由于工农业的迅猛发展及各种人类活动的干扰，农田土壤重金属污染日益严重，极大地影响着土壤环境质量、作物生长、产量、品质与安全性，严重制约着农业可持续发展，进而威胁着人类健康^[1-2]。云南是著名的“有色金属王国”，矿产资源十分丰富，而位于滇南的个旧矿区是云南省传统的超大型多金属矿区，是中外闻名的“锡都”。由于采、选、冶历史悠久，矿业活动频繁，在矿区繁荣发展的同时，个旧及周边地区的生态环境已经遭到严重破坏^[3-4]，使得矿区周边农田土壤受到不同程度的重金属污染，严重影响当地的农产品品质。如何有效减少重金属在这一区域农作物中的富集和累积，从而保障农业安全生产，已成为当前农业和环境科学交叉领域的研究热点之一。

目前，对于控制重金属向食物链中转移主要从两方面着手：通过化学固定降低土壤中重金属的活性使其钝化^[5]；通过筛选出对于重金属抗性强、累积量低的农作物品种进行种植^[6-8]。研究证实，植物吸收和累积重金属不仅存在显著的植物种间差异，同时存在种内差异^[9-10]。近年来，众多研究者已对不同作物品种的重金属低积累品种的筛选进行了相关研究。郭晓芳等^[11]通过田间试验，研究了8 个玉米品种对重金属Cd、Pb、Zn 和Cu 累积与转运的品种差异，筛选出适合广东地区低温季节种植的重金属低累积玉米品种。刘维涛等^[12]已筛选出部分小麦Cd 低积累品种，应用于生产并取得了理想效果。陈建军等^[13]通过外源添加氯化镉的田间试验，筛选出云瑞8号、会单4 号、路单7 号3个品种为Cd 低累积玉米品种，可推荐在云南Cd 重度污染土壤上推广种植。然而以往有关玉米重金属低积累品种筛选的研究大多都是基于当地条件进行的，其研究结果具有很强的地区性，针对个旧开展重金属低积累玉米品种的筛选研究是十分必要的。

本文以云南个旧广泛种植的20 个不同玉米品种为试验材料，在Cd-Zn 复合污染条件下，通过大田试验，研究Cd-Zn 胁迫对玉米不同品种生长的影响，以及玉米不同品种对Cd 、Zn 的吸收和积累差异，旨在筛选出适合个旧地区种植的具有Cd、Zn 低积累潜力的玉米品种，既为培育Cd、Zn 低积累玉米品种提供科学依据，也可为其他农作物的低积累品种筛选提供必要的参考。

试验地位于个旧市鸡街镇石榴坝村污染水旱轮作农田（103°9'26''E，23°32'11''N，海拔高度1125 m），其基本理化性状为：pH₆.35，有机质含量42.01 g·kg^-1，碱解氮含量165.47 mg·kg^-1，有效磷含量79.38 mg·kg^-1，速效钾含量226.53 mg·kg^-1，全氮含量2.26 g·kg^-1，全磷含量2.08 g·kg^-1，全钾含量11.64 g·kg^-1，Cd 含量0.46 mg·kg^-1，Zn 含量368.31 mg·kg^-1。根据《土壤环境质量标准》（GB 15618—1995），研究区域土壤中重金属Cd、Zn 含量分别超出二级标准限值1.53、1.84 倍。

供试玉米品种20 个（表 1），均为个旧市广泛种植的玉米品种，购自云南省农业科学院粮食作物研究所及个旧市当地种子销售点。

表 1 供试玉米品种 Table 1 The cultivars of Zea mays

表选项

以20个玉米品种为供试材料，采用随机播种的方法进行玉米种植，每个品种设3 次重复，共60 个小区，行间距60 cm×50 cm，小区面积30 m²（5 m×6 m）；同时在试验地四周设置2行玉米作为保护行，以消除边际效应。

试验于2015 年5 月10 日直接点播，5 月29 日定苗，2015年9月13日一次性收获。播种前施“肥力番”复合肥（15-15-15，总养分≥45%）做基肥，施用量600 kg·hm^-2；拔节期追施尿素，施用量300 kg·hm^-2。田间管理按大田常规操作进行。

