柴冠群，周禮興，秦 松，范成五，劉桂華，王 麗，蔣 亞

（1.貴州省農(nóng)業(yè)科學院 土壤肥料研究所，貴州 貴陽 550006；2.畢節(jié)市七星關(guān)區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，貴州 畢節(jié) 551700）

四季豆（Phaseolus vulgarisL.）原產(chǎn)于中南美洲，15世紀初傳入我國，又名蕓豆、架豆、菜豆和小刀豆等[1]。四季豆是我國廣泛栽培的蔬菜品種，因富含蛋白質(zhì)、可溶性纖維、維生素及鐵等營養(yǎng)物質(zhì)，具有補鐵、穩(wěn)定血壓和血糖等功效，被廣大消費者青睞[2]。食用蔬菜尤其是食用重金屬污染耕地種植的蔬菜，是人體重金屬暴露的途徑之一[3]。農(nóng)作物的重金屬污染具有隱蔽性，一般不會引起急性中毒，但長期食用重金屬污染的蔬菜，對身體健康極易造成不可逆的損傷[4]。

黔西北屬于烏蒙山區(qū)，是全國14個集中連片特困地區(qū)之一，也是新時期中國扶貧攻堅的主戰(zhàn)場[5]。黔西北地區(qū)通過“蔬菜+高效益經(jīng)濟作物”的生產(chǎn)方式助推脫貧攻堅與鄉(xiāng)村振興，四季豆種植是當?shù)孛撠氈赂淮胧┲弧ＹF州屬于我國典型重金屬地質(zhì)高背景區(qū)[6]，黔西北地區(qū)土壤受地質(zhì)背景和土法煉鋅污染疊加影響，土壤鎘（Cd）污染嚴重[7]。在Cd 污染耕地種植農(nóng)作物可能增加其污染風險，如徐飛飛等[8]報道，食用Cd 污染區(qū)種植的蔬菜易導致人體慢性Cd 中毒；曹春等[9]對大寶山污灌區(qū)土壤-蔬菜重金屬污染現(xiàn)狀調(diào)查發(fā)現(xiàn)，8 種蔬菜Cd 含量全部超標；李洋等[10]對滇東Cd 污染區(qū)土壤-蔬菜系統(tǒng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，不同類型蔬菜對人體的致癌風險存在差異，主要表現(xiàn)為葉菜類＞根莖類＞茄果類。在耕地資源緊缺、Cd高地質(zhì)背景的黔西北地區(qū)[6]種植四季豆，可能會存在Cd 超標風險，影響四季豆產(chǎn)量與經(jīng)濟效益。因此，有必要開展四季豆安全生產(chǎn)技術(shù)研究。

種植重金屬低積累品種由于可接受度高、操作性強，作為“邊生產(chǎn)，邊修復”技術(shù)用于解決重金屬污染耕地上食品安全問題的研究方興未艾[11]。前人在水稻[12-13]、小麥[14]、玉米[15]等重金屬安全品種培育方面開展了大量研究。目前，關(guān)于四季豆的報道多是圍繞高產(chǎn)栽培[2，16]、養(yǎng)分需求規(guī)律[1]與四季豆重金屬污染狀況調(diào)查[4，17]等方面，未見四季豆重金屬安全生產(chǎn)方面的系統(tǒng)研究。為此，擬以黔西北地區(qū)主栽的13個四季豆品種為研究對象，在黔西北L、Y兩地開展田間小區(qū)試驗，比較不同四季豆品種對黔西北地區(qū)潛在危害較大的重金屬元素Cd[18]的積累差異，研究四季豆Cd 含量的基因型和環(huán)境效應，篩選Cd低積累四季豆品種，為四季豆在黔西北Cd污染耕地上的安全種植提供實踐參考。

1 材料和方法

1.1 試驗地及供試材料

試驗地位于黔西北的L 地（105.327 502°E、27.645 160°N）與Y 地（104.991 083°E、27.205 435°N），兩地土壤類型均為黃壤，成土母巖均為碳酸鹽巖。表1 所示為兩地土壤基本理化性質(zhì)。根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618—2018）[19]，L 地和Y 地均為Cd 污染的安全利用類耕地，其土壤Cd 含量分別為篩選值的7.67、2.47倍。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)Tab.1 Basically physical and chemical properties of soil tested

