栽培模式对马铃薯植株镉积累和产量及品质的影响

陈哲明，罗　宇，刘明月，曹　樑，熊兴耀，2*，胡新喜*

（1.湖南农业大学南方粮油作物协同创新中心/湖南省马铃薯工程技术研究中心，湖南 长沙 410128；2.中国农业科学院蔬菜花卉研究所，北京 100081）



栽培模式对马铃薯植株镉积累和产量及品质的影响

陈哲明1，罗宇1，刘明月1，曹樑1，熊兴耀1，2*，胡新喜1*

（1.湖南农业大学南方粮油作物协同创新中心/湖南省马铃薯工程技术研究中心，湖南 长沙 410128；2.中国农业科学院蔬菜花卉研究所，北京 100081）

摘 要：以马铃薯费乌瑞它为材料，设水稻−马铃薯轮作氮零栽培模式（RP–N0）、水稻−马铃薯轮作传统栽培模式（RP–T）、水稻−马铃薯轮作高产栽培模式（RP–H）、水稻–马铃薯轮作超高产栽培模式（RP–SH）、玉米–马铃薯轮作高产栽培模式（MP–H） 5个处理，研究了不同栽培模式对马铃薯植株镉积累和产量以及品质的影响。结果表明，同一处理不同时期马铃薯植株叶片的镉含量4.23～5.52 mg/kg，茎的镉含量4.85～5.02 mg/kg，显著高于块茎的镉含量（0.34～0.39 mg/kg）；马铃薯茎叶的镉生物富集系数为10.15～13.25，显著高于块茎生物富集系数的（0.82～0.92）；不同栽培模式的马铃薯产量和商品薯率以RP–N0处理的最低，为11.12 t/hm2和71％，显著低于其他4个处理的产量及商品薯率，以MP–H处理的产量最高，达42.07 t/hm2，淀粉含量以RP–N0最高（11.55 g/（100 g））；马铃薯块茎的镉含量与土壤pH呈负相关（r= –0.65），块茎的镉生物富集指数与土壤pH呈显著负相关（r= –0.81）。

关 键 词：马铃薯；栽培模式；镉；积累；产量；品质

投稿网址：http://xb.ijournal.cn

镉污染被列为五大有毒重金属污染之首［1］。植物对镉的吸收受到多种因素的影响，这些因素可影响镉的可溶性以及植物对镉的吸收和在器官中的分配。镉污染不仅会阻碍农作物生长，而且会导致农产品重金属含量超标，品质降低，影响到消费者的健康以及农产品的生产销售［2–4］。

马铃薯是世界第4大粮食作物。中国是马铃薯第1生产大国，播种面积和产量均居世界首位［5］。马铃薯有望逐渐成为水稻、小麦、玉米之后的中国第4大主粮作物。在不与作物争地的前提下，南方冬闲田将是中国马铃薯主粮化战略发展的主战场。

目前，有关镉对水稻生长及品质影响的报道较多，但镉污染稻田冬作马铃薯植株镉积累的研究鲜见报道。本试验以马铃薯费品种乌瑞它为试材，研究不同栽培模式下南方稻田冬作马铃薯植株和块茎的镉积累，为冬闲稻田马铃薯的安全生产提供参考依据。

1 试验地概况

试验地在湖南省醴陵市白兔潭镇氽溪村（N27°48′0.71″，E113°40′6.60″），试验田为水稻田，污染土壤中Cd 含量为0.48 mg/kg，超出了农田土壤中重金属Cd含量的国家二级标准［6］（0.3 mg/kg，pH值＜7.5）。2013年，试验前耕层土壤基础养分性状为：有机质含量36.9 g/kg，全氮含量1.89 g/kg，全磷含量1.03 g/kg，全钾含量16.6 g/kg，碱解氮含量131 mg/kg，有效磷含量32.8 mg/kg，速效钾含量138 mg/kg，pH为5.4。

