重金属对生态系统的污染是人们普遍关注的环境问题之一。过去的50 年中，大约有2.20×10⁴ t的Cr、9.39×10⁵ t的Cu、7.83×10⁵ t的Pb和1.35×10⁵ t的Zn排放到全球环境中，其中大部分进入土壤，引起了土壤重金属污染^[1]。据报道，我国Cd、Pb、As等重金属污染的耕地面积达2.0×10⁷ hm²，约占全国总耕地面积的20%^[2]。云南省有色金属矿产资源丰富，是我国重要的矿产资源基地，由于多年不断地开采，使得云南省土壤重金属污染较为严重。会泽县位于滇东北地区，是中国有名的铅锌矿冶炼区，长期的土法冶炼对环境造成了严重污染，导致Cd、Pb、Zn等重金属在土壤中高度累积^[3]。其中，Pb是土壤中最普遍和危害性较强的污染元素^[4]，秦丽等^[5]分析了会泽县者海镇废弃矿渣堆周边土壤，测得Pb平均值含量达3 244 mg·kg^-1。而Pb沉积在土壤中，积累到一定程度会给植物各方面带来影响^[6]，并且通过食物链蓄积到人体，最终危害人类健康。

不同植物^{[7, 8]}与同一植物不同品种之间^{[9, 10]}吸收累积重金属的能力均存在很大差异。代全林等^[11]认为，玉米是吸收和转运Pb能力较强的作物，而蔡保新等^[12]认为，玉米有较低富集Pb的能力。而玉米的品种多样，抗逆性有很大差别。李月芳等^[13]在研究6种基因型玉米对Pb的吸收累积规律中发现，6种基因型玉米整个植株累积的Pb含量存在显著的差异，所积累的重金属在不同部位间差异也很大，而各个部位的Pb累积量虽然存在根>叶>茎>穗，但是部位间差异幅度仍存在显著的基因型差异。孙洪欣等^[14]发现9个夏玉米品种将Cd从秸秆向籽粒转移的转运系数呈现显著的品种间差异，籽粒对土壤中Cd的吸收累积能力也存在显著差异。对于低富集品种，朱芳等^[15]提出了防污染品种，旨在污染土壤中作物可食部分吸收积累污染物含量低于食品卫生标准的品种。刘维涛等^[16]认为理想的重金属低累积植物应同时具备以下特征：(1)该植物的地上部和地下部重金属含量均很低或可食部位重金属含量低于相关标准；(2)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＜1；(3)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＜1；(4)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。

大部分土壤重金属常以溶解性很低或非溶性的化合物形态存在，这部分不能被植物根系吸收，因此能被植物吸收和累积的重金属主要取决于土壤重金属有效态含量而非总量。而土壤pH值是影响重金属有效性的重要因子^[17]。为此，本研究以低富集玉米与高富集玉米各2个品种为供试材料进行小区试验，研究了不同基因型玉米品种植株生物量变化、对Pb的吸收累积、富集与转运规律、植株Pb总吸收量、土壤pH值及土壤有效态Pb含量，力求为云南土壤重金属控制与改善、提高玉米安全生产质量，保障食品安全和实现优质农产品可持续发展提供一定的科学依据。

试验点位于云南省寻甸县大河桥云南农业大学试验基地，地处云南省东北部，地理坐标为东经 103°13′、北纬 23°32′，气候条件属亚热带季风气候，年平均气温14.7 ℃，年降水量1 040 mm。土壤属黄壤，其背景值为：pH 6.86，有机质23.30 g·kg^-1，全氮2.20 g·kg^-1，全磷11.04 g·kg^-1，全钾8.92 g·kg^-1，碱解氮40.25 mg·kg^-1，速效磷28.70 mg·kg^-1，速效钾161.61 mg·kg^-1，土壤Pb全量为：79.25 mg·kg^-1。

