质部里距离运输较长，其中细胞壁中疏水性的木栓层也减少了金属元素从根部质外体途径到根部木质部的转运效率，从而一定程度降低了重金属元素转运到籽粒的含量［20］。

从供试玉米的富集系数、转移系数来看，不同玉米品种对Hg、As、Pb、Cr、Cd共5种元素的累积、转运能力各不相同，但根到茎叶的转运能力远大于茎叶到籽粒的转运能力，因此重金属元素在籽粒部分的累积含量均较茎叶部大幅降低或未检出。这可能和玉米植株生物量较大，使得重金属元素不易传输转运到籽粒部位有关，也可能和玉米茎秆结构特点有关。低积累植物对重金属的排斥机制通常认为包括2个方面：一是减少根部对重金属的吸收，二是重金属在根部通过区室化保存，限制向地上部转移［21］。经过根部区室化保存和细胞木双层阻隔的特性，使玉米植株吸收的重金属元素易于在根和茎叶中富集，只有少部分转运到籽粒中。

从供试玉米的重金属含量情况来看，云瑞8号和会单4号的籽粒重金属含量不符合国家食品安全标准。这与秦欢等［17，22］的研究结果不同，秦欢等使用的供试土壤Cd仅为101 mg/kg，与该试验地受污染程度相差甚远，且2位作者的研究结论均以富集系数和转移系数筛选低累积品种，缺少对品种食用部分（籽粒）的安全判定，因此作者认为该研究筛选结果更具参考价值。从食品安全利用的角度筛选低累积品种，应优先关注含量这一绝对数值，再参考富集系数或转移系数。刘维涛等［23］认为，理想的重金属低积累植物应同时具备以下4个特征：该植物的地上部和根部的重金属含量都很低或者可食部位低于有关标准，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；该植物从根部重金属向地上部转运能力较差，即转运系数<1；该植物对重金属毒害具有较高的耐受性，在较高的重金属污染下能够正常生长且生物量无显著下降。而该筛选试验中，红单6号玉米品种出现根部重金属富集系数大于1但籽粒含量不超标的情况。实际上任超等［24］研究中出现了部分玉米品种富集和转运系数小于1但籽粒Cd含量超标现象，他认为“关于可食部分BCF和 TF小于1的限定过于宽泛，应以保障食品安全为底线”；冯爱煊等［6］经研究筛选出的推荐水稻品种也存在根部富集系数大于1的情况，重金属在水稻系统内的累积、转运和外排过程非常复杂，单一考量某一作用的强弱或者水稻某一部位的累积情况难以说明水稻整体对重金属的累积情况。综上所述，作者认为富集系数或转移系数大只能说明该植株该部位容易累积该重金属元素，是一个相对量，并不能体现该植株的重金属累积量，也就不能体现该品种是否是低累积品种。从该研究为山区人民筛选高效安全利用玉米品种的目的出发，在参考陈亮妹等［25］的观点后，作者认为具有现实指导意义的重金属低积累作物应具有以下特征：①作物可食用或可利用部位的重金属含量低于相关标准限值；②向可食用或可利用部位转移的转移系数较小；③在受重金属元素污染的条件下能够有较好的产量；④筛选出的重金属低积累作物的低积累特性要能够复现（3季及以上），且盆栽试验应用需到大田进行验证。

4 结论

（1）参考《食品安全国家标准食品中污染物限量》（GB 2762—2017），Cd在谷物类限量为0.1 mg/kg，4个供试玉米品种的Cd含量范围是0.046～0.237 mg/kg，是限量值的46%～237%，说明在试验地区，当土壤Cd元素含量超过风险管控值3倍多时，4个供试玉米作物的食用部位Cd含量只有红单6号和路单12号为安全范围；Pb在谷物类限量为0.2 mg/kg，4个供试玉米品种的Pb含量范围是0.038～0.079 mg/kg，是限量值的19.0%～39.5%，说明在试验地区，当土壤Pb元素含量超过风险筛选值，低于风险管控值时，4个供试玉米作物的食用部位Pb含量均为安全范围。

（2）综合分析可知，在该试验地使用红单6号、会单4号、云瑞8号、路单12号4个玉米品种进行5种重金属低积累品种筛选试验，首先排除会单4号和云瑞8号2个籽粒不合格的品种，红单6号和路单12号籽粒合格，产量表现也较好，可以作为籽粒低积累品种用于食用。另外路单12号的根-茎叶转移系数（TFR-SL）大于红单6号，比后者大54.82%，且茎叶-籽粒转移系数（TFSL-G）也是4个供试品种中最小，因此路单12号为首推安全品种。

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