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山东偏酸性棕壤区小麦镉低累积品种筛选_井永苹.pdf

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资源描述

1、农业环境科学学报Journal of AgroEnvironment Science2023,42(6):1238-12462023年6月井永苹,聂岩,李彦,等.山东偏酸性棕壤区小麦镉低累积品种筛选J.农业环境科学学报,2023,42(6):1238-1246.JING Y P,NIE Y,LI Y,et al.Low-cadmium accumulation wheat varieties preparation in acid brown soil region of Shandong ProvinceJ.Journal of Agro-Environment Science,2023,4

2、2(6):1238-1246.山东偏酸性棕壤区小麦镉低累积品种筛选井永苹1,2,聂岩3,李彦1,2*,康馨5,黄现民3,赵瑞君4,仲子文1(1.山东省农业科学院农业资源与环境研究所,济南 250100;2.农业农村部黄淮海平原农业环境重点实验室,济南 250100;3.山东省农业农村厅农业环境保护和农村能源总站,济南 250100;4.招远市农业技术推广中心,山东 招远 265400;5.银川市农业技术推广服务中心,银川 750002)Low-cadmium accumulation wheat varieties preparation in acid brown soil region o

3、f Shandong ProvinceJING Yongping1,2,NIE Yan3,LI Yan1,2*,KANG Xin5,HUANG Xianmin3,ZHAO Ruijun4,ZHONG Ziwen1(1.Institute of Agricultural Resources and Environment,Shandong Academy of Agricultural Sciences,Jinan 250100,China;2.KeyLaboratory of Agro-Environment in Huang-Huai-Hai Plain,Ministry of Agricu

4、lture and Rural Affairs,Jinan 250100,China;3.Agricultural Environmental Protection and Rural Energy General Station of Shandong Provincial Department of Agriculture andRural Areas,Jinan 250100,China;4.Zhaoyuan Agricultural Technology Extension Center Shandong,Zhaoyuan 265400,China;5.Yinchuan Agricul

5、tural Technology Extension Service Center,Yinchuan 750002,China)Abstract:To determine the low-cumulative wheat varieties suitable for planting in the Cd pollution risk area of acidic brown soil inShandong,20 local wheat cultivars were selected as specimina,and field experiments were conducted to ana

6、lyze the differences in grain Cdaccumulation of the 20 wheat cultivars.The results showed that the Cd content in wheat grains ranged from 0.013 mgkg-1to 0.116 mgkg-1.Furthermore,the enrichment and transport coefficients were significantly different(P1为污染。(2)内梅罗综合污染指数法内梅罗综合污染指数计算公式如下:P综=P2max+P2ave2(

7、5)式中:P综为内梅罗综合污染指数;Pmax为小麦籽粒中重金属最大单因子污染指数;Pave为小麦籽粒中重金属单因子污染指数平均值。内梅罗综合污染指数污染等级划分标准:P综0.7清洁安全,0.71.0 尚安全(警戒线),P综1.0污染。(3)小麦籽粒健康风险评价靶标危害系数(THQ)计算公式如下:EDI=(CFIREFED)/(365BwAT)21-22(6)THQ=EDI/RfD(7)式中:EDI为重金属膳食暴露量;THQ为靶标危害系数,是一种用于人体通过食物摄取重金属风险的评估1240井永苹,等:山东偏酸性棕壤区小麦镉低累积品种筛选2023年6月方法,当THQ1.0时,认为人体负荷的重金属对

8、人体健康造成的影响不明显;C 为小麦籽粒中重金属含量,gkg-1;FIR为每人每日谷物摄入量,g 人-1d-1;EF为暴露频率,取365 da-1;ED为暴露年限,取77.3a(中国人口平均寿命);Bw为成人的平均身体质量,取64.3 kg 人-1;AT为生命期望值,取77.3 a;365为转化系数;RfD为消化食物的比率,gkg-1d-1。研究指出,成年人平均每天的谷类食物食用量为150 g 人-1d-1;根据美国整合风险信息系统,Cd的RfD为1.0 gkg-1d-1。1.7 数据统计与分析所有实验数据先使用WPS Office进行整理,再用SPSS 22和Origin 2018软件进行统

9、计分析及图表的绘制,使用单因素方差分析比较各处理间与对照组的差异性。采用系统聚类对不同品种进行聚类分析。2结果与分析2.1 不同品种小麦产量指标供试的20个小麦品种间产量(表2)有显著差异(P0.05)。产量范围为5604.210 593.0 kghm-2,其中烟农215的产量最高为10 593.0 kghm-2。本研究中烟农系列小麦品种的产量均居前列,产量高于9 500 kghm-2;济麦44、济麦106、济麦0435和济麦55等产量高于8 900 kghm-2,处于中等水平;而中麦578和泰科33的产量水平较低,分别为 6 169.5 kghm-2和 5 604.2kghm-2。穗数范围为

