馬鳳儀，馬立超，趙寶平*，王永寧，魯瑞英，郭曉宇，陳淼，劉景輝

（1.內蒙古農業(yè)大學農學院，呼和浩特 010019；2.內蒙古農牧業(yè)生態(tài)與資源保護中心，呼和浩特 010000；3.巴彥淖爾市耕地質量監(jiān)測保護中心，巴彥淖爾 015000；4.烏拉特后旗農村牧區(qū)生態(tài)能源環(huán)保站，巴彥淖爾 015000）

近年來，隨著工農業(yè)的迅速發(fā)展，工業(yè)“三廢”和農事操作不當導致農田重金屬污染等環(huán)境問題凸顯，糧食安全問題也受到廣泛關注[1-2]。重金屬Cd在所有無機污染物中超標率最高[3]，農田Cd可以通過土壤轉移積累到作物的可食部位，降低作物品質進而威脅人體健康[4]，減少作物可食部位Cd 積累量、保證作物安全生產已成為環(huán)境科學領域關注的重點[5]。目前，篩選重金屬低積累品種是解決農作物中重金屬超標的重要途徑之一[6]。

不同作物對重金屬的吸收、累積存在種間和種內差異[7]。諸多學者通過不同評價指標已對水稻[8]、小麥[9]、玉米[10]等作物重金屬低積累品種的吸收累積特征進行了大量研究，其中，小麥對Cd具有較強的富集能力[11]。目前，有關冬小麥Cd 低積累品種篩選的研究很多，明毅等[12]通過大田試驗和土培試驗相結合的方式，從所選用的139 份小麥材料中篩選籽粒Cd 低積累且高產型品種，獲取了4 份具有穩(wěn)定的籽粒Cd低積累且高產特性的小麥材料。

本試驗廣泛收集春小麥主產區(qū)主推的優(yōu)質小麥品種，在內蒙古河套灌區(qū)Cd污染農田連續(xù)開展2 a大田試驗，進行籽粒Cd低積累且高產春小麥品種篩選，并分析不同類型春小麥各器官Cd 富集系數、Cd 從各器官到籽粒的轉運系數與產量的相關性差異，旨在為Cd污染農田的安全生產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2020年和2021年在內蒙古河套灌區(qū)某地進行，地處溫帶，屬高原大陸性氣候，年平均氣溫14.3 ℃，試驗地土壤為堿性棕鈣土。供試區(qū)由于有色金屬礦山開采導致土壤重金屬Cd 超標，土壤Cd 含量2020 年為1.5 mg·kg-1、2021 年為1.2 mg·kg-1，基本理化性質如表1所示。

表1 大田試驗供試土壤理化性質Table 1 The physical and chemical properties of the field experiment tested soil

1.2 供試材料與試驗設計

供試春小麥品種21 個：農麥2 號、農麥4 號、農麥5號由內蒙古自治區(qū)農牧業(yè)科學院提供；豐強6號、豐強9 號、豐強10 號、豐強11 號、吉春12 號由吉林省農業(yè)科學院提供；巴麥6 號、巴麥12 號、巴麥13 號、巴麥15 號、巴麥22 號由巴彥淖爾市農業(yè)科學院提供；M7723、EM604、PJ627、H3015、寧2038、寧春4 號、寧春50 號、寧春57 號由寧夏回族自治區(qū)農業(yè)科學院提供。試驗品種編號詳見表2。

表2 試驗供試品種編號Table 2 Tested variety number

試驗采用隨機區(qū)組設計，小區(qū)面積為3.6 m×6 m=21.6 m2，行距15 cm，播種密度4×106株·hm-2（基本苗），重復3 次；機器開溝，人工播種，2020 年于3 月19日播種，2021 年于3 月21 日播種；種肥磷酸二銨（N 18%、P2O546%）25 kg·hm-2，復 合 肥（N 16%、P2O516%、K2O 16%）15 kg·hm-2，拔節(jié)期追施尿素40 kg·hm-2，整個生育期灌水3次，其他種植管理方式按照當地常規(guī)習慣種植。

