基于多目標重金屬元素低積累大豆品種篩選

柴冠群， 王麗， 劉桂華， 蔣亞，秦松， 范成五， 田小松

1. 貴州省農業(yè)科學院 土壤肥料研究所，貴陽 550006；2. 重慶工程職業(yè)技術學院 資源與安全學院，重慶 江津 402260

大豆(GlycinemaxL. Merr.)是中國重要的油料作物和高蛋白農產品, 在我國人體膳食結構中具有不可替代性[1-3]． 農業(yè)農村部《“十四五”全國種植業(yè)發(fā)展規(guī)劃》指出, 為緩解大豆“卡脖子”風險, 我國需多途徑擴種大豆, 至2025年大豆種植面積達107hm2, 產量達2.3×107t[4]． 隨著工農業(yè)的快速發(fā)展, 近年耕地土壤重金屬污染問題凸顯, 我國受到鎘(Cd)、 汞(Hg)、 砷(As)、 鉛(Pb)、 鉻(Cr)等重金屬污染的耕地面積約2×107hm2, 每年約有1.2×107t的糧食受到重金屬污染[5]． 耕地重金屬污染不僅會導致作物營養(yǎng)虧缺、 生長發(fā)育受阻、 產量降低, 而且影響農產品質量安全, 并通過食物鏈威脅人體健康[6]． 在重金屬污染的耕地上種植大豆勢必增加其重金屬污染風險, 尤其在耕地資源緊缺且重金屬含量高地質背景的貴州[7]． 因此, 亟需開展重金屬污染耕地大豆安全生產技術研究．

作物對土壤重金屬吸收和積累的基因型差異為重金屬低積累型作物品種的選育提供了可能性． 種植重金屬低積累作物品種由于成本低廉、 操作簡便、 農戶接受意愿強等特點, 被廣泛用于解決重金屬污染耕地上的食品安全問題． 前人在水稻[8]、 小麥[9]、 玉米[10]等重金屬低積累作物品種培育方面開展了大量研究． 目前, 大豆重金屬積累基因型差異也有相關報道． Zhao等[6]研究指出, 大豆對重金屬的富集能力從高到低依次為: Cd, As, Pb; 焦位雄等[11]也發(fā)現, 大豆對不同重金屬元素富集能力存在差異, 從高到低依次為: Cd, Hg, Pb; 趙云云等[12]通過盆栽試驗從11個大豆品種中篩選出了‘華夏3號’與‘桂M 32’為Cd低積累型大豆品種; 智楊[13]通過盆栽試驗從25個大豆品種中篩選出了‘鐵豐31號’為Cd, Pb同步低積累型大豆品種; 張彥威等[2]通過在濟南和濱州對120個大豆品種開展連續(xù)2年的田間小區(qū)試驗, 初步篩選出了適宜當地Cd, Hg, As, Pb, Cr污染耕地安全種植的大豆品種． 有研究表明, 不同的作物品種擁有各自的生態(tài)適栽區(qū)域, 這使許多重金屬低積累品種具有較強的地域性[14]． 因此, 為保障大豆擴種和安全生產, 有必要開展特定區(qū)域重金屬低積累型大豆品種篩選．

大豆具備耐貧瘠和生物固氮等特性, 常作為礦區(qū)復耕的重要經濟作物[15]． 黔西北以旱地為主, 大豆是其主要種植作物之一． 黔西北地區(qū)礦產資源豐富, 其耕地土壤主要受Cd, Pb, Cr, As污染, 且在貴州省污染面積較大, 存在一定面積的Cd, Pb, Cr, As復合污染耕地[16], 而當地大豆對重金屬富集特征的相關研究較少． 研究證實, 除受基因差異影響外, 作物積累重金屬的差異還受地域環(huán)境因素的制約, 例如區(qū)域氣候、 土壤類型與土壤重金屬污染特征等[17], 前人篩選的大豆重金屬低積累品種可能不適宜黔西北地區(qū)種植． 迄今黔西北鮮有開展多目標重金屬低積累大豆品種篩選研究, 不利于指導解決大豆擴種與安全生產的問題． 為此, 本研究選取黔西北地區(qū)主推的9個大豆品種, 在黔西北L, Y兩地開展田間小區(qū)試驗, 比較不同大豆品種籽粒對黔西北地區(qū)潛在風險較大的重金屬元素(Cd, As, Pb, Cr)的積累差異, 研究大豆重金屬質量分數的基因型和環(huán)境效應, 篩選多目標元素重金屬低積累大豆品種, 為保障重金屬污染耕地的大豆擴種和安全生產提供支撐．