2 材料与方法

2.1 材料

供试马铃薯品种为费乌瑞它。

2.2 试验方法

试验于2013—2014年进行。设5个处理：水稻–马铃薯轮作传统栽培模式（RP–N0）、水稻–马铃薯轮作传统栽培模式（RP–T）、水稻–马铃薯轮作高产栽培模式（RP–H）、水稻–马铃薯轮作超高产栽培模式（RP–SH）、玉米–马铃薯轮作高产栽培模式（MP–H）。每个处理重复3次。采用完全随机区组排列，小区面积100 m2。采用单垄双行种植，宽窄行距分别为80 cm、40 cm，株距为18 cm或20 cm。各处理的株距、密度以及肥料用量见表1。PR轮作于2013年6月15日移栽水稻，10月15日收获，PM轮作于2013年7月5日播种玉米，11月15收获，2013年12月26日播种马铃薯。各处理的肥料作基肥一次性施入。复合肥为养分含量为45％的硫酸钾型复合肥。播种后覆盖地膜，种薯出苗后，人工破膜让幼苗长出地面，栽培管理措施按文献［7］的方法进行。

表1　试验设计表Table 1 The experimental design

2.3 测定指标与方法

1） 植株镉含量及镉积累量的测定。在马铃薯块茎形成期、块茎膨大期和收获期，随机抽取各处理小区10株马铃薯，分茎、叶、块茎3部分，杀青，65 ℃烘干至恒重，备用。参照黄冬芬等方法［7］测定各器官中的Cd含量（mg/kg）。各器官镉积累量=器官镉含量与相应器官干质量的乘积。镉积累量为各个器官镉积累量之和再换算成单位面积土壤镉积累量（mg/m2）。

2） 土壤pH和镉含量（mg/kg）测定。于马铃薯收获后，采用5点取样法，取0～20 cm田间根际土壤，自然阴干，磨碎，过孔径为0.15 mm的筛，装袋，备用。样品送往湖南省农业科学院测定。

3）产量的测定。每小区取2垄收获测产，折合成每hm2产量。

4）品质的测定。商品薯率为商品薯占产量的比率（单个质量＜50 g的为非商品薯，单个质量≥50 g的为商品薯）。淀粉含量（g/（100 g））为100 g马铃薯中淀粉的含量。由湖南省农业科学院测定。

镉生物富集系数为植株镉含量与土壤镉含量的比值［8］。

2.4 数据分析

数据采用Excel 2003 进行整理；运用SPSS统计软件进行方差分析。

3 结果与分析

3.1 镉在植株各器官的分配

由表2可知，不同时期和不同器官镉含量差异显著。块茎形成期马铃薯茎和叶片的镉含量分别为5.06、4.23 mg/kg；块茎膨大期叶片的镉含量增加，为 5.52 mg/kg，茎的镉含量则小幅下降，为 4.85 mg/kg，块茎的镉含量仅为0.34 mg/kg，显著低于茎和叶的镉含量；成熟期块茎中镉的含量为 0.39 mg/kg，比膨大期小幅增加。不同时期和不同器官的镉生物富集系数（BCF）与镉含量呈相同的趋势，叶片和茎的BCF 10.15～13.25，膨大期叶片的BCF最大，为13.25，其次为形成期的。膨大期和成熟期块茎的BCF分别为0.82和0.92，显著低于叶片和茎的 BCF。各器官的镉积累量随生育期进程呈上升趋势，膨大期各器官的积累量显著高于形成期，收获期块茎的镉积累量显著高于膨大期的镉积累量。

表2　不同时期马铃薯植株器官的镉含量和镉生物富集指数及单位面积土壤镉积累量Table 2 The cadmium concentrations and bioconcentration factors（BCF） and cadmium accumulation per unit areaof potato plants in different growth periods

3.2 不同栽培模式对马铃薯产量和品质的影响

从表3中可以看出，RP–N0处理的产量最低，为11.12 t/hm2，同为水稻–马铃薯轮作（RP），RP–SH产量最高，为44.04 t/hm2，其次为RP–H，各处理间差异显著，且产量随种植密度增加呈上升趋势；同为高产栽培模式，MP–H的产量为42.07 t/hm2，比RP–H增产18.56％；除RP–N0外，各处理的商品薯率在90.85％～91.57％，显著高于RP–N0处理。淀粉含量最高是RP–N0处理，为12.55％，最低为RP–H处理，为11.20％。

