不同土壤類型馬鈴薯對鎘的富集轉運差異研究

張瑞瑞，劉鴻雁,*，劉 克，周顯勇，王雪雯，羅 凱

（1.貴州大學農學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州大學資源與環境工程學院，貴州 貴陽 550025）

鎘（Cadmium，Cd）是自然環境中普遍存在且毒性極強的重金屬元素，但幾乎所有的土壤、地表水和植物體內均含有鎘。攝入微量的鎘不僅威脅生物個體的生理和健康，而且還對生物種群數量和物種分布產生影響[1]。作物吸收Cd的能力除取決于作物本身，還與土壤鎘含量、土壤特性等外部環境有關。研究發現在相同鎘濃度處理下紅椿根部鎘含量黃壤＞酸性紫色土[2]，巨菌草地上部與地下部植株隨著Cd處理濃度的增加表現出黃壤＞紫色土＞沖積土趨勢[3]，可見土壤類型不同，作物中Cd富集轉運能力存在差異。

馬鈴薯是世界四大糧食作物之一，2014年貴州省馬鈴薯種植面積達7.04×105hm2，是種植面積最大的農作物[4]。中國耕地土壤鎘背景值平均值為0.27mg/kg，西南喀斯特地區面積約1.50×107hm2，土壤鎘背景值遠高于全國平均值，是典型的鎘地球化學異常區。貴州省土壤鎘的背景值在0.015～2.977mg/kg，石灰性土背景值達1.115 mg/kg，地質高背景與歷史土法煉鋅的污染疊加，導致黔西北耕地土壤Pb，Zn，Cd等重金屬污染嚴重。據統計，該地區Cd超農用地土壤污染風險管制值（G5618-2018）的面積約6.70×104hm2，在貴州種植馬鈴薯，除塊莖外，根、莖、葉中Cd含量都較高，存在一定的生態安全風險[5-8]。因此，受污染耕地的安全利用是值得深入研究的環境問題和農業生產問題。

發育于第四紀紅色粘土上的地帶性土壤—黃壤和發育于石灰巖的巖性土—石灰土在貴州喀斯特地區分布最為廣泛。本研究通過黃壤和石灰土的盆栽試驗，參照農用地土壤污染風險管控標準（GB15618—2018）設置5個Cd濃度梯度，探索馬鈴薯Cd的濃度分布，以及富集系數和轉運系數的變化，為Cd污染土壤馬鈴薯安全生產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

1.1.1 供試作物

選用貴州省常種植馬鈴薯品種（原種）‘會-2號’，種薯由貴州省農業科學院馬鈴薯研究所提供。

1.1.2 供試土壤

分別采集樣地0～20 cm耕層土壤，剔除根系碎屑、石礫等雜物，室內風干、磨細過2 mm尼龍篩，供盆栽試驗用，土壤基本理化性質見表1。

1.2 試驗方法

試驗在貴州大學盆栽場進行，參照農用地土壤污染風險管控標準（GB15618—2018）（表2），分別于2種類型土壤上按土壤污染風險篩選值設置5個Cd濃度添加處理（T1：0.3 mg/kg，T2：0.6 mg/kg，T3：1.2 mg/kg，T4：2.4 mg/kg，T5：4.8 mg/kg），5個取樣時期（苗期，花期，塊莖膨大期，淀粉積累期，成熟期），每個取樣時期3組重復試驗。馬鈴薯播種時間為2018年3月7日，塊莖收獲時間為8月23日，每盆種1棵，共進行150個試驗盆栽。

表1 供試土壤基本理化性質Table 1 Basic physical and chemical properties of tested soil

將過篩的供試土壤裝入花盆（直徑35cm，高30cm），每盆裝土4 kg（以烘干土計算），種植前施用硫酸鉀型三元復合肥（N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15）作為基肥，盆缽內底部放置濾水網防止澆水時土壤損失，整個生育期內除草，培養期間定時定量澆水。待馬鈴薯出苗產生匍匐莖開始取樣，共取5次樣，經完整生理周期后收獲馬鈴薯。

1.3 樣品測定與方法

1.3.1 樣品采集

馬鈴薯成熟后，以盆為單位整株取出，洗凈塊莖并稱取鮮重。植株去除壞莖葉，用自來水沖洗表面泥土，去離子水將馬鈴薯植株反復沖洗3次；根、莖、葉、塊莖分別裝入牛皮紙袋，鮮樣105～110℃殺青15 min，再70～90℃烘干至恒重，磨細備用。

表2 農田土壤污染風險管控標準（GB15618—2018）Table 2 Farmland soil pollution risk management and control standards(GB15618—2018)

1.3.2 測定方法

土壤pH值、有機質參照《土壤農業化學分析》[9]，土樣重金屬Cd全量采用HNO3-HCl體系消煮，植物樣Cd全量采用HNO3-H2O2體系消煮，待測液統一用ICP-MS（Thermo Fisher Scientific X2）測定，所用試劑均為優級純，每批樣品分析質量控制措施采取空白樣、平行樣和標準物質控制法，標準樣品測定結果在誤差允許范圍內。

