基于多目标重金属元素筛选低累积芸豆品种

秦冉，龚思同，娄飞，马智黠，何守阳，何腾兵，付天岭*

（1.贵州大学（喀斯特环境与地质灾害防治教育部重点实验室、新农村发展研究院），贵阳 550025；2.贵州威宁县山地特色农业科学研究院，贵州 毕节 553100）

我国农用地耕层土壤重金属污染愈发严峻[1]，以典型八大重金属元素Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni 污染最为普遍[2]。据统计，有16.1%土壤点位数据超标，且近2/5 农用地土壤处于重金属污染状态[3]。良好的土壤环境质量是粮食[4]、油料[5]、蔬菜[6]等作物安全种植的基本保障；在中轻度污染土壤上，种植适宜的作物品种，也能有效管控农产品的质量安全。芸豆作为蝶形花科菜豆属的豆类蔬菜作物[7]，出口量占据食用豆类总产量的27.4%[8]，其质量安全问题对出口创汇和芸豆产业的发展具有重要影响。因此，在重金属临近《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）土壤污染风险筛选值或是超过污染风险管制值的耕地上，采取适宜品种类型和农艺措施来保障芸豆的安全生产就显得极为必要。

近年来，广大学者针对中轻度重金属污染土壤，从不同地域、不同条件等角度对耕地安全利用技术开展了较深入的研究[9−10]。其中，农作物品种间替代种植是在重金属污染土壤上进行安全生产最有效的方法之一[11]。严素定等[12]通过测定黄石市6种大宗蔬菜重金属含量发现，四季豆处于警戒线污染水平。FONTENELE 等[13]研究发现不同豇豆品种（Vigna un⁃guiculataL.Walp.）Pb 富集能力存在差异。向娟等[14]研究了Cd 胁迫下12 个豇豆品种的生长状况，利用豇豆品种间Cd 敏感性不同筛选出FA 黑黑−3−1−青荚、15279作为Cd低累积品种。然而，目前芸豆品种筛选研究主要集中于耐盐碱性[15]、品质性状[16]等，对重金属积累特性在芸豆品种间遗传多样性的研究较少。前人的研究发现，作物品种间对不同重金属富集有显著差异，但研究多是针对多个品种对单一重金属污染元素的富集，而基于多目标重金属元素低累积芸豆品种筛选的研究尚未见报道。多目标重金属元素在芸豆体内含量特征及富集差异规律尚不清楚，不利于指导解决低累积芸豆品种推广的问题。因此，本研究选取黔西北部威宁县主栽10 个芸豆品种为材料，针对污染风险较高的Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni 8 种有害重金属元素，通过在威宁县芸豆产区开展田间小区试验，对比分析不同芸豆品种籽粒中重金属含量差异性和累积特征，并根据我国蔬菜中重金属污染限值评价重金属超标风险，以筛选出适宜区域生长的低累积芸豆品种，为当地芸豆安全生产提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

大田小区试验地点为贵州省威宁县小海镇的试验基地。该地区平均海拔2 200 m，气候属于亚热带季风性湿润气候，具有年降雨量大、无霜期长、日温差大等特点，适于马铃薯、荞麦及芸豆等作物生长。供试土壤pH 为6.33，有机质（OM）含量为61.83 g·kg−1，总氮含量为0.331 g·kg−1，总磷含量为0.718 g·kg−1，速效钾含量为0.196 g·kg−1。供试土壤主要重金属含量见表1，以《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）土壤风险筛选值为标准，典型有害重金属元素Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Zn和Ni的污染指数依次是4.05、0.13、0.37、0.56、0.60、0.79、0.65、0.51，以Cd污染程度最高，且超过贵州土壤背景值（0.248 mg·kg−1）[17]，能较好地代表该供试土壤污染状况。

表1 供试土壤主要重金属含量（mg·kg−1）Table 1 Main heavy metals contents in the tested soil（mg·kg−1）