供試四季豆為黔西北市場上推廣的、常見的13個四季豆品種，均由畢節(jié)市農(nóng)科所提供，具體見表2。

表2 供試四季豆品種Tab.2 Kidney bean varieties tested

1.2 試驗設(shè)計

于2021 年4—9 月在L 地與Y 地的試驗基地采用完全隨機區(qū)組設(shè)計開展田間小區(qū)試驗。兩試驗地的試驗設(shè)計與田間管理措施一致。以四季豆品種為處理，共13個處理，每個處理重復3次，共39個小區(qū)，每個小區(qū)面積12 m2，在品種間與重復間均保留50 cm 過道。四季豆種植規(guī)格為行距0.6 m、株距0.4 m，每小區(qū)6 行，每行10 株，每窩播種3 粒四季豆種子。四季豆第1 片復葉長出后間苗，每穴保留1株長勢健壯的植株。所有處理在播種時施用450 kg/hm2鈣鎂磷肥作底肥，在播種、抽蔓、結(jié)莢初期、結(jié)莢中期按3∶2∶3∶2 分別追施三元復合肥，復合肥總用量為690 kg/hm2。試驗用鈣鎂磷肥（P2O5：12%）與復合肥（N：15%；P2O5：15%；K2O：15%）均由金正大諾泰爾化學有限公司提供。

1.3 樣品采集與保存

四季豆達商品要求，即嫩莢腹縫線未凹陷時，及時采摘。采用梅花形取樣法分別采集L地與Y地試驗基地各小區(qū)四季豆樣品與對應土壤樣品，同時稱量各小區(qū)四季豆產(chǎn)量。四季豆帶回實驗室后，用去離子水將其清洗干凈，吸水紙擦干后，用勻漿機勻漿并置于冰箱0 ℃冷藏保存?zhèn)溆谩４寥罉悠凤L干后，將雜質(zhì)剔除，用瑪瑙研缽研磨，分別過2、0.15 mm尼龍篩備用。

1.4 測定項目及方法

1.4.1 土壤pH 值與重金屬含量 稱取10.0 g 過2 mm 篩的土壤，置于100 mL 燒杯中，加入25 mL 蒸餾水，攪拌1 min，用酸度計（PHS-3E 型，上海儀電科學儀器股份有限公司）測定土壤pH 值[20]。稱取0.100 g 過0.15 mm 篩的土壤置于消解罐中，采用HNO3-HF-HClO4消解，使用ICP-MS（Elan 9000 型，美國珀金埃爾默股份有限公司）測定總Cd 含量[20]。采用土壤標準樣品GB W07405進行質(zhì)量控制，土壤樣品標準物質(zhì)回收率為91.3%～103.2%。

1.4.2 四季豆重金屬含量 參照《食品安全國家標準 食品中多元素的測定》（GB 5009.268—2016）[21]，稱取1.000 g 四季豆勻漿液置于消解罐中，經(jīng)硝酸-微波法消解后，用ICP-MS（Elan 9000 型，美國珀金埃爾默股份有限公司）測定其Cd 含量。采用標樣GB W（E）100348 進 行 質(zhì) 控，回 收 率 為98.6%～100.4%，全程做空白試驗。

1.5 數(shù)據(jù)處理

1.5.1 四季豆重金屬富集系數(shù) 作物重金屬富集系數(shù)（Bioconcentration factor，BCF）常用來分析土壤-作物系統(tǒng)中重金屬的積累水平[22]。計算不同品種四季豆對Cd的富集系數(shù)，以表征不同品種四季豆對Cd的吸收特性，公式如下：

式中，BCFCd表示四季豆對Cd 的富集系數(shù)；CCd表示四季豆重金屬Cd 測定值；TCd表示土壤重金屬Cd測定值。

1.5.2 四季豆重金屬安全性評價 根據(jù)《食品安全國家標準 食品中污染物限量》（GB 2762—2017）[23]，采用單因子污染指數(shù)法（Pi）評價供試四季豆品種在L、Y兩地的Cd安全性[24-25]，計算公式：

式中，PCd為四季豆Cd 單因子污染指數(shù)；CCd為四季豆中重金屬Cd 的實測值；SCd為四季豆中重金屬Cd 的限值，為0.1 mg/kg[23]；PCd≤1 表示四季豆Cd未超標，1＜PCd≤2 表示四季豆Cd 輕度超標，PCd＞2 表示四季豆Cd重度超標。

