鄭龍

（福建省莆田市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站，福建莆田 351100）

小白菜（Brassica campestrisssp.Chinensis）為十字花科蕓薹屬蔬菜。在土壤-植物系統(tǒng)中，重金屬污染不但影響植物產(chǎn)量與品質(zhì)，還影響大氣和水環(huán)境質(zhì)量，并通過食物鏈危害人類的生命和健康，更為嚴(yán)重的是這種污染具有多源性、隱蔽性、長期性、不可逆性及污染后果嚴(yán)重性等特點(diǎn)[1-4]。鎘（Cd）是環(huán)境中對植物、動(dòng)物以及人類毒性最強(qiáng)的重金屬元素之一，易為蔬菜所富集，進(jìn)而通過食物鏈威脅人類健康[3-8]。曾希柏等[9]研究發(fā)現(xiàn)，我國約93%的菜地受重金屬污染，且各省均有分布。由于不同植物對Cd吸收特點(diǎn)不同，取決于基因型、環(huán)境效應(yīng)及基因型與環(huán)境的互作效應(yīng)，可有選擇地種植食用部分富積污染物量少的作物，減少危害[5-8]。小白菜是對Cd較敏感的作物，較低的含量即可對其造成傷害，降低其產(chǎn)量及食用品質(zhì)，但不同品種對Cd脅迫的適應(yīng)性有明顯差異[10-16]?；蛐团c環(huán)境互作是比較復(fù)雜的生物學(xué)現(xiàn)象，如何準(zhǔn)確、高效地分解出基因型、環(huán)境型及其互作效應(yīng)是育種和推廣工作中面臨的重要問題[17]，本研究通過在莆田市蔬菜主產(chǎn)區(qū)的6個(gè)地點(diǎn)田間種植6個(gè)小白菜常見品種，利用AMMI（additive main multiplicative interaction）模型對各小白菜品種地上部和地下部的Cd含量進(jìn)行分析，明確小白菜Cd含量的差異及基因型、環(huán)境的效應(yīng)，篩選具有低鎘積累和高環(huán)境適應(yīng)性的小白菜品種，為小白菜的優(yōu)質(zhì)綠色生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

以福建省莆田市常見的6個(gè)小白菜品種‘華冠青梗菜’（G1，日本武藏野種苗園株式會(huì)社）、‘早生華京’（G2，日本武藏野種苗園株式會(huì)社）、‘田園青冠’（G3，武漢田園大豐農(nóng)業(yè)科技有限公司）、‘華王青梗菜’（G4，日本武藏野種苗園株式會(huì)社）、‘皇冠青梗菜’（G5，青縣良達(dá)盛農(nóng)技推廣中心）和‘上海青’（G6，福州永榮種子有限公司）為供試品種。分別在莆田市荔城區(qū)黃石鎮(zhèn)清前村（E1）、莆田市城廂區(qū)華亭鎮(zhèn)興沙村（E2）、莆田市仙游縣龍華鎮(zhèn)愛和村（E3）、莆田市荔城區(qū)新度鎮(zhèn)渠橋村（E4）、莆田市荔城區(qū)新度鎮(zhèn)洋程村（E5）、莆田市涵江區(qū)江口鎮(zhèn)東大村（E6）6個(gè)試驗(yàn)地點(diǎn)進(jìn)行種植。各試驗(yàn)點(diǎn)的地理位置及土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)詳見表1。

表1 試驗(yàn)地點(diǎn)的基本情況Table 1 Basic Information about Experimental Sites

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采取隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，3次重復(fù)，小區(qū)面積48.6 m2，每小區(qū)2畦，長度27 m，畦帶溝寬0.9 m。所有小區(qū)統(tǒng)一方案管理。試驗(yàn)于2020年2月4日采用種子直播方式播種，肥料施用量參照當(dāng)?shù)仄骄剑┯蒙唐酚袡C(jī)肥2 250 kg·hm-2、復(fù)合肥（N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15）300 kg·hm-2作基肥。2月7日出苗，3月1日追肥，追施復(fù)合肥（N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15）75 kg·hm-2、尿素75 kg·hm-2，兌水澆施。于3月20日采收、取樣，按《GB 5009.15—2014食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中鎘的測定》[18]檢測各品種地上部和地下部Cd含量。

