20世纪中期以来，由于工业的迅猛发展，采矿、工业废水灌溉及城市污水污物的排放，使得我国的很多农田土壤和农作物受到Pb的污染(Chen et al., 2000).现在受Pb污染的土壤面积很大，如果都废弃等待修复后再使用是不现实的，根据这种现状，可以先选择一些能在中低浓度Pb污染土壤里生长，且对污染物低积累的作物(特别是可食用的器官内重金属污染物含量低，符合食品安全标准)进行种植，可以达到“边修复边生产”的目的.因此，筛选和培育低积累Pb的农作物品种受到了人们的广泛关注.农作物对Pb的吸收、积累及分配不仅存在种间的差异，也存在显著的种内差异(Greger et al., 2004; Zhang et al., 2000; Zhu et al., 2007).大豆是我国的重要粮食作物之一，然而关于大豆不同品种对Pb的吸收积累的研究却较少.

因此，本研究以16种大豆品种为研究对象，采用盆栽实验，研究Pb在不同大豆品种中的吸收、转运和分配差异，以期筛选到Pb低积累大豆品种，并对筛选到的大豆品种的品质进行研究，从而保证大豆在中、低程度Pb污染农田的安全生产，并为Pb污染土壤的治理提供有益的参考和理论支持.

盆栽梯度实验地点设在中国科学院沈阳应用生态所露天网室内，该场地在沈阳市中心，海拔约50 m，实验场地周围没有污染源，是重金属未污染区.实验用土壤采自中国科学院沈阳生态站，该站属温带半湿润大陆性气候，年平均温度5~9 ℃，大于10 ℃的年活动积温3100~3400 ℃.土壤类型为草甸棕壤.盆栽试验土壤采自该站的休耕地块，属于清洁土壤，采样深度为0~20 cm.土壤基本理化性质为pH=6.50，有机质23.7 mg · kg^-1，全N 0.89 mg · kg^-1，全P 10.35 mg · kg^-1，速效 K 10.96 mg · kg^-1，总Pb 24.25 mg · kg^-1，土壤基本理化性质的测定采用常规的测定方法(鲁如坤，2000).

本次试验收集在东北普遍种植的16种大豆品种，均购自沈阳农业大学种子公司.参照国家土壤环境质量标准(GB15618-1995)，Pb处理设置为500 mg · kg^-1(T₁)和1500 mg · kg^-1(T₂)2个剂量和1个对照试验(CK)，共3个处理.投加的重金属形态为Pb(NO₃)₂，为优级纯试剂，以溶液的形式加入到土壤中，充分混匀，平衡1个月后待用.

将供试土壤自然风干并过2 mm筛后，按照浓度设计与一定量的Pb((Pb(NO₃)₂以溶液形式加入)混合均匀，装入塑料盆(直径Φ=20 cm，盆高H=15 cm)中，每盆2.5 kg，平衡1个月后，将经过消菌处理的大豆直接播种于盆中.待种子发芽1周后，根据大豆幼苗的大小和长势情况间苗，每盆最后定苗为3株，每个处理重复3次并进行随机排列.植物露天栽培，无遮雨或遮阳设施，定期观察植株生长状况，根据盆中缺水情况，不定期浇自来水(水中未检出Pb)，使土壤含水量保持在田间持水量的75%左右.待植物成熟后，收获植株.

将收获的植物样分成根、茎、叶、荚和豆5部分，用自来水充分冲洗以去除粘附于植物样品上的泥土和污物，然后再用去离子水冲洗，沥去水分，于105 ℃下杀青20 min，然后在70 ℃下烘至恒重，并测量其干重(DW).烘干后的植物样品，采用混合酸HNO₃-HClO₄(二者体积比为1 ∶ 3)消化(魏树和等，2004)，电感耦合等离子体原子发射光谱仪(ICP-AES，Thermo Electron IRIS Advantage type，USA)测定其中Pb、Ca、 Cu、Fe、Mg、Mn和Zn含量.

采用国家食品安全标准(The National Food Safety St and ard of China，NFSSC)来衡量大豆中Pb含量的安全性，而该标准对于大豆中Pb的最大允许含量(MPC)为0.2 mg · kg^-1(以干重计)(Yu et al., 2006).

所得数据采用Excel、SPSS13.0及DPS进行处理，应用Duncan新复极差法进行多重比较，表中数据格式为平均值±标准差(Mean±SD).本文所得的数据均是基于干重.