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2010 進行統(tǒng)計分析，應用SPSS 22.0 進行方差分析與聚類分析，使用Sigmaplot 14.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 黔西北Cd污染耕地不同品種四季豆產(chǎn)量

由圖1 可知，不同品種四季豆產(chǎn)量在同一地點存在一定差異。L 地四季豆產(chǎn)量介于12 734.7～18 513.6 kg/hm2，平均產(chǎn)量為14 899.5 kg/hm2，其中幫達二號（D11）產(chǎn)量最高，世紀青龍（D4）產(chǎn)量最低，二者差異顯著（P＜0.05）；Y 地四季豆產(chǎn)量介于11 645.3～19 287.9 kg/hm2，平 均 產(chǎn) 量 為14 193.3 kg/hm2，其中幫達二號（D11）產(chǎn)量最高，天馬地豆（D12）產(chǎn)量最低，二者差異顯著（P＜0.05）。對不同品種、不同試驗地點的四季豆產(chǎn)量進行雙因素方差分析，結(jié)果表明，修正模型的F值為123.20，P＜0.01，說明該模型具有統(tǒng)計學意義。品種、地點、品種×地點的F值分別為220.09、81.36、29.80，均達極顯著水平（P＜0.01），說明基因型、環(huán)境及基因型與環(huán)境間的相互作用均會對四季豆產(chǎn)量產(chǎn)生極顯著影響。

圖1 黔西北Cd污染耕地不同試驗地點、不同品種四季豆產(chǎn)量差異Fig.1 Yield difference of different kidney bean varieties at different experiment sites in cadmium polluted farmland of northwest Guizhou

2.2 黔西北Cd污染耕地不同處理土壤pH值與總Cd含量特征

如表3 所示，L 地、Y 地土壤pH 值分別為6.21～6.36、5.96～6.13；L、Y 兩地土壤pH 值均值分別為6.29、6.04，差異顯著（P＜0.05）。同一地點，不同處理土壤pH值差異不顯著。L地、Y地土壤總Cd含量分別為2.21～2.36、0.68～0.81 mg/kg；L、Y 兩地土壤總Cd 含量均值分別為2.30、0.74 mg/kg，差異顯著（P＜0.05），L地土壤總Cd含量均值是Y 地的3.11倍。同一地點，不同處理土壤總Cd 含量差異不顯著。L地、Y 地土壤總Cd 含量均值分別是《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618—2018）[19]中Cd 風險篩選值的7.67、2.47倍。L 地、Y 地土壤總Cd 含量均值分別是貴州土壤Cd 背景值[6]的5.76、1.85 倍。綜上，L、Y 兩地試驗地塊土壤總Cd 含量與酸堿度均一、同田異質(zhì)性低，且兩地土壤pH 值均值、總Cd 含量均值均存在顯著差異，適宜作為作物Cd低積累品種篩選試驗田。

表3 黔西北Cd污染耕地不同試驗地點、不同處理土壤pH值與Cd含量差異Tab.3 Difference of soil pH value and Cd content in different treatments at different experiment sites in cadmium polluted farmland of northwest Guizhou

2.3 黔西北Cd污染耕地不同品種四季豆Cd含量特征與安全性評價

2.3.1 黔西北Cd 污染耕地不同品種四季豆重金屬含量特征 如圖2 所示，同一地點不同品種四季豆Cd 含量存在較大差異。L 地不同品種四季豆Cd 含量介于0.001～0.011 mg/kg，紅皮秋紫架豆（D3）Cd 含量最高，幫達二號（D11）Cd 含量最低，二者相差10倍；Y 地不同品種四季豆Cd 含量介于0.001～0.006 mg/kg，紅皮秋紫架豆（D3）Cd 含量最高，幫達二號（D11）Cd 含量最低，二者相差5 倍。L、Y 兩地不同品種四季豆Cd含量變化趨勢一致。

圖2 黔西北Cd污染耕地不同試驗地點、不同品種四季豆Cd含量差異Fig.2 Difference of Cd content in different kidney bean varieties at different experiment sites in cadmium polluted farmland of northwest Guizhou

對不同品種、不同地點四季豆Cd含量進行方差分析，結(jié)果（表4）表明，在品種間、地點間、品種與地點的相互作用條件下，四季豆Cd含量均存在極顯著差異（P＜0.01）。說明基因型、環(huán)境及基因型與環(huán)境交互作用均極顯著影響四季豆Cd含量。因此，在考慮Cd低積累品種篩選時，應針對特定重金屬污染環(huán)境進行基因型選擇，才能篩選出穩(wěn)定性較強的四季豆品種。

