黔西北镉污染耕地安全生产四季豆品种筛选

柴冠群，周礼兴，秦 松，范成五，刘桂华，王 丽，蒋 亚

（1.贵州省农业科学院 土壤肥料研究所，贵州 贵阳 550006；2.毕节市七星关区农业农村局，贵州 毕节 551700）

四季豆（Phaseolus vulgarisL.）原产于中南美洲，15世纪初传入我国，又名芸豆、架豆、菜豆和小刀豆等[1]。四季豆是我国广泛栽培的蔬菜品种，因富含蛋白质、可溶性纤维、维生素及铁等营养物质，具有补铁、稳定血压和血糖等功效，被广大消费者青睐[2]。食用蔬菜尤其是食用重金属污染耕地种植的蔬菜，是人体重金属暴露的途径之一[3]。农作物的重金属污染具有隐蔽性，一般不会引起急性中毒，但长期食用重金属污染的蔬菜，对身体健康极易造成不可逆的损伤[4]。

黔西北属于乌蒙山区，是全国14个集中连片特困地区之一，也是新时期中国扶贫攻坚的主战场[5]。黔西北地区通过“蔬菜+高效益经济作物”的生产方式助推脱贫攻坚与乡村振兴，四季豆种植是当地脱贫致富措施之一。贵州属于我国典型重金属地质高背景区[6]，黔西北地区土壤受地质背景和土法炼锌污染叠加影响，土壤镉（Cd）污染严重[7]。在Cd 污染耕地种植农作物可能增加其污染风险，如徐飞飞等[8]报道，食用Cd 污染区种植的蔬菜易导致人体慢性Cd 中毒；曹春等[9]对大宝山污灌区土壤-蔬菜重金属污染现状调查发现，8 种蔬菜Cd 含量全部超标；李洋等[10]对滇东Cd 污染区土壤-蔬菜系统调查发现，不同类型蔬菜对人体的致癌风险存在差异，主要表现为叶菜类＞根茎类＞茄果类。在耕地资源紧缺、Cd高地质背景的黔西北地区[6]种植四季豆，可能会存在Cd 超标风险，影响四季豆产量与经济效益。因此，有必要开展四季豆安全生产技术研究。

种植重金属低积累品种由于可接受度高、操作性强，作为“边生产，边修复”技术用于解决重金属污染耕地上食品安全问题的研究方兴未艾[11]。前人在水稻[12-13]、小麦[14]、玉米[15]等重金属安全品种培育方面开展了大量研究。目前，关于四季豆的报道多是围绕高产栽培[2，16]、养分需求规律[1]与四季豆重金属污染状况调查[4，17]等方面，未见四季豆重金属安全生产方面的系统研究。为此，拟以黔西北地区主栽的13个四季豆品种为研究对象，在黔西北L、Y两地开展田间小区试验，比较不同四季豆品种对黔西北地区潜在危害较大的重金属元素Cd[18]的积累差异，研究四季豆Cd 含量的基因型和环境效应，筛选Cd低积累四季豆品种，为四季豆在黔西北Cd污染耕地上的安全种植提供实践参考。

1 材料和方法

1.1 试验地及供试材料

试验地位于黔西北的L 地（105.327 502°E、27.645 160°N）与Y 地（104.991 083°E、27.205 435°N），两地土壤类型均为黄壤，成土母岩均为碳酸盐岩。表1 所示为两地土壤基本理化性质。根据《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）[19]，L 地和Y 地均为Cd 污染的安全利用类耕地，其土壤Cd 含量分别为筛选值的7.67、2.47倍。

表1 供试土壤基本理化性质Tab.1 Basically physical and chemical properties of soil tested

供试四季豆为黔西北市场上推广的、常见的13个四季豆品种，均由毕节市农科所提供，具体见表2。

表2 供试四季豆品种Tab.2 Kidney bean varieties tested

1.2 试验设计

于2021 年4—9 月在L 地与Y 地的试验基地采用完全随机区组设计开展田间小区试验。两试验地的试验设计与田间管理措施一致。以四季豆品种为处理，共13个处理，每个处理重复3次，共39个小区，每个小区面积12 m2，在品种间与重复间均保留50 cm 过道。四季豆种植规格为行距0.6 m、株距0.4 m，每小区6 行，每行10 株，每窝播种3 粒四季豆种子。四季豆第1 片复叶长出后间苗，每穴保留1株长势健壮的植株。所有处理在播种时施用450 kg/hm2钙镁磷肥作底肥，在播种、抽蔓、结荚初期、结荚中期按3∶2∶3∶2 分别追施三元复合肥，复合肥总用量为690 kg/hm2。试验用钙镁磷肥（P2O5：12%）与复合肥（N：15%；P2O5：15%；K2O：15%）均由金正大诺泰尔化学有限公司提供。