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗地位于黔西北L地與Y地, 其土壤類型均為碳酸鹽巖發(fā)育的黃壤． 2個試驗地土壤養(yǎng)分質量分數與重金屬質量分數分別如表1與表2所示． 根據《土壤環(huán)境質量農用地土壤污染風險管控標準》(GB 15618-2018)[18], L地為受Cd, Cr復合污染的安全利用類耕地, 其土壤Cd, Cr質量分數分別是文獻[18]中對應元素篩選值的7.67倍與1.31倍; Y地為受Cd污染的安全利用類耕地, 其土壤Cd質量分數是文獻[18]中對應元素篩選值的2.47倍．

表1 供試土壤養(yǎng)分質量分數

表2 供試土壤重金屬質量分數

供試大豆為研究區(qū)主推的9個大豆品種, 分別為‘本地種’ ‘理想M-7’ ‘黔豆5號’ ‘黔豆7號’ ‘黔豆8號’ ‘黔豆10號’ ‘黔豆12號’ ‘黔豆13號’與‘黔豆14號’, ‘本地種’與‘理想M-7’種子由畢節(jié)市農科所提供, 其余7個品種種子由貴州省油料作物研究所提供．

1.2 試驗設計

在L地與Y地的試驗基地, 于2021年5-9月通過田間小區(qū)試驗開展Cd, As, Pb, Cr元素低積累大豆品種篩選研究． 以大豆品種為區(qū)分, 設置9個處理, 3次重復, 共27個小區(qū), 每個小區(qū)面積12 m2, 隨機區(qū)組排列． 大豆種植規(guī)格為行距0.3 m, 株距0.1m, 每小區(qū)10行, 每行40窩, 每窩播種5粒大豆種子, 大豆第1片復葉長出后間苗, 每穴保留3株長勢相近的植株． 大豆播種前一次性施入450 kg/hm2大豆控釋肥(N∶P2O5∶K2O=10∶15∶12), L地與Y地施用量一致, 供試肥料購自山東茂施生態(tài)肥料有限公司．

1.3 樣品采集與分析

1.3.1 樣品采集與制備

大豆收獲時, 采用“梅花形”取樣法分別采集L地與Y地各小區(qū)大豆籽粒樣品與土壤樣品, 同時稱量各小區(qū)大豆產量． 大豆籽粒帶回試驗室后, 用蒸餾水將其清洗干凈, 吸水紙擦干, 置于鼓風干燥箱中, 105 ℃殺青30 min, 65 ℃烘干至恒質量, 使用球磨儀研磨過0.15 mm尼龍篩備用． 土壤樣品風干后, 用瑪瑙研缽研磨, 分別過2, 0.15 mm尼龍篩備用．

1.3.2 土壤pH值與重金屬測定

以1∶2.5土水質量比混合土壤與蒸餾水, 用磁力攪拌器攪拌60 s, 用PHS-3E型酸度計測定土壤pH值[19]． 土壤樣品采用HNO3-HF-HClO4消解, 使用Elan 9 000型電感耦合等離子體質譜儀測定土壤重金屬Cd, Pb, Cr質量分數; 土壤樣品采用王水消解, 使用LC-AFS 9 700型原子熒光儀測定土壤As質量分數[20]． 試驗過程中采用土壤標樣(GBW07405)進行質控, 其回收率為93.6%～102.3%, 全程做空白試驗．

