秦冉，龔思同，婁飛，馬智黠，何守陽，何騰兵，付天嶺*

（1.貴州大學（喀斯特環(huán)境與地質災害防治教育部重點實驗室、新農村發(fā)展研究院），貴陽 550025；2.貴州威寧縣山地特色農業(yè)科學研究院，貴州 畢節(jié) 553100）

我國農用地耕層土壤重金屬污染愈發(fā)嚴峻[1]，以典型八大重金屬元素Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni 污染最為普遍[2]。據統計，有16.1%土壤點位數據超標，且近2/5 農用地土壤處于重金屬污染狀態(tài)[3]。良好的土壤環(huán)境質量是糧食[4]、油料[5]、蔬菜[6]等作物安全種植的基本保障；在中輕度污染土壤上，種植適宜的作物品種，也能有效管控農產品的質量安全。蕓豆作為蝶形花科菜豆屬的豆類蔬菜作物[7]，出口量占據食用豆類總產量的27.4%[8]，其質量安全問題對出口創(chuàng)匯和蕓豆產業(yè)的發(fā)展具有重要影響。因此，在重金屬臨近《土壤環(huán)境質量農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618—2018）土壤污染風險篩選值或是超過污染風險管制值的耕地上，采取適宜品種類型和農藝措施來保障蕓豆的安全生產就顯得極為必要。

近年來，廣大學者針對中輕度重金屬污染土壤，從不同地域、不同條件等角度對耕地安全利用技術開展了較深入的研究[9?10]。其中，農作物品種間替代種植是在重金屬污染土壤上進行安全生產最有效的方法之一[11]。嚴素定等[12]通過測定黃石市6種大宗蔬菜重金屬含量發(fā)現，四季豆處于警戒線污染水平。FONTENELE 等[13]研究發(fā)現不同豇豆品種（Vigna un?guiculataL.Walp.）Pb 富集能力存在差異。向娟等[14]研究了Cd 脅迫下12 個豇豆品種的生長狀況，利用豇豆品種間Cd 敏感性不同篩選出FA 黑黑?3?1?青莢、15279作為Cd低累積品種。然而，目前蕓豆品種篩選研究主要集中于耐鹽堿性[15]、品質性狀[16]等，對重金屬積累特性在蕓豆品種間遺傳多樣性的研究較少。前人的研究發(fā)現，作物品種間對不同重金屬富集有顯著差異，但研究多是針對多個品種對單一重金屬污染元素的富集，而基于多目標重金屬元素低累積蕓豆品種篩選的研究尚未見報道。多目標重金屬元素在蕓豆體內含量特征及富集差異規(guī)律尚不清楚，不利于指導解決低累積蕓豆品種推廣的問題。因此，本研究選取黔西北部威寧縣主栽10 個蕓豆品種為材料，針對污染風險較高的Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni 8 種有害重金屬元素，通過在威寧縣蕓豆產區(qū)開展田間小區(qū)試驗，對比分析不同蕓豆品種籽粒中重金屬含量差異性和累積特征，并根據我國蔬菜中重金屬污染限值評價重金屬超標風險，以篩選出適宜區(qū)域生長的低累積蕓豆品種，為當地蕓豆安全生產提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

大田小區(qū)試驗地點為貴州省威寧縣小海鎮(zhèn)的試驗基地。該地區(qū)平均海拔2 200 m，氣候屬于亞熱帶季風性濕潤氣候，具有年降雨量大、無霜期長、日溫差大等特點，適于馬鈴薯、蕎麥及蕓豆等作物生長。供試土壤pH 為6.33，有機質（OM）含量為61.83 g·kg?1，總氮含量為0.331 g·kg?1，總磷含量為0.718 g·kg?1，速效鉀含量為0.196 g·kg?1。供試土壤主要重金屬含量見表1，以《土壤環(huán)境質量農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618—2018）土壤風險篩選值為標準，典型有害重金屬元素Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Zn和Ni的污染指數依次是4.05、0.13、0.37、0.56、0.60、0.79、0.65、0.51，以Cd污染程度最高，且超過貴州土壤背景值（0.248 mg·kg?1）[17]，能較好地代表該供試土壤污染狀況。

表1 供試土壤主要重金屬含量（mg·kg?1）Table 1 Main heavy metals contents in the tested soil（mg·kg?1）

