趙信林 郭媛 邱化蛟 邱財(cái)生 龍松華 王玉富

摘要：為了探究利用木薯對(duì)Cd污染農(nóng)田進(jìn)行修復(fù)性利用的可行性，以10個(gè)木薯品種為材料，研究在湖南省典型Cd污染農(nóng)田中葉片采摘對(duì)不同品種木薯塊根產(chǎn)量的影響，并對(duì)不同木薯品種的葉片飼用品質(zhì)進(jìn)行了分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在中度Cd污染的農(nóng)田上，不采摘葉時(shí)的木薯產(chǎn)量在品種間差異顯著，其中華南205塊根產(chǎn)量高達(dá) 13 000 kg/hm2，而最低的是南植199，僅有3 980 kg/hm2;與不采摘葉片相比，葉片采摘會(huì)造成10個(gè)木薯品種不同程度地減產(chǎn)，平均減產(chǎn)約為29.8%;品種間的葉片養(yǎng)分含量存在顯著差異，但10個(gè)品種的葉片Cd含量均超過(guò)了1 mg/kg，未能達(dá)到飼用標(biāo)準(zhǔn)。綜合分析表明，在中度Cd污染的農(nóng)田上可以栽培華南205等既耐Cd又可以獲得高產(chǎn)的木薯品種，但是獲得的生物量只能用作工業(yè)原料。

關(guān)鍵詞：木薯;葉片采摘;鎘;飼用品質(zhì);生物能源作物

中圖分類號(hào)： S533.01 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號(hào)：1002-1302（2020）24-0076-05

通信作者：郭 媛，博士，副研究員，主要從事熱帶作物抗逆生理及栽培研究工作，E-mail：guoyuan@caas.cn;王玉富，碩士，研究員，主要從事亞麻遺傳育種及栽培研究工作，E-mail：chinaflax@126.com

湖南省素有“有色金屬之鄉(xiāng)”的美稱，然而在美譽(yù)的背后，卻由于開采初期缺乏環(huán)保意識(shí)和防治措施，導(dǎo)致大量金屬流失，使得大面積農(nóng)田、河流遭受重金屬污染。在眾多具有危害性的重金屬中，鎘（Cd）因其較強(qiáng)的活性和生物富集性，成為重金屬污染治理的主要元素[1]。在Cd污染的農(nóng)田上種植食用的糧食、蔬菜等，通常會(huì)使可食用部分Cd含量超標(biāo)，嚴(yán)重威脅人生命健康，因此，在該類土地上嚴(yán)禁可食用作物的種植。關(guān)于重金屬Cd污染治理的方式，一般分為化學(xué)修復(fù)、物理修復(fù)和生物修復(fù)，而生物修復(fù)中的植物修復(fù)方式，又以其原位修復(fù)、成本低等優(yōu)點(diǎn)而廣受關(guān)注[2]。然而，大多的Cd超級(jí)累植物通常植株矮小、生長(zhǎng)緩慢，存在修復(fù)見效慢的問(wèn)題[3]。因此，在強(qiáng)調(diào)Cd污染修復(fù)的同時(shí)，有效利用中輕度Cd污染土地種植對(duì)重金屬具有一定耐Cd性的非食用作物不失為一種提高土地利用率和增加農(nóng)民收入的策略。

石油、煤礦等化石燃料是難以再生的資源，此類燃料的燃燒不僅對(duì)環(huán)境造成難以估量的環(huán)境污染，而且因其燃燒釋放的溫室氣體也一定程度上加劇了全球氣候的變化[4-5]。開發(fā)利用清潔、安全的生物能源是世界穩(wěn)定、可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。根據(jù)研究人員估計(jì)，能源植物每年可以固定的能源相當(dāng)于全球主要能源消耗的10%，然而當(dāng)前被有效利用的生物能源卻不及總量的1%[4]。因此，種植生物能源作物[6]，尤其是在無(wú)法用于糧食生產(chǎn)的土地上，必然具有重大的社會(huì)意義。