1.3.3 大豆籽粒重金屬測定

參照文獻[21]中的方法, 大豆籽粒樣品采用壓力罐法消解后, 用Elan 9 000型電感耦合等離子體質譜儀測定其Cd, As, Pb, Cr質量分數． 試驗過程中采用黃豆標準物質(GBW10013)進行質控, 其回收率為98.7%～100.6%, 全程做空白試驗．

1.4 數據分析

1.4.1 籽粒重金屬富集系數

作物重金屬富集系數(Biocon Centration Factor, BCF)常被用來分析重金屬在土壤-作物系統(tǒng)中的積累水平[22], 為表征不同種質資源大豆籽粒對各重金屬元素的吸收特征, 計算了不同品種大豆籽粒對Cd, As, Pb, Cr的籽粒富集系數, 公式如下:

(1)

式中:BCFi為大豆籽粒對重金屬i的富集系數;Ci為大豆籽粒中重金屬i的測定值(mg/kg);Ti為土壤重金屬i的測定值(mg/kg)．

1.4.2 大豆籽粒重金屬安全性評價

本研究根據文獻[23]中糧食Cd, As, Pb, Cr限值, 采用單因子污染指數法(Pi)和內梅羅綜合污染指數法(PZ)評價L地與Y地試驗大豆籽粒的Cd, As, Pb, Cr安全性[24-25], 公式如下:

(2)

(3)

式中:Pi為單因子污染指數;Ci為大豆籽粒中重金屬i的測定值(mg/kg);Si為大豆籽粒中重金屬i的限值, 大豆籽粒Cd, As, Pb, Cr限值分別為0.2, 0.5, 0.8, 1.0 mg/kg[23];PZ為綜合污染指數;Pimax為最大單項污染指數;Piave為平均單項污染指數． 參照文獻[10]對大豆籽粒重金屬綜合污染風險的研究進行劃分, 劃分標準如表3所示．

表3 作物重金屬污染風險劃分

試驗數據采用Excel 2010軟件進行整理與統(tǒng)計, 應用IBM SPSS Statistics 22.0軟件進行方差分析和聚類分析, 使用Sigmaplot 14.0軟件作圖．

2 結果與分析

2.1 大豆籽粒產量

如圖1可知, 同一地點, 不同品種大豆籽粒產量存在差異; L地大豆產量變幅為1 547.7～3 080.4 kg/hm2, ‘本地種’籽粒產量最高, ‘黔豆12號’籽粒產量最低, 兩者差異有統(tǒng)計學意義(p<0.05); Y地大豆產量變幅為1 800.9～2 957.0 kg/hm2, ‘黔豆10號’籽粒產量最高, ‘黔豆12號’籽粒產量最低, 兩者差異有統(tǒng)計學意義(p<0.05)． 對不同大豆品種、 不同試驗地點的大豆籽粒產量進行雙因素方差分析發(fā)現, 修正模型的F值為6.53,p<0.01, 差異極有統(tǒng)計學意義, 說明該模型具有統(tǒng)計學意義． 品種、 品種×地點的F值分別為8.81,4.96, 均達極有統(tǒng)計學意義水平(p<0.01), 地點的F值為0.84,p>0.05, 說明基因型與試驗環(huán)境間的相互作用均會對籽粒產量產生顯著影響, 試驗環(huán)境對籽粒產量無顯著影響．

