35份木薯種質資源鎘積累差異評價

吳勇 張瑋 易拓 宋勇

摘要：為評價輕度鎘（Cd）污染地木薯種植的安全性及木薯種質對Cd積累的差異性，研究了輕度鎘污染大田栽培的35份木薯種質對重金屬鎘的累積特性。結果表明，35份木薯種質組織器官中的Cd積累含量和富集系數均表現為莖>葉>塊根;35份木薯種質中，塊根（鮮樣）Cd含量超過國家薯類作物限量標準（0.1 mg/kg）的有15份。隸屬函數評價表明，GR891與NG在鎘富集和轉運的綜合能力方面差異最大，其富集系數和轉運系數分別為5.80、7.94、1.12、1.94。綜合排名顯示，N121生物量和鎘提取量都表現最高，分別達91 406 kg/hm2、18.60 g/hm2;ZM8316產量最高，達 45 303 kg/hm2;GR891生物量和產量都表現最低，分別為18 329、10 245 kg/hm2;47-11鎘提取量最低，為3.49 g/hm2。

關鍵詞：木薯;種質資源;鎘;富集;轉運;評價

中圖分類號： S533.01? 文獻標志碼： A? 文章編號：1002-1302（2019）10-0095-07

近年來，重金屬污染問題一直受到人們高度的關注。據報道，我國土壤重金屬污染情況十分嚴峻，耕地污染面積達 1 000萬hm2，占總耕地面積的1/8[1]。據《全國土壤污染狀況調查公報》顯示，在污染耕地的主要重金屬當中，Cd元素污染發生的概率最高[2]。面對我國當前人均耕地不足的情況，土壤的Cd污染化無疑對土地資源的可持續性利用和農作物的安全構成了巨大的威脅[3]。由于重金屬Cd在土壤中遷移性強、不穩定性形態比例大、極易被植物吸收富集[4]。同時，Cd是生物毒性最強的重金屬元素，雖然以呼吸空氣和飲水進入人體的數量極少，但是可通過食物鏈來危害人的健康[5-6]。湖南屬于重金屬污染的多發區，報道顯示湖南多個地區出現重金屬污染的情況。株洲某縣域典型礦區的耕地Cd含量點位超標率達98%，且是各重金屬污染風險最高的[7]。洞庭湖作為我國第二大淡水湖泊，是湖南省重要的糧、棉、油、魚生產基地，享有“魚米之鄉”的美譽[8]。在洞庭湖生態風險評估中，鎘在各污染物中危害程度最大[9]。木薯是世界三大薯類作物之一，有適應性強、生長快、產量高、耐旱耐瘠、病蟲害少等優點，是高效優質的能源作物，也是健康的綠色食糧[10]。近年來，木薯引種湖南栽培的面積不斷擴大[11-12]，從產地安全性出發，重金屬鎘污染的問題嚴重制約產業的發展與壯大。因此，展開鎘污染耕地下木薯栽培方向的研究具有重大的意義。目前，國內外在木薯與鎘有關方面的研究主要集中在重金屬的生物修復[13]、生物炭應用方面[14]，在生長特性[15]、產地安全性[16]、積累特征[17]等方面也有研究報道，但是有關不同木薯品種對鎘積累研究報道甚少，特別是多品種的對比研究尚屬空白。因此，本試驗研究了35份木薯種質在輕度鎘污染大田中的鎘積累特性，以期為低鎘木薯種質選育及鎘污染地的生物修復研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗在湖南農業大學耘園基地進行，土壤基本理化性狀：pH值為5.28，有機質含量為24.03 g/kg，陽離子交換量為 8.35 cmol/kg，全鎘含量為0.31 mg/kg，有效態鎘含量為 0.16 mg/kg，全氮含量為1.32 g/kg，全磷含量為 981.00 mg/kg，全鉀（以K計）含量為16.0 g/kg，堿解氮含量為84.48 mg/kg，有效磷含量為39.08 mg/kg，速效鉀含量為115.67 mg/kg。全鎘含量在GB 15618—1995《土壤環境質量標準》二級標準之間，屬于重金屬鎘（Cd）輕度污染耕地[18]。供試木薯種質材料來源于中國熱帶農業科學院和廣西壯族自治區農業科學院（表1）。

