李基光 王艷蘭 王利群 湯 睿 陳光輝

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)1， 長(zhǎng)沙 410128) (湖南省作物研究所， 長(zhǎng)沙 410125)

我國(guó)有些地方的有色金屬產(chǎn)業(yè)在取得長(zhǎng)足發(fā)展的同時(shí)，也帶來(lái)了諸多環(huán)境問(wèn)題，尤其是導(dǎo)致土壤重金屬污染嚴(yán)重[1]。土壤重金屬Cd被認(rèn)為是首要污染物，Cd生物毒性高且移動(dòng)性強(qiáng)，易導(dǎo)致土壤肥力降低[2]，嚴(yán)重制約著農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。Cd被土壤吸收后，通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體，進(jìn)而危害人類健康[3]。因此，Cd污染區(qū)農(nóng)產(chǎn)品安全性被廣泛關(guān)注，安全品種篩選與種植結(jié)構(gòu)調(diào)整成為降低農(nóng)產(chǎn)品 Cd污染風(fēng)險(xiǎn)有效策略。

穇子(Eleusinecoracana(L．) gaertn．)，又叫龍爪稷、鴨爪粟、堿谷等，禾本科(Gramineae)穇屬(Eleusine)1年生草本植物。穇子起源于非洲，因其具有耐旱、耐瘠薄、耐鹽堿、適應(yīng)性強(qiáng)等特性，在世界很多地方如亞洲的印度、緬甸、斯里蘭卡、尼泊爾、中國(guó)、日本，非洲的烏干達(dá)、肯尼亞、盧旺達(dá)、索馬里等都有種植[4,5]。穇子是世界第四大小米，僅次于高粱、珍珠粟、谷子，是一種非常重要的糧食作物。穇子在非洲很多地區(qū)作為主糧生產(chǎn)，全世界常年種植面積約400～450萬(wàn)公頃，產(chǎn)量約450萬(wàn)t。我國(guó)的湖南、浙江、河南、云南、貴州、四川、廣西、陜西、西藏等省區(qū)均有分布[6]。穇子是一種藥食飼多用的特色作物，其籽粒營(yíng)養(yǎng)豐富，含有較多的膳食纖維、多種氨基酸、多酚、礦物質(zhì)，尤其是的鈣和鉀含量特別豐富[7-8]。在我國(guó)很多山區(qū)穇子作為一種重要的救災(zāi)作物，是主糧的一種主要補(bǔ)充，對(duì)當(dāng)?shù)厝藗兊纳钣兄匾挠绊?。同時(shí)，穇子在預(yù)防結(jié)腸癌、腸道疾病、冠心病和糖尿病、輔助降低血糖、預(yù)防成年的骨質(zhì)疏松等方面起著重要作用[9-12]。其秸稈作為牧草喂養(yǎng)奶牛，能夠顯著提高牛奶品質(zhì)[13]。

近年來(lái)，穇子的價(jià)值不斷被開(kāi)發(fā)利用，越來(lái)越受到廣大消費(fèi)者的青睞，對(duì)穇子的需求也越來(lái)越大。因此，開(kāi)展穇子作物Cd安全性研究就顯得尤為重要。本研究以9個(gè)主栽地方品種為材料，在中輕度和重度Cd污染農(nóng)田開(kāi)展大田實(shí)驗(yàn)，研究?jī)煞NCd污染土壤下，穇子的Cd富集、轉(zhuǎn)運(yùn)特征，分析影響不同穇子籽粒Cd富集及轉(zhuǎn)運(yùn)的主要因素，為穇子在中輕度、重度Cd污染區(qū)安全種植提供品種選擇。同時(shí)，為穇子在中輕度、重度Cd污染地區(qū)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整中的應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)地概況

實(shí)驗(yàn)布置在輕度和重度Cd污染農(nóng)田。輕度Cd污染農(nóng)田位于某蔬菜基地用Cd1表示：土壤全Cd含量0.64 mg/kg，有效Cd 0.27 mg/kg，pH值6.4，土壤有機(jī)質(zhì)40.6 g/kg。重度Cd污染農(nóng)田位于某水稻田用Cd2表示：土壤全Cd含量3.10 mg/kg，有效Cd 1.74，pH 6.14，土壤有機(jī)質(zhì)42.8 g/kg。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