表4 黔西北Cd污染耕地四季豆Cd含量雙因素方差分析Tab.4 Two-factor variance analysis of Cd content in kidney beans in cadmium polluted farmland of northwest Guizhou

2.3.2 黔西北Cd污染耕地不同品種四季豆Cd安全性評價 如表5 所示，L 地、Y 地不同品種四季豆PCd分別為0.015～0.113、0.010～0.063，PCd均遠低于1，表明L、Y 兩地種植的13 個品種四季豆Cd 含量均顯著低于國家標準限值（0.1 mg/kg）[23]。不同品種四季豆PCd在同一地點存在顯著差異（P＜0.05），L、Y 兩地不同品種四季豆PCd變化趨勢一致，均表現(xiàn)為紅皮秋紫架豆（D3）最高，幫達二號（D11）最低。說明供試的13 個四季豆品種在黔西北Cd 污染耕地上能夠?qū)崿F(xiàn)安全生產(chǎn)，且穩(wěn)定性較強。

表5 黔西北Cd污染耕地不同試驗地點、不同品種四季豆Cd安全性評價Tab.5 Cd safety evaluation of different kidney bean varieties at different experiment sites in cadmium polluted farmland of northwest Guizhou

2.4 黔西北Cd污染耕地不同品種四季豆Cd富集特征

如圖3所示，L地、Y地不同品種四季豆BCFCd分別為0.06%～0.50%、0.13%～0.93%，表明四季豆對Cd的富集能力較低。同一地點不同品種四季豆BCFCd差異顯著（P＜0.05），L、Y兩地不同品種四季豆BCFCd變化趨勢一致，BCFCd均表現(xiàn)為紅皮秋紫架豆（D3）最高，幫達二號（D11）最低。說明四季豆富Cd 能力受基因型影響顯著。

圖3 黔西北Cd污染耕地不同試驗地點、不同品種四季豆Cd富集差異Fig.3 Difference of Cd enrichment in different kidney bean varieties at different experiment sites in cadmium polluted farmland of northwest Guizhou

2.5 黔西北Cd污染耕地不同品種四季豆Cd含量聚類分析

雖然L、Y 兩地13 個品種四季豆Cd 含量均明顯低于國家標準限值（0.1 mg/kg）[23]，但不同品種四季豆Cd含量存在顯著差異（P＜0.05）。因此，采用系統(tǒng)聚類分析法-組間連接-平方歐氏距離分析方法進行分析，將L、Y 兩地13 個品種四季豆Cd 含量分成較低值類、中間值類與較高值類，分析結(jié)果如圖4所示。紅皮秋紫架豆（D3）在L、Y 兩地穩(wěn)定性較強，均表現(xiàn)為Cd 較高值類；青枝綠葉（D6）、紅豆王（D8）、青玉無筋豆（D9）、紅寶石架豆王（D10）、幫達二號（D11）、天馬地豆（D12）、君美二號（D13）在L、Y 兩地穩(wěn)定性較強，且均表現(xiàn)為Cd較低值類。

圖4 黔西北Cd污染耕地不同品種四季豆Cd含量聚類分析Fig.4 Cluster analysis of Cd content in different kidney bean varieties at different experiment sites in cadmium polluted farmland of northwest Guizhou

3 結(jié)論與討論

研究表明，作物產(chǎn)量主要受3個方面共同作用，即品種因素形成的基因效應、不同地點因素形成的環(huán)境效應和基因與環(huán)境的互作效應[26]。小麥[26]、油菜[27]與玉米[28]的產(chǎn)量已被證實受品種差異、土壤環(huán)境因素及其二者互作的影響。本研究通過對L、Y兩地13 個四季豆試驗品種產(chǎn)量進行雙因素方差分析發(fā)現(xiàn)，四季豆產(chǎn)量也受品種、土壤環(huán)境及其二者互作的影響。