1.3 Cd含量測定

每小區(qū)采用“Z”字型5點(diǎn)取樣法，每點(diǎn)取10株。用蒸餾水沖洗干凈，用吸水紙吸干水分，分別取小白菜地上部分（根莖部往上0.5 cm）和地下部，用食品加工機(jī)打成勻漿，儲(chǔ)于潔凈的塑料瓶中，并標(biāo)明標(biāo)記，于-16~-18℃冰箱中保存?zhèn)溆谩２捎脻袷较夥ㄟM(jìn)行樣品前處理，用安捷倫280 ZAA石墨爐原子吸收光譜儀測定鎘含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2003和DPS7.05軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。在方差分析基因型與環(huán)境互作效應(yīng)顯著的基礎(chǔ)上，按AMMI模型[19-25]進(jìn)行分析。取前3個(gè)主成分效應(yīng)iPCA中達(dá)到P＜0.01顯著水平、離原點(diǎn)的歐氏距離作為穩(wěn)定性參數(shù)Di[19-25]，其值越小則品種穩(wěn)定性越高。

2 結(jié)果與分析

2.1 小白菜Cd含量的表型值分析

供試材料地上部和地下部的Cd含量如表2所示?！A王青梗菜’地上部Cd含量的平均值最高，為0.014 9 mg·kg-1；‘華冠青梗菜’和‘田園青冠’最低，為0.011 3 mg·kg-1。其中，‘華王青梗菜’在愛和村的地上部Cd含量最高，0.025 0 mg·kg-1；‘皇冠青梗菜’在東大村的地上部Cd含量最低，為0.001 3 mg·kg-1；最 高 值 是 最 低 值 的18.7倍?！缟A京’地下部Cd含量的平均值最 高，為0.039 1 mg·kg-1；‘上 海 青’最 低，為0.026 9 mg·kg-1。其中，‘皇冠青梗菜’在清前村的地下部Cd含量最高，為0.105 2 mg·kg-1；‘上海青’在東大村的地下部Cd含量最低，為0.011 0 mg·kg-1；最高值是最低值的9.59倍。相關(guān)性分析表明小白菜地上部和地下部及試點(diǎn)土壤三者Cd含量之間的相關(guān)不顯著（未列出）。

表2 不同小白菜品種在不同地點(diǎn)的Cd含量Table 2 Cd contents of pakchoiplanted in different sites (mg·kg-1)

2.2 小白菜Cd含量的基因型和環(huán)境效應(yīng)分析

方差分析（表3）表明，基因型、環(huán)境、基因型與環(huán)境間互作效應(yīng)對小白菜地上部和地下部Cd含量有極顯著影響。小白菜地上部Cd含量受環(huán)境效應(yīng)影響最大，其效應(yīng)占總效應(yīng)的87.04%，表明環(huán)境間的差異是引起小白菜地上部Cd含量變化的主要原因；基因型與環(huán)境間的互作效應(yīng)次之，占9.26%；基因型效應(yīng)最小，占3.70%。對小白菜地下部Cd含量的影響與地上部相同，環(huán)境效應(yīng)、基因型與環(huán)境間互作效應(yīng)、基因型效應(yīng)占總效應(yīng)的比例分別為65.97%、28.24%和4.63%。

2.3 小白菜Cd含量的基因型與環(huán)境互作分析

小白菜地上部和地下部Cd含量均有3項(xiàng)交互主成分分析的iPCA達(dá)極顯著水平（表3）。對于地上部Cd含量，前2項(xiàng)（iPCA1和iPCA2）的平方和均占交互作用平方和的40.00%；對于地下部Cd含量，前2項(xiàng)iPCA（iPCA1和iPCA2）的平方和分別占交互作用平方和的70.49%和22.95%。因此，考察前2個(gè)AMMI分量代表的互作部分能對小白菜Cd含量的基因型與環(huán)境互作做出較準(zhǔn)確判斷。