1.2 供試材料

供試蕓豆為威寧縣主推的10 個蕓豆品種，分別是圓花豆、朱砂豆、奶花豆、大紅蕓豆、紫蕓豆、本地蕓豆、白花蕓豆、威蕓一號、黑紅蕓豆、紅蕓豆，由貴州威寧縣山地特色農業(yè)科學研究院提供。供試蕓豆品種基本信息見表2，經濟性狀見表3。10 個品種蕓豆單株莢數、單株粒質量、百粒質量等經濟性狀存在較明顯的差異，株高變幅25.8～133.8 cm，單株分枝數變幅1.4～4.2，單株莢數變幅4.8～11.8，單株粒質量變幅5.60～28.92 g，百粒質量變幅34.4～68.6 g，莢粒數變幅2.6～4.6，莢長變幅9.5～13.8 cm。10 個蕓豆品種間的單位面積產量達極顯著或顯著差異，產量范圍在0.47～1.75 t·hm?2，平均產量為1.14 t·hm?2；10 個品種產量順序從大到小排序為紅蕓豆＞朱砂豆＞圓花豆＞威蕓一號＞大紅蕓豆＞黑蕓豆＞黑紅蕓豆＞本地蕓豆＞白花蕓豆＞奶花豆。

表2 蕓豆品種植物學特性及生物學特性Table 2 Botanical and biological characteristics of kidney bean varieties

表3 蕓豆品種經濟性狀Table 3 Economic characters of kidney bean varieties

1.3 試驗設計

選擇Cd 污染農田開展蕓豆品種試驗，試驗品種采用隨機方式排列，每個品種的種植小區(qū)面積為15 m2（3 m×5 m），重復3 次，穴播種植密度為33.5 cm×50 cm。田間管理及施肥措施與當地措施一致[18]。于2020 年4 月23 日播種，2020 年6 月3 日人工中耕除草，每穴間苗2 株，整個生育期無病蟲害發(fā)生。2020年8月7日—8月20日完成收獲。

1.4 樣品采集及處理

蕓豆成熟期，每個小區(qū)隨機取5 整株蕓豆，豆莢按同一小區(qū)組成混合樣，裝入尼龍網袋，共30 個樣品。蕓豆室內晾干并脫粒，使用不銹鋼植物粉碎機粉碎，過40 目篩后裝入聚乙烯自封袋備用，整個小區(qū)收獲、晾曬、脫粒、稱質量計算小區(qū)產量。并對應采集小區(qū)的表層土壤（0～20 cm）樣品30 個，室內自然風干，四分法平分，過100目尼龍篩，樣品袋密封保存。

蕓豆樣品采用HNO3（5 mL）消解法，以石墨消解儀（YKM?36，長沙永樂康儀器設備有限公司）于120 ℃消解2 h。土壤樣品采用HNO3?HF?HClO（3∶1∶1）高壓密閉法于180 ℃消解22 h 后測定（HJ 766—2015）。土壤、植物樣品分別采用空白、平行雙樣以及國家標準物質GBW10012（GSB?3）、（GSS?5）進行質控。土壤生物有效態(tài)Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni 采用DTPA?CaCl2浸提法進行提取[19]。采用ICP?MS[X2，賽默飛世爾科技（中國）有限公司]測定蕓豆和土壤消解液、浸提液中Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni 的濃度[20]；其中，有效態(tài)Ni、Hg未達到儀器檢出限。

1.5 數據處理

蕓豆對重金屬富集能力使用富集系數進行評價[21]，其計算公式：富集系數=作物籽粒重金屬含量（mg·kg?1）/土壤中重金屬含量（mg·kg?1）。采用SPSS 25.0進行蕓豆富集系數均值兩兩比較的非參數檢驗、等方差圖基分析、聚類分析以及相關性分析，采用Or?igin 8.5 做圖。使用單因子污染指數法（Pi）和內梅羅綜合污染指數法（Pz）[22?23]評價蕓豆的重金屬超標情況；按照《綠色食品產地環(huán)境質量狀況評價綱要（試行）》中土壤污染等級劃分標準制定蔬菜質量分級標準進行蕓豆的質量分級。其中，蕓豆中Cd、Hg、As、Pb、Cr 安全限值參考《食品中污染物限量》（GB 2762—2017），分別為0.1、0.1、0.5、0.2、0.5 mg·kg?1，Cu安全限值參考聯合國糧農組織及世界衛(wèi)生組織推薦的標準值[24]，為10 mg·kg?1，Ni的臨界值以美國環(huán)保部規(guī)定Ni攝入參考劑量（RfD）0.02 mg·kg?1為參考，成人體質量以60 kg 估算，假設人群Ni 的攝入都來源于蔬菜，推算Ni 超標臨界值為0.75 mg·kg?1作為Ni 評價標準。此外，暫未出臺現行有關蔬菜中Zn限值的標準，故不做評價。