10、438.0万691.5万株 hm-2,其中济麦23的穗数最高。穗粒数范围为31.847.8粒,济麦 5022 的穗粒数最高。千粒质量最高的品种为37.049.4 g,中麦 578 和烟农 215 的千粒质量最高。不同品种小麦穗数、穗粒数、千粒质量和产量存在显品种编号Serial number1234567891011121314151617181920最大值最小值变异系数穗数/(万株 hm-2)Number of ears per acre(10 000 plants)691.552.5a646.578.2b462.378.4c661.533.2b609.278.1c648.461.5b438

11、.048.2d658.591.5b642.369.2b633.257.1b670.5112.5b663.196.0b588.097.5c667.567.5b688.582.5a640.5106.5b667.597.5b502.561.5d609.2105.3b541.567.5d691.5438.00.119穗粒数/粒Number of ears/grains34.05.0c37.16.0b31.82.0c36.54.0b33.96.0c34.52.0c33.33.0c38.64.0b40.33.0ab37.42.0b36.32.2b37.12.0b37.55.0b38.14.0b40.15.

12、0ab39.34.0b35.55.0c47.83.0a45.25.0ab42.64.0ab47.831.80.105千粒质量1,000 grain weight/g47.06.1ab45.18.2b49.45.2a41.05.5b37.04.0c47.75.0ab45.23.0b46.93.6b47.24.0ab45.13.5b46.05.3b42.94.5b39.64.6c49.05.1a43.53.6b45.34.3b45.64.4b43.23.5b44.85.2b43.23.5b49.437.00.068产量Yield/(kghm-2)8 835.4315.2bc9 195.2390.3

13、b6 169.5300.1d8 595.1165.0c6 750.3285.2d9 075.4345.1b5 604.2240.3e10 132.5345.0ab10 380.4375.4a9 075.2255.4b9 516.2270.3b8 970.4345.0b8 130.3360.2c10 593.0465.0a10 209.1420.1ab9 693.3300.2b9 184.5165.1b8 700.0225.0bc8 400.1255.3c8 470.5270.1c10 593.05 604.20.151注:平均值标准误差(n=3)。同一列不同字母表示各品种之间差异显著(P0.0

14、5)。下同。Note:Mean standard error(n=3).The different letters after the same column of data showed significant difference between treatments(P0.05).Thesame below.表2 小麦产量指标数据Table 2 The data of wheat yield index1241农业环境科学学报第42卷第6期著性差异的原因可能是不同小麦品种之间存在遗传差异,以及受当地气候、土壤环境等因素的影响。2.2 不同品种小麦籽粒Cd含量20个供试小麦品种籽粒Cd含量

15、(图1)的差异显著(P0.05)。小麦籽粒Cd含量最高的是3号小麦(中麦578),Cd含量为0.116 mgkg-1,籽粒Cd含量最低的品种是12号小麦(济麦55)和13号小麦(济糯116),籽粒Cd含量均为0.013 mgkg-1,最高值是最低值的8.923倍,20个品种籽粒的平均值为0.042 mgkg-1。8号(烟农745)、20号(济麦38)和11号(济麦0435)小麦籽粒 Cd 含量也相对较低。只有 3 号小麦(中麦578)籽粒Cd含量超出了 食品安全国家标准 食品中污染物限量(GB 27622017)中规定的小麦Cd的限量标准值(0.1 mgkg-1),其余品种均不超标。2.3 不

16、同品种小麦苗期地上部Cd含量和富集系数表3为20个小麦品种苗期地上部的Cd含量和富集系数。由表3可知,20个小麦品种苗期地上部Cd含量差异较大,介于 0.0390.297 mgkg-1之间,平均值为 0.126 mgkg-1。其中 13号小麦(济糯 116)苗期地上部的Cd含量最低,12号小麦(济麦55)、15号小麦(烟农 1212)Cd含量也相对较低,14号小麦(烟农215)苗期地上部的Cd含量最高。20个小麦品种苗期地上部的富集系数间存在显著差异,介于 0.1190.774之间,富集系数最小的是13号小麦(济糯116),最大的是14号小麦(烟农215)。不同品种小麦苗对Cd的吸收富集存在显

