电子废弃物拆解区重金属低积累玉米品种筛选

李智鸣，李 艳，曹巧莹，郭雄飞,3

(1.华南农业大学 资源环境学院，广东 广州 510642；
2.西华师范大学 环境科学与工程学院，四川 南充 637009;3.广东轻工职业技术学院 生态环境技术学院，广东 广州 510300)

目前，土壤重金属污染修复技术主要有物理修复、化学修复和生物修复.但是，由于修复成本高、修复周期长以及潜在的二次污染等问题，这些相关修复技术难以实际应用在重金属污染农田土壤修复中.近年来，筛选和培育污染物低累积作物品种被认为是保障农产品安全的重要策略.筛选重金属低累积且耐受性强的农作物品种进行种植，有助于降低农作物可食用部位重金属含量[1-2].大量研究表明，重金属在农作物中的富集不仅与作物种类有关，而且与作物品种有关.不同作物类型对同一重金属元素的富集能力及同一作物对不同重金属元素吸收与累积能力均有一定差异性[3-4]，甚至同一种作物的不同品种间对重金属富集能力存在较大差异[5-6].目前，关于重金属低累积作物品种已有大量报道.然而，这些重金属低累积作物品种多是在温室中通过盆栽实验筛选而得，通过大田实验获得重金属低累积作物品种的研究相对较少.由于盆栽实验条件和大田实验条件存在较大的差异，导致盆栽实验的结果并不能很好地指导实际农业生产[7].因此，通过大田实验筛选获得的重金属低累积作物品种更具有实际应用和推广价值.

玉米作为一种重要的经济和粮食作物，对重金属具有较强的耐受性，即使在重金属重度污染的土壤中也能正常生长[8-9].因此，玉米在重金属污染土壤修复与治理方面有着巨大的潜力[10-11].筛选Cd、Cr、Pb、Hg及As低积累且高产量的玉米品种，不仅对于保障农产品安全和人体健康具有重要意义，而且也可作为在重金属污染土壤上进行安全、可持续农业生产的一条重要途径.因此，本研究以广东省清远市清城区龙塘镇某电子废弃物拆解区周边农田为试验田，以华南地区广泛种植的 16种玉米品种为研究对象，通过田间试验，探讨不同玉米品种在电子废弃物拆解活动污染的农田土壤中的生长状况以及对重金属的累积特征的差异，旨在筛选获得重金属低积累玉米品种，以降低玉米膳食重金属暴露风险.同时，为在中轻度重金属污染农田安全种植和生产玉米提供理论指导与参考.

1.1 研究区域概况

试验地位于广东省清远市清城区龙塘镇一处受电子垃圾拆解活动污染的农田(E23°35′3.50″，N113°02′27.99″)，属南亚热带季风气候，年平均气温为18.9～22 ℃，年平均降水日为160～173 d,年平均降水量在1 631.4～2 149.3 mm之间，无霜期314.4 d.土壤质地为砂壤土，在研究区域按“S”型布设5个采样点，采集表层 0～20 cm 土壤，将土样混合均匀后带回实验室，自然风干，除去枯枝落叶、碎石等杂物，分别过20与100目筛备用.经测试分析，其基本理化性质及土壤重金属含量见表1.

表1 试验地土壤基本理化性质

对照GB 15618—2018《土壤环境质量—农用地土壤污染风险管控标准》[12]中对Cd、Cr和Pb规定的风险管控值0.3、150和70 mg/kg(pH≤5.5，耕作方式为其他)可以看出，试验田土壤Cd与Pb超标，Cr未超标.而对于DB 44/T1415—2014《土壤重金属风险评价筛选值—珠江三角洲》[13]而言，同样存在Cd和Pb超标(pH<5.5，耕作方式为旱地)，且3种元素都大幅超过广东省土壤环境背景值[14]，表明试验地土壤已经受到了重金属复合污染，可能存在食用农产品不符合质量安全标准等土壤污染风险.

1.2 材 料

供试玉米为16种华南地区常种的玉米品种，具体的品种信息见下表2.