同一地點不同小寫字母表示處理間在p<0.05水平差異有統(tǒng)計學意義． 下同．圖1 不同大豆品種產量差異

2.2 不同處理土壤pH值與重金屬質量分數特征

如表4所示, 在L地與Y地, 土壤pH值變幅分別為6.08～6.42,5.76～6.12; 同一地點不同處理土壤pH值差異無統(tǒng)計學意義． L地土壤Cd, As, Pb, Cr平均質量分數分別為2.30, 25.00, 38.46, 261.97 mg/kg, Y地土壤Cd, As, Pb, Cr平均質量分數分別為0.74, 5.78, 27.14, 80.88 mg/kg, L地土壤Cd, As, Pb, Cr平均質量分數分別是Y地的3.11, 4.33, 1.42, 3.24倍． L地不同處理土壤Cd, As, Pb, Cr質量分數差異均無統(tǒng)計學意義, Y地與L地表現一致, 說明L, Y兩個試驗地塊土壤重金屬田間異質性均較低, 適宜做田間小區(qū)試驗． 通過獨立樣本t檢驗可知, L, Y兩地土壤pH值、 Cd, As, Pb, Cr質量分數差異有統(tǒng)計學意義． L地土壤Cd, As, Pb, Cr平均質量分數分別是《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)[18]對應元素風險篩選值的7.68, 0.63, 0.43, 1.75倍; Y地土壤Cd, As, Pb, Cr平均質量分數分別是對應元素風險篩選值的2.47, 0.14, 0.30, 0.54倍． L地土壤Cd, As, Pb, Cr平均質量分數分別是貴州對應元素背景值的5.76, 1.85, 1.15, 2.65倍; Y地土壤Cd, As, Pb, Cr平均質量分數分別是貴州對應元素背景值的1.85, 0.43, 0.81, 0.82倍． 綜上, L, Y兩個試驗地塊土壤同一重金屬元素質量分數差異有統(tǒng)計學意義, 適宜作為多目標重金屬元素(Cd, As, Pb, Cr)脅迫試驗田．

表4 不同處理土壤pH值及重金屬質量分數特征

2.3 大豆籽粒重金屬質量分數特征與安全性評價

2.3.1 大豆籽粒重金屬質量分數特征

如圖2所示, 就Cd而言, 同一地點不同品種大豆籽粒Cd質量分數存在較大差異; 在L地, 不同大豆品種籽粒Cd質量分數變幅為0.059～0.168 mg/kg, ‘黔豆13號’籽粒Cd質量分數最高, ‘理想M-7’籽粒Cd質量分數最低, 兩者相差1.85倍． 在Y地, 不同大豆品種籽粒Cd質量分數變幅為0.068～0.156 mg/kg, ‘黔豆13號’籽粒Cd質量分數最高, ‘理想M-7’籽粒Cd質量分數最低, 兩者相差1.29倍, 兩地不同品種大豆籽粒Cd質量分數變化趨勢一致; 就As而言, 在L地, 不同大豆品種籽粒As質量分數變幅為0.019～0.213 mg/kg, ‘黔豆5號’籽粒As質量分數最高, ‘理想M-7’籽粒As質量分數最低, 兩者相差10.21倍． 在Y地, 不同大豆品種籽粒As質量分數變幅為0.006～0.012 mg/kg, ‘黔豆5號’籽粒As質量分數最高, ‘黔豆7號’ ‘黔豆12號’與‘理想M-7’籽粒As質量分數均為0.006 mg/kg; 就Pb而言, 在L地, 不同大豆品種籽粒Pb質量分數變幅為0.020～0.193 mg/kg, ‘黔豆5號’籽粒Pb質量分數最高, ‘理想M-7’籽粒Pb質量分數最低, 兩者相差8.65倍． 在Y地, 不同大豆品種籽粒Pb質量分數變幅為0.010～0.023 mg/kg, ‘黔豆5號’籽粒Pb質量分數最高, ‘黔豆12號’ ‘黔豆13號’ ‘黔豆14號’籽粒Pb質量分數均為0.010 mg/kg; 就Cr而言, 在L地, 不同大豆品種籽粒Cr質量分數變幅為0.100～0.697 mg/kg, ‘黔豆5號’籽粒Cr質量分數最高, ‘黔豆7號’籽粒Cr質量分數最低, 兩者相差5.97倍． Y地不同大豆品種籽粒Cr質量分數變化趨勢與L地表現一致．

圖2 不同大豆品種籽粒重金屬質量分數差異

對不同大豆品種、 不同試驗地點下的籽粒Cd, As, Pb, Cr質量分數分別進行方差分析(圖2), 大豆籽粒Cd, As, Pb, Cr質量分數在品種間、 地點間、 品種與地點的相互作用條件下差異均極有統(tǒng)計學意義． 說明大豆籽粒Cd, As, Pb, Cr質量分數均受基因型、 環(huán)境及基因型與環(huán)境互作的極顯著影響． 因此, 篩選穩(wěn)定型重金屬低積累作物品種時, 應在特定重金屬污染環(huán)境條件下進行基因型選擇．

