2. 广东精地规划科技有限公司,广东 广州 510630
2. Guangdong Jingdi Planning Technology Co., Ltd., Guangzhou 510630, China
2014年4月17日环境保护部联合国土资源部公布的《全国土壤污染状况调查公报》指出,我国耕地土壤重金属点位超标率为19.4%,其中,Cd超标率为7.0%[1]。Cd在土壤中的移动性强、毒性强,极易被植物吸收和积累[2]。在土壤重金属污染修复中,传统的物理和化学修复方法存在成本高、易引起二次污染和破坏土壤结构等问题,因此植物修复技术因其成本低和修复具有彻底性等优点而备受关注[3-5]。目前公认的Cd超富集植物有遏蓝菜Thlaspi caerulescens[6]、印度芥菜Brassica juncea[7]、东南景天Sedum alfredii[8]、宝山堇菜Viola baoshanensis[9]、龙葵Solanum nigrum[10]等,但上述植物受生物量小或地域性强的限制,均难以广泛推广应用[3-5]。
玉米作为我国最重要的粮食作物之一被广泛种植,品种资源丰富,具有生物量大、生长周期短、易种植、易管理等优点[11]。玉米对Cd有一定的富集能力,在重金属Cd污染土壤修复上具有很大的潜力[12],因此,Cd高累积玉米品种可作为植物修复资源加以利用[13]。已有研究结果表明,不同玉米品种对Cd 的吸收和富集能力具有显著的差异[12, 14],因此很有必要根据玉米对Cd的吸收能力筛选出高积累品种。关于华南地区不同玉米品种对Cd的吸收和富集能力差异的报道较少。本研究以华南地区广泛种植的11个玉米品种为试验材料,通过盆栽试验分析和比较11个玉米品种的Cd富集和转运能力,筛选出高积累品种,旨在为华南地区土壤Cd污染的植物(玉米)修复技术研究提供理论参考。
1 材料与方法 1.1 供试材料2015年3月供试土壤取自广东省韶关市马坝镇(113°35′13″E,24°38′33″N)Cd污染水稻土耕作层(0~20 cm),土壤经风干、磨碎、过5 mm孔径筛,充分混匀后每盆装土4 kg (圆柱形盆钵的上部和底部直径及高分别为:22、15和19 cm,底部有孔,盆钵下方垫有底盘),用于盆栽试验。土壤pH 5.44,土壤有机质、碱解N、速效P、速效K和全量Cd质量分数分别为31.41、95.60、80.69、186.9 和2.50 mg·kg−1。
供试的11个玉米品种均由华南农业大学农学院提供,包括:华彩糯3号、桂单0810、金圣玉1号、佳美1号、广彩甜糯7号、仲糯1号、粤彩糯2号、广红糯8号、广紫糯6号、广白糯5号和广甜10号。
1.2 试验方法盆栽试验在华南农业大学日光温室内进行。以11个玉米品种为试验材料,每个品种设置3个重复,随机区组排列。移栽前1周每盆施用尿素1.3 g、磷酸二氢钾0.6 g和氯化钾0.8 g,并和土壤充分混匀,每盆加入等量去离子水,平衡1周。2015年4月10日将玉米种子催芽后播种,使种子入土2~3 cm,保持深浅一致,每盆种2粒。在玉米整个生长期间浇灌去离子水,使土壤含水量保持在田间持水量的60%~70%,为防止污染物淋溶物渗漏损失,在盆下放置塑料托盘,并将渗漏液倒回盆中。2015年5月30日收获,采集玉米植株。
1.3 样品采集与指标测定收获时,从茎基部截取茎叶,称其鲜质量,然后小心取出根系,用自来水洗净根系泥土,吸干根上多余水分后称质量。最后将茎叶和根分别依次用自来水、蒸馏水、高纯水洗净,室内自然晾干,置于烘箱中105 ℃杀青30 min,75 ℃烘干至恒质量,称质量后用植物粉碎机磨碎,过0.25 mm尼龙筛备用。
土壤样品测定:土壤pH用无CO2蒸馏水按土水质量比1.0∶2.5测定;土壤有机质用外加热重铬酸钾容量法测定;土壤碱解N采用碱解扩散法测定;土壤速效P采用0.5 mol·L−1的NaHCO3浸提−钼锑抗比色法测定;土壤速效钾用NH4OAc浸提−火焰光度法测定;土壤全量Cd的测定采用HCl-HNO3-HF-HClO4消解−原子吸收分光光度法(HITACHI-Z2300)测定[15]。土壤Cd测定过程采用国家标准参比物质(GBW07405)进行质量控制,标准样品测定结果均在允许范围内。
