貴州喀斯特區域馬鈴薯種薯生產重金屬安全性初探

董穎蘋， 曹紹書， 粟彩蕓， 王 瑤， 羅 充

(1.貴州師范大學 喀斯特研究院/地理與環境科學學院/生命科學研究院， 貴陽 550025；2.國家喀斯特石漠化防治工程技術研究中心， 貴陽 550001；3.貴州省農作物品種資源研究所， 貴陽 550006)

馬鈴薯為我國第四大主要糧食作物，產量位居世界第一[1]。2015年農業部正式啟動了馬鈴薯主糧化戰略，大力發展馬鈴薯種植。由于脫毒種薯能解決病毒引起品種退化等問題，自20世紀以來，我國已經逐步建成依托國家和地方農業部門的脫毒種薯生產體系[2]。但傳統馬鈴薯種薯生產重點以防控病毒感染為主，對重金屬等污染風險的防控關注極少。

然而，環境污染正在威脅馬鈴薯主糧化進程，其中重金屬污染就是其中重要的形式[3-4]。馬鈴薯種薯生產體系的安全會影響當下的馬鈴薯產品食品安全，也會影響生產環境的長久安全。種薯階段消除重金屬污染,可以降低食品安全風險,更能降低產地生態安全風險。

本試驗以西南喀斯特重金屬高背景區典型省份貴州省為研究區域，選擇省內天然背景值較高的鉛(Pb)、鉻(Cr)和鎘(Cd) 3種重金屬為研究重點，同時考慮品種對試管苗生長有顯著影響[5-6],選擇三個耐瘠薄性差異顯著的品種，通過種薯生產的兩個關鍵階段(試管苗和商品種薯生產階段)，研究馬鈴薯試管苗受到重金屬脅迫的可識別性，商品種薯在典型大田環境生產的環境重金屬富集效率，以及考察疑似重要因素的影響[3,7-8]，評估現有種薯生產體系可能存在的重金屬風險，并提出相關的建議。

1 材料與方法

1.1 研究材料及培養條件

供試馬鈴薯(SolanumtuberosumL.)均為貴州省審定并推廣種植的品種，具有良好的本土適應性，分屬不同生態型，適宜種植不同海拔區域，耐瘠薄性表現英倫紅>大西洋>費烏瑞它[7]，外觀上薯皮薯色各自不同，詳情見表1。

表1 材料生態型信息

培養室溫度設置18～22 ℃；燈光采用YS-LED-18植物組織培養專用LED藍紅色混合光譜燈，每60 cm×40 cm設置3只(每只18 W)，每天12 h光照。繼代轉接一周后，根系生長至2～3 cm時，進行重金屬處理(如圖1)。

商品種薯生產一般選擇土壤條件較好的農用地。本試驗選擇傳統產地六盤水市玉舍鄉、盤州市?；l、威寧縣麻乍鄉具有典型性的黃壤和紅壤，進行多點抽樣并混樣，再將每份分成2.5 kg，裝入實驗盆，用于脫毒薯擴繁和實驗觀察。

1.2 研究方法

1.2.1環境重金屬濃度的影響與重金屬含量測定

1) 高濃度復合脅迫的試管苗品種響應

分別觀察試管苗24 h和7 d的死亡率，在多輪致死濃度試驗基礎上，選擇足以區分出品種間差異的Pb、Cr和Cd復合溶液濃度，設定高濃度處理液為：Pb 300 mg·L-1+Cr 180 mg·L-1+Cd 3.6 mg·L-1。

2) 低濃度復合脅迫對試管苗生長的影響

由于這部分試驗開展早已2018年7月，參考原《土壤環境質量標準》(GB 15618—1995)對低濃度復合脅迫進行設置。在GB 15618—1995二級標準pH<6.5下，Pb、Cr和Cd允許濃度限值為250，0.3 mg·kg-1和0.3 mg·kg-1。以土壤有效濃度占環境總值的比例，結合試驗效果觀察，按國標限制15%(Pb)和10% (Cr、Cd)的比例設定試管內可溶性脅迫濃度，定義為低濃度脅迫，具體為：Pb 30 mg·L-1+ Cr 0.03 mg·L-1+Cd 0.03 mg·L-1。

3) 重金屬濃度測定方法

依據國標采用原子吸收光譜檢測法，檢測試管苗及田間馬鈴薯根、莖葉和塊莖樣本中Pb、Cr和Cd含量。包括GB/T 5009.15—2003檢測植物樣本重金屬Cd； GB/T 5009.12 檢測植物樣本重金屬Pb，GB/T 5009.123檢測植物樣本重金屬Cr。

依據《土壤環境質量標準》(GB 15618—1995)，檢測土壤重金屬Pb、Cr和Cd含量。

1.2.2產地土壤的重金屬背景

考慮到商品種薯生產常選擇農用地進行擴繁，試驗隨機抽取貴州省貴陽市、六盤水市、畢節市等馬鈴薯主要產地的典型種薯繁育農用地，采用4分法取樣各20份，充分混樣后檢測土壤Pb、Cd和Cr的含量。