2 結果與分析

2.1 蕓豆根際土壤重金屬元素全量及有效性分析

如表4 所示，10 種蕓豆品種根系土壤pH 變幅為5.76～6.55，且沒有顯著差異。試驗地土壤8 種典型有害重金屬元素Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni 的平均含量分別為1.53、0.21、14.37、54.56、90.42、38.45、120.39、33.97 mg·kg?1；同一品種小區(qū)間重金屬含量存在一定的田間異質性，但各品種小區(qū)間平均重金屬含量并沒有顯著性差異。按照《土壤環(huán)境質量農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618—2018）風險篩選值和管制值，僅Cd 含量均值明顯高于土壤Cd的風險篩選值（0.3 mg·kg?1），且明顯超過貴州省土壤Cd 元素背景值。其他有害重金屬均未超過國家土壤污染風險篩選值，接近或略高于貴州土壤背景值，整體為弱酸性的安全利用類Cd污染土壤。

表4 不同品種蕓豆根際土壤pH及重金屬元素含量（mg·kg?1）Table 4 pH and total amount of heavy metals in rhizosphere soil of different varieties of kidney bean（mg·kg?1）

由表5可見，土壤典型有害重金屬Cd、As、Pb、Cr、Cu、Zn 的有效態(tài)含量平均值分別占全量的63.2%、0.97%、11.7%、0.04%、4.39%、2.69%，Cd、Pb 處于明顯較高的活性水平。統計結果表明，品種間的土壤重金屬有效態(tài)含量沒有顯著性差異。

表5 不同品種蕓豆根際土壤重金屬元素有效態(tài)含量（mg·kg?1）Table 5 Available contents of heavy metal elements in rhizosphere soil of different varieties of kidney bean（mg·kg?1）

2.2 蕓豆品種的重金屬元素含量及聚類分析

由圖1 可見，蕓豆籽粒重金屬含量除Cr、Hg、Ni外，Cd、As、Pb、Cu、Zn 在不同蕓豆品種之間均呈現顯著性差異（P＜0.05），Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni在不同蕓豆品種中含量極差分別達0.069、0.001、0.011、0.034、0.173、3.537、9.312、0.383 mg·kg?1。參照《食品安全國家標準食品中污染物限量》（GB 2762—2017）中的重金屬限量值和聯合國糧農組織及世界衛(wèi)生組織推薦的標準值，經單因子污染指數評價，僅有個別品種的Cu超過食品中污染物限量，Cd、As、Pb、Cr 4種典型有害重金屬均未超標；通過內梅羅綜合污染指數法進行綜合污染指數評價，僅有奶花豆、黑紅蕓豆、圓花豆、白花蕓豆等高富集品種接近或處于輕微污染水平，貢獻率呈現Cu＞Ni＞Cd＞Cr＞Pb＞As＞Hg 的規(guī)律，且以Cu為主要貢獻者（表6）。

表6 蕓豆重金屬污染程度評價表Table 6 The evaluation table of heavy metals pollution degree in kidney bean varieties

