不同品种玉米镉的积累特性

武清贵，田丰，郑冉，吕丹，刘松芹，罗红兵*

不同品种玉米镉的积累特性

武清贵1,2，田丰3，郑冉1,2，吕丹1,2，刘松芹1,2，罗红兵1,2*

(1.湖南农业大学农学院，湖南 长沙 410128；2.湖南省玉米工程技术研究中心，湖南 长沙 410128；3.浏阳市农业发展事务中心，湖南 浏阳 410399)

以8个玉米品种为材料，在2个地区开展田间试验，研究在不同土壤镉浓度下成熟期玉米各器官(根、茎、叶及籽粒)吸收镉(Cd)的特性，比较各器官的Cd含量差异，并对各器官的Cd含量进行相关性分析。在浏阳基地，不同品种玉米的根、茎、叶和籽粒Cd的富集系数分别为0.85～1.09、0.44～0.86、0.64～1.36和0.04～0.25；茎、叶、籽粒Cd的转运系数分别为0.42～0.91、0.59～1.44和0.05～0.27；相关性分析结果表明，茎秆与叶片的Cd含量呈极显著正相关。在湖南农业大学耘园基地，不同品种玉米的根、茎、叶、籽粒的富集系数分别为3.00～4.12、1.93～3.20、2.18～3.96和0.16～0.94；茎、叶和籽粒Cd的转运系数分别为0.63～0.86、0.61～1.30和0.04～0.24；相关性分析结果表明，茎与叶、籽粒的Cd含量呈极显著正相关。各器官Cd积累情况分为2种，一种为叶、根、茎、籽粒的Cd含量依次降低，另一种是根、叶、茎、籽粒的Cd含量依次降低。在浏阳基地种植的湘农玉22号籽粒的Cd含量超过食品安全的国家标准，而在耘园基地种植的湘农玉22号籽粒的Cd含量未超标，其余7个品种在2个地区种植均未超过国家标准。

玉米；镉；富集系数；转运系数

Cd是一种生物毒性高且易迁移的重金属元素[1]。低浓度的Cd对植物的生长有一定的刺激作用[2]，高浓度的Cd会抑制植物的生长[3]。GILL等[4]和NAGAJYOTI等[5]的研究表明，当Cd浓度大于10 μg/g时，对植物产生危害。Cd通过食物链的积累会对人体造成较大的危害，如引起肌肉酸痛、肌无力以及肠胃不适等[6]。

根是植物吸收Cd的主要部位[7]，但根系吸收Cd受土壤的pH值、氮源、根际微生物和根系分泌物等因素的影响[8]。不同作物对重金属的吸收累积特性不同[9]。玉米对重金属Cd离子的吸收方式包括主动吸收[10]和被动吸收[11]。环境中的Cd通过根部吸收、叶片吸收和表皮渗透3种途径进入玉米体内。玉米从环境中吸收Cd之后，经体内运输分布至根、茎、叶等各个器官[12–13]。曹莹等[14]研究表明，在Pb、Cd复合污染的土壤，Cd离子在玉米根、下叶、茎、上叶、籽粒中的含量依次降低，玉米植株各部位的Cd含量随Cd浓度的升高而提升。邵华伟等[15]研究表明，玉米根、茎、叶、籽粒对Cd的吸收量依次降低，且不同品种玉米对Cd的累积特性不同。邱博等[16]研究发现，不同玉米品种、不同器官之间的Cd含量存在明显的差异，叶、雄穗、根、茎秆、苞叶、籽粒对Cd的吸收量依次降低。李静等[17]、杜彩艳等[18]和张彪等[19]研究表明，玉米成熟期叶、根、茎、籽粒的Cd浓度依次降低。本试验中，研究在2个地区种植的不同品种玉米各器官的Cd含量差异，探讨各器官Cd吸收的特性，以期筛选出符合国家粮食安全的玉米品种。

1　试验地土壤概况

试验地分别位于湖南农业大学耘园基地和湖南省浏阳市达浒镇。耘园基地土壤全Cd含量0.18 mg/kg，达浒镇地区土壤全Cd含量为0.86 mg/kg。根据《土壤环境质量：农用地土壤污染风险管控标准》(GB 15618—2018)，2个基地土壤中Cd含量均高于农用地土壤污染风险筛选值，低于农用地土壤污染风险管制值。2个基地的土壤理化性质见表1。

表1　2个试验基地的土壤理化性质

2　材料与方法

2.1　供试品种

试验选用湖南农业大学近年来培育(引进)的新品种，包括4个普通粒用玉米品种(湘农玉22号、湘农玉27号、湘荟玉1号和湘农玉36号)和4个鲜食玉米品种(湘农甜玉3号、荟甜192、湘农白糯2号和沪紫黑糯1号)。