1.3 样品采集与保存

四季豆达商品要求，即嫩荚腹缝线未凹陷时，及时采摘。采用梅花形取样法分别采集L地与Y地试验基地各小区四季豆样品与对应土壤样品，同时称量各小区四季豆产量。四季豆带回实验室后，用去离子水将其清洗干净，吸水纸擦干后，用匀浆机匀浆并置于冰箱0 ℃冷藏保存备用。待土壤样品风干后，将杂质剔除，用玛瑙研钵研磨，分别过2、0.15 mm尼龙筛备用。

1.4 测定项目及方法

1.4.1 土壤pH 值与重金属含量 称取10.0 g 过2 mm 筛的土壤，置于100 mL 烧杯中，加入25 mL 蒸馏水，搅拌1 min，用酸度计（PHS-3E 型，上海仪电科学仪器股份有限公司）测定土壤pH 值[20]。称取0.100 g 过0.15 mm 筛的土壤置于消解罐中，采用HNO3-HF-HClO4消解，使用ICP-MS（Elan 9000 型，美国珀金埃尔默股份有限公司）测定总Cd 含量[20]。采用土壤标准样品GB W07405进行质量控制，土壤样品标准物质回收率为91.3%～103.2%。

1.4.2 四季豆重金属含量 参照《食品安全国家标准 食品中多元素的测定》（GB 5009.268—2016）[21]，称取1.000 g 四季豆匀浆液置于消解罐中，经硝酸-微波法消解后，用ICP-MS（Elan 9000 型，美国珀金埃尔默股份有限公司）测定其Cd 含量。采用标样GB W（E）100348 进 行 质 控，回 收 率 为98.6%～100.4%，全程做空白试验。

1.5 数据处理

1.5.1 四季豆重金属富集系数 作物重金属富集系数（Bioconcentration factor，BCF）常用来分析土壤-作物系统中重金属的积累水平[22]。计算不同品种四季豆对Cd的富集系数，以表征不同品种四季豆对Cd的吸收特性，公式如下：

式中，BCFCd表示四季豆对Cd 的富集系数；CCd表示四季豆重金属Cd 测定值；TCd表示土壤重金属Cd测定值。

1.5.2 四季豆重金属安全性评价 根据《食品安全国家标准 食品中污染物限量》（GB 2762—2017）[23]，采用单因子污染指数法（Pi）评价供试四季豆品种在L、Y两地的Cd安全性[24-25]，计算公式：

式中，PCd为四季豆Cd 单因子污染指数；CCd为四季豆中重金属Cd 的实测值；SCd为四季豆中重金属Cd 的限值，为0.1 mg/kg[23]；PCd≤1 表示四季豆Cd未超标，1＜PCd≤2 表示四季豆Cd 轻度超标，PCd＞2 表示四季豆Cd重度超标。

试验数据采用Excel 2010 进行统计分析，应用SPSS 22.0 进行方差分析与聚类分析，使用Sigmaplot 14.0作图。

2 结果与分析

2.1 黔西北Cd污染耕地不同品种四季豆产量

由图1 可知，不同品种四季豆产量在同一地点存在一定差异。L 地四季豆产量介于12 734.7～18 513.6 kg/hm2，平均产量为14 899.5 kg/hm2，其中帮达二号（D11）产量最高，世纪青龙（D4）产量最低，二者差异显著（P＜0.05）；Y 地四季豆产量介于11 645.3～19 287.9 kg/hm2，平 均 产 量 为14 193.3 kg/hm2，其中帮达二号（D11）产量最高，天马地豆（D12）产量最低，二者差异显著（P＜0.05）。对不同品种、不同试验地点的四季豆产量进行双因素方差分析，结果表明，修正模型的F值为123.20，P＜0.01，说明该模型具有统计学意义。品种、地点、品种×地点的F值分别为220.09、81.36、29.80，均达极显著水平（P＜0.01），说明基因型、环境及基因型与环境间的相互作用均会对四季豆产量产生极显著影响。

图1 黔西北Cd污染耕地不同试验地点、不同品种四季豆产量差异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污染耕地不同处理土壤pH值与总Cd含量特征

