基于多目标重金属元素低积累大豆品种筛选

柴冠群， 王丽， 刘桂华， 蒋亚，秦松， 范成五， 田小松

1. 贵州省农业科学院 土壤肥料研究所，贵阳 550006；2. 重庆工程职业技术学院 资源与安全学院，重庆 江津 402260

大豆(GlycinemaxL. Merr.)是中国重要的油料作物和高蛋白农产品, 在我国人体膳食结构中具有不可替代性[1-3]． 农业农村部《“十四五”全国种植业发展规划》指出, 为缓解大豆“卡脖子”风险, 我国需多途径扩种大豆, 至2025年大豆种植面积达107hm2, 产量达2.3×107t[4]． 随着工农业的快速发展, 近年耕地土壤重金属污染问题凸显, 我国受到镉(Cd)、 汞(Hg)、 砷(As)、 铅(Pb)、 铬(Cr)等重金属污染的耕地面积约2×107hm2, 每年约有1.2×107t的粮食受到重金属污染[5]． 耕地重金属污染不仅会导致作物营养亏缺、 生长发育受阻、 产量降低, 而且影响农产品质量安全, 并通过食物链威胁人体健康[6]． 在重金属污染的耕地上种植大豆势必增加其重金属污染风险, 尤其在耕地资源紧缺且重金属含量高地质背景的贵州[7]． 因此, 亟需开展重金属污染耕地大豆安全生产技术研究．

作物对土壤重金属吸收和积累的基因型差异为重金属低积累型作物品种的选育提供了可能性． 种植重金属低积累作物品种由于成本低廉、 操作简便、 农户接受意愿强等特点, 被广泛用于解决重金属污染耕地上的食品安全问题． 前人在水稻[8]、 小麦[9]、 玉米[10]等重金属低积累作物品种培育方面开展了大量研究． 目前, 大豆重金属积累基因型差异也有相关报道． Zhao等[6]研究指出, 大豆对重金属的富集能力从高到低依次为: Cd, As, Pb; 焦位雄等[11]也发现, 大豆对不同重金属元素富集能力存在差异, 从高到低依次为: Cd, Hg, Pb; 赵云云等[12]通过盆栽试验从11个大豆品种中筛选出了‘华夏3号’与‘桂M 32’为Cd低积累型大豆品种; 智杨[13]通过盆栽试验从25个大豆品种中筛选出了‘铁丰31号’为Cd, Pb同步低积累型大豆品种; 张彦威等[2]通过在济南和滨州对120个大豆品种开展连续2年的田间小区试验, 初步筛选出了适宜当地Cd, Hg, As, Pb, Cr污染耕地安全种植的大豆品种． 有研究表明, 不同的作物品种拥有各自的生态适栽区域, 这使许多重金属低积累品种具有较强的地域性[14]． 因此, 为保障大豆扩种和安全生产, 有必要开展特定区域重金属低积累型大豆品种筛选．

大豆具备耐贫瘠和生物固氮等特性, 常作为矿区复耕的重要经济作物[15]． 黔西北以旱地为主, 大豆是其主要种植作物之一． 黔西北地区矿产资源丰富, 其耕地土壤主要受Cd, Pb, Cr, As污染, 且在贵州省污染面积较大, 存在一定面积的Cd, Pb, Cr, As复合污染耕地[16], 而当地大豆对重金属富集特征的相关研究较少． 研究证实, 除受基因差异影响外, 作物积累重金属的差异还受地域环境因素的制约, 例如区域气候、 土壤类型与土壤重金属污染特征等[17], 前人筛选的大豆重金属低积累品种可能不适宜黔西北地区种植． 迄今黔西北鲜有开展多目标重金属低积累大豆品种筛选研究, 不利于指导解决大豆扩种与安全生产的问题． 为此, 本研究选取黔西北地区主推的9个大豆品种, 在黔西北L, Y两地开展田间小区试验, 比较不同大豆品种籽粒对黔西北地区潜在风险较大的重金属元素(Cd, As, Pb, Cr)的积累差异, 研究大豆重金属质量分数的基因型和环境效应, 筛选多目标元素重金属低积累大豆品种, 为保障重金属污染耕地的大豆扩种和安全生产提供支撑．

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验地位于黔西北L地与Y地, 其土壤类型均为碳酸盐岩发育的黄壤． 2个试验地土壤养分质量分数与重金属质量分数分别如表1与表2所示． 根据《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》(GB 15618-2018)[18], L地为受Cd, Cr复合污染的安全利用类耕地, 其土壤Cd, Cr质量分数分别是文献[18]中对应元素筛选值的7.67倍与1.31倍; Y地为受Cd污染的安全利用类耕地, 其土壤Cd质量分数是文献[18]中对应元素筛选值的2.47倍．