1.2 供试材料

供试芸豆为威宁县主推的10 个芸豆品种，分别是圆花豆、朱砂豆、奶花豆、大红芸豆、紫芸豆、本地芸豆、白花芸豆、威芸一号、黑红芸豆、红芸豆，由贵州威宁县山地特色农业科学研究院提供。供试芸豆品种基本信息见表2，经济性状见表3。10 个品种芸豆单株荚数、单株粒质量、百粒质量等经济性状存在较明显的差异，株高变幅25.8～133.8 cm，单株分枝数变幅1.4～4.2，单株荚数变幅4.8～11.8，单株粒质量变幅5.60～28.92 g，百粒质量变幅34.4～68.6 g，荚粒数变幅2.6～4.6，荚长变幅9.5～13.8 cm。10 个芸豆品种间的单位面积产量达极显著或显著差异，产量范围在0.47～1.75 t·hm−2，平均产量为1.14 t·hm−2；10 个品种产量顺序从大到小排序为红芸豆＞朱砂豆＞圆花豆＞威芸一号＞大红芸豆＞黑芸豆＞黑红芸豆＞本地芸豆＞白花芸豆＞奶花豆。

表2 芸豆品种植物学特性及生物学特性Table 2 Botanical and biological characteristics of kidney bean varieties

表3 芸豆品种经济性状Table 3 Economic characters of kidney bean varieties

1.3 试验设计

选择Cd 污染农田开展芸豆品种试验，试验品种采用随机方式排列，每个品种的种植小区面积为15 m2（3 m×5 m），重复3 次，穴播种植密度为33.5 cm×50 cm。田间管理及施肥措施与当地措施一致[18]。于2020 年4 月23 日播种，2020 年6 月3 日人工中耕除草，每穴间苗2 株，整个生育期无病虫害发生。2020年8月7日—8月20日完成收获。

1.4 样品采集及处理

芸豆成熟期，每个小区随机取5 整株芸豆，豆荚按同一小区组成混合样，装入尼龙网袋，共30 个样品。芸豆室内晾干并脱粒，使用不锈钢植物粉碎机粉碎，过40 目筛后装入聚乙烯自封袋备用，整个小区收获、晾晒、脱粒、称质量计算小区产量。并对应采集小区的表层土壤（0～20 cm）样品30 个，室内自然风干，四分法平分，过100目尼龙筛，样品袋密封保存。

芸豆样品采用HNO3（5 mL）消解法，以石墨消解仪（YKM−36，长沙永乐康仪器设备有限公司）于120 ℃消解2 h。土壤样品采用HNO3−HF−HClO（3∶1∶1）高压密闭法于180 ℃消解22 h 后测定（HJ 766—2015）。土壤、植物样品分别采用空白、平行双样以及国家标准物质GBW10012（GSB−3）、（GSS−5）进行质控。土壤生物有效态Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni 采用DTPA−CaCl2浸提法进行提取[19]。采用ICP−MS[X2，赛默飞世尔科技（中国）有限公司]测定芸豆和土壤消解液、浸提液中Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni 的浓度[20]；其中，有效态Ni、Hg未达到仪器检出限。

1.5 数据处理

芸豆对重金属富集能力使用富集系数进行评价[21]，其计算公式：富集系数=作物籽粒重金属含量（mg·kg−1）/土壤中重金属含量（mg·kg−1）。采用SPSS 25.0进行芸豆富集系数均值两两比较的非参数检验、等方差图基分析、聚类分析以及相关性分析，采用Or⁃igin 8.5 做图。使用单因子污染指数法（Pi）和内梅罗综合污染指数法（Pz）[22−23]评价芸豆的重金属超标情况；按照《绿色食品产地环境质量状况评价纲要（试行）》中土壤污染等级划分标准制定蔬菜质量分级标准进行芸豆的质量分级。其中，芸豆中Cd、Hg、As、Pb、Cr 安全限值参考《食品中污染物限量》（GB 2762—2017），分别为0.1、0.1、0.5、0.2、0.5 mg·kg−1，Cu安全限值参考联合国粮农组织及世界卫生组织推荐的标准值[24]，为10 mg·kg−1，Ni的临界值以美国环保部规定Ni摄入参考剂量（RfD）0.02 mg·kg−1为参考，成人体质量以60 kg 估算，假设人群Ni 的摄入都来源于蔬菜，推算Ni 超标临界值为0.75 mg·kg−1作为Ni 评价标准。此外，暂未出台现行有关蔬菜中Zn限值的标准，故不做评价。

