不同土壤類型馬鈴薯對(duì)鎘的富集轉(zhuǎn)運(yùn)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(xué)農(nóng)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；2.貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025）

鎘（Cadmium，Cd）是自然環(huán)境中普遍存在且毒性極強(qiáng)的重金屬元素，但幾乎所有的土壤、地表水和植物體內(nèi)均含有鎘。攝入微量的鎘不僅威脅生物個(gè)體的生理和健康，而且還對(duì)生物種群數(shù)量和物種分布產(chǎn)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(huán)境有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)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(xiàn)出黃壤＞紫色土＞沖積土趨勢(shì)[3]，可見土壤類型不同，作物中Cd富集轉(zhuǎn)運(yùn)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(dá)7.04×105hm2，是種植面積最大的農(nóng)作物[4]。中國(guó)耕地土壤鎘背景值平均值為0.27mg/kg，西南喀斯特地區(qū)面積約1.50×107hm2，土壤鎘背景值遠(yuǎn)高于全國(guó)平均值，是典型的鎘地球化學(xué)異常區(qū)。貴州省土壤鎘的背景值在0.015～2.977mg/kg，石灰性土背景值達(dá)1.115 mg/kg，地質(zhì)高背景與歷史土法煉鋅的污染疊加，導(dǎo)致黔西北耕地土壤Pb，Zn，Cd等重金屬污染嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，該地區(qū)Cd超農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)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(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)[5-8]。因此，受污染耕地的安全利用是值得深入研究的環(huán)境問(wèn)題和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)問(wèn)題。

發(fā)育于第四紀(jì)紅色粘土上的地帶性土壤—黃壤和發(fā)育于石灰?guī)r的巖性土—石灰土在貴州喀斯特地區(qū)分布最為廣泛。本研究通過(guò)黃壤和石灰土的盆栽試驗(yàn)，參照農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（GB15618—2018）設(shè)置5個(gè)Cd濃度梯度，探索馬鈴薯Cd的濃度分布，以及富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的變化，為Cd污染土壤馬鈴薯安全生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

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(huì)-2號(hào)’，種薯由貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)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(nèi)風(fēng)干、磨細(xì)過(guò)2 mm尼龍篩，供盆栽試驗(yàn)用，土壤基本理化性質(zhì)見表1。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在貴州大學(xué)盆栽場(chǎng)進(jìn)行，參照農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（GB15618—2018）（表2），分別于2種類型土壤上按土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值設(shè)置5個(gè)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(gè)取樣時(shí)期（苗期，花期，塊莖膨大期，淀粉積累期，成熟期），每個(gè)取樣時(shí)期3組重復(fù)試驗(yàn)。馬鈴薯播種時(shí)間為2018年3月7日，塊莖收獲時(shí)間為8月23日，每盆種1棵，共進(jìn)行150個(gè)試驗(yàn)盆栽。

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

將過(guò)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(jì)算），種植前施用硫酸鉀型三元復(fù)合肥（N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15）作為基肥，盆缽內(nèi)底部放置濾水網(wǎng)防止?jié)菜畷r(shí)土壤損失，整個(gè)生育期內(nèi)除草，培養(yǎng)期間定時(shí)定量澆水。待馬鈴薯出苗產(chǎn)生匍匐莖開始取樣，共取5次樣，經(jīng)完整生理周期后收獲馬鈴薯。

1.3 樣品測(cè)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(lái)水沖洗表面泥土，去離子水將馬鈴薯植株反復(fù)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(xì)備用。

表2 農(nóng)田土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（GB15618—2018）Table 2 Farmland soil pollution risk management and control standards(GB15618—2018)

1.3.2 測(cè)定方法

土壤pH值、有機(jī)質(zhì)參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)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(cè)液統(tǒng)一用ICP-MS（Thermo Fisher Scientific X2）測(cè)定，所用試劑均為優(yōu)級(jí)純，每批樣品分析質(zhì)量控制措施采取空白樣、平行樣和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)控制法，標(biāo)準(zhǔn)樣品測(cè)定結(jié)果在誤差允許范圍內(nèi)。

1.3.3 計(jì)算方法

Cd富集系數(shù)（BCF）=植物某一部位Cd含量/土壤Cd含量

Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（TF）=植物地上部Cd濃度/植物根系Cd濃度

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)通過(guò)Excel 2010統(tǒng)計(jì)，SPSS26.0單因素方差分析進(jìn)行差異性檢驗(yàn)（One-way ANOVA），Origin2018進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生長(zhǎng)時(shí)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(shì)，黃壤最高達(dá)到40.98 mg/kg，石灰性土達(dá)18.52 mg/kg。根部Cd含量隨著生長(zhǎng)時(shí)期逐漸增大，并在成熟期達(dá)到頂峰（圖1）。外加鎘處理提高了馬鈴薯植株對(duì)鎘的吸收，鎘進(jìn)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(shì)，前兩個(gè)取樣時(shí)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(dá)7.06 mg/kg，石灰性土上達(dá)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(shí)期差異達(dá)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(gè)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(dá)到110.60%；石灰性土上由4.21 mg/kg降低到2.65 mg/kg，降幅達(dá)到37.05%。T5處理下淀粉積累期時(shí)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(zhǎng)時(shí)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(zhǎng)時(shí)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(shì)。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(gè)生育時(shí)期，T1和T2處理?xiàng)l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(duì)鎘的富集轉(zhuǎn)運(yùn)特征

