不同土壤类型马铃薯对镉的富集转运差异研究

张瑞瑞，刘鸿雁,*，刘 克，周显勇，王雪雯，罗 凯

（1.贵州大学农学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州大学资源与环境工程学院，贵州 贵阳 550025）

镉（Cadmium，Cd）是自然环境中普遍存在且毒性极强的重金属元素，但几乎所有的土壤、地表水和植物体内均含有镉。摄入微量的镉不仅威胁生物个体的生理和健康，而且还对生物种群数量和物种分布产生影响[1]。作物吸收Cd的能力除取决于作物本身，还与土壤镉含量、土壤特性等外部环境有关。研究发现在相同镉浓度处理下红椿根部镉含量黄壤＞酸性紫色土[2]，巨菌草地上部与地下部植株随着Cd处理浓度的增加表现出黄壤＞紫色土＞冲积土趋势[3]，可见土壤类型不同，作物中Cd富集转运能力存在差异。

马铃薯是世界四大粮食作物之一，2014年贵州省马铃薯种植面积达7.04×105hm2，是种植面积最大的农作物[4]。中国耕地土壤镉背景值平均值为0.27mg/kg，西南喀斯特地区面积约1.50×107hm2，土壤镉背景值远高于全国平均值，是典型的镉地球化学异常区。贵州省土壤镉的背景值在0.015～2.977mg/kg，石灰性土背景值达1.115 mg/kg，地质高背景与历史土法炼锌的污染叠加，导致黔西北耕地土壤Pb，Zn，Cd等重金属污染严重。据统计，该地区Cd超农用地土壤污染风险管制值（G5618-2018）的面积约6.70×104hm2，在贵州种植马铃薯，除块茎外，根、茎、叶中Cd含量都较高，存在一定的生态安全风险[5-8]。因此，受污染耕地的安全利用是值得深入研究的环境问题和农业生产问题。

发育于第四纪红色粘土上的地带性土壤—黄壤和发育于石灰岩的岩性土—石灰土在贵州喀斯特地区分布最为广泛。本研究通过黄壤和石灰土的盆栽试验，参照农用地土壤污染风险管控标准（GB15618—2018）设置5个Cd浓度梯度，探索马铃薯Cd的浓度分布，以及富集系数和转运系数的变化，为Cd污染土壤马铃薯安全生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

1.1.1 供试作物

选用贵州省常种植马铃薯品种（原种）‘会-2号’，种薯由贵州省农业科学院马铃薯研究所提供。

1.1.2 供试土壤

分别采集样地0～20 cm耕层土壤，剔除根系碎屑、石砾等杂物，室内风干、磨细过2 mm尼龙筛，供盆栽试验用，土壤基本理化性质见表1。

1.2 试验方法

试验在贵州大学盆栽场进行，参照农用地土壤污染风险管控标准（GB15618—2018）（表2），分别于2种类型土壤上按土壤污染风险筛选值设置5个Cd浓度添加处理（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个取样时期（苗期，花期，块茎膨大期，淀粉积累期，成熟期），每个取样时期3组重复试验。马铃薯播种时间为2018年3月7日，块茎收获时间为8月23日，每盆种1棵，共进行150个试验盆栽。

表1 供试土壤基本理化性质Table 1 Basic physical and chemical properties of tested soil

将过筛的供试土壤装入花盆（直径35cm，高30cm），每盆装土4 kg（以烘干土计算），种植前施用硫酸钾型三元复合肥（N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15）作为基肥，盆钵内底部放置滤水网防止浇水时土壤损失，整个生育期内除草，培养期间定时定量浇水。待马铃薯出苗产生匍匐茎开始取样，共取5次样，经完整生理周期后收获马铃薯。

1.3 样品测定与方法

1.3.1 样品采集

马铃薯成熟后，以盆为单位整株取出，洗净块茎并称取鲜重。植株去除坏茎叶，用自来水冲洗表面泥土，去离子水将马铃薯植株反复冲洗3次；根、茎、叶、块茎分别装入牛皮纸袋，鲜样105～110℃杀青15 min，再70～90℃烘干至恒重，磨细备用。

表2 农田土壤污染风险管控标准（GB15618—2018）Table 2 Farmland soil pollution risk management and control standards(GB15618—2018)

1.3.2 测定方法

土壤pH值、有机质参照《土壤农业化学分析》[9]，土样重金属Cd全量采用HNO3-HCl体系消煮，植物样Cd全量采用HNO3-H2O2体系消煮，待测液统一用ICP-MS（Thermo Fisher Scientific X2）测定，所用试剂均为优级纯，每批样品分析质量控制措施采取空白样、平行样和标准物质控制法，标准样品测定结果在误差允许范围内。

