不同品種馬鈴薯塊莖Cd 吸收特征及食用安全性評(píng)價(jià)

柴冠群，周禮興，王 麗，劉桂華，秦 松，曹 艷，范成五

（1.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 土壤肥料研究所，貴州 貴陽(yáng) 550006；2.畢節(jié)市七星關(guān)區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，貴州 畢節(jié) 551700）

鎘（Cd）是植物生長(zhǎng)發(fā)育的非必需元素，具有較強(qiáng)的生物毒性，可以通過損傷作物葉綠體、降低抗氧化酶活性、改變細(xì)胞膜通透性等導(dǎo)致細(xì)胞損傷，抑制作物生長(zhǎng)發(fā)育，從而影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)[1]。Cd是一種遷移能力較強(qiáng)、易被植物吸收積累的重金屬元素，可與作物體內(nèi)蛋白質(zhì)、多肽等大分子物質(zhì)結(jié)合富集在作物可食部位[2]，通過食物鏈進(jìn)入人體，損傷人體內(nèi)臟，阻礙骨骼新陳代謝，造成骨質(zhì)疏松、萎縮變形，危害人體健康[3]。

馬鈴薯（Solanum tuberosumL.）具有適應(yīng)性廣、抗逆性強(qiáng)、豐產(chǎn)性好、淀粉產(chǎn)量大等特點(diǎn)，是中國(guó)主要的蔬菜和糧食作物[4-5]。近年來(lái)，貴州馬鈴薯種植面積和產(chǎn)量不斷擴(kuò)大，已成為中國(guó)馬鈴薯第二生產(chǎn)大省[6]。貴州省碳酸鹽巖發(fā)育土壤約占全省土壤總面積的61.9%[2]，大量研究表明，碳酸鹽巖風(fēng)化成土過程中，土壤中重金屬相對(duì)于基巖表現(xiàn)出富集特征，其發(fā)育土壤重金屬含量一般較高[7]。貴州省耕層土壤Cd 背景值為0.40 mg/kg[8]，約是全國(guó)土壤Cd背景值的4.1 倍[9]，高出我國(guó)現(xiàn)行土壤Cd 風(fēng)險(xiǎn)篩選值33.3%[10]。王旭蓮等[2]對(duì)貴州典型馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)采集的105 對(duì)土壤與馬鈴薯樣品分析發(fā)現(xiàn)，高于土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值的土壤樣點(diǎn)占比為90.5%，馬鈴薯Cd 超標(biāo)率為17.1%；羅國(guó)飛等[11]采集的貴州喀斯特地區(qū)225 個(gè)農(nóng)產(chǎn)品樣品（110 個(gè)水稻、130 個(gè)玉米、15 個(gè)馬鈴薯）中水稻、玉米、馬鈴薯Cd 超標(biāo)率分別為19.09%、23.08%、26.70%。由此可見，高庫(kù)容的土壤Cd威脅農(nóng)產(chǎn)品安全。

對(duì)于實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品Cd安全生產(chǎn)，目前主要從三方面著手：一是通過物理化學(xué)手段降低土壤中Cd 活性，阻控根系對(duì)土壤Cd 的吸收[12]；二是通過葉面噴施阻隔劑，抑制地下部或葉片Cd 向可食部位轉(zhuǎn)運(yùn)[13]；三是種植重金屬抗性強(qiáng)、低積累的作物品種[14]。與前兩者相比，后者具有接受度高、操作性強(qiáng)等特點(diǎn)，易于推廣應(yīng)用。重金屬低積累品種篩選作為邊生產(chǎn)、邊修復(fù)技術(shù)被用于解決重金屬污染土壤上食品安全問題的研究方興未艾[15]。有研究發(fā)現(xiàn)，不同馬鈴薯品種對(duì)Cd 吸收累積存在顯著差異[4]，前人多是基于單一地點(diǎn)、單一土壤條件開展研究。研究證實(shí)，作物重金屬積累特性，除與其基因型差異有關(guān)外，還受氣候、土壤類型與污染特征等地域環(huán)境條件的制約[16]，因此，有必要在不同區(qū)域開展馬鈴薯品種對(duì)Cd 吸收富集差異研究。黔西北地區(qū)是貴州馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)，也是貴州典型碳酸鹽巖地區(qū)，Cd污染耕地面積占比較大[8]。迄今鮮見黔西北馬鈴薯品種富Cd差異研究的相關(guān)報(bào)道，不利于指導(dǎo)解決馬鈴薯擴(kuò)種與安全生產(chǎn)的問題。鑒于此，擬選取當(dāng)?shù)爻Ｒ姷?1 個(gè)馬鈴薯品種，在黔西北T、Y 兩地Cd 污染耕地開展大田試驗(yàn)，分析不同品種馬鈴薯塊莖對(duì)Cd吸收富集差異并進(jìn)行食用安全性評(píng)價(jià)，旨在篩選適宜黔西北地區(qū)種植的Cd低積累馬鈴薯品種，為耕地資源緊缺地區(qū)的重金屬安全利用類或嚴(yán)格管控類耕地安全利用和馬鈴薯Cd 安全品種培育提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材料