2 结果与分析

2.1 芸豆根际土壤重金属元素全量及有效性分析

如表4 所示，10 种芸豆品种根系土壤pH 变幅为5.76～6.55，且没有显著差异。试验地土壤8 种典型有害重金属元素Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni 的平均含量分别为1.53、0.21、14.37、54.56、90.42、38.45、120.39、33.97 mg·kg−1；同一品种小区间重金属含量存在一定的田间异质性，但各品种小区间平均重金属含量并没有显著性差异。按照《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）风险筛选值和管制值，仅Cd 含量均值明显高于土壤Cd的风险筛选值（0.3 mg·kg−1），且明显超过贵州省土壤Cd 元素背景值。其他有害重金属均未超过国家土壤污染风险筛选值，接近或略高于贵州土壤背景值，整体为弱酸性的安全利用类Cd污染土壤。

表4 不同品种芸豆根际土壤pH及重金属元素含量（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可见，土壤典型有害重金属Cd、As、Pb、Cr、Cu、Zn 的有效态含量平均值分别占全量的63.2%、0.97%、11.7%、0.04%、4.39%、2.69%，Cd、Pb 处于明显较高的活性水平。统计结果表明，品种间的土壤重金属有效态含量没有显著性差异。

表5 不同品种芸豆根际土壤重金属元素有效态含量（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 芸豆品种的重金属元素含量及聚类分析

由图1 可见，芸豆籽粒重金属含量除Cr、Hg、Ni外，Cd、As、Pb、Cu、Zn 在不同芸豆品种之间均呈现显著性差异（P＜0.05），Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni在不同芸豆品种中含量极差分别达0.069、0.001、0.011、0.034、0.173、3.537、9.312、0.383 mg·kg−1。参照《食品安全国家标准食品中污染物限量》（GB 2762—2017）中的重金属限量值和联合国粮农组织及世界卫生组织推荐的标准值，经单因子污染指数评价，仅有个别品种的Cu超过食品中污染物限量，Cd、As、Pb、Cr 4种典型有害重金属均未超标；通过内梅罗综合污染指数法进行综合污染指数评价，仅有奶花豆、黑红芸豆、圆花豆、白花芸豆等高富集品种接近或处于轻微污染水平，贡献率呈现Cu＞Ni＞Cd＞Cr＞Pb＞As＞Hg 的规律，且以Cu为主要贡献者（表6）。

表6 芸豆重金属污染程度评价表Table 6 The evaluation table of heavy metals pollution degree in kidney bean varieties

由系统聚类分析法−组间联接−平方Euclidean 距离分析结果可见，将当地主栽的芸豆品种间典型有害重金属含量可分成第一类（较高值类）、第二类（中间值类）、第三类（较低值类）（图1）。黑红芸豆、威芸一号、大红芸豆和红芸豆4 个品种的Cd 含量明显较低，属第三类（较低值类），可作为Cd的低累积推荐品种。本地芸豆、黑芸豆、圆花豆、威芸一号和朱砂豆5 个品种的As含量明显较低，属第三类（较低值类），可作为As 的低累积推荐品种。圆花豆、红芸豆、威芸一号、黑芸豆、奶花豆、本地芸豆和朱砂豆7 个品种Pb 含量属第三类（较低值类），特别是黑芸豆、奶花豆、本地芸豆和朱砂豆4 个品种的Pb 含量明显较低，可作为Pb的低累积推荐品种。威芸一号和圆花豆两个品种的Cr含量相对较低，属第三类（较低值类），可作为Cr的低累积推荐品种；朱砂豆Cu含量明显较低，属第三类（较低值类），可作为Cu的低累积推荐品种。黑芸豆、本地芸豆、大红芸豆、威芸一号、红芸豆和朱砂豆6 个品种的Zn含量相对较低，属第三类（较低值类），可作为Zn的低累积推荐品种。威芸一号、红芸豆、黑红芸豆、大红芸豆的Ni 含量明显较低，属第三类（较低值类），可作为Ni的低累积推荐品种。