木薯（Manihot esculenta Crantz），又稱番薯，是大戟科木薯屬多年生植物，原產(chǎn)于南美洲，是熱帶和亞熱帶地區(qū)的高產(chǎn)作物，是世界三大薯類作物之一，可用作糧食[7-8]、飼料[9-10]、工業(yè)原料（生產(chǎn)生物乙醇、生物燃?xì)獾龋11-12]等。生產(chǎn)實(shí)踐證明，木薯具有適應(yīng)性強(qiáng)、生長(zhǎng)快、產(chǎn)量高、耐旱耐瘠、病蟲害少的特點(diǎn)[13-15]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，木薯對(duì)Cd具有較好的耐性，可以在中輕度Cd污染的農(nóng)田上良好地生長(zhǎng)[1，16]。所以在湖南省遭受Cd污染的農(nóng)田種植木薯，收獲的木薯塊根、莖葉等用于牲畜飼料、工業(yè)原料等可能具有較好的推廣前景。然而，在此類土地上生長(zhǎng)的木薯莖葉是否可以用作牲畜飼料，以及不同的木薯品種的莖葉飼用品質(zhì)差異如何，還有待更多的研究。此外，若木薯葉片用于飼料，則還需要明確葉片采摘對(duì)不同木薯品種塊根產(chǎn)量的影響。因此，本研究擬通過(guò)在湖南省典型Cd污染農(nóng)田上種植不同木薯品種來(lái)研究葉片采摘對(duì)不同品種木薯塊根產(chǎn)量的影響，并對(duì)不同品種木薯葉片的飼用品質(zhì)及飼用安全性進(jìn)行評(píng)估。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)地點(diǎn)位于湖南省株洲市株洲縣淥口鎮(zhèn)花園村具有代表性的重金屬污染農(nóng)田（113.191°E，27.713°N），該區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)性濕潤(rùn)氣候，四季分明，雨熱充足，無(wú)霜期在286 d以上，年平均氣溫為16～18 ℃，適宜多種農(nóng)作物生長(zhǎng)。所選農(nóng)田土壤為水稻土，試驗(yàn)開始前在試驗(yàn)田采集0～20 cm土樣進(jìn)行土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)以及重金屬鉛（Pb）、鎘（Cd）和砷（As）的測(cè)定。經(jīng)測(cè)定該土壤有機(jī)質(zhì)含量41.0 g/kg，全氮含量2.06 g/kg，全磷含量 0.43 g/kg，全鉀含量15.3 g/kg，堿解氮含量 191 mg/kg，速效磷含量10 mg/kg，速效鉀含量 89 mg/kg，重金屬含量及污染程度（《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 15618—2018））[17]見表1，由此確定該農(nóng)田屬于中度Cd污染農(nóng)田。

1.2 供試材料

試驗(yàn)中種植的10個(gè)木薯品種分別為JG1301、ZM8229、ZM8316、輻選01、桂熱4號(hào)、桂熱5號(hào)、桂熱911、華南205、南植199、新選048。試驗(yàn)中所施用的氮肥為尿素（N含量46%），磷肥為過(guò)磷酸鈣（P2O5含量12%），鉀肥為硫酸鉀（K2O含量50%）。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以木薯品種作為主處理，葉片采摘與否為副處理，主處理之間采用隨機(jī)區(qū)組排列，每個(gè)主處理3 次重復(fù)。小區(qū)設(shè)計(jì)為4 m×5 m，每小區(qū)種植5行，每行4株，共20 株，株距為0.8 m、行距為1.0 m。參試品種于2017年4月24日種植，2017年12月20日收獲。試驗(yàn)過(guò)程中的氮肥分3次施用，其中基肥用量占總氮肥用量的25%，木薯種植40 d后進(jìn)行第1次追肥，占用氮肥總量的50%，剩余氮肥在植后60 d進(jìn)行施用;磷肥作為基肥1次性施用;鉀肥基追肥比例與氮肥一致。其他田間管理，如灌溉、除草、殺蟲等均按照當(dāng)?shù)剞r(nóng)民管理模式。葉片采摘于收獲前第3個(gè)月進(jìn)行，每小區(qū)隨機(jī)選取10株進(jìn)行葉片的完全采摘，剩下的10株作為對(duì)照。每株采摘的葉片測(cè)定其鮮質(zhì)量，并按照小區(qū)面積折算成單位面積薯葉產(chǎn)量。測(cè)定干薯葉中的粗蛋白、粗纖維、氰化物和灰分含量，同時(shí)測(cè)定其Cd含量。收獲時(shí)分別測(cè)定每小區(qū)摘葉處理和對(duì)照處理的10株木薯的主要產(chǎn)量性狀，包括單株結(jié)薯數(shù)、薯塊長(zhǎng)度、薯塊直徑、單株鮮薯質(zhì)量，并分別折算出葉片采摘與無(wú)采摘處理的木薯單位面積產(chǎn)量。