17、著差异的原因可能是不同小麦品种之间的遗传差异。2.4 不同品种小麦籽粒富集系数和转运系数由表4可知,20个小麦品种籽粒富集系数范围为0.0380.355,不同品种间的富集系数差异显著,富集系数最小的小麦品种是 13号(济糯 116),其次是 12号(济麦55)、8号(烟农745)、11号(济麦0435)、18号(济麦5022),富集系数最高的是3号(中麦578)。小麦籽粒Cd含量变化特征与小麦不同部位Cd的转移能力有关。转运系数越小,表明Cd越难以到达籽粒。对20个小麦品种Cd转运系数分析发现(表4),表3 小麦苗期地上部Cd含量和富集系数Table 3 Cd content in above

18、ground part of wheat at seedling stage品种编号Serial number12345678910Cd含量Cd content/(mgkg-1)0.1600.015b0.1880.014a0.0770.011c0.0790.026c0.1640.017b0.0940.005c0.1240.016bc0.1480.012b0.1300.007b0.1100.007c富集系数BCF0.4810.141b0.5910.140a0.2360.143c0.2580.062c0.4770.053b0.3080.081c0.3950.123bc0.4450.131b0.39

19、60.112b0.2750.063c品种编号Serial number11121314151617181920Cd含量Cd content/(mgkg-1)0.0960.021c0.0530.005d0.0390.011e0.2970.008a0.0580.015d0.1880.006b0.0790.005c0.1880.005b0.1770.013b0.0740.010c富集系数BCF0.2560.012c0.1680.006d0.1190.005e0.7740.014a0.1710.007d0.5340.008b0.2290.014c0.5610.009b0.4620.016b0.2300

20、.015c图1 供试20个小麦品种的籽粒Cd含量Figure 1 Grain Cd content of 20 wheat varieties in field experimentCd含量Cd content/(mgkg-1)品种编号Serial number1242井永苹,等:山东偏酸性棕壤区小麦镉低累积品种筛选2023年6月TF根系-秸秆为0.320(济糯116)0.642(济麦70),最大值是最小值的2.01倍;TF秸秆-籽粒为0.093(济麦38)0.496(中麦578),最大值比最小值高4.36倍。12号小麦(济麦55)和20号小麦(济麦38)的TF秸秆-籽粒最低,其次是11号小麦

21、(济麦 0435);TF根系-秸秆最小的品种为 13号(济糯116)、8号(烟农745)、9号(烟农572)、12号(济麦55)、15号(烟农1212)。12号(济麦55)和13号小麦(济糯116)相较于其余18个品种在小麦苗期和成熟期均表现出低Cd累积特性。14号小麦(烟农215)在苗期表现出了较强的富集Cd的能力,地上部Cd含量和富集系数均高于其余品种,而籽粒中富集Cd的能力有所下降。3号小麦(中麦578)在小麦苗期并未表现出较高的Cd累积特性,但是成熟期却表现出了较高的Cd累积特性。2.5 Cd低累积小麦品种聚类分析根据小麦籽粒Cd含量进行聚类分析,将20个供试小麦品种分为5组(图2),

22、分别为低Cd累积品种、较低Cd累积品种、中等Cd累积品种、较高Cd累积品种、高 Cd 累积品种。组为低 Cd 累积小麦品种(3个),包括8号(烟农745)、12号(济麦55)、13号(济糯116)小麦,平均Cd含量为0.015 mgkg-1,占所研究小麦品种的15%。组为较低Cd累积小麦品种(9个),包括7号(泰科33)、9号(烟农572)、10号(济麦106)、11 号(济麦 0435)、15 号(烟农 1212)、16 号(烟农999)、17号(济麦70)、18号(济麦5022)、20号(济麦38)小麦,平均Cd含量为0.031 mgkg-1,占所研究小麦品种的45%。组为中等Cd累积小麦

23、品种(6个),包括2号(济麦44)、4号(山农38)、5号(中麦415)、6号(登海206)、14号(烟农215)、19号(济麦5172)小麦,平均Cd含量为0.054 mgkg-1,占所研究小麦品种的30%。组为较高Cd累积小麦品种(1个),为1号小麦(济麦23),Cd含量为0.079 mgkg-1,占所研究小麦的 5%。组的 3 号(中麦 578)小麦 Cd 含量为0.116 mgkg-1,超过国家标准(GB 27622017)规定的0.1 mg kg-1限量值。占所研究小麦的5%。通过聚类分析初步筛选出8号小麦(烟农745)、12号小麦(济麦55)和13号小麦(济糯116)为低Cd累积小