由系統聚類分析法?組間聯接?平方Euclidean 距離分析結果可見，將當地主栽的蕓豆品種間典型有害重金屬含量可分成第一類（較高值類）、第二類（中間值類）、第三類（較低值類）（圖1）。黑紅蕓豆、威蕓一號、大紅蕓豆和紅蕓豆4 個品種的Cd 含量明顯較低，屬第三類（較低值類），可作為Cd的低累積推薦品種。本地蕓豆、黑蕓豆、圓花豆、威蕓一號和朱砂豆5 個品種的As含量明顯較低，屬第三類（較低值類），可作為As 的低累積推薦品種。圓花豆、紅蕓豆、威蕓一號、黑蕓豆、奶花豆、本地蕓豆和朱砂豆7 個品種Pb 含量屬第三類（較低值類），特別是黑蕓豆、奶花豆、本地蕓豆和朱砂豆4 個品種的Pb 含量明顯較低，可作為Pb的低累積推薦品種。威蕓一號和圓花豆兩個品種的Cr含量相對較低，屬第三類（較低值類），可作為Cr的低累積推薦品種；朱砂豆Cu含量明顯較低，屬第三類（較低值類），可作為Cu的低累積推薦品種。黑蕓豆、本地蕓豆、大紅蕓豆、威蕓一號、紅蕓豆和朱砂豆6 個品種的Zn含量相對較低，屬第三類（較低值類），可作為Zn的低累積推薦品種。威蕓一號、紅蕓豆、黑紅蕓豆、大紅蕓豆的Ni 含量明顯較低，屬第三類（較低值類），可作為Ni的低累積推薦品種。

此外，當地主栽品種中，圓花豆屬于Cd 第一類（較高值類）品種，白花蕓豆和大紅蕓豆屬于As、Pb的第一類品種，奶花豆屬于Cr、Zn 的第一類品種，黑紅蕓豆、圓花豆和威蕓一號屬于Cu 的第一類品種。該類蕓豆品種中有較高的重金屬富集量，應盡量避免在相應的污染土壤上種植。

2.3 不同品種蕓豆重金屬富集特征

10 個蕓豆品種對8 種典型有害重金屬的吸收累積能力，整體呈現Zn＞Cu＞Cd＞Ni＞Hg＞Cr＞As＞Pb 的特征（表7）。其中，蕓豆對土壤中Zn、Cu 元素的富集能力較強，富集系數可達0.2 左右；對Cd 的富集系數為0.02～0.05 的水平；對Pb、As、Cr 均處于非常低的富集水平，富集系數不足0.01。各重金屬元素品種間富集系數呈現與蕓豆含量聚類分析整體一致的結果，明顯與蕓豆含量的第一類（較高值類）、第二類（中間值類）、第三類（較低值類）分類結果一致。蕓豆不同品種對土壤重金屬有效態(tài)含量的富集系數與對土壤重金屬全量的富集系數呈現整體一致的規(guī)律（表8），且對有效態(tài)重金屬含量的富集系數明顯較高，特別是對有效態(tài)Cu、Zn、Cr富集系數均大于1。

表7 不同品種蕓豆對土壤Cd、As、Pb、Cr、Cu、Zn、Hg、Ni全量富集系數Table 7 Total enrichment coefficients of Cd，As，Pb，Cr，Cu，Zn，Hg，Ni of different varieties of kidney bean

表8 不同品種蕓豆對土壤Cd、As、Pb、Cr、Cu、Zn有效態(tài)富集系數Table 8 Enrichment coefficients of available fractions of Cd，As，Pb，Cr，Cu，Zn of different varieties of kidney bean

3 討論

本研究中，同一試驗地塊上的10 個蕓豆品種經濟學性狀和產量有顯著性差異，這是供試品種間基因型差異的結果。蕓豆品種間對同一典型有害重金屬元素的累積存在顯著差異，可以按照蕓豆中重金屬含量分為第一類（較高值類）、第二類（中間值類）、第三類（較低值類）3 個類別，相應的富集系數也具有明顯差異，說明基因型對蕓豆籽粒重金屬含量有顯著影響，這與薛濤等[3]和付玉輝[25]在不同水稻、蔬菜品種對重金屬吸收研究方面的結論一致。有研究表明，品種間差異會導致根系釋放分泌物質速率、營養(yǎng)物質的吸收和解吸、根際土壤重金屬活化能力等的不同[26?27]，進而影響根系的富集能力。研究表明，根系分泌物能夠改變重金屬形態(tài)及土壤微生態(tài)環(huán)境，其中，根系分泌的有機酸、酚類物質等可與重金屬發(fā)生螯合反應，限制重金屬遷移轉運[28]。而根系也可通過質外體屏障來減少根部的泌氧，進而調節(jié)作物對重金屬的耐性[29]，可能是籽粒重金屬累積差異原因之一。另外，不同蔬菜品種各器官轉運能力差異是影響體內重金屬含量分配的重要因子，這種差異使得進一步篩選低累積型蕓豆成為了可能[30?31]。在實際生產中，植物體內重金屬含量不僅取決于自身基因型和代謝機制，還受到實地土壤肥力和重金屬污染狀況等多個因子影響[32]。有研究表明，土壤中施用有機肥不僅能提高土壤肥力，還能與重金屬形成難溶性沉淀，降低其活動性和有效性[33]。