2.2.1 馬鈴薯不同生長(zhǎng)時(shí)期Cd富集系數(shù)變化

圖3 黃壤和石灰性土馬鈴薯不同生長(zhǎng)時(shí)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(zhǎng)時(shí)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(shù)表現(xiàn)出：成熟期＞淀粉積累期＞塊莖膨大期＞苗期＞花期的總體趨勢(shì)。黃壤上Cd富集系數(shù)較石灰性土平均高出89.69%；黃壤上成熟期Cd富集系數(shù)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(shù)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(shù)平均為6.90，石灰性土平均為3.66；Cd進(jìn)入馬鈴薯植株后開始逐漸累積，黃壤上根部富集系數(shù)平均達(dá)8.22，石灰性土平均達(dá)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(shù)低于黃壤且均小于1（表3）。

2.2.2 馬鈴薯不同生長(zhǎng)時(shí)期Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)變化

各生長(zhǎng)時(shí)期轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)表現(xiàn)出：根-莖段＞根-葉片＞根-塊莖的總體趨勢(shì)。黃壤上植株轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均值為0.89，塊莖均值為0.11；石灰性土上植株轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均值為0.66，塊莖均值為0.17；黃壤上馬鈴薯植株轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)大于石灰性土。馬鈴薯根-莖段在淀粉積累期轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)與其他時(shí)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(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均大于1，塊莖Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均小于1（表4）。

表3 馬鈴薯不同生長(zhǎng)時(shí)期鎘富集系數(shù)Table 3 Cadmium enrichment coefficient at different growth stagesof potato

表4 馬鈴薯不同生長(zhǎng)時(shí)期鎘轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)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(jī)質(zhì)的影響較大[10]，土壤pH值與馬鈴薯根、莖中Cd含量呈負(fù)相關(guān)，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(huì)增加，導(dǎo)致土壤有效態(tài)Cd2+的濃度增加，從而促進(jìn)重金屬向植物體內(nèi)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(xiàn)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(tài)Cd，從而降低植株對(duì)Cd的吸收。因此在Cd污染土壤上可適當(dāng)增加土壤pH值，降低土壤中Cd向植物遷移的能力和農(nóng)作物中的Cd含量，保障當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物食品質(zhì)量安全[13]。石灰性土中Ca、Mg離子對(duì)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(duì)Cd的吸收[14]。影響重金屬生物有效性有很多原因，土壤有機(jī)質(zhì)含量也是重要因素之一[15,16]。有機(jī)質(zhì)可通過(guò)氨基、羧基和羥基與Cd螯合配位結(jié)合，從而降低Cd生物有效性[17-19]。本研究中石灰性土有機(jī)質(zhì)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(tǒng)中的遷移與分配是多重因素共同決定的，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)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?gòu)母捣峙涞狡渌鞴俚哪芰托剩患禂?shù)可反映植物對(duì)重金屬富集程度的高低或富集能力的強(qiáng)弱[20-23]。莖葉中Cd的累積主要來(lái)源于根系對(duì)土壤中Cd的吸收遷移[14,15,24]，此外根部木質(zhì)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(huì)向地上部進(jìn)行運(yùn)輸；地上部分的Cd在實(shí)現(xiàn)了木質(zhì)部到韌皮部的轉(zhuǎn)運(yùn)以后，也會(huì)隨著植物生長(zhǎng)發(fā)育在莖葉等器官之間通過(guò)韌皮部進(jìn)行再分配[25]。通過(guò)比較馬鈴薯不同部位的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)可知，兩種土壤上馬鈴薯根-莖段轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)較大；這是由于作物根細(xì)胞壁通過(guò)選擇性吸收，吸附和固定土壤中的Cd，大部分Cd被截留在細(xì)胞壁中；根系吸收的Cd先通過(guò)根與葉相連的木質(zhì)部運(yùn)輸?shù)降厣锨o葉部分，然后再通過(guò)葉與塊莖相連的韌皮部從莖葉轉(zhuǎn)運(yùn)至塊莖。蒸騰作用對(duì)葉片中重金屬的吸收也起重要作用，Cd在植物體內(nèi)長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)乃俾始s為0.35～0.60 m/h，蒸騰越強(qiáng)，向莖葉中的運(yùn)輸也就越快越多[12,24-27]；馬鈴薯根-塊莖轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)較小，一方面是由于Cd與根系分泌物有機(jī)酸等通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合后滯留在根表面，通過(guò)主動(dòng)運(yùn)輸轉(zhuǎn)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(yíng)養(yǎng)時(shí)，各個(gè)器官都會(huì)對(duì)Cd2+產(chǎn)生截留作用，大部分Cd2+被截留在根、莖、葉中，只有少量的Cd2+轉(zhuǎn)運(yùn)到塊莖[15,28-30]。

綜上所述，隨著Cd脅迫的增強(qiáng)，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(shù)較高，均值可達(dá)6.90，石灰性土的富集系數(shù)均值可達(dá)3.66；馬鈴薯可食部分塊莖Cd的富集系數(shù)相對(duì)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(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)在0.09～0.21，T1和T2處理馬鈴薯塊莖Cd小于食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（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(xiàn)為高富集、低轉(zhuǎn)運(yùn)的特點(diǎn)。