表3　不同栽培模式下马铃薯的产量和品质Table 3 The total tuber yields and quality of different cultivation patterns

3.3 不同栽培模式对马铃薯块茎镉积累的影响

从表4中可以看出，各处理根际土壤镉浓度在0.397～0.52 mg/kg，均超过了镉污染国家二级标准，pH值在4.27～5.7，同为RP轮作，pH随各处理的施氮水平提高而降低，增施厩肥（RP–SH）并没有提高土壤的pH；玉米马铃薯轮作的MP–H土壤pH高于RP–H，可能是前作玉米提高了土壤pH；各处理块茎镉的含量为0.239～0.386 mg/kg，但是块茎镉含量与土壤镉的含量并不成正比，MP–H土壤镉含量最高为0.52 mg/kg，而其块茎中的镉含量最低，为0.239 mg/kg，低于水稻–马铃薯轮作的各处理；块茎镉含量与土壤pH呈负相关（r=–0.65），块茎镉生物富集系数与土壤pH呈显著负相关（r=–0.81*）。各处理块茎镉积累量在0.057～0.213 mg/m2，块茎的镉积累量与产量呈极显著正相关（r=0.88**），RP–SH积累量最高，RP–N0积累量最低，MP–H产量高于RP–H，但由于 MP–H块茎镉含量较低，其镉积累量稍低于RP–H。

表4　不同栽培模式下土壤及马铃薯块茎的镉含量Table 4 Cadmium accumulation in soil and tubers of different cultivation patterns

4 结论与讨论

Chen等［9］采用盆栽试验的研究结果表明，马铃薯叶片、茎、根的镉含量，以叶片最高，其次为茎和根，块茎中的Cd含量最低，这是由于Cd随着植株的蒸腾作用被动向上运输并贮藏在植株地上部。本研究结果表明，叶片的镉含量为4.23～5.52 mg/kg，茎的镉含量为4.85～5.02 mg/kg，显著高于块茎的镉含量（0.34～0.39 mg/kg），叶片与茎的镉生物富集系数为10.05～13.12，而块茎的生物富集系数为0.81～0.92，这与Chen等［9］、Dunbar等［10］和 Reid等［11］的研究结果一致。成熟期块茎的镉含量与土壤中镉的含量有一定的关系，但并不成正比，与土壤pH呈负相关，块茎镉生物富集系数与土壤pH值呈显著负相关（r= –0.81*），MP–H土壤镉含量最高，但块茎镉含量最低，可能是由于其前作为玉米，土壤pH值较高和土壤水分含量较低所导致。由于施肥降低了土壤pH，镉在酸性条件下更容易被植株吸收，因此施氮一定程度上促进了镉的积累。此外，马铃薯块茎镉含量之所以较低，是因为在植株生长近一个月时块茎才开始形成，其生长时间较短。Dunbar［10］等研究表明，不同品种块茎的镉含量不一样，本研究采用的品种为早熟品种费乌瑞它，生育期短，镉积累的时间短。不同品种马铃薯间由于生育期时间长短不同，对镉的吸收和积累也不同。此外，适量的添加土壤修复剂也能在一定程度上降低植株对土壤中镉的吸收，因此，筛选镉低积累的马铃薯品种及降低农田中镉含量措施是下一步的研究方向。

参考文献：

［1］ 李忠武，王振中，张友梅，等．Cd对土壤动物群落结构的影响［J］．应用生态学报，2000，11（6）：31–34．

［2］ Xiao M X，Liang Y Y，Liang K J．Advance in research on pollution of heavy metals in rice and its control technology［J］．Subtropical Agriculture Research，2005，1（3）：40–43．

［3］ Cheng S H，Hu P S．Development strategy of rice science and technology in China［J］．Chinese Journal of Rice Science，2008，22（3）：20–24．