供試材料為9個(gè)穇子品種，來(lái)自湖南省農(nóng)科院作物所資源課題組，均為地方主栽品種，對(duì)應(yīng)編號(hào)為C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

所有品種于2019年4月11日播種，隨機(jī)區(qū)組排列，三次重復(fù)。小區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)格為2 m× 5 m，穴播，穴距為10～15 cm，行距為20～25 cm，每穴播種8～12粒，留苗4～5株。田間栽培管理操作按常規(guī)措施進(jìn)行。在穇子成熟期，取各品種的根、莖稈、籽粒，分別裝袋，風(fēng)干待測(cè)。

土壤和植物樣品中重金屬元素測(cè)定：土壤樣品風(fēng)干后磨細(xì)過(guò)2 mm 網(wǎng)篩備用。稱取0.5 g土壤樣品采用HCl-HNO3-HF·H2O-HClO4全消解的方法，用Z2310原子吸收分光光度計(jì)進(jìn)行Cd含量的測(cè)定。植物樣品采用HNO3-HClO4消解，植物樣品中的Cd元素采用石墨爐原子吸收分光光度法(Z2000)測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2007和DPS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理及相關(guān)性分析。

Cd富集系數(shù)(BF) =穇子植株各部位Cd含量/土壤Cd含量

(1)

富集系數(shù)越大，表示穇子積累重金屬能力越強(qiáng)。

土壤-根Cd的轉(zhuǎn)移系數(shù)(TF)=根的Cd含量/土壤的Cd含量

(2)

根-秸稈Cd的轉(zhuǎn)移系數(shù)(TF)=秸稈的Cd含量/根的Cd含量

(3)

秸稈-籽粒Cd的轉(zhuǎn)移系數(shù)(TF)=籽粒的Cd含量/秸稈的Cd含量

(4)

轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)越高，表示Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)能力越強(qiáng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同穇子品種產(chǎn)量與各器官Cd含量的差異

由表1可以看出，在Cd1和Cd2兩種背景下，9個(gè)穇子品種間產(chǎn)量、籽粒、秸稈、根Cd含量差異顯著，變異系數(shù)均超過(guò)15%。

表1 不同Cd背景下穇子產(chǎn)量、籽粒、秸軒、根Cd含量及變異系數(shù)

Cd2籽粒Cd含量明顯高于Cd1。Cd1籽粒Cd含量在0.044～0.099 mg/kg，均低于GB 2762—2017《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》中食品的鎘限量標(biāo)準(zhǔn)(谷物為 0.1 mg/kg)；Cd2籽粒Cd含量在0.175～0.423 mg/kg，低于GB 13078—2017《國(guó)家飼料飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》中飼料原料限量標(biāo)準(zhǔn)(植物性飼料原料為≤1.0 mg/kg)。

2.2 穇子產(chǎn)量與各器官Cd含量相關(guān)性分析

在Cd1和Cd2兩個(gè)背景下，分別對(duì)不同穇子品種產(chǎn)量、籽粒、秸稈、根Cd含量進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果表明穇子產(chǎn)量與籽粒Cd含量相關(guān)性不大。Cd1中秸稈Cd含量與籽粒Cd含量呈正相關(guān)，且達(dá)到顯著水平(r=0.70*)； Cd2中根Cd含量與秸稈Cd含量呈正相關(guān)，且達(dá)到極顯著水平(r=0.80**)。

2.3 穇子產(chǎn)量與籽粒Cd含量的聚類分析

為了篩選出高產(chǎn)低Cd的穇子品種，對(duì)9個(gè)穇子品種的產(chǎn)量和籽粒Cd含量進(jìn)行聚類分析，結(jié)果見(jiàn)圖1、圖2。通過(guò)聚類分析，可將Cd1 9個(gè)穇子品種分為3類：C1、C6、C4、C5為中產(chǎn)高Cd品種，C3、C8、C7為低產(chǎn)低Cd品種，C2、C9為高產(chǎn)中Cd品種?？蓪d2 9個(gè)穇子品種分為2類：C1、C4、C6、C5、C3、C8、C7為低產(chǎn)中Cd品種，C2、C9為高產(chǎn)中Cd品種。品種C2、C9在Cd1、Cd2背景下均表現(xiàn)出高產(chǎn)、籽粒中等聚Cd的特點(diǎn)。