2.2　试验设计

采用随机区组试验设计。种植密度为3200株/ (667 m2)。播种前划分小区，小区长3 m，宽1.2 m，每个品种3次重复，共24个小区。分别于2021年4月9日、4月11日在湖南农业大学耘园基地和湖南省浏阳市达浒镇播种。人工穴播，普通玉米种子每穴2粒，鲜食玉米种子每穴3粒，施N、P、K三元复合肥(有效N、P、K含量均≥15%)50 kg/(667 m2)作基肥，二叶一心间苗，三叶一心定苗。玉米生长期间田间管理同普通栽培。

2.3　测定方法

按照GB 5009.15—2014《食品安全国家标准食品中镉的测定》的方法测定成熟期玉米植株的Cd含量。

参照文献[20]的方法计算富集系数和转运系数。

2.4　数据统计与分析

运用Office 2012进行数据整理；采用SPSS 20.0进行方差分析；采用Origin 2021进行相关性分析。

3　结果与分析

3.1 供试玉米品种各器官的镉含量分析

3.1.1浏阳基地不同玉米品种各器官的镉含量

由表2可知，成熟期浏阳基地8个玉米品种根的Cd含量最低，湘农玉36号的最高，较湘荟玉1号高27.0%；茎的Cd含量范围为0.37～0.74 mg/kg，其中湘农玉27的Cd含量最低，湘农玉22号的最高，较湘农玉27号高100.0%；叶的Cd含量范围为0.55～1.17 mg/kg，其中湘农玉36号的最低，湘农玉22号的最高，较湘农玉36号高112.7%；籽粒的Cd含量范围为0.04～0.22 mg/kg，湘农玉22号籽粒的Cd含量最高，湘荟玉1号、湘农玉27号的最低，湘农玉22号较湘荟玉1号、湘农玉27号高450.0%。

表2　浏阳基地不同品种玉米成熟期各器官的Cd含量

同列不同字母表示品种间的差异有统计学意义(<0.05)。

3.1.2耘园基地不同玉米品种各器官的镉含量

由表3可知，耘园基地8个玉米品种根的Cd含量范围为0.54～0.74 mg/kg，其中湘农甜玉3号的最高，湘农白糯2号的最低，较湘农甜玉3号低27.0%；茎的Cd含量范围为0.35～0.58 mg/kg，其中湘农玉22号的最高，湘农玉36号的最低，湘农玉22号较湘农玉36号高65.7%；叶的Cd含量范围为0.39～0.71 mg/kg，其中湘农玉36号的最低，湘农玉22号的最高，较湘农玉36号高82.1%；籽粒的Cd含量范围为0.03～0.17 mg/kg，其中湘农玉22号的最高，湘农玉36号、湘农玉27号及湘荟玉1号的较低，湘农玉22号较湘农玉36号、湘农玉27号及湘荟玉1号高出466.7%。

表3　耘园基地不同玉米品种成熟期各器官的Cd含量

同列不同字母表示品种间的差异有统计学意义(<0.05)。

3.2　供试玉米品种镉富集和转运差异分析

3.2.1浏阳基地供试玉米品种镉富集差异

玉米对重金属的积累能力可用富集系数表示。从表4可以看出，浏阳基地8个玉米品种根、茎、叶、籽粒的富集系数存在差异。根部的富集系数为0.85～1.09，其中湘农玉36号根的Cd富集系数最大，显著高于湘农玉22号、湘农玉27号、湘荟玉1号的，与其他4个品种的差异不显著；湘荟玉1号的最低，较湘农玉36号的低22.0%。茎秆的富集系数为0.44～0.86，其中湘农玉22号的最大，显著高于其他品种；湘农玉27号的最低，较湘农玉22号的低48.8%。叶片的富集系数为0.64～1.36，其中湘农玉22号的最大，显著高于其他品种(除沪紫黑糯1号)；湘农玉36号的最低，较湘农玉22号低52.9%。籽粒的富集系数为0.04～0.25，其中湘农玉22号籽粒的最大，显著高于其他品种；湘荟玉1号的最小，较湘农玉22号的低84.0%。