参试大豆品种豆子的生物量(以干重表示)相比对照的变化情况(图 1)，可以用来判定参试大豆品种对Pb的耐性.在500 mg · kg^-1 Pb处理下，所有的参试大豆品种中豆子的生物量都比对照有明显的增加.黑河44号豆子的生物量最高，为对照的2.8倍.这表明低含量Pb(500 mg · kg^-1)能够促进一些大豆品种的生长，表现出一定的Pb耐受性.同时，在1500 mg · kg^-1 Pb处理下，所有参试大豆品种豆子的生物量与500 mg · kg^-1 Pb处理相比都有明显下降，表明当Pb含量增大时，会影响大豆的产量；但其中合丰55号、黑河43号、陆丰02-11、绥农28号和黑农50号的豆子的生物量却比对照高.总体来看，大豆品种对Pb表现出了一定的耐受性.同时，所有的参试大豆品种随着Pb含量的增加基本都能正常生长，未出现萎黄、缺绿等受胁迫症状.

图 1(Fig.1)

图 1 不同Pb处理下大豆品种豆中生物量(图中大豆品种编号同表 1) Fig.1 Seed biomass of Chinese soybean cultivars under different Pb treatments

16种大豆品种豆中Pb含量(以干重计)见图 2，不同种大豆品种豆中Pb含量差异显著(p<0.05).在500和1500 mg · kg^-1 Pb处理下，16种大豆中Pb的含量范围分别为0.08~0.57 mg · kg^-1和0.18~0.68 mg · kg^-1，其平均值分别为0.19和0.27 mg · kg^-1.并且，随着Pb含量的增加，豆子中Pb含量有随之增加的趋势.在500 mg · kg^-1 Pb处理下，12.5%(2/16)的大豆品种中Pb的含量超过了0.2 mg · kg^-1的国家食品安全标准的最大允许浓度(MPC)；在1500 mg · kg^-1 Pb处理下，75%(12/16)的大豆品种大豆中Pb的含量超过了MPC.为了保障大豆的食品安全，豆子中的Pb含量至少应低于0.2 mg · kg^-1.根据此标准，在500 mg · kg^-1 Pb处理下，14种大豆品种被认为是低Pb 积累的品种.而在1500 mg · kg^-1 Pb处理下，只有垦丰 16号、绥农 28号、中黄35号和黑河 35号被认为是Pb低积累的品种.

图 2(Fig.2)

图 2 16个大豆品种豆中Pb 含量 Fig.2 Pb concentrations in seeds of 16 Chinese soybean cultivars

富集系数(Enrichment Factor，EF)也称吸收系数，是指植物中某元素含量与土壤元素含量之比(周启星等，2004).富集系数表征土壤-植物体系中元素迁徙的难易程度，这是反映植物将重金属吸收转移到体内能力大小的评价指标.富集系数越高，表明植物地上部重金属富集质量分数越大.对于大豆而言，豆子是可食用部分，因此，在本试验中富集系数(EF)的计算公式如下：

由表 1可见，不同大豆品种的富集系数存在显著差异(p<0.05)，表明其对Pb的转运能力也存在显著差异.富集系数在2个处理下的范围分别为0.003~0.014和0.002~0.012，最小值出现在中黄35号，而最大富集系数出现在北疆2号，但所有大豆的富集系数在2种Pb处理下均小于0.02，从而表明大豆吸收的Pb主要富集在根部.

表 1(Table 1)

表 1 不同Pb处理下16种大豆品种中的富集系数和转运系数 Table 1 Enrichment factors and translocation factors in 16 Chinese soybean cultivars under different Pb treatments

表 1 不同Pb处理下16种大豆品种中的富集系数和转运系数 Table 1 Enrichment factors and translocation factors in 16 Chinese soybean cultivars under different Pb treatments 编号 品种 富集系数 转运系数 500 mg·kg-1 1500 mg·kg-1 500 mg·kg-1 1500 mg·kg-1 1 垦丰 16号 0.008±0.001b 0.007±0.002b 0.023±0.008b 0.019±0.006b 2 北疆 2号 0.014±0.005a 0.012±0.007a 0.301±0.011a 0.208±0.011a 3 垦鉴 27号 0.012±0.003a 0.010±0.005a 0.026±0.009b 0.024±0.001b 4 合丰 55号 0.006±0.002b 0.005±0.003c 0.023±0.013b 0.021±0.003b 5 绥农 28号 0.004±0.001c 0.003±0.001c 0.019±0.009b 0.018±0.004b 6 黑农 50号 0.007±0.003b 0.004±0.001c 0.025±0.008b 0.011±0.001b 7 华疆 2号 0.008±0.002b 0.005±0.003c 0.028±0.009b 0.024±0.005b 8 华疆3号 0.007±0.003b 0.006±0.001b 0.127±0.015a 0.121±0.010a 9 华疆4号 0.010±0.005a 0.006±0.002b 0.024±0.012b 0.018±0.001b 10 黑河 34号 0.007±0.002b 0.006±0.003b 0.039±0.021b 0.025±0.004b 11 黑河35号 0.006±0.002b 0.004±0.001c 0.021±0.008b 0.018±0.003b 12 黑河43号 0.012±0.007a 0.006±0.002b 0.044±0.017b 0.021±0.006b 13 陆丰 02-11 0.012±0.005a 0.008±0.001b 0.428±0.024a 0.327±0.018a 14 黑河44号 0.005±0.002c 0.003±0.002c 0.321±0.057a 0.318±0.038a 15 吉育 47号 0.009±0.003b 0.006±0.003b 0.229±0.073a 0.217±0.042a 16 中黄35号 0.003±0.001c 0.002±0.001c 0.012±0.007b 0.009±0.001c