1.2 試驗設計

試驗采用隨機區組設計，小區長15.0 m，寬1.0 m，小區面積為15.0 m2，按行距1.0 m，株距1.2 m種植，即每個小區種植12株（7 995株/hm2），每個種質材料設3次重復（即3個小區），試驗周圍設有保護行。種植時將健康、沒有破損、大小較為均勻的種莖，砍成15～17 cm長的莖段，平放播種，2017年4月1日種植，生長7個月后于2017年11月6日收獲。試驗前（2017年2月27日）用旋耕機對大田旋耕1次，按要求用起壟機進行起壟，最后用銀黑雙面地膜覆蓋，前一年大田用于木薯試驗。

1.3 樣品處理與分析

1.3.1 木薯各部位生物量及產量測定 收獲期進行各小區木薯生物產量和鮮薯產量測定，按計算后的小區平均產量折算成每1 hm2產量，同時分莖、葉、塊根3個部分對植株生物量鮮樣進行稱質量，然后取塊根、莖、葉（含葉柄）混合樣各0.5 kg用來分析測試重金屬含量等指標。

1.3.2 木薯和土壤重金屬Cd的測定 將供試木薯樣品先用自來水沖洗，再用蒸餾水洗滌，除去樣品表面附著的雜質，分割成塊根、莖、葉3個部分，置于烘箱中105 ℃殺青，70 ℃烘干至恒質量，稱質量并折算各部分生物量干質量，將樣品粉碎備用。土壤按“五點法”取混合樣后經風干并過100目篩后備用。

土壤和木薯樣品中鎘含量委托湖南廣電計量檢測有限公司測定。木薯樣品鎘測定參考標準為GB/T 5009.15—2014《食品中鎘的測定》;土壤中的鎘測定參考標準為GB/T 17141—1997《土壤質量鉛、鎘的測定 石墨爐原子吸收分光光度法》。

1.3.3 數據分析

生物富集系數=植物某部位重金屬含量/土壤重金屬總含量;

生物轉運系數=植物地上部重金屬含量/植物地下部重金屬含量;

鮮樣Cd含量（mg/kg）=干樣中Cd含量×干物率。

木薯鎘積累能力評價：利用模糊數學中隸屬函數法[19]，分別計算木薯全株鎘富集系數、地上部轉運系數（地上與地下鎘含量比值）的具體隸屬值，并將各種質材料的各隸屬值進行累加，求平均值，即得出鎘積累綜合隸屬值，綜合評價不同木薯種質材料的鎘積累能力。

式中：X為供試木薯種質材料的某一指標系數;Xmin為供試種質材料中某一指標系數的最小值;Xmax為供試種質材料中某一指標系數的最大值。

采用Microsoft Excel進行數據處理和排名評價，采用SPSS 22.0數據處理軟件對試驗結果進行統計聚類分析和單因素方差分析。

2 結果與分析

2.1 不同木薯種質材料生物量與產量比較

在輕度鎘污染土壤背景下，35份木薯種質資源材料莖、葉、根之間的生物量差異明顯（圖1）。

莖生物量范圍在0.45～4.90 kg/株，平均值為 2.24 kg/株;其中高于平均值的種質資源材料有17個，排名前3位的分別是N121、NG、NAD，其莖生物量分別為4.90、4.50、4.37 kg/株;莖生物量低于平均值的種質資源材料有18個，表現最低的3個種質材料為桂墾09-26、L451、GR891，分別為1.08、0.97、0.45 kg/株。

葉生物量范圍在0.56～2.16 kg/株，平均值為 1.31 kg/株;其中高于平均值的種質資源材料有16個，排名前3位的分別是NG、1301、柬引4號，其葉生物量分別為 2.16、2.10、2.09 kg/株;低于平均值的種質資源材料有18個，表現最低的3個種質材料為桂墾09-26、L451、GR891，對應的葉生物量分別為0.75、0.69、0.56 kg/株。

塊根生物量范圍在1.28～5.66 kg/株，平均值為 2.87 kg/株。其中高于平均值的種質資源材料有16個，排名前3位的分別是ZM8316、M501、N121，其塊根生物量分別為5.66、4.59、4.51 kg/株;低于平均值的種質資源材料有19個，表現最低的3個種質材料為NG、GC49、GR891，對應的塊根生物量分別為1.74、1.58、1.28 kg/株。

