貴州喀斯特區(qū)域馬鈴薯種薯生產(chǎn)重金屬安全性初探

董穎蘋， 曹紹書， 粟彩蕓， 王 瑤， 羅 充

(1.貴州師范大學(xué) 喀斯特研究院/地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院/生命科學(xué)研究院， 貴陽(yáng) 550025；2.國(guó)家喀斯特石漠化防治工程技術(shù)研究中心， 貴陽(yáng) 550001；3.貴州省農(nóng)作物品種資源研究所， 貴陽(yáng) 550006)

馬鈴薯為我國(guó)第四大主要糧食作物，產(chǎn)量位居世界第一[1]。2015年農(nóng)業(yè)部正式啟動(dòng)了馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略，大力發(fā)展馬鈴薯種植。由于脫毒種薯能解決病毒引起品種退化等問題，自20世紀(jì)以來，我國(guó)已經(jīng)逐步建成依托國(guó)家和地方農(nóng)業(yè)部門的脫毒種薯生產(chǎn)體系[2]。但傳統(tǒng)馬鈴薯種薯生產(chǎn)重點(diǎn)以防控病毒感染為主，對(duì)重金屬等污染風(fēng)險(xiǎn)的防控關(guān)注極少。

然而，環(huán)境污染正在威脅馬鈴薯主糧化進(jìn)程，其中重金屬污染就是其中重要的形式[3-4]。馬鈴薯種薯生產(chǎn)體系的安全會(huì)影響當(dāng)下的馬鈴薯產(chǎn)品食品安全，也會(huì)影響生產(chǎn)環(huán)境的長(zhǎng)久安全。種薯階段消除重金屬污染,可以降低食品安全風(fēng)險(xiǎn),更能降低產(chǎn)地生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)。

本試驗(yàn)以西南喀斯特重金屬高背景區(qū)典型省份貴州省為研究區(qū)域，選擇省內(nèi)天然背景值較高的鉛(Pb)、鉻(Cr)和鎘(Cd) 3種重金屬為研究重點(diǎn)，同時(shí)考慮品種對(duì)試管苗生長(zhǎng)有顯著影響[5-6],選擇三個(gè)耐瘠薄性差異顯著的品種，通過種薯生產(chǎn)的兩個(gè)關(guān)鍵階段(試管苗和商品種薯生產(chǎn)階段)，研究馬鈴薯試管苗受到重金屬脅迫的可識(shí)別性，商品種薯在典型大田環(huán)境生產(chǎn)的環(huán)境重金屬富集效率，以及考察疑似重要因素的影響[3,7-8]，評(píng)估現(xiàn)有種薯生產(chǎn)體系可能存在的重金屬風(fēng)險(xiǎn)，并提出相關(guān)的建議。

1 材料與方法

1.1 研究材料及培養(yǎng)條件

供試馬鈴薯(SolanumtuberosumL.)均為貴州省審定并推廣種植的品種，具有良好的本土適應(yīng)性，分屬不同生態(tài)型，適宜種植不同海拔區(qū)域，耐瘠薄性表現(xiàn)英倫紅>大西洋>費(fèi)烏瑞它[7]，外觀上薯皮薯色各自不同，詳情見表1。

表1 材料生態(tài)型信息

培養(yǎng)室溫度設(shè)置18～22 ℃；燈光采用YS-LED-18植物組織培養(yǎng)專用LED藍(lán)紅色混合光譜燈，每60 cm×40 cm設(shè)置3只(每只18 W)，每天12 h光照。繼代轉(zhuǎn)接一周后，根系生長(zhǎng)至2～3 cm時(shí)，進(jìn)行重金屬處理(如圖1)。

商品種薯生產(chǎn)一般選擇土壤條件較好的農(nóng)用地。本試驗(yàn)選擇傳統(tǒng)產(chǎn)地六盤水市玉舍鄉(xiāng)、盤州市保基鄉(xiāng)、威寧縣麻乍鄉(xiāng)具有典型性的黃壤和紅壤，進(jìn)行多點(diǎn)抽樣并混樣，再將每份分成2.5 kg，裝入實(shí)驗(yàn)盆，用于脫毒薯擴(kuò)繁和實(shí)驗(yàn)觀察。

