叶片采摘对木薯产量的影响及镉胁迫下薯叶饲用品质分析

赵信林 郭媛 邱化蛟 邱财生 龙松华 王玉富

摘要：为了探究利用木薯对Cd污染农田进行修复性利用的可行性，以10个木薯品种为材料，研究在湖南省典型Cd污染农田中叶片采摘对不同品种木薯块根产量的影响，并对不同木薯品种的叶片饲用品质进行了分析。结果发现，在中度Cd污染的农田上，不采摘叶时的木薯产量在品种间差异显著，其中华南205块根产量高达 13 000 kg/hm2，而最低的是南植199，仅有3 980 kg/hm2;与不采摘叶片相比，叶片采摘会造成10个木薯品种不同程度地减产，平均减产约为29.8%;品种间的叶片养分含量存在显著差异，但10个品种的叶片Cd含量均超过了1 mg/kg，未能达到饲用标准。综合分析表明，在中度Cd污染的农田上可以栽培华南205等既耐Cd又可以获得高产的木薯品种，但是获得的生物量只能用作工业原料。

关键词：木薯;叶片采摘;镉;饲用品质;生物能源作物

中图分类号： S533.01  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2020）24-0076-05

通信作者：郭 媛，博士，副研究员，主要从事热带作物抗逆生理及栽培研究工作，E-mail：guoyuan@caas.cn;王玉富，硕士，研究员，主要从事亚麻遗传育种及栽培研究工作，E-mail：chinaflax@126.com

湖南省素有“有色金属之乡”的美称，然而在美誉的背后，却由于开采初期缺乏环保意识和防治措施，导致大量金属流失，使得大面积农田、河流遭受重金属污染。在众多具有危害性的重金属中，镉（Cd）因其较强的活性和生物富集性，成为重金属污染治理的主要元素[1]。在Cd污染的农田上种植食用的粮食、蔬菜等，通常会使可食用部分Cd含量超标，严重威胁人生命健康，因此，在该类土地上严禁可食用作物的种植。关于重金属Cd污染治理的方式，一般分为化学修复、物理修复和生物修复，而生物修复中的植物修复方式，又以其原位修复、成本低等优点而广受关注[2]。然而，大多的Cd超级累植物通常植株矮小、生长缓慢，存在修复见效慢的问题[3]。因此，在强调Cd污染修复的同时，有效利用中轻度Cd污染土地种植对重金属具有一定耐Cd性的非食用作物不失为一种提高土地利用率和增加农民收入的策略。

石油、煤矿等化石燃料是难以再生的资源，此类燃料的燃烧不仅对环境造成难以估量的环境污染，而且因其燃烧释放的温室气体也一定程度上加剧了全球气候的变化[4-5]。开发利用清洁、安全的生物能源是世界稳定、可持续发展的必然趋势。根据研究人员估计，能源植物每年可以固定的能源相当于全球主要能源消耗的10%，然而当前被有效利用的生物能源却不及总量的1%[4]。因此，种植生物能源作物[6]，尤其是在无法用于粮食生产的土地上，必然具有重大的社会意义。

木薯（Manihot esculenta Crantz），又称番薯，是大戟科木薯属多年生植物，原产于南美洲，是热带和亚热带地区的高产作物，是世界三大薯类作物之一，可用作粮食[7-8]、饲料[9-10]、工业原料（生产生物乙醇、生物燃气等）[11-12]等。生产实践证明，木薯具有适应性强、生长快、产量高、耐旱耐瘠、病虫害少的特点[13-15]。进一步研究发现，木薯对Cd具有较好的耐性，可以在中轻度Cd污染的农田上良好地生长[1，16]。所以在湖南省遭受Cd污染的农田种植木薯，收获的木薯块根、茎叶等用于牲畜饲料、工业原料等可能具有较好的推广前景。然而，在此类土地上生长的木薯茎叶是否可以用作牲畜饲料，以及不同的木薯品种的茎叶饲用品质差异如何，还有待更多的研究。此外，若木薯叶片用于饲料，则还需要明确叶片采摘对不同木薯品种块根产量的影响。因此，本研究拟通过在湖南省典型Cd污染农田上种植不同木薯品种来研究叶片采摘对不同品种木薯块根产量的影响，并对不同品种木薯叶片的饲用品质及饲用安全性进行评估。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验地点位于湖南省株洲市株洲县渌口镇花园村具有代表性的重金属污染农田（113.191°E，27.713°N），该区域属亚热带季风性湿润气候，四季分明，雨热充足，无霜期在286 d以上，年平均气温为16～18 ℃，适宜多种农作物生长。所选农田土壤为水稻土，试验开始前在试验田采集0～20 cm土样进行土壤基础理化性质以及重金属铅（Pb）、镉（Cd）和砷（As）的测定。经测定该土壤有机质含量41.0 g/kg，全氮含量2.06 g/kg，全磷含量 0.43 g/kg，全钾含量15.3 g/kg，碱解氮含量 191 mg/kg，速效磷含量10 mg/kg，速效钾含量 89 mg/kg，重金属含量及污染程度（《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018））[17]见表1，由此确定该农田属于中度Cd污染农田。