圖1 Cd1不同穇子品種產(chǎn)量和籽粒Cd含量的聚類分析

圖2 Cd2不同穇子品種產(chǎn)量和籽粒Cd含量聚類分析

2.4 不同Cd背景下穇子不同器官中Cd的富集系數(shù)

由圖3、圖4可知，在Cd1和Cd2兩種背景下穇子根系、秸稈、籽粒的Cd富集效率均為籽粒<秸稈<根系，且根部Cd富集系數(shù)遠(yuǎn)高于秸稈和籽粒，不同品種間各器官富集系數(shù)存在差異。在Cd1和Cd2中穇子籽粒富集系數(shù)差異不大；Cd1秸稈富集系數(shù)只有Cd2的一半；Cd2中穇子根系富集系數(shù)均高于Cd1。

圖3 Cd1穇子不同器官中Cd的富集系數(shù)

圖4 Cd2穇子不同器官中Cd的富集系數(shù)

2.5 不同Cd背景下穇子不同器官中Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)

如圖5、圖6所示，在Cd1和Cd2兩種背景下，穇子根系、秸稈、籽粒的Cd轉(zhuǎn)運(yùn)效率高低順序均為土-根>根-秸桿>秸稈-籽粒，且土壤-根Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)遠(yuǎn)高于根-秸稈和秸稈-籽粒?？傮w來(lái)說(shuō)，Cd2的土-根轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均遠(yuǎn)高于Cd1；穇子根-秸稈轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)在Cd1和Cd2中差異不大；Cd1的秸稈-籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均高于Cd2；但品種間也有差異。

圖5 Cd1穇子不同器官中Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)

圖6 Cd2穇子不同器官中Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)

3 討論

Cd是作物生長(zhǎng)的非必需元素，容易在作物體內(nèi)積累，當(dāng)達(dá)到一定量時(shí)，就會(huì)對(duì)作物產(chǎn)生毒害，從而影響作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。孫鐵珩等[14]認(rèn)為，作物生物量一定程度上可以反映植物對(duì)逆境的響應(yīng)情況，通常植物對(duì)土壤中的重金屬濃度有一定的耐受閾值，超過(guò)耐受的臨界濃度則表現(xiàn)為生長(zhǎng)量降低，生長(zhǎng)受抑。本研究中，不同穇子品種的產(chǎn)量和Cd富集能力存在明顯的基因型差異，且產(chǎn)量差異在不同Cd背景下影響基本一致。李坤權(quán)等[21]研究了Cd在20個(gè)水稻品種體內(nèi)的積累與分配，結(jié)果表明糙米中的Cd濃度和積累速率與水稻產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)，即高產(chǎn)伴隨高Cd。與前人研究不同的是，穇子的產(chǎn)量與籽粒Cd含量相關(guān)性不大，所有穇子品種均表現(xiàn)出較強(qiáng)的Cd耐受能力，可以在Cd濃度較高的土壤中正常生長(zhǎng)，而且對(duì)產(chǎn)量影響不大。有研究表明，水稻同一生育期不同器官之間的Cd含量相關(guān)性不大[15]。但在本研究中發(fā)現(xiàn)：在低Cd土壤條件下，穇子秸稈Cd含量與籽粒Cd含量顯著正相關(guān)，可見(jiàn)在低Cd條件下秸稈對(duì)Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)效率較高，Cd更容易在籽粒中積累；在高Cd土壤條件下，根Cd含量與秸稈Cd含量極顯著正相關(guān)，可見(jiàn)在高Cd條件下根對(duì)Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)效率高，Cd容易在秸稈中積累。

