京津冀地区主要大白菜品种累积镉能力的差异性比较

刘 璨 张怡航 崔世豪 李龙城 王 岩 范贝贝 陈 清*

（1 中国农业大学资源与环境学院，农田土壤污染防治与修复北京市重点实验室，北京 100193；2 赤峰市农牧科学研究所，内蒙古赤峰 024000）

2014 年发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示（https://www.mee.gov.cn/gkml/sthjbgw/qt/201404/t20140417_270670.htm），我国农业土壤重金属污染的点位超标率达19.4%，其中镉（cadmium，Cd）居第1 位（7.0%），占土壤重金属污染超标点位的43.0%。土壤中的Cd 易被作物根系吸收并转移到地上部分，进而通过食物链积累威胁人类健康（张静 等，2015；张辉 等，2022），因此对农田土壤Cd 污染的控制十分重要。

常用的Cd 污染农田土壤安全利用技术措施包括原位钝化、农艺调控、水肥管理和低Cd 积累品种替代种植等（黄道友 等，2018；高宝林 等，2021）。近年来，许多学者根据农作物对Cd 的耐受性和积累特征，因地制宜筛选出油菜（张洋 等，2017）、小麦（李乐乐 等，2019）、玉米和水稻（董欣欣 等，2021）等适合在中、低Cd 污染程度农田种植的低Cd 累积农作物品种，可最大程度降低污染土壤修复成本并保证农业可持续生产（黄志亮，2012；黄道友 等，2018）。部分学者在京津冀地区也开展了低Cd 积累叶菜类蔬菜的筛选工作。任艳军等（2019）对比了冀东地区14 种叶菜类蔬菜对土壤中Cd 吸收和累积能力的差异，筛选出了茴香、普通白菜、茼蒿、韭菜低Cd 积累品种。不同种类、不同品种的叶菜类蔬菜对Cd 胁迫的反应存在明显差异（Rizwan et al.，2017）。何飞飞和杨君（2011）研究表明，当土壤Cd 含量达到0.516 mg·kg-1时，供试普通白菜（小白菜）品种Cd 超标率达11.1%，且部分品种产量降低。此外，不同大白菜品种对Cd 胁迫的反应亦有较大差异。陈辰等（2020）研究发现，20 个大白菜品种对于Cd 的耐受性有明显差异；当土壤Cd 含量为1.20 mg ·kg-1时，超过95%的供试大白菜品种生物量降低50%，仅金峰保持较高生物量，且其叶片中Cd 累积量最低，说明金峰对Cd 的耐受性明显强于其他品种。郑爱珍和徐心诚（2007）比较了12 个大白菜品种在Cd 胁迫下的地上部生物量，结果表明先锋夏王、夏抗50 具有较高的Cd 耐性。因此，系统性地比较不同叶菜类蔬菜品种对Cd 的累积能力，对于今后在京津冀地区开展安全种植具有重要意义。

本试验通过盆栽方式比较了京津冀市场上15个大白菜品种对Cd 富集能力的差异，明确不同大白菜品种对Cd 的累积风险差异；基于地上部Cd积累量筛选Cd 低积累大白菜品种，合理调整大白菜生产布局，以期为京津冀地区大白菜的合理、安全种植提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

参试大白菜品种为京津冀市场上常见的15 个品种：11S-2 白菜、14CR-2 白菜、15-13 白菜、16-7 白菜、17-23、18-20、19-2、5-126 白菜、CR京秋新3 号、北京桔红心、改良京春白、京春娃3号、京翠60、京夏56 号、小杂60 号，均购自京研益农（北京）种业科技有限公司。

试验土壤采集自河北省沧州市Cd 污染地块。取0～20 cm 表层土，混合均匀后按四分法取足够土壤，带回农田土壤污染防治与修复北京市重点实验室自然风干，挑出石块、植物根系等杂物，使用研钵研磨后过2 mm 尼龙筛备用；另取其中部分土壤过0.15 mm 尼龙筛，参照鲍士旦（2000）的方法测定土壤基础理化性质和总Cd 含量，土壤DTPA 提取态Cd 含量测定方法：在100 mL 离心管中加入5.00 g 土样和25 mL DTPA 浸提液（pH 值7.30），25 ℃、180 r·min-1条件下振荡2 h，然后离心过滤，利用火焰原子吸收分光光度计测定滤液中的Cd 浓度。本试验采集土壤的总Cd 含量1.45 mg·kg-1，DTPA 提取态Cd 含量0.750 mg·kg-1，有机质含量18.3 g·kg-1，全氮含量3.0 g·kg-1，速效磷含量171.0 mg·kg-1，速效钾含量388.0 mg ·kg-1，EC 值538.0 μS·cm-1，pH 值7.33。