植株样品的总Cd测定:参考GB/T5009.15—2003[16],采用HNO3-HClO4(体积比4∶1)消化。操作步骤:称取磨碎的样品约2.00 g至150 mL三角瓶中,分别加入浓HNO3 30 mL,浓HCl 和浓HClO4各5 mL,在三角瓶口盖上弯颈小漏斗,于100 ℃砂浴小心加热至植物样品完全分解,提高温度至200 ℃,加热至近干,然后用1 mol·L−1的HCl溶液5 mL 溶解,定容到20 mL容量瓶中,得待测液,同时做空白试验。待测液中的Cd用原子吸收分光光度法(HITACHI-Z2300)测定。植物测定过程采用国家标准参比物质(GBW10015)进行质量控制,标准样品测定结果均在允许范围内。
1.4 富集量、转运系数和富集系数各指标计算如下:
玉米各器官每盆Cd富集量=各器官每盆干质量×各器官Cd含量;
玉米对Cd的转运系数(TF)=茎叶Cd含量/根Cd含量;
玉米对Cd的富集系数(BCF)=玉米茎叶Cd含量/土壤中Cd含量[14];
1.5 数据处理与分析用Excel 2003进行数据整理,运用SPSS 23.0 统计软件进行方差分析,采用Duncan’s新复极差法进行差异显著性检验(P<0.05)。通过在R中导入ADE−4软件包[17]对不同玉米品种的Cd富集和转运特征进行主成分分析(Principal component analysis, PCA)。
2 结果与分析 2.1 不同品种玉米茎叶和根的干质量从图1可知,不同品种玉米茎叶的每盆干质量范围为17.73~24.48 g。仲糯1号玉米茎叶的每盆干质量最大(24.48 g),其次是广紫糯6号玉米,华彩糯3号玉米茎叶的每盆干质量最小。玉米根的每盆干质量范围为1.97~3.35 g,根的每盆干质量较大的是仲糯1号和广紫糯6号玉米,分别为3.35和3.03 g,根的每盆干质量最小的是广彩甜糯7号和广红糯8号玉米,分别为1.97和1.99 g。
![]() |
图 1 不同品种玉米茎叶和根的每盆干质量 Fig. 1 Dry mass of shoot and root per pot of different maize varieties 相同柱子上方的不同小写字母表示差异显著(P<0.05, Duncan’s法) Different lowercase letters on bars of the same color indicate significant difference (P<0.05, Duncan’s test) |
由图2可知,华彩糯3号和广红糯8号玉米茎叶Cd含量大于根,而其他玉米茎叶Cd含量均小于根。各品种玉米茎叶的Cd质量分数范围为1.91~26.66 mg·kg−1。华彩糯3号和广红糯8号玉米茎叶的Cd质量分数较大,分别达26.66和20.25 mg·kg−1,其次是广白糯5号,其茎叶Cd质量分数为12.79 mg·kg−1,也显著地高于其他品种玉米,最低的为广紫糯6号,最高与最低Cd含量相差近14倍。玉米根的Cd质量分数范围为10.66~23.63 mg·kg−1,根Cd含量最高的为佳美1号和华彩糯3号玉米,质量分数分别达23.63和20.11 mg·kg−1,且佳美1号玉米Cd含量显著高于华彩糯3号以外的其他品种玉米(P<0.05),其他品种之间没有显著性差异。
![]() |
图 2 不同品种玉米茎叶和根的Cd含量 Fig. 2 Cd contents in shoot and root of different maize varieties 相同柱子上方的不同小写字母表示差异显著(P<0.05, Duncan’s法) Different lowercase letters on bars of the same color indicate significant difference (P<0.05, Duncan’s test) |
从图3可以看出,不同品种玉米茎叶的Cd每盆富集量范围为0.045~0.467 mg,最高与最低相差10倍以上,其中华彩糯3号和广红糯8号玉米茎叶Cd每盆富集量最大,分别达0.467和0.420 mg,显著大于其余品种(P<0.05)。其次是广白糯5号玉米,茎叶Cd每盆富集量为0.270 mg,广紫糯6号玉米茎叶Cd每盆富集量最小,为0.045 mg。不同品种玉米根的Cd每盆富集量范围为0.023~0.061 mg。佳美1号和华彩糯3号玉米根Cd每盆富集量最大,分别为0.061和0.056 mg,其他品种玉米均在0.04 mg以下,相互间差异不显著。所有品种玉米均是茎叶Cd富集量大于根富集量,说明玉米吸收土壤中Cd主要积累在茎叶中。
![]() |