富集系數(shù)在一定程度上反映了土壤-植物系統(tǒng)中重金屬遷移的難易程度，說(shuō)明重金屬在植物體內(nèi)的積累能力[19]。研究發(fā)現(xiàn)，進(jìn)入植物體中的Cd富集于根部，根部Cd的積累一般大于莖葉等其他組織，多數(shù)植物大約65%～90%的Cd存在于根部[16]。本研究中，在高低兩種Cd背景下，所有穇子品種各器官的Cd累積量為根>秸稈>籽粒，而且各器官在高Cd土壤中Cd的累積量明顯高于低Cd土壤，這與魏樹強(qiáng)[17]、Noci等[18]的研究結(jié)論相似。在高Cd背景下，秸稈、根系的Cd富集系數(shù)遠(yuǎn)高于低Cd背景，但籽粒的Cd富集系數(shù)卻低于低Cd背景。重金屬Cd從土壤轉(zhuǎn)運(yùn)到籽粒的程度很小，大部分Cd被截留在根部以及莖葉部分，這可能是作物的一種生殖保護(hù)機(jī)制，使重要的生殖器官免受元素過(guò)量吸收的毒害，這可能也是穇子對(duì)Cd較耐受的主要原因[20]。龍小林等[22]的研究發(fā)現(xiàn)，秈稻CG132R和粳925各器官均在低濃度Cd處理下具有較高的Cd富集系數(shù)，說(shuō)明水稻植株各器官在低Cd土壤中具有較強(qiáng)的Cd富集能力。

本研究中，穇子根系、秸稈、籽粒的Cd轉(zhuǎn)運(yùn)效率高低順序均為土-根>根-秸桿>秸稈-籽粒，且土壤-根Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)遠(yuǎn)高于根-秸稈和秸稈-籽粒。高Cd土壤條件下，穇子土-根轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)是低Cd條件下的一倍，但到了根-秸稈環(huán)節(jié)，兩種條件下Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)相當(dāng)，最后在高Cd土壤條件下秸稈-籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)不到低Cd條件下的一半，可見(jiàn)穇子對(duì)Cd的吸收和運(yùn)轉(zhuǎn)是主動(dòng)的、可調(diào)節(jié)的、具有品種差異、器官差異和背景差異的。

由于穇子根和秸稈對(duì)Cd的富集能力與轉(zhuǎn)運(yùn)能力較強(qiáng)，在高Cd污染地區(qū)種植后把其秸稈和根系移除，可起到一定土壤修復(fù)的作用。本文論述了穇子作為Cd累積作物修復(fù)Cd污染農(nóng)田的可行性，提供了其在種植結(jié)構(gòu)調(diào)整中作為替代作物的科學(xué)依據(jù)。但本研究也存在一些不足，如缺乏穇子生物量的調(diào)查數(shù)據(jù)，不能為飼用穇子生產(chǎn)提供更充分的依據(jù)。下一步將針對(duì)Cd對(duì)穇子營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的影響開(kāi)展相關(guān)研究。

4 結(jié)論

Cd在穇子體內(nèi)各器官的分配規(guī)律為根>秸稈>籽粒。Cd從土壤轉(zhuǎn)運(yùn)到籽粒的程度很小，大部分Cd被截留在根部以及莖葉部分，使重要的生殖器官免受元素過(guò)量吸收的毒害。

Cd在穇子體內(nèi)的運(yùn)轉(zhuǎn)規(guī)律為土-根>根-秸稈>秸稈-籽粒。穇子對(duì)Cd的吸收和運(yùn)轉(zhuǎn)是主動(dòng)的、可調(diào)節(jié)的、具有品種差異、器官差異和背景差異。

不同穇子品種的產(chǎn)量和Cd富集能力存在明顯的基因型差異，且產(chǎn)量差異在不同Cd背景下影響基本一致。中輕度Cd污染條件下，9個(gè)穇子品種籽粒Cd含量均<0.099 mg/kg，低于國(guó)家食品Cd安全標(biāo)準(zhǔn)；重度Cd污染條件下，9個(gè)穇子品種籽粒Cd含量均<0.5 mg/kg，低于國(guó)家飼料Cd安全標(biāo)準(zhǔn)。品種C2、C9產(chǎn)量高，Cd吸收能力中等，推薦在域值范圍內(nèi)使用，從而實(shí)現(xiàn)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整，安全高效生產(chǎn)。