2.3.2 大豆籽粒重金屬安全性評價

如表5所示, 在L地與Y地,Pz變幅分別為0.24～0.67, 0.26～0.59, 兩地均表現為‘黔豆13號’Pz最高, ‘理想M-7’最低． 整體上, 大豆籽粒Cd與Cr單因子污染指數較高, 在L地與Y地, 9個大豆品種籽粒Cd, As, Pb, Cr質量分數均為安全水平．

表5 不同品種大豆籽粒重金屬安全性評價

2.4 大豆籽粒重金屬富集特征

如表6所示, 9個大豆品種籽粒對各重金屬元素的平均富集系數整體上從大到小依次為:BCFCd(10.47%),BCFAs(0.22%),BCFPb(0.12%),BCFCr(0.11%), 說明大豆籽粒對Cd的富集能力較強, 對Cr的富集能力較弱． 就Cd而言, L, Y兩地不同品種籽粒對Cd的富集系數變化趨勢一致, 均表現為‘黔豆13號’最高, ‘理想M-7’最低． L, Y兩地不同品種籽粒對As的富集系數均表現為‘黔豆5號’最高, ‘理想M-7’最低; L, Y兩地不同品種籽粒對Pb的富集系數均表現為‘黔豆5號’最高; L, Y兩地不同品種籽粒對Cr的富集系數均表現為‘黔豆5號’最高, ‘理想M-7’最低． 說明‘理想M-7’籽粒對土壤Cd, As, Pb, Cr富集能力較強．

表6 不同品種大豆籽粒重金屬富集系數差異

2.5 聚類分析

雖然在L, Y兩地試驗地塊種植的9個大豆品種籽粒Cd, As, Pb, Cr質量分數均為安全水平(表5), 但是為篩選出對土壤Cd, As, Pb, Cr均具有低積累能力的大豆籽粒品種, 本研究采用系統(tǒng)聚類分析法-組間連接-平方Euclidean距離分析方法對L, Y兩地種植的9個大豆品種籽粒重金屬質量分數進行分析, 將其分成高質量分數、 中間質量分數與低質量分數3類, 分析結果如圖3所示． ‘黔豆5號’與‘理想M-7’可作為籽粒Cd低質量分數大豆推薦品種, 在兩地表現較穩(wěn)定; ‘黔豆7號’ ‘黔豆10號’ ‘黔豆12號’ ‘黔豆13號’ ‘黔豆14號’與‘理想M-7’可作為As低質量分數大豆推薦品種, 在兩地表現較穩(wěn)定; ‘黔豆12號’ ‘黔豆13號’ ‘黔豆14號’與‘理想M-7’可作為Pb低質量分數大豆推薦品種, 在兩地表現較穩(wěn)定; ‘黔豆7號’ ‘黔豆12號’ ‘黔豆14號’與‘理想M-7’可作為Cr低質量分數大豆推薦品種, 在兩地表現較穩(wěn)定． 綜上, 在L, Y兩地, ‘理想M-7’可作為多目標重金屬元素(Cd, As, Pb, Cr)復合低質量分數大豆推薦品種．