1.1.1 試驗(yàn)地塊選擇 將地塊劃分成Ⅰ—Ⅳ4 個(gè)樣方，將每個(gè)樣方劃分成（1）—（4）4 個(gè)田塊，如圖1 所示。每個(gè)田塊采集1 個(gè)土壤混合樣品，檢測(cè)其pH值、全Cd 含量、有效Cd 含量。如果Ⅰ—Ⅳ4 個(gè)樣方土壤pH 值、全Cd含量、有效Cd含量均差異不顯著，則確定為試驗(yàn)地塊。試驗(yàn)地位于黔西北T 地與Y地，兩地土壤類型均為黃壤，成土母巖均為碳酸鹽巖。兩地土壤理化性質(zhì)見表1。根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 15618—2018）[10]，T 地、Y 地均為受Cd 污染的安全利用類耕地，其土壤Cd 含量分別是篩選值的6.17、3.03倍。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)Tab.1 Basically physical and chemical properties of tested soils

圖1 試驗(yàn)地塊土壤樣品采集點(diǎn)Fig.1 Soil sample collection sites in test plot

供試馬鈴薯為黔西北市場(chǎng)上常見的21 個(gè)馬鈴薯品種，均由畢節(jié)市農(nóng)科所提供，具體見表2。

表2 供試馬鈴薯品種Tab.2 Potato varieties tested

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2021 年4—9 月在T 地與Y 地的試驗(yàn)基地開展田間試驗(yàn)，采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。兩試驗(yàn)地的試驗(yàn)設(shè)計(jì)與田間管理措施一致。以馬鈴薯品種為處理，即21個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次，共計(jì)63個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積12 m2，品種間、重復(fù)間均留50 cm過道。馬鈴薯種植規(guī)格為行距0.6 m、株距0.4 m，每小區(qū)6行，每行10株。試驗(yàn)用尿素（N：46%）、鈣鎂磷肥（P2O5：12%）、硫酸鉀（K2O：50%）均由貴州磷化集團(tuán)生產(chǎn)。馬鈴薯整個(gè)生育期N施用量為150 kg/hm2，P2O5施用量為105 kg/hm2，K2O 施用量為165 kg/hm2。氮肥70%作基肥，30%作團(tuán)棵期追肥；磷肥全部基施；鉀肥50%作基肥，50%作現(xiàn)蕾期追肥。馬鈴薯成熟后，稱量各小區(qū)馬鈴薯塊莖產(chǎn)量。在每個(gè)小區(qū)隨機(jī)采集5 株馬鈴薯塊莖帶回實(shí)驗(yàn)室，用自來(lái)水和去離子水洗干凈后晾干，用勻漿機(jī)勻漿后，置于-20 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 測(cè)試項(xiàng)目與方法

1.3.1 土壤pH 值與重金屬測(cè)定 土壤pH 值以1∶2.5 土水質(zhì)量比，采用PHS-3E 型酸度計(jì)測(cè)定[17]。土壤全Cd 含量采用HNO3-HF-HClO4消解，使用Elan 9000 型ICP-MS（美國(guó)珀金埃爾默股份有限公司）測(cè)定[18]。采用土壤標(biāo)準(zhǔn)樣品（GB W07405）進(jìn)行質(zhì)量控制，土壤樣品標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)回收率為91.3%～103.2%。土壤有效Cd 含量采用二乙烯三胺五乙酸（DTPA）浸提，ICP-MS測(cè)定[19]。

1.3.2 馬鈴薯重金屬測(cè)定 參照《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中多元素的測(cè)定》（GB 5009.268—2016）[20]，經(jīng)硝酸-微波法消解馬鈴薯樣品后，用Elan 9000 型ICP-MS測(cè)定其Cd含量。采用標(biāo)樣（GB W100348）進(jìn)行質(zhì)控，回收率為98.6%～100.4%，全程做空白試驗(yàn)。

