鎘脅迫對甜菜塊根營養(yǎng)品質(zhì)的影響

張福順,林柏森

(1.黑龍江大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150080；2.赤峰綠璐種業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 赤峰 024005；3.農(nóng)業(yè)部甜菜品質(zhì)監(jiān)督檢驗(yàn)測試中心，哈爾濱 150080)

0 前言

重金屬污染由鎘(Cd)、金(Au)、鉛(Pb)等比重大于5的金屬或其化合物構(gòu)成。20世紀(jì)以來，隨著國家對重金屬利用的重視，鎘以可再充電鎳鎘電池等形式[1]暴露于自然環(huán)境，致使生物圈逐漸遭受破壞。鎘是目前已發(fā)現(xiàn)人類致癌物[2]，常潛伏于環(huán)境并通過營養(yǎng)鏈伺機(jī)進(jìn)入人體，損傷人體健康。土壤是最大的生物資源庫[3]，孕育了眾多糧食作物，為農(nóng)作物生長提供生存保障[4]。近年來，重金屬污染問題層出不窮、比比皆是，重金屬超標(biāo)已成為影響土壤健康、造成土壤功能和結(jié)構(gòu)損傷、降低植物攝取礦質(zhì)營養(yǎng)能力的重要威脅[5]。

甜菜是重要的糖料作物之一，近年來隨著農(nóng)藥、化肥的大量使用，重金屬污染有增加趨勢，有關(guān)重金屬對甜菜影響研究也越來越多。Sagardoy等[6]通過在營養(yǎng)液中加入過量的鋅，研究了鋅對甜菜的毒性，以及其他營養(yǎng)元素的吸收變化等。張福順等[7]在營養(yǎng)液中加入過量的鋅，研究了其他微量元素的吸收和積累情況。王宇[8]研究銅脅迫對甜菜幼苗生長的影響。楊麗麗[9]通過在砂培甜菜中加入過量的銅，研究了甜菜光合吸收特性為明確甜菜在重金屬鎘污染的可能情況下品質(zhì)及營養(yǎng)吸收的變化，特進(jìn)行本研究。以甜菜為試材，通過在盆栽甜菜中添加不同濃度的鎘進(jìn)行脅迫培養(yǎng)，測定甜菜根中幾種營養(yǎng)元素的含量及塊根中的含糖率和K、Na、α-N，以評價(jià)鎘對甜菜的影響，為甜菜安全生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)，為生產(chǎn)食用安全的甜菜提供保障，也為學(xué)術(shù)界鎘污染植物研究提供參考和數(shù)據(jù)資料。

1 材料與方法

盆栽試驗(yàn)鎘脅迫處理：0、100、200、500 mg·kg-1，裝入塑料花盆，3次重復(fù)。選取品質(zhì)優(yōu)良大小相同的種子均勻播種，長至三對真葉后定植(每盆定植一株)。

甜菜塊根中營養(yǎng)元素含量測定方法：依據(jù)GB/T 35871-2018標(biāo)準(zhǔn)測定，樣液導(dǎo)入調(diào)整好的ICP-MS進(jìn)行測定。

品質(zhì)指標(biāo)測定方法：將收取的甜菜塊根鮮樣鋸糊浸提，浸提液導(dǎo)入自動檢糖儀測定，3次重復(fù)。

數(shù)據(jù)分析：采用Microsoft Office Excel 2020進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、計(jì)算并繪制圖表，Origin繪制相關(guān)性分析圖，SPSS 26.0進(jìn)行單因素方差及相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 塊根中量和微量元素的變化

圖1表明，鎘脅迫降低了塊根中量元素Mg和Ca的含量，Mg隨著處理濃度的增加呈下降趨勢，Ca則是呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，對照Ca、Mg含量最高，且與處理間均達(dá)到了顯著差異(P<0.05)。

圖1 鎘脅迫對甜菜塊根吸收中量元素的影響

圖2表明，幾種微量元素經(jīng)鎘脅迫后，含量發(fā)生了一定變化，且規(guī)律不明確。Mo含量先下降后上升再下降、Zn含量先上升后下降再上升，Mn、B、Cu、Fe含量先下降后上升。隨著鎘脅迫濃度的增加，甜菜塊根中Zn含量在500 mg·kg-1最大。塊根中Cu、Fe含量隨著處理濃度增加，呈現(xiàn)減少趨勢，Mo、Mn含量先下降后上升，B元素則并無顯著變化(P<0.05)。

圖2 鎘脅迫對甜菜塊根吸收微量元素的影響

2.2 塊根及土壤中Cd含量

圖3表明，甜菜塊根體內(nèi)Cd的含量與土壤中Cd的含量變化趨于一致，隨著處理濃度的增加而增加，且變化顯著(P<0.05)。對照甜菜塊根和土壤中Cd的含量最低，分別為4.17、2.4 mg·kg-1，處理濃度為500 mg·kg-1時(shí)塊根及土壤中測得Cd的含量最高，分別為10.4 mg·kg-1和191.7 mg·kg-1。