圖3 不同品種大豆籽粒重金屬質量分數聚類分析

3 討論

大豆是我國重要的糧食作物和經濟作物, 近年來我國大豆的消費量和進口量與日俱增, 已成為世界最大的大豆進口國和消費國, 年進口量約占全球出口量的60%[26-27]． 在新形勢下, 通過相關技術保障大豆擴種和安全生產, 對深入推進我國大豆振興計劃具有重要意義[28]． 作物產量表現主要受3個方面因素的影響, 首先是不同品種因素形成的基因型效應, 其次是不同地點因素形成的環(huán)境效應, 再次是基因型與環(huán)境的互作效應[10, 29]． 本研究中, 不同大豆品種及大豆品種與試驗環(huán)境間的相互作用均會對籽粒產量產生顯著影響, 而本試驗中不同試驗環(huán)境對大豆籽粒產量無顯著影響． 說明本研究中9個大豆試驗品種在黔西北地區(qū)產量穩(wěn)定性較好, 大豆產量差異主要受基因型及基因型與環(huán)境互作效應的影響, 這為黔西北篩選穩(wěn)產、 重金屬低積累大豆品種提供了可能． 據前人報道, 大豆易受重金屬污染, Cd是大豆重金屬污染中最重要的來源, 如美國調查報告顯示, 大豆Cd積累濃度遠高于其他主要農作物[30], 我國也有報道, 南方地區(qū)生產的大豆受重金屬污染樣品占比較高, 受Cd, Pb, As污染樣品占比分別為86.67%, 40.00%, 66.67%[6]; 此外, 陽小鳳等[15]在Cd污染耕地上開展的不同大豆品種Cd吸收差異研究中發(fā)現, 62個大豆品種中僅1個大豆品種籽粒Cd質量分數低于國標限值(0.2 mg/kg)[23]． 本研究中, 試驗地土壤均為重金屬污染土壤, 而大豆籽粒重金屬(Cd, As, Pb, Cr)質量分數均遠低于國標限值[23]且為安全水平, 這可能與碳酸鹽巖發(fā)育土壤重金屬主要以殘渣態(tài)為主, 生物活性組分較低有關[31]． 劉鴻雁等[32]也指出碳酸鹽巖發(fā)育土壤中CaO質量分數較高, 具有一定的酸堿緩沖能力, 即便土壤重金屬質量分數較高, 但生物活性較低, 仍能夠保證農產品的安全生產． 此外, 本研究中同一地點不同品種大豆籽粒重金屬質量分數差異較大, 且通過聚類分析將本研究中大豆品種按籽粒重金屬質量分數分為3種類型, 說明基因型對大豆籽粒重金屬質量分數有顯著影響． 有研究表明, 根系分泌的酚類、 有機酸等物質能夠促進或抑制作物吸收重金屬[33], 而不同品種根系分泌物成分或釋放速率存在差異[34]; 也有研究認為作物不同品種地下部分轉運重金屬至籽粒的能力存在差異[10], 這可能是不同品種大豆籽粒Cd, As, Pb, Cr積累出現差異的原因之一．

篩選低重金屬積累大豆品種對其安全生產具有十分重要的意義． 前人多是基于單一重金屬、 單一試驗環(huán)境等條件開展大豆重金屬低積累品種篩選的研究[2, 12-13], 張彥威等[2]雖然在濟南和濱州兩地開展了不同品種大豆籽粒Cd, Hg, As, Pb, Cr質量分數差異的研究, 但重點是圍繞單一重金屬低積累品種的篩選, 本研究中篩選出了能夠同時滿足籽粒Cd, As, Pb, Cr低積累的大豆品種(‘理想M-7’), 而且‘理想M-7’在L, Y兩地籽粒產量穩(wěn)定, 其產量均與最高產量品種差異無統(tǒng)計學意義, 達2 768.1～2 911.9 kg/hm2． 同時, 本研究與張彥威等[2]的研究結論一致, 即大豆籽粒Cd, As, Pb, Cr質量分數均受基因型、 環(huán)境及基因型與環(huán)境互作的極顯著影響． 因此, 為實現黔西北地區(qū)大豆多目標重金屬安全生產, 優(yōu)先推薦種植‘理想M-7’大豆品種．

4 結論

大豆籽粒Cd, As, Pb, Cr質量分數均受基因型、 環(huán)境及基因型與環(huán)境互作效應的極顯著影響． 在黔西北Cd污染耕地種植9個試驗品種均能實現重金屬Cd, As, Pb, Cr安全生產, 其中, ‘理想M-7’可作為Cd, As, Pb, Cr復合低質量分數大豆品種推薦．