1.2 研究方法

1.2.1環(huán)境重金屬濃度的影響與重金屬含量測(cè)定

1) 高濃度復(fù)合脅迫的試管苗品種響應(yīng)

分別觀察試管苗24 h和7 d的死亡率，在多輪致死濃度試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選擇足以區(qū)分出品種間差異的Pb、Cr和Cd復(fù)合溶液濃度，設(shè)定高濃度處理液為：Pb 300 mg·L-1+Cr 180 mg·L-1+Cd 3.6 mg·L-1。

2) 低濃度復(fù)合脅迫對(duì)試管苗生長(zhǎng)的影響

由于這部分試驗(yàn)開展早已2018年7月，參考原《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618—1995)對(duì)低濃度復(fù)合脅迫進(jìn)行設(shè)置。在GB 15618—1995二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)pH<6.5下，Pb、Cr和Cd允許濃度限值為250，0.3 mg·kg-1和0.3 mg·kg-1。以土壤有效濃度占環(huán)境總值的比例，結(jié)合試驗(yàn)效果觀察，按國(guó)標(biāo)限制15%(Pb)和10% (Cr、Cd)的比例設(shè)定試管內(nèi)可溶性脅迫濃度，定義為低濃度脅迫，具體為：Pb 30 mg·L-1+ Cr 0.03 mg·L-1+Cd 0.03 mg·L-1。

3) 重金屬濃度測(cè)定方法

依據(jù)國(guó)標(biāo)采用原子吸收光譜檢測(cè)法，檢測(cè)試管苗及田間馬鈴薯根、莖葉和塊莖樣本中Pb、Cr和Cd含量。包括GB/T 5009.15—2003檢測(cè)植物樣本重金屬Cd； GB/T 5009.12 檢測(cè)植物樣本重金屬Pb，GB/T 5009.123檢測(cè)植物樣本重金屬Cr。

依據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618—1995)，檢測(cè)土壤重金屬Pb、Cr和Cd含量。

1.2.2產(chǎn)地土壤的重金屬背景

考慮到商品種薯生產(chǎn)常選擇農(nóng)用地進(jìn)行擴(kuò)繁，試驗(yàn)隨機(jī)抽取貴州省貴陽(yáng)市、六盤水市、畢節(jié)市等馬鈴薯主要產(chǎn)地的典型種薯繁育農(nóng)用地，采用4分法取樣各20份，充分混樣后檢測(cè)土壤Pb、Cd和Cr的含量。

1.2.3商品種薯生產(chǎn)環(huán)節(jié)的組織富集特性與土壤類型的影響

選取具有代表性的土壤類型，區(qū)分黃壤、紅壤進(jìn)行采集，充分混樣后，每盆分裝2.5 kg。每盆播入1粒原原種，每處理重復(fù)3次，開展3個(gè)品種的盆栽試驗(yàn)。待種薯充分成熟，檢測(cè)土壤和根、莖葉、塊莖的Pb、Cr和Cd含量，計(jì)算兩種典型土壤類型下不同重金屬的富集率，用于了解不同組織富集特性與土壤類型的關(guān)系。

1.2.4常見復(fù)合肥對(duì)商品種薯富集特性的影響

選擇化學(xué)復(fù)合肥和商品羊糞有機(jī)肥進(jìn)行研究，在播種期作為基肥，按推薦劑量施入盆栽土壤，充分混勻后，每盆播入1粒原原種，每處理重復(fù)3次，開展3個(gè)品種的盆栽試驗(yàn)。待種薯充分成熟，檢測(cè)土壤和根、莖葉、塊莖的Pb、Cr和Cd含量，計(jì)算兩種典型土壤類型下不同重金屬的富集率，討論不同肥料對(duì)種薯生產(chǎn)中重金屬富集效率的影響。

1.2.5種薯生產(chǎn)安全性評(píng)價(jià)