24、麦品种。2.6 不同小麦品种安全风险评价使用单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法对小麦籽粒重金属污染状况进行评价(图3),结果发现3号小麦(中麦578)单因子污染指数大于1,为污染状态,其他品种的小麦籽粒Cd单因子污染指数均小于1,可见除3号以外其他小麦籽粒中Cd污染水平均为清洁状态,这与根据GB 27622017国家限量评价标准判定的结果一致。12号(济麦55)和13号(济糯116)小麦品种籽粒单因子污染指数最低,风险最品种编号Serial number1234567891011121314151617181920富集系数BCF0.2380.005ab0.1690.001b0.3550.0

25、11a0.1580.002b0.1650.007b0.1450.004b0.1070.001c0.0420.001e0.1270.007b0.0750.002d0.0550.001e0.0410.003e0.0380.002e0.1060.003c0.0780.005d0.0790.002d0.0930.011c0.0650.002d0.1370.014b0.0740.002dTF根系-秸秆TFRoot-Straw0.5640.015a0.4930.017b0.3810.009c0.3650.002c0.4050.010bc0.4380.006bc0.3670.002c0.3480.003c0

26、.3480.001c0.4780.004b0.4800.005b0.3570.007c0.3200.001c0.5240.008ab0.3850.002c0.4470.006b0.6000.015a0.4820.012b0.5100.017ab0.6420.012aTF秸秆-籽粒TFStraw-Grain0.3330.011b0.2550.015c0.4960.017a0.3360.007b0.3380.008b0.2840.001bc0.2150.002c0.1100.010d0.2150.001c0.1320.001d0.1050.003de0.0940.001e0.1090.015de0

27、.1960.007c0.1630.001d0.1620.003d0.1480.001d0.1300.001d0.2450.007c0.0930.001e表4 不同品种小麦Cd籽粒生物富集系数和转运系数Table 4 Bioaccumulation coefficient and transport coefficient ofCd in different wheat varieties图2 小麦籽粒Cd含量聚类分析Figure 2 Cluster analysis of cadmium content in wheat grains小麦品种编号 Wheat serial number7151

28、79161018112012138465142191305101520251243农业环境科学学报第42卷第6期小。对所有品种小麦进行内梅罗综合污染指数计算的结果为0.822,属于尚安全状态。不同品种小麦靶标危害系数如图4所示,所有品种小麦的靶标危害系数均小于1。3号(中麦578)的靶标危害系数最大,为 0.30,12 号(济麦 55)和 13 号(济糯116)的靶标危害系数最小,均为0.03。3讨论3.1 富集能力和转运能力对小麦籽粒Cd含量的影响研究表明,小麦籽粒Cd累积在一定程度上受基因控制23,与根系、茎叶不同细胞器对Cd的固定储存能力、耐 Cd 特性、调控基因等密切相关23-26。夏

29、亦涛24研究发现,不同基因型小麦的Cd吸收、转运和累积存在差异,小麦籽粒Cd含量与苗期地下部至地上部的Cd迁移系数呈显著正相关。Gray等25研究认为筛选低累积作物品种的标准必须满足该品种对重金属富集系数和转运系数均小于1的条件。本研究发现,不同小麦品种对Cd的吸收累积量存在显著差异,富集系数最小的小麦品种为济糯 116、其次是济麦55、烟农745,其富集系数均小于0.1。富集系数与小麦籽粒Cd含量呈正比,这与前人研究结果一致26-27。本研究中Cd由小麦根系向秸秆的转运系数,以及秸秆向籽粒的转运系数均小于1,说明Cd从土壤中转运到小麦根系以及由根系向地上部转运的程度很小,大部分Cd被截留在根

30、系以及秸秆部,这与李乐乐等28的研究结果一致。生物富集系数和转运系数是评价不同小麦品种对Cd累积差异的重要指标。3.2 籽粒Cd低累积小麦品种评价标准筛选 Cd低累积小麦品种不仅要求其籽粒中 Cd含量低于国家标准,还要求其适宜于当地环境种植,农民接收程度高。为实现中轻度Cd污染农田的利用及粮食的安全生产,近年来诸多学者开展了Cd低累积型作物的筛选与培育工作,并得到了诸多具有Cd低累积特性的作物29-31。目前,对Cd低累积品种的筛选多基于室内盆栽或水培试验、矿区附近重度污染农田环境等,均以小麦籽粒Cd累积量为标准,并未过多考虑小麦产量水平,以及农民接收程度等因素,因此不利于全面反映小麦在特定C