1.4 測(cè)定方法

土壤氮、磷、鉀含量、pH值等參照魯如坤編寫的《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[18]進(jìn)行測(cè)定;土壤有機(jī)質(zhì)含量參照Yeomans等的方法[19]進(jìn)行測(cè)定;土壤中的Cd、Pb值測(cè)定參考標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 17141—1997《土壤質(zhì)量 鉛、鎘的測(cè)定 石墨爐原子吸收分光光度法》[20];土壤中的As測(cè)定參考標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 22105.2—2008《土壤質(zhì)量 總汞、總砷、總鉛的測(cè)定 原子熒光法》[21];木薯樣品的Cd測(cè)定參考標(biāo)準(zhǔn)為GB 5009.15—2014《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中鎘的測(cè)定》[22];葉片中氰化物的測(cè)定方法同羅瑛等的方法[23];葉片粗纖維含量測(cè)定采用酸堿消煮法 （GB/T 5009.10—2003）《植物類食品中粗纖維的測(cè)定》[24];葉片粗蛋白含量測(cè)定參照GB 5009.5—2010《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中蛋白質(zhì)的測(cè)定》[25];葉片灰分含量的測(cè)定參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6438—2007《飼料中粗灰分的測(cè)定》[26]。

1.5 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2013和IBM SPSS Statistics 26進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和方差分析，并以0.05 為差異顯著性水平，用Duncan's法對(duì)各組數(shù)據(jù)進(jìn)行多重比較，采用Origin 2017進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 葉片采摘對(duì)不同木薯品種產(chǎn)量的影響

不同品種木薯在葉片采摘與非采摘情況下的塊根產(chǎn)量見圖1。結(jié)果表明，葉片采摘顯著降低了ZM8229、ZM8316和華南205 3個(gè)品種的塊根產(chǎn)量，而其他品種也因?yàn)槿~片采摘造成了不同程度的產(chǎn)量下降，但是沒(méi)有達(dá)到顯著水平。與對(duì)照相比，葉片采摘使得10個(gè)木薯品種產(chǎn)量降低了4.95%～47.1%之間，平均為29.8%，產(chǎn)量降低最為嚴(yán)重的是華南205，減產(chǎn)最少的是南植199。在不采摘葉片的情況下，不同的木薯品種在所選試驗(yàn)區(qū)域的產(chǎn)量差異顯著，變化范圍大，在3 980～13 000 kg/hm2之間。在所有供試品種中，產(chǎn)量超過(guò)10 000 kg/hm2的有華南205、輻選01、新選048，其中華南205塊根產(chǎn)量最高，約為 13 000 kg/hm2，其他2個(gè)品種分別為12 300、11 700 kg/hm2;產(chǎn)量最低的是桂熱5號(hào)，僅為3 980 kg/hm2。在采摘葉片的情況下，不同木薯品種的產(chǎn)量變化范圍為2 940～8 650 kg/hm2，其中南植199產(chǎn)量最高，約為8 650 kg/hm2，桂熱5號(hào)產(chǎn)量最低，僅為2 950 kg/hm2。

2.2 葉片采摘對(duì)不同木薯品種產(chǎn)量性狀的影響

不同木薯品種在葉片采摘和對(duì)照處理?xiàng)l件下與產(chǎn)量相關(guān)的性狀見表2。在不進(jìn)行葉片采摘的情況下，不同木薯品種之間的塊根長(zhǎng)、塊根直徑、單塊根質(zhì)量、單株塊根數(shù)存在顯著差異。對(duì)塊根長(zhǎng)度，10個(gè)木薯品種的平均長(zhǎng)度在22.3～26.9 cm之間，其中華南205塊根長(zhǎng)度最大，南植199最小;10個(gè)木薯品種的塊根直徑變化范圍在32.2～44.6 mm之間，其中華南205最大，桂熱4號(hào)最小;單個(gè)塊根的質(zhì)量在品種之間的變化更為明顯，單塊根質(zhì)量最大是輻選01，為377 g，最小的是桂熱4號(hào)，僅為186 g;每株木薯可收獲的塊根數(shù)量在5.12～13.60個(gè)之間變動(dòng)，可收獲塊根數(shù)量最多的為桂熱4號(hào)，最少的為桂熱5號(hào)。與對(duì)照處理相比，葉片采摘顯著改變了品種之間各個(gè)產(chǎn)量相關(guān)性狀的差異情況。葉片采摘后，10個(gè)木薯品種的塊根平均長(zhǎng)度在21.2～27.0 cm，與對(duì)照相比，變化范圍相近，但是塊根長(zhǎng)度最大的為桂熱5號(hào)，最小的為桂熱911;塊根直徑變化范圍為31.2～39.3 mm，最長(zhǎng)的為華南205，最短的為桂熱4號(hào);單個(gè)塊根質(zhì)量則在173～327 g之間變化，最大者為南植199，最小的為ZM8316;10個(gè)品種單株木薯塊根數(shù)量變化范圍為5.19～11.50個(gè)，單株塊根數(shù)量最多的是桂熱4號(hào)，最小的是桂熱5號(hào)。