供试玉米选用云南省广泛种植的品种，根据课题组，已筛选出低富集玉米品种曲辰11号、曲辰3号与高富集玉米品种靖丰8号、旭玉1446。

供试玉米于2014年6月种植，分别设对照(CK，土壤中未添加Pb)、处理(T，外源添加Pb浓度为2 000 mg·kg^-1) 2个处理，Pb的添加形态为Pb(CH₃COO)₂·3H₂O，每个处理设置3次重复，小区间筑梗，随机排列，共24个小区。每个小区面积为1.8 m×2.0 m，每小区种15穴玉米，株距为40 cm，行距为60 cm。将定量的Pb(CH₃COO)₂·3H₂O研磨成粉末后均匀拌于200 g过2 mm筛的土样中，再等量分成180份后分别施入12个Pb处理小区的各个穴中，每穴体积范围为20 cm×20 cm×20 cm，与土壤充分混匀，使土壤Pb浓度为2 000 mg·kg^-1，平衡2周后播种。每穴播3粒种子，待玉米长出苗后，每穴仅留1株。玉米整个生长期间浇水施肥，按常规方法管理。

待玉米成熟期分别采集根际土壤与植株作为试验样品。土壤样品经自然风干磨碎后分别过1 mm和0.25 mm筛，备用；植株样品分为根、茎、叶和籽粒4部分，清水洗净后再用去离子水冲洗数次，105 ℃烘箱中杀青30 min，再调至70 ℃烘干至恒重，测其生物量后粉碎，过0.25 mm筛，备用。

土壤中Pb含量的测定：参照《土壤农化分析》^[18]的方法，取过0.25 mm筛的样品0.5 g，采用HNO₃-HCl-HClO₄消解制备待测液，火焰原子吸收分光光度计测定。

玉米根、茎、叶、籽粒中Pb含量的测定：参照《土壤农化分析》^[18]的方法，取过0.25 mm筛的样品0.5 g，采用HNO₃-HClO₄消煮制备待测液，火焰原子吸收分光光度计测定。

pH值的测定：参照《土壤农化分析》^[18]的方法，取过1 mm筛的土壤，水土比为2.5：1.0，pH计测定。

土壤有效态Pb(可交换态、碳酸盐结合态和铁锰氧化物结合态)含量参照Tessier法^[19]，连续提取过程参照文献[20, 21]进行，用火焰原子吸收分光光度计测定。

采用Microsoft Excel 2013和SPSS 19.0进行数据处理和统计分析，单因素方差分析和Duncan多重比较检验不同玉米品种间的差异程度。

Pb富集特征用富集系数和转运系数表示，其计算公式分别为：

富集系数(BCF)=玉米体内Pb含量/土壤Pb含量^[5]；

茎、叶转运系数(TF)=茎、叶部Pb含量/根部Pb含量^{[22, 23]}；

籽粒转运系数(TF)=籽粒Pb含量/茎叶部Pb含量^[24]。

从表 1可以看出，Pb胁迫下，4个玉米品种的单株生物量均为：茎＞籽粒＞叶＞根。并且与对照相比，4个品种各部位(根、茎、叶、籽粒)的生物量变化率((处理值-对照值)/对照值×l00%)均小于零，说明玉米各部位生长受到不同程度的抑制，使其生物量下降。Pb胁迫下，不同玉米品种根、茎、叶、籽粒和总生物量(根+茎+叶+籽粒)范围分别为13.49~23.41、106.24~146.03、31.00~40.86、80.95~110.60 g和251.15~303.85 g。与对照相比，其下降率范围分别为2.30%~18.41%、11.87%~14.09%、12.94%~18.28%、1.11%~32.12%和9.65%~20.46%。总体来说，低富集玉米品种比高富集玉米品种的单株总生物量下降程度小，对Pb胁迫表现出更好的耐性。

表 1 不同基因型玉米品种植株生物量(g·株^-1) Table 1 Plant biomass of different maize genotypes(g·plant^-1)

表选项

从图 1可知，Pb胁迫下，玉米各部位Pb的含量均为：根>叶>茎>籽粒；其Pb含量范围分别为95.39~121.02、25.56~43.21、14.06~25.41、2.52~5.38 mg·kg^-1。总体来说，低富集玉米品种根部Pb含量高于高富集玉米品种，地上部Pb含量却低于高富集玉米品种。4个玉米品种茎、叶部Pb含量均超出饲料卫生标准(BG 13078—2001)(Pb≤5 mg·kg^-1)，其中，茎部Pb含量是其标准限值的2.8~5.1倍，叶部Pb含量是其标准限值的5.1~8.6倍，均不可用作青贮饲料；4个品种籽粒Pb含量均超出食品安全国家标准《食品中污染物限量》(GB 2762—2012)中规定的(Pb≤0.2 mg·kg^-1)，是其标准限值的12.6~26.9倍。