1.2.3商品種薯生產環節的組織富集特性與土壤類型的影響

選取具有代表性的土壤類型，區分黃壤、紅壤進行采集，充分混樣后，每盆分裝2.5 kg。每盆播入1粒原原種，每處理重復3次，開展3個品種的盆栽試驗。待種薯充分成熟，檢測土壤和根、莖葉、塊莖的Pb、Cr和Cd含量，計算兩種典型土壤類型下不同重金屬的富集率，用于了解不同組織富集特性與土壤類型的關系。

1.2.4常見復合肥對商品種薯富集特性的影響

選擇化學復合肥和商品羊糞有機肥進行研究，在播種期作為基肥，按推薦劑量施入盆栽土壤，充分混勻后，每盆播入1粒原原種，每處理重復3次，開展3個品種的盆栽試驗。待種薯充分成熟，檢測土壤和根、莖葉、塊莖的Pb、Cr和Cd含量，計算兩種典型土壤類型下不同重金屬的富集率，討論不同肥料對種薯生產中重金屬富集效率的影響。

1.2.5種薯生產安全性評價

參考標準主要依據： 1) 土壤環境質量國標GB 15618-2018； 2) 薯蕷類產品重金屬國家標準GB 2762-2012，用于比對馬鈴薯種薯對3種重金屬的富集能力，評估抽測典型產區種薯重金屬含量超限風險(詳見表2)。其中對種薯產品的影響參考薯蕷類食品限值；對產地生態系統由于與莖葉關系最大，參考葉菜限值。

表2 生產環境與產品重金屬國家標準

2 結果與討論

2.1 組培環節重金屬脅迫的反應

2.1.1高濃度重金屬脅迫的品種效應

結果顯示，組培外植體對復合重金屬脅迫的抵抗能力很強。高濃度組合Pb 300 mg·L-1+Cr 180 mg·L-1+Cd 3.6 mg·L-1能夠在24 h內將5個參試馬鈴薯品種外植體死亡率呈梯度狀態拉開，1周內所有品種死亡率過半，因此被確定為組培過程中重金屬復合脅迫的半致死濃度。低于這個臨界脅迫濃度，3個品種的馬鈴薯試管外植體都不會出現大量死亡。

由表3可知，復合重金屬的致死效應對不同馬鈴薯品種存在明顯的差異。同一濃度24 h內對高抗逆品種英倫紅僅造成10%死亡率，卻能導致不抗逆品種費烏瑞它高達90%的死亡率。其內在原因與不同品種對逆境不同的響應能力以及快慢有關；設定的高濃度復合重金屬對不同品種導管組織造成了肉眼可見的破壞，并因品種不同存在明顯差異。高濃度重金屬無色溶液混入組培環境后，肉眼可見黑色物質沿馬鈴薯組培外植體半透明的莖導管上行。上行高度提示不同品種對相同濃度重金屬溶液的運送能力不同。也可能提示了品種受損害的可能性以及傷害程度，但這個規律并不呈現簡單對應關系。

表3 高濃度重金屬脅迫效果識別

由于達到半致死的濃度設定遠遠高于國標規定的篩選值標準限值和正常通過化學試劑混入種薯生產組培系統的量，可以推測：常規管理條件下，即使體系混入較高濃度重金屬成分，只要沒有大量材料死亡，是不便于通過肉眼觀察及時識別出的。

2.1.2低濃度復合脅迫對生長的影響

由表4可知，低濃度脅迫的品種敏感性排序為：費烏瑞它>大西洋>英倫紅。與抗逆性反向一致。

低濃度重金屬脅迫時，敏感品種會出現生長緩慢、葉片黃化等癥狀。品種費烏瑞它受到低濃度重金屬脅迫后，44.26%的植株保持正常苗高值，29.39%植株保持正常生物量，表現生長緩慢、80%葉片黃化，3株(總15株)外植體表現不生長；抗逆性好的品種對低濃度重金屬的響應不易察覺(苗高或生物量的影響都不夠明顯)。例如英倫紅具有83.39%生長高度正常率, 生物量正常的植株占74.68%。雖然生長有放緩傾向，葉片也出現輕微黃化等癥狀，但肉眼較難察覺。

表4 低濃度重金屬脅迫對試管材料生長的影響

2.2 土壤污染識別

由表5可知，商品種薯生產使用的農用地黃壤中幾乎沒有Pb和Cr風險，但有一定Cd污染風險。Pb和Cr兩指標都非常安全，遠低于篩選值，整體潔凈；Cd均值超出篩選值限制，極大值超出篩選值基線四倍以上，仍在管制限值以下，屬于有必要加強觀察和管控的濃度范疇。

表5 土壤重金屬含量隨機抽樣

抽檢種薯生產農用地紅壤沒有Cd污染風險，存在輕微Pb和Cr安全風險。Cd表現很安全，個別值均值超過篩選值，整體遠低于篩選值；Pb和Cr均值低于篩選值，整體安全，極大值略超篩選值。