1.3 樣品采集與處理

1.3.1 土壤樣品采集與處理

于成熟期取土樣，每品種小區(qū)按照5點取樣，取耕層30 cm的根際土壤，剔除土壤中的非土壤成分，在室內自然風干后分別過2 mm和0.15 mm土篩后備用。

1.3.2 植物樣品采集與處理

各小區(qū)春小麥收獲時，按照3 點取樣，各采集20 cm 整株春小麥，將其分為根（根系先后用自來水、去離子水洗滌）、莖稈、葉、穎殼和籽粒樣品，分別混合后按照四分法留取樣品，105 ℃殺青30 min，85 ℃烘至恒量，用粉碎機磨碎后過0.15 mm篩待用。

1.4 測定指標與方法

1.4.1 樣品Cd含量測定

（1）使用微波消解-石墨爐原子吸收分光光度法測定土壤樣品Cd全量[13]。

稱取0.20 g 過100 目篩的土壤樣品，放入與微波消解儀配套的消解管中，采用三酸消解體系，依次放入4 mL HNO3、2 mL HCl、2 mL HF，浸泡過夜，加蓋密封后放入儀器中，每個樣品5 個平行，同時做空白實驗。反應分為3個階段，第1階段：120 ℃，40 min；第2階段：150 ℃，5 min；第3階段：185 ℃，20 min。消解結束后冷卻1 h，在通風櫥中趕酸至近干，定容至50 mL，過濾。消解后樣品Cd濃度用石墨爐原子吸收分光光度計測定。

（2）使用微波消解-石墨爐原子吸收分光光度法測定植物樣品的Cd含量[14]。

稱取0.500 0 g干燥樣品，放入與微波消解儀配套的消解管中，依次放入7 mL HNO3，2 mL H2O2，浸泡過夜，加蓋密封后放入儀器中，每個樣品3 個平行，同時做空白實驗。反應分為3 個階段，第1 階段：120 ℃，10 min；第2 階段：150 ℃，10 min；第3 階段：185 ℃，30 min。消解結束后冷卻1 h，在通風櫥中趕酸至近干，定容至25 mL，過濾。消解后樣品Cd濃度用石墨爐原子吸收分光光度計測定。

1.4.2 不同品種春小麥產量的測定

成熟后在每一品種小區(qū)隨機選1 m2收割穗頭，脫粒曬干后測定質量，即1 m2產量。

1.5 數據處理

式中：EDI為重金屬膳食暴露量；THQ為標靶危害系數，可用于評估人體通過食物攝取重金屬的風險，當THQ≤1.0時，認為人體負荷的重金屬對人體健康造成的影響不明顯；C為小麥籽粒中重金屬含量，μg·kg-1；FIR為每人每日谷物攝入量，g·人-1·d-1；EF為暴露頻率，取365 d·a-1；ED為暴露年限，取70 a；Bw為成人的平均體質量，取65 kg·人-1；AT為生命期望值，取70 a；365 為轉化系數；RfD為消化食物的比率，μg·kg·d-1。有研究[12]指出，成年人平均每天的谷類食物食用量為261.1 g·人-1·d-1；根據美國整合風險信息系統(tǒng)，Cd 的RfD為1.0 μg·kg-1·d-1。

采用Excel 2019 進行一般數據統(tǒng)計，采用SPSS 25.0 統(tǒng)計軟件進行單因素方差分析（ANOVA），采用最小顯著差異法（LSD）進行不同處理均值的差異顯著性比較，采用系統(tǒng)聚類法對不同品種進行聚類分析；采用Excel 2019軟件進行圖形處理。

2 結果分析

2.1 不同品種春小麥各器官Cd含量及籽粒Cd安全風險評價

2.1.1 各器官Cd含量及籽粒Cd含量聚類分析

不同品種春小麥根、莖、葉、穎殼和籽粒Cd 含量如表3 所示。2020、2021 兩年試驗結果綜合表明，不同品種春小麥各器官Cd含量總體趨勢為根>葉>穎殼≈莖>籽粒；X10 籽粒Cd 含量在兩年試驗中均符合國家食品安全標準值0.1 mg·kg-1（GB 2715—2016）；籽粒Cd含量在2020年超標率為95.24%，2021年超標率為52.38%。