1.4 指標(biāo)計(jì)算及數(shù)據(jù)分析

1.4.1 馬鈴薯Cd污染狀況評(píng)價(jià) 根據(jù)《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限值》（GB 2762—2017）[21]，采用單因子污染指數(shù)法（Pi）對(duì)兩地試驗(yàn)馬鈴薯Cd 安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)[22-23]，計(jì)算公式：

式中，LCd為單因子污染指數(shù)；CCd為馬鈴薯中重金屬Cd 含量的實(shí)測(cè)值；SCd為馬鈴薯中重金屬Cd 含量的限值，為0.1 mg/kg[21]。LCd≤1 表示馬鈴薯Cd 含量未超標(biāo)，1＜LCd≤2 表示馬鈴薯Cd 含量輕度超標(biāo)，LCd＞2表示馬鈴薯Cd含量重度超標(biāo)。

1.4.2 馬鈴薯Cd 食用安全性評(píng)價(jià) 人體食用馬鈴薯Cd 安全性可采用每周人體對(duì)Cd 的攝入量（Provisional weekly intake，PWI）進(jìn)行評(píng)價(jià)，若PWI不超過人體周可耐受劑量（Provisional tolerable weekly intake，PTWI），則表示食用安全，PWI計(jì)算公式[24]：

式中，X為馬鈴薯塊莖中Cd 含量；IR（Intake rate）為每人每周攝入馬鈴薯質(zhì)量，文獻(xiàn)報(bào)道建議成人每天平均攝入薯類物質(zhì)50～100 g[4]，本研究中成人每周攝入馬鈴薯按700 g 計(jì)算；mb為人體質(zhì)量，按60 kg 計(jì)算。經(jīng)計(jì)算，每周人體Cd 可耐受劑量（PTWI）為6.7 μg/kg[25]。

1.4.3 數(shù)據(jù)分析 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，應(yīng)用SPSS 22.0進(jìn)行方差分析與聚類分析，運(yùn)用Sigmaplot 14.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤pH值與Cd含量特征

Y 地與T 地試驗(yàn)地塊土壤pH 值與Cd 含量特征見表3。Y 地試驗(yàn)地塊采集的4個(gè)樣方土壤pH 值為4.49～4.59，差異不顯著；T 地試驗(yàn)地塊采集的4 個(gè)樣方土壤pH 值為6.19～6.29，差異不顯著；Y 地與T 地試驗(yàn)地塊土壤pH 均值分別為4.55、6.25，差異顯著。Y 地試驗(yàn)地塊采集的4 個(gè)樣方土壤總Cd 含量為0.87～0.92 mg/kg，差異不顯著；T 地試驗(yàn)地塊采集的4 個(gè)樣方土壤總Cd 含量為1.79～1.89 mg/kg，差異不顯著；Y 地與T 地試驗(yàn)地塊土壤總Cd 含量均值分別為0.90、1.83 mg/kg，差異顯著。Y 地試驗(yàn)地塊采集的4 個(gè)樣方土壤有效Cd 含量為0.43～0.48 mg/kg，差異不顯著；T地試驗(yàn)地塊采集的4個(gè)樣方土壤有效Cd含量為0.27～0.29 mg/kg，差異不顯著；Y 地與T 地試驗(yàn)地塊土壤有效Cd 含量均值分別為0.45、0.28 mg/kg，差異顯著，Y 地土壤有效Cd 含量均值約是T 地的1.61 倍。綜上，同一試驗(yàn)地塊不同樣方土壤酸堿度與Cd含量差異均不顯著，不存在同田異質(zhì)性；Y 地與T 地試驗(yàn)地塊土壤酸堿度與Cd 含量均存在顯著差異，適宜作為重金屬低累積品種篩選試驗(yàn)地。

2.2 不同品種馬鈴薯塊莖產(chǎn)量差異

從表4 可以看出，同一試驗(yàn)地點(diǎn)不同品種馬鈴薯塊莖產(chǎn)量存在顯著差異，Y地不同品種馬鈴薯產(chǎn)量介于3 564.3～15 271.8 kg/hm2，均值為9 200.1 kg/hm2，產(chǎn)量最高的是轉(zhuǎn)心烏（P 14），產(chǎn)量最低的是閔薯1號(hào)（P 04），兩者相差3.3 倍；T 地不同品種馬鈴薯產(chǎn)量 介 于1 825.9～16 305.6 kg/hm2，均 值 為6 754.0 kg/hm2，產(chǎn)量最高的是轉(zhuǎn)心烏（P14），產(chǎn)量最低的是閔薯1號(hào)（P 04），兩者相差7.9倍。整體而言，Y地馬鈴薯塊莖平均產(chǎn)量高于T 地，Y 地參試品種馬鈴薯塊莖平均產(chǎn)量是T地的1.36倍。說(shuō)明基因型與環(huán)境差異可能對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量造成影響。