如表3 所示，L 地、Y 地土壤pH 值分别为6.21～6.36、5.96～6.13；L、Y 两地土壤pH 值均值分别为6.29、6.04，差异显著（P＜0.05）。同一地点，不同处理土壤pH值差异不显著。L地、Y地土壤总Cd含量分别为2.21～2.36、0.68～0.81 mg/kg；L、Y 两地土壤总Cd 含量均值分别为2.30、0.74 mg/kg，差异显著（P＜0.05），L地土壤总Cd含量均值是Y 地的3.11倍。同一地点，不同处理土壤总Cd 含量差异不显著。L地、Y 地土壤总Cd 含量均值分别是《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）[19]中Cd 风险筛选值的7.67、2.47倍。L 地、Y 地土壤总Cd 含量均值分别是贵州土壤Cd 背景值[6]的5.76、1.85 倍。综上，L、Y 两地试验地块土壤总Cd 含量与酸碱度均一、同田异质性低，且两地土壤pH 值均值、总Cd 含量均值均存在显著差异，适宜作为作物Cd低积累品种筛选试验田。

表3 黔西北Cd污染耕地不同试验地点、不同处理土壤pH值与Cd含量差异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污染耕地不同品种四季豆Cd含量特征与安全性评价

2.3.1 黔西北Cd 污染耕地不同品种四季豆重金属含量特征 如图2 所示，同一地点不同品种四季豆Cd 含量存在较大差异。L 地不同品种四季豆Cd 含量介于0.001～0.011 mg/kg，红皮秋紫架豆（D3）Cd 含量最高，帮达二号（D11）Cd 含量最低，二者相差10倍；Y 地不同品种四季豆Cd 含量介于0.001～0.006 mg/kg，红皮秋紫架豆（D3）Cd 含量最高，帮达二号（D11）Cd 含量最低，二者相差5 倍。L、Y 两地不同品种四季豆Cd含量变化趋势一致。

图2 黔西北Cd污染耕地不同试验地点、不同品种四季豆Cd含量差异Fig.2 Difference of Cd content in different kidney bean varieties at different experiment sites in cadmium polluted farmland of northwest Guizhou

对不同品种、不同地点四季豆Cd含量进行方差分析，结果（表4）表明，在品种间、地点间、品种与地点的相互作用条件下，四季豆Cd含量均存在极显著差异（P＜0.01）。说明基因型、环境及基因型与环境交互作用均极显著影响四季豆Cd含量。因此，在考虑Cd低积累品种筛选时，应针对特定重金属污染环境进行基因型选择，才能筛选出稳定性较强的四季豆品种。

表4 黔西北Cd污染耕地四季豆Cd含量双因素方差分析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污染耕地不同品种四季豆Cd安全性评价 如表5 所示，L 地、Y 地不同品种四季豆PCd分别为0.015～0.113、0.010～0.063，PCd均远低于1，表明L、Y 两地种植的13 个品种四季豆Cd 含量均显著低于国家标准限值（0.1 mg/kg）[23]。不同品种四季豆PCd在同一地点存在显著差异（P＜0.05），L、Y 两地不同品种四季豆PCd变化趋势一致，均表现为红皮秋紫架豆（D3）最高，帮达二号（D11）最低。说明供试的13 个四季豆品种在黔西北Cd 污染耕地上能够实现安全生产，且稳定性较强。

表5 黔西北Cd污染耕地不同试验地点、不同品种四季豆Cd安全性评价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污染耕地不同品种四季豆Cd富集特征

如图3所示，L地、Y地不同品种四季豆BCFCd分别为0.06%～0.50%、0.13%～0.93%，表明四季豆对Cd的富集能力较低。同一地点不同品种四季豆BCFCd差异显著（P＜0.05），L、Y两地不同品种四季豆BCFCd变化趋势一致，BCFCd均表现为红皮秋紫架豆（D3）最高，帮达二号（D11）最低。说明四季豆富Cd 能力受基因型影响显著。

图3 黔西北Cd污染耕地不同试验地点、不同品种四季豆Cd富集差异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污染耕地不同品种四季豆Cd含量聚类分析

虽然L、Y 两地13 个品种四季豆Cd 含量均明显低于国家标准限值（0.1 mg/kg）[23]，但不同品种四季豆Cd含量存在显著差异（P＜0.05）。因此，采用系统聚类分析法-组间连接-平方欧氏距离分析方法进行分析，将L、Y 两地13 个品种四季豆Cd 含量分成较低值类、中间值类与较高值类，分析结果如图4所示。红皮秋紫架豆（D3）在L、Y 两地稳定性较强，均表现为Cd 较高值类；青枝绿叶（D6）、红豆王（D8）、青玉无筋豆（D9）、红宝石架豆王（D10）、帮达二号（D11）、天马地豆（D12）、君美二号（D13）在L、Y 两地稳定性较强，且均表现为Cd较低值类。

图4 黔西北Cd污染耕地不同品种四季豆Cd含量聚类分析Fig.4 Cluster analysis of Cd content in different kidney bean varieties at different experiment sites in cadmium polluted farmland of northwest Guizhou