1.3.3 計算方法

Cd富集系數（BCF）=植物某一部位Cd含量/土壤Cd含量

Cd轉運系數（TF）=植物地上部Cd濃度/植物根系Cd濃度

1.4 數據處理

所有數據通過Excel 2010統計，SPSS26.0單因素方差分析進行差異性檢驗（One-way ANOVA），Origin2018進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同生長時期馬鈴薯各部位Cd含量變化

2.1.1 馬鈴薯根部Cd含量變化

馬鈴薯根部Cd含量有隨Cd處理濃度增加而增加的總體趨勢，黃壤最高達到40.98 mg/kg，石灰性土達18.52 mg/kg。根部Cd含量隨著生長時期逐漸增大，并在成熟期達到頂峰（圖1）。外加鎘處理提高了馬鈴薯植株對鎘的吸收，鎘進入馬鈴薯根系后不斷累積。

2.1.2 馬鈴薯莖部Cd含量變化

兩種土壤的T1、T2和T3處理下馬鈴薯莖Cd含量總體呈增加的趨勢，前兩個取樣時期馬鈴薯莖中Cd含量隨Cd濃度梯度的升高而增加，黃壤上平均達7.06 mg/kg，石灰性土上達2.49 mg/kg。T5處理下淀粉積累期兩種土壤種植的馬鈴薯莖中Cd與其他時期差異達顯著水平（P＜0.05），黃壤中為53.51 mg/kg，石灰性土中為17.31 mg/kg（圖2）。

2.1.3 馬鈴薯葉部Cd含量變化

T1處理下兩種土壤種植的馬鈴薯葉部Cd含量在整個生育期變化不大，黃壤上變化為0.67～1.33 mg/kg，石灰性土上為0.16～0.34 mg/kg；T4處理下馬鈴薯葉部Cd含量在花期到塊莖膨大期階段變化幅度較大，黃壤上由5.19 mg/kg增加到10.93 mg/kg，增幅達到110.60%；石灰性土上由4.21 mg/kg降低到2.65 mg/kg，降幅達到37.05%。T5處理下淀粉積累期時兩種土壤種植的馬鈴薯葉片中Cd含量較高，黃壤為25.58mg/kg，石灰性土為7.47mg/kg（圖3）。

圖1 黃壤和石灰性土馬鈴薯不同生長時期根Cd含量變化Figure 1 Changesin root Cd content of potato in yellow soil and calcareoussoil at different growth stages

圖2 黃壤和石灰性土馬鈴薯不同生長時期莖Cd含量變化Figure 2 Changesin stem Cd content of potato in yellow soil and calcareoussoil at different growth stages

2.1.4 馬鈴薯塊莖Cd含量變化

隨Cd濃度增加，馬鈴薯塊莖Cd也有增加趨勢。黃壤種植的馬鈴薯塊莖Cd含量平均為0.29 mg/kg，石灰性土壤塊莖Cd含量平均為0.13 mg/kg。在塊莖形成的整個生育時期，T1和T2處理條件下，黃壤上馬鈴薯塊莖Cd含量分別為0.05和0.08 mg/kg，石灰性土上馬鈴薯塊莖Cd含量分別為0.03和0.05 mg/kg；而在T3、T4和T5處理下，黃壤上馬鈴薯塊莖Cd含量分別為0.22，0.47和0.61 mg/kg，石灰性土上馬鈴薯塊莖Cd含量分別為0.10，0.33和0.41 mg/kg。黃壤種植的馬鈴薯塊莖Cd含量總體高于石灰性土壤（圖4）。

2.2 馬鈴薯對鎘的富集轉運特征

2.2.1 馬鈴薯不同生長時期Cd富集系數變化

圖3 黃壤和石灰性土馬鈴薯不同生長時期葉Cd含量變化Figure 3 Changes in leaf Cd content of potato in yellow soil and calcareous soil at different growth stages

圖4 黃壤和石灰性土馬鈴薯不同生長時期塊莖Cd含量變化Figure 4 Changes in tuber Cd content of potato in yellow soil and calcareous soil at different growth stages

兩土壤馬鈴薯植株富集系數表現出：成熟期＞淀粉積累期＞塊莖膨大期＞苗期＞花期的總體趨勢。黃壤上Cd富集系數較石灰性土平均高出89.69%；黃壤上成熟期Cd富集系數分別高淀粉積累期46.74%，塊莖膨大期97.09%，花期208.16%，苗期157.48%；石灰性土上成熟期Cd富集系數分別高淀粉積累期28.62%，塊莖膨大期44.64%，花期74.36%，苗期49.36%；黃壤上馬鈴薯植株Cd富集系數平均為6.90，石灰性土平均為3.66；Cd進入馬鈴薯植株后開始逐漸累積，黃壤上根部富集系數平均達8.22，石灰性土平均達3.54；莖段分別為7.50和3.80；葉片分別為4.97和3.65；塊莖富集較少，分別為0.95和0.36；石灰性土上馬鈴薯塊莖富集系數低于黃壤且均小于1（表3）。