1.2 供试材料

试验中种植的10个木薯品种分别为JG1301、ZM8229、ZM8316、辐选01、桂热4号、桂热5号、桂热911、华南205、南植199、新选048。试验中所施用的氮肥为尿素（N含量46%），磷肥为过磷酸钙（P2O5含量12%），钾肥为硫酸钾（K2O含量50%）。

1.3 试验设计

以木薯品种作为主处理，叶片采摘与否为副处理，主处理之间采用随机区组排列，每个主处理3 次重复。小区设计为4 m×5 m，每小区种植5行，每行4株，共20 株，株距为0.8 m、行距为1.0 m。参试品种于2017年4月24日种植，2017年12月20日收获。试验过程中的氮肥分3次施用，其中基肥用量占总氮肥用量的25%，木薯种植40 d后进行第1次追肥，占用氮肥总量的50%，剩余氮肥在植后60 d进行施用;磷肥作为基肥1次性施用;钾肥基追肥比例与氮肥一致。其他田间管理，如灌溉、除草、杀虫等均按照当地农民管理模式。叶片采摘于收获前第3个月进行，每小区随机选取10株进行叶片的完全采摘，剩下的10株作为对照。每株采摘的叶片测定其鲜质量，并按照小区面积折算成单位面积薯叶产量。测定干薯叶中的粗蛋白、粗纤维、氰化物和灰分含量，同时测定其Cd含量。收获时分别测定每小区摘叶处理和对照处理的10株木薯的主要产量性状，包括单株结薯数、薯块长度、薯塊直径、单株鲜薯质量，并分别折算出叶片采摘与无采摘处理的木薯单位面积产量。

1.4 测定方法

土壤氮、磷、钾含量、pH值等参照鲁如坤编写的《土壤农业化学分析方法》[18]进行测定;土壤有机质含量参照Yeomans等的方法[19]进行测定;土壤中的Cd、Pb值测定参考标准为GB/T 17141—1997《土壤质量 铅、镉的测定 石墨炉原子吸收分光光度法》[20];土壤中的As测定参考标准为GB/T 22105.2—2008《土壤质量 总汞、总砷、总铅的测定 原子荧光法》[21];木薯样品的Cd测定参考标准为GB 5009.15—2014《食品安全国家标准 食品中镉的测定》[22];叶片中氰化物的测定方法同罗瑛等的方法[23];叶片粗纤维含量测定采用酸碱消煮法 （GB/T 5009.10—2003）《植物类食品中粗纤维的测定》[24];叶片粗蛋白含量测定参照GB 5009.5—2010《食品安全国家标准 食品中蛋白质的测定》[25];叶片灰分含量的测定参照标准GB/T 6438—2007《饲料中粗灰分的测定》[26]。

1.5 数据分析

所有数据采用Microsoft Excel 2013和IBM SPSS Statistics 26进行数据处理和方差分析，并以0.05 为差异显著性水平，用Duncan's法对各组数据进行多重比较，采用Origin 2017进行绘图。

2 结果与分析

2.1 叶片采摘对不同木薯品种产量的影响

不同品种木薯在叶片采摘与非采摘情况下的块根产量见图1。结果表明，叶片采摘显著降低了ZM8229、ZM8316和华南205 3个品种的块根产量，而其他品种也因为叶片采摘造成了不同程度的产量下降，但是没有达到显著水平。与对照相比，叶片采摘使得10个木薯品种产量降低了4.95%～47.1%之间，平均为29.8%，产量降低最为严重的是华南205，减产最少的是南植199。在不采摘叶片的情况下，不同的木薯品种在所选试验区域的产量差异显著，变化范围大，在3 980～13 000 kg/hm2之间。在所有供试品种中，产量超过10 000 kg/hm2的有华南205、辐选01、新选048，其中华南205块根产量最高，约为 13 000 kg/hm2，其他2个品种分别为12 300、11 700 kg/hm2;产量最低的是桂热5号，仅为3 980 kg/hm2。在采摘叶片的情况下，不同木薯品种的产量变化范围为2 940～8 650 kg/hm2，其中南植199产量最高，约为8 650 kg/hm2，桂热5号产量最低，仅为2 950 kg/hm2。

2.2 叶片采摘对不同木薯品种产量性状的影响

不同木薯品种在叶片采摘和对照处理条件下与产量相关的性状见表2。在不进行叶片采摘的情况下，不同木薯品种之间的块根长、块根直径、单块根质量、单株块根数存在显著差异。对块根长度，10个木薯品种的平均长度在22.3～26.9 cm之间，其中华南205块根长度最大，南植199最小;10个木薯品种的块根直径变化范围在32.2～44.6 mm之间，其中华南205最大，桂热4号最小;单个块根的质量在品种之间的变化更为明显，单块根质量最大是辐选01，为377 g，最小的是桂热4号，仅为186 g;每株木薯可收获的块根数量在5.12～13.60个之间变动，可收获块根数量最多的为桂热4号，最少的为桂热5号。与对照处理相比，叶片采摘显著改变了品种之间各个产量相关性状的差异情况。叶片采摘后，10个木薯品种的块根平均长度在21.2～27.0 cm，与对照相比，变化范围相近，但是块根长度最大的为桂热5号，最小的为桂热911;块根直径变化范围为31.2～39.3 mm，最长的为华南205，最短的为桂热4号;单个块根质量则在173～327 g之间变化，最大者为南植199，最小的为ZM8316;10个品种单株木薯块根数量变化范围为5.19～11.50个，单株块根数量最多的是桂热4号，最小的是桂热5号。