3 结论与讨论

研究表明，作物产量主要受3个方面共同作用，即品种因素形成的基因效应、不同地点因素形成的环境效应和基因与环境的互作效应[26]。小麦[26]、油菜[27]与玉米[28]的产量已被证实受品种差异、土壤环境因素及其二者互作的影响。本研究通过对L、Y两地13 个四季豆试验品种产量进行双因素方差分析发现，四季豆产量也受品种、土壤环境及其二者互作的影响。

基因型是影响作物积累重金属差异的一个重要因子。如LIU 等[14]报道，不同基因型小麦对Cd 积累存在显著差异；秦榕璘等[29]报道，玉米Pb 高积累品种籽粒中Pb 含量约是低积累品种的3 倍。本研究结果表明，同一地点不同品种四季豆Cd含量存在显著差异，最大值和最小值的差异可达10 倍。此外，聚类分析将13 个四季豆品种Cd 含量分成较低值类、中间值类与较高值类，不同品种四季豆Cd 安全性评价也能将四季豆品种明显区分开，表明基因型对四季豆Cd 含量影响显著。前人报道认为，在Cd 污染耕地种植结构调整中，因豆类蔬菜对Cd 的吸收量较低，被作为种植结构调整适宜作物[30]。本研究结果表明，四季豆对土壤Cd 的富集能力较低，BCFCd仅为0.06%～0.93%。有研究表明，根系分泌的有机酸、酚类等有机物能够活化或固持土壤重金属，从而促进或抑制作物对重金属的吸收[31]。还有报道认为，细胞中的羧基、羟基、羰基等基团物质能够抑制植物中Cd 的转运[15]。四季豆属于蔓藤类植物，在自下而上的长距离运输过程中Cd离子可能被区隔或滞留，这些可能是四季豆Cd 低富集的原因，相应机制仍需进一步研究。

在实际生产中，作物积累重金属能力不仅与基因型有关，还受土壤重金属污染程度影响[32]。前人在小麦[33-34]、大豆[35]等作物上的研究结果表明，作物重金属积累特征不仅受基因型影响，而且受基因型及其与环境因素交互作用的影响。本研究中，L、Y两地土壤重金属污染程度存在显著差异，L 地土壤总Cd含量约是Y地的3.11倍，L地四季豆Cd含量也高于Y 地。双因素方差分析结果也表明，四季豆Cd含量受基因型、土壤环境及基因型与环境因素交互作用的影响，这与前人报道相一致[33-35]。

低累积作物品种筛选是实现作物重金属安全生产的有效措施之一[12，36-37]。陈小华等[38]研究认为，重金属低累积作物品种应同时满足3 个条件：一是可食部位重金属含量低于《食品安全国家标准食品中污染物限值》（GB 2762—2017）中重金属限值，二是在重金属高含量的土壤中能够正常生长且生物量无明显下降的品种，三是可食部位对土壤重金属的富集系数小于10%的品种。本研究中，L、Y 两地的13 个四季豆试验品种Cd 含量均远低于《食品安全国家标准食品中污染物限值》（GB 2762—2017）中Cd 限值（0.1 mg/kg），L、Y 两地四季豆平均产量分别为14 899.5、14 193.3 kg/hm2，13 个四季豆品种对土壤Cd 的富集系数远小于10%，说明13 个四季豆品种均满足Cd 低积累品种筛选条件，在Cd 污染耕地上能够实现安全生产。秦冉等[24]将Cd 污染耕地上能够实现安全生产的10 个芸豆品种采用聚类分析，筛选出了4 个Cd 低累积品种，本研究参照秦冉等[24]的研究方法将13 个四季豆品种Cd 含量进行聚类分析，筛选出了青枝绿叶（D6）、红豆王（D8）、青玉无筋豆（D9）、红宝石架豆王（D10）、帮达二号（D11）、天马地豆（D12）、君美二号（D13）7 个Cd 较低值类四季豆品种，且其在L、Y 两地表现稳定。13个四季豆品种中帮达二号产量最高，在L、Y 两地产量分别为18 513.6、19 287.9 kg/hm2。因此，帮达二号作为黔西北地区高产且Cd 低积累四季豆品种被优先推荐。

综上，四季豆Cd 含量受基因型、环境及基因型与环境互作的显著影响。13 个四季豆试验品种对土壤Cd 的富集系数均较低，在L、Y 两地Cd 污染耕地均能实现安全生产。其中帮达二号在L、Y 两地均表现为高产、Cd低积累，其稳定性较强，适宜作为黔西北地区高产且Cd 低积累四季豆品种被优先推荐。