35份木薯種質材料產量和生物量分析結果見圖2。各木薯種質資源材料鮮薯產量高于35份種質資源材料平均值（22 963 kg/hm2）的有16種，其中ZM8316產量最高，達 45 303 kg/hm2;低于平均值的有19種，其中GR891產量最低，為10 245 kg/hm2。各木薯種質資源材料生物量高于35份種質資源材料平均值（51 382 kg/hm2）的有18種，其中N121生物量最高，達91 406 kg/hm2;低于平均值的有17種，其中GR891生物量最低，為18 329 kg/hm2。

2.2 不同木薯種質材料Cd積累分析

2.2.1 木薯種質材料各部位中Cd積累量分析 由圖3可知，在輕度Cd污染背景下，35份木薯種質材料的各器官對Cd積累差異顯著（P<0.05）。木薯的莖對Cd積累的范圍和平均值分別為0.43～2.52、1.07 mg/kg，莖中鎘積累量最高、最低的種質資源材料分別為GR891、NAD;葉中Cd積累的范圍和平均值分別為 0.23～1.43、0.59 mg/kg，葉中鎘積累量最高、最低的種質資源材料分別為L451、47-11;塊根中Cd積累的范圍和平均值分別為0.13～0.35、0.25 mg/kg，塊根中鎘積累量最高、最低的種質資源材料分別為N229、1301。綜合分析，35份木薯種質材料的各器官（干樣）鎘含量均表現為莖>葉>塊根。

2.2.2 木薯種質材料鮮薯中Cd含量分析 由圖4可知，35份木薯種質材料中，塊根（鮮薯）中鎘積累含量最高的種質資源材料為N229，鎘積累含量最低的種質資源材料為NAD，最高種質材料是最低種質材料的2.7倍。塊根中鎘含量超過國家薯類作物限量標準（≥0.1 mg/kg）的種質材料有15份，鎘積累含量從高到低分別是N229>SC205>M786>N261>N64>N121>M824>GR891>N92>M714>桂墾09-26>L451>N119>S1>M501，占所有供試材料的42.9%。

2.3 木薯種質資源材料Cd積累評價

2.3.1 不同木薯種質材料Cd積累差異分類 為精準地評價輕度鎘污染地種植的35份木薯種質材料對鎘積累的差異，以木薯可食用部位即鮮薯（塊根）中的鎘含量作為聚類分析指標，采用組內平均連鎖法進行分析。由圖5可知，當歐氏距離為15時，可將供試材料分為3大類。其中，第Ⅰ類有16種，按塊根中Cd含量從大到小依次為N229>SC205>M786>N261>N64>N121>M824>GR891>N92>M714>桂墾09-26>L451>N119>S1>M501>GC49（0.098 mg/kg），為高鎘積累類群;第Ⅱ類有15份，按塊根中Cd含量從大到小依次為SC9>E31>E26>巴引3號>南植199>N228>NG>47-11>ZM8316>新選048>GR8>柬引4號>BRA114685>6068>SC12，為中等鎘積累類群;第Ⅲ類有4種，從大到小依次為什寒>廣西水果>1301>NAD，為低鎘積累類群。

2.3.2 木薯種質資源材料Cd積累類群比較 由表2可知，高鎘積累類群，其生物量范圍為18 329～91 406 kg/hm2、產量范圍在10 245～36 738 kg/hm2、土壤中鎘的提取量范圍為 4.36～18.60 g/hm2;其中，高鎘積累類群中各木薯種質材料器官的鎘提取量均表現為莖>根>葉。35份種質材料綜合排名中，M501、N121、N229、M786的生物量、產量、全株鎘積累量均超過平均值;其中，M501、N121、N229表現突出，其生物量均超過 62 000 kg/hm2、產量均超過30 000 kg/hm2、鎘提取量均超過 12 g/hm2，可應用于輕度土壤重金屬修復，其可觀的產量也可以用于工業乙醇生產。