表1 供试土壤养分质量分数

表2 供试土壤重金属质量分数

供试大豆为研究区主推的9个大豆品种, 分别为‘本地种’ ‘理想M-7’ ‘黔豆5号’ ‘黔豆7号’ ‘黔豆8号’ ‘黔豆10号’ ‘黔豆12号’ ‘黔豆13号’与‘黔豆14号’, ‘本地种’与‘理想M-7’种子由毕节市农科所提供, 其余7个品种种子由贵州省油料作物研究所提供．

1.2 试验设计

在L地与Y地的试验基地, 于2021年5-9月通过田间小区试验开展Cd, As, Pb, Cr元素低积累大豆品种筛选研究． 以大豆品种为区分, 设置9个处理, 3次重复, 共27个小区, 每个小区面积12 m2, 随机区组排列． 大豆种植规格为行距0.3 m, 株距0.1m, 每小区10行, 每行40窝, 每窝播种5粒大豆种子, 大豆第1片复叶长出后间苗, 每穴保留3株长势相近的植株． 大豆播种前一次性施入450 kg/hm2大豆控释肥(N∶P2O5∶K2O=10∶15∶12), L地与Y地施用量一致, 供试肥料购自山东茂施生态肥料有限公司．

1.3 样品采集与分析

1.3.1 样品采集与制备

大豆收获时, 采用“梅花形”取样法分别采集L地与Y地各小区大豆籽粒样品与土壤样品, 同时称量各小区大豆产量． 大豆籽粒带回试验室后, 用蒸馏水将其清洗干净, 吸水纸擦干, 置于鼓风干燥箱中, 105 ℃杀青30 min, 65 ℃烘干至恒质量, 使用球磨仪研磨过0.15 mm尼龙筛备用． 土壤样品风干后, 用玛瑙研钵研磨, 分别过2, 0.15 mm尼龙筛备用．

1.3.2 土壤pH值与重金属测定

以1∶2.5土水质量比混合土壤与蒸馏水, 用磁力搅拌器搅拌60 s, 用PHS-3E型酸度计测定土壤pH值[19]． 土壤样品采用HNO3-HF-HClO4消解, 使用Elan 9 000型电感耦合等离子体质谱仪测定土壤重金属Cd, Pb, Cr质量分数; 土壤样品采用王水消解, 使用LC-AFS 9 700型原子荧光仪测定土壤As质量分数[20]． 试验过程中采用土壤标样(GBW07405)进行质控, 其回收率为93.6%～102.3%, 全程做空白试验．

1.3.3 大豆籽粒重金属测定

参照文献[21]中的方法, 大豆籽粒样品采用压力罐法消解后, 用Elan 9 000型电感耦合等离子体质谱仪测定其Cd, As, Pb, Cr质量分数． 试验过程中采用黄豆标准物质(GBW10013)进行质控, 其回收率为98.7%～100.6%, 全程做空白试验．

1.4 数据分析

1.4.1 籽粒重金属富集系数

作物重金属富集系数(Biocon Centration Factor, BCF)常被用来分析重金属在土壤-作物系统中的积累水平[22], 为表征不同种质资源大豆籽粒对各重金属元素的吸收特征, 计算了不同品种大豆籽粒对Cd, As, Pb, Cr的籽粒富集系数, 公式如下:

(1)

式中:BCFi为大豆籽粒对重金属i的富集系数;Ci为大豆籽粒中重金属i的测定值(mg/kg);Ti为土壤重金属i的测定值(mg/kg)．

1.4.2 大豆籽粒重金属安全性评价

本研究根据文献[23]中粮食Cd, As, Pb, Cr限值, 采用单因子污染指数法(Pi)和内梅罗综合污染指数法(PZ)评价L地与Y地试验大豆籽粒的Cd, As, Pb, Cr安全性[24-25], 公式如下:

(2)

(3)

式中:Pi为单因子污染指数;Ci为大豆籽粒中重金属i的测定值(mg/kg);Si为大豆籽粒中重金属i的限值, 大豆籽粒Cd, As, Pb, Cr限值分别为0.2, 0.5, 0.8, 1.0 mg/kg[23];PZ为综合污染指数;Pimax为最大单项污染指数;Piave为平均单项污染指数． 参照文献[10]对大豆籽粒重金属综合污染风险的研究进行划分, 划分标准如表3所示．