图 3 不同品种玉米茎叶和根的Cd富集量 Fig. 3 Cd accumulations in shoot and root of different maize varieties 相同柱子上方的不同小写字母表示差异显著(P<0.05, Duncan’s法) Different lowercase letters on bars of the same color indicate significant difference (P<0.05, Duncan’s test) |
不同品种玉米Cd的每盆总富集量范围为0.081~0.523 mg(图4)。华彩糯3号和广红糯8号玉米Cd每盆总富集量较大,分别达0.523和0.442 mg,显著高于其他玉米品种(P<0.05),广白糯5号Cd每盆总富集量也较大,为0.302 mg,也显著高于其余玉米品种(P<0.05),而金圣玉1号、粤彩糯2号和广紫糯6号玉米Cd每盆总富集量均小于0.1 mg。
![]() |
图 4 不同品种玉米的Cd总富集量 Fig. 4 Total Cd accumulations of different maize varieties 柱子上方的不同小写字母表示差异显著(P<0.05, Duncan’s法) Different lowercase letters on bars indicate significant difference (P<0.05, Duncan’s test) |
由图5可知,不同品种玉米茎叶的Cd富集系数为0.763~10.663,其中华彩糯3号和广红糯8号富集系数较大,分别为10.663和8.101,说明这2个品种玉米对土壤中Cd有很强的富集能力;其次是广白糯5号,富集系数达到5以上,对土壤中Cd也有较强的吸收能力。广紫糯6号的富集系数最小,为0.763,说明它对土壤中Cd的吸收能力较弱,其余品种玉米富集系数在1左右,对土壤中Cd的吸收能力也相对较弱。
![]() |
图 5 不同品种玉米Cd富集系数(BCF)和转运系数(TF) Fig. 5 Accumulation coefficients (BCF) and translocation coefficients (TF) of different maize varieties 相同柱子上方的不同小写字母表示差异显著(P<0.05, Duncan’s法) Different lowercase letters on bars of the same color indicate significant difference (P<0.05, Duncan’s test) |
从图5还可以看出,不同品种玉米茎叶的Cd转运系数为0.205~2.164,其中广红糯8号和华彩糯3号玉米植株对Cd的转运系数较大,分别为2.164和1.458,显著高于其他玉米品种(P<0.05),说明这2个品种玉米对Cd的转运能力较强;其他品种玉米的转运系数在1以下,对Cd的转运能力相对较弱。
2.5 不同品种玉米干质量和Cd富集特征的主成分分析不同品种玉米干质量和Cd富集特征的主成分分析结果如图6A所示,第1主成分(PC1)累计方差贡献率为70.48%,第2主成分(PC2) 累计方差贡献率为14.15%,第1、2主成分累计方差贡献率达到84.63%,可以反映不同品种玉米生长和Cd富集特性的大部分信息,受第1、2主成分的综合影响,不同处理样点空间分布差异极显著(P<0.01,图6B)。PC1和PC2的空间载荷图表明:PC1主要与茎叶每盆干质量、茎叶Cd富集量、根Cd富集量、茎叶Cd含量、Cd总富集量、BCF和TF密切相关(图5A),受PC1参数的影响,华彩糯3号、广红糯8号和广白糯5号的处理样点和其他处理样点的空间分布差异极显著(P<0.01),华彩糯3号、广红糯8号和广白糯5号的处理样点显著向茎叶Cd富集量、根Cd富集量、茎叶Cd含量、Cd总富集量、BCF和TF升高的方向偏移,而桂单0801、金圣玉1号、佳美1号、广彩甜糯7号、仲糯1号、粤彩糯2号、广紫糯6号、广甜10号的处理样点则显著偏向茎叶干质量增加的方向(图6B)。这表明与桂单0801、金圣玉1号、佳美1号、广彩甜糯7号、仲糯1号、粤彩糯2号、广紫糯6号、广甜10号玉米相比,华彩糯3号、广红糯8号和广白糯5号玉米具有更高的Cd富集和转运能力。PC2主要与根干质量密切相关(图6A),受PC2参数的影响,华彩糯3号、桂单0801、仲糯1号和广紫糯6号处理样点显著向更高的根干质量的方向偏移(图6B)。