表3 不同品種春小麥各器官Cd含量（mg·kg-1）Table 3 Cd content in each organ of spring wheat of different varieties（mg·kg-1）

將2020 年和2021 年不同品種春小麥籽粒的Cd含量進行綜合聚類分析，可分為3 類，即高Cd 積累型、中Cd積累型和低Cd積累型。如圖1所示，具有籽粒Cd低積累特性的品種有X4、X7、X8、X9、X10、X16、X17、X18、X19、X20、X21，占總品種數的52.38%；具有籽粒Cd 中積累特性的品種有X1、X2、X3、X5、X6、X11、X12、X13、X15，占總品種數的42.86%；具有籽粒Cd高積累特性的品種為X14，占總品種數的4.76%。

圖1 不同春小麥品種籽粒Cd積累能力聚類分析Figure 1 Cluster analysis of Cd accumulation ability in different spring wheat varieties

2.1.2 籽粒Cd安全風險評價

不同品種春小麥標靶危害系數如圖2 所示。2020 年THQ值介于0.310~1.288 之間，2021 年THQ值介于0.326~1.982之間。X3~X11、X13、X16~X21等16個春小麥品種在兩年試驗中THQ均小于1。

圖2 不同品種春小麥標靶危害系數Figure 2 Target hazard coefficients of different varieties of spring wheat

2.2 不同品種春小麥產量

2.2.1 產量聚類分析

在相同Cd污染環(huán)境下不同品種春小麥產量如圖3 所示，不同品種春小麥產量存在顯著差異。2020 年X4 產量最高，X14 最低；X4 較其他品種高7.89%~381.4%。2021 年X7 產量最高，X12 最低；X7 較其他品種高2.26%~332.31%。2020 和2021 兩年數據綜合表明，X12 產量受Cd 脅迫影響較大；X4 和X7 受Cd 脅迫影響較小，產量較高且穩(wěn)定。

圖3 不同品種春小麥產量Figure 3 Yield of different varieties of spring wheat

將2020年和2021年不同品種春小麥產量進行綜合聚類分析（圖4），可分為2 類，即高產和低產。其中，高產春小麥有X1~X8、X10、X13、X15~X21 等17個品種，占供試品種的80.95%；低產春小麥有X9、X11、X12、X14等4個品種，占供試品種的19.05%。

圖4 不同品種春小麥產量聚類分析Figure 4 Cluster analysis of spring wheat yield of different varieties

2.2.2 不同Cd積累能力春小麥品種產量分析

通過不同品種春小麥籽粒Cd含量和產量的聚類分析（圖1、圖4）可得到以下5個類型（表4）：高產低Cd品種X4、X6~X8、X10、X16~X21等11個，占供試品種的52.38%；高產中Cd 品種X1~X3、X5、X13、X15 等6 個，占供試品種的28.57%。低產低Cd品種X9，占供試品種的4.76%；低產中Cd 品種X11、X12，占供試品種的9.52%；低產高Cd品種X14，占供試品種的4.76%。

表4 不同類型春小麥品種分類Table 4 Different types of spring wheat

2.3 不同類型春小麥Cd富集特征差異

2.3.1 對Cd的富集特征

分組統(tǒng)計春小麥各器官的富集系數，結果如圖5所示。在兩年試驗中，土壤Cd 進入不同類型春小麥品種植株后主要集中在根部，低產中Cd 春小麥根中Cd 含量綜合表現為最高；2020 年高產低Cd 春小麥品種莖中Cd 含量較高產中Cd、低產低Cd、低產中Cd、低產高Cd 類型品種分別顯著低35.30%、11.77%、58.82%、17.65%。除低產低Cd和低產高Cd兩個類型的春小麥外，其他類型春小麥在兩年中的Cd 富集系數均呈現為根>葉>穎殼≈莖>籽粒的規(guī)律，且各器官的富集系數均小于1。

