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.pdf

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（大理州农业科学推广研究院，云南大理）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 ，镉含量 ），个受试玉米品种中，红单 号、路单 号籽粒符合食品安全标准，会单 号、云瑞 号籽粒不符合食品安全标准，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 号、红单 号、云瑞 号、会单 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 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 文献标识码 文章编号（）：开放科学（资源服务）标识码（）：，（，）（），（），；基金项目 云南省 年省级农业生产发展专项。作者简介 字晓（），女，云南巍山人，农艺师，硕士，从事农业环境保护研究。通信作者，农艺师，硕士，从事农业环境保护研究。收稿日期 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 基本农田保护区调查显示，重金属超标率达.，粮食重金属超标率在 以上。重金属在土壤中具有隐蔽性、表聚性、不易降解性等特点，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，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，而林地面积占，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，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、污染问题，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 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。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，属于偏远山区且工业较不发达，全县主要经济总值来源是农业 经 济，占。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 安徽农业科学，（）：，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。材料与方法 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 为，土壤镉含量为 ，汞含量为 ，砷含量为 ，铅含量为 ，铬含量为 ，属于受镉元素、铅元素污染耕地。试验材料 试验采用玉米品种为红单 号、会单 号、云瑞 号、路单 号。试验设计 试验设 个处理，处理编号红单 号（）、会单 号（）、云瑞 号（）以及路单 号（），次重复，共 个小区；随机区组排列，小区面积 （）。小区四周均以田埂分隔，田埂作为过道，宽度均为 ，高度为 ，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 条排水沟，一侧一条，宽度 ，高度 ；试验地四周设保护行，每一边的宽度大于 ，以消除边际效应。小区布置情况如图。播种方式为打塘点播。使用宽窄行种植，宽行距 ，窄行距 ，塘距 ，每塘播种 粒，每塘留苗 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。图 试验小区田间设计示意图 测定项目及方法 土样采集。试验种植前采集基础土样，按梅花形 点采样法采集 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 点采样法采集 次土壤混合样。土壤采样深度为 ，采样量 个。植株样采集。在作物成熟后进行采样，每个小区选取 行，分别为中间行及两侧第 行，每行选取 株植株，共取 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。指标测定。土壤检测指标为、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。表 样品检测项目及方法 样品种类 检测指标 检测方法 土壤 土壤 的测定 电位法 镉土壤质量 铅、镉的测定 石墨炉原子吸收分光光度法 汞土壤质量 总汞、总砷、总铅的测定 原子荧光法 第 部分：土壤中总汞的测定 砷土壤质量 总汞、总砷、总铅的测定 原子荧光法 第 部分：土壤中总砷的测定 铅土壤质量 铅、镉的测定 石墨炉原子吸收分光光度法 铬土壤和沉积物 铜、锌、铅、镍、铬的测定 火焰原子吸收分光光度法 有效态镉土壤质量 有效态铅和镉的测定 原子吸收法 标准 有效态铅土壤质量 有效态铅和镉的测定 原子吸收法 标准 植株 镉食品中镉的测定 汞食品中总汞及有机汞的测定 砷食品中砷的测定 铅食品中铅的测定 铬食品中铬的测定 卷 期 字 晓等 大理云龙地区玉米对重金属累积与转运的品种差异研究 评价方法及判定标准 玉米的根（）、茎叶（）和籽粒（）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（）判定，茎叶部位是否达到安全利用标准按照饲料卫生标准（）判定。目前，对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，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 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 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（）植物根部内重金属含量（）土壤中重金属含量（）（）根部到茎叶重金属转运系数（）植物茎叶重金属含量（）植物根部重金属含量（）（）茎叶到籽粒重金属转运系数（）植物籽粒重金属含量（）植物茎叶重金属含量（）（）数据处理采用 、软件进行数据统计处理。结果与分析 不同玉米品种的产量及生长情况比较 个供试玉米品种的产量情况如图，除会单 号产量显著偏低，其他 个品种产量均无显著性差异，产量最高的路单 号比最低的会单 号高出，因此从产量上来筛选适合当地的玉米品种，会单 号应可排除。个供试玉米品种的株高穗位生长情况如图。由图 可知，个供试玉米品种的穗位处于整株植株离地约.的位置，红单 号和路单 号株高较高，且两者间无显著差异，但与会单 号、云瑞 号间有显著差异；红单 号和路单 号穗位也较高，个品种之间均存在显著性差异。不同玉米品种根、茎叶、籽粒中 种重金属含量比较 个玉米品种根、茎叶、籽粒中 种重金属含量情况如表。根据食品安全国家标准 食品中污染物限量（）中谷物类限量指标，个玉米品种的籽粒中会单 号、云瑞 号 个品种镉含量超标，分别超标 和.。据此判定，在试验地土壤重金属污染条件下，会单 号、云瑞 号籽粒不合格，红单 号、路单 号籽粒合格。根据饲料卫生标准（）可知，个供试玉米品种茎叶的 含量均超标，会单 号茎叶 含量超标。因此，红单 号、路单 号的籽粒可用作食品原料或饲料原料，个品种的茎叶均不能作为饲料使用。不同玉米品种籽粒的 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（）在一定程度上注：不同小写字母表示在 水平差异显著。：图 不同玉米品实际产量比较 注：不同小写字母表示在 水平差异显著。：图 不同玉米品种穗位及株高比较 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 种重金属富集系数（）及根茎叶转移系数（）、茎叶籽粒转移系数（）情况如图、，品种间富集系数和转移系数的差异情况见表。从图 可以看出，路单 号 根部富集系数为 ，其他 个品种的 根部富集系数均大于，说明该品种根部对 的富集能力低于其他 个品种，且差异显著（）。所有供试玉米品种、的 均远小于，表明供试玉米品种对于其余 种重金属元素累积能力均较弱。由图 可知，所有供试玉米品种、的 均小于，的除红单 号小于 外，其他供试品种均大于，说明 种重金属元素在根部向茎叶转移的过程中，的转运量更大，茎叶部分 累积量是根部的 倍。由图 可知，所有供试玉米品种、的 均远远小于，说明经过茎叶部分的大量积累，种重金属元素转运到籽粒部分的含量都非常少。结合 种重金属元素在 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 安徽农业科学 年米品种，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。表 不同玉米品种根、茎叶、籽粒中 种重金属含量比较 ，单位：植株部位处理编号汞 砷 铅 铬 镉 根 茎叶 籽粒 注：同列不同小写字母表示在 水平差异显著；“”表示对应部位含量未检出。：；“”图 不同玉米品种根部的富集系数比较 图 不同玉米品种根部茎叶的转移系数比较 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 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图 不同玉米品种茎叶籽粒的转移系数比较 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 进入植物地上部的过程中具有重要作用。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。从供试玉米的富集系数、转移系数来看，不同玉米品种对、共 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