此外，当地主栽品种中，圆花豆属于Cd 第一类（较高值类）品种，白花芸豆和大红芸豆属于As、Pb的第一类品种，奶花豆属于Cr、Zn 的第一类品种，黑红芸豆、圆花豆和威芸一号属于Cu 的第一类品种。该类芸豆品种中有较高的重金属富集量，应尽量避免在相应的污染土壤上种植。

2.3 不同品种芸豆重金属富集特征

10 个芸豆品种对8 种典型有害重金属的吸收累积能力，整体呈现Zn＞Cu＞Cd＞Ni＞Hg＞Cr＞As＞Pb 的特征（表7）。其中，芸豆对土壤中Zn、Cu 元素的富集能力较强，富集系数可达0.2 左右；对Cd 的富集系数为0.02～0.05 的水平；对Pb、As、Cr 均处于非常低的富集水平，富集系数不足0.01。各重金属元素品种间富集系数呈现与芸豆含量聚类分析整体一致的结果，明显与芸豆含量的第一类（较高值类）、第二类（中间值类）、第三类（较低值类）分类结果一致。芸豆不同品种对土壤重金属有效态含量的富集系数与对土壤重金属全量的富集系数呈现整体一致的规律（表8），且对有效态重金属含量的富集系数明显较高，特别是对有效态Cu、Zn、Cr富集系数均大于1。

表7 不同品种芸豆对土壤Cd、As、Pb、Cr、Cu、Zn、Hg、Ni全量富集系数Table 7 Total enrichment coefficients of Cd，As，Pb，Cr，Cu，Zn，Hg，Ni of different varieties of kidney bean

表8 不同品种芸豆对土壤Cd、As、Pb、Cr、Cu、Zn有效态富集系数Table 8 Enrichment coefficients of available fractions of Cd，As，Pb，Cr，Cu，Zn of different varieties of kidney bean

3 讨论

本研究中，同一试验地块上的10 个芸豆品种经济学性状和产量有显著性差异，这是供试品种间基因型差异的结果。芸豆品种间对同一典型有害重金属元素的累积存在显著差异，可以按照芸豆中重金属含量分为第一类（较高值类）、第二类（中间值类）、第三类（较低值类）3 个类别，相应的富集系数也具有明显差异，说明基因型对芸豆籽粒重金属含量有显著影响，这与薛涛等[3]和付玉辉[25]在不同水稻、蔬菜品种对重金属吸收研究方面的结论一致。有研究表明，品种间差异会导致根系释放分泌物质速率、营养物质的吸收和解吸、根际土壤重金属活化能力等的不同[26−27]，进而影响根系的富集能力。研究表明，根系分泌物能够改变重金属形态及土壤微生态环境，其中，根系分泌的有机酸、酚类物质等可与重金属发生螯合反应，限制重金属迁移转运[28]。而根系也可通过质外体屏障来减少根部的泌氧，进而调节作物对重金属的耐性[29]，可能是籽粒重金属累积差异原因之一。另外，不同蔬菜品种各器官转运能力差异是影响体内重金属含量分配的重要因子，这种差异使得进一步筛选低累积型芸豆成为了可能[30−31]。在实际生产中，植物体内重金属含量不仅取决于自身基因型和代谢机制，还受到实地土壤肥力和重金属污染状况等多个因子影响[32]。有研究表明，土壤中施用有机肥不仅能提高土壤肥力，还能与重金属形成难溶性沉淀，降低其活动性和有效性[33]。