表3 小白菜Cd含量的方差分析和AMMI分析Table 3 Variance analysis and AMMImodel analysis of Cd contents in pakchoi

圖1為以平均產(chǎn)量為x軸，交互效應(yīng)主成分iPCA1值為y軸的AMMI1雙標(biāo)圖，其水平方向的分散程度表明品種效應(yīng)的大小，垂直方向的差異表明品種與環(huán)境間的交互作用[19-25]。由AMMI1雙標(biāo)圖可知，小白菜地上部和地下部Cd含量在不同試點(diǎn)間的差異大于不同品種間差異，這與方差分析結(jié)果一致。小白菜品種‘華冠青梗菜’‘早生華京’和‘皇冠青梗菜’地上部Cd含量與興沙村、愛和村、渠橋村有著正向的交互作用，與清前村、洋程村、東大村的交互作用為負(fù)；小白菜品種‘華冠青梗菜’‘早生華京’‘田園青冠’‘皇冠青梗菜’和‘上海青’的地上部Cd含量相差較小，但iPCA1值的差異表明這5個(gè)品種在不同地點(diǎn)間的差異較大。小白菜品種‘華冠青梗菜’和‘皇冠青梗菜’地下部Cd含量與清前村有著正向的交互作用，與其他地點(diǎn)有著負(fù)向的交互作用，即‘華冠青梗菜’和‘皇冠青梗菜’在清前村種植時(shí)地下部Cd含量較高。

圖1 AMMI1雙標(biāo)圖Fig.1 AMMI1 Biplot between yield and iPCA1

以iPCA1為x軸，iPCA2為y軸建立AMMI2雙標(biāo)圖（圖2），圖中品種在地點(diǎn)與原點(diǎn)連線上的垂直投影到原點(diǎn)的距離表示該品種與此地點(diǎn)的交互作用大小，連線長則交互作用大，若投影落在連線上則其交互作用為正向，如果投影落在連線的反向延長線上則其交互作用為負(fù)向[19-25]。由圖3可知，對于地上部Cd含量，‘華王青梗菜’較穩(wěn)定；‘早生華京’與愛和村、‘上海青’與清前村和興沙村、‘皇冠青梗菜’與渠橋村存在較大的正向互作，這些品種在相應(yīng)地點(diǎn)種植都會(huì)增加小白菜地上部Cd含量；‘早生華京’與洋程村、‘上海青’與興沙村、‘皇冠青梗菜’與東大村、‘皇冠青梗菜’與清前村間為負(fù)向互作，表明它們有特殊的適應(yīng)性。對于地下部Cd含量，‘早生華京’與愛和村、‘上海青’與洋程村和渠橋村、‘皇冠青梗菜’與清前村等著較大的正向互作；‘早生華京’與渠橋村、‘皇冠青梗菜’與洋程村等為負(fù)向互作。AMMI模型穩(wěn)定性參數(shù)Di（表4）表明，對于地上部Cd含量，品種穩(wěn)定性排序?yàn)椤飯@青冠’＞‘皇冠青梗菜’＞‘華王青梗菜’＞‘華冠青梗菜’＞‘早生華京’＞‘上海青’，試點(diǎn)穩(wěn)定性排序?yàn)闁|大村＞興沙村＞渠橋村＞愛和村＞洋程村＞清前村；對于地下部Cd含量，品種穩(wěn)定性排序?yàn)椤A王青梗菜’＞‘田園青冠’＞‘上海青’＞‘華冠青梗菜’＞‘皇冠青梗菜’＞‘早生華京’，試點(diǎn)穩(wěn)定性排序?yàn)闁|大村＞渠橋村＞洋程村＞興沙村＞愛和村＞清前村。