葉片采摘對(duì)木薯產(chǎn)量相關(guān)性狀具有顯著的影響，但是因品種不同而又有較大差異。葉片采摘對(duì)JG1301、輻選01、桂熱5號(hào)、桂熱911、南植199等5個(gè)木薯品種的塊根長(zhǎng)度、直徑、質(zhì)量以及塊根數(shù)量都沒(méi)有明顯影響，但是明顯降低了ZM8229、桂熱4號(hào)的塊根長(zhǎng)度;葉片采摘還明顯降低了ZM8316、華南205的單個(gè)塊根質(zhì)量;此外，葉片采摘還明顯降低了新選048的單株塊根數(shù)量。

2.3 不同木薯品種的薯葉飼用品質(zhì)差異

木薯的葉片可以用作牲畜飼料，但是其飼用品質(zhì)與其粗蛋白、粗纖維等多種物質(zhì)的含量緊密相關(guān)，供試10個(gè)木薯品種的葉片飼用品質(zhì)相關(guān)物質(zhì)含量見表3。不同品種木薯的葉片飼用品質(zhì)之間差異顯著。10個(gè)木薯品種中，粗蛋白含量以桂熱5號(hào)最高，約為353 g/kg，最低的為輻選01，約為266 g/kg;粗纖維含量大致在223～292 g/kg之間變化，最高的為ZM8229，最低的為華南205;葉片氰化物含量變化范圍為39.5～105.0 mg/kg，最高者為華南205，最低的是新選048;灰分含量最高的是輻選01，為80.7 g/kg，最低的是南植199，為58.7 g/kg;葉片重金屬Cd含量最高的是JG1301，為2.29 mg/kg，Cd含量最低的是南植199，為1.52 mg/kg。10個(gè)木薯品種的鮮葉產(chǎn)量之間差異顯著，其中產(chǎn)量最高的是ZM8229，為9.60 t/hm2，最低的為6.86 t/hm2。

3 討論與結(jié)論

3.1 葉片采摘與木薯產(chǎn)量

10個(gè)木薯品種中，在不進(jìn)行采葉處理時(shí)，華南205可以獲得最大的塊根產(chǎn)量，其次是輻選01和新選408，3個(gè)品種在中度Cd污染的農(nóng)田上仍可以獲得10×103 kg/hm2的產(chǎn)量，因此可以優(yōu)先考慮在該污染水平的農(nóng)田上種植。

植物的葉片是進(jìn)行光合作用最主要的場(chǎng)所，因此葉片的長(zhǎng)勢(shì)好壞直接影響植物光合產(chǎn)物的積累和產(chǎn)量的形成[27]。用作飼用的木薯葉片需要在保持綠色的時(shí)候采摘，才能保持葉片的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量，所以對(duì)木薯進(jìn)行葉片采摘必須掌握好時(shí)期，以達(dá)到對(duì)木薯產(chǎn)量影響最小，而葉片質(zhì)量最佳[28]。對(duì)供試的10個(gè)木薯品種，葉片采摘無(wú)一例外地降低了其塊根的產(chǎn)量，說(shuō)明在本研究中距離木薯收獲3個(gè)月的時(shí)段對(duì)木薯植株進(jìn)行全部葉片摘除并不是最合適的。本試驗(yàn)中塊根產(chǎn)量受葉片采摘影響最小的是南植199，主要是由于其生育期較短導(dǎo)致的，可能葉片采摘時(shí)，其干物質(zhì)積累已經(jīng)基本完成。因此，應(yīng)當(dāng)考慮改變采摘時(shí)間（將采摘期延后）和采摘方式（分次部分采摘）。