基因型是影響作物積累重金屬差異的一個重要因子。如LIU 等[14]報道，不同基因型小麥對Cd 積累存在顯著差異；秦榕璘等[29]報道，玉米Pb 高積累品種籽粒中Pb 含量約是低積累品種的3 倍。本研究結(jié)果表明，同一地點不同品種四季豆Cd含量存在顯著差異，最大值和最小值的差異可達10 倍。此外，聚類分析將13 個四季豆品種Cd 含量分成較低值類、中間值類與較高值類，不同品種四季豆Cd 安全性評價也能將四季豆品種明顯區(qū)分開，表明基因型對四季豆Cd 含量影響顯著。前人報道認為，在Cd 污染耕地種植結(jié)構(gòu)調(diào)整中，因豆類蔬菜對Cd 的吸收量較低，被作為種植結(jié)構(gòu)調(diào)整適宜作物[30]。本研究結(jié)果表明，四季豆對土壤Cd 的富集能力較低，BCFCd僅為0.06%～0.93%。有研究表明，根系分泌的有機酸、酚類等有機物能夠活化或固持土壤重金屬，從而促進或抑制作物對重金屬的吸收[31]。還有報道認為，細胞中的羧基、羥基、羰基等基團物質(zhì)能夠抑制植物中Cd 的轉(zhuǎn)運[15]。四季豆屬于蔓藤類植物，在自下而上的長距離運輸過程中Cd離子可能被區(qū)隔或滯留，這些可能是四季豆Cd 低富集的原因，相應機制仍需進一步研究。

在實際生產(chǎn)中，作物積累重金屬能力不僅與基因型有關(guān)，還受土壤重金屬污染程度影響[32]。前人在小麥[33-34]、大豆[35]等作物上的研究結(jié)果表明，作物重金屬積累特征不僅受基因型影響，而且受基因型及其與環(huán)境因素交互作用的影響。本研究中，L、Y兩地土壤重金屬污染程度存在顯著差異，L 地土壤總Cd含量約是Y地的3.11倍，L地四季豆Cd含量也高于Y 地。雙因素方差分析結(jié)果也表明，四季豆Cd含量受基因型、土壤環(huán)境及基因型與環(huán)境因素交互作用的影響，這與前人報道相一致[33-35]。

低累積作物品種篩選是實現(xiàn)作物重金屬安全生產(chǎn)的有效措施之一[12，36-37]。陳小華等[38]研究認為，重金屬低累積作物品種應同時滿足3 個條件：一是可食部位重金屬含量低于《食品安全國家標準食品中污染物限值》（GB 2762—2017）中重金屬限值，二是在重金屬高含量的土壤中能夠正常生長且生物量無明顯下降的品種，三是可食部位對土壤重金屬的富集系數(shù)小于10%的品種。本研究中，L、Y 兩地的13 個四季豆試驗品種Cd 含量均遠低于《食品安全國家標準食品中污染物限值》（GB 2762—2017）中Cd 限值（0.1 mg/kg），L、Y 兩地四季豆平均產(chǎn)量分別為14 899.5、14 193.3 kg/hm2，13 個四季豆品種對土壤Cd 的富集系數(shù)遠小于10%，說明13 個四季豆品種均滿足Cd 低積累品種篩選條件，在Cd 污染耕地上能夠?qū)崿F(xiàn)安全生產(chǎn)。秦冉等[24]將Cd 污染耕地上能夠?qū)崿F(xiàn)安全生產(chǎn)的10 個蕓豆品種采用聚類分析，篩選出了4 個Cd 低累積品種，本研究參照秦冉等[24]的研究方法將13 個四季豆品種Cd 含量進行聚類分析，篩選出了青枝綠葉（D6）、紅豆王（D8）、青玉無筋豆（D9）、紅寶石架豆王（D10）、幫達二號（D11）、天馬地豆（D12）、君美二號（D13）7 個Cd 較低值類四季豆品種，且其在L、Y 兩地表現(xiàn)穩(wěn)定。13個四季豆品種中幫達二號產(chǎn)量最高，在L、Y 兩地產(chǎn)量分別為18 513.6、19 287.9 kg/hm2。因此，幫達二號作為黔西北地區(qū)高產(chǎn)且Cd 低積累四季豆品種被優(yōu)先推薦。

綜上，四季豆Cd 含量受基因型、環(huán)境及基因型與環(huán)境互作的顯著影響。13 個四季豆試驗品種對土壤Cd 的富集系數(shù)均較低，在L、Y 兩地Cd 污染耕地均能實現(xiàn)安全生產(chǎn)。其中幫達二號在L、Y 兩地均表現(xiàn)為高產(chǎn)、Cd低積累，其穩(wěn)定性較強，適宜作為黔西北地區(qū)高產(chǎn)且Cd 低積累四季豆品種被優(yōu)先推薦。