10 个芸豆品种对重金属富集差异较大，可能与品种的遗传特性、栽培措施和重金属类型等有关[34]。有研究表明，由于作物对重金属离子富集转运机制不同，品种间重金属含量和分布表现出巨大差异[35]。冯爱煊等[36]研究发现，不同水稻品种稻米对Cd、As、Pb、Cr累积存在显著的基因型差异；邹素敏等[37]的研究表明，不同种蔬菜对Cd、Hg、Pb、Cr、As 富集差异明显。本研究发现，重金属元素在芸豆体内整体呈现Zn＞Cu＞Cd＞Ni＞Hg＞Cr＞As＞Pb 的富集特征，芸豆对Zn、Cu富集能力更强，可能是施加的氮肥和磷肥促进植物籽粒部位吸收Zn、Cu[38−39]，但是芸豆对Cd、Pb、As、Cr、Ni、Hg 不敏感，这与前人的研究结果相似[40−41]。张彦威等[42]通过对大豆品种进行筛选，发现野生大豆中重金属含量差异很大，其富集呈Cr＞Pb＞As＞Cd＞Hg 的规律；赵秀芳等[43]在对土壤−作物系统中金属的相互作用的研究中，发现小麦对重金属的富集能力从大到小依次为Zn＞Cd＞Cu＞Ni＞As＞Pb，其从土壤环境中摄取重金属元素的能力是有限的。上述结果均与本研究结果不一致，可能是因为土壤的基本理化性质不同致使蔬菜表现出不同的重金属富集特性[44]。有研究表明，土壤的理化性质通过影响重金属在土壤中的存在形态而影响重金属的生物有效性[45]。

本研究试验区存在土壤Cd 污染问题，在此弱酸性安全利用类污染土壤上，供试芸豆籽粒中重金属含量均未超标，对Cd 的富集系数仅为0.02～0.05。籽粒部位重金属含量均未超标，可能是因为重金属在根系表面和根系质外体中的移动性较差，且会在根系细胞内发生区隔化作用，阻碍了重金属的木质部装载[46]。Cd 超标率和富集系数明显低于湖南Cd 污染区水稻[47]、河南旱地Cd污染区的小麦[48]、珠江三角洲Cd污染区的蔬菜等[49]。因此，芸豆可以作为黔西北此类Cd 污染区的推荐作物品种。值得注意的是，本研究中试验区土壤Zn、Cu元素含量均未超过土壤筛选值，但芸豆籽粒对Zn、Cu元素富集能力较强，特别是对土壤有效态Zn、Cu 的富集系数明显大于1，全部芸豆品种籽粒的Zn 含量和个别品种的Cu 含量超过一定量时，存在较高的Zn、Cu 污染风险，推断与豆科作物对Cu、Zn 的需求有关系，Cu、Zn 是作物体内必需的微量元素[50]。目前对豆科植物Cu、Zn 超标问题关注较少，区域内多数土壤Cu、Zn元素含量较为丰富，芸豆等豆科蔬菜的安全生产应当引起人们的注意。

4 结论

（1）芸豆品种间对同一典型有害重金属元素的累积存在显著差异，按照芸豆中重金属含量，通过聚类分析可区分为较高值类、中间值类、较低值类。

（2）10 个芸豆品种对8种典型有害重金属富集整体呈现Zn＞Cu＞Cd＞Ni＞Hg＞Cr＞As＞Pb的特征，且对Cd、As、Pb、Cr、Hg、Ni富集能力较弱，研究中芸豆品种均可作为黔西北Cd 污染区的推荐品种，但Cu、Zn 超标风险需引起特别关注，其中奶花豆、黑红芸豆、圆花豆和威芸一号中有较高的Zn、Cu富集量，应尽量避免在相应的污染土壤上种植。