叶片采摘对木薯产量相关性状具有显著的影响，但是因品种不同而又有较大差异。叶片采摘对JG1301、辐选01、桂热5号、桂热911、南植199等5个木薯品种的块根长度、直径、质量以及块根数量都没有明显影响，但是明显降低了ZM8229、桂热4号的块根长度;叶片采摘还明显降低了ZM8316、华南205的单个块根质量;此外，叶片采摘还明显降低了新选048的单株块根数量。

2.3 不同木薯品种的薯叶饲用品质差异

木薯的叶片可以用作牲畜饲料，但是其饲用品质与其粗蛋白、粗纤维等多种物质的含量紧密相关，供试10个木薯品种的叶片饲用品质相关物质含量见表3。不同品种木薯的叶片饲用品质之间差异显著。10个木薯品种中，粗蛋白含量以桂热5号最高，约为353 g/kg，最低的为辐选01，约为266 g/kg;粗纤维含量大致在223～292 g/kg之间变化，最高的为ZM8229，最低的为华南205;叶片氰化物含量变化范围为39.5～105.0 mg/kg，最高者为华南205，最低的是新选048;灰分含量最高的是辐选01，为80.7 g/kg，最低的是南植199，为58.7 g/kg;叶片重金属Cd含量最高的是JG1301，为2.29 mg/kg，Cd含量最低的是南植199，为1.52 mg/kg。10个木薯品种的鲜叶产量之间差异显著，其中产量最高的是ZM8229，为9.60 t/hm2，最低的为6.86 t/hm2。

3 讨论与结论

3.1 叶片采摘与木薯产量

10个木薯品种中，在不进行采叶处理时，华南205可以获得最大的块根产量，其次是辐选01和新选408，3个品种在中度Cd污染的农田上仍可以获得10×103 kg/hm2的产量，因此可以优先考虑在该污染水平的农田上种植。

植物的叶片是进行光合作用最主要的场所，因此叶片的长势好坏直接影响植物光合产物的积累和产量的形成[27]。用作饲用的木薯叶片需要在保持绿色的时候采摘，才能保持叶片的营养物质含量，所以对木薯进行叶片采摘必须掌握好时期，以达到对木薯产量影响最小，而叶片质量最佳[28]。对供试的10个木薯品种，叶片采摘无一例外地降低了其块根的产量，说明在本研究中距离木薯收获3个月的时段对木薯植株进行全部叶片摘除并不是最合适的。本试验中块根产量受叶片采摘影响最小的是南植199，主要是由于其生育期较短导致的，可能叶片采摘时，其干物质积累已經基本完成。因此，应当考虑改变采摘时间（将采摘期延后）和采摘方式（分次部分采摘）。

3.2 叶片饲用品质及安全性

与富含淀粉的木薯块根[7]相比，木薯叶片更富含多种营养物质和生物活性物质，是蛋白质、矿物质和维生素的良好来源，因此适当处理后可以作为蔬菜食用，也可以作为良好的畜禽饲料[29]。然而木薯叶片通常含有较高的生氰糖苷，在β-葡萄糖苷酶的作用下可以生成剧毒性的氢氰酸，所以薯叶氰化物的含量往往成为影响常规土地上生长的木薯叶片的食用或饲用安全性的主要因素[10]。而生长在Cd污染的土壤上的木薯，则不可避免地会有Cd积累在叶片[16]，因此Cd含量也一并成为影响薯叶食用或者饲用安全性的必须考虑的因素。

供试10个木薯品种中，新选408的氰化物含量最低，低于40 mg/kg，经过加工处理后较易将叶片毒性降低，而其粗蛋白、粗纤维和灰分含量处于中等水平，所以从营养角度来看是最适合用于饲用的品种。但是在Cd含量上看，10个木薯品种中叶片Cd含量最低者也有1.52 mg/kg，均远远超过了我国饲料卫生标准中规定的安全浓度，即1 mg/kg[30]。与本试验中相同的木薯品种在前人报告[1]中并未出现这么高的Cd含量，主要是因为本试验选用农田Cd污染更为严重。因此在所选Cd污染农田上生长的木薯的叶片不可以作为饲料使用。

通过本试验可以得出以下结论：（1）叶片采摘会对木薯块根产量产生显著影响，最佳的叶片采摘时间和方式应既保证产量，又保证叶片饲用品质。（2）在中度Cd污染农田上栽培的木薯的叶片很可能由于Cd含量超标无法用于饲用。（3）在与本试验类似的农田上生产的木薯更适合用作工业原料，用以生产生物乙醇、生物燃气等。

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