表2 供试玉米品种信息

1.3 试验设计

试验采用随机区组设计，以玉米品种为处理，每个处理设置3次重复，共设计48个小区，小区规格为1.2 m×5 m.试验于2019年9月进行，播种前先对土壤进行翻耕，然后划定小区，每个小区施复合肥50 g.玉米播种在9月5日进行，每个小区播种12穴，每穴3粒种子，种植密度为60 cm×50 cm，待玉米长到4叶期时进行定植，每穴只留1株玉米.试验田间管理按照当地农户的种植习惯进行.在玉米生长至雄穗抽出时，对所有玉米进行套袋处理，防止花粉杂交干扰试验.2019年12月12日收获玉米，测定各小区产量并采集玉米植株及对应的土壤样品.

1.4 样品分析

1.4.1 植物样品采集与测定

玉米成熟期时，在每个玉米小区随机选取4～5株长势一致的植株(避开生长发育不良和虫蛀的玉米)，将果穗取下混合为一个玉米样品，装入尼龙袋，并做好记录.带回实验室后，剥离玉米籽粒，用自来水清洗干净，再用超纯水清洗3～4次，自然风干表面水珠后，称量鲜重.之后将玉米籽粒放入牛皮信封袋中于80 ℃恒温条件下烘干至恒重，取出玉米籽粒用不锈钢粉碎机粉碎，装入聚乙烯瓶中，拧紧瓶盖，保存待测.

1.4.2 产量测算

在玉米成熟期将各小区内所有玉米果穗取下立即称总重，换算得到各玉米品种的实际产量.

1.4.3 富集系数

玉米籽粒富集系数=玉米籽粒重金属含量(mg/kg)/土壤中重金属含量(mg/kg)

1.5 数据统计分析

数据统计分析采用Microsoft Excel 2018 及SPSS 19.0软件完成，采用Duncan 检验法进行多重比较，并对不同玉米品种籽粒重金属含量作聚类分析.

2.1 不同玉米品种产量差异分析

不同玉米品种产量差异如图1所示.

从图1中可以看出，不同玉米品种的产量存在显著性差异(P<0.05)，16种玉米品种的产量范围在4 756.36～8 408.03 kg/hm2之间，其中，有3个品种的产量超过8 000 kg/hm2，显著高于其他品种，产量最高的品种是正甜68，达到了8 408.03 kg/hm2，其次是华玉三号和华宝甜八号，其产量分别为8 342.42 kg/hm2和8 123.34 kg/hm2.产量最低的品种为绿美甜999，仅为4 756.36 kg/hm2，显著低于其他的15个玉米品种(P<0.05).

图1 不同玉米品种产量差异

2.2 玉米籽粒重金属含量

经过走访村民调查得知，当地种植玉米的主要用途为食用(甜玉米)以及用作家畜饲料(饲料玉米).目前我国对食品和饲料重金属做出限制且现行有效的标准主要有GB 2762—2017《食品安全国家标准—食品中污染物限量》[15]、NY 861—2004《粮食(含谷物、豆类、薯类)及制品中铅、铬、镉、汞、硒、砷、铜、锌等八种元素限量》[16]以及GB 13078—2017《饲料卫生标准》[17]，故采用以上标准对玉米籽粒重金属含量进行评价.3种不同标准中Cd、Cr、Pb、Hg和As的限量值比较见表3.

表3 不同标准中Cd、Cr、Pb、Hg和As的限量值比较

不同玉米品种籽粒Cd、Cr、Pb、Hg及As含量如图2所示.

由图2可知，16种玉米品种籽粒中重金属Cd、Cr、Pb、Hg和As含量范围分别为0.05～0.40 mg/kg、0.24～0.7 8 mg/kg、0.07～0.17 mg/kg、0.003～0.006mg/kg和 0.027～0.047mg/kg.可以看出Cr、Pb、Hg和As的含量均未超过GB 2762—2017《食品安全国家标准—食品中污染物限量》[15]中的规定，而Cd含量部分超标，籽粒Cd含量超过GB 2762—2017《食品安全国家标准—食品中污染物限量》[15]规定的品种达13个之多，Cd超标率为81.25%.可以看出同一玉米品种对不同重金属的吸收积累能力不尽相同，不同品种对同一重金属的积累能力也存在较大差异，总体而言，玉米更容易吸收和积累Cd元素.

图2 不同玉米品种籽粒Cd、Cr、Pb、Hg及As含量

2.3 不同玉米品种富集系数差异分析

富集系数通常能直观地表示植物不同部位对重金属的吸收积累能力大小，不同品种玉米籽粒重金属富集系数见表4.