玉米种植前（背景值）、收获后采用“梅花”形取样法采集表层（0~20 cm）土壤样品，风干后分别过20、60、100目筛备用。土壤有机质、pH值、N、P、K 均采用《土壤农业化学分析方法》^[14]中的方法进行测定。土壤中Cd、Zn 全量分析采用HCl-HNO₃^-HF-HClO₄消解法（GB/T 17141—1997），消解液中Cd、Zn 含量采用ICP-MS（Agilent 7500a）和原子荧光（AFS 2202E）进行测定。

玉米成熟后测定产量，选取具有代表性的1 行玉米，以间隔式的方式选取4 株，将果穗取下立即称鲜质量，放入网袋中带回实验室进行考种，最后再通过出籽率、籽粒含水量（按14%含水量折算）测算出实际产量，即玉米的经济产量（kg·hm^-2）=单株干重（kg）×每公顷实有株数。同时采用“梅花”形取样法分别对各小区进行玉米植株（秸秆和籽实）的采集，分别用去离子水洗净，将植株根系、茎叶、籽粒分离，在105℃杀青30 min，70℃烘干至恒重，分别测定干重（DW）。玉米籽粒烘干样品粉碎过40目筛备用。采用硝酸-双氧水微波消解法（GB/T 5009—2010）测定玉米子实和秸秆中Cd、Zn 含量，测定方法同上。

玉米收获时，用卷尺测定其株高、叶片长和最大叶宽，叶面积=撞（叶长×叶宽×0.75）。

所有数据的平均值、标准差采用Microsoft Excel2013 软件处理，数据的方差分析、相关性分析及聚类分析采用SPSS 16.0 软件。

富集系数（BCF）=玉米地上部重金属含量/土壤相应元素含量^[15]

籽粒转运系数（TF）=玉米籽粒重金属含量/茎叶重金属含量^[10]

茎叶转运系数=玉米茎叶重金属含量/根中相应元素含量^{[12, 16]}

富集系数用于表征植物对重金属元素的吸收积累能力，富集系数越大表明植物对重金属的吸收能力越强；转运系数用于表征重金属通过根部进入地上部转运及地上部不同器官转运的能力，转运系数越大表明重金属从根系向地上部器官转运能力越强，或在器官之间的转运能力越强。

在Cd-Zn 复合胁迫下，不同玉米品种的生长情况和产量存在显著差异（P<0.05）。由表 2 可知：20个玉米品种的平均株高为286.2 cm，最高的是9 号品种，达到305.50 cm，其次是3 号品种，且两者之间无显著差异，1 号品种最低，为258.50 cm。20 个不同玉米品种的叶面积范围为856.80~1 075.25 cm²，平均叶面积为941.59 cm²。叶面积最大的是20 号品种，为1075.30 cm²，其次是15 号品种，但两者间差异不显著。参试玉米的平均地上部生物量为151.67 g，最高的是6号品种，达到184.92 kg，7 号品种次之，但两者间无显著差异，最低的是12 号品种，为129.05 g。参试玉米的平均地下部生物量为14.40 g，最高的是20号品种，达到21.92 g，19 号品种次之，但两者间差异不显著，最低的是4 号品种，为7.76 g。

表 2 不同玉米品种的生长和产量差异 Table 2 The differences in growth and yield of different varieties of maize

表选项

就玉米产量而言，20 个玉米品种的产量范围为7125~1076 kg·hm^-2，平均产量9105 kg·hm^-2，产量最高的是10号品种，达10 761 kg·hm^-2，18 号品种产量次之，为10 758 kg·hm^-2，20 号品种产量第三，为10 652kg·hm^-2，三者间无显著差异（表 2）。

由表 3 可见，20 个玉米品种在相同Cd-Zn 复合胁迫下，各器官Cd、Zn 含量差异显著（P<0.05）。Cd 在玉米体内的分配规律总体上为茎叶>根>籽粒。茎叶Cd 含量范围和平均值分别为0.27~1.03 mg·kg^-1 和0.59 mg·kg^-1，根部为0.45~0.78 mg·kg^-1 和0.58 mg·kg^-1，籽粒为0.06~0.31 mg·kg^-1 和0.12 mg·kg^-1。在Cd-Zn 复合胁迫下，参试玉米中有2 个品种籽粒的Cd含量超过了国家食品卫生标准（≤0.2 mg·kg^-1），占所有供试品种的10%。此外，20 个参试品种中有7 个品种茎叶的Cd 含量达标，其余13 个品种茎叶的Cd含量均超过了国家饲料卫生标准（≤0.5 mg·kg^-1），超标率65%。