對于中等積累類群，其生物量范圍為36 218～77 479 kg/hm2、產量范圍13 927～45 303 kg/hm2、土壤中鎘的提取量范圍為3.49～14.17 g/hm2;其中，中鎘積累類群中各木薯種質材料器官的鎘提取量表現為莖>葉、塊根。35份種質材料綜合排名中，ZM8316、E31、SC9、SC12、BRA114685的生物量、產量、全株鎘積累量均超過平均值;其中，ZM8316、E31、SC9表現突出，其生物量均超過57 000 kg/hm2、產量均超過27 000 kg/hm2、鎘提取量均超過10 g/hm2，可應用于食用栽培也可應用于輕度鎘積累土壤的修復。

對于低鎘積累類群，其生物量范圍為54 187～66 113 kg/hm2、產量范圍在14 167～30 495 kg/hm2、土壤中鎘的提取量范圍為4.91～7.23 g/hm2;其中，低鎘積累類群中各木薯種質材料器官的鎘提取量表現為莖>葉、塊根。35份種質材料綜合排名中，什寒、廣西水果、1301的生物量和產量都高于35份木薯種質材料的平均值，但其鎘提取量低于平均值。其中，什寒、廣西水果生物量均超過54 000 kg/hm2、產量均超過26 800 kg/hm2、鎘提取量均低于6.0 g/hm2，可應用于食用栽培。

綜合評價可知，35份木薯種質材料中，M501、N121、N229、ZM8316、E31、SC9具有生物量高、產量高、地上部鎘積累量高的特點;而什寒、廣西水果具有生物量高、產量較高、地上部鎘積累量低的特點。對比可知，N121生物量和鎘提取量都表現最高，分別為91 406 kg/hm2、18.60 g/hm2;ZM8316產量最高，達45 303 kg/hm2;GR891生物量和產量都表現最低，分別為 18 329、10 245 kg/hm2，47-11鎘提取量最低，為 3.49 g/hm2。

2.3.3 木薯種質材料鎘積累能力分析 由表3可知，輕度鎘污染地背景下，35份木薯種質材料各器官的富集系數均表現為莖>葉>塊根;各木薯種質材料的莖、葉、塊根富集系數范圍和平均值分別為1.40～8.14、3.46，0.74～4.60、1.92，0.43～113、0.79。相比其他種質資源材料，GR891全株富集系數和轉運系數都最大，分別為5.80、7.94;而NAD和NG全株富集系數、轉運系數相對其他種質材料較小，分別為0.86、2.38和1.12、1.94。由隸屬函數排名可知，GR891與NG在鎘富集、鎘轉移綜合能力方面差異最大。

3 討論與結論

3.1 土壤Cd背景值與木薯Cd積累含量的關系

土壤中鎘的含量影響著植物體對鎘的吸收和積累。在土壤中鎘的形態種類較多，不同性質土壤鎘形態分布差異較大，有效態是各形態的綜合反映[20]。其中，只有有效態鎘才可以直接被植物吸收利用。由于自然條件下土壤的復雜性，單一的總鎘含量不能很好地反映有效態鎘實際的特性。黃芳芳等研究顯示，桉樹林中總鎘含量達到4.46 mg/kg，其有效態鎘含量僅為0.04 mg/kg;木薯地中鎘總量為2.84 mg/kg，其有效態鎘含量為0.14 mg/kg[21]。也有研究表明，木薯地中總鎘含量達到6.32 mg/kg時，其有效態鎘僅為0.20 mg/kg[22]。說明不同類型的土壤其鎘含量差異較大。本試驗土壤中的總鎘含量為0.31 mg/kg，但是有效態鎘含量達到0.16 mg/kg。從本試驗結果來看，35份木薯種質材料的塊根中鎘含量超過國家薯類作物限量標準（0.1 mg/kg）的有15個，占所有供試種質材料的42.9%;另外，各木薯種質材料的莖、葉富集系數都大于1，各種質材料植株的富集系數和轉運系數也大于1。說明在土壤總鎘含量不高的情況下，土壤有效態鎘含量在植物對鎘積累上起到了決定性的作用。因此，以土壤總鎘的含量作為土壤重金屬鎘污染的衡量指標，其有效性難以反映在植物對鎘的吸收和積累上。