參考標(biāo)準(zhǔn)主要依據(jù)： 1) 土壤環(huán)境質(zhì)量國(guó)標(biāo)GB 15618-2018； 2) 薯蕷類產(chǎn)品重金屬國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 2762-2012，用于比對(duì)馬鈴薯種薯對(duì)3種重金屬的富集能力，評(píng)估抽測(cè)典型產(chǎn)區(qū)種薯重金屬含量超限風(fēng)險(xiǎn)(詳見表2)。其中對(duì)種薯產(chǎn)品的影響參考薯蕷類食品限值；對(duì)產(chǎn)地生態(tài)系統(tǒng)由于與莖葉關(guān)系最大，參考葉菜限值。

表2 生產(chǎn)環(huán)境與產(chǎn)品重金屬國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與討論

2.1 組培環(huán)節(jié)重金屬脅迫的反應(yīng)

2.1.1高濃度重金屬脅迫的品種效應(yīng)

結(jié)果顯示，組培外植體對(duì)復(fù)合重金屬脅迫的抵抗能力很強(qiáng)。高濃度組合Pb 300 mg·L-1+Cr 180 mg·L-1+Cd 3.6 mg·L-1能夠在24 h內(nèi)將5個(gè)參試馬鈴薯品種外植體死亡率呈梯度狀態(tài)拉開，1周內(nèi)所有品種死亡率過半，因此被確定為組培過程中重金屬?gòu)?fù)合脅迫的半致死濃度。低于這個(gè)臨界脅迫濃度，3個(gè)品種的馬鈴薯試管外植體都不會(huì)出現(xiàn)大量死亡。

由表3可知，復(fù)合重金屬的致死效應(yīng)對(duì)不同馬鈴薯品種存在明顯的差異。同一濃度24 h內(nèi)對(duì)高抗逆品種英倫紅僅造成10%死亡率，卻能導(dǎo)致不抗逆品種費(fèi)烏瑞它高達(dá)90%的死亡率。其內(nèi)在原因與不同品種對(duì)逆境不同的響應(yīng)能力以及快慢有關(guān)；設(shè)定的高濃度復(fù)合重金屬對(duì)不同品種導(dǎo)管組織造成了肉眼可見的破壞，并因品種不同存在明顯差異。高濃度重金屬無色溶液混入組培環(huán)境后，肉眼可見黑色物質(zhì)沿馬鈴薯組培外植體半透明的莖導(dǎo)管上行。上行高度提示不同品種對(duì)相同濃度重金屬溶液的運(yùn)送能力不同。也可能提示了品種受損害的可能性以及傷害程度，但這個(gè)規(guī)律并不呈現(xiàn)簡(jiǎn)單對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表3 高濃度重金屬脅迫效果識(shí)別

由于達(dá)到半致死的濃度設(shè)定遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國(guó)標(biāo)規(guī)定的篩選值標(biāo)準(zhǔn)限值和正常通過化學(xué)試劑混入種薯生產(chǎn)組培系統(tǒng)的量，可以推測(cè)：常規(guī)管理?xiàng)l件下，即使體系混入較高濃度重金屬成分，只要沒有大量材料死亡，是不便于通過肉眼觀察及時(shí)識(shí)別出的。

2.1.2低濃度復(fù)合脅迫對(duì)生長(zhǎng)的影響

由表4可知，低濃度脅迫的品種敏感性排序?yàn)椋嘿M(fèi)烏瑞它>大西洋>英倫紅。與抗逆性反向一致。

低濃度重金屬脅迫時(shí)，敏感品種會(huì)出現(xiàn)生長(zhǎng)緩慢、葉片黃化等癥狀。品種費(fèi)烏瑞它受到低濃度重金屬脅迫后，44.26%的植株保持正常苗高值，29.39%植株保持正常生物量，表現(xiàn)生長(zhǎng)緩慢、80%葉片黃化，3株(總15株)外植體表現(xiàn)不生長(zhǎng)；抗逆性好的品種對(duì)低濃度重金屬的響應(yīng)不易察覺(苗高或生物量的影響都不夠明顯)。例如英倫紅具有83.39%生長(zhǎng)高度正常率, 生物量正常的植株占74.68%。雖然生長(zhǎng)有放緩傾向，葉片也出現(xiàn)輕微黃化等癥狀，但肉眼較難察覺。