图 1 Pb胁迫下不同基因型玉米品种植株Pb含量 Figure 1 Pb contents in the plant of different maize genotypes under Pb stress

图选项

从图 2可知，Pb胁迫下，不同基因型玉米品种Pb总吸收量范围为：4.46~7.94 mg·株-1，且低富集玉米品种低于高富集玉米品种，表明低富集玉米品种整个生命周期从土壤中吸收的Pb总量低于高富集玉米品种。

图 2 Pb胁迫下不同基因型玉米品种Pb总吸收量 Figure 2 Total Pb uptakes in different maize genotypes under Pb stress

图选项

从表 2可知，Pb胁迫下，4个玉米品种富集系数与茎、叶、籽粒转运系数存在差异显著，表明不同基因型玉米品种对Pb的吸收富集能力与转运能力存在明显的品种间差异。富集系数与茎、叶、籽粒转运系数范围分别为：0.010~0.017与0.116~0.251、0.211~0.453、0.142~0.194，且低富集玉米品种显著低于高富集玉米品种，说明低富集玉米品种对土壤Pb的吸收能力、将Pb从根部转运到茎、叶与从茎叶部转运到籽粒的能力较高富集玉米品种弱。

表 2 不同基因型玉米品种富集系数与转运系数 Table 2 The bioconcentration factors and translocation factors of Pb in different maize genotypes

表选项

从表 3可知，Pb胁迫下，4个玉米品种根际土壤pH值范围为6.60~6.82，且表现为低富集玉米品种高于高富集玉米品种；4个玉米品种根际土壤有效态Pb含量范围为969.86~1116.15 mg·kg^-1。

表 3 不同基因型玉米品种土壤pH值与有效态Pb含量 Table 3 Soil pH value and the contents of available Pb in different maize genotypes

表选项

本研究中，Pb胁迫下，所有基因型玉米生物量较对照组均有所下降，表现出生长受阻现象。高富集玉米品种生物量下降率较低富集玉米品种大，其原因可能是高富集玉米品种在Pb胁迫下叶绿体亚显微结构更易发生破坏，使得光合色素合成受到影响^[25]，阻碍电子传递，影响类囊体的蛋白质合成^[26]和参与Calvin循环的酶活性，从而影响光合作用^[27]。不同基因型玉米品种对Pb胁迫响应存在显著差异，这与李月芳等^[13]研究结论基本一致。

不同基因型玉米品种对Pb胁迫的响应不尽相同，同一基因型不同部位之间的Pb累积也有所差异。Florijin等^[28]认为，同一植物在不同部位及不同植物在离子积累方面都存在着比较大的差异，这种差异不仅表现在营养器官上，而且在生殖器官中也有所不同。一般情况下，植物吸收的重金属主要集中在根部，地上部各部位中含量都比较低。本研究中，玉米对Pb在不同部位的分配由高到低依次为根、叶、茎、籽粒，这与李月芳等^[13]、曹莹等^[29]的研究结果也一致。不同基因型玉米品种同一部位对Pb的累积存在差异，且低富集玉米品种根部Pb含量高于高富集玉米品种，而茎、叶、籽粒部Pb含量则低于高富集玉米品种。这可能是由于低富集玉米品种根吸收的Pb更多地富集在细胞壁中，而阻碍了进一步向地上部运输。有学者认为，Pb与果胶羧基的络合是植物细胞能够抵抗Pb胁迫的最重要机制^[30]。不同基因型对Pb胁迫的响应机制也有所不同，有研究表明，黄花茅Pb耐性株系根中的Pb大多分布在细胞壁，而铅敏感株系根中的Pb大多分布在高度紊乱的细胞质^[31]。另外，高富集玉米品种根系所吸收的Pb在向地上部转运过程中除部分被沿途输导组织固定外，其余部分随着蒸腾流最终在叶片表层的气孔和水孔附近过多累积^[32]。Pb在玉米不同部位的分布将决定不同玉米品种的实际利用价值，茎、叶部Pb含量较低的品种，可用作青贮饲料，而籽粒部Pb含量比较低的品种，能满足粮食生产的目的。Pb胁迫下，4个玉米品种茎、叶部Pb含量均超出饲料卫生标准(BG 13078—2001)中规定(Pb≤5 mg·kg^-1)，籽粒部Pb含量均超出食品安全国家标准《食品中污染物限量》(GB 2762—2012)中规定(Pb≤0.2 mg·kg^-1)，这可能是因为土壤中添加Pb浓度过高，从而富集到茎、叶、籽粒部的浓度也相对较高。此外，低富集玉米品种从土壤中吸收的Pb总量显著低于高富集玉米品种。玉米对Pb的总吸收量是用单株玉米根、茎、叶、籽粒部生物量与对应部位Pb含量乘积之和来表示，体现了玉米整个生命周期从土壤中吸收的Pb总量，这不仅与该玉米品种的生物量有很大的关系，更与该玉米品种吸收Pb的多少有关，因此不论从茎、叶作青贮饲料、籽粒食用安全还是植株吸收Pb总量方面，低富集玉米品种均有一定的优势。