表3 作物重金属污染风险划分

试验数据采用Excel 2010软件进行整理与统计, 应用IBM SPSS Statistics 22.0软件进行方差分析和聚类分析, 使用Sigmaplot 14.0软件作图．

2 结果与分析

2.1 大豆籽粒产量

如图1可知, 同一地点, 不同品种大豆籽粒产量存在差异; L地大豆产量变幅为1 547.7～3 080.4 kg/hm2, ‘本地种’籽粒产量最高, ‘黔豆12号’籽粒产量最低, 两者差异有统计学意义(p<0.05); Y地大豆产量变幅为1 800.9～2 957.0 kg/hm2, ‘黔豆10号’籽粒产量最高, ‘黔豆12号’籽粒产量最低, 两者差异有统计学意义(p<0.05)． 对不同大豆品种、 不同试验地点的大豆籽粒产量进行双因素方差分析发现, 修正模型的F值为6.53,p<0.01, 差异极有统计学意义, 说明该模型具有统计学意义． 品种、 品种×地点的F值分别为8.81,4.96, 均达极有统计学意义水平(p<0.01), 地点的F值为0.84,p>0.05, 说明基因型与试验环境间的相互作用均会对籽粒产量产生显著影响, 试验环境对籽粒产量无显著影响．

同一地点不同小写字母表示处理间在p<0.05水平差异有统计学意义． 下同．图1 不同大豆品种产量差异

2.2 不同处理土壤pH值与重金属质量分数特征

如表4所示, 在L地与Y地, 土壤pH值变幅分别为6.08～6.42,5.76～6.12; 同一地点不同处理土壤pH值差异无统计学意义． L地土壤Cd, As, Pb, Cr平均质量分数分别为2.30, 25.00, 38.46, 261.97 mg/kg, Y地土壤Cd, As, Pb, Cr平均质量分数分别为0.74, 5.78, 27.14, 80.88 mg/kg, L地土壤Cd, As, Pb, Cr平均质量分数分别是Y地的3.11, 4.33, 1.42, 3.24倍． L地不同处理土壤Cd, As, Pb, Cr质量分数差异均无统计学意义, Y地与L地表现一致, 说明L, Y两个试验地块土壤重金属田间异质性均较低, 适宜做田间小区试验． 通过独立样本t检验可知, L, Y两地土壤pH值、 Cd, As, Pb, Cr质量分数差异有统计学意义． L地土壤Cd, As, Pb, Cr平均质量分数分别是《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618-2018)[18]对应元素风险筛选值的7.68, 0.63, 0.43, 1.75倍; Y地土壤Cd, As, Pb, Cr平均质量分数分别是对应元素风险筛选值的2.47, 0.14, 0.30, 0.54倍． L地土壤Cd, As, Pb, Cr平均质量分数分别是贵州对应元素背景值的5.76, 1.85, 1.15, 2.65倍; Y地土壤Cd, As, Pb, Cr平均质量分数分别是贵州对应元素背景值的1.85, 0.43, 0.81, 0.82倍． 综上, L, Y两个试验地块土壤同一重金属元素质量分数差异有统计学意义, 适宜作为多目标重金属元素(Cd, As, Pb, Cr)胁迫试验田．