圖2 AMMI2雙標(biāo)圖Fig.2 AMMI2 Biplot between iPCA1 and iPCA2

表4 基因型與環(huán)境條件交互作用的主成分值及穩(wěn)定性參數(shù)Table 4 Principal component values and stability parameters of the genotype-environment interactions

根據(jù)AMMI模型獲得的穩(wěn)定性參數(shù)Di和相應(yīng)的Cd含量綜合分析，‘田園青冠’地上部Cd含量低且穩(wěn)定，可用于大面積生產(chǎn)；‘華冠青梗菜’地上部Cd含量較低但穩(wěn)定性差；‘早生華京’和‘皇冠青梗菜’地上部Cd含量和穩(wěn)定性都居中。興沙村、東大村對小白菜地上部Cd含量影響較小，適宜發(fā)展小白菜生產(chǎn)。

3 討論

在輕、中度重金屬污染的土壤上能否繼續(xù)進(jìn)行作物安全生產(chǎn)已得到普遍關(guān)注[19]。本研究結(jié)果表明，不同小白菜品種在不同地點(diǎn)的Cd含量存在較大差異，變異范圍較大，其中地上部Cd含量的最高值是最低值的18.7倍，地下部Cd含量的最高值是最低值的9.59倍；且小白菜地上部和地下部及試點(diǎn)土壤Cd含量三者間相關(guān)不顯著。這可能是因?yàn)槭卟丝墒巢课恢亟饘俜e累的差異更大程度上取決于重金屬在蔬菜體內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)和分配的差異[26]，土壤類型、土壤酸堿度、重金屬的生物有效性、土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤氧化還原電位、絡(luò)合劑、離子互作和植物營養(yǎng)物質(zhì)等因素也影響重金屬的積累量[27-32]。

研究表明，水稻稻米Cd含量不僅受基因型影響，也受環(huán)境及兩者的交互作用影響[21-23,33]。張彥威等[20]研究發(fā)現(xiàn)基因型、環(huán)境及基因型與環(huán)境互作對大豆籽粒的Pb、Cr、As、Cd、Hg含量均具有極顯著影響，因此，改善土壤條件可能對降低大豆對重金屬的吸收量起到一定作用，選擇籽粒重金屬積累量低且對環(huán)境變化表現(xiàn)較穩(wěn)定的基因型是品種選擇的首要目標(biāo)。不同品種的甜高粱在污染土壤中種植，對不同重金屬的吸收有選擇性[34]。

本研究中基因型、環(huán)境及二者互作對小白菜地上部Cd含量均有極顯著影響。小白菜地上部Cd含量的環(huán)境效應(yīng)、基因型與環(huán)境間互作效應(yīng)、基因型效應(yīng)分別占總效應(yīng)的87.04%、9.26%、3.70%；地下部Cd含量的環(huán)境效應(yīng)、基因型與環(huán)境間互作效應(yīng)、基因型效應(yīng)分別占總效應(yīng)的65.97%、28.24%、4.63%。由此表明，環(huán)境效應(yīng)為主導(dǎo)因素，選擇特定環(huán)境是降低小白菜Cd含量的主要途徑；而基因型與環(huán)境互作效應(yīng)次之、基因型效應(yīng)最小，應(yīng)綜合考慮采用地區(qū)控制和品種搭配相結(jié)合的策略以減少小白菜的吸收途徑可能更為有效[18]。綜合小白菜Cd含量的表型值、AMMI模型、Di分析結(jié)果，‘田園青冠’地上部Cd含量低且穩(wěn)定，可用于大面積生產(chǎn)；‘華冠青梗菜’地上部Cd含量較低但穩(wěn)定性差；‘早生華京’和‘皇冠青梗菜’地上部Cd含量和穩(wěn)定性都居中，生產(chǎn)中要充分考慮基因型與環(huán)境的互作效應(yīng)。興沙村和東大村適宜發(fā)展小白菜生產(chǎn)。