圖5 不同類型春小麥品種各器官Cd富集系數Figure 5 Cd bioaccumulation factor of various organs of different types of spring wheat

2.3.2 籽粒Cd 富集系數與其他器官Cd 富集系數的相關性

將春小麥籽粒Cd 富集系數與其他器官的Cd 富集系數進行相關性分析，結果如表5 所示。兩年數據共同表現為莖的Cd 富集系數與籽粒Cd 的富集系數呈顯著正相關關系。

表5 春小麥籽粒Cd富集系數與各器官Cd富集系數的相關性Table 5 Correlation between Cd bioaccumulation factor of spring wheat grains and Cd bioaccumulation factor of various organs

2.4 不同類型春小麥Cd轉運特征差異

2.4.1 對Cd的轉運特征

分組統(tǒng)計春小麥各器官間Cd 轉運系數，結果如圖6 所示。綜合兩年試驗結果表明，不同類型春小麥根到莖和根到籽粒的Cd 轉運系數均小于1；Cd 從莖到葉的轉運系數均值最大，2020 年和2021 年分別為2.83和2.15。

圖6 不同類型春小麥品種各器官間Cd轉運系數Figure 6 Cd transport factor among organs of different types of spring wheat

低產高Cd 類型春小麥品種Cd 從根、莖、葉、穎殼到籽粒的Cd 轉運系數均顯著高于高產低Cd 類型春小麥品種（P<0.05），2020 年分別顯著高58.82%、21.67%、61.1%、68.97%；2021年分別顯著高431.25%、414.03%、300%、356.52%。

2.4.2 籽粒Cd 富集系數與其他器官Cd 轉運系數的相關性

將春小麥籽粒Cd 富集系數與其他器官的Cd 轉運系數進行相關性分析，結果如表6 所示。兩年數據共同表現為Cd 從根、莖、葉、穎殼到籽粒的Cd 轉運系數與籽粒Cd的富集系數呈顯著正相關關系。

表6 春小麥籽粒Cd富集系數與各器官Cd轉運系數的相關性Table 6 Correlation between Cd bioaccumulation factor of wheat grains and Cd transport factor of various organs

3 討論

篩選和培育具有低Cd積累特性的作物品種是使Cd 污染土壤得到持續(xù)安全生產且經濟、有效的途徑之一[16]。低Cd 積累作物的評價基本采用籽粒Cd 含量、轉移系數或富集系數等對材料進行初步聚類分析以確定材料的類型，選擇作物可食部位吸收Cd 含量或關鍵指標進行評價，可較好地體現出相同作物不同品種間對Cd的吸收差異[17]。本研究所選的21個春小麥品種籽粒Cd 的富集系數在2 期大田試驗中均小于1，說明供試品種對Cd 均具較高的耐受性。李樂樂等[18]根據國家標準（GB 2715—2016）以及聚類分析、標靶危害系數、富集系數和轉運系數篩選出了16 個可在中輕度Cd污染農田推廣種植的小麥品種。本研究對21 個春小麥品種進行低Cd 積累品種篩選的基礎上結合產量，篩選出了11 個可在Cd 污染農田進行推廣種植的具有低Cd高產特性的春小麥品種。明毅等[12]通過籽粒Cd 含量和產量進行綜合聚類分析，獲得了同時具有低Cd且高產特性的小麥品種。本研究在2 期大田試驗中，通過結合籽粒Cd 含量、籽粒產量和標靶危害系數篩選出了11 個低Cd 高產的春小麥品種，豐強10 號（X8）、EM604（X17）、寧春50 號（X19）、H3015（X20）雖籽粒Cd 含量超過了國家食品安全標準值，但這4個品種標靶危害系數值均小于1，人體攝入后對人體健康不會造成明顯影響。因此，從經濟收益和糧食安全角度，可考慮將篩選出的Cd低積累且高產的春小麥品種在輕度Cd污染農田進行推廣種植，使受污染農田得到安全利用的同時增加收益。