表4　浏阳基地供试玉米品种植株的Cd富集系数

同列不同字母示品种间的差异有统计学意义(<0.05)。

3.2.2浏阳基地供试玉米品种对镉的转运差异

从表5可以看出，不同玉米品种茎、叶、籽粒对Cd的转运系数存在差异。8个品种的茎对Cd的转运系数为0.42～0.91，其中湘农玉22号茎对Cd的转运系数最大，显著高于其他品种；湘农玉36号的最低，较湘农玉22号低53.8%。叶的转运系数为0.59～1.44，其中湘农玉22号的最大，显著高于其他品种的，较湘农玉36号高出144.1%。籽粒的转运系数为0.05～0.27，其中湘农玉22号的最大，显著高于其他品种，较湘农玉27号和湘荟玉1号的高440%。

同列不同字母示品种间的差异有统计学意义(<0.05)。

3.2.3耘园基地供试玉米品种镉富集差异

从表6可以看出，不同玉米品种根、茎、叶、籽粒的富集系数存在差异。根部的富集系数为3.00～4.12，其中湘农甜玉3号的最大，显著高于湘农白糯2号的，与其他品种的差异不显著，较湘农白糯2号的高37.3%。茎的富集系数为1.93～3.20，其中湘农玉22号的最大，显著高于湘农玉36号，与其他品种的差异不显著，较湘农玉36号的高65.8%。叶的富集系数为2.18～3.96，其中湘农玉22号的最大，显著高于其他品种，较湘农玉36号的高81.7%。籽粒的富集系数为0.16～0.94，其中湘农玉22号的最大，显著高于其他品种的，较湘荟玉1号的高487.5%。

表6　耘园基地供试玉米品种植株的Cd富集系数

同列不同字母示品种间的差异有统计学意义(<0.05)。

3.2.4耘园基地供试玉米品种对镉的转运差异

从表7可以看出，不同玉米品种茎、叶、籽粒Cd的转运系数存在差异。茎对Cd的转运系数为0.63～0.86，各品种间差异不显著，其中湘荟玉1号的最大。叶对Cd的转运系数为0.61～1.30，其中沪紫黑糯1号的最大，显著高于湘农玉36号、湘荟玉1号、荟甜192、湘农甜玉3号以及湘农白糯2号，与其他品种的差异不显著。籽粒Cd的转运系数为0.04～0.24，其中湘农玉22号的最大，显著高于其他品种，较湘农玉36号的高出500%。

表7　耘园基地不同玉米品种植株Cd的转运系数

同列不同字母示品种间的差异有统计学意义(<0.05)。

3.3　玉米各器官间镉含量的相关性分析

3.3.1浏阳基地玉米各器官间Cd含量的相关性分析

从表8可以看出：根的Cd含量与茎、叶、籽粒中的Cd含量呈负相关，说明根中的Cd含量越高，茎、叶以及籽粒中的Cd含量越少；其他器官间Cd含量均呈正相关，其中茎的Cd含量与叶的Cd含量呈极显著正相关，与籽粒的Cd含量呈显著正相关。

表8　浏阳基地供试玉米各器官间Cd含量的相关系数

“*”“**”分别示相关性显著(<0.05)和极显著(<0.01)。

3.3.2耘园基地玉米各器官间Cd含量的相关性分析

从表9 可以看出：根的Cd含量与茎、叶以及籽粒的Cd含量呈正相关；茎的Cd含量与叶、籽粒的Cd含量呈极显著正相关，说明茎的Cd含量增加，叶和籽粒的Cd含量会极显著上升；叶的Cd含量与籽粒的Cd含量呈显著正相关，说明叶的Cd含量增加，籽粒中的Cd含量也会显著上升。

表9　耘园基地供试玉米各器官间Cd含量的相关系数

“*”“**”分别示相关性显著(<0.05)和极显著(<0.01)。

4　结论与讨论

玉米植株各部位Cd含量的差异因组织器官的功能不同、机构与代谢能力的不同或重金属对器官亲和性的不同而存在差异[21]。众多研究表明，根为玉米吸收Cd的主要器官，从土壤中吸收Cd之后，再通过体内运输输送到其他部位[22–24]。梁彦秋等[25]的研究结果表明，玉米中根、叶、茎、籽粒的Cd含量依次降低。本试验结果表明，不同玉米品种各器官的Cd含量的变化趋势分为2种：一种是叶、根、茎、籽粒的Cd含量依次降低，这与李静等[17]的研究结果类似；另一种是根、叶、茎、籽粒的Cd含量依次降低，这与曹莹等[14]的研究结果类似。导致这2种情况的原因可能是土壤类型、生长发育的条件不同，具体原因有待作进一步研究。