本試驗土壤屬于輕度鎘污染地，有效態鎘含量相對較高。因此，對輕度污染地的35份木薯種質材料分析其鎘積累的特性，具有一定的研究價值與意義。試驗結果表明，35份木薯種質材料莖、葉、塊根干樣中的Cd含量平均值分別為1.07、0.59、0.25 mg/kg。此結果與申時立等在土壤總鎘含量為 6.32 mg/kg、有效態鎘為0.20 mg/kg的背景值下的木薯各部位鎘含量相當[22]。但本試驗木薯各器官鎘含量的平均值均未超過其莖、葉、塊根的鎘濃度，說明土壤中鎘的有效性對植物積累鎘的效果明顯。即使是同一木薯種質材料在不同鎘污染地，土壤中的總鎘含量也不能客觀地反映植物對鎘積累的情況。本試驗中的木薯種質材料SC205，其莖、葉鮮樣中鎘含量分別為0.38、0.15 mg/kg，相比于曾露蘋等對木薯SC205的研究[23]，本試驗木薯各器官的鎘積累濃度高于其中度污染下木薯各部位鎘濃度值，卻低于其重度鎘污染下木薯各器官鎘濃度值。這一對比表明了同一木薯種質材料對鎘積累的差異除了土壤鎘背景值的不同，還與各地的氣候、土壤環境等其他因素有關。

綜上所述，土壤中的有效態鎘含量直接影響植物對鎘的吸收，與之相比土壤總鎘含量影響植物對鎘的吸收較弱。因此，在鎘積累種質材料比較篩選的研究中，以單一的土壤鎘總量來篩選鎘積累材料的高低是不客觀的，必須以有效態鎘含量作為土壤鎘背景值的重要參考，才能更為準確地評定各材料鎘積累的高低，繼而有效地篩選出高低鎘積累材料。這也和利峰等認為以重金屬總量作為土壤環境質量標準難以反映重金屬對植物的有效性的觀點[24]一致。

3.2 木薯種質材料各器官鎘積累的差異分析

植物對鎘的吸收因種類、部位不同其積累量也不同。通常，植物對鎘積累的差異在各器官上得到充分體現，通常呈現出一定規律性。如木本的桑樹[25]、桃樹[26]各器官鎘積累量表現為根>莖>葉;草本的水稻[27-28]、小麥[29]、油菜[30]及常見蔬菜[31]，其不同器官重金屬鎘的含量均表現為根>莖葉（或者地下部>地上部）。本試驗發現，在35份木薯種質材料當中，各器官（干樣）中的Cd積累量均表現為莖>葉>塊根。這與韋璐陽等的研究[16-17，22-23]一致，但和熊云武等研究的結果[13，32]不同，分析前面2種結論研究的各土壤總鎘和有效態鎘含量背景值，并無差異性，各器官鎘含量的富集規律不一致可能與木薯種質材料、土壤環境、氣候等綜合因素的差異有關。

鎘是一種有毒的重金屬，是植物非必需元素，通常以共質體或者質外體的方式進入維管束并向枝葉運轉[33]。植物地下部鎘積累濃度高于地上部是由于鎘限制向上運輸的結果，這樣的形式在一定的程度上可以緩解鎘對敏感地上部的傷害[34-35]。研究發現，鎘濃度處理從低到高改變時，結縷草莖細胞液與細胞壁中鎘的比例會改變;其地下部鎘含量顯著高于地上部轉變為地上部鎘含量顯著高于地下部，鎘轉運系數顯著提高，說明植物地上部可以很好地緩解地下部的鎘積累[36]。試驗結果表明，各木薯種質材料地上部鎘含量明顯高于地下部;由于富集系數和轉運系數分別是植物對鎘富集和運轉能力的體現，35份木薯種質材料各器官的富集系數也均表現為莖>葉>塊根?？梢姡臼淼厣喜勘鹊叵虏勘憩F出較好的耐鎘性，可能與植物種類本身的基因差異有關，這規律并非木薯所獨有，在郭艷麗等研究的木本植物中也表現一致積累特征[37]。植物地下部與地上部生理生態關系密切，從地下部到地上部比地上部到地下部的系統誘導效應普遍[38]。同時，植物本身對有害的信號物質是躲避的，因此，木薯以特有的方式通過地下部不斷地往地上部運輸積累到莖葉中，從而以高于地下部的忍耐性富集鎘或者以落葉的方式來緩解鎘的毒害成為了可能。總之，植物對鎘的吸收運轉途徑是復雜的，受多因素、多基因共同調控的過程[39]。