表 3 不同玉米品种根、茎叶和籽粒中重金属Cd、Zn含量 Table 3 Cd，Zn concentrations in root，stem leaf and grain of different varieties of maize

表选项

Zn 在植株内的分配规律总体上为根>籽粒>茎叶。根部Zn 含量范围和平均值分别为28.86~68.55mg·kg^-1和48.58 mg·kg^-1，茎叶为19.90~41.71 mg·kg^-1和31.69 mg·kg^-1，籽粒为26.14 ~43.38 mg·kg^-1 和35.10 mg·kg^-1。在Cd-Zn 复合胁迫下20 个玉米品种中籽粒和茎叶的Zn 含量均符合国家食品卫生标准（≤50 mg·kg^-1）。

富集系数通常能直观地表征植物对重金属的吸收积累能力。由表 4可知，Cd-Zn复合胁迫条件下20个玉米品种对土壤中Cd、Zn 的吸收积累能力存在显著差异（P<0.05）。20 个玉米品种Cd 的富集系数为0.618~2.436，其中6、8、9、10、13、17、18 号7 个品种的富集系数<1，说明这7 个玉米品种地上部对土壤Cd的吸收能力较弱，其余13个品种较强。20个玉米品种地上部Zn的富集系数为0.056~0.131，均小于1，说明所有参试玉米地上部对土壤Zn的吸收能力较弱。

表 4 不同玉米品种Cd、Zn 的富集系数与转运系数 Table 4 The bioconcentration factors and translocation factors of Cd，Zn of different varieties of maize

表选项

玉米籽粒和茎叶中Cd、Zn 含量的变化特征与玉米不同部位重金属的迁移能力有关。因此，在初步了解各品种对Cd、Zn 积累程度的基础上，通过转运系数进一步考查Cd、Zn 由茎叶向籽粒转运的能力是否存在品种差异。从转运系数（表 4）来看，参试玉米品种中Cd 的茎叶转运系数、籽粒转运系数范围分别为0.495~2.187、0.094~0.992，且品种间差异显著（P<0.05），其中12 个品种茎叶转运系数<1，而所有品种籽粒转运系数均<1，说明这12 个玉米品种对Cd 由地下部向地上部转运能力较弱，而且参试20 个不同玉米品种对Cd 由茎叶向籽粒的转运能力均较弱。20个玉米品种Zn 的茎叶转运系数、籽粒转运系数范围分别为0.410~1.089、0.797~2.183，各品种之间差异显著（P<0.05），其中有18 个品种的茎叶转运系数<1，说明这18 个玉米品种Zn 茎叶转运能力均较弱；参试玉米中2、3、4、5、6、19 号6 个品种籽粒转运系数<1，说明这6 个玉米品种对Zn 从茎叶向籽粒的转运能力较弱，其余14 个品种转运系数均>1，表明多数玉米品种对Zn 从茎叶向籽粒的转运能力较强。

为了区分玉米不同品种籽粒对Cd、Zn 的积累能力，从而筛选出具有Cd、Zn 低积累潜力的玉米品种，对20 个玉米品种籽粒中的Cd、Zn 含量分别进行聚类分析，结果见图 1、图 2。所有参试玉米的生长环境均一致，环境对玉米吸收Cd、Zn 的影响也一致，因此玉米不同品种Cd、Zn 含量差异来自其对Cd、Zn 的吸收、转运及积累能力。

图 1 不同玉米品种籽粒中Cd 含量聚类分析 Figure 1 The hierarchical clustering analysis diagram of Cd concentrations in grain of different varieties of maize

图选项

图 2 不同玉米品种籽粒中Zn含量聚类分析 Figure 2 The hierarchical clustering analysis diagram of Zn concentrations in grain of different varieties of maize