转运系数(translocation factors，TF)是指地上部元素的含量与地下部同种元素含量的比值，用来评价植物将重金属从地下向地上的运输和富集能力(Baker et al., 2002).转运系数越大，则重金属从根系向地上部器官转运能力越强.在本试验中，转运系数(TF)的计算公式如下：

如表 1所示，转运系数在500和1500 mg · kg^-1 Pb处理下的范围分别为0.012~0.428和0.009~0.327.在T₁和T₂处理下，所有参试的大豆品种的转运系数均小于0.50.这表明大豆向地上部转运的Pb的量较少，主要的Pb积累在根部.

在500和1500 mg · kg^-1Pb处理下，4种大豆豆子中的Pb 含量满足国家食品卫生安全标准，其分别为垦丰 16号、绥农 28号、中黄35号和黑河 35号，具有一定的低积累特征，因此，对这4种大豆品种的豆子品质进行研究.由图 3可以看出，在2种Pb处理下，4种大豆品种豆子中6种矿物营养元素(Ca、Cu、Fe、Mg、Mn和Zn)的吸收存在显著差异(p<0.05).随着Pb含量的增加，豆子中Ca、Cu、Fe、Mg和Zn的含量随之降低.与其他营养元素相比，Fe含量降低的最多，在2种Pb处理下比对照平均分别降低了22.1%和32.7%.然而，Mn含量却随着Pb含量的增加而增加，在2种Pb处理下比对照平均分别增加了14.1%和25.2%.在2种Pb 处理下，中黄35号出现了Ca、Mg、Mn、Zn、Cu和Fe含量的最大值.同时，在4种大豆品种中，黑河35号豆中Ca、Cu、Mg和Fe的含量最少，垦丰16号出现了Zn含量的最小值，绥农28号豆中Mn的含量最低.在这4种大豆品种中营养元素含量的排序为：Ca> Mg> Fe >Zn> Mn> Cu.

图 3(Fig.3)

图 3 不同Pb处理下4种大豆品种豆中Ca、Cu、Fe、Mg、Mn和Zn的含量 Fig.3 Concentration of Ca，Cu，Fe，Mg，Mn and Zn in the seeds of 4 Chinese soybean cultivars under different Pb treatments

近年来，中、低程度污染土壤的农产品安全生产问题引起了越来越多的关注(Zhou et al., 1997).重金属排异作物或作物品种的筛选和培育被认为是当前最为合理和有效的途径之一(Zeng et al., 2008).众多研究都表明(Arao et al., 2003; Zeng et al., 2008;Shi et al., 2009)，作物间和作物基因型间存在显著的重金属富集差异.本次研究也表明16种大豆品种在不同Pb处理下，其豆中Pb的含量差异显著(p<0.05)，这也表明了筛选Pb低积累大豆品种的现实可行性.

大豆是对Pb具有较高抗性的作物品种.本研究中，在500 mg · kg^-1 Pb处理下，所有供试大豆品种的生物量都明显(p<0.05)高于对照和1500 mg · kg^-1 Pb处理.这个研究结果与Uveges等(2002)的结果相类似，他认为低剂量的Pb能刺激根的生长而高剂量的Pb则限制根的生长.其他研究也发现重金属对一系列农作物的生长具有中性和促进作用(Zhu et al., 2007; Shentu et al., 2008).然而，其具体机理目前尚不明确，一种可能的原因是，低剂量的Pb可促进植物细胞分裂素的新陈代谢从而促进植物的生长(Shentu et al., 2008).而土壤中高剂量Pb会使大豆的生物量下降，这与其他的作物品种相类似，如玉米(Carlson et al., 1976)、向日葵(Kastori et al., 1998)等.这种结果是由于土壤中过度的Pb会干扰作物的光合作用和氮素的代谢(Sinha et al., 2006).鉴于大豆具有较强的Pb耐性，农民无法简单的通过株高、产量等直观地判断其是否积累了大量Pb.因此，筛选和培养Pb低积累大豆品种以减低Pb对人类健康的潜在风险是现实必要的.