土壤中的Cd離子通過質外體或共質體途徑進入植物根系，根系是Cd 進入植物體內的首要門戶，是Cd 的主要積累器官。籽粒中Cd 含量取決于地上部各器官Cd 的吸收、運輸[19]，同種作物不同類型間Cd吸收轉運存在差異[20-22]。本研究發(fā)現，不同類型春小麥品種各器官中根部的Cd 富集系數最大、籽粒Cd 富集系數最小，這表明大量的Cd都被根固定吸收，這與劉暢等[22]和辛艷衛(wèi)等[20]、鄧婷等[23]在高、低Cd 積累冬小麥和玉米品種各器官Cd 含量差異研究結果一致。在不同類型春小麥品種籽粒Cd富集系數與其他器官Cd 富集系數的相關性分析中，莖的Cd 富集系數與籽粒Cd 富集系數呈顯著的正相關關系，這與胡瑩等[24]研究結果一致。對各類型春小麥根的Cd富集系數進行對比發(fā)現，在2020年試驗中低產中Cd和低產高Cd類型的春小麥莖的Cd 富集系數與高產低Cd 類型間春小麥莖的Cd富集系數呈顯著差異，蔡秋玲等[8]研究結果中，低產高Cd 春小麥和低產低Cd 春小麥的Cd富集系數之間有顯著差異，且該研究發(fā)現不同產量和富集能力的水稻類型的差異主要在于莖和葉的富集與轉移。本研究兩年試驗結果表明，低產中Cd 類型的春小麥品種和高產低Cd 類型春小麥莖部Cd 富集系數存在差異。

Cd 轉運系數是評價Cd 在植物體內的分配情況及植物對Cd 轉運能力的重要指標[25]。地上部的轉運主要經歷的過程包括Cd 離子進入木質部、木質部的轉運及韌皮部的輸送。前人研究表明，籽粒中Cd 含量的差異取決于根和莖葉中Cd從穗軸向穎殼和籽粒的轉運與再分配[19]，莖是地上部Cd 轉運的主要通道[26]。本研究結果表明，在2 期大田試驗中，各器官到籽粒的Cd 轉運系數中，Cd 由莖和穎殼向籽粒的轉移能力均較根和葉向籽粒的轉運能力強，其中，低產高Cd 春小麥品種Cd 從莖到籽粒的轉運系數顯著高于其他類型品種；各器官Cd 轉運系數中Cd 由莖到葉的轉運系數最大，其中，高產低Cd 類型春小麥品種Cd 由莖到葉的轉運系數較其他類型高0.45~1.52 倍，這與蔡秋玲等[8]的研究結果一致，與其研究結果不同的是，本研究結果中Cd 從葉到穎殼和葉到籽粒的轉運系數較其他類型春小麥品種小。綜上結果分析表明，高產低Cd 類型的春小麥品種大量的Cd 被截留在葉中。在相關性分析中，Cd 從各器官到籽粒的Cd 轉運系數均與籽粒Cd 的富集系數呈正相關關系，在2021 年低產高Cd 類型各器官到籽粒的Cd 轉運系數較其他類型品種高，而2期試驗結果表現并不穩(wěn)定。

從本研究結果可見，高產低Cd 和低產高Cd 兩個類型的春小麥品種的差異在于Cd 在莖中的富集和Cd 由根、莖、葉、穎殼到籽粒的轉運，由此在生產過程中采取有效阻控措施控制根對Cd的吸收及向地上各器官的轉運均可能降低籽粒中Cd含量。

4 結論

（1）不同類型春小麥品種各器官Cd 含量及Cd 富集系數總體表現為根>葉>穎殼≈莖>籽粒的規(guī)律，且各器官的富集系數均小于1；高產低Cd類型春小麥品種和低產高Cd類型春小麥品種的主要差異在于Cd在莖的富集和Cd從根、莖、葉、穎殼到籽粒的轉運。

（2）X4、X6~X8、X10、X16~X21 等11 個品種標靶危害系數均小于1，且同時具有低Cd 高產特性，可優(yōu)先考慮在Cd污染農田進行推廣種植。