1.3.3 计算方法

Cd富集系数（BCF）=植物某一部位Cd含量/土壤Cd含量

Cd转运系数（TF）=植物地上部Cd浓度/植物根系Cd浓度

1.4 数据处理

所有数据通过Excel 2010统计，SPSS26.0单因素方差分析进行差异性检验（One-way ANOVA），Origin2018进行绘图。

2 结果与分析

2.1 不同生长时期马铃薯各部位Cd含量变化

2.1.1 马铃薯根部Cd含量变化

马铃薯根部Cd含量有随Cd处理浓度增加而增加的总体趋势，黄壤最高达到40.98 mg/kg，石灰性土达18.52 mg/kg。根部Cd含量随着生长时期逐渐增大，并在成熟期达到顶峰（图1）。外加镉处理提高了马铃薯植株对镉的吸收，镉进入马铃薯根系后不断累积。

2.1.2 马铃薯茎部Cd含量变化

两种土壤的T1、T2和T3处理下马铃薯茎Cd含量总体呈增加的趋势，前两个取样时期马铃薯茎中Cd含量随Cd浓度梯度的升高而增加，黄壤上平均达7.06 mg/kg，石灰性土上达2.49 mg/kg。T5处理下淀粉积累期两种土壤种植的马铃薯茎中Cd与其他时期差异达显著水平（P＜0.05），黄壤中为53.51 mg/kg，石灰性土中为17.31 mg/kg（图2）。

2.1.3 马铃薯叶部Cd含量变化

T1处理下两种土壤种植的马铃薯叶部Cd含量在整个生育期变化不大，黄壤上变化为0.67～1.33 mg/kg，石灰性土上为0.16～0.34 mg/kg；T4处理下马铃薯叶部Cd含量在花期到块茎膨大期阶段变化幅度较大，黄壤上由5.19 mg/kg增加到10.93 mg/kg，增幅达到110.60%；石灰性土上由4.21 mg/kg降低到2.65 mg/kg，降幅达到37.05%。T5处理下淀粉积累期时两种土壤种植的马铃薯叶片中Cd含量较高，黄壤为25.58mg/kg，石灰性土为7.47mg/kg（图3）。

图1 黄壤和石灰性土马铃薯不同生长时期根Cd含量变化Figure 1 Changesin root Cd content of potato in yellow soil and calcareoussoil at different growth stages

图2 黄壤和石灰性土马铃薯不同生长时期茎Cd含量变化Figure 2 Changesin stem Cd content of potato in yellow soil and calcareoussoil at different growth stages

2.1.4 马铃薯块茎Cd含量变化

随Cd浓度增加，马铃薯块茎Cd也有增加趋势。黄壤种植的马铃薯块茎Cd含量平均为0.29 mg/kg，石灰性土壤块茎Cd含量平均为0.13 mg/kg。在块茎形成的整个生育时期，T1和T2处理条件下，黄壤上马铃薯块茎Cd含量分别为0.05和0.08 mg/kg，石灰性土上马铃薯块茎Cd含量分别为0.03和0.05 mg/kg；而在T3、T4和T5处理下，黄壤上马铃薯块茎Cd含量分别为0.22，0.47和0.61 mg/kg，石灰性土上马铃薯块茎Cd含量分别为0.10，0.33和0.41 mg/kg。黄壤种植的马铃薯块茎Cd含量总体高于石灰性土壤（图4）。

2.2 马铃薯对镉的富集转运特征

2.2.1 马铃薯不同生长时期Cd富集系数变化

图3 黄壤和石灰性土马铃薯不同生长时期叶Cd含量变化Figure 3 Changes in leaf Cd content of potato in yellow soil and calcareous soil at different growth stages

图4 黄壤和石灰性土马铃薯不同生长时期块茎Cd含量变化Figure 4 Changes in tuber Cd content of potato in yellow soil and calcareous soil at different growth stages

两土壤马铃薯植株富集系数表现出：成熟期＞淀粉积累期＞块茎膨大期＞苗期＞花期的总体趋势。黄壤上Cd富集系数较石灰性土平均高出89.69%；黄壤上成熟期Cd富集系数分别高淀粉积累期46.74%，块茎膨大期97.09%，花期208.16%，苗期157.48%；石灰性土上成熟期Cd富集系数分别高淀粉积累期28.62%，块茎膨大期44.64%，花期74.36%，苗期49.36%；黄壤上马铃薯植株Cd富集系数平均为6.90，石灰性土平均为3.66；Cd进入马铃薯植株后开始逐渐累积，黄壤上根部富集系数平均达8.22，石灰性土平均达3.54；茎段分别为7.50和3.80；叶片分别为4.97和3.65；块茎富集较少，分别为0.95和0.36；石灰性土上马铃薯块茎富集系数低于黄壤且均小于1（表3）。