表4 不同試驗(yàn)地點(diǎn)、不同品種馬鈴薯塊莖產(chǎn)量特征Tab.4 Yield of potato tubers of different varieties in different experimental locations kg/hm2

續(xù)表4 不同試驗(yàn)地點(diǎn)、不同品種馬鈴薯塊莖產(chǎn)量特征Tab.4（Continued）Yield of potato tubers of different varieties in different experimental locations kg/hm2

為進(jìn)一步分析基因型因素與環(huán)境因素對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量的作用，對(duì)Y 地與T 地試驗(yàn)地塊種植的21 個(gè)馬鈴薯品種塊莖產(chǎn)量進(jìn)行雙因素方差分析，結(jié)果如表5 所示。修正模型的F值為85.39，P＜0.01，說(shuō)明該模型具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。地點(diǎn)、品種、地點(diǎn)×品種的F值分別為119.84、477.01、33.06，均達(dá)極顯著水平。說(shuō)明不同品種、不同試驗(yàn)環(huán)境及品種與環(huán)境間的交互作用對(duì)馬鈴薯塊莖產(chǎn)量均有極顯著影響。

2.3 不同品種馬鈴薯塊莖Cd含量差異

從表6 可知，同一地點(diǎn)不同品種馬鈴薯塊莖Cd含量存在顯著差異。Y 地不同品種馬鈴薯塊莖Cd含量介于0.061～0.153 mg/kg，均值為0.094 mg/kg，塊莖Cd含量最高的是隴薯7號(hào)（P 21），塊莖Cd含量最低的是青薯9 號(hào)（P 01），二者相差1.51 倍；T 地不同品種馬鈴薯塊莖Cd 含量介于0.055～0.111 mg/kg，均值為0.080 mg/kg，塊莖Cd 含量最高的是隴薯7 號(hào)（P 21），塊莖Cd含量最低的是青薯9號(hào)（P 01），二者相差1.0 倍。就同一品種馬鈴薯塊莖Cd 含量而言，Y 地馬鈴薯塊莖Cd 含量均高于T 地。說(shuō)明基因型因素與環(huán)境因素可能會(huì)影響馬鈴薯塊莖Cd含量。

續(xù)表6 不同試驗(yàn)地點(diǎn)、不同品種馬鈴薯塊莖Cd含量特征Tab.6（Continued）Characteristics of Cd content in potato tubers in different locations and different varieties mg/kg

為進(jìn)一步分析基因型因素與環(huán)境因素對(duì)馬鈴薯塊莖Cd 含量的作用效果，對(duì)Y 地與T 地試驗(yàn)地塊種植的21 個(gè)馬鈴薯品種塊莖Cd 含量進(jìn)行雙因素方差分析，結(jié)果如表7 所示。修正模型的F值為129.07，P＜0.01，說(shuō)明該模型具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。地點(diǎn)、品種、地點(diǎn)×品種的F值分別為71.48、252.47、6.84，均達(dá)極顯著水平。說(shuō)明不同品種、不同試驗(yàn)環(huán)境及品種與環(huán)境間的交互作用對(duì)馬鈴薯塊莖Cd 含量均有極顯著影響。

表7 不同試驗(yàn)地點(diǎn)、不同品種馬鈴薯塊莖Cd含量雙因素方差分析結(jié)果Tab.7 Result of two-factor variance analysis on Cd content in potato tubers of different varieties and different locations

2.4 不同品種馬鈴薯塊莖Cd污染狀況與食用安全性評(píng)價(jià)