31、d污染区域下的自然生图4 不同品种冬小麦靶标危害系数Figure 4 Target damage coefficient of different winter wheat varieties图3 不同品种冬小麦单因子污染指数Figure 3 Single factor pollution index of different winter wheat varieties单因子污染指数Single-factor pollution index品种编号Serial number靶标危害系数Target hazard coefficient品种编号Serial number1244井永苹,等:山东

32、偏酸性棕壤区小麦镉低累积品种筛选2023年6月产状况及实际推广应用。从区域粮食安全角度出发,所有筛选得到的Cd低累积品种既要具备小麦Cd低累积特性,还要适应当地农业生产环境,以满足实际生产应用的需要。本研究采用大田试验对20份小麦材料进行筛选与验证,以籽粒Cd含量为评价指标进行聚类分析,初步筛选出烟农745、济麦55、济糯116为小麦低Cd累积品种。20个小麦品种的平均产量为8 811 kghm-2,其中初步筛选出的3个低累积品种中产量高于平均产量的有2个,为烟农745和济麦55,济糯116低于平均产量。因此,综合考虑小麦产量和Cd低累积结果,确定烟农745和济麦55为该地区Cd低累积品种。3

33、.3 籽粒Cd低累积小麦品种风险评价由于当地种植的主要粮食作物为小麦、玉米和花生,且主要以小麦为主食,因此,以供试的小麦品种为对象,探讨了膳食摄取重金属对当地居民产生的健康风险。采用单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法对小麦籽粒Cd污染状况进行评价,同时采用靶标危害系数评价小麦籽粒中重金属Cd摄入对成人产生的健康风险32-33。本研究发现供试的 20 个小麦品种中,中麦578的小麦籽粒单因子污染指数评价结果为污染状态,其他品种的小麦籽粒均为清洁状态,这与 食品安全国家标准 食品中污染物限量(GB 27622017)判定结果一致。而按照靶标危害系数的评价结果,所有品种小麦的摄入对人体造成的危害

34、风险均较低,内梅罗综合污染指数也显示属于尚清洁状态。该结果与单因子污染指数和国家限量评价标准评价结果不一致,这可能是由于在本研究中计算靶标危害系数所采用的参数均为平均指数,且并未考虑当地居民其他食物和暴露途径,因此本研究中的暴露评价结果比较保守,而我国国家标准的限量标准更为严格,从而导致两种判定结果不一致。研究认为重金属低累积小麦品种筛选标准必须满足的条件之一是该品种可食用部分的重金属含量必须低于相关国家标准,即使其他部位含量较高25。因此,仍以国家标准为最终判定标准筛选Cd低累积小麦品种。综合小麦产量、籽粒 Cd 累积量、富集系数和转运系数,以及靶标危害系数和聚类分析等结果,本研究筛选出济麦

35、 55、烟农 745、济麦 0435 和济麦 5022为适宜于当地种植的 Cd低累积品种。从粮食安全角度出发,所筛选出的小麦Cd低累积品种还需进一步验证其低累积特征的稳定性,以及确定影响籽粒Cd含量的关键环境因素,从而合理确定Cd低累积型小麦品种的安全种植区和低风险种植区,以满足实际生产应用的需要。4结论(1)在研究区域内供试的20份小麦品种的籽粒Cd含量差异显著,除1个品种小麦籽粒Cd含量超国家限量标准值外,其他品种Cd含量均低于国家限量标准值。(2)基于小麦籽粒Cd含量及相关评价指标筛选出的Cd低累积型小麦品种具有较高的参考和应用价值,为当地Cd污染风险区域的耕地安全利用提供了Cd低累积型

36、品种材料,能够有效解决Cd污染耕地边生产边修复的问题,但受土壤Cd含量水平和低累积特征的稳定性限制,Cd低累积型小麦品种仍需要进一步验证。参考文献:1 曾希柏,徐建明,黄巧云,等.中国农田重金属问题的若干思考J.土壤学报,2013,50(1):186-194.ZENG X B,XU J M,HUANG QY,et al.Some deliberations on the issues of heavy metals in farmlandsof ChinaJ.Acta Pedologica Sinica,2013,50(1):186-194.2 张绪美,董元华,王辉,等.江苏省农田畜禽粪便负荷

37、时空变化J.地理科学,2007,27(4):597-601.ZHANG X M,DONG Y H,WANG H,et al.Spatial and temporal variation in farmland load of livestock feces in Jiangsu ProvinceJ.Scientia Geographica Sinica,2007,27(4):597-601.3 SUN Y,SUN G,XU Y,et al.Assessment of sepiolite for immobilizationof cadmium-contaminated soilsJ.Geode

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