图选项

由图 1可知，可将参试的20 个玉米品种籽粒对Cd 的积累差异划分为四类：2、3、4、5、6、7、8、10、13、14、16、18 号品种代表籽粒中Cd 含量较低一类，为Cd低积累类群，其籽粒平均Cd含量为0.066 mg·kg^-1，变化范围为0.06~0.07 mg·kg^-1；1 号品种为一类，代表籽粒中Cd 含量较高，为Cd 高积累类群，其籽粒Cd含量为0.31 mg·kg^-1，超过食品卫生标准（≤0.2 mg·kg^-1）；其他两类代表籽粒中Cd含量处于中等水平，为Cd中等积累类群，变化范围为0.08~0.22 mg·kg^-1，其中12 号品种籽粒Cd 含量超过食品卫生标准（≤0.2mg·kg^-1）。

从图 2 可以看出，参试的20 个玉米品种可以分为三类：5、6、12、18、19 号5 个品种代表籽粒中Zn 含量较低一类，为Zn 低积累类群，其籽粒平均含量为29.50 mg·kg^-1，变化范围为26.14~31.22 mg·kg^-1，均没有超过国家食品卫生标准（≤50 mg·kg^-1）；9、15 号品种为一类，代表籽粒中Zn 含量较高，为Zn 高积累类群，其籽粒Zn 含量分别为43.22、43.38 mg·kg^-1；其他一类代表籽粒中Zn 含量处于中等水平，为Zn 中等积累类群。

作物吸收重金属，主要取决于作物本身的遗传因素及外界的环境条件^[17-18]。土壤Cd-Zn 复合胁迫下，20 个玉米品种生物量、产量差异显著，该研究结果与以往的研究结果一致^{[13, 19-20]}。不同玉米品种产量差异大的原因主要在于玉米品种间本身的遗传差异，以及不同品种玉米对Cd、Zn 胁迫的耐性差异。

本试验条件下20个玉米品种中只有7 个品种的Cd 的富集系数<1，表明玉米对Cd 的吸收能力较强，玉米茎叶Cd 含量远高于根部，与陈建军等^[13]的研究结果不一致；参试玉米中有12个品种Cd的茎叶转运系数<1，表明玉米对Cd通过地下部向地上部的转运能力较弱，与李凡等^[21]和陈建军等^[13]研究结果一致。本研究中Cd 的籽粒转运系数为0.082~0.400，与郭晓芳等^[11]的研究结果类似，但远高于陈建军等^[13] 0~0.111的结果。另外，本试验条件下，不同玉米品种Zn 富集系数为0.056~0.131，均<1，说明参试玉米地上部对土壤Zn 的吸收能力较弱。参试玉米中有14 个品种的Zn 籽粒转运系数>1，说明这14 个玉米品种对Zn 从茎叶向籽粒的转运能力较强，多数参试玉米品种Zn籽粒转运系数大于茎的转运系数，原因可能是：Cd-Zn 复合污染条件下，Cd、Zn 之间的协同作用导致Zn的溶解性增强，促使Zn 从根部向顶部转移^[22]。Zn 是一种比较活泼的元素，不仅向上转移系数高而且向籽粒的迁移率也很高。这些研究结果之间存在一些差异或矛盾，可能是由于不同区域、不同生长环境以及不同品种的玉米对重金属的积累能力存在极其显著的差异所致。由此可以推测以上研究中明显的差异主要来自于生长环境与玉米品种的遗传因素不同，特别是不同的土壤pH 值。本研究土壤pH 为6.35，陈建军等^[13]的研究土壤pH 值为6.95，中性或碱性土壤条件能降低土壤重金属的生物有效性，有效降低玉米对重金属的吸收、转运与积累。

参试的20 个玉米品种Cd 在玉米体内的分配规律一般为茎叶>根>籽粒，Zn 在玉米体内的分配规律一般为根>籽粒>茎叶。这与以往研究基本一致^[23]。但有研究发现，参试的20个玉米品种各器官Cd质量分数差异显著（P<0.05），大小顺序为根>茎叶>籽粒^[13]。可见，不同玉米品种不同器官重金属含量的分配规律有所差异，其原因可能与供试品种、重金属类型和种植土壤等不同有关。此外，本试验条件下玉米籽粒Zn 含量高于茎叶含量，原因可能在于Zn是一种移动性很强的元素，当植物不缺Zn 时，有大量的Zn 从老叶向新生组织转移，从而导致籽粒Zn含量较高。