圖3 糖用甜菜塊根及土壤中鎘的含量

2.3 塊根中各元素相關(guān)性分析

圖4表明，甜菜塊根中Cd與Mg、Ca、Fe、Cu呈負(fù)相關(guān)，與B、Mn、Zn、Mo呈正相關(guān)。其中Cd與Mg呈極顯著的負(fù)相關(guān)(|r|≥0.9)，r=0.97，與Cu呈顯著負(fù)相關(guān)(0.7≤|r|≤0.9)，r=0.80，與Zn呈顯著正相關(guān)(0.7≤|r|≤0.9)，r=0.82。

圖4 甜菜塊根中營養(yǎng)元素相關(guān)性分析圖注：*表示顯著相關(guān)(P<0.05)，圓形大小表示顯著性強(qiáng)弱，形狀越大顯著性越強(qiáng)

2.4 塊根品質(zhì)指標(biāo)的影響

圖5表明，隨著鎘處理濃度的增加，甜菜塊根中K、Na、α-N含量呈下降趨勢，與鎘處理濃度呈反比。鎘處理為500 mg·kg-1時(shí)，Na和α-N的含量最低，與對照比，下降率分別為88.8%、78.9%。處理濃度200 mg·kg-1時(shí)K的含量最低，較對照減少了63.9%。

圖5 鎘脅迫對糖用甜菜塊根K、Na、α-N含量的影響

圖6表明，鎘脅迫對塊根含糖率影響表現(xiàn)為先上升后下降的趨勢，且變化顯著(P<0.05)。處理濃度為100 mg·kg-1時(shí)含糖率與對照比有所增加，且含糖率最高，為13.4%，處理濃度為200 mg·kg-1時(shí)塊根中的含糖率低于100 mg·kg-1處理組，總體高于對照，處理濃度為500 mg·kg-1時(shí)，含糖率持續(xù)下降，且含糖率最低，為9.1%。

圖6 鎘脅迫對糖用甜菜塊根含糖率的影響

3 討論

Cd是植物體非必需元素，可占用Fe、Ca、Zn等金屬元素的離子通道到達(dá)植物體，提高生病率[10]。研究表明Cd 可促進(jìn)馬鈴薯塊莖對Mg的積累，抑制Ca、Cu的積累[11]，抑制水稻根系對Zn、Cu、Fe、Mn、Mg的積累[12]。花生籽粒Fe、Zn、Ca、Mg隨CdCl2溶液濃度的遞增先上升后下降，P含量則持續(xù)降低[13]。本研究采用盆栽培養(yǎng)模擬土壤鎘脅迫，結(jié)果發(fā)現(xiàn)塊根中Cd與Mg、Ca、Cu、Fe呈負(fù)相關(guān)，處理濃度為100 mg·kg-1時(shí)Fe含量最低，200 mg·kg-1時(shí)，Ca、Cu含量最低，500 mg·kg-1時(shí)，Mg含量最低。Cd與Zn、B呈正相關(guān)，對照的Zn、B含量最少，鎘處理為500 mg·kg-1時(shí)Zn、B含量最多。宋正國研究表明，Cd與陽離子具有拮抗作用，若植物體內(nèi)陽離子鎘處理濃度的增加而增加，可能是由于鎘發(fā)生交換作用將陽離子從土壤中解吸出來，導(dǎo)致大量吸收位點(diǎn)與陽離子結(jié)合，增加植物體內(nèi)陽離子的濃度[14]。張振明研究表明，土壤鎘含量較高時(shí)，Cd與Mo呈正相關(guān)，含量較低時(shí)呈負(fù)相關(guān)[15]。本試驗(yàn)證明Cd與Mo、Mn呈正相關(guān)，鎘處理為100 mg·kg-1時(shí)Mo含量最低，為200 mg·kg-1時(shí)Mo含量最高，200 mg·kg-1時(shí)Mn含量最少，500 mg·kg-1時(shí)最多。

甜菜含糖率的高低是決定作物產(chǎn)糖量多少的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)之一[16]，由于鎘對土壤環(huán)境的破壞，間接引起鎘對甜菜塊根含糖率的影響。本研究表明，鎘處理濃度為100 mg·kg-1時(shí)對甜菜塊根含糖率提升具有一定的作用，隨著處理濃度的增加，含糖率則呈現(xiàn)了下降趨勢。而其它三個(gè)影響甜菜糖分提取的灰分指標(biāo)K、Na、α-N含量則隨著鎘處理濃度的增加而降低，說明鎘破壞了一些營養(yǎng)元素的吸收，打破原有的營養(yǎng)平衡，導(dǎo)致了甜菜生長受阻。當(dāng)鎘處理濃度大于100 mg·kg-1時(shí)K、Na、α-N含量明顯降低。含糖率下降可能與其它營養(yǎng)元素如Fe、Zn含量上升及Cu含量下降有關(guān)。鎘污染的發(fā)生將會導(dǎo)致甜菜營養(yǎng)平衡失調(diào)，究竟怎么產(chǎn)生有待于進(jìn)一步研究。