表4 不同品种玉米籽粒重金属富集系数

从表4可以看出，不同玉米品种对土壤中Cd、Cr、Pb、Hg及As的吸收积累能力存在显著差异(P<0.05).16种玉米品种籽粒Cd的富集系数范围为0.09～0.81，不同品种对Cd的富集能力存在显著差异(P<0.05)，其中富集系数最低的品种是华玉四号，富集系数最高的品种是加甜糯75，其富集系数是华玉四号的9倍左右.相比玉米籽粒Cd的富集系数，Cr的富集系数要低得多，16种玉米品种籽粒Cr的富集系数范围为0.004～0.014，表明玉米籽粒对土壤中Cr的积累能力较弱，其中金甜顺666对Cr的富集能力显著低于其他15个品种(P<0.05)，而正甜68的籽粒Cr富集系数又显著高于其他15个玉米品种(P<0.05)，彩甜糯、口口香加甜、绿美甜666、绿美甜888、绿美甜999、黑美人、白香糯、华甜一号、华玉一号、华玉二号、华玉三号和华玉四号这12个玉米品种对Cr的富集能力不存在显著性差异(P>0.05).16种玉米品种籽粒Pb的富集系数范围为0.000 8～0.001 9,玉米籽粒Pb的富集系数整体比Cd及Cr的富集系数要低.16种玉米品种籽粒Hg的富集系数范围为0.011 5～0.025 8，其中富集系数最低的品种是正甜68，富集系数最高的品种是加甜糯75，其富集系数是正甜68的2.24倍.16种玉米品种籽粒As的富集系数范围为0.001 5～0.002 8，其中富集系数最低的品种是绿美甜888，富集系数最高的品种是华宝甜八号，但16个品种对As的富集系数没有明显差异.16个品种玉米籽粒对土壤重金属的吸收积累能力大小分别为Cd>Hg>Cr>As>Pb.

2.4 不同玉米品种籽粒重金属含量的聚类分析

为了确定不同玉米品种对重金属的吸收积累能力，筛选出重金属低积累玉米品种，对16种玉米品种籽粒Cd、Cr、Pb、Hg和As含量进行聚类分析，结果见图3～图7.所有的玉米品种都生长在同样的环境条件下，而且土壤污染状况与田间管理模式等因素对不同品种玉米吸收重金属的影响也一致，故不同玉米品种籽粒重金属含量的差异反映了品种对重金属的积累能力.

2.4.1 Cd低积累玉米品种筛选

从图3可以看出，16种玉米品种对Cd的积累能力大小可以分为4类.其中，口口香加甜和加甜糯75为籽粒Cd含量最高的一类，即这两个品种为重金属Cd的高累积品种；
正甜68、绿美甜666、绿美甜999、华甜一号、华宝甜八号和华玉一号为籽粒Cd含量较高的一类；
白香糯、华玉三号、黑美人、绿美甜888和华玉二号5个品种为籽粒Cd含量较低的一类；
彩甜糯、金甜顺666和华玉四号3个品种籽粒Cd含量最低，是Cd的低积累品种.

图3 不同玉米品种籽粒Cd含量聚类树形图

2.4.2 Cr低积累玉米品种筛选

从图4可以看出，16种玉米品种对Cr的积累能力大小可以分为3类.其中，白香糯、华玉二号、口口香加甜、华玉一号、绿美甜888、加甜糯75、金甜顺666、黑美人、彩甜糯和华玉三号为籽粒Cr含量最低的一类，这10个品种为Cr的低累积品种，其中，金甜顺666、黑美人、彩甜糯和华玉三号4个品种Cr的含量最低；
华甜宝八号、华玉四号和绿美甜999为籽粒Cr含量较低的一类；
正甜68、华甜一号和绿美甜666为籽粒Cr含量最高的一类，这3个玉米品种是Cr的高累积品种.

图4 不同玉米品种籽粒Cr含量聚类树形图

2.4.3 Pb低积累玉米品种筛选

从图5可以看出，16种玉米品种对Pb的积累能力大小可以分为3类.其中，加甜糯75籽粒Pb含量最低，且显著低于其他15个品种，是Pb的低累积品种；
华甜一号、华玉三号、金甜顺666、口口香加甜、华玉一号、彩甜糯、华玉四号、绿美甜888和白香糯籽粒Pb含量也相对较低；
绿美甜999、华玉二号、正甜68、黑美人、绿美甜666和华宝甜八号这6个品种籽粒Pb含量较高.