3.2 葉片飼用品質(zhì)及安全性

與富含淀粉的木薯塊根[7]相比，木薯葉片更富含多種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和生物活性物質(zhì)，是蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)和維生素的良好來(lái)源，因此適當(dāng)處理后可以作為蔬菜食用，也可以作為良好的畜禽飼料[29]。然而木薯葉片通常含有較高的生氰糖苷，在β-葡萄糖苷酶的作用下可以生成劇毒性的氫氰酸，所以薯葉氰化物的含量往往成為影響常規(guī)土地上生長(zhǎng)的木薯葉片的食用或飼用安全性的主要因素[10]。而生長(zhǎng)在Cd污染的土壤上的木薯，則不可避免地會(huì)有Cd積累在葉片[16]，因此Cd含量也一并成為影響薯葉食用或者飼用安全性的必須考慮的因素。

供試10個(gè)木薯品種中，新選408的氰化物含量最低，低于40 mg/kg，經(jīng)過(guò)加工處理后較易將葉片毒性降低，而其粗蛋白、粗纖維和灰分含量處于中等水平，所以從營(yíng)養(yǎng)角度來(lái)看是最適合用于飼用的品種。但是在Cd含量上看，10個(gè)木薯品種中葉片Cd含量最低者也有1.52 mg/kg，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了我國(guó)飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的安全濃度，即1 mg/kg[30]。與本試驗(yàn)中相同的木薯品種在前人報(bào)告[1]中并未出現(xiàn)這么高的Cd含量，主要是因?yàn)楸驹囼?yàn)選用農(nóng)田Cd污染更為嚴(yán)重。因此在所選Cd污染農(nóng)田上生長(zhǎng)的木薯的葉片不可以作為飼料使用。

通過(guò)本試驗(yàn)可以得出以下結(jié)論：（1）葉片采摘會(huì)對(duì)木薯塊根產(chǎn)量產(chǎn)生顯著影響，最佳的葉片采摘時(shí)間和方式應(yīng)既保證產(chǎn)量，又保證葉片飼用品質(zhì)。（2）在中度Cd污染農(nóng)田上栽培的木薯的葉片很可能由于Cd含量超標(biāo)無(wú)法用于飼用。（3）在與本試驗(yàn)類似的農(nóng)田上生產(chǎn)的木薯更適合用作工業(yè)原料，用以生產(chǎn)生物乙醇、生物燃?xì)獾取?/p>

參考文獻(xiàn)：

[1]吳 勇，張 瑋，易 拓，等. 35份木薯種質(zhì)資源鎘積累差異評(píng)價(jià)[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2019，47（10）：95-102.

[2]Zhuang P，Yang Q W，Wang H B，et al. Phytoextraction of heavy metals by eight plant species in the field[J]. Water，Air，and Soil Pollution，2007，184（1/2/3/4）：235-242.

[3]Cherian S，Oliveira M M. Transgenic plants in phytoremediation：recent advances and new possibilities[J]. Environmental Science & Technology，2005，39（24）：9377-9390.

[4]鄢幫有，張時(shí)煌，吳美華，等. 我國(guó)能源植物利用現(xiàn)狀與深化研發(fā)芻議[J]. 江西農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2013，25（12）：111-115.

[5]謝光輝. 能源植物分類及其轉(zhuǎn)化利用[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，16（2）：1-7.

[6]Lemus R，Lal R. Bioenergy crops and carbon sequestration[J]. Critical Reviews in Plant Sciences，2005，24（1）：1-21.

[7]Liu R，Sun W D，Zhang Y J，et al. Development of a novel model dough based on mechanically activated cassava starch and gluten protein：application in bread[J]. Food chemistry，2019，300：125196.

[8]Night G，Asiimwe P，Gashaka G，et al. Occurrence and distribution of cassava pests and diseases in Rwanda[J]. Agriculture Ecosystems & Environment，2011，140（3/4）：492-497.

[9]Ravindran V. Cassava leaves as animal feed-potential and limitations[J]. Journal of the Science of Food and Agriculture，1993，61（2）：141-150.

[10]Ceballos H，Iglesias C A，Pérez J C，et al. Cassava breeding：opportunities and challenges[J]. Plant Molecular Biology，2004，56（4）：503-516.

[11]Cock J. Cassava：new potential for a neglected crop[M]. London：Westview Press，1985.

[12]Yin Y，Ma Z，Nong G，et al. Strategies of energy management in a cassava starch plant for increasing energy and economic efficiency[J]. Journal of Cleaner Production，2019，234：1296-1305.

[13]Pandey A，Soccol C R，Nigam P，et al. Biotechnological potential of agro-industrial residues. Ⅱ：cassava bagasse[J]. Bioresource Technology，2000，74（1）：81-87.