由圖2A 可知，Y 地不同品種馬鈴薯塊莖LCd介于0.608～1.533，均值為0.942，LCd最高的是隴薯7 號(hào)（P 21），LCd最低的是青薯9號(hào)（P 01），21個(gè)馬鈴薯品種塊莖Cd 超標(biāo)率為38.09%，Cd 超標(biāo)品種主要有云薯505（P 11）、黃金薯（P 12）、威芋2 號(hào)（P 15）、黃心226（P 17）、希森6 號(hào)（P 18）、云薯104（P 19）、新佳2號(hào)（P 20）、隴薯7 號(hào)（P 21）；T 地不同品種馬鈴薯塊莖LCd介于0.550～1.108，均值為0.802，LCd最高的是隴薯7 號(hào)（P 21），LCd最低的是青薯9 號(hào)（P 01），21 個(gè)馬鈴薯品種塊莖Cd 超標(biāo)率為14.29%，Cd 超標(biāo)品種主要有云薯104（P 19）、新佳2 號(hào)（P 20）、隴薯7 號(hào)（P 21）。由圖2B可知，食用Y地21個(gè)品種馬鈴薯塊莖Cd 的PWI 在0.710～1.789，僅 占Cd 的PTWI 的10.60%～26.70%，不存在食用安全性危害；食用T 地21 個(gè)品種馬鈴薯塊莖Cd 的PWI 在0.642～1.293，僅占Cd的PTWI的9.58%～19.30%，不存在食用安全性危害。

圖2 不同地點(diǎn)、不同品種馬鈴薯塊莖Cd污染狀況（A）與食用安全性（B）評(píng)價(jià)Fig.2 Cd contamination（A）and edible safety（B）evaluation of potato tubers from different regions and varieties

3 結(jié)論與討論

研究證實(shí)，作物產(chǎn)量不僅受基因型的影響，還受環(huán)境因素及基因型與環(huán)境因素的交互作用的影響[26]，因此，不同的作物品種均有各自的生態(tài)適栽區(qū)[16]。本研究中，同一地點(diǎn)不同品種馬鈴薯塊莖產(chǎn)量存在顯著差異，產(chǎn)量最大相差7.9 倍；不同品種、不同試驗(yàn)環(huán)境、品種與環(huán)境間的交互作用對(duì)馬鈴薯塊莖產(chǎn)量均有極顯著影響。這與前人在小麥[16，26]、大豆[27]、油菜[28]等上的報(bào)道一致。

基因型是作物對(duì)重金屬積累差異的重要原因之一[4]。本研究中，同一地塊不同品種馬鈴薯塊莖Cd 含量存在顯著差異，最高相差1.51 倍，說(shuō)明不同品種馬鈴薯塊莖對(duì)土壤Cd積累能力存在顯著差異。造成不同基因型馬鈴薯塊莖Cd 含量差異的原因主要有兩方面：一是受不同品種馬鈴薯根系對(duì)土壤Cd吸收速率差異影響；二是受馬鈴薯植株對(duì)Cd轉(zhuǎn)運(yùn)能力的影響，馬鈴薯通過根系吸收的Cd由木質(zhì)部裝載運(yùn)輸至莖葉中，又由莖葉通過韌皮部裝載運(yùn)輸至塊莖[29]。作物重金屬積累特性，除與其基因型差異有關(guān)外，還受氣候、土壤類型與污染特征等地域環(huán)境條件的制約[27]。本研究中，Y 地21 個(gè)馬鈴薯品種Cd超標(biāo)率為38.09%，T 地21 個(gè)馬鈴薯品種Cd 超標(biāo)率為14.29%，Y、T 兩地土壤pH 值與Cd 含量存在顯著差異，尤其Y 地土壤有效Cd 含量均值約是T 地的1.61倍，這可能是造成Y 地馬鈴薯Cd含量超標(biāo)率高于T地的主要原因。前人研究發(fā)現(xiàn)，作物Cd含量與土壤有效Cd 含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，而與土壤全Cd含量相關(guān)性不顯著，尤其在碳酸鹽巖地區(qū)[2]。

本研究中，Y、T兩地馬鈴薯塊莖Cd含量受基因型因素、環(huán)境因素、基因型與環(huán)境交互作用的影響，這與前人在小麥[16，26]、大豆[27]、油菜[28]上的研究結(jié)果相一致。盡管Y、T 兩地馬鈴薯塊莖存在Cd 超標(biāo)現(xiàn)象，但通過食用安全性評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)，食用Y、T 兩地21個(gè)馬鈴薯品種所攝入Cd 的PWI 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于人體可耐受劑量（PTWI，6.7 μg/kg）[25]，而且我國(guó)居民多以大米或小麥為主食，對(duì)馬鈴薯的攝入量遠(yuǎn)小于大米或小麥，表明食用Cd超標(biāo)馬鈴薯不會(huì)對(duì)人體健康造成影響。但是對(duì)于Cd超標(biāo)馬鈴薯品種應(yīng)多加關(guān)注，可考慮用于生產(chǎn)生物乙醇，以降低其潛在風(fēng)險(xiǎn)。