![]() |
图 6 不同玉米品种Cd吸收的主成分分析 Fig. 6 Principal component analysis of Cd absorption of different maize varieties a:根Cd富集量;b:Cd总富集量;c:茎叶Cd富集量;d:茎叶Cd含量;e:根Cd含量;f:根每盆干质量;g:茎叶每盆干质量;TF:转运系数;BCF:富集系数。1:华彩糯3号;2:桂单0810;3:金圣玉1号;4:佳美1号;5:广彩甜糯7号;6:仲糯1号;7:粤彩糯2号;8:广红糯8号;9:广紫糯6号;10:广白糯5号;11:广甜10号 a: Cd accumulation in root; b: Cd total accumulation; c: Cd accumulation in shoot; d: Cd content in shoot; e: Cd content in root; f: Dry biomass of root per pot; g: Dry biomass of shoot per pot; TF: Translocation coefficient;BCF: Accumulation coefficient.1: Huacainuo 3;2: Guidan 0810;3: Jinshengyu 1;4: Jiamei 1;5: Guangcaitiannuo 7;6: Zhongnuo 1,7: Yuecainuo 2;8: Guanghongnuo 8;9: Guangzinuo 6;10: Guangbainuo 5;11: Guangtian 10 |
目前,国内外学者研究发现了一些重金属超积累品种植物[6-10, 18],但大部分超积累植物由于自身的特点,生长缓慢、生物量较小、适应环境能力差等,再加上具有一定的地域分布特性,应用在污染农田土壤修复方面具有一定的局限性[3-5]。玉米是须根系植物,根系发达,而且生长周期短、生物量大、易栽培管理[11, 19],因此高、低Cd累积玉米品种的筛选受到了广泛的关注,其中Cd低累积品种可作为保障粮食安全的玉米品种进行推广种植,而Cd高积累的玉米品种可作为植物修复资源加以利用,为土壤Cd污染的修复提供技术支撑。
有研究发现,植物吸收和累积重金属不仅存在种间差异还存在种内差异[20],不同玉米品种对Cd 的吸收和富集能力也具有显著差异[12, 14, 21]。本研究的11个供试玉米品种的Cd富集系数范围为0.763~10.663,且不同品种玉米茎叶和根的Cd积累存在显著差异,这可能与这11个玉米品种的遗传背景差异较大、基因型不同有关。
有研究发现,Cd在玉米植株中的分布规律大都为根的Cd含量大于茎叶[22],本研究中,华彩糯3号和广红糯8号玉米茎叶Cd含量大于根,而其他玉米茎叶Cd含量均小于根,而文秋红等[23]也发现6个玉米自交系的茎叶Cd含量大于根。这一现象的原因可能是Cd高累积玉米从根部向茎叶运输Cd的能力较强,最终导致玉米茎叶Cd含量大于根,相关机理有待进一步探究。
陈建军等[12]通过25个玉米品种在土壤外加全Cd含量为50 mg·kg−1条件下盆栽试验,结果发现玉米茎叶Cd的富集系数为0.063~0.899,转运系数为0.038~0.554。辛艳卫等[14]通过盆栽试验研究发现,18个玉米品种在土壤外加全Cd质量分数为5.0 mg·kg−1条件下,茎叶Cd的富集系数为0.093~0.902,转运系数为0.19~0.83。文秋红等[23]研究表明,在土壤Cd质量分数为5.986 mg·kg−1时,玉米地上部Cd质量分数最高为21.716 mg·kg−1,最大富集系数为3.63,最大转运系数为3.609。徐稳定[24]研究发现,土壤Cd质量分数为1~5 mg·kg−1时,盆栽30 d的超甜38玉米茎叶镉富集系数最高为8.1,但转运系数小于1。Máthé-Gáspár等[25]发现玉米对Cd的转运系数为3.33。本试验结果表明,华彩糯3号和广红糯8号玉米茎叶Cd质量分数分别为26.66和20.25 mg·kg−1,根Cd质量分数分别为20.11和11.14 mg·kg−1,富集系数为10.663和8.101,远远高于文献[12, 14, 21, 24]的研究结果。此外,本研究中的华彩糯3号和广红糯8号玉米的单株Cd总富集量分别为0.26和0.22 mg,这与袁林等[26]报道的正红6号(0.26 mg)、雅玉12号和川单13号(0.21 mg)单株Cd总富集量相当,但袁林等[26]的供试土壤的全Cd质量分数为10.47 mg·kg−1,这远高于本研究的供试土壤(2.50 mg·kg−1),这也证实了华彩糯3号和广红糯8号玉米具有较强的Cd富集能力。广红糯8号和华彩糯3号玉米Cd的转运系数分别为2.164和1.458,低于文献[21, 25],但高于文献[12, 14, 20]的报道。目前Cd的富集系数大于8,同时转运系数大于1的玉米品种鲜见报道。综上所述,华彩糯3号和广红糯8号是Cd高累积玉米品种。