图5 不同玉米品种籽粒Pb含量聚类树形图

2.4.4 Hg低积累玉米品种筛选

从图6可以看出，16种玉米品种对Hg的积累能力大小可以分为3类.口口香加甜、华玉四号和加甜糯75这3个品种籽粒Hg含量较高，其中，加甜糯75的含量最高，是Hg的高累积品种；
华宝甜八号、华玉一号、绿美666、华玉二号、彩甜糯、黑美人、绿美甜999和华甜一号8个品种籽粒Hg含量相对较低；
绿美甜888、白香糯、华玉三号、正甜68和金甜顺666这5个玉米品种籽粒Hg含量最低，是Hg的低积累品种.

图6 不同玉米品种籽粒Hg含量聚类树形图

2.4.5 As低积累玉米品种筛选

从图7可以看出，16种玉米品种对As的积累能力大小可以分为3类.其中，绿美甜888这个品种籽粒As含量最低，最As的低累积品种；
口口香加甜、绿美甜999和华玉二号3个玉米品种籽粒As含量稍高于绿美甜888，但相对于其他品种也属较低水平；
黑美人、华玉四号、加甜糯75、华甜一号、金甜顺666、绿美甜666、华玉一号、彩甜糯、华玉三号、白香糯和正甜68这11个玉米品种籽粒As含量相对较高，华宝甜八号玉米籽粒As含量最高，此品种是As的高积累品种.

图7 不同玉米品种籽粒As含量聚类树形图

2.4.6 Cd、Cr、Pb、Hg和As含量聚类的综合分析

考虑到实际的生产和推广应用价值，在筛选重金属低积累品种时应充分关注产量这一因素.可以看出，玉米对Cd元素的富集能力显著高于其他4种元素，应将Cd作为筛选重金属低积累玉米品种时的主要依据之一.经综合分析比较，正甜68是Hg的低积累品种且产量最高，但其Cd和Cr含量过高，彩甜糯和金甜顺666对Pb的积累能力均较低，同时是Cd和Cr的低积累品种，但彩甜糯与金甜顺666相比，对Hg的积累能力稍高，综上，推荐金甜顺666玉米品种为适应于清远市的重金属低积累玉米品种.

本研究选取了16种玉米品种，通过田间试验研究了在Cd、Cr、Pb、Hg和As复合污染的条件下，不同玉米品种产量及籽粒Cd、Cr、Pb、Hg和As含量的差异，结果表明，16种玉米品种的产量存在显著性差异(P<0.05).有3个玉米品种产量显著高于其他13个品种(P<0.05)，分别为正甜68、华玉三号和华宝甜八号.说明此3个品种对Cd、Cr、Pb、Hg和As具有较高的耐受性，这可能与其不同品种间的遗传特异性有关.

在Cd、Cr、Pb、Hg和As复合污染的条件下，不同玉米品种籽粒中的Cd、Cr、Pb、Hg和As含量都存在差异，说明筛选低Cd、Cr、Pb、Hg和As积累玉米品种是可行的.16种参试玉米品种中，除了有13个品种中重金属Cd含量不符合GB 2762—2017《食品安全国家标准—食品中污染物限量》[15]外，其他参试玉米品种籽粒中Cd、Cr和Pb含量都很低，均未超过GB 2762—2017《食品安全国家标准—食品中污染物限量》[15]中的规定.本研究中不同玉米品种对Cr和Pb的富集系数均较低，对Cd的富集系数则明显相对较高，其中，Cd富集系数最低和最高的品种分别是华玉四号和加甜糯75.玉米对重金属的吸收积累，与重金属元素类型和品种间差异均有关[18]，其主要原因是不同品种玉米的形态学、遗传学和解剖学特征或离子运输机制的生理学特性不同.苏春田等[19]认为，玉米对此3种元素的富集系数由大到小为Pb、Cd与Cr，本研究结果与其有所差异，其主要原因是供试玉米品种不同和试验条件差异导致的.通过对16种玉米品种籽粒Cd、Cr、Pb、Hg和As含量聚类分析，并结合产量这一因素，综合筛选出金甜顺666这个品种作为适宜种植于清远市的重金属低积累的玉米品种，可作为中轻度重金属污染地安全利用的代表作物，为重金属预防品种的筛选和培育提供理论依据.本次筛选出的品种种植在不同条件的土壤上，其低积累性状的遗传稳定性有待后续研究的进一步验证.