2.2.2 馬鈴薯不同生長時期Cd轉運系數變化

各生長時期轉運系數表現出：根-莖段＞根-葉片＞根-塊莖的總體趨勢。黃壤上植株轉運系數均值為0.89，塊莖均值為0.11；石灰性土上植株轉運系數均值為0.66，塊莖均值為0.17；黃壤上馬鈴薯植株轉運系數大于石灰性土。馬鈴薯根-莖段在淀粉積累期轉運系數與其他時期差異顯著（P＜0.05），黃壤上分別是苗期的1.74倍，花期1.93倍，塊莖膨大期1.48倍，成熟期1.90倍；石灰性土上分別是苗期的2.09倍，花期2.48倍，塊莖膨大期1.63倍，成熟期1.38倍。兩種土壤條件下馬鈴薯根-莖段在淀粉積累期轉運系數均大于1，塊莖Cd的轉運系數均小于1（表4）。

表3 馬鈴薯不同生長時期鎘富集系數Table 3 Cadmium enrichment coefficient at different growth stagesof potato

表4 馬鈴薯不同生長時期鎘轉運系數Table 4 Transfer coefficient of cadmium in potato at different growth stages

3 討論

土壤重金屬的遷移性受土壤pH值和有機質的影響較大[10]，土壤pH值與馬鈴薯根、莖中Cd含量呈負相關，這是由于酸性條件下重金屬具有較高的活性和生物有效性，pH值較小的土壤中膠體、粘土礦物顆粒吸附的Cd與H+交換量將會增加，導致土壤有效態Cd2+的濃度增加，從而促進重金屬向植物體內的遷移[11,12]。本研究中馬鈴薯各器官Cd含量均隨脅迫增大而升高（圖1、圖2），相同Cd脅迫條件下，馬鈴薯根莖葉Cd含量表現出黃壤＞石灰性土；pH值較高的石灰性土種植的馬鈴薯Cd含量更低，是由于碳酸鹽有效降低了土壤中的交換態Cd，從而降低植株對Cd的吸收。因此在Cd污染土壤上可適當增加土壤pH值，降低土壤中Cd向植物遷移的能力和農作物中的Cd含量，保障當地農作物食品質量安全[13]。石灰性土中Ca、Mg離子對Cd吸收也存在一定的拮抗能力，Ca、Mg離子的存在也抑制了馬鈴薯對Cd的吸收[14]。影響重金屬生物有效性有很多原因，土壤有機質含量也是重要因素之一[15,16]。有機質可通過氨基、羧基和羥基與Cd螯合配位結合，從而降低Cd生物有效性[17-19]。本研究中石灰性土有機質含量更高，碳酸鹽類也有效的降低了土壤中Cd向植株的遷移。

Cd在土壤-作物系統中的遷移與分配是多重因素共同決定的，轉運系數是指植物地上部中的金屬含量與地下部中金屬含量的比值，反映重金屬從根系分配到其他器官的能力和效率，富集系數可反映植物對重金屬富集程度的高低或富集能力的強弱[20-23]。莖葉中Cd的累積主要來源于根系對土壤中Cd的吸收遷移[14,15,24]，此外根部木質部汁液中以自由離子存在的Cd，在根壓作用與蒸騰作用共同條件下也會向地上部進行運輸；地上部分的Cd在實現了木質部到韌皮部的轉運以后，也會隨著植物生長發育在莖葉等器官之間通過韌皮部進行再分配[25]。通過比較馬鈴薯不同部位的轉運系數可知，兩種土壤上馬鈴薯根-莖段轉運系數較大；這是由于作物根細胞壁通過選擇性吸收，吸附和固定土壤中的Cd，大部分Cd被截留在細胞壁中；根系吸收的Cd先通過根與葉相連的木質部運輸到地上莖葉部分，然后再通過葉與塊莖相連的韌皮部從莖葉轉運至塊莖。蒸騰作用對葉片中重金屬的吸收也起重要作用，Cd在植物體內長距離運輸的速率約為0.35～0.60 m/h，蒸騰越強，向莖葉中的運輸也就越快越多[12,24-27]；馬鈴薯根-塊莖轉運系數較小，一方面是由于Cd與根系分泌物有機酸等通過競爭性結合后滯留在根表面，通過主動運輸轉移至其他器官的Cd2+量減少；另一方面馬鈴薯根系向地上部分輸送營養時，各個器官都會對Cd2+產生截留作用，大部分Cd2+被截留在根、莖、葉中，只有少量的Cd2+轉運到塊莖[15,28-30]。

綜上所述，隨著Cd脅迫的增強，黃壤和石灰性土上種植的馬鈴薯植株和塊莖Cd含量都增加。黃壤上馬鈴薯植株Cd的富集系數較高，均值可達6.90，石灰性土的富集系數均值可達3.66；馬鈴薯可食部分塊莖Cd的富集系數相對較小，黃壤上最大值為1.23，石灰性土上均小于1。兩種土壤上馬鈴薯可食部分塊莖的轉運系數在0.09～0.21，T1和T2處理馬鈴薯塊莖Cd小于食品安全國家標準（GB2762—2017）[31]0.1 mg/kg的限值；在Cd脅迫條件下，黃壤和石灰性土上種植馬鈴薯均表現為高富集、低轉運的特點。