1.2 试验方法

采用室内盆栽方式，于2021 年6 月20 日至7月15 日在中国农业大学西校区的温室开展。共设置16 个处理，即15 个大白菜品种和1 个空白处理，每处理3 次重复，每重复4～6 株，完全随机摆放。

将1 000 g 风干、过2 mm 筛的Cd 污染土壤装入内径14.5 cm、高14 cm 的塑料盆中，每盆播种20 粒。供试土壤的肥力水平能够满足大白菜短期生长的养分需求，因此没有施用基肥；田间持水量保持在65%。幼苗长出第3 片真叶后间苗，每盆保留生长势一致的幼苗4～6 株。播种后20～25 d，植株生长趋于缓慢，虽然还未结球，但已达到可食用阶段，因此在播种后25 d 采收，参照高鑫等（2020）的方法测定地上部鲜、干质量及Cd 含量（FW）。大白菜采收后，收集土样并风干后过2 mm 筛，参照鲍士旦（2000）的方法测定土壤总Cd 含量，并计算大白菜Cd 生物富集系数（BCF）。

1.3 数据处理

试验数据采用Excel 2013、SPSS Statistics 软件进行统计、作图及方差分析，运用最小显著性差异法（LSD）进行多重比较（P＜0.05）；采用系统聚类法进行聚类分析。

2 结果与分析

2.1 镉胁迫下不同大白菜品种地上部生物量差异分析

从表1 可以看出，播种后25 d 京翠60 的地上部鲜质量最高，为14.17 g·株-1；其次是CR 京秋新3 号和京夏56 号，分别为12.84 g·株-1和12.18 g·株-1；鲜质量最低的是15-13 白菜，只有9.17 g ·株-1；参试15 个大白菜品种中，京翠60 地上部鲜质量显著高于小杂60 号、京春娃3 号、北京桔红心、14CR-2 白菜、11S-2 白菜、15-13 白菜、19-2、16-7 白菜等品种。

表1 镉胁迫下不同大白菜品种的地上部生物量

从表1 还可以看出，京翠60 和17-23 属于高生物量大白菜品种，京翠60 地上部干质量显著高于除17-23 外的其余13 个品种，是地上部干质量最低的16-7 白菜的1.56 倍；CR 京秋新3 号、小杂60 号、京夏56 号、18-20、京春娃3 号、北京桔红心、14CR-2 白菜、5-126 白菜、改良京春白、11S-2 白菜属于中等生物量大白菜品种，地上部干质量在0.53～0.61 g·株-1之间，品种间无显著差异；15-13 白菜、19-2 和16-7 白菜属于低生物量大白菜品种，地上部干质量分别为0.52、0.51、0.48 g·株-1，显著低于京翠60 和17-23。

以上结果表明，参试15 个大白菜品种的地上部生物量存在显著差异。除了不同品种本身的差异外，对Cd 胁迫的响应差异可能也是导致生物量差异的原因之一（柴冠群 等，2022）。

2.2 镉胁迫下不同大白菜品种地上部Cd 累积能力差异分析

从表2 可以看出，不同大白菜品种的Cd 累积能力存在显著差异，京翠60、京夏56 号地上部Cd含量较高，分别为0.169、0.163 mg·kg-1（FW），显著高于其他品种；14CR-2 白菜、16-7 白菜地上部Cd 含量较低，分别为0.004、0.011 mg·kg-1（FW），京翠60 地上部Cd 含量是14CR-2 白菜的42.25 倍。参试15 个大白菜品种的地上部Cd 含量范围为0.004～0.169 mg·kg-1（FW），均低于GB2762—2017《食品安全国家标准 食品中污染物限量》规定的0.20 mg·kg-1（FW）。