Zhi等(2014)建议通过4个标准来筛选Cd低积累大豆品种，基于其标准和前人的研究成果(Liu et al., 2010)，我们采用4个标准来筛选Pb低积累大豆品种：①地上可食部位的Pb含量低于国家卫生食品标准最大允许剂量，即Pb含量<0.2 mg · kg^-1；②富集系数(EF)小于1.0；③转运系数(TF)小于1.0；④具有较高的Pb耐性，在Pb污染土壤能够正常生长且生物量无显著下降.基于标准①，在500 mg · kg^-1Pb处理下，14种大豆品种具有低积累特性(图 2)，而且富集系数和转运系数均小于1.0(表 1).在1500 mg · kg^-1 Pb处理下，结合以上4个标准，垦丰 16号、绥农 28号、中黄35号和黑河 35号被认为是Pb低积累品种.由此可见，低Pb积累作物不适合高程度的Pb污染土壤.而且，环境因素也影响Pb在土壤中的有效性和Pb在作物中的积累(Nan et al., 2002).因此，仍需进一步的研究基因型和环境因素的相互作用及其机理，以保障食品的安全生产.

本研究表明，在不同Pb处理下，大豆中Fe的含量会下降.这与前人的研究结果相似，如Sinha等(2006)发现随着Pb含量的增加，卷心菜中Fe的含量会降低.Geebelen等(2002)也发现绿豆中Fe的含量会随Pb含量的升高而降低.同样，Lamhamdi等(2012)报道称，Fe和Zn对Pb的变化响应很敏锐，即使很小的Pb剂量也会对其有很明显的影响.土壤中高含量的Pb会使大豆中Ca、Cu、Fe、Mg和Zn的含量降低.然而，到目前为止对其机理的研究较少.一种可能的原因是Pb与离子载体螯合从而限制了其他矿物离子与其结合(Kannan et al., 1976).此外，离子从植物中外渗也是导致Pb污染土壤下作物中矿物质含量减少的原因(Lamhamdi et al., 2012).

同时，本研究也发现过量的Pb会增加大豆中Mn的含量(图 3).其他研究也表明，胡瓜(Cseh et al., 2000)、菠菜和小麦(Lamhamdi et al., 2012)中也有类似的结果.然而，关于Pb与这些矿物营养元素之间的关系也有一些与之相矛盾的结论出现.Wang等(2011)发现，苦草暴露在25 μmol · L^-1 Pb下4 d时，其叶子中Mn的含量减低28%.Kopittke等(2007)也报道无芒虎尾草暴露在10 μmol · L^-1 Pb下14 d时，其中Mn的浓度下降了0.83倍.关于Pb与Ca、Cu、Mg和Zn关系的研究，也是既有协同作用也有对抗作用.Pugh等(2002)研究表明，蓝莓树叶和拉不拉多茶树叶中Fe、Cu和Zn的含量会随Pb浓度的增加而增加.Wang等(2011)和Päivöke(2002)也发现，苦草和豌豆中Ca和Mg的含量也会随Pb浓度的增加而增加.这些不同结果的出现可能与作物耕种的方法和品种的不同，以及土壤中Pb和其他矿物营养元素的水平和温度不同有关.然而，Pb与Ca、Cu、Fe和Mg的关系会因Pb处理的水平不同而出现不一致的情况.因此，作物中矿物营养元素的吸收不平衡主要是由于Pb的不同浓度的影响(Päivöke，2002).

本试验研究了16种大豆品种对铅的吸收、富集和转运的品种差异，并筛选出低铅积累的大豆品种.低含量(500 mg · kg^-1)的Pb处理对大豆的生长具有一定的促进作用，16种供试大豆品种的生物量均在500 mg · kg^-1Pb 处理下的达到最大值.在500和1500 mg · kg^-1 Pb 处理下，16 种大豆对Pb的吸收存在显著差异(p<0.05).不同大豆品种的富集系数存在显著差异(p<0.05)，同时其对Pb的转运能力之间也存在显著差异.采用4个标准可鉴定垦丰 16号、绥农 28号、中黄35号和黑河 35号这4个品种为Pb低积累大豆品种，可满足低含量Pb污染土壤的安全生产.土壤中高含量Pb被发现能抑制大豆对Ca、Cu、Fe、Mg和Zn的吸收.此外，在这4个低铅积累的大豆品种中，土壤中高含量Pb能增强大豆对Mn的积累.