富集系数在一定程度上反映了植物吸收重金属的能力。植物各部位富集系数越高，植物体内积累重金属的能力就越强；Cd转运系数越高，则重金属Cd由根系转运到地上部分的能力越强。本研究中，除湘农玉22号、沪紫黑糯1号外，其余品种根、叶、茎、籽粒的Cd富集系数依次降低。由此可以看出，根积累Cd的能力较强，茎、叶和籽粒的积累能力较弱，其原因可能是根向茎、叶与籽粒转运的Cd较少，这与孙姣辉等[26]的研究结果类似。转运系数是评价重金属在植物体内的分配情况以及植物对重金属转运能力的重要依据[20]。不同玉米品种对Cd的转运系数存在差异，低积累品种将Cd从根部向地上部转移的能力较弱[27–28]。本研究发现，浏阳基地8个玉米品种籽粒Cd的转运系数均小于1，转运系数为0.05～0.27，其中有7个玉米品种(湘农玉27号、湘农玉36号、湘荟玉1号、沪紫黑糯1号、湘农甜玉3号、荟甜192、湘农白糯2号)籽粒中的Cd含量低于国家标准(≤0.2 mg/kg)；在耘园基地8个玉米品种籽粒中的Cd含量均低于国家标准，且8个玉米品种籽粒Cd的转运系数均小于1，转运系数为0.04～0.24。

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Cadmium accumulation characteristics in different maize varieties

WU Qinggui1,2，TIAN Feng3，ZHENG Ran1,2，LYU Dan1,2，LIU Songqin1,2，LUO Hongbing1,2*

(1.College of Agronomy, Hunan Agricultural University, Changsha, Hunan 410128, China; 2.Maize Engineering Technology Research Center of Hunan Province, Changsha, Hunan 410128, China; 3.Liuyang Agricultural Development Affairs Center, Liuyang, Hunan 410399, China)

Field experiments were conducted to explore the characteristics of cadmium uptake in various organs(roots, stems, leaves and grains) of eight maize varieties exposed to varying cadmium concentrations across different regions. The study involved comparing cadmium(Cd) content across organs at maturity, and performing correlation analysis on Cd content in each organ. Results showed that in Liuyang, the enrichment coefficients of Cd in roots, stems, leaves and grains of different varieties ranged from 0.85 to 1.09, 0.44 to 0.86, 0.64 to 1.36 and 0.04 to 0.25, respectively. The transport coefficients of Cd in stems, leaves and grains ranged from 0.42 to 0.91, 0.59 to 1.44 and 0.05 to 0.27, respectively. Correlation analysis indicated a positive relationship between stems and leaves. In Yunyuan, the enrichment coefficients of Cd in roots, stems, leaves and grains of different varieties ranged from 3.00 to 4.12, 1.93 to 3.20, 2.18 to 3.96 and 0.16 to 0.94, respectively. The Cd transport coefficients of stems, leaves and grains varied from 0.63 to 0.86, 0.61 to 1.30 and 0.04 to 0.24, respectively. Correlation analysis showed an extremely significant positive correlation between Cd contents in stems and leaves, as well as stems and grains. Statistical analysisrevealed two types of Cd accumulation distribution in organs: (1) Cd contents of leaf, root, stem and grain decreased successively; (2) Cd contents of root, leaf, stem and grain decreased successively. Notably, Cd content of Xiangnongyu22 grains grown in Liuyang at this Cd concentration exceeded the “National Food Safety Standard Limits of Contaminants in Foods”. However, Xiangnongyu22 planted in Yunyuan met the standard, and the remaining seven varieties grown in both regions complied with the “National Food Safety Standard Limits of Contaminants in Foods”.

maize; cadmium; enrichment coefficient; transport coefficient

S513.01

A

1007–1032(2023)04–0389–06

10.13331/j.cnki.jhau.2023.04.002

2022–11–29

2023–07–10

湖南省现代农业产业体系(湘农发[2019]105号)

武清贵(1999—)，男，湖南溆浦人，硕士研究生，主要从事农业农村工作，736992131@qq.com；*通信作者，罗红兵，博士，教授，主要从事玉米新品种选育及配套栽培技术研究，hbluo68@hunau.edu.cn

武清贵，田丰，郑冉，吕丹，刘松芹，罗红兵．不同品种玉米镉的积累特性[J]．湖南农业大学学报(自然科学版)，2023，49(4)：389–394．

WU Q G，TIAN F，ZHENG R，LYU D，LIU S Q，LUO H B．Cadmium accumulation characteristics in different maize varieties[J]．Journal of Hunan Agricultural University(Natural Sciences)，2023，49(4)：389–394．

http://xb.hunau.edu.cn

责任编辑：毛友纯

英文编辑：柳正