目前，对于重金属低积累作物还没有明确的定义。刘维涛等^[12]认为理想的重金属低积累作物应该同时具备以下特征：淤该植物的地上部和地下部重金属含量均很低或者其可食部位重金属含量低于国家相关标准；于该植物对重金属的累积量小于土壤中该重金属的浓度（即富集系数约1）；盂该植物从其他部位向可食部位转运重金属能力较差（即转运系数约1）；榆该植物对重金属毒害具有较高的耐受性，在较高浓度重金属污染下能够正常生长，且生物量无明显下降。

本研究中，受Cd-Zn 复合胁迫的20 个玉米品种生物量、产量，根、茎叶和籽粒中Cd 含量，富集系数和转运系数均存在显著差异。结合籽粒Cd 含量以及聚类分析结果来看，云瑞2 号（2 号）、云瑞10 号（3号）、云瑞220（4 号）、云瑞47（5 号）、红单6 号（6号）、兴黄单892（7 号）、红育1 号（8 号）、云优78（10号）、平单2 号（13 号）、蒙玉2 号（14）、子玉2 号（16号）、屏单2 号（18 号）12 个品种籽粒Cd 含量为0.07~0.09 mg·kg^-1，没有超过国家食品卫生标准（≤0.2mg·kg^-1），12个品种均属于Cd 低积累类群。同时，12个品种的茎叶富集系数和籽粒转运系数范围分别为0.806~2.267 、0.096~0.241，其中只有6、8、10、13、18号5个品种的富集系数小于1，12 个品种的籽粒转运系数均小于1。从玉米生长情况、生物量和产量来看，6、8、10、13、18 号5 个品种对Cd 的耐性较强，生物量和产量没有明显降低。因此，红单6 号（6 号）、红育1号（8 号）、云优78（10 号）、平单2 号（13 号）、屏单2号（18 号）5 个品种可作为Cd 低积累玉米品种。受Cd-Zn 复合胁迫的20 个玉米品种生物量、产量，根、茎叶和籽粒中Zn 含量，富集系数和转运系数均存在明显差异。结合籽粒中Zn 含量以及聚类分析结果来看，云瑞47（5 号）、红单6 号（6 号）、路单12 号（12号）、屏单2 号（18 号）、雅玉98（19 号）5 个品种籽粒Zn 含量为26.14~31.22 mg·kg^-1，均没有超过国家食品卫生标准（≤50 mg·kg^-1），属于Zn 低积累类群。另外，其茎叶富集系数和籽粒转运系数范围分别为0.078~0.113、0.797~1.100，其中5、6 号品种的茎叶富集系数>1，12、18 号品种籽粒富集系数>1。从玉米生长情况、生物量和产量来看，19 号品种对Zn 的耐性较强，生物量和产量没有明显降低。因此，雅玉98（19 号）可作为Zn低积累玉米品种。

（1）Cd -Zn 复合污染条件下20 个玉米品种的生物量及产量存在显著的品种差异。

（2）不同玉米品种各器官吸收、积累Cd、Zn 的能力存在明显的差异。Cd 在玉米体内的分配规律总体上为茎叶>根>籽粒，Zn 在玉米体内的分配规律总体上为根>籽粒>茎叶。

（3）不同玉米品种各器官转运Cd、Zn 的能力存在明显差异，其中7 个品种的Cd 富集系数<1，13 个品种茎叶转运系数<1，所有品种籽粒转运系数均<1；所有品种Zn 的富集系数均<1，其中18 个品种茎叶转运系数<1，6 个品种籽粒转运系数<1。

最终认为：红单6 号、红育1 号、云优78、平单2号、屏单2 号5 个品种可作为Cd 低累积玉米品种，雅玉98 可作为Zn 低积累玉米品种，可分别在个旧的Cd、Zn中、轻度污染土壤上推广种植。