表4 低濃度重金屬脅迫對(duì)試管材料生長(zhǎng)的影響

2.2 土壤污染識(shí)別

由表5可知，商品種薯生產(chǎn)使用的農(nóng)用地黃壤中幾乎沒有Pb和Cr風(fēng)險(xiǎn)，但有一定Cd污染風(fēng)險(xiǎn)。Pb和Cr兩指標(biāo)都非常安全，遠(yuǎn)低于篩選值，整體潔凈；Cd均值超出篩選值限制，極大值超出篩選值基線四倍以上，仍在管制限值以下，屬于有必要加強(qiáng)觀察和管控的濃度范疇。

表5 土壤重金屬含量隨機(jī)抽樣

抽檢種薯生產(chǎn)農(nóng)用地紅壤沒有Cd污染風(fēng)險(xiǎn)，存在輕微Pb和Cr安全風(fēng)險(xiǎn)。Cd表現(xiàn)很安全，個(gè)別值均值超過篩選值，整體遠(yuǎn)低于篩選值；Pb和Cr均值低于篩選值，整體安全，極大值略超篩選值。

2.3 馬鈴薯組織富集特性與土壤類型的影響

兩種典型土壤對(duì)馬鈴薯Pb、Cd和Cr的富集率影響存在顯著不同(表6)。除Pb以外，黃壤對(duì)其他兩種元素富集能力都高于紅壤。尤其是黃壤有利于馬鈴薯對(duì)Cd的富集，富集率甚至高達(dá)550.82%，但塊莖富集率僅為2.62%，種薯比較安全；紅壤相對(duì)不利于Cd富集，根系富集率僅有84.38%，莖葉吸附最低，只有25.00%，塊莖富集率略高于黃壤?？偟恼f來，紅壤是比黃壤更安全的種薯生產(chǎn)用土壤。

表6 喀斯特地區(qū)典型種薯產(chǎn)地土壤的影響

2.4 常用有機(jī)肥對(duì)種薯生產(chǎn)安全性的影響

由表7可以看出，與不施肥處理相比，商品羊糞有機(jī)肥和化學(xué)復(fù)合肥能有效降低莖葉組織和塊莖中的Cd含量，但卻提高了Pb的含量?；瘜W(xué)復(fù)合肥比商品羊糞有機(jī)肥更有利于減少重金屬在馬鈴薯組織中富集。兩種有機(jī)肥的施入，都有利于減少Cd在塊莖和莖葉中的富集。但Pb則不同，施肥有助于增加Pb的富集率。

表7 常見有機(jī)肥對(duì)種薯及莖葉富集率的影響

2.5 種薯生產(chǎn)安全性評(píng)價(jià)

試管苗階段，高出篩選值20%以上的高濃度重金屬?gòu)?fù)合脅迫能夠使受測(cè)試品種出現(xiàn)半致死效果。通過常規(guī)試劑和管理過程混入組培體系的、劑量為篩選值的1/10到1/3范圍低濃度復(fù)合脅迫，可引起敏感品種發(fā)生肉眼可見的生長(zhǎng)量降低；對(duì)不敏感品種則沒有顯著的可識(shí)別癥狀，有必要引起重視。因此試管苗生產(chǎn)階段應(yīng)該強(qiáng)化安全意識(shí)，嚴(yán)格把關(guān)，控制重金屬混入體系的概率。