表4 不同处理土壤pH值及重金属质量分数特征

2.3 大豆籽粒重金属质量分数特征与安全性评价

2.3.1 大豆籽粒重金属质量分数特征

如图2所示, 就Cd而言, 同一地点不同品种大豆籽粒Cd质量分数存在较大差异; 在L地, 不同大豆品种籽粒Cd质量分数变幅为0.059～0.168 mg/kg, ‘黔豆13号’籽粒Cd质量分数最高, ‘理想M-7’籽粒Cd质量分数最低, 两者相差1.85倍． 在Y地, 不同大豆品种籽粒Cd质量分数变幅为0.068～0.156 mg/kg, ‘黔豆13号’籽粒Cd质量分数最高, ‘理想M-7’籽粒Cd质量分数最低, 两者相差1.29倍, 两地不同品种大豆籽粒Cd质量分数变化趋势一致; 就As而言, 在L地, 不同大豆品种籽粒As质量分数变幅为0.019～0.213 mg/kg, ‘黔豆5号’籽粒As质量分数最高, ‘理想M-7’籽粒As质量分数最低, 两者相差10.21倍． 在Y地, 不同大豆品种籽粒As质量分数变幅为0.006～0.012 mg/kg, ‘黔豆5号’籽粒As质量分数最高, ‘黔豆7号’ ‘黔豆12号’与‘理想M-7’籽粒As质量分数均为0.006 mg/kg; 就Pb而言, 在L地, 不同大豆品种籽粒Pb质量分数变幅为0.020～0.193 mg/kg, ‘黔豆5号’籽粒Pb质量分数最高, ‘理想M-7’籽粒Pb质量分数最低, 两者相差8.65倍． 在Y地, 不同大豆品种籽粒Pb质量分数变幅为0.010～0.023 mg/kg, ‘黔豆5号’籽粒Pb质量分数最高, ‘黔豆12号’ ‘黔豆13号’ ‘黔豆14号’籽粒Pb质量分数均为0.010 mg/kg; 就Cr而言, 在L地, 不同大豆品种籽粒Cr质量分数变幅为0.100～0.697 mg/kg, ‘黔豆5号’籽粒Cr质量分数最高, ‘黔豆7号’籽粒Cr质量分数最低, 两者相差5.97倍． Y地不同大豆品种籽粒Cr质量分数变化趋势与L地表现一致．

图2 不同大豆品种籽粒重金属质量分数差异

对不同大豆品种、 不同试验地点下的籽粒Cd, As, Pb, Cr质量分数分别进行方差分析(图2), 大豆籽粒Cd, As, Pb, Cr质量分数在品种间、 地点间、 品种与地点的相互作用条件下差异均极有统计学意义． 说明大豆籽粒Cd, As, Pb, Cr质量分数均受基因型、 环境及基因型与环境互作的极显著影响． 因此, 筛选稳定型重金属低积累作物品种时, 应在特定重金属污染环境条件下进行基因型选择．

2.3.2 大豆籽粒重金属安全性评价

如表5所示, 在L地与Y地,Pz变幅分别为0.24～0.67, 0.26～0.59, 两地均表现为‘黔豆13号’Pz最高, ‘理想M-7’最低． 整体上, 大豆籽粒Cd与Cr单因子污染指数较高, 在L地与Y地, 9个大豆品种籽粒Cd, As, Pb, Cr质量分数均为安全水平．

表5 不同品种大豆籽粒重金属安全性评价

2.4 大豆籽粒重金属富集特征

如表6所示, 9个大豆品种籽粒对各重金属元素的平均富集系数整体上从大到小依次为:BCFCd(10.47%),BCFAs(0.22%),BCFPb(0.12%),BCFCr(0.11%), 说明大豆籽粒对Cd的富集能力较强, 对Cr的富集能力较弱． 就Cd而言, L, Y两地不同品种籽粒对Cd的富集系数变化趋势一致, 均表现为‘黔豆13号’最高, ‘理想M-7’最低． L, Y两地不同品种籽粒对As的富集系数均表现为‘黔豆5号’最高, ‘理想M-7’最低; L, Y两地不同品种籽粒对Pb的富集系数均表现为‘黔豆5号’最高; L, Y两地不同品种籽粒对Cr的富集系数均表现为‘黔豆5号’最高, ‘理想M-7’最低． 说明‘理想M-7’籽粒对土壤Cd, As, Pb, Cr富集能力较强．

表6 不同品种大豆籽粒重金属富集系数差异

2.5 聚类分析

虽然在L, Y两地试验地块种植的9个大豆品种籽粒Cd, As, Pb, Cr质量分数均为安全水平(表5), 但是为筛选出对土壤Cd, As, Pb, Cr均具有低积累能力的大豆籽粒品种, 本研究采用系统聚类分析法-组间连接-平方Euclidean距离分析方法对L, Y两地种植的9个大豆品种籽粒重金属质量分数进行分析, 将其分成高质量分数、 中间质量分数与低质量分数3类, 分析结果如图3所示． ‘黔豆5号’与‘理想M-7’可作为籽粒Cd低质量分数大豆推荐品种, 在两地表现较稳定; ‘黔豆7号’ ‘黔豆10号’ ‘黔豆12号’ ‘黔豆13号’ ‘黔豆14号’与‘理想M-7’可作为As低质量分数大豆推荐品种, 在两地表现较稳定; ‘黔豆12号’ ‘黔豆13号’ ‘黔豆14号’与‘理想M-7’可作为Pb低质量分数大豆推荐品种, 在两地表现较稳定; ‘黔豆7号’ ‘黔豆12号’ ‘黔豆14号’与‘理想M-7’可作为Cr低质量分数大豆推荐品种, 在两地表现较稳定． 综上, 在L, Y两地, ‘理想M-7’可作为多目标重金属元素(Cd, As, Pb, Cr)复合低质量分数大豆推荐品种．