3.3 木薯Cd積累種質材料資源的評價與應用

植物吸收和累積重金屬不僅存在顯著的植物種間差異，同時存在顯著的植物種內差異[40]。因此，開展重金屬污染預防種質材料的篩選和培育具有重要意義。由于木薯食用的主要部位為塊根，35份木薯種質材料中，有15份材料（高鎘積累類群）的塊根（鮮樣）Cd含量超過國家薯類作物限量標準（0.1 mg/kg），食用存在一定的安全風險;中鎘積累和低鎘積累類群中的木薯塊根鎘含量未超過國家薯類作物限量標準，食用是安全的。綜合評價中，中等鎘積累種質材料（ZM8316、E31、SC9）具有生物量高、產量高、地上部鎘積累高的特點，其中ZM8316產量在35份種質資源材料中屬最高，達 45 303 kg/hm2，鎘提取量達10.14 g/hm2;低鎘積累種質材料（什寒、廣西水果）具有在生物量較高、產量較高、全株鎘積累低的特點。因此，相比中國木薯平均鮮薯單產 16 800 kg/hm2[41]而言，中低鎘積累木薯種質材料在湖南地區栽培具有一定潛力。木薯本身耐酸性、耐貧瘠，耐重金屬鎘的土壤[21]。雖然高鎘積累木薯種質材料的塊根鎘含量超標，但高鎘積累種質材料（M501、N121、N229）生物量高、產量高、地上部鎘積累高，其中，N121生物量和鎘提取量在35份種質資源材料中都表現最高，分別為91 406 kg/hm2、18.60 g/hm2;可以應用于“修復+景觀+經濟效益”模式的生物修復[13]。重金屬鎘富集系數的大小代表植物對土壤中重金屬Cd吸收能力的大小;而重金屬轉運系數的大小代表植物地下部往地上部運輸重金屬Cd能力的大小。從35份木薯種質資源材料鎘富集和轉運評價分析可知，GR891全株富集系數和轉運系數最高，分別達到了5.80、7.94;而NG、NAD全株富集系數和轉運系數低，分別為1.12、1.94和0.86、2.38，種質材料之間鎘積累能力差異大，可以作為木薯鎘積累種質資源篩選和富集規律研究的試驗材料。

在土壤（pH值為5.28）全Cd含量、有效態Cd含量分別為0.31、0.16 mg/kg的背景值下得出以下結論：（1）35份木薯種質材料各器官（干樣）中，莖中鎘含量最高、最低的種質材料分別為GR891（2.52 mg/kg）、NAD（0.43 mg/kg）;葉中鎘含量最高、最低種質材料分別為L451（1.43 mg/kg）、47-11（0.23 mg/kg）;塊根中鎘含量最高、最低種質材料分別為N229（0.35 mg/kg）、1301（0.13 mg/kg）。（2）35份木薯種質材料中，有15份種質材料的塊根（鮮樣）Cd含量超過國家薯類作物限量標準（0.1 mg/kg），占所有供試材料的42.9%，按塊根中Cd含量從大到小依次為 N229>SC205>M786>N261>N64>N121>M824>GR891>N92>M714>桂墾09-26>L451>N119>S1>M501。食用存在一定的安全風險。（3）35份木薯種質材料中，GR891全株富集系數和轉運系數都最大，分別為5.80、7.94;而NAD全株富集系數最小為0.86，NG轉運系數最小為1.94。其中，GR891與NG在鎘富集和鎘轉運的綜合能力方面差異最大。（4）35份木薯種質材料各組織器官中的Cd積累含量和富集系數均表現為莖>葉>根。（5）35份木薯種質材料中，M501、N121、N229、ZM8316、E31、SC9具有生物量高、產量高、地上部鎘積累量高的特點;而什寒、廣西水果具有在生物量高、產量較高、地上部鎘積累量低的特點。其中，N121生物量和鎘提取量都表現最高，分別為91 406 kg/hm2、18.60 g/hm2;ZM8316產量最高，達 45 303 kg/hm2;GR891生物量和產量都表現最低，分別為 18 329、10 245 kg/hm2，47-11鎘提取量最低，為3.49 g/hm2。

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