商品種薯生產(chǎn)階段，產(chǎn)地土壤以黃壤和紅壤為主，pH在5.1～6.9范圍內(nèi)，弱酸性；Pb、Cd和Cr總體處在篩查限值以下，抽樣區(qū)域背景值偏高。黃壤Cd值大于篩查值，但未達(dá)管控值。除紅壤中塊莖對(duì)Cd的吸收以外，對(duì)3種重金屬的吸收率都在2%以下。但塊莖Cd富集最高可達(dá)32%，說明Cd高地質(zhì)背景區(qū)種薯生產(chǎn)應(yīng)保持謹(jǐn)慎，在篩選值附近的清潔土壤，也可能產(chǎn)出Cd超標(biāo)的商品種薯。另外，根系對(duì)Cd富集率更高達(dá)550.84%，說明Cd高背景區(qū)生產(chǎn)種薯對(duì)生態(tài)環(huán)節(jié)構(gòu)成潛在高風(fēng)險(xiǎn)，既可能威脅當(dāng)?shù)厝撕图倚蟮慕】?，同時(shí)也可能通過當(dāng)?shù)厥澄镦溸M(jìn)一步威脅產(chǎn)地生態(tài)的長(zhǎng)久安全。雖然有機(jī)肥的施入能有效降低塊莖和莖葉Cd的富集量，但應(yīng)避免選用重金屬較高的動(dòng)物有機(jī)肥，例如本研究選用的商品羊糞有機(jī)肥，可以選擇批量生產(chǎn)的化合有機(jī)肥。

Pb雖然是三種重金屬中最接近篩選限值的，但馬鈴薯對(duì)Pb的富集能力很有局限，因此無論對(duì)于種薯產(chǎn)品，還是當(dāng)?shù)厣鐣?huì)生態(tài)環(huán)境，Pb都是較為安全的。施肥措施可能會(huì)增加Pb富集風(fēng)險(xiǎn)，處在Pb高背景區(qū)時(shí)，有必要盡可能減少肥料的施用量，以保證種薯生產(chǎn)安全。Cr在土壤中含量低于篩選值，處在安全區(qū)域。但是馬鈴薯對(duì)Cr的吸收率較高，有可能導(dǎo)致塊莖產(chǎn)品和植株中的含量高于國(guó)標(biāo)限制范圍，有一定潛在的風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié) 論

本研究發(fā)現(xiàn)，品種選擇、組培體系把關(guān)和種薯的大田生產(chǎn)監(jiān)控是種薯清潔生產(chǎn)的三個(gè)重要環(huán)節(jié)。具體而言，耐瘠薄性強(qiáng)的品種受重金屬影響較小，反之則較大。在當(dāng)前種薯生產(chǎn)體系中，抗逆性較好的品種組培體系中，如果存在低濃度重金屬污染，憑借肉眼觀察，是很難發(fā)覺的，因此有必要強(qiáng)化重金屬監(jiān)測(cè)和管理。通過嚴(yán)格把關(guān)，防止重金屬混入組培生產(chǎn)體系。

在種薯大田繁殖階段，考慮到西南地區(qū)普遍存在馬鈴薯新鮮莖葉飼喂家畜的習(xí)慣和秸稈還田的傳統(tǒng)，對(duì)于敏感產(chǎn)地，建議種薯生產(chǎn)選擇塊莖和植株均表現(xiàn)低富集特性的品種，以切實(shí)降低產(chǎn)品健康風(fēng)險(xiǎn)，并降低產(chǎn)地潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。此外，動(dòng)物糞便加工的有機(jī)肥自身就可能是重金屬源，應(yīng)加強(qiáng)管理，謹(jǐn)慎施用。在重金屬背景值高的西南地區(qū)，推薦化學(xué)復(fù)合肥取代動(dòng)物糞便加工類肥料。因此，在馬鈴薯種薯生產(chǎn)過程中應(yīng)該重點(diǎn)把控大田商品種薯生產(chǎn)環(huán)節(jié)，建立有效的監(jiān)管制度，在土壤背景調(diào)查和土壤類型選擇、肥料施用方面降低重金屬進(jìn)入種薯的概率，以維持馬鈴薯的清潔生產(chǎn)，進(jìn)而確保國(guó)家糧食安全。

種薯的清潔生產(chǎn)能從源頭保障馬鈴薯食品安全，降低產(chǎn)地生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，在馬鈴薯主糧化進(jìn)程中，有必要將重金屬監(jiān)測(cè)、管理貫穿到種質(zhì)資源擴(kuò)繁體系和種薯生產(chǎn)各環(huán)節(jié)中，以維持馬鈴薯的清潔生產(chǎn)。