2.2.2 马铃薯不同生长时期Cd转运系数变化

各生长时期转运系数表现出：根-茎段＞根-叶片＞根-块茎的总体趋势。黄壤上植株转运系数均值为0.89，块茎均值为0.11；石灰性土上植株转运系数均值为0.66，块茎均值为0.17；黄壤上马铃薯植株转运系数大于石灰性土。马铃薯根-茎段在淀粉积累期转运系数与其他时期差异显著（P＜0.05），黄壤上分别是苗期的1.74倍，花期1.93倍，块茎膨大期1.48倍，成熟期1.90倍；石灰性土上分别是苗期的2.09倍，花期2.48倍，块茎膨大期1.63倍，成熟期1.38倍。两种土壤条件下马铃薯根-茎段在淀粉积累期转运系数均大于1，块茎Cd的转运系数均小于1（表4）。

表3 马铃薯不同生长时期镉富集系数Table 3 Cadmium enrichment coefficient at different growth stagesof potato

表4 马铃薯不同生长时期镉转运系数Table 4 Transfer coefficient of cadmium in potato at different growth stages

3 讨论

土壤重金属的迁移性受土壤pH值和有机质的影响较大[10]，土壤pH值与马铃薯根、茎中Cd含量呈负相关，这是由于酸性条件下重金属具有较高的活性和生物有效性，pH值较小的土壤中胶体、粘土矿物颗粒吸附的Cd与H+交换量将会增加，导致土壤有效态Cd2+的浓度增加，从而促进重金属向植物体内的迁移[11,12]。本研究中马铃薯各器官Cd含量均随胁迫增大而升高（图1、图2），相同Cd胁迫条件下，马铃薯根茎叶Cd含量表现出黄壤＞石灰性土；pH值较高的石灰性土种植的马铃薯Cd含量更低，是由于碳酸盐有效降低了土壤中的交换态Cd，从而降低植株对Cd的吸收。因此在Cd污染土壤上可适当增加土壤pH值，降低土壤中Cd向植物迁移的能力和农作物中的Cd含量，保障当地农作物食品质量安全[13]。石灰性土中Ca、Mg离子对Cd吸收也存在一定的拮抗能力，Ca、Mg离子的存在也抑制了马铃薯对Cd的吸收[14]。影响重金属生物有效性有很多原因，土壤有机质含量也是重要因素之一[15,16]。有机质可通过氨基、羧基和羟基与Cd螯合配位结合，从而降低Cd生物有效性[17-19]。本研究中石灰性土有机质含量更高，碳酸盐类也有效的降低了土壤中Cd向植株的迁移。

Cd在土壤-作物系统中的迁移与分配是多重因素共同决定的，转运系数是指植物地上部中的金属含量与地下部中金属含量的比值，反映重金属从根系分配到其他器官的能力和效率，富集系数可反映植物对重金属富集程度的高低或富集能力的强弱[20-23]。茎叶中Cd的累积主要来源于根系对土壤中Cd的吸收迁移[14,15,24]，此外根部木质部汁液中以自由离子存在的Cd，在根压作用与蒸腾作用共同条件下也会向地上部进行运输；地上部分的Cd在实现了木质部到韧皮部的转运以后，也会随着植物生长发育在茎叶等器官之间通过韧皮部进行再分配[25]。通过比较马铃薯不同部位的转运系数可知，两种土壤上马铃薯根-茎段转运系数较大；这是由于作物根细胞壁通过选择性吸收，吸附和固定土壤中的Cd，大部分Cd被截留在细胞壁中；根系吸收的Cd先通过根与叶相连的木质部运输到地上茎叶部分，然后再通过叶与块茎相连的韧皮部从茎叶转运至块茎。蒸腾作用对叶片中重金属的吸收也起重要作用，Cd在植物体内长距离运输的速率约为0.35～0.60 m/h，蒸腾越强，向茎叶中的运输也就越快越多[12,24-27]；马铃薯根-块茎转运系数较小，一方面是由于Cd与根系分泌物有机酸等通过竞争性结合后滞留在根表面，通过主动运输转移至其他器官的Cd2+量减少；另一方面马铃薯根系向地上部分输送营养时，各个器官都会对Cd2+产生截留作用，大部分Cd2+被截留在根、茎、叶中，只有少量的Cd2+转运到块茎[15,28-30]。

综上所述，随着Cd胁迫的增强，黄壤和石灰性土上种植的马铃薯植株和块茎Cd含量都增加。黄壤上马铃薯植株Cd的富集系数较高，均值可达6.90，石灰性土的富集系数均值可达3.66；马铃薯可食部分块茎Cd的富集系数相对较小，黄壤上最大值为1.23，石灰性土上均小于1。两种土壤上马铃薯可食部分块茎的转运系数在0.09～0.21，T1和T2处理马铃薯块茎Cd小于食品安全国家标准（GB2762—2017）[31]0.1 mg/kg的限值；在Cd胁迫条件下，黄壤和石灰性土上种植马铃薯均表现为高富集、低转运的特点。