富集系数是衡量植物对重金属累积能力大小的一个重要指标，它是指植物体内某种重金属含量与土壤中该种重金属含量的比值，富集系数越大，说明富集能力越强^{[33, 34]}。转运系数是指植物地上部重金属含量与地下部重金属含量之比，说明重金属从根部向地上部的转运情况，反映植物对重金属转运程度的高低。籽粒重金属转运系数是指籽粒重金属含量与茎叶重金属含量之比，反映重金属从茎、叶部向籽粒转运的能力^{[33, 35]}。本研究发现，4个玉米品种富集系数与茎、叶、籽粒转运系数均 < 1，这表明玉米对土壤Pb的吸收能力较弱，没有达到超富集植物的标准^[36]，且玉米将Pb从根部转运到茎、叶部与将Pb从茎、叶部转运到籽粒中的能力均较弱。而Pb胁迫下，低富集玉米品种富集系数与茎、叶、籽粒转运系数均显著低于高富集玉米品种，表明低富集玉米品种对土壤Pb的吸收能力、将Pb从根部转运到茎、叶部与从茎、叶部转运到籽粒的能力较高富集玉米品种弱。究其原因，可能是Pb进入玉米体内，低富集玉米品种将更多地Pb储藏在根部的细胞壁中，与果胶络合，从而阻止了Pb向地上部运输^[37]。

重金属有效态是重金属元素影响植物生长的最直接部分，而土壤pH值是影响重金属有效性的重要因子。本研究中，低富集玉米品种土壤pH值高于高富集玉米品种，可能是由于植物分泌根系分泌物所致。根系分泌物对根际环境物理、化学性质，根际周围土壤中微生物种群分布、土壤酶活性等对土壤重金属的有效性以及植物对重金属的吸收产生重要影响^{[38, 39]}，根系分泌物包括植物细胞主动释放或被动渗透到根际环境的低分子量有机酸(如H₂CO₃、H⁺、氨基酸、有机酸等)和高分子量化合物(如植物络合素、植物高铁载体、类金属硫蛋白等)，这类化合物对土壤重金属具有螯合作用或酸化根际,导致根际土壤pH值的降低，并促进土壤重金属的溶解和植物的吸收^[40]。体系pH值的升高，土壤中的粘土矿物、水合氧化物和有机质表面的负电荷增加，因而对Pb的吸附力加强，土壤中重金属可溶态含量下降，致使溶液中Pb浓度降低，交互作用减弱，植物吸收Pb的量则减少^[41]，因此低富集玉米品种植株Pb含量较高富集玉米品种低，且富集系数也低于于高富集玉米品种。

(1)Pb胁迫下，4个玉米品种的生长均受到不同程度的抑制，但Pb对低富集玉米品种的抑制作用小于对高富集玉米品种的抑制作用；

(2)Pb胁迫下，低富集玉米品种与高富集玉米品种各部位Pb含量分配规律均为：根>叶>茎>籽粒；低富集玉米品种根部Pb含量高于高富集玉米品种，而地上部Pb含量则低于高富集玉米品种；

(3)Pb胁迫下，低富集玉米品种富集系数与茎、叶、籽粒转运系数及Pb总吸收量显著低于高富集玉米品种；

(4)低富集玉米品种土壤pH值显著高于高富集玉米品种，土壤有效态Pb含量无明显差异。