通过11个玉米品种在土壤pH 5.44,Cd质量分数为2.5 mg·kg−1的盆栽试验得出以下主要结论:华彩糯3号和广红糯8号玉米对Cd的富集和转运能力较强,属于Cd高累积玉米品种,在Cd污染土壤修复中具有较大的应用潜力,值得进一步深入研究其富集Cd的机理。
[1] |
环境保护部, 国土资源部. 全国土壤污染状况调查公报[EB/OL].(2014-04-17)[2018-08-10]. http://www.zhb.gov.cn/gkml/hbb/qt/201404/t20140417_270670.htm.
( ![]() |
[2] |
WANG M, ZOU J, DUAN X, et al. Cadmium accumulation and its effects on metal uptake in maize (Zea mays L.)
[J]. Bioresour Technol, 2007, 98(1): 82-88. DOI:10.1016/j.biortech.2005.11.028 ( ![]() |
[3] |
邢艳帅, 乔冬梅, 朱桂芬, 等. 土壤重金属污染植物修复技术研究进展[J]. 中国农学通报, 2014, 30(17): 208-214. DOI:10.11924/j.issn.1000-6850.2013-2867 ( ![]() |
[4] |
刘小梅, 吴启堂, 李秉滔. 超富集植物治理重金属污染土壤研究进展[J]. 农业环境科学学报, 2003, 22(5): 636-640. DOI:10.3321/j.issn:1672-2043.2003.05.032 ( ![]() |
[5] |
屈冉, 孟伟, 李俊生, 等. 土壤重金属污染的植物修复[J]. 生态学杂志, 2008, 27(4): 626-631. ( ![]() |
[6] |
EIJSACHERS H J P, HAMERS T. Intergrates soil and sediment research: A basis for proper protection[M]. Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, 1993:673-676.
( ![]() |
[7] |
KUMAR N P B A, DUSHENKOV V, MOTTO H, et al. Phytoextraction: The use of plants to remove heavy metals from soils[J]. Environ Sci Technol, 1995, 29(5): 1232-1238. DOI:10.1021/es00005a014 ( ![]() |
[8] |
YANG X E, LONG X X, YE H B, et al. Cadmium tolerance and hyper-accumulation in a new Zn-hyperaccumulating plant species (Sedum alfredii Hance)
[J]. Plant Soil, 2004, 259(1/2): 181-189. DOI:10.1023/B:PLSO.0000020956.24027.f2 ( ![]() |
[9] |
刘威, 束文圣, 蓝崇钰. 宝山堇菜(Viola baoshanensis)一种新的镉超富集植物
[J]. 科学通报, 2003, 48(19): 2046-2049. DOI:10.3321/j.issn:0023-074X.2003.19.009 ( ![]() |
[10] |
魏树和, 周启星, 王新, 等. 一种新发现的镉超积累植物龙葵(Solanum nigrum L.)