图3 不同品种大豆籽粒重金属质量分数聚类分析

3 讨论

大豆是我国重要的粮食作物和经济作物, 近年来我国大豆的消费量和进口量与日俱增, 已成为世界最大的大豆进口国和消费国, 年进口量约占全球出口量的60%[26-27]． 在新形势下, 通过相关技术保障大豆扩种和安全生产, 对深入推进我国大豆振兴计划具有重要意义[28]． 作物产量表现主要受3个方面因素的影响, 首先是不同品种因素形成的基因型效应, 其次是不同地点因素形成的环境效应, 再次是基因型与环境的互作效应[10, 29]． 本研究中, 不同大豆品种及大豆品种与试验环境间的相互作用均会对籽粒产量产生显著影响, 而本试验中不同试验环境对大豆籽粒产量无显著影响． 说明本研究中9个大豆试验品种在黔西北地区产量稳定性较好, 大豆产量差异主要受基因型及基因型与环境互作效应的影响, 这为黔西北筛选稳产、 重金属低积累大豆品种提供了可能． 据前人报道, 大豆易受重金属污染, Cd是大豆重金属污染中最重要的来源, 如美国调查报告显示, 大豆Cd积累浓度远高于其他主要农作物[30], 我国也有报道, 南方地区生产的大豆受重金属污染样品占比较高, 受Cd, Pb, As污染样品占比分别为86.67%, 40.00%, 66.67%[6]; 此外, 阳小凤等[15]在Cd污染耕地上开展的不同大豆品种Cd吸收差异研究中发现, 62个大豆品种中仅1个大豆品种籽粒Cd质量分数低于国标限值(0.2 mg/kg)[23]． 本研究中, 试验地土壤均为重金属污染土壤, 而大豆籽粒重金属(Cd, As, Pb, Cr)质量分数均远低于国标限值[23]且为安全水平, 这可能与碳酸盐岩发育土壤重金属主要以残渣态为主, 生物活性组分较低有关[31]． 刘鸿雁等[32]也指出碳酸盐岩发育土壤中CaO质量分数较高, 具有一定的酸碱缓冲能力, 即便土壤重金属质量分数较高, 但生物活性较低, 仍能够保证农产品的安全生产． 此外, 本研究中同一地点不同品种大豆籽粒重金属质量分数差异较大, 且通过聚类分析将本研究中大豆品种按籽粒重金属质量分数分为3种类型, 说明基因型对大豆籽粒重金属质量分数有显著影响． 有研究表明, 根系分泌的酚类、 有机酸等物质能够促进或抑制作物吸收重金属[33], 而不同品种根系分泌物成分或释放速率存在差异[34]; 也有研究认为作物不同品种地下部分转运重金属至籽粒的能力存在差异[10], 这可能是不同品种大豆籽粒Cd, As, Pb, Cr积累出现差异的原因之一．

筛选低重金属积累大豆品种对其安全生产具有十分重要的意义． 前人多是基于单一重金属、 单一试验环境等条件开展大豆重金属低积累品种筛选的研究[2, 12-13], 张彦威等[2]虽然在济南和滨州两地开展了不同品种大豆籽粒Cd, Hg, As, Pb, Cr质量分数差异的研究, 但重点是围绕单一重金属低积累品种的筛选, 本研究中筛选出了能够同时满足籽粒Cd, As, Pb, Cr低积累的大豆品种(‘理想M-7’), 而且‘理想M-7’在L, Y两地籽粒产量稳定, 其产量均与最高产量品种差异无统计学意义, 达2 768.1～2 911.9 kg/hm2． 同时, 本研究与张彦威等[2]的研究结论一致, 即大豆籽粒Cd, As, Pb, Cr质量分数均受基因型、 环境及基因型与环境互作的极显著影响． 因此, 为实现黔西北地区大豆多目标重金属安全生产, 优先推荐种植‘理想M-7’大豆品种．

4 结论

大豆籽粒Cd, As, Pb, Cr质量分数均受基因型、 环境及基因型与环境互作效应的极显著影响． 在黔西北Cd污染耕地种植9个试验品种均能实现重金属Cd, As, Pb, Cr安全生产, 其中, ‘理想M-7’可作为Cd, As, Pb, Cr复合低质量分数大豆品种推荐．