［4］ 唐贞，杨仁斌，雷鸣，等．湘潭某工业园周边稻田土壤及稻米镉污染的风险评价［J］．湖南农业大学学报（自然科学版），2012，38（1）：92–95．

［5］ 谢从华．马铃薯产业的现状与发展［J］．华中农业大学学报（自然科学版），2012，2（1）：1–4．

［6］ 黄冬芬，王志琴，刘立军，等．镉对水稻产量和品质的影响［J］．热带作物学报，2010，31（1）：19–24．

［7］ 刘凤枝．农业环境监测实用手册［M］．中国标准出版社，2001．

［8］ 刘明月，秦玉芝，何长征，等．南方冬闲田马铃薯播种技术［J］．湖南农业大学学报（自然科学版），2011，37（2）：156–160．

［9］ Chen Z ，Zhao Y ，Gu L．Accumulation and localization of cadmium in potato （Solanum tuberosum） under different soil Cd levels［J］．Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology，2014，92（6）：745–751．

［10］ Dunbar K R，McLaughlin M J，Reid RJ. The uptake and partitioning of cadmium in two cultivars of potato （Solanum tuberosum L.） ［J］．J Exp Bot， 2003，54：349–354．

［11］ Reid R J，Dunbar K R，McLaughlin M J. Cadmium loading into potato tubers：the roles of the periderm，xylem and phloem［J］．Plant Cell Environ， 2003， 26：201–206．

责任编辑：尹小红

英文编辑：梁 和

Effects of different cultivation patterns on cadmium accumulation in plants and tuber yield and quality

Chen Zheming1，Luo Yu1，Liu Mingyue1，Cao Liang1，Xiong Xingyao1，2*，Hu Xinxi1*
（1.Southern Regional Collaborative Innovation Center for Grain and Oil Crops in China / Hunan Provincial Engineering Research Center for Potatoes， Hunan Agricultural University， Changsha 410128， China； 2.The Institute of Vegetables and Flowers， Chinese Academy of Agricultural Sciences， Beijing 100081， China）

Abstract：Effects of different cultivation patterns on cadmium accumulation in plant， tuber yield and quality were studied in this paper. Potato cultivar ‘Favorita’ was planted in five cultivation patterns including none Nitrogen pattenm. traditional pattern， high yield pattern and super high yield pattern in potato-rice rotation systems and high yield pattern in potato-maize rotation systems. The cadmium concentrations of leaves and stems were between 4.23 to 5.52 and 4.85–5.02 mg/kg respectively， exhibiting significantly higher than those of tubers （0.34–0.39 mg/kg）. Bioconcentration factors（BCF） of Cd in stems and leaves were between 10.15 to 13.25， exhibiting significantly higher than those of tubers （0.82–0.92）. The total yield and marketable tuber rate of RP–N0 pattern showed the lowest values， with 11.12 ton per hectare and 71 percent respectively， exhibiting significantly lower than those of other patterns. The total yield of MP–H pattern was the highest， with 42.07 ton per hectare. The dry matter and starch content of RP–N0 pattern showed the highest values， with 19.02 and 11.55 percent respectively. The total tuber yields and pH of cultivated soils differed in different cultivation patterns. The cadmium concentrations of tubers of different cultivation patterns showed a negative correlation with pH of the cultivated soils （r= –0.65）. BCF of Cd in tuber exhibited significant positive correlations with pH of the cultivated soils（r= –0.88）.

Keywords:potato； cultivation patterns； cadmium； accumulation； yield； quality

中图分类号：S532.01

文献标志码：A

文章编号：1007−1032（2016）03−0238−06

收稿日期：2015–12–02 修回日期：2016–04–11

基金项目：国家公益性行业科研专项经费项目（201203096）；国家马铃薯产业技术体系（CARS–10–P19）；湖南省镉低积累农作物品种筛选与选育项目

作者简介：陈哲明（1990—），男，湖南宁乡人，硕士研究生，主要从事马铃薯栽培生理研究，626387900@qq.com；*通信作者，熊兴耀，博士，教授，主要从事蔬菜栽培生理生态研究，xiongxingyao@caas.cn；*通信作者，胡新喜，博士，教授，主要从事蔬菜栽培生理生态研究，huxinxi163@163.com