10 個蕓豆品種對重金屬富集差異較大，可能與品種的遺傳特性、栽培措施和重金屬類型等有關[34]。有研究表明，由于作物對重金屬離子富集轉運機制不同，品種間重金屬含量和分布表現出巨大差異[35]。馮愛煊等[36]研究發(fā)現，不同水稻品種稻米對Cd、As、Pb、Cr累積存在顯著的基因型差異；鄒素敏等[37]的研究表明，不同種蔬菜對Cd、Hg、Pb、Cr、As 富集差異明顯。本研究發(fā)現，重金屬元素在蕓豆體內整體呈現Zn＞Cu＞Cd＞Ni＞Hg＞Cr＞As＞Pb 的富集特征，蕓豆對Zn、Cu富集能力更強，可能是施加的氮肥和磷肥促進植物籽粒部位吸收Zn、Cu[38?39]，但是蕓豆對Cd、Pb、As、Cr、Ni、Hg 不敏感，這與前人的研究結果相似[40?41]。張彥威等[42]通過對大豆品種進行篩選，發(fā)現野生大豆中重金屬含量差異很大，其富集呈Cr＞Pb＞As＞Cd＞Hg 的規(guī)律；趙秀芳等[43]在對土壤?作物系統中金屬的相互作用的研究中，發(fā)現小麥對重金屬的富集能力從大到小依次為Zn＞Cd＞Cu＞Ni＞As＞Pb，其從土壤環(huán)境中攝取重金屬元素的能力是有限的。上述結果均與本研究結果不一致，可能是因為土壤的基本理化性質不同致使蔬菜表現出不同的重金屬富集特性[44]。有研究表明，土壤的理化性質通過影響重金屬在土壤中的存在形態(tài)而影響重金屬的生物有效性[45]。

本研究試驗區(qū)存在土壤Cd 污染問題，在此弱酸性安全利用類污染土壤上，供試蕓豆籽粒中重金屬含量均未超標，對Cd 的富集系數僅為0.02～0.05。籽粒部位重金屬含量均未超標，可能是因為重金屬在根系表面和根系質外體中的移動性較差，且會在根系細胞內發(fā)生區(qū)隔化作用，阻礙了重金屬的木質部裝載[46]。Cd 超標率和富集系數明顯低于湖南Cd 污染區(qū)水稻[47]、河南旱地Cd污染區(qū)的小麥[48]、珠江三角洲Cd污染區(qū)的蔬菜等[49]。因此，蕓豆可以作為黔西北此類Cd 污染區(qū)的推薦作物品種。值得注意的是，本研究中試驗區(qū)土壤Zn、Cu元素含量均未超過土壤篩選值，但蕓豆籽粒對Zn、Cu元素富集能力較強，特別是對土壤有效態(tài)Zn、Cu 的富集系數明顯大于1，全部蕓豆品種籽粒的Zn 含量和個別品種的Cu 含量超過一定量時，存在較高的Zn、Cu 污染風險，推斷與豆科作物對Cu、Zn 的需求有關系，Cu、Zn 是作物體內必需的微量元素[50]。目前對豆科植物Cu、Zn 超標問題關注較少，區(qū)域內多數土壤Cu、Zn元素含量較為豐富，蕓豆等豆科蔬菜的安全生產應當引起人們的注意。

4 結論

（1）蕓豆品種間對同一典型有害重金屬元素的累積存在顯著差異，按照蕓豆中重金屬含量，通過聚類分析可區(qū)分為較高值類、中間值類、較低值類。

（2）10 個蕓豆品種對8種典型有害重金屬富集整體呈現Zn＞Cu＞Cd＞Ni＞Hg＞Cr＞As＞Pb的特征，且對Cd、As、Pb、Cr、Hg、Ni富集能力較弱，研究中蕓豆品種均可作為黔西北Cd 污染區(qū)的推薦品種，但Cu、Zn 超標風險需引起特別關注，其中奶花豆、黑紅蕓豆、圓花豆和威蕓一號中有較高的Zn、Cu富集量，應盡量避免在相應的污染土壤上種植。