[J]. 科学通报, 2004, 49(23): 2568-2573. ( ![]() |
[11] |
FÄSSLER E, ROBINSON B H, GUPTA S K, et al. Uptake and allocation of plant nutrients and Cd in maize, sunflower and tobacco growing on contaminated soil and the effect of soil conditioners under field conditions[J]. Nutr Cycl Agroecosys, 2010, 87(3): 339-352. DOI:10.1007/s10705-009-9342-z ( ![]() |
[12] |
陈建军, 于蔚, 祖艳群, 等. 玉米(Zea mays)对镉积累与转运的品种差异研究
[J]. 生态环境学报, 2014, 23(10): 1671-1676. DOI:10.3969/j.issn.1674-5906.2014.10.016 ( ![]() |
[13] |
祁剑英, 杜天庆, 郝建平, 等. 能源作物甜高粱和玉米对土壤重金属的富集比较[J]. 玉米科学, 2017, 25(6): 73-78. ( ![]() |
[14] |
辛艳卫, 梁成华, 杜立宇, 等. 不同玉米品种对镉的富集和转运特性[J]. 农业环境科学学报, 2017, 36(5): 839-846. ( ![]() |
[15] |
鲍士旦. 土壤农化分析[M]. 北京: 中国农业出版社, 2000: 495.
( ![]() |
[16] |
中华人民共和国卫生部. 食品中镉的测定: GB/T 5009.15—2003[S]. 北京: 中国标准出版社, 2003: 112-117.
( ![]() |
[17] |
THIOULOUSE J, CHESSEL D, DOLÉDEC S, et al. ADE–4: A multivariate analysis and graphical display software[J]. Stat Comput, 1997, 7(1): 75-83. DOI:10.1023/A:1018513530268 ( ![]() |
[18] |
LIU D H, JIAN W H, LIU C J, et al. Uptake and accumulation of lead by roots, hypocotyls and shoots of Indian mustard [Brassica juncea (L.)]
[J]. Bioresour Technol, 2000, 71(3): 273-277. DOI:10.1016/S0960-8524(99)00082-6 ( ![]() |
[19] |
孙洪欣, 赵全利, 薛培英, 等. 不同夏玉米品种对镉、铅积累与转运的差异性田间研究[J]. 生态环境学报, 2015, 24(12): 2068-2074. ( ![]() |
[20] |
GRANT C A, CLARKE J M, DUGUID S, et al. Selection and breeding of plant cultivars to minimize cadmium accumulation[J]. Sci Total Environ, 2008, 390: 301-310. DOI:10.1016/j.scitotenv.2007.10.038 ( ![]() |
[21] |
刘维涛, 周启星. 重金属污染预防品种的筛选与培育[J]. 生态环境学报, 2010, 19(6): 1452-1458. DOI:10.3969/j.issn.1674-5906.2010.06.035 ( ![]() |
[22] |
孙姣辉, 陈婷婷, 邱博, 等. 几种重金属(Cd、Cr、As) 在玉米植株中的分布研究[J]. 作物研究, 2016, 30(4): 402-405. ( ![]() |
[23] |
文秋红, 于丽华. 玉米自交系富集镉能力和最佳收获时期[J]. 生态学报, 2006, 26(12): 4066-4070. DOI:10.3321/j.issn:1000-0933.2006.12.020 ( ![]() |
[24] |
徐稳定. 超甜38玉米对镉的耐受机理及强化富集研究[D]. 广州: 华南理工大学, 2014.
( ![]() |
[25] |
MÅTHÉ-GÅSPÅR G, ANTON A. Phytoremediation study: Factors influencing heavy metal uptake of plants[J]. Acta Biol Szegediensis, 2005, 49(1/2): 69-70. ( ![]() |
[26] |
袁林, 刘颖, 兰玉书, 等. 不同玉米品种对镉吸收累积特性研究[J]. 四川农业大学学报, 2018, 36(1): 22-27. ( ![]() |