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

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)

Figure  1.  Dry mass of shoot and root per pot of different maize varieties

Different lowercase letters on bars of the same color indicate significant difference (P<0.05, Duncan’s test)

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2.2   不同品种玉米茎叶和根的Cd含量

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

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)

Figure  2.  Cd contents in shoot and root of different maize varieties

Different lowercase letters on bars of the same color indicate significant difference (P<0.05, Duncan’s test)

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2.3   不同品种玉米的Cd富集量

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

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)

Figure  3.  Cd accumulations in shoot and root of different maize varieties

Different lowercase letters on bars of the same color indicate significant difference (P<0.05, Duncan’s test)

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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

柱子上方的不同小写字母表示差异显著(P<0.05, Duncan’s法)

Figure  4.  Total Cd accumulations of different maize varieties

Different lowercase letters on bars indicate significant difference (P<0.05, Duncan’s test)

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2.4   不同品种玉米茎叶的Cd富集系数和转运系数

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)

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)

Figure  5.  Accumulation coefficients (BCF) and translocation coefficients (TF) of different maize varieties

Different lowercase letters on bars of the same color indicate significant difference (P<0.05, Duncan’s test)

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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

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

Figure  6.  Principal component analysis of Cd absorption of different maize varieties

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

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3.   讨论与结论

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。