2.3 馬鈴薯組織富集特性與土壤類型的影響

兩種典型土壤對馬鈴薯Pb、Cd和Cr的富集率影響存在顯著不同(表6)。除Pb以外，黃壤對其他兩種元素富集能力都高于紅壤。尤其是黃壤有利于馬鈴薯對Cd的富集，富集率甚至高達550.82%，但塊莖富集率僅為2.62%，種薯比較安全；紅壤相對不利于Cd富集，根系富集率僅有84.38%，莖葉吸附最低，只有25.00%，塊莖富集率略高于黃壤?？偟恼f來，紅壤是比黃壤更安全的種薯生產用土壤。

表6 喀斯特地區典型種薯產地土壤的影響

2.4 常用有機肥對種薯生產安全性的影響

由表7可以看出，與不施肥處理相比，商品羊糞有機肥和化學復合肥能有效降低莖葉組織和塊莖中的Cd含量，但卻提高了Pb的含量。化學復合肥比商品羊糞有機肥更有利于減少重金屬在馬鈴薯組織中富集。兩種有機肥的施入，都有利于減少Cd在塊莖和莖葉中的富集。但Pb則不同，施肥有助于增加Pb的富集率。

表7 常見有機肥對種薯及莖葉富集率的影響

2.5 種薯生產安全性評價

試管苗階段，高出篩選值20%以上的高濃度重金屬復合脅迫能夠使受測試品種出現半致死效果。通過常規試劑和管理過程混入組培體系的、劑量為篩選值的1/10到1/3范圍低濃度復合脅迫，可引起敏感品種發生肉眼可見的生長量降低；對不敏感品種則沒有顯著的可識別癥狀，有必要引起重視。因此試管苗生產階段應該強化安全意識，嚴格把關，控制重金屬混入體系的概率。

商品種薯生產階段，產地土壤以黃壤和紅壤為主，pH在5.1～6.9范圍內，弱酸性；Pb、Cd和Cr總體處在篩查限值以下，抽樣區域背景值偏高。黃壤Cd值大于篩查值，但未達管控值。除紅壤中塊莖對Cd的吸收以外，對3種重金屬的吸收率都在2%以下。但塊莖Cd富集最高可達32%，說明Cd高地質背景區種薯生產應保持謹慎，在篩選值附近的清潔土壤，也可能產出Cd超標的商品種薯。另外，根系對Cd富集率更高達550.84%，說明Cd高背景區生產種薯對生態環節構成潛在高風險，既可能威脅當地人和家畜的健康，同時也可能通過當地食物鏈進一步威脅產地生態的長久安全。雖然有機肥的施入能有效降低塊莖和莖葉Cd的富集量，但應避免選用重金屬較高的動物有機肥，例如本研究選用的商品羊糞有機肥，可以選擇批量生產的化合有機肥。

Pb雖然是三種重金屬中最接近篩選限值的，但馬鈴薯對Pb的富集能力很有局限，因此無論對于種薯產品，還是當地社會生態環境，Pb都是較為安全的。施肥措施可能會增加Pb富集風險，處在Pb高背景區時，有必要盡可能減少肥料的施用量，以保證種薯生產安全。Cr在土壤中含量低于篩選值，處在安全區域。但是馬鈴薯對Cr的吸收率較高，有可能導致塊莖產品和植株中的含量高于國標限制范圍，有一定潛在的風險。

3 結 論

本研究發現，品種選擇、組培體系把關和種薯的大田生產監控是種薯清潔生產的三個重要環節。具體而言，耐瘠薄性強的品種受重金屬影響較小，反之則較大。在當前種薯生產體系中，抗逆性較好的品種組培體系中，如果存在低濃度重金屬污染，憑借肉眼觀察，是很難發覺的，因此有必要強化重金屬監測和管理。通過嚴格把關，防止重金屬混入組培生產體系。

在種薯大田繁殖階段，考慮到西南地區普遍存在馬鈴薯新鮮莖葉飼喂家畜的習慣和秸稈還田的傳統，對于敏感產地，建議種薯生產選擇塊莖和植株均表現低富集特性的品種，以切實降低產品健康風險，并降低產地潛在生態風險。此外，動物糞便加工的有機肥自身就可能是重金屬源，應加強管理，謹慎施用。在重金屬背景值高的西南地區，推薦化學復合肥取代動物糞便加工類肥料。因此，在馬鈴薯種薯生產過程中應該重點把控大田商品種薯生產環節，建立有效的監管制度，在土壤背景調查和土壤類型選擇、肥料施用方面降低重金屬進入種薯的概率，以維持馬鈴薯的清潔生產，進而確保國家糧食安全。

種薯的清潔生產能從源頭保障馬鈴薯食品安全，降低產地生態安全風險。因此，在馬鈴薯主糧化進程中，有必要將重金屬監測、管理貫穿到種質資源擴繁體系和種薯生產各環節中，以維持馬鈴薯的清潔生產。