表2 镉胁迫下不同大白菜品种的地上部Cd 富集能力

生物富集系数（BCF）是评价植物从土壤中累积重金属能力的重要指标之一。从表2 可以看出，不同大白菜品种的Cd 富集能力差异显著，15 个大白菜品种的BCF 范围为0.003～0.117，波动较大，其中京翠60 和京夏56 号Cd 富集能力较强，BCF 分别为0.117 和0.113，显著高于其他品种；14CR-2 白菜、16-7 白菜的BCF 较小，分别为0.003、0.008。

综上，14CR-2 白菜可作为低Cd 累积大白菜品种在轻中度Cd 污染土壤上推广种植。

2.3 聚类分析

对15 个大白菜品种的Cd 富集能力进行聚类分析（图1），结果分为2 个类群：第1 类群包括11S-2 白菜、改良京春白、17-23、北京桔红心、CR京 秋 新3 号、14CR-2 白 菜、16-7 白 菜、18-20、19-2、5-126 白菜和京春娃3 号，为Cd 中低累积类群；第2 类群包括京翠60、京夏56 号、15-13白菜、小杂60 号，为Cd 高累积类群。

图1 15 个大白菜品种Cd 生物富集系数聚类分析结果

3 讨论与结论

Cd 在环境中有较强的移动性，易被植物吸收并积累到不同部位，且在植物中的积累及分布因品种而异，故不同品种对Cd 的富集能力存在显著差异（杜志鹏 等，2018；郭雄昌 等，2022），进而对作物生长以及人体健康产生不同程度的危害，所以在进行品种选育、推广种植时应充分考虑不同品种对于Cd 累积能力的差异性（刘峰 等，2017；郑龙，2021）。在实际生产中，选择低Cd 累积能力的大白菜品种可保障食品安全，降低Cd 通过食物链进入人体的风险。对于轻中度Cd 污染土壤，通过筛选低Cd 积累品种进行替代种植，实现安全生产。

本试验结果表明，参试15 个大白菜品种的地上部Cd 含量均在安全范围内，但是品种间存在显著差异，表明大白菜是对Cd 较为敏感的作物。聚类分析结果表明，京翠60、京夏56 号、15-13 白菜、小杂60 号为Cd 高累积类群，其地上部Cd 含量范围为0.115～0.169 mg·kg-1（FW），相比于Cd中低累积类群（地上部Cd 含量范围为0.004～0.092 mg·kg-1，FW）存在较高的安全风险；14CR-2白菜地上部Cd 含量以及BCF 最低，其对土壤中的Cd 积累能力明显低于其他品种，建议推广种植。

研究表明，不同品种Cd 含量差异可能是由于各类抗氧化酶的活性存在差异。例如，闫雷等（2021）研究表明低Cd 积累大白菜品种叶片的过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）、谷胱甘肽还原酶（GR）、脱氢抗坏血酸还原酶（DHAR）等抗氧化酶的活性显著高于高Cd 积累品种。另一方面，Cd 转运蛋白基因的表达差异可能也是导致Cd 积累能力差异的重要原因。研究表明，Nramp 蛋白家族主要参与二价金属阳离子转运的过程（Bozzi &Rachelle，2021），HMA 蛋白家族主要通过ATP 酶水解释放的能量对金属离子进行吸收转运（Cellier et al.，1994）。闫雷等（2021）证实高Cd 积累品种中与自然抗性相关的巨噬细胞蛋白（Nramp2.1、Nramp4.2）、重 金 属ATP 酶（HMA2、HMA4）等Cd 转运蛋白的基因相对表达量高于低Cd 积累品种。陈可欣（2019）验证了黄瓜在Cd 胁迫环境下CsNramp4和CsHMA2的表达与地上部和根部Cd 含量相关，其中CsNramp4可能与根部吸收积累Cd 的过程相关，CsHMA2可能在Cd 从根部向地上部运输的过程中发挥至关重要的作用。因此，抗氧化酶活性差异以及Cd 转运蛋白基因表达差异可能是造成大白菜不同品种Cd 积累能力不同的主要原因，后续将对大白菜植株内各金属转运蛋白进行研究，深入了解大白菜富集Cd 在分子层面